Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Геоинформационные методы изучения динамики географических объектов как основа анализа пространственной структуры процесса природопользования в бассейне озера Байкал

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Бешенцев, Андрей Николаевич

Введение

Глава 1. Динамика географической среды и модели динамики географических объектов

1.1. Динамика географической среды

1.2. Основные методы и модели изучения динамики геогра- 23 фической среды

1.3. Объектные модели динамики географической среды. 23 Классификация географических объектов

1.4. Опыт картографирования динамики географических 27 объектов

1.5. Координата времени в языке карты

1.6. Системный подход при картографировании динами- 37 ки географических объектов

1.7. Картографические модели динамики географических 41 объектов

1.7.1. Динамика географических объектов на карте

1.7.2.Проектирование систем картографических моделей

1.7.3.Информативность картографических моделей ди- 46 намики географических объектов

1.7.4.Система картографических и графических моделей для отображения динамики географических объектов

Глава 2. Картографический метод исследования динамики reo- 60 графической среды на основе геоинформационной технологии 2.1. Геоинформационная оценка динамики географических объектов

2.1.1. Типы пространственной информации

2.1.2. Технологическая классификация географических 62 объектов для представления в геоинформационной системе

2.1.3. Геоинформационная технология при оценке дина- 64 мики географических объектов

2.1.4. Критерии и уровни геоинформационной оценки 66 динамики географических объектов

2.2. Методика геоинформационного картографирования

2.2.1. Векторизация пространственных данных

2.2.2. Ввод, обработка и анализ векторных слоев в reo- 77 информационной системе

2.2.3. Создание системы геоинформационных запросов 81 динамики

2.2.4. Создание карт оценки динамики

2.3. Система геоинформационной оценки динамики географических объектов

Глава 3. Ретроспективные картографическе данные в Системе геоинформационной оценки динамики географических объектов

3.1. Комплексный анализ исходных картматериалов

3.1.1. Комплексный анализ карт издания 1898-1912гг

3.1.2. Комплексный анализ карт издания* 1934 г

3.2. Автоматизация исходных картографических материалов

3.3. Банк ретроспективных картографических данных как основа информационного обеспечения оценки природопользования региона

Глава 4. Система геоинформационной оценки динамики географических объектов в анализе природопользования регионов и районов в бассейне озера Байкал

4.1. Геоинформационная оценка динамики природопользования Мухоршибирского и Тарбагатайского районов Рес публики Бурятия

4.2. Геоинформационная оценка динамики селитебной территории города Улан-Удэ

4.3. Геоинформационная оценка динамики участка системы природопользования дельты реки Селенга 4.4 Геоинформационная оценка последствий распашки природных ландшафтов южной (российской) части бассейна озера Байкал

4.5. Геоинформационная оценка динамики расселения населения южной (российской) части бассейна озера Байкал.

Введение Диссертация по географии, на тему "Геоинформационные методы изучения динамики географических объектов как основа анализа пространственной структуры процесса природопользования в бассейне озера Байкал"

Современный этап развития общества характеризуется усилением взаимодействия человека и природы. Являясь ее частью и осуществляя природопользование человек организует и постоянно изменяет природные образования, стремясь к оптимальному функционированию своих пространственных структур жизнеобеспечения. Возросшие объемы использования природных ресурсов, расширение старых и создание новых природно-антропогенных систем, в некоторых случаях, привели к изменению хода природных процессов, к появлению новых трансформированных и полностью преобразованных ландшафтов.

Важнейший процесс в системе общество-природа - процесс природопользования сопровождается непрерывной динамикой различных географических объектов. Эта динамика является надежным индикатором физико-географического и антропогенного изменения географической среды и фиксируется перемещением границ географических объектов, сменой их качественных и количественных характеристик. Динамика географических объектов представляет собой неотъемлемую и важную сторону эволюции географической среды и определяется их природой, различием в скоростях их изменений, дифференциацией восстановительных способностей ландшафтов, цикличностью и периодичностью изменений.

