CC BY
51
УДК 911:574
ТЕХНОЛОГИИ РАСПОЗНАВАНИЯ ТЕРРИТОРИИ ПО ОБРАЗУ НА КАРТЕ, КОСМО-, АЭРОФОТОСНИМКЕ, ФОТОГРАФИИ
(ГИС-ТЕХНОЛОГИИ «С ОДНОГО ВЗГЛЯДА»)
© Григорьева Марина Александровна
кандидат географических наук, доцент кафедры географии и геоэкологии Бурятского государственного университета Россия, 670000, г. Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а E-mail: gmabsu@rambler.ru © Маркелов Данила Андреевич
доктор технических наук, ведущий научный сотрудник ЗАО «Ассоциация КАРТЭК» Россия, 117292, г. Москва, а/я 145 E-mail: pink@dmpink.ru © Маркелов Андрей Владимирович
доктор географических наук, профессор, ведущий научный сотрудник ЗАО «Ассоциация КАРТЭК»
Россия, 117292, г. Москва, а/я 145 © Минеева Надежда Яковлевна
доктор географических наук, профессор, ведущий научный сотрудник ЗАО «Ассоциация
КАРТЭК»
E-mail: nlink@bk.ru
© Полынова Ольга Евгеньевна
кандидат географических наук, доцент кафедры системной экологии Российского университета дружбы народов Россия, 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6 E-mail: olgapolynova@yandex.ru © Акользин Андрей Павлович
доктор технических наук, профессор, генеральный директор ЗАО «Ассоциация КАРТЭК» Россия, 117292, г. Москва, а/я 145 E-mail: cartec-com@mail.ru
Гештальтгеография (гештальт — образ) является инструментом оценки территории через образ: карту, космо- или аэрофотоснимок, фотографию. Пространственный портрет территории, представленный в геоэкологическом стандарте, выполняет функцию «электронного носа» или «электронного языка» в соответствии с новой парадигмой аналитического контроля окружающей среды, когда интегральные показатели можно определять любыми аналитическими методами и средствами, они могут быть безразмерными, но выстроенными на хорошо отградуированной шкале, по разным принципам. Авторами разработаны новые ГИС-технологии обеспечения геоэкологической безопасности территории в системе природопользования, которые представляют механизм распознавания территории и экологического состояния «с одного взгляда», то есть по стандартному геоэкологическому описанию — гештальту. Ключевые слова: гештальтгеография, «электронный нос» или «электронный язык», геоэкологический стандарт территории как ландшафтно-зональный норматив природопользования, ГИС-технологии «с одного взгляда».
Marina A. Grigoryeva
PhD in Geography, Аssociate Professor, Department of Physical Geography and Geoecology
Buryat State University
24a, Smolina st., Ulan-Ude, 670000 Russia
Danila A. Markelov
DSc in Engineering, Leading Research Associate at Joint Stock Company Association «KARTEK» P.O. Box 145, Moscow 117292 Russia
Andrey V. Markelov
Doctor of Geography, Professor, Leading Research Associate at Joint Stock Company Association «KARTEK»
P.O. Box 145, Moscow 117292 Russia
Nadezhda Ya. Mineeva
Doctor of Geography, Professor, Leading Research Associate at Joint Stock Company Association «KARTEK»
P.O. Box 145, Moscow 117292 Russia
Olga E. Polynova
PhD in Geography, Associate Professor, Department of systemic ecology, Federal State Budget Educational Institution of Higher Professional Education «Peoples Friendship University of Russia» 6 Miklukho-Maklai st., Moscow 117198 Russia
Andrey P. Askolzin
DSc in Engineering, Professor, general director at Joint Stock Company Association «KARTEK», P.O. Box 145, Moscow 117292 Russia
Geshtaltgeography (Gestalt — an image) is a tool to assess the territory through the image: map, cosmo or aerial photography. Geoecological standard area is as landscape-zonal regulator normative acts of nature. It is a spatial portrait of the territory presented in geoecological standard the compensation-nyaet feature «electronic nose» or «electronic tongue» in accordance with the new paradigm of the analytical control of the environment when integrated indicators can be determined by any analytical methods and tools, they can be dimensionless, but built on a well-calibrated scale on different principles. The authors have developed a new GIS technology to ensure geoekological security in the area of natural resources, which represent recognition engine from the territory and the environmental-state «at a glance», that is the standard geoecological description — gestalt. Technologies allow you to implement almost all operations related to the environmental, as well as to solve the problems of ecological safety in the natural and urban areas, objects of any economic purpose, embedded in a natural landscape and forming a geotechnical system.
