CC BY
103
Геодезия
ГЕОДЕЗИЯ
УДК 528.91
А.П. Карпик
СГГ А, Новосибирск
СИСТЕМНАЯ СВЯЗЬ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ ТЕРРИТОРИЙ С ЕГО ГЕОДЕЗИЧЕСКИМ ИНФОРМАЦИОННЫМ ОБЕСПЕЧЕНИЕМ
Показана важная роль геодезического информационного обеспечения устойчивого развития территорий и их системная связь. Приведена обобщенная схема и схема системной связи геодезического информационного обеспечения с устойчивым развитием территорий.
устойчивое развитие территорий, системный подход, геодезическое информационное обеспечение.
A.P. Karpik SSGA, Novosibirsk
SYSTEM LINK OF STABLE AREA DEVELOPMENT AND ITS GEODETIC DATAWARE
An important role of stable area development geodetic dataware and their system link are shown. Generalized scheme and the scheme of system link of stable area development and its geodetic dataware are given.
sustainable development of territories, system approach, geodetic dataware.
В текущем исторически коротком периоде осознается необходимость сохранения устойчивого развития и идет поиск путей решения этой глобальной, сложной и противоречивой проблемы на всех уровнях пространственной иерархии.
Место, роль и функции геодезии в решении проблемы устойчивого развития пока недостаточно определены и не представлены в научной литературе. Однако, геодезия неизбежно занимает особое место в решении рассматриваемой проблемы, поскольку только ее методами и средствами осуществляется точный контроль за большинством пространственно-временных изменений, происходящих на поверхности Земли, ведутся наблюдения за современными движениями земной коры, определяются параметры формы и размеров Земли. Геодезические данные представляют собой количественную информацию, на основании которой выявляются объективные закономерности развития различ-
3
Геодезия
ных наблюдаемых процессов и производится их прогнозирование. Прогнозные оценки позволяют своевременно выполнить управляющие воздействия для ослабления неблагоприятных последствий, нарушающих устойчивое развитие.
В целях определения мест приложения и функций геодезической пространственной информационной системы, предназначенной для обеспечения устойчивого развития, необходимо рассмотреть системно само устойчивое развитие и системную связь с его геодезическим обеспечением. На данном этапе целесообразно ограничиться представлением основных структурно-функциональных связей между устойчивым развитием и геодезией.
Системный подход к проблеме устойчивого развития имеет преимущественно тематическую направленность, относящуюся к различным видам геосистем, хотя его основные структурные составляющие рассматриваются во многих публикациях. На основе общей системной постановки выдвигаются новые перспективные идеи обеспечения устойчивого развития, представляющие синтез естественных и гуманитарных наук [1, 2]. Показывается, что рассмотрение Земли как замкнутой системы приводит к тупиковой геноцидной концепции «пределов роста». При рассмотрении Земли как открытой системы, представляющей космическое явление, устанавливается пространственно-временная универсальная система общих законов природы. Использование найденных законов природы и смена господствующего ныне «хищнического мировоззрения» на максимально нравственное открывает путь к устойчивости развития системы «природа - общество - человек».
Термин «устойчивость системы» заимствован из физико-математических и технических наук. В широком смысле он означает свойство изучаемой системы возвращаться к первоначальному или близкому к нему стационарному состоянию после прекращения действия внешнего возмущения [3].
Представим обобщенно открытую систему устойчивого развития в связи с подсистемой геодезических и других натурных наблюдений, а также с подсистемой информационного обеспечения, и на их основе - моделирование и регулирование (управление) развития территорий.
Обобщенная схема изображена на рис. 1, а последующее детальное рассмотрение подсистем осуществляется в описательной форме. Построение системы устойчивого развития выполнено с использованием понятийно-терминологического аппарата, введенного в [4, 5].
В основу системы устойчивого развития положен объект исследования, который можно определить как географическую оболочку Земли (геосферу), состоящую из четырех основных сферических слоев: литосферы, гидросферы, атмосферы и биосферы. В пространстве биосферы развивается разумная жизнь человеческого общества, которую относят к социосфере, или, по В.Н. Вернадскому, к ноосфере.
Географическая оболочка состоит из особых территориальных образований - ландшафтов, представляющих собой сочетание абиотических (неживых), биотических (живой природы) и антропогенных (порожденных человеком)
4
Геодезия
элементов, развивающихся во взаимодействии. Понятия «ландшафтная оболочка» и «геосфера» почти тождественны, но различаются структурно: элементы первой представлены территориальными системами ландшафтов, элементы второй - различными сферами.