В настоящее время, при наличии большого количества работ по изучению динамики географической среды, мало внимания уделяется исследованиям ее пространственных аспектов. Любая человеческая деятельность осуществляется на конкретной территории, и поэтому пространственные характеристики динамики являются определяющими при изучении и оценке прирдопользования в регионе

К настоящему времени географические науки накопили значительные объемы пространственно-временной информации, и все чаще динамика географической среды выступает в качестве объекта исследования. Вполне очевидно, что этот интерес определяется возможностью использовать разновременные пространственные данные для решения прикладных задач: разработка сценариев развития географических объектов; постановка географических экспериментов; рационализация природопользования; осуществление прогнозов.

Исследования динамики географической среды различными географическими науками в большинстве своем направлены на изучение объектов и явлений с сезонной или суточной изменчивостью. Такой оперативный мониторинг позволяет осуществить краткосрочные прогнозы и направлен на решение первоочередных задач природопользования. Для принятия же стратегических решений и разработки долгосрочных прогнозов, нам кажется, необходимы исследования пространственно-временной организации процесса природопользования за длительные периоды, по временным срезам, значительно отстоящим друг от друга.

Основу пространственно-временных данных, как правило, составляют картографические материалы. Тематические и топографические карты разных лет издания представляют собой разновременные модели физико-географического состояния территории и являются исходной информацией для оценки и изучения динамики. Именно карта выступает первичным инструментом мониторинга, так как еще не имея физических и химических анализов человек уже начал фиксировать динамику географической среды с помощью языка карты, не осознавая ее как объект исследования. Тематические карты содержат атрибутивную информацию об изменениях географической среды, но как првило, обладают низкой геометрической точностью. Топографические карты создаются уже около двухсот лёт в единых картографических проекциях и в единых географических координатах. Именно точные топографические карты являются пространственной базой анализа природопользования региона.

Активное внедрение геоинформационной технологии в географические исследования также способствует выделению пространственно-временной динамики в самостоятельный объект исследования и позволяет оперировать с большими объемами пространственных и атрибутивных данных, анализировать их, качественно и количественно оценивать происшедшие изменения. Карта дает многоплановую оценку динамики географических объектов, а связь с ЭВМ и возможные математические операции дополняют и уточняют информацию об оценке. Геоинформационная технология способствует развитию географических исследований и повышению их роли в познании мира так как обеспечивает оперативность и надежность, снижает уровень субъективизма, позволяет оперировать большими объемами разновременной пространственной информации.

Сбор и анализ информации о динамике географических объектов мы рассматриваем как проблему определения и выделения региональных и локальных пространственно-временных структур этого процесса из огромного объема данных с более низким уровнем территориальной организации. Попытка установить какого рода организация типична для процесса динамики географических объектов, выявить присущие ей закономерности и пространственно-временные масштабы, возможна при модельном подходе. Модель является упрощенным воспроизведением географической реальности, отражающим в обобщенной форме ее существенные черты и взаимосвязи. Эффективность модельного подхода к изучению процесса динамики географических объектов заключается в возможности определения и исследования типичных характеристик совокупностей изменения этих объектов, другими словами в возможности осуществления пространственно-временного моделирования (Тикунов,1997).

Представление любых географических объектов в геоинформационной системе в виде точек, линий и полигонов позволяет разработать ограниченное число картографических моделей динамики географической среды, как объектного так и феноменолгического характера. Вполне очевидно, что при оценке и изучении динамики различных географических объектов картографический метод исследования приобретает важнейшее значение так как помимо качественной и количественной оценки динамики нам представляется возможным выявить и исследовать структуру ее пространственно-временных инвариантов, определить тенденции и направления развития и изменения объектов, оценить их последствия для человека, выявить позитивные и негативные стороны природопользования, сформулировать рекомендации.

Для решения задач геоинформационной оценки и анализа природопользования региона возникает необходимость учета и исследования многих аспектов картографической науки. Необходима систематизация и классификация объекта оценки, наличие надежного объема первичной разновременной картографической информации о географических объектах, наличие разработанной методики традиционной и автоматизированной обработки этой информации и получения вторичной информации об их динамике. Необходимы разработанная система классификационных показателей картографируемой информации о динамике географических объектов и система картографических и графических моделей для адекватного отображения этой информации. Необходимы также технические средства, программное обеспечение и средства оперативного малотиражного издания карт динамики. Нам кажется, что наиболее оптимальным решением такой сложной задачи будет создание системы геоинформационной оценки динамики географических объектов, которая удовлетворяла бы всем условиям систем, была открыта и управляема.

