Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Картографическая база данных для обеспечения эколого-геохимических исследований городской территории

ВАК РФ 25.00.33, Картография

Автореферат диссертации по теме "Картографическая база данных для обеспечения эколого-геохимических исследований городской территории"

на правах рукописи

Хайбрахманов Тимур Салаватович

КАРТОГРАФИЧЕСКАЯ БАЗА ДАННЫХ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКЮ^ИССЛЕДОВАНИЙ ГОРОДСКОЙ ТЕРРИТОРИИ

25.00.33-картография

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

3 НАР 2015

Москва, 2014

005559711

005559711

Работа выполнена в лаборатории аэрокосмических методов кафедры картографии и геоинформатики географического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Защита состоится 26 марта 2015 года в 15 часов на заседании диссертационного совета по геоморфологии и эволюционной географии, гляциологии и криологии Земли, картографии (Д-501.001.61) в Московском Государственном Университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д.1, МГУ, географический факультет, 21 этаж, ауд. 2109.

С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Научной библиотеки Московского Государственного Университета имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ломоносовский проспект, 27, А8.

Автореферат разослан "/У 2015 года. Отзывы на автореферат

(в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские Горы, 1, МГУ имени М.В. Ломоносова, географический факультет, ученому секретарю диссертационного совета Д-501.001.61, e-mail: malyn2006@yandex.ru, факс +7(495)932-88-36

Ученый секретарь

Ведущая организация

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Лабутина Ирина Алексеевна

кандидат географических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории аэрокосмических методов кафедры картографии и геоинформатики географического факультета МГ'У имени М.В. Ломоносова Макаров Владимир Зиновьевич доктор географических наук, профессор, декан географического факультета Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского Баранникова Юлия Анатольевна кандидат географических наук, Научно-исследовательский и проектно-изыскательский Институт градостроительного и системного проектирования Институт географии РАН

диссертационного совета кандидат географических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Город представляет собой сложную природно-антропогеннуто среду, где все компоненты городского ландшафта оказывают взаимное влияние и формируют условия проживания человека. Сегодня в нашей стране большая населения живет на городских территориях, поэтому городская среда становится исключительно важным объектом совместных исследований множества экологических и географических дисциплин, в том числе геохимии ландшафта, исследующей закономерности миграции и аккумуляции химических элементов в геосистемах.

В ходе научных эколого-геохимических исследований городов накапливаются значительные объемы пространственных данных по различным направлениям. При этом во многих случаях благодаря развитию геоинформационных технологий эта информация организованно хранится в базах данных. Часто накопленные данные оказываются вовсе не связанными между собой, вопреки связям внутри городского ландшафта, либо оказываются взаимоувязанными посредствам картографического материала, например, в виде электронного атласа с единой географической и математической основой.

Единая методика по ведению баз пространственных данных (БПД) и картографических баз данных (КБД) для обеспечения эколого-геохимических исследований городских территорий сегодня пока не разработана, хотя именно она могла бы обеспечить рациональную организацию информации в близкую к реальности модель хранения с учетом связей между компонентами городского ландшафта. При отсутствии единых методик обмен и объединение этой информации крайне затруднены и не могут обеспечить достаточно надежный комплексный результат.

Цель диссертационного исследования - создание картографической базы данных для обеспечения эколого-геохимических исследований городской территории; определение ее структуры и содержания; разработка методик составления необходимого для ее функционирования картографического материала. Достижение цели подразделяется на следующие этапы.

1. Обобщение и анализ опыта эколого-географического картографирования городских территорий для выявления методик, соответствующих специфике работы;

2. Разработка структуры и содержания БПД, в которую на первом этапе наполнения входят обработанные пространственные данные - источники картографирования, построение связей между слоями данных и определение единицы картографирования, обеспечивающей эти связи;

3. Разработка структуры и содержания КБД, наполняемой цифровыми картами, составленными на основе БПД; изучение существующих методов геоинформационного картографирования и разработка на их основе методики создания карт, наиболее востребованных для обеспечения эколого-геохимических исследований: карт планировочно-функциональных особенностей территории, карты элементарных ландшафтов, классов водной миграции элементов, рыхлых отложений, ландшафтно-функциональных комплексов и др.

4. Реализация методики картографирования с учетом специфики территории исследования, исходных материалов и поставленной цели; наполнение баз данных, а также определение перспектив их использования и внедрения в научно-исследовательскую деятельность.