Рис. 1. Обобщенная схема геодезического информационного обеспечения
устойчивого развития территории
В геодезической практике используется понятие других территориальных образований - территорий, выделяемых по административному признаку, разграфке листов карты, по географическим объектам или по иному признаку.
В данном исследовании территориальные образования целесообразно рассматривать как структурные элементы пространственной иерархии изучаемой системы. Однако при этом следует учитывать, что ограничение территорий может
5
Геодезия
осуществляться как по ландшафтным признакам геосистем, так и по территориальной организации общества, по отраслевым, производственно-технологическим и другим признакам.
Комплексным изучением природных условий Земли, ее населения, экономических ресурсов, материального производства занимается география, описывающая языком географических карт различного назначения размещение всего перечисленного на земной поверхности. Однако исходную, самую точную и детальную измерительную и графическую информацию о геопространстве получают в результате применения междисциплинарного научно-производственного комплекса геодезии. Крупномасштабные топографические карты и планы масштабного ряда от 1 : 500 до 1 : 5 000 практически не имеют искажений из-за влияния кривизны Земли. Они используются для инженерного проектирования и подготовки данных для выноса проектов на местность, обустройства сложных сооружений и коммуникаций всевозможных видов. На основе топографических карт масштабного ряда от 1 : 10 000 до 1 : 1 000 000 составляют географические карты с существенным искажением геометрических параметров под влиянием кривизны Земли, с большей потерей точности и детальности изображений в связи с использованием мелких масштабов. Очевидно, что только гармоничное сочетание геодезии и географии может повысить эффективность исследования геопространства с целью обеспечения устойчивого развития в территориальном аспекте.
В связи с тем, что нарушение устойчивого развития является в значительной мере результатом конкретных отношений человеческого общества с природой, целесообразно рассматривать природно-технические системы в качестве одного из основных структурных элементов иерархии территориального геопространства.
Очевидно, что природно-технические системы состоят из взаимодействующих элементов природного и технического происхождения. Обобщенно такую систему можно представить как любой вид антропогенной трансформации природных комплексов. При этом следует уточнить, что понимается под природным территориальным комплексом [5]. Прежде всего, это природная часть ландшафта, являющаяся геосистемой, состоящая из взаимно обусловленных природных компонентов, взаимосвязанных в своем размещении и развитии. Иерархия технической составляющей «природно-технические системы» может иметь широкий диапазон распространения, от положения отдельных инженерных объектов до магистральных образований. Иерархия природных комплексов также изменяется в широких пределах географических образований - от фаций до ландшафтной оболочки Земли. Следовательно, имеется возможность согласовывать природные и технические уровни пространственной иерархии природнотехнических систем, но делать это нужно глубоко обоснованно.
В процессе проектирования, создания и эксплуатации природно-технических систем получают большой объем геодезической пространственной информации, отражающей различные стороны состояния устойчивого развития территорий во времени. Геодезический мониторинг любой полноты об-
6
Геодезия
разует информационную базу в виде результатов обновления топографических карт, аэрокосмического зондирования, инженерных изысканий, разби-вочных работ, наблюдений за деформациями сооружений и техногенной геодинамикой, за распространением неблагоприятных экологических последствий и другими пространственными явлениями, возникающими на территории «природно-технических систем».
Входные воздействия в системе устойчивого развития (см. рис. 1) представляют собой широкий спектр факторов.
Г лавным природным фактором является лучистая энергия Солнца, определяющая развитие большинства протекающих на Земле процессов.
От лучистой энергии Солнца зависит климат Земли, который определяет особенности развития биосферы и условия жизни человеческого общества в различных широтах и ландшафтах. Современными исследованиями установлено, что между климатическими изменениями и социально-экономическими условиями, а также историческими событиями в жизни человеческого общества выявляются устойчивые корреляционные зависимости. Существенное влияние на устойчивое развитие Земли могут оказывать тектонические, сейсмические, вулканические воздействия, а также цунами, наводнения, оползневые процессы и другие природные катаклизмы.
Входная переменная системы устойчивого развития (см. рис. 1) должна отражать характер изменений территориальных параметров пространственной плотности в сравнении с допустимыми критериями по площади и концентрации сосредоточения. Очевидно, что признаки устойчивого развития представляют собой уровень проявления неблагоприятных экологических, социальноэкономических, политических и других последствий, возникающих в результате антропогенных и природных воздействий на входе системы.