Цель представляемой работы - создание Системы геоинформаци-оннй оценки динамики географических объектов как основы анализа пространственно-временных изменений процессов природопользования в бассейне озера Байкал (рис. 1).

Рис. 1. Система геоинформационной оценки динамики географических объектов.

Основу информационной подсистемы составляют два комплекта ранее изданных карт: карты, созданные Корпусом Военных топографов в 18981912 гг. масштаба 1:84000; карты созданные Национальным комитетом землеустройства Бурят-Монгольской республики в 1933 - 1934 гг. масштаба 1:50 ООО, разновременные статистические и литературные данные, а также единая система классификации и кодирования разновременной пространственной информации.

Аналитическую подсистему представляют методология геоинформационного картографирования, система геоинформационных запросов динамики географических объектов, система геоинформационных моделей для отображения информации о динамике, а также алгоритмы и математические модели обработки и анализа пространственных данных программ Arc Info, Arc View, Excel.

Технологическая подсистема состоит из методики автоматизированного использования разновременных карт и технических и программных средств, необходимых для компьютерной оценки динамики географических объектов, а также средств ввода, хранения и малотиражного издания информации о динамике в любом виде.

Актуальность работы обусловлена приданием озеру Байкал статуса Участка мирового природного наследия. Это условие определяет необходимость оценки происшедших изменений в Байкальском регионе после ввода в действие Транссиба и начала интенсивного освоения бассейна уникального озера, выявления и исследования последствий этих изменений, важностью разработки сценариев и прогнозирования процессов природопользования и освоения этой территории.

Создание на основе геоинформационной технологии надежного методического аппарата, позволяющего хранить и накапливать большие объемы пространственных данных, анализировать их и получать новую информацию о динамике любых географических объектов, производить оценку и анализ природопользования региона, отвечать на запросы пользователя и оперативно выдавать информацию в любой форме так же является актуальной задачей.

Научная новизна представляемой работы заключается: - создана Система геоинформационной оценки динамики географических объектов как информационная, методическая и технологическая основа анализа динамики природопользования региона; выполнен комплексный анализ ретроспективных карт на территорию бассейна оз. Байкал и создан автоматизированный Банк ретроспективных картографических данных; использована геоинформационная технология в исследованиях природопользования в Байкальском регионе.

Практическая значимость. Система геоинформационной оценки динамики географических объектов применена для оценки динамики объектов природопользования бассейна оз. Байкал и может быть использована специалистами различных географических направлений. Она открыта для дополнения картографической информацией того же предметного профиля, а также других научных направлений, методически проста и управляема. Управляемость системы предполагает возможность создания различных по типу и предмету карт оценки динамики географических объектов и геоинформационных запросов динамики. и

Система и ее технологическая реализация позволяют надежно оценивать качественные и количественные изменения любых географических объектов, выявлять и исследовать структуру пространственно-временных инвариантов их динамики, прогнозировать тенденции и направления пространственного развития и изменения объектов природопользования, изучать последствия этих изменений, фиксировать позитивные и негативные стороны изменений и формулировать рекомендации по оптимизации.

Созданный Банк ретроспективных картографических данных может являться основой различных предметных ГИС на территорию бассейна оз. Байкал и обеспечивает централизованное накопление, хранение, обновление и коллективное использование данных с целью получения необходимой разновременной пространственной информации.