Методологическая основа исследования и фактический материал. Основу исследования составляют работы отечественных и зарубежных ученых и специалистов в области градостроительного проектирования (Глазычев В.Л., Курбатова A.C., Перцик E.H. и др.), дистанционного зондирования для целей геоэкологических исследований (Книжников Ю.Ф., Кравцова В.И., Лабутина И.А., Тутубалина О.В., Шовенгердт P.A., Guo Q., Kressler F., Miller R. и др.), эколого-географического картографирования (Макаров В.З., Чумаченко А.Н., Жуков В.Т., Стурман В.И., Кочуров Б.И. и др.), геоинформатики (Сербенюк С.Н., Жуков В.Т., Лурье И.К., Тикунов B.C. и др.), геохимии городских ландшафтов (Перельман А.И., Касимов Н.С., Сает Ю.Е., Никифорова Е.М., Кошелева Н.Е. и др.), городского ландшафтоведения (Авессаломова И.А., Ахмедова Е.А., Лихачева Э.А., Исаченко А.Г.) и др.

Работа выполнена в лаборатории аэрокосмических методов кафедры картографии и геоинформатики географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова. В ней использован разноплановый картографический материал, в том числе опубликованные результаты научной деятельности ряда специалистов из разных областей географической науки и смежных дисциплин; космические снимки различных съемочных систем; материалы полевых обследований; карты, составленные на их основе в тесном сотрудничестве с ведущими специалистами кафедры геохимии ландшафтов и географии почв. Технологическая поддержка исследования опиралась на использование ГИС-пакетов программ IL WIS 3.7 и ArcGIS Arclnfo 10.1.

Научная новизна работы заключается в следующем.

Впервые создана картографическая база данных для обеспечения эколого-геохимических исследований городской территории, функционирующая согласовано с базой пространственных данных, предоставляющей возможности геоинформационного картографирования территории.

Разработана методика создания важных для эколого-геохимических исследований карт на основе космических снимков высокой детальности. Для визуального дешифрирования сформулированы дешифровочные признаки озелененных территорий разного назначения, структуры жилой застройки и типичных объектов функциональных зон. Предложена методика автоматизированного дешифрирования планировочно-функциональных особенностей территории - функциональных зон, степени озеленения участков жилой застройки, запечатанности земель асфальтобетонными покрытиями, зданиями и сооружениями, а также действующих промышленных предприятий.

Разработаны содержание и методика составления карт ландшафтно-функциональных комплексов, объединяющих природную и антропогенную информацию об условиях миграции и аккумуляции химических элементов в

городском ландшафте. Впервые предложено использовать эти выделы в качестве единицы хранения разнородной природно-антропогенной информации для построения логических связей внутри базы данных.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Созданная картографическая база данных обеспечивает систематизацию эколого-географических цифровых карт городских территорий и, работая согласовано с базой пространственных данных, на основе методов геоинформационного картографирования оптимизирует процесс составления карт, востребованных при эколого-геохимических исследованиях.

2. Предложенные методики создания карт урбанизированных территорий, в том числе методики визуального и автоматизированного дешифрирования, обеспечивают результаты научных эколого-геохимических изысканий необходимым картографическим материалом о ландшафтно-функциональных особенностях территории: картами функциональных зон, запечатанности территории, функционального назначения озелененных территорий, структуры и плотности застройки, элементарных ландшафтов, рыхлых отложений, классов водной миграции элементов, ландшафтно-функциональных комплексов.

Практическая значимость. Разработанная картографическая база данных для обеспечения эколого-геохимических исследований городской территории может быть использована при организации научных изысканий в рамках государственных контрактов, грантов, целевых программ и т.п., а также для обмена информацией между различными научными коллективами. Подходы к формированию КБД и методики составления карт можно рекомендовать для применения в деятельности градостроительных структур, муниципалитетов, проектных организаций частного и государственного функционирования.