Контроль за состоянием и изменением входных воздействий и выходной переменной в системе устойчивого развития необходимо осуществлять в территориальном геопространстве измерительными и визуальными средствами. Измерительные средства обеспечивают определение количественных параметров изучаемых объектов, а визуальные - их качественных характеристик. Синтезом количественных и качественных характеристик геопространства являются графические и цифровые карты и модели геопространства, которые содержат геодезическую и тематическую информацию, необходимую для оценки устойчивости развития.
Перейдем к рассмотрению основных блоков системного геодезического обеспечения, предназначенного для информационного обеспечения устойчивого развития территорий.
Исходный блок подсистемы представляет геодезические и комплексные натурные наблюдения, необходимые для контроля за состоянием устойчивого развития, особенно в районах интенсивной деятельности или сложной сейсмотектонической обстановки. Наблюдения должны выполняться на территориальных образованиях ландшафтной оболочки Земли и охватывать параметры входа и выхода системы устойчивого развития.
7
Геодезия
Ко второму блоку отнесены обработка результатов наблюдений и представление получаемой исходной информационной продукции.
Третий блок охватывает комплекс геодезического информационного и математического моделирования, реализуемый на основе геоинформационных технологий и предназначенный для формирования и использования геопространства.
В соответствии с рис. 1, три вышеуказанных блока геодезической подсистемы дополняются еще двумя - проектирования и регулирования, обеспечивающими обратную связь системного геодезического обеспечения с системой устойчивого развития.
Приведем подробное содержание представленных выше блоков. Наблюдения, охватываемые первым блоком, должны быть пространственно-временными, обеспечивающими контроль за изменением состояния устойчивого развития. В простейшем случае интервалы времени между циклами наблюдений задаются регламентом обновления цифровых моделей территорий (их мониторингом).
Содержание блока наблюдений представлено в виде работ по созданию систем координат, опорных геодезических сетей (закрепляющих системы координат на поверхности Земли), производства различных съемок геопространства и выполнения комплексных натурных наблюдений (исследований). К опорным геодезическим сетям здесь отнесено развитие государственных геодезических сетей - плановых, высотных, гравиметрических, геодезических сетей специального назначения и съемочного обоснования. Съемка геопространства включает в себя создание цифровых (топографических) моделей территорий, геодезическое обеспечение различных инженерных работ, тематические съемки всевозможных направлений, дистанционное зондирование Земли. Перечисленные виды работ представляют широкие оперативные возможности мониторинга состояния устойчивого развития. В результате комплексных натурных наблюдений получают ключевые физические и социальные параметры факторов, определяющих характер изменения различных показателей устойчивого развития. Результаты натурного контроля указанных параметров должны увязываться с геодезическими данными и относиться к изучаемым объектам геопространства.
В блок обработки наблюдений и представления информации отнесены математическая и первичная технологическая обработка измерительной и описательной информации по всем составляющим геодезических и комплексных натурных наблюдений. В результате этой обработки получаются параметры Земли, каталоги плановых координат, нормальных и геодезических высот точек геопространства, его исходное топографическое и тематическое представление в аналоговой и цифровой формах в зависимости от методов получения первичной информации, пространственно-временные характеристики параметров политической, социально-экономической, экологической и другой обстановки, разнообразные физические параметры территорий и отдельных объектов.
Необходимо еще раз подчеркнуть особую ценность синтеза измерительной количественной и описательной качественной информации, представляемой
8
Геодезия
в виде моделей геопространства. Измерительная информация служит базой для выявления общих закономерностей развития процессов, возникающих в результате взаимодействия человеческого общества с природной средой. В работе [1] показано, что отсутствие устойчивого измерителя и процедуры измерения является главным источником потерь в обществе. Устойчивый уровень и высокая точность геодезических методов и средств измерений обеспечивают надежный контроль за изменением показателей устойчивого развития. При этом конкретная детальная реализация рассматриваемой геодезической подсистемы должна опираться на критерии оптимальной измерительной точности, являющейся в ней связующим звеном.
Системное рассмотрение блока геодезического информационного обеспечения устойчивого развития охватывает все процессы дальнейшей обработки результатов наблюдений, реализуемые с использованием геоинформационных технологий. К ним относятся сбор и системное формирование исходной топографо-геодезической и тематической информации, преобразование аналоговых изображений территорий в цифровые, моделирование территорий, пространственный анализ и др. По существу, практически все указанные процессы входят составной частью в блок моделирования геопространства и параметров устойчивого развития территории.