Keywords: Gestalt geography, «electronic nose» or «electronic tongue», geoecological standard area as landscape-zonal regulator normative acts of nature, GIS technology «at a glance».
Гештальтгеография (гештальт — образ) распознавание и оценка территории через образ: карту, космо- или аэрофотоснимок, фотографию [1-4]. Цифровые карты-основы, космоснимки растительности и ландшафтов представляет собой портрет территории, на котором представлено пространственное отображение геоэкологической структуры. Пространственный портрет территории всегда содержит в себе информационные критерии распознавания геосистем и их динамических стадий. Задача состоит в том, чтобы установить взаимосвязи по образу «индикатор-индикат», выявить взаимозависимости и создать базы данных, определяющие геоэкологический стандарт территории, как эталонный типичный ландшафтно-зональный образ или гештальт со структурой в соответствии условиям среды.
Геоэкологический стандарт территории как ландшафтно-зональный норматив выступает регулятором природопользования. Именно пространственный портрет территории, представленный в геоэкологическом стандарте, выполняет функцию «электронного носа» или «электронного языка» в соответствии с новой парадигмой аналитического контроля окружающей среды, когда интегральные показатели можно определять любыми аналитическими методами и средствами, они могут быть безразмерными, но выстроенными на хорошо отградуированной шкале, по разным принципам.
ГИС-технологии, разработанные авторами в виде стационарных и мобильных технологий оперативного картографирования, технологий биомониторинга на основе биотестирования и биоиндикации, технологий создания биобарьеров, позволяют реализовывать практически все операции, связанные с природопользованием, а также решать задачи обеспечения экологической безопасности на природных и урбанизированных территориях, объектах любого хозяйственного назначения, внедренных в природные ландшафты и формирующих геотехнические системы.
Чтобы гештальт территории стал информационно «видимым», его необходимо распознать по заданным критериям и признакам. При этом признаки должны быть формализованы и унифицированы, то есть в основе любого распознавания лежит принцип маркера или индикации, для чего в системе задается всегда пара отношений индикат-индикатор. Информационная система содержит блоки ввода информации, алгоритмизации взаимосвязей, установления приоритетных отношений и создания нового тематического гештальта по типу известного: образ пространства (объект) — информация — карта, космоснимок, фотопортрет, то есть геоэкостандарт территории. Технологический регламент
создания геоэкологического стандарта территории как элемента гештальтгеографии включает цепь последовательных процедур и операций.
Регламент считывания тематической информации с гештальта:
1) выбрать критерии распознавания: объект (реальность) — территория, тип — геоэкостандарт;
2) установить дешифровочные признаки;
3) провести дешифрирование каждого фотоизображения;
4) составить портрет объекта;
5) создать эталон;
6) провести сравнение;
7) установить тип местности по образу.
Таким образом, гештальгеография как наука о познании территории по образу (гештальту) основана на сопряженном сборе исходной информации, создании информационных систем, алгоритмизации взаимосвязей. И тогда гештальт (образ) будет информационно открыт любому наблюдателю. При стандартизации проводится обоснование интервала допустимых значений конкретных переменных и эталонов, что необходимо для управления природно-техническими системами территорий.
Авторами разработаны новые ГИС-технологии обеспечения геоэкологической безопасности и управления территорией.