Методика создания базы данных и методики составления карт могут быть использованы в образовательной деятельности при чтении курсов по эколого-географической картографии, геоинформационному картографированию, геохимии ландшафтов, экологии и др. Методика дешифрирования городской территории по космическим снимкам сегодня применяется при чтении курса «Дешифрирование аэрокосмических снимков» для студентов кафедры картографии и геоинформатики географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Внедрение и апробация. Отдельные результаты исследования реализованы в рамках государственного контракта № 16.515.11.5076 ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по теме «Исследование качества городской среды и разработка научно-методических принципов эколого-географической оценки городов России на основе комплексного анализа состояния компонентов окружающей среды и здоровья населения»; гранта РГО №28/07/2012 «Новые карты России и мира для высших и средних учебных заведений»; гранта РГО №05/2013-П1 «Интегральная оценка экологического состояния регионов и городов России»; гранта РФФИ 13-05-41165

«Интегральная оценка и картографирование воздействия природных факторов на здоровье населения России»; гранта РФФИ 13-05-41191 «Интегральная оценка и картографирование качества городской среды на основе анализа ландшафтно-геохимических , данных»; гранта РФФИ 13-05-92221 «Геохимическая оценка экологического состояния природной среды в крупных горнопромышленных центрах бассейна р. Селенги»; гранта РФФИ 13-05-41233 «Создание серии карт интегральной эколого-географической оценки земельных ресурсов присоединенных территорий Москвы»; гранта Президента РФ по государственной поддержке ведущих научных школ НШ-2248.2014.5.

Разработанная методика и результаты работы были доложены на 15-ти профильных всероссийских и международных научных конференциях: 26-ой Международной картографической конференции (2013 г., Дрезден, Германия); Международной конференции «ИнтерКарто-ИнтерГИС. Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт» (2010 г., Ростов-на-Дону; 2012 г., Смоленск; 2013 г., Курск); 8-ой Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (2010 г., Москва); 5-ой Всероссийской научно-практической конференции «Экологические проблемы промышленных городов» (2011 г., Саратов); 6-ой Международной конференции «ЭКОГИДРОМЕТ» (2012 г., Санкт-Петербург) и др.

По теме диссертации опубликовано 26 научных работ, в том числе 5 из них -в изданиях из списка ВАК, 1 работа - в зарубежном рецензируемом издании.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы (198 наименований). Общий объем работы 163 страницы машинописного текста, в тексте даны 5 таблиц и 37 рисунков, среди них 14 карт.

Благодарности. Автор сердечно и искренне благодарит своего научного руководителя к.г.н. И.А. Лабутину за помощь в проведении исследований и подготовке текста; коллектив кафедры геохимии ландшафтов и географии почв, в особенности академика РАН Н.С. Касимова, Е.М. Никифорову и Н.Е. Кошелеву за плодотворные совместные работы по теме диссертации и неоценимую помощь в поиске материалов для исследований; В.И. Кравцову, И.К. Лурье и Е.А. Балдину за ценные замечания по тексту диссертации; весь коллектив кафедры картографии и геоинформатики за теоретические основы и практические навыки, полученные за время обучения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации охарактеризована актуальность выбранной темы исследования, сформулирована его цель и основная решаемая задача, а чакже перечислены вопросы, на которые необходимо ответить в ходе работы. Центральной частью раздела являются основные защищаемые положения и научная новизна проведенных изысканий, также описаны основные пути апробации разработанной методики и ее практическая значимость.

б

Глава 1. Опыт современного эколого-географического картографирования городских территорий

Выполненное исследование учитывало предшествующий опыт эколого-географического картографирования городов. Среди многочисленных литературных и картографических источников, связанных с темой диссертации, можно выделить несколько групп, основанных на изучении компонентов городской системы: природных характеристик, планировочно-функциональных особенностей территории и ее геоэкологического состояния.

Картографирование природных компонентов городского ландшафта в целом соответствует традиционным подходам к составлению карт природы (Заруцкая, Красильникова, 1989; Салищев, 1990), но имеет ряд отличий в связи с неразрывным сосуществованием антропогенных и природных черт территории. Так, карты городского почвенного покрова отличает мозаичность структуры и синтез с функциональными зонами, что связано с глубокой техногенной трансформацией городских почв (Экологический атлас..., 2000; Герасимова и др., 2003). Карты растительного покрова рассматриваются в связи с их функциональным назначением (Курбатова и др., 2006), карты рыхлых отложений - в связи с техногенными наносами (Лихачева, 1990), ландшафтные карты - в связи с функциональными зонами (Авессаломова, 1986; Макаров и др., 2002; Касимов и др., 2013). Природные карты долго сохраняют свою актуальность, поэтому в качестве источников картографирования могут применяться карты советского периода картографии.