Особого внимания требует структуризация моделирования в геодезической подсистеме, поскольку его формы и содержание неоднозначны. Суть математического моделирования определяется абстрактным, упрощенным отображением действительности логико-математическими формулами, передающими в концентрированном виде сведения о структуре, взаимосвязях и динамике исследуемых географических явлений. Обсуждаются существенные недостатки математического моделирования, но делается вывод о целесообразности комплексирования картографических и математических моделей и неприемлемости их противопоставления.
С целью развития результатов анализа, выполненного в [6], предлагается разделять при структурировании два взаимосвязанных вида моделирования, выполняемого на основе геодезических данных, на информационное и математическое. К информационному относится построение различных видов моделей территориального геопространства в аналоговой и цифровой формах. К математическому моделированию относится определение пространственных и пространственновременных закономерностей развития изучаемых процессов (явлений) по результатам геодезических и комплексных натурных наблюдений. Необходимо при этом подчеркнуть, что в отличие, например, от разведочной геофизики, многие недостатки математического моделирования, как отмечено в [6], относятся к абстрактным моделям, структура которых выбирается недостаточно обоснованно, а параметры не оцениваются по результатам натурных наблюдений.
В широком понимании любой вид моделирования, особенно математическое, должен содержать структурную и параметрическую идентификацию, проверку адекватности модели, прогнозирование и верификацию прогнозов. Структурная идентификация должна осуществляться на основе анализа физической природы
9
Геодезия
изучаемого процесса и результатов геодезических наблюдений за ним. Параметрическая идентификация количественно синтезирует основные закономерности развития процесса, анализ которых может быть содержательно интерпретирован.
В связи с вышеизложенным, структуризацию моделирования в геодезической подсистеме целесообразно осуществлять условно, исходя из следующих соображений. По существу, информационное моделирование территориального геопространства начинается при производстве топографических и тематических съемок, в результате которых получают аналоговую топографическую основу и ее тематическое содержание, а при использовании электронных тахеометров - представление в цифровой форме. Однако, эта составляющая информационного моделирования правомерно включена в блоки геодезических наблюдений и обработки результатов. Аналогично структурируется аэрокосмическое зондирование и его первичные результаты.
Другие виды информационного моделирования относятся к блоку геодезического пространственного информационного обеспечения устойчивого развития, выполняемого с использованием геоинформационных технологий. Однако, в некоторых организациях, в силу технологических особенностей их производства, могут выполняться без применения ГИС такие виды моделирования, как получение растровых изображений с аналоговых оригиналов и их последующая векторизация.
Математическое моделирование, в том числе прогнозирование, отнесены к блоку экспертной оценки устойчивого развития и разработки проектов. Проектирование должно производиться на основе экспертной оценки и прогноза и быть направленным на регулирование входных воздействий с целью ослабления их неблагоприятного влияния, а также на устранение возникших на выходе системы нарушений устойчивого развития. Следует отметить, что в ГИС пока недостаточно разработан инструментарий математического моделирования.
На основе результатов системного геодезического обеспечения осуществляются последующие процессы и, в частности, последующая экспертная оценка устойчивого развития и проектирования, которое также реализуется на основе геоинформационных технологий.
Экспертная оценка экологической обстановки территорий начинает частично производиться в процессе создания информационного пространства и продолжается при разработке пространственных решений различного уровня и назначения. Пространственные решения являются, по сути, проектированием, которое нужно разделять на текущее (в пределах десятилетий) и перспективное (на далекое будущее). В рамках последнего должны закладываться фундаментальные решения по обеспечению устойчивого развития.
Экспертная оценка далекого будущего представляет собой чрезвычайно сложную проблему, связанную с характером космических явлений, в том числе, с изменением параметров Земли, информацию о которых дает геодезия. В работах [1, 2] выдвигается идея проектологии будущего мира, которая должна иметь нравственное и научно-техническое содержание. Подчеркивается, что практическую деятельность человеческого общества нужно согласовывать с законами
10
Геодезия
природы. Управление миром без знания законов природы, в противоречии с ними приведет к системному кризису устойчивого развития. Г еодезическая информация дает возможность выявлять на эмпирической основе количественные закономерности развития геопространства, анализировать и оценивать его возможное будущее состояние.