Технологии построены на единой информационной платформе и представляют механизм распознавания территории и экологического состояния «с одного взгляда», то есть по стандартному геоэкологическому описанию — гештальту.
Региональный охват баз данных (БД) представлен следующими блоками.
Европейская территория России (биомы хвойно-широколиственных лесов, широколиственных лесов, лесостепей, степей, южных степей); Европейская территория России и Латвии: Москва — Центрально-лесной биосферный заповедник — заповедник «Слитере» Латвия (биомы хвойно-широколиственных лесов); Европейская территория: окраинные области Балтийского щита и Атлантики: Санкт-Петербург — Копенгаген — Гамбург — Лондон — Гавр — Роттердам; Европейская территория России и Украины: Москва — Чернобыль (биомы хвойно-широколиственных лесов, широколиственных лесов, лесостепей, степей); Подтатранский район Карпатской горной страны в Словакии (высотная поясность); Уезд Сыпин провинции Гирин, Китай (биомы степей); Город Сыпин провинции Гирин, Китай (урбогеосистемы, биом степей); Московская область (биомы хвойно-широко-лиственных лесов, южной тайги); Москва (биом хвойно-широколиственных лесов); Костромская область (биомы южной тайги и хвойно-широко-лиственных лесов); Республика Карелия (биом тайги); Заповедник «Белогорье» (биомы широколиственных лесов, лесостепей, степей); Нижегородская область (биомы южной тайги, хвойно-широколиственных лесов); Волгоградская область (биомы степей, полупустынь); Мурманская область (биомы тайги, лесотундры, тундры); Республика Бурятия (биомы тайги, степи); Норильский промышленный регион (биомы тундры, лесотундры); Приморский край (биом хвойно-широколиственных лесов); Латвия (биом хвойно-широколиственных лесов); Литва (биом хвойно-широколиственных лесов); Бахрейн (биом пустыни).
ГИС-технологии организованы по модульному принципу на единой платформе ввода, хранения, обработки и представления данных, БД и СУБД, открыты для обновления, актуализации и модернизации составляющих блоков.
Составные блоки: видеоэкранные формы, справочники, диалоговые интерфейсы, системы ввода информации, алгоритмы расчета, анализа информационных связей и выбора ограничений, программное обеспечение обработки, ЦКО — карты и космоснимки, базы данных установок и настроек модуля, системы представления и формирования выходной продукции и отчетных форм, руководство пользователя, программы обучающих курсов.
Каждый модуль функционирует автономно в режиме реального времени и представляет инструментальное средство (прибор) для контроля геоэкологической безопасности и управления территорией. Создан паспорт каждой технологии.
Паспорт технологии «Распознавание геоэкологической структуры территории».
Объект контроля: геоэкологическая структура территории — пространственный портрет и геотопология сукцессионных систем.
Критерии распознавания: физиономичные индикаторы — растения и их сообщества (2 300 видов растений со шкалами толерантности к 10 прямодействующим факторам).
Контролируемые параметры:
1) типы режимов факторов;
2) стадии развития экосистем — ботанико-географический район, руководящие виды, парцеллы, демутационные комплексы, экогенетические комплексы, породный состав древостоя, формула древостоя;
3) пространственные портреты территории и топологическая структура (карты).
Паспорт технологии «Распознавание геодинамической и функциональной структуры территории».
Объект контроля: геодинамическая и функциональная структура территории — пространственный портрет — геотопология сукцессионных систем с константными показателями характерного времени, возраста, запаса фитомассы.
Критерии распознавания: физиономичные индикаторы — растения и их сообщества (2 300 видов растений со шкалами толерантности к 10 прямодействующим факторам).
Контролируемые параметры:
1. Типы режимов факторов.
2. Стадии развития экосистем — ботанико-географический район, руководящие виды, парцеллы, демутационные комплексы, экогенетические комплексы, породный состав древостоя, формула древостоя.
3. Геодинамические характеристики состояния экосистем — характерное время парцелл, характерное время экогенетических комплексов, возраст древостоя и характерное время древостоя.
4. Функциональные характеристики — запас фитомассы травостоя, максимальный запас фитомассы экогенетических комплексов, возраст и запас стволовой древесины древостоя.
5. Пространственные портреты территории и топологическая структура (карты).
Паспорт технологии «Распознавание радиобиобарьерной структуры территории».
Объект контроля: биобарьерная структура территории, пространственный портрет — геотопология сукцессионных систем с константными показателями характерного времени, возраста, запаса фитомассы, содержания радионуклидов и других веществ в биобарьерах: почве, подстилке, грибах, мохово-лишайниковом ярусе, травяно-кустарничковом ярусе, древостое, биоте (в целом), экосистеме (в целом).
Критерии распознавания: физиономичные индикаторы — растения и их сообщества (2 300 видов растений со шкалами толерантности к 10 прямодействующим факторам).
Контролируемые параметры:
1. Типы режимов факторов.
2. Стадии развития экосистем — ботанико-географический район, руководящие виды, парцеллы, демутационные комплексы, экогенетические комплексы, породный состав древостоя, формула древостоя.
3. Геодинамические характеристики состояния экосистем — характерное время парцелл, характерное время экогенетических комплексов, возраст древостоя и характерное время древостоя.
4. Функциональные характеристики — запас фитомассы травостоя, максимальный запас фитомассы экогенетических комплексов, возраст и запас стволовой древесины древостоя.
5. Радиобиобарьерные характеристики.
6. Пространственные портреты территории и топологическая структура (карты).
Паспорт технологии «Распознавание геоэкологического стандарта территории».
Объект контроля: геоэкологическое состояние территории: пространственный портрет — геотопология сукцессионных систем с показателями характерного времени, возраста, запаса фитомассы, содержания химических элементов в биобарьерах (почве, подстилке, грибах, мохово-лишайниковом ярусе, травяно-кустарничковом ярусе, древостое, биоте в целом, экосистеме в целом), измеренными, расчётными, прогнозными и нормативными параметрами нагрузки на экосистемы, экологической ёмкости систем, их реакции и индексов опасности, надежности, эффективности.
Критерии распознавания: физиономичные индикаторы — растения и их сообщества (2 300 видов растений со шкалами толерантности к 10 прямодействующим факторам).
Контролируемые параметры:
1. Типы режимов факторов.
2. Стадии развития экосистем — ботанико-географический район, руководящие виды, парцеллы, демутационные комплексы, экогенетические комплексы, породный состав древостоя, формула древостоя.
3. Геодинамические характеристики состояния экосистем — характерное время парцелл, характерное время экогенетических комплексов, возраст древостоя и характерное время древостоя.
4. Функциональные характеристики — запас фитомассы травостоя, максимальный запас фитомассы экогенетических комплексов, возраст и запас стволовой древесины древостоя.
5. Радиобиобарьерные характеристики.
7. Радиоэкологические параметры: измеренные и расчетные показатели содержания и доз от 137С8, 908г, 239Ри на поверхности почвы, в толще почвы, в дождевых червях, грибах, высших млекопитающих. Индекс радиационной опасности.
8. Геохимические показатели: класс водной миграции, тип и формула геохимического ландшафта, уровни содержания тяжелых металлов.
9. Геоэкологические показатели: предельные и реальные характеристики экологической емкости ландшафта, потенциалы вместимости, индексы надежности и эффективности биобарьеров, коэффициенты возмещения ущерба за использование и по восстановлению ресурса территории.
10. Пространственные портреты территории и топологическая структура (карты).
Паспорт технологии «Распознавание радиоэкологического стандарта территории».
Объект контроля: радиоэкологическое состояние территории: пространственный портрет —
геотопология сукцессионных систем с константными показателями характерного времени, возраста, запаса фитомассы, содержания радионуклидов и других веществ в биобарьерах (почве, подстилке, грибах, мохово-лишайниковом ярусе, травяно-кустарничковом ярусе, древостое, биоте в целом, эко-
137 90 239
системе в целом), параметрами измеренными (содержание радионуклидов С8, Ри в почве) и
137 90 239
расчетными (предельно допустимое содержание С8, Ри в почве, актуальное и предельно до-
пустимое содержание 137С8, 908г, 239Ри в грибах, в дождевых червях, в высших млекопитающих; акту-
137 90 23 9
альные и предельно допустимые поглощенные дозы от С8, Ри на поверхности почвы, в тол-
ще почвы, в дождевых червях, грибах, высших млекопитающих; индекс радиационной опасности).
Критерии распознавания: физиономичные индикаторы — растения и их сообщества (2 300 видов растений со шкалами толерантности к 10 прямодействующим факторам).
Контролируемые параметры:
1. Типы режимов факторов.
2. Стадии развития экосистем — ботанико-географический район, руководящие виды, парцеллы, демутационные комплексы, экогенетические комплексы, породный состав древостоя, формула древостоя.
3. Геодинамические характеристики состояния экосистем — характерное время парцелл, характерное время экогенетических комплексов, возраст древостоя и характерное время древостоя.
4. Функциональные характеристики — запас фитомассы травостоя, максимальный запас фитомассы экогенетических комплексов, возраст и запас стволовой древесины древостоя.
5. Радиобиобарьерные характеристики.
6. Радиоэкологические параметры: измеренные и расчетные показатели содержания и доз от 137С8, 908г, 239Ри на поверхности почвы, в толще почвы, в дождевых червях, грибах, высших млекопитающих. Индекс радиационной опасности.
7. Пространственные портреты территории и топологическая структура (карты).
Паспорт технологии «Прогнозирование радиоэкологического состояния территории»
Составные блоки:
1. Базы данных «Описания»: 116 пробных площадок, 574 вида растений. Рассчитаны альфа- и бетаразнообразие, типы режимов факторов, экологические свиты в диапазонах природных факторов в интервале широт 44° и 57° с. ш.
2. Базы данных «Толерантность»: шкалы толерантности 2 300 видов по отношению к 10 прямодействующим факторам.
3. Базы данных «Радиометрия»: значения содержания £а, 908г, 40К, 137Cs для 116 пробных площадок.
4. Базы данных «Связи»: установленные связи для: 49 видов, 8 радиометрических показателей, 10 прямодействующих факторов, 10 свит. Всего 4000 матриц.
Объект контроля: радиоэкологическое состояние территории: пространственный портрет — геотопология сукцессионных систем с константными показателями характерного времени, возраста, запаса фитомассы, содержания радионуклидов и других веществ в биобарьерах (почве, подстилке, грибах, мохово-лишайниковом ярусе, травяно-кустарничковом ярусе, древостое, биоте в целом, экосистеме в целом), параметрами измеренными (содержание радионуклидов 137С8, 908г, 239Ри в почве) и
137 90 239
расчетными (предельно допустимое содержание С8, Ри в почве, актуальное и предельно до-
137 90 239
пустимое содержание С8, Ри в грибах, в дождевых червях, в высших млекопитающих; акту-
альные и предельно допустимые поглощенные дозы от 137С8, 908г, 239Ри на поверхности почвы, в толще почвы, в дождевых червях, грибах, высших млекопитающих; индекс радиационной опасности).
Критерии распознавания: физиономичные индикаторы — растения и их сообщества (2300 видов растений со шкалами толерантности к 10 прямодействующим факторам).
Контролируемые параметры:
1. Типы режимов факторов.
2. Радиоэкологические параметры: измеренные и расчетные показатели содержания и доз от 137С8, 908г, 239Ри на поверхности почвы, в толще почвы, в дождевых червях, грибах, высших млекопитающих. Индекс радиационной опасности.
3. Пространственные портреты территории и топологическая структура (карты).
Технологический регламент:
1. Расчет типов режимов факторов.
2. Позиционирование видов на шкалах толерантности и расчёт дельт.
3. Анализ связи дельт с данными радиометрии.
4. Прогноз значений содержания радионуклидов на основе выявленных связей.
Пример распознавания территории с использованием технологий «с одного взгляда» показаны на рисунках 1-3 для Мурманской области.
Рис. 1. Фотопортрет пробной площади (Мурманская область)
Рис. 2. Распознавание территории (Мурманская область)
Рис. 3. Распознавание территории (Мурманская область)
Выводы
Определено новое научное направление — гештальтгеография (гештальт — образ) — распознавание и оценка территории через образ: карту, космо- или аэрофотоснимок, фотографию. Обоснована роль и информационная значимость пространственного портрета территории, составляющего основу геоэкологического стандарта. Созданы базы данных на основе взаимосвязей «индикатор — индикат», определяющие шкалу взаимозависимостей, отраженных в гештальте — пространственном портрете территорий. Гештальт выполняет функцию «электронного носа» или «электронного языка» в системе аналитического контроля окружающей среды.
Авторами разработаны новые ГИС-технологии обеспечения геоэкологической безопасности территории в системе природопользования, которые представляют механизм распознавания территории и экологического состояния «с одного взгляда», то есть по стандартному геоэкологическому описанию — гештальту.
Литература
1. Принцип геоиндикации в гештальтгеографии / Д. А. Маркелов [и др.]. // Геоэкологические проблемы современности: докл. V Междунар. науч. конф. (Владимир, 8 ноября 2013 г.). Владимир: Изд-во ВлГУ, 2013. С. 62-72.
2. Маркелов Д. А., Григорьева М. А. Экономика природопользования с учетом биосферного потенциала земель // Вестник Бурятского госуниверситета. Сер 3. География, геология. Улан-Удэ: Изд-во Бурятского госуниверситета. 2006. Вып. 7. С. 162-171.
3. Инновационные технологии обеспечения экологической безопасности / Д. А. Маркелов [и др.] // Вестник Российской академии естественных наук. 2011. Т. 11, № 5. С. 50-52.
4. Геоэкологическая типология земель как элемент геоэкологического стандарта территорий / Д. А. Маркелов [и др.] // Вестник Российской академии естественных наук. 2011. Т. 11, № 5. С. 74-77.
References
1. Markelov D.A., Markelov А. V., Mineeva N.Y., Golubhikov U.N., Grigor'eva M.A., Polynova O.E., Akol'zin A.P. Princip geoindikacii v geshtal'tgeografii [The principle of bioindication in Gestalt geography] Geojekologicheskie problemy sovremennosti. Doklady V Mezhdunarodnoj nauchnoj konferencii. Vladimir. 2013. Pp. 62-72.
2. Markelov D.A., Grigor'eva M.A. Ekonomika prirodopol'zovanija s uchetom biosfernogo potenciala zemel'[Environmental Economics based biosphere the capacity of land]. Vestnik Burjatskogo universi-teta. Ser 3. Geografija, geologija. No.7. Ulan-Ude. 2006. Pp. 162-171
3. Markelov D.A., Markelov A.V., Mineeva N.JA., Grigor'eva M.A., Polynova O.E., Sobolev A.I., Akol'zin A.P. Innovacionnye tehnologii obespechenija jekologicheskoj bezopasnosti [Innovative technologies ensure environmental safety] Vestnik Rossijskoj akademii estestvennyh nauk. Vol.11.№ 5. 2011. Pp. 50-52.
4. Markelov D.A., Markelov A.V., Mineeva N.JA., Grigor'eva M.A., Polynova O.E., Sobolev A.I., Akol'zin A.P. Geojekologicheskaja tipologija zemel' kak jelement geojekologicheskogo standarta territorij [Agroecological typology of land as part of environmental standard areas] Vestnik Rossijskoj akademii estestvennyh nauk. Vol.11. № 5. 2011. Pp. 74-77.