Карты планировочно-фунтщоначьных особенностей территории во многом определяют экологическое состояние городской среды. Из-за высокой изменчивости городской застройки эти карты требуют регулярного обновления, что можно обеспечить использованием данных дистанционного зондирования (Цыпина, 1983; Атлас Космические методы..., 1986; Макаров и др., 2002; Петин и др., 2009; Miller, Small, 2003; Aubrecht, Steinnocher, 2009). Наиболее часто составление карт функциональных зон осуществляют муниципальные органы и специализированные институты (например, в Москве НИиПИ Генерального плана, НИиПИ Институт градостроительного и системного проектирования). Аналогичными методами составляют карты плотности и структуры застройки, запечатанности территории и ряд других карт близкой тематики (Курбатова, 2004; Добровольский, 1997; Прокофьева, 1998 и др.).

Среди работ по картографированию геоэкологического состояния городской территории преобладают исследования загрязнения окружающей среды, выполняемые различными экологическими организациями и научными коллективами. Среди них следует выделить ландшафтно-геохимические изыскания, изучающие условия миграции и аккумуляции химических веществ в почвах и других депонирующих средах (Перельман, Касимов, 1999; Никифорова и др., 2010, 2011; Буренков и др., 1990). Гораздо меньше работ посвящено комплексному и синтетическому картографированию, прежде всего, экологической оценке городской территории и геоэкологическому

районированию (Кочуров, 2009; Курбатова и др., 2006; Ивашкина, 2010; Макаров и др., 2002; Стурман, 2003). Ландшафтно-фунтцюналъное картографирование городских территорий, несмотря на имеющийся опыт (Авессаломова, 1986; Макаров и др., 2002; Касимов и др., 2013; Богданов и др.,

2011), еще до конца не проработано, поэтому в нашем исследовании ему уделено особое внимание.

Экологические атласные произведения - итог геосистемного анализа городской территории. Накоплен богатый опыт создания экологических атласов - Санкт-Петербурга (1992), Тулы (1993), Калининграда (1999), Москвы (2000) и др. Принципы геосистемного рассмотрения карт в виде атласов применительно к тематике исследования подробно изложены в работе Макарова с соавторами (2002).

Глава 2. Картографическая база данных для обеспечения эколого-геохимических исследований городских территорий

Принципы построения и функционирования картографической базы данных. Проведенное изыскание имеет научно-исследовательский характер, основные потребители его результатов - научные коллективы, занимающиеся экологическими исследованиями городских территорий и, в первую очередь, эколого-геохимического направления. Территориальный аспект исследования рассматривался на примере городов России и стран СНГ, где длительное время существовали единые нормы градостроительства. Для картографирования выбран диапазон масштабов 1:50 000-1:100 000, обеспечивающий общегородской и административно окружной уровень исследования, что подтверждается многочисленными примерами геоэкологического картографирования городов.

Основные задачи, которые призвана решать картографическая база данных -это хранение необходимой информации о городской территории для обеспечения эколого-геохимических исследований; осуществление возможности геоинформационного картографирования на основе имеющихся данных; пополнение существующей КБД новыми данными.

Все три основные задачи решаются с помощью проектирования двух вариантов базы данных: картографической базы данных и базы пространственных данных. Обе они должны работать согласованно в рамках единой схемы функционирования, представленной на рис. 1 (Хайбрахманов,

2012).

Создание КБД основывается на нескольких принципах.

1. Исходные материалы организованы в виде слоев базы пространственных данных, реализованной на основе специализированного программного обеспечения (ГИС) и работающей под системой управления базами данных (СУБД), например, как в нашем случае, СУБД АгсОК. Содержание БПД разбито на несколько блоков, информации, необходимых для любого исследования: базовый блок, природные условия, планировочно-

функциональные особенности территории и показатели ее геоэкологического состояния. При наличии данных они дополняются такими блоками, как медико-географические показатели, метеорологические данные, а в зависимости от конкретной ситуации < - блоком информации о предыдущем развитии территории и др.