Регулирование состояния устойчивого развития (см. рис. 1) делает возможной обратную связь системного геодезического информационного обеспечения с входными воздействиями и выходной переменной системы устойчивого развития. Эта связь осуществляется, как уже отмечалось, путем разработки и реализации гуманитарных научно-технических проектов с опорой на творческий потенциал человеческого общества. Научно-техническое инженерное проектирование должно быть направлено на снижение уровня опасных природных и антропогенных воздействий на входе системы устойчивого развития и регулирование до допустимых норм или до полного устранения неблагоприятных экологических последствий на выходе системы.
В результате фундаментальных научно-технических решений, ориентированных на далекое будущее, должна быть открыта универсальная система общих законов природы и разработаны технологии их использования для сохранения устойчивого развития [1, 2].
Ученые и практики различных областей знаний ведут активную деятельность, направленную на решение разнообразных общих и конкретных задач регулирования процесса устойчивого развития. Геодезическая информация при этом является основой, позволяющей осуществлять контроль за пространственно-временными изменениями показателей устойчивого развития. Вместе с тем, топографо-геодезическая информация, как геопространство, служит основой для проектирования, выноса проектов в натуру. Она также обеспечивает и позволяет контролировать заданную проектами геометрию при возведении и эксплуатации объектов геопространства и выявлять закономерности развития процессов по результатам геодезических и комплексных натурных наблюдений. Системное осознание роли и задач геодезии в решении проблемы устойчивого развития повышает эффективность применения этого междисциплинарного научно-производственного комплекса.
Анализ вышеизложенного позволяет предложить схему системной связи геодезического информационного обеспечения с устойчивым развитием территории (рис. 2). В верхней части рис. 2 изображена некая территория в эпохи N - 1, N, N + 1, в которые фиксируется состояние ее устойчивости развития. В эпоху N экономика и общество оказывают на территорию физическое воздействие (сплошные стрелки), влияющее на устойчивость её развития. Воздействие может осуществляться как неорганизованно (браконьерство, несанкционированные свалки и пр.), так и организованно (посредством отраслей народного хозяйства). Далее будем рассматривать только организованное взаимодействие отраслей с устойчивым развитием территории, которые, кроме физического воздействия, осуществляют сбор информации о территории и ее устойчивом развитии (пунктирные стрелки).
11
Геодезия
Рис. 2. Схема системной связи геодезического информационного обеспечения
с устойчивым развитием территории
12
Геодезия
Геодезическое информационное обеспечение осуществляется геодезической отраслью, которая непосредственно не оказывает физическое воздействие ни на территорию (за исключением, пожалуй, установки геодезических знаков), ни на устойчивость ее развития. Геодезическое информационное обеспечение осуществляет сбор геоинформации о территории и ее устойчивом развитии непосредственно (двойная пунктирная стрелка) и в составе отраслей.
Устойчивое развитие ставит перед геодезическим обеспечением задачи, которые обуславливают необходимость новых функций в составе геодезического информационного обеспечения. С другой стороны, современные возможности научно-технического прогресса предоставляют новые средства для осуществления геодезического информационного обеспечения. К ним относятся: компьютеры, спутниковое определение пространственного положения, дистанционное зондирование Земли, сканерное изучение пространства, ГИС, СУБД и др.
Новые функции и средства обуславливают разработку новых технологий геодезического информационного обеспечения: создания и ведения координатно-временных систем; сбора геоинформации; создания и ведения геоинформационного пространства; геоинформационного моделирования; геоинформационного картографирования; пространственно-временного анализа и проектирования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кузнецов, П.Г. Система природа-общество-человек: устойчивое развитие [Текст] / П.Г. Кузнецов, Б.Е. Большаков, О.Л. Кузнецов. - М.: Ноосфера, 2000. - 390 с.
2. Кузнецов, П.Г. Устойчивое развитие: синтез естественных и гуманитарных наук [Текст] / П.Г. Кузнецов, Б.Е. Большаков, О.Л. Кузнецов. - Дубна: РАЕН, 2001. - 280 с.
3. Математические основы теории автоматического регулирования [Текст] / Под общ. ред. Б.К. Чемоданова. - М.: Высш. шк., 1971. - 808 с.
4. Алаев, Э.Б. Социально-экономическая география [Текст]: понятийно-терминологический словарь / Э.Б. Алаев. - М.: Мысль, 1983. - 350 с.
5. Реймерс, Н.С. Природопользование [Текст]: словарь-справочник / Н.С. Реймерс. -
М.: Мысль, 1990. - 640 с.
6. Тикунов, В.С. Моделирование в картографии [Текст] / В.С. Тикунов. - М.: Изд-во МГУ, 1997. - 405 с.
Получено 07.06.2010
© А.П. Карпик, 2010
13
