Картографічне моделювання на базі гіс-технологій в екологічних дослідженнях ґрунтів

Публікації. Результати дисертаційних досліджень опубліковано в 9-х статтях у наукових журналах та збірниках наукових праць загальним обсягом 3,3 др.арк., п’ять з них — самостійно (2,2 др.арк.); восьми збірниках тез наукових доповідей.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку використаних джерел. Вона викладена на 199 сторінках, з яких 60 сторінок це 38 рисунків та 19 таблиць. У додатку подано таблиці та CD-диск. Перелік використаних джерел налічує 119 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

Екологічне картографування та сучасні екогеоінформаційні дослідження

Екологічне картографування в Україні проходить своє становлення. Вишукуються нові шляхи створення картографічних творів екологічної тематики. Значний попит на еколого-картографічну продукцію обумовлений необхідністю постійного аналізу екологічного стану та прогнозування кризових ситуацій на територіях різного рівня. Висока інформативність, наочність та доступність картографічних матеріалів робить їх вкрай важливим джерелом для прийняття оперативних рішень з питань контролю та поліпшення екологічного стану територій. Про велику увагу до екологічного картографування свідчить значна кількість публікацій у наукових виданнях та періодичній пресі, тематичних збірниках, а також підготовка й видання різних друкованих, електронних та рукописних карт.

Еколого-географічні пошуки з вивчення стану території, почалися ще на початку 20-х років XX ст. Наступні 40 років екологічна концепція базувалася на принципі "географія як екологія людини". Російські вчені (такі як В.Б.Сочава) на початку 70-х років почали орієнтуватися на міждисциплінарний підхід до екології. У сучасній географічній літературі екологія розглядається як наука, що вивчає елементи та зв’язки у системі: "середовище — людина — суспільство". В Україні перші публікації з картографічного забезпечення наукових досліджень екологічного напряму з'явилися у 70-х роках (Золовський А.П., Маркова О.Е., Пархоменко Г.О., Руденко Л.Г.) як результати робіт Відділення географії ІГФ АН України. Їх автори вважають, що еколого-географічне картографування певною мірою витікає з картографування процесів охорони природи та природокористування і зараз сформувалося як новий розділ тематичного картографування. Його метою стає моделювання процесів та явищ, що виникають при взаємодії суспільства і природи.

Як і будь-який науковий напрям на початку розвитку, екологічне картографування відзначається значним різноманіттям теоретичних пошуків, пріоритетів, способів аналізу інформації та поглядів на об'єкти досліджень. Все це позначається на змісті екологічних карт. Проте, можна визначити кілька основних груп концепцій екологічного картографування. Перша з них виходить з ідей класичної екології — біологічної науки про взаємодію живих організмів з середовищем їх існування (В.Б.Сочава). В основу другої групи концепцій покладено постулат, що екологія еволюціонувала від біоцентризму до антропо- та демоцентризму. Антропоцентристські та демоцентристські концепції екологічного картографування суттєво відрізняються за пріоритетними категоріями й акцентами в процесі розгляду суб'єктно-об'єктних відношень у системі “Суспільство — Природа”. Об'єктами картографування при цьому виступають як екологічні ситуації та проблеми, так і еколого-господарські системи. Загальним для всіх концепцій є наголос на аналізі та відображенні явищ, взаємовідносин та зв’язків у системі “Суспільство — Природа”.

Екологічне картографування все частіше спирається на сучасні географічні інформаційні системи, що забезпечує створення оперативних екологічних карт. Оперативність полягає у створенні та використанні карт в реальному або близькому до реального часу з метою швидкого (тобто своєчасного) інформування користувача, щоб він мав змогу вплинути на хід процесу.

У реалізації геоінформаційних проектів усе частіше використовуються досить потужні та багатофункціональні програмні засоби. Значні зміни у ситуації з програмним забезпеченням ГІС пов'язані з двома обставинами: широким проникненням на ринок закордонних комерційних програмних засобів та розвитком вітчизняних програмних засобів. Серед іноземних комерційних програмних засобів ГІС в Україні найбільшого поширення набули: ArcInfo, ArcView (Environmental System Research Inst. Inc. USA), Terrasoft (Digital Resource System, Canada), UDRISI (Clark Univ., USA), MapInfo (MapInfo Inc. USA), EPPL7 (Minnesota State Planning Agency, USA). Вітчизняні програмні продукти (впроваджені в Києві) представлені фірмою “ВІЗІКОМ” — інформаційна система ГІС "ВІЗІКОМ-КИЇВ", ВАТ "Геобіономіка" — ГІС "ОКО" тощо.