Апробация работы. Основные научные положения работы докладывались на международной конференции "Экологическое образование. Пути решения проблемы в Байкальском регионе" (Улан-Удэ, 1993), на конференции "Ресурсно-экологическое картографирование на основе информационных технологий" (Иркутск, 1993), на конференции "О создании единой региональной системы мониторинга" (Новосибирск, 1996), на республиканском совещании "Состояние и проблемы особо охраняемых природных территорий" (Улан-Удэ, 1995), на международной конференции "Историческая и современная картография в Алтайском крае" (Барнаул, 1997), на конференции "Система гор южной Сибири" (Улан-Удэ, 1998), на международном симпозиуме "Байкал как участок мирового природного наследия" (Улан-Удэ, 1998), на конференции "Устойчивое развитие: проблемы охраняемых территорий и традиционное природопользование" (Чита,1999), на 5-ой международной научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (Томск, 1999). Всего по теме диссертации опубликовано 14 работ. Результаты диссертационного исследования внедрены в Государственном Комитете по экологии Республики Бурятия

12 акт № 026-0009), а также вошли в научные отчеты БИЛ СО РАН. Отдельные результаты работы были использованы автором при руководстве грантом РФФИ (№ 97-05-96380).

В заключении кратко излагаются основные результаты работы.

Автором сформулированы следующие основные положения, представляющие предмет защиты:

1. Точная, надежная и оперативная оценка динамики географических объектов возможна при наличии универсальной, управляемой и открытой Системы геоинформационной оценки динамики.

2. Базой информационного обеспечения Системы геоинформационной оценки динамики географических объектов служит проблемно-ориентированный Банк ретроспективных картографических данных.

3. Система геоинформационной оценки динамики географических объектов является эффективным инструментом анализа пространственно-временных изменений структуры природопользования в регионе и открывает новые возможности в процессе ее рационализации.

Заключение Диссертация по теме "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов", Бешенцев, Андрей Николаевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные нами исследования позволяют сделать следующие обобщающие выводы:

1. Созданная Система геоинформационной оценки динамики географических объектов позволяет объективно, надежно и оперативно оценивать динамику любых пространственно определенных объектов.

2. Созданный Банк ретроспективных картографических данных является интерактивной информационной системой и обеспечивает выдачу необходимой информации пользователю бесконечное число раз.

3. Созданная технологическая подсистема и обученный персонал обеспечивают функционирование любых предметных ГИС.

4. Выявление и исследование свойств информативности цвета и формы позволяет конструировать высокоинформативные картографические модели для отображения динамики объектов и строить семантические ряды с легко читаемой иерархией.

5. Выделенные и исследованные критерии и уровни геоинформационной оценки динамики географических объектов отражают физико-географические особенности региона для изучения развития географических объектов на основе геоинформационной технологии.

6. Совмещение модельного и системного подхода при оценке динамики географических объектов способствует теоретическому обоснованию исследования динамики объектов в картографическом методе исследования на основе геоинформационной технологии.

7. Геоинформационная оценка развития пространственных структур природопользования региона позволила выявить основные периоды освоения территории, пространственно-временные тенденции динамики фоновых и линейно-узловых объектов природопользования.

8. Предлагаемая Система геоинформационной оценки динамики географических объектов представляет собой универсальный и адап

174 тированный человеко-машинный комплекс, ориентированный на географические исследования и является методологической основой анализа природопользования региона.

Библиография Диссертация по географии, кандидата географических наук, Бешенцев, Андрей Николаевич, Иркутск

1. Алаев Э.Б. Социально-экономическая география: понятийно-терминологический словарь. - М., 1983. - 350 с.

2. Баюра В.Н., Горностаева Г.А., Петров П.В. Математико-картографическое моделирование в историко-экономических исследованиях объектов. //Вестник Московского университета. -М., 1985, с. 21-28.

3. Берлянт A.M. Картографический метод исследования. М., 1988.250 с.

4. Беручашвили Н.Л. Некоторые проблемы современной картографии //Известия ВГО, т. 119. вып.1.-М., 1989.

5. Бертен Ж. Визуальное восприятие и картографическая транскрипция // Картография. Вып.1. Зарубежные концепции и направления исследований. -М., 1983. с.76-94.

6. Бешенцев А.Н. Об использовании свойств информативности цвета и формы в языке карты // География и природные ресурсы. 1996, N2. -с.165-166.

7. Бочаров М.К. Основы теории проектирования систем картографических знаков. М., 1966. - 136 с.