Исходные материалы

СУБД

построение связей

Пользователь

г

Атлас

Отдельные карты

V

Геопортал

База пространственных данных

методы

картографирования

- рова

V 1

Визуализация в программе-вюере

Картографическая база данных

Ландшафтно-функциональные

комплексы

Рис I. Схема функционирования КБД

Природные условия

■ *ЦМР "Водотоки 'Водоемы

'Коренные ландшафты -

"Геоморфология -

*Почвы -

'Климат

'Рыхлые отложения -

"Грунтовые воды _

'Растительность . "Водосборные бассейны "Элементарные ландшафты -•Классы водной миграции ,

- 'Крутизна склонов

-"Экспозиция склонов

- "Кривизна поверхности

Планировочно-функциональные особенности

'Функциональные зоны •Структура застройки •Плотность застройки •Запечатанность "Озелененные территории •Степень озеленения

Ландшафтно-функциональные комплексы

Базовый блок Космические снимки: с разрешением лучше 10 м (беоЕуе, ОиккВЫ. БРОТ-5 и др.) с разрешением 20-30 м (1.апс15ат-8{5/7), 1Ж ОМС-2,5РОТ-4)

Базовые векторные данные:

•Дорожная сеть -

'Админ. границы •Объекты базоэой

инфраструктуры

Показатели геоэкологического состояния

Данные полевого опробования: •Содержание ТМ и ПАУ в почвах и снежном покрове •Показатели суммарного загрязнения (2с) почвы и снега

— "Пылевая нагрузка на снег "Солонцеозтость и

засоление почв _ 'Содержание ТМ и ПАУ в атомсферном воздухе

- 'ИЗА и ПЗА "Суммарное загрязнение

~~ растительного покрова "Суммарное загрязнение водных объектов

"Выбросы промышленных предприятий "Выбросы автотранспорта

Рис. 2. Логическая структура БПД 9

2. На основе организованной исходной информации с использованием методов геоинформационного картографирования создаются слои данных нового содержания, являющиеся, в свою очередь, источниками для составления цифровых карт. Основным из них является слой ландшафтно-функциональных комплексов (ЛФК), составляемый на основе объединения информации о функциональных зонах и геохимической характеристики ландшафтов.

3. Пространственные данные в составе БПД систематизированы с помощью логических связей на основе определенных территориальных единиц картографирования (рис. 2). На взгляд автора, наиболее рационально использовать в их качестве объекты слоя ЛФК.

4. На основе слоев БПД, системы логических связей, методов картографирования и различных способов оформления создаются цифровые карты, составляющие картографическую базу данных. Ее структура и содержание представлена на рис. 3 (Лабутина, Хайбрахманов, 2012). Карты планировочно-функционсшьных особенностей и природных условий территории определяют природно-антропогенную характеристику миграции и аккумуляции химических веществ в городских ландшафтах, в том числе загрязнителей. Карты геоэкологического состояния отражают соотношение природных и антропогенных компонентов.

ПРОГРАМНЫЙ КОМПЛЕКС

визуализация карт .

ГЕОПОРТАЛ

ПРОГРАММА-ВЮЕР

инструменты для анализа, навигации, редактирования и т.п.

КАРТОГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

Карты природных условий Карты геоэкологического состояния

•Геологическая городской среды

•Гидрогеологическая •Техногенных аномалий

•Геоморфологическая загрязнителей в почвенном и

•Гипсометрическая снежном покрове

•Крутизны склонов •Суммарного загрязнения

•Кривизны поверхности почв и снежного покрова

•Экспозиции склонов •Засоления и солонцеватости почв

•Водных объектов и водосборных •Суммарного загрязнения

бассейнов атмосферного воздуха

'Почвенная •Состояния водотоков и водоемов

•Растительности •Состояния растительности

•Ландшафтная •Ландшафтно-функциональных

•Подтопления территории комплексов

•Климатические и метеорологические •Ландшафтно-геохимическая

'Элементарных ландшафтов •Оценочные

•Рыхлых отложений •Геоэкологического районировния

•Классов водной миграции

Карты планировочио-функциоиальных особенностей территории

•функциональных зон •Структуры и плотности застройки •Функционального назначения озелененных территорий •Запечатанности

Рис. 3. Структура и содержание основных блоков КБД

5. Цифровые карты КБД могут быть реализованы в нескольких вариантах. Во-первых, это визуализация базы данных в «программах-выоерах», обеспечивающих просмотр карт, их совместный анализ, и в ряде случаев предоставляющих инструменты для дальнейшего картографирования. В качестве «вьюера» могут быть использованы веб-геоинформационные технологические платформы. В таком случае система из КБД и веб-ГИС образует картографический веб-сервис (геопортал, геосервис). Во-вторых, поскольку цифровые карты содержат в своих атрибутах информацию об условных обозначениях, то их можно представить в классическом варианте в виде бумажного систематического собрания карт, близкого к традиционным атласным произведениям, либо в виде электронных карт или атласов.