Узагальнення досвіду екологічного картографування дозволило обґрунтувати шляхи та методи подальшого дослідження цього напряму з опорою на досягнення в галузі геоінформаційних технологій та з врахуванням потреб практики.

Науково- методичні та теоретичні аспекти екологічного картографування

Взаємодія Суспільства і Природи — це сфера, де схрещуються інтереси багатьох наук. Завдання гармонізації цієї взаємодії потребує розгляду природи Землі і людського суспільства як єдиної системи, якій притаманна особлива властивість — просторової організованості, що вивчається саме географічними науками. Географія і картографія систематично розробляли і узагальнювали матеріали щодо стану природного середовища, природних ресурсів, населення і господарства. В результаті розроблено картографічні твори різних масштабів, територіального охоплення і призначення. Ускладнення і загострення відносин між Суспільством і Природою викликали інтенсивний процес екологізації багатьох напрямів науки і практики, застосування в дослідженнях екологічного підходу. Екологічний підхід — це загальнонауковий пізнавальний прийом, що застосовується в конкретних наукових дослідженнях для визначення екостанів досліджуваних об'єктів, вивчення екоситуацій у навколишньому середовищі, коли вивчається певний екологічний об'єкт. Властива географії і картографії комплексність і одночасно конкретність у поєднанні з різним спрямуванням і використанням екологічної і системної методології визначили важливу роль цих наук у дослідженні актуальних проблем сучасності. Успішна екологізація географії відбивається у її фундаментальному і прикладному напрямах на міждисциплінарному екологічному фронті. Географія дедалі ширше взаємодіє з екологією. Виділяючи і вивчаючи певну геосистему з позиції системної методології, необхідно визначити зв'язки й відношення між окремими компонентами. В геосистемі в процесі її вивчення мають бути виділені зв'язки між біотичними та абіотичними компонентами, тобто екологічні зв’язки. Саме в цьому полягає спільність і основна сфера поєднання екологічних і географічних досліджень.

Аналіз існуючих класифікацій екологічних карт дозволяє визначити основні принципи їх типізації. Карти поділяють:

• за характером подання інформації та рівнем її аналізу на констатуючі (інвентаризаційні), оціночні, прогнозні, прогнозно-рекомендаційні (оптимізаційні);
• за призначенням та часовою періодичністю характеристик, що аналізуються на базові, оперативні карти та карти експрес-інформації;
• за призначенням для певної категорії користувачів на науково-пошукові, виробничі та довідкові карти;
• за повнотою охоплення зв'язків та відношень у системах “Суспільство - Природа” — на галузеві та комплексні екологічні карти.

Темпи створення екологічних карт зараз випереджають ступінь вивченості процесів та наслідків антропогенного впливу на природне середовище. Тому зміст більшості карт має констатуючий характер і залежить від державної та відомчої статистики. Для більш енергійного розвитку екологічного картографування вкрай необхідними є фундаментальні дослідження довгострокових процесів у геокомплексах, їх стійкості до різних впливів тощо. Особливого значення для комплексного екологічного картографування набуває питання створення геоінформаційної бази, яка б забезпечувала усі етапи й напрями вивчення та картографічного висвітлення екологічних проблем та ситуацій, створення електронних карт екологічного стану різних об’єктів для роботи в інтерактивному режимі.

Прослідкувати та оцінити екологічні ситуації можна тільки за допомогою добре налагодженої системи моніторингу та створення постійних “чергувальних” карт або системи постійно оновлюваних (моніторингових) екологічних карт.

Еколого-географічна оцінка стану ґрунтів Київської області

Екологічні проблеми потребують багатоаспектних досліджень. Один із напрямів екологічних досліджень — еколого-геохімічне дослідження природного середовища. Важливим є дослідження стану ґрунтів, які є чутливим і дуже інформативним індикатором стану природи в умовах різного антропогенного навантаження на екосистеми. Під час вивчення забрудненості ґрунтів регіону насамперед проводиться аналіз фізико-географічних та ландшафтно-геохімічних його властивостей, які мають значний вплив на розподіл, акумуляцію та міграцію забруднюючих речовин у ґрунті.