8. Вежник А., Конечный М., Тикунов B.C. Типология динамики урожайности сельскохозяйственных культур. // География и природные ресурсы. 1989, N1 - с. 174-182.

9. Востокова A.B. Оформление карт. М., 1985. - 200 с. Геоинформационные системы: обзорная информация (ЦНИИГАиК. Вып.1. -М., 1992.-52 с.

10. Дамбиев Э.Ц. Природно-антропогенные факторы дефляции земель и их лесная мелиорация. // Рукопись кандидатской диссертации. Улан-Удэ, 1988. - 180 с.

11. Дашкевич З.В. Теоретические проблемы динамики ландшафтов. -Изв. ВГО, т. 107, вып. 2.-1975. с. 89-96.

12. Заруцкая И.П. Карты природы. Редакционно-подготовительные и авторские работы. Иркутск, 1965. - 209 с.

13. Исаченко А.Г. Оптимизация природной среды. М., 1980. 264 с.

14. История Бурятской АССР. Улан-Удэ, - 1954. - 644 с.

15. Книжников Ю.Ф., Кравцова В.И. Аэрокосмические исследования динамики географических явлений. М., 1991. - 205 с.

16. Кошкарев A.B., Тикунов B.C. Геоинформатика. М., 1993. - 213 с.

17. Крауклис A.A. Динамика геосистем на ландшафтных картах. Изв. ВГО, т. 113, вып. 5, 1981, - с. 385-393.

18. Лютый A.A. Язык карты: сущность, система, функции. М., 1988. - 290 с.

19. Макунина A.A. Функционирование и динамика ландшафта. -Вестник МГУ. Сер.5. География, 1980, №5. с. 12-17.

20. Материалы Высочайше учрежденной комиссии по исследованию землевладения и землепользованию в Забайкальской области. СПб., 1898. -Вып. 1,2,3,5, 6, 11-13.

21. Мельникова Е.Б. Картографирование долговременных, антропогенных изменений природной среды // Геодезия и картография. -1988, N8. С.47-50.

22. Орлов В.И. Анализ динамики природных условий и ресурсов. -М„ 1975.-275 с.

23. Помус М.И. Бурят Монгольская АССР. - М., 1937. - 395 с.

24. Постников A.B. Развитие картографии и вопросы использования старых карт. М., 1985. - 215 с.

25. Преображенский B.C., Александрова Т.Д., Куприянова Т.П. Основы ландшафтного анализаю М., 1988. - 185 с.

26. Реймерс Н.Ф. Природопользование: словарь-справочник. М., 1990. - 637 с.

27. Рюмин В.В. Динамика и эволюция южносибирских геосистем. -Новосибирск, 1988. 137 с.

28. Салищев К.А. Принципы и задачи системного картографирования / Системное картографирование природных и социально-экономоческих комплексов. М., 1978. - с. 5-23.

29. Салищев К.А. Картоведение. М., 1980. - 400 с.

30. Сербенюк С.Н., Тикунов B.C. Автоматизация в тематической картографии. М., 1984. - 110 с.

31. Соловьев А.И., Карпов Г.В, Словарь-справочник по физической географии. М., 1983. - 224 с.

32. Сочава В.Б. Введение в учение о геосистемах. Новосибирск, 1978.-320 с.

33. Тармаев В. А. Пространственно-временные закономерности оврагообразования в агроландшафтах Байкальского региона. И Автореферат кандидатской диссертации. Улан-Удэ, 1998. - 20 с.

34. Тикунов B.C. Моделирование в социально-экономической картографии. М., 1985. - 280 с.

35. Тикунов B.C. Моделирование картографии. М., 1997. - 400 с.

36. Хаггет П., Чорли Р. Модели в географии. М., 1971. - 360 с.

37. Харвей Д. Научное объяснение в географии. М., 1974. - 503 с.

38. Червяков В.А. Концепция поля в современной картографии. -Новосибирск, 1978. 149 с.

39. Червяков В.А., Батуев А.Р. Картографирование тенденций развития изучаемых явлений. // Геодезия и картография. 1982, N8. - С.41-44.

40. Шмулевич М.М. Очерки истории Западного Забайкалья. -Новосибирск, 1985. -286 с.