Методы геоинформационного картографирования для составления карт КБД Поскольку речь идет о масштабах 1:50 000-1:100 000, особое внимание уделено методам визуального и автоматизированного дешифрирования городской территории по космическим снимкам для целей эколого-геохимических исследований (Хайбрахманов, 2011; Лабутина и др., 2012). Для дешифрирования основных категорий объектов, представляющих интерес при создании карт городской территории, целесообразно применение и того, и другого методов (табл. 1).

Таблица 1. Методы дешифрирования экологических характеристик городской

территории

Характеристика Метод дешифрирования

Функциональные зоны Детальная характеристика Визуальное дешифрирование по преимущественно косвенным признакам

Обобщенная характеристика Автоматизированное дешифрирование - контролируемая классификация многозонального космического снимка, квантование снимков в ИК тепловом диапазоне

Функциональное назначение озелененных территорий Визуальное дешифрирование по косвенным признакам

Тип растительного покрова - травянистая, древесно-кустарниковая растительность Автоматизированное дешифрирование - контролируемая классификация многозонального космического снимка; расчет вегетационного индекса (Ж)\;1)

Структура застройки Визуальное дешифрирование по преимущественно косвенным признакам

Степень озеленения и запечатанность территории Расчет по результатам классификации многозонального космического снимка

Автором разработана методика оперативного функционального зонирования на основе многозональных снимков с разрешением 20-30 м (со спутников Landsat-8; UK-DMC-2; архивных Landsat-5,7, SPOT-4 и др.). В качестве примера были использованы снимки со спутников Landsat-5 для участка на территории BAO и Landsat-8 для участка в ЗАО г. Москвы.

Суть методики сводится к следующим этапам (Хайбрахманов, 2014):

1. Составление многозонального файла снимка с составом каналов, соответствующих участкам спектра с наибольшей различимостью объектов. Для этого предварительно создается график спектральной яркости на многозональном снимке трех классов функциональных зон (селитебная, производственно-транспортная, природно-рекреационпая) и водных объектов. По графику определяются каналы с наибольшими различиями в яркости.

2. Формирование обучающей выборки по категориям функционального зонирования и водным объектам при условии минимального пересечения классов в области спекгральиых признаков.

3. Выбор метода классификации. Опыт автора показал, что наилучший результат классификации достигается при использовании метода максимального правдоподобия. Этот вывод сделан в результате сравнения с картой функциональных зон, составленной на основе дешифрирования высокодетальных снимков.

4. Уточнение результатов классификации — необходимый этап, что объясняется характером распознаваемых объекгов, в первую очередь, их «условностью»,- отсутствием реальных границ на местности с низким озеленением. Для уточнения границ между производственно-транспортной зоной и участками жилой многоэтажной застройки предложено использовать снимки в тепловом инфракрасном диапазоне (Хайбрахманов, 2011; Лабутина и др.. 2012). Квантование снимка на ступени яркости по его гистограмме позволяет выделить классы с самой высокой яркостью, которые характеризуют действующие промышленные предприятия и объекты транспортной инфраструктуры, создающие повышенный тепловой фон. Значения яркости на снимке объектов селитебной зоны заметно ниже. Совмещение результатов классификации и квантования снимка дает удовлетворительный результат разделения зон.

Другие рассмотренные в работе методы геоинформационного картографирования наиболее часто применяют для составления разнопланового картографического материала. Это пространственные и атрибутивные запросы к базе данных; методы пространственного анализа, оверлей слоев; методы автоматизированной генерализации и основные методы матемагико-картографического моделирования. Все они рассмотрены в соответствии с поставленной задачей исследования, при этом особое внимание уделено их применимости для комплексного и синтетического картографирования.