Карти полів забруднення ґрунтів відображають результати польових та лабораторних досліджень. Їх аналіз дає змогу зробити такі узагальнення щодо екологічного стану території Києва та області:

1. Забруднення ґрунтів значною мірою визначається територіальною концентрацією промислових підприємств - головних джерел забруднення.

2. Рівень забрудненості залежить від стійкості ґрунтів до впливу шкідливих елементів та здатності їх до самоочищення (у Києві: в правобережній частині глинисті та суглинисті породи визначають більш високий ступінь забруднення; у лівобережній частині піщані породи — менший).

3. Одним із чинників, що спричиняє підвищений рівень забруднення правобережної частини міста, є тривалий час її експлуатації. Правобережжя Києва — історичний осередок, у межах якого виникали та розвивалися перші промислові підприємства.

4. У великому промисловому місті форма ареалів забруднення ґрунтів найбільше залежить від потужності джерел забруднення і менше — від рельєфу, геоморфологічних умов місцевості та переважаючого напрямку вітру.

За техногенним навантаженням Київська область значно відрізняється від м.Києва: у ній відсутні осередки значної концентрації промислових підприємств. Головними джерелами забруднення ґрунтів є промислові підприємства, які зосереджені у містах, транспортні автомагістралі, а також сільське господарство, де широко застосовується внесення мінеральних добрив та обробка рослин різноманітними отрутохімікатами. Значна частина області вкрита лісом, що є природним кордоном поширення інгредієнтів, які забруднюють ґрунти. На більшості територій, що мають лісовий покрив вміст у ґрунті елементів-забруднювачів не перевищує фонові концентрації. Слабке забруднення ґрунтів спостерігається на відкритих територіях. У місцях розміщення населених пунктів, залізниць, автомагістралей забруднення ґрунтів збільшується.

За результатами проведеного еколого-геохімічного дослідження сільськогосподарських земель Київської області були побудовані екологічні моноелементні моделі розподілу рухомих та валових форм мікроелементів. Для побудови моделей сумарного вмісту рухомих форм міді, цинку, кобальту та нікелю було використано дані ІГМРУ НАН України про фоновий вміст мікроелементів в основних типах ґрунтів. Виявлені аномалії (Обухівський, Білоцерківський, Бородянський, Броварський, Вишгородський райони) з підвищеним вмістом мікроелементів, що перевищують природний фон у декілька разів, пов’язані з впливом викидів окремих промислових підприємств області. Проведені дослідження просторової структури системи джерел забруднення розкривають закономірності розподілу мікроелементів у ґрунтах регіону, які визначаються природними і техногенними чинниками. Отриманий фактичний матеріал став інформативною базою для розробки серії електронних еколого-географічних карт у структурі картографо-інформаційної системи Київської області.

Теоретико-методичні та технологічні шляхи створення автоматизованої картографо-інформаційної системи

Автоматизована картографо-інформаційна система — це науково-технічний комплекс, який містить електронну базу даних (загальногеографічного і тематичного змісту), що має канали постійного оновлення інформації, базові електронні карти, комплект спеціалізованого програмного забезпечення, який дозволяє оперативно розробляти картографічні моделі, створювати таблиці, графіки, профілі тощо.

Робота над створенням автоматизованої картографо-інформаційної системи екологічного стану ґрунтів Київської області проводилась за сприяння Інституту геохімії, мінералогії та рудоутворення НАН України в ЗАТ “Інститут передових технологій”. Для роботи було залучено ланку програмних продуктів, базовою стала настільна ГІС ArcView 3.1 з модулями розширення Spatial Analist, Network Analist та 3D Analist, яка має зручні для обміну даних електронні таблиці, математичний апарат, що дозволяє моделювати поверхні, та технічні можливості конвертації електронних карт до інших програмних продуктів.

Функціонування системи забезпечили такі роботи:

• збирання, упорядкування, аналіз та оновлення різнорідних та різнопланових даних;