Картографічне моделювання на базі гіс-технологій в екологічних дослідженнях ґрунтів

Даценко Людмила Миколаївна

 

УДК  528.94

 

картографічне моделювання на базі гіс-технологій в екологічних дослідженнях ґрунтів

 

спеціальність 11.00.12 - географічна картографія

 

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Київ-2000

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі геодезії та картографії географічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка та ЗАТ “Інститут передових технологій”.

Захист відбудеться "7" квітня  2000 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д. 26. 163. 01 при Інституті географії НАН України за адресою: 02034, м.Київ-34, вул. Володимирська, 44.

 

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту географії НАН України (м.Київ-34, вул. Володимирська, 44)

 

Автореферат розісланий 3 березня 2000 р.

 

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради                                        

кандидат географічних наук                                                А.Г.Гольцов

Загальна характеристика роботи

 

Актуальність теми дослідження. Навколишнє середовище — невід'ємна умова і першоджерело існування людини та розвитку суспільного виробництва. Його стан вже давно турбує людство. Суспільна практика поставила перед усіма галузями науки завдання — всебічно дослідити причинно-наслідкові зв’язки всіх елементів системи “Суспільство — Природа” для пошуку шляхів збалансованого економічного, соціального та екологічного розвитку. Одним із завдань сучасної географії є проведення еколого-географічних досліджень природного середовища, в першу чергу ґрунтів, які є індикатором стану екосистеми. Базою для оцінки характеру забруднення компонентів природи, вивчення поведінки елементів-забруднювачів у природному середовищі та розробки заходів по реабілітації території стало еколого-географічне картографування. Еколого-географічні дослідження, що спираються на картографічне моделювання, супроводжуються збиранням, накопиченням та опрацюванням значних обсягів різнопланової фактологічної та картографічної інформації про стан навколишнього середовища. Найбільша результативність цих досліджень може бути досягнута за рахунок інтенсивного інформаційного обміну, з постійним поповненням даними та порівнянням їх з раніше накопиченими та синтезованими, з побудовою багатошарових інформаційних та різнорівневих моделей — цифрових карт. Застосування ГІС-технологій в таких дослідженнях забезпечує:

• високу ступінь автоматизації, яка розвивається на базі цифрових картографічних та географічних даних;
• системний підхід до відображення та аналізу стану забруднення природи, тобто екологічної ситуації;
• інтерактивність, оперативність та багатоваріантність картографування, що дає змогу отримувати різнобічну оцінку ситуації, поєднання методів створення та використання карт;
• застосування нових графічних засобів моделювання геозображень і на їх основі створення нових видів і типів електронних карт, можливість поєднувати текстові, графічні та звукові зображення (мультимедійність), створювати 3-вимірні комп'ютерні моделі, що завдяки переміщенню у просторі та часі забезпечують різнопланові багаторакурсні зображення систем, які досліджуються.

Актуальним є розробка шляхів та методів створення електронних екологічних моделей проблемно-практичної орієнтації з широкими можливостями оперативної обробки інформації. Вони спрямовані на забезпечення прийняття конкретних господарських рішень з проблем поліпшення стану навколишнього середовища на новому технічному та науковому рівнях.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалась у рамках конкурсної наукової програми Міністерства у справах науки і технологій України 01.05. "Охорона і відтворення земельних ресурсів України" (1992-1999 рр.). Картографічні моделі розроблено на фактичному матеріалі еколого-геохімічних досліджень Інституту геохімії, мінералогії та рудоутворення НАН України (відділу пошукової і екологічної геохімії) та Комгеології України, що одержані при виконанні проекту "Вивчення природного і техногенного аномального та фонового вмісту токсичних елементів у різних еколого-геохімічних ландшафтах України" (№ д.р.0199U0119213).

Мета і завдання роботи полягають у розробці теоретичних та методичних основ еколого-географічного картографування з використанням сучасних технічних засобів та ГІС-технологій, створенні автоматизованої картографо-інформаційної системи з можливістю картографічного відображення екологічної ситуації.

Мета роботи визначила такі наукові завдання:

1. Опрацювати досвід картографічного моделювання у сфері еколого-географічних досліджень за сучасними технологіями.
2. Здійснити аналіз фізико-географічних особливостей території Київської області як модельного регіону, оцінити стан ґрунтів та просторово-часове поширення шкідливих елементів за допомогою сучасних комп'ютерних технологій.
3. Виконати апробацію методики збирання, класифікації, упорядкування, оновлення та аналізу різнорідних за формою та змістом джерел інформації, формування структури геоінформаційної бази даних (текстової, семантичної, табличної та графічної),  її наповнення просторовою та атрибутивною інформацією, необхідною для побудови електронних екологічних карт з наступним  їх аналізом.
4. Розробити технологічну схему, що забезпечить функціонування автоматизованої картографо-інформаційної системи для екологічних досліджень, та здійснити апробацію її на прикладі еколого-географічних досліджень ґрунтів Київської області. Схемою передбачено: визначення методом картографічного моделювання поширення зон найбільшого ризику для здоров'я населення та тварин через значну забрудненість ґрунтів; створення картографічної моделі для визначення та відображення можливих зон накопичення забруднюючих елементів та їхніх сполук.
5. Оцінити придатність різноманітних програмних продуктів для опрацювання результатів еколого-географічних досліджень та їх застосування у ГІС-картографуванні.

Об'єкт і предмет дослідження. Екологічний стан ґрунтів Київської області є об'єктом, що досліджується на основі розроблених електронних карт, графічних моделей та баз даних.

Предметом дослідження є науково-методичні засади створення і використання електронних екологічних моделей, реалізованих баз даних та ГІС-технологій, а також методика побудови електронних екологічних карт (підходи, принципи, методи, способи та прийоми, засоби ГІС-картографування).

Методологія та методи дослідження. Вихідну методологічну й теоретичну основу роботи становлять положення сучасної географічної науки в галузі екологічного та геоінформаційного картографування. Концепція проблемно-орієнтованого картографування, практика створення окремих екологічних карт, їх серій та фундаментальних комплексних атласів, весь комплекс традиційних методів створення та використання карт і геоінформаційних технологій являють собою основу, на якій базується дисертаційна робота.

Аналіз сучасних ГІС переконує в необхідності спільного використання інформаційних та модельних властивостей карт. Це сприяє поєднанню теоретичних концепцій — геоінформатики та картографії. В екогеоінформаційній концепції є змога інтегрувати найбільш ефективні методи картографічного моделювання, реалізувати модельно-пізнавальну, комунікативну та мовну функції картографічних моделей.

Дисертація виконувалася на основі проаналізованих загальнотеоретичних та методологічних положень картографічної та географічної наук, що викладені у працях відомих вчених: О.М.Берлянта, О.С.Васмута, М.А.Глазовської, Г.А.Ісаченко, А.П.Золовського, Г.О.Пархоменко, Б.Б.Полинова, О.І.Перельмана, Л.Г.Руденка, К.О.Саліщева.

Основну довідково-інформаційну базу дослідження становили текстові, картографічні та статистичні джерела, що є у фондах Національної бібліотеки України ім.В.І.Вернадського НАН України, Державної медичної наукової бібліотеки, Наукового центру радіаційної медицини Академії медичних наук України. Експериментально-практичні роботи виконувалися за матеріалами польових досліджень і виробничих звітів Інституту геохімії, мінералогії та рудоутворення НАН України, Державного геологічного підприємства "Кіровгеологія", Московської дослідно-методичної геохімічної експедиції. Електронні карти були створені на технічній базі ЗАТ “Інститут передових технологій” із залученням банку даних ІПТ та Укргеодезкартографії.

Основні положення, що виносяться на захист:

1. Сучасні геоінформаційні технології значно підвищують ефективність картографічного методу досліджень компонентів природи та еколого-географічних ситуацій, сприяють раціональному опрацюванню заходів з охорони і відтворення природних ресурсів в оперативному режимі.
2. Теоретико-методичні положення створення проблемно-орієнтованої ГІС, основними з яких є методи створення моделей електронних екологічних карт на базі цифрових моделей ґрунтів та рельєфу, електронної бази даних екологічного напряму відкритого доступу, з можливостями моделювання еколого-географічної ситуації. Це дозволяє здійснювати аналіз екологічного стану ґрунтів в інтерактивному режимі, що реалізується в рамках автоматизованої картографо-інформаційної системи "Еколого-географічний стан ґрунтів Київської області”.
3. Методика підготовки та переведення електронних екологічних моделей у видавничі оригінали карт. Вона дозволяє змоделювати стан забруднення компонентів природи, маніпулювати різними показниками і створювати електронні карти, які після опрацювання у пакетах векторної та растрової графіки продукуються у видавничі оригінали карт для отримання їх друкованих версій.

Наукова новизна одержаних результатів. На базі узагальнення теоретичних та експериментальних розробок, виконаних різними авторами у численних еколого-географічних дослідженнях, та шляхом здійснення власних наукових пошуків розроблено теоретико-методичні основи й побудовано структурно-графічні моделі створення проблемно-орієнтованої ГІС. Побудовані автором електронні екологічні моделі покладено в основу діючої автоматизованої картографо-інформаційної системи (АКІС), призначеної для аналізу еколого-географічного стану ґрунтів. АКІС Київської області є новим технологічним комплексом, що дозволяє оперативно аналізувати та моделювати екологічну ситуацію в інтерактивному режимі.

Розроблено нову методику та обґрунтовано принципи формування інформаційної бази даних для роботи автоматизованої картографо-інформаційної системи, означено вимоги до джерел інформації, що становлять основу функціонування цієї системи.

Визначено компоненти екологічної геоінформаційної системи, на базі якої створено серію еколого-географічних карт Київської області в електронному вигляді. Згідно з існуючими вимогами до якості друкованих картографічних творів запропоновано нову методику підготовки електронних екологічних моделей до друку.

Практичне значення результатів досліджень. У дисертаційній роботі викладено положення з теорії, методів та результатів практичного використання ГІС-технологій для автоматизованого еколого-географічного картографування ґрунтів.

Теоретичні положення створення проблемно-орієнтованої ГІС практично реалізовано автором в автоматизованій картографо-інформаційній системі (АКІС). Це має практичне значення для виконання аналогічних робіт з метою побудови АКІС будь-якої проблемної орієнтації (соціологічних, економічних та інших видів суспільно-географічних досліджень). Рекомендації можуть бути корисні іншим розробникам АКІС.

Діюча АКІС, створена автором для дослідження екологічного стану ґрунтів Київської області, має методичне значення як модель-зразок у практичній побудові не лише аналогічних систем, що працюють на комп’ютерній базі, а й у позакартографічних сферах. Створена за допомогою даної АКІС серія екологічних карт стану ґрунтів Київської області є практично картографічним відображенням реальних знань про сучасну природу території.

Практична реалізація наукових розробок. Розроблена та апробована (на фактичному матеріалі еколого-геохімічних досліджень відділу пошукової та екологічної геохімії Інституту геохімії, мінералогії та рудоутворення НАН України) методика й технологія автоматизованої картографо-інформаційної системи Київської області використані у проектах Комітету України з питань геології та використання надр: "Розробка методичних тимчасових положень з еколого-геохімічного середньомасштабного картографування території України (1997-1999рр.)" (номер д.р.0197U0006729); "Вивчення природного і техногенного аномального та фонового вмісту токсичних елементів в різних еколого-геохімічних ландшафтах України" (номер д.р.0199U0119213) багаторічної науково-технічної програми Міністерства у справах науки і технологій — (02.01) "Охорона та оновлення земельних ресурсів України" (1992-2000 рр.). Основні положення роботи апробовано в різних тематичних проектах ЗАТ "Інститут передових технологій" (м. Київ).

Результати досліджень знайшли відображення: у заключному звіті науково-дослідної лабораторії геодезії, картографії та фотограмметрії географічного факультету Київського університету імені Тараса Шевченка "Геоінформаційне забезпечення і розробка карт для вищої школи" (1994-1996 рр.), звіті науково-виробничої фірми "Радіаційні обстеження та ситуаційний аналіз" ("РОСА") — "Вивчення закономірностей формування доз опромінення населення при різних шляхах впливу" (номер д.р.0196U021756).

Особистий внесок автора роботи. В результаті виконаних дослідницьких робіт сформульовано та обґрунтовано основні науково-методичні положення створення проблемно-орієнтованої ГІС. Автором розроблено методику побудови екологічних моделей з організацією електронної бази даних, необхідної для екологічних досліджень, та апробовано технологічну схему картографічного дослідження екологічного стану території. Зокрема, визначено і сформульовано науково-методичні положення щодо використання сучасних комп'ютерних технологій у еколого-географічних дослідженнях. Основні роботи виконано автором на базі настільної ГІС ArcView 3.1 з модулями розширення Spаtial Analist, Network Analist, 3DAnalist. Створено серію електронних екологічних карт та цифрових моделей. Розроблено методику підготовки електронних екологічних карт до видання засобами різних за призначенням програмних продуктів.

Апробація результатів дослідження. Основні положення дисертації доповідалися та були опубліковані у матеріалах: VII з'їзду Українського географічного товариства (Київ, 1995 р.); Наукової конференції Київського національного університету імені Тараса Шевченка до 90-річчя проф.П.К.Заморія (Київ, 1996 р.); I Міжнародної науково-практичної конференції "Картографія та вища школа" (Київ, 1996 р.); III Міжнародного науково-методичного семінару "Посилення практичної підготовки студентів-географів з топографії і картографії та координації і результативності досліджень з географічної картографії на картографічних кафедрах державних університетів" (Харків, 1997 р.); II Міжнародної конференції "Картографія та вища школа" в рамках VIII з'їзду Українського географічного товариства (Київ, 1998 р.); Третьої, Четвертої та П’ятої Всеукраїнських конференцій з геоінформаційних технологій: “Теорія, технологія, впровадження ГІС”, “ГІС-форум” (Київ, 1997, 1998 та 1999 рр.); щорічних наукових конференцій студентів та аспірантів Київського університету імені Тараса Шевченка (Київ, 1996, 1997, 1998 рр.); Семінару користувачів геоінформаційних технологій ESRI: "ГІС для міських адміністрацій" (Львів, 1999 р.); Ялтинського Симпозіуму 1999 р.: Українські геозв’язки: Геоматика для 21-го століття  (Ялта, 1999 р.); Міжнародної науково-практичної конференції “Геоінформаційні технології сьогодні” (Львів, 1999 р.) тощо.