Селитебная зона

многоквартирная застройка | индивидуальная застройка

Производственно-транспортная зона

Производственная подзона ^^^^ действующие промышленные

_____Щ предприятия

территория промышленных объектов, ШШпяя не используемая п

ЦЯ коммунально-складские з<

Транспортная подзона i элементы транст I инфраструктуры • железнодорожные магистрали

Рекреационная зона

I парки, бульвары, с | примагистрально« I санитарно-защитные зоны и пр,

Агротехногенная зона

СИ

Масштаб 1:50 ООО

Рис. 4. Основная карта функциональных зон BAO г. Москвы (уменьшена в 4

раза)

Масштаб 1:100 ООО

Рис. 5. Оперативная карта функциональных зон BAO г. Москвы (уменьшена в 2

раза)

селитебная зона производственно-транспортная зона природно-рекреационная зона

Рис. 6. Схема методики оперативного функционального зонирования

мощность техногенных отложений

исходные природные карты

_1_

атрибутиеные запросы с выборкой

информации по рыхлым отложениям

уровень грунтовых вод

рН почв в пробах

интерполяция классификация векторизация

карта рН почв

совместный анализ данных; оверлей слоев; оформление карты 1

карта рыхлых отложений

карта элементарных ландшафтов

карта классов водной Миграции

Рис. 7.

Схема методики составления карт рыхлых отложений, элементарных ландшафтов и классов водной миграции

Мощность техногенных отложений

Состав и генезис естественных отложений

I-- Вод но ледниковые пески

каменистые с маломощными покровными суглинками на морене ■ | Древнеаллювиальные водноледниковые Е,_J пески и супеси с прослоями суглинков

I Озерно-ледниковые суглинки I с прослоями песков

I Лощинно-балочные песчано-I суглинистые отложения

Рис. 8. Карта рыхлых отложений

Масштаб 1:50 000

ВАО г. Москвы (уменьшена в 4 раза)

Подтопление грунтовыми водами (глубина залегания, м)

Окислительно-восстановительные условия

Рис. 10. Карта классов водной миграции элементов BAO г. Москвы (уменьшена

в 4 раза)

подтопленные территории (< 0,5м)

Окислительные

периодически подтопляемые территории (1,0-0,5м)

Окислительно-восстановительные

неподтопляемые территории (> 1м)

Восстановительные

Рис. 9. Карта элементарных геохимических ландшафтов BAO г. Москвы (уменьшена в 4 раза)

\ э | Элювиальный

НН Трансэлювиальный

{ т* | Трансаккумулятивный

kJÜ Супераквальный

{ А \ Аквальный

Масштаб 1:50000

карта рыхлых отложений - совместный анализ оверлей слоев =4 => автоматизированная генерализация с большим весом для границ ФЗ оформление карты

карта элементарных ландшафтов =>

карта классов водной миграции

основная карта ФЗ

I

геохимические карты подсчет корреляции с геохимическими показателями

карта ландшафтно-функциональных комплексов

Рис. 11. Схема методики составления карты ландшафтно-функциональных

комплексов

Геохимическая характеристика ландшафта Функциональные зоны

Тип Класс* Род {элементарные ландшафты) вид Производствеино-транспортиая Селитебная (С) Рекреационная (Р) Агротеяногенная (А)

отложе- Производственная подзона (П) Транспортная подзона (Т)

É , fif 1 ü

1 Элювиальный (Э) 1 1 1 Т-Э i с-э Р-Э

II Трансэлювиальный (ТЭ) 1 2 I П-ГЭ ; . т ! i-i с-тэ| j Р-ТЭ ; А-ТЭ

1 i i Ш 5 5 | j s »

III Трансаккумулятивный (ТА) 1 2.3

1 »"ТА: С-ТА| | Р-ТА А-ТА

1 3,4

1 5 IV Супераквальный (С) ■■ §ÜÜ3 II шал I Л-С|

'Классы «одном миграции ландшафтов:

I Окислительный - щелочной

II Окислительный - щелочной и нетральный

III Окислительно-восстановительный - нейтральный и слабокислый

IV Восстановительно-глеевь« - слабокислый и кислый нейтрализуемый

Рыхлы* отложения

В числителе: мощность техногенных отложений преимущественно суглинистых с антропогенными включениями; 1 - до 1м; 2 - 1-Зм; 3 - 3-бм В знаменателе: характеристика отложений естественного происхождения: 1 - водноледниковые пески каменистые с маломощными покровными суглинками на морене; 2 - древнеаллювиальные водноледниковые пески и супеси с прослоями суглинков; 3 - о зерно-ледниковые суглинки с прослоями песков; 4 • лощинно-балочные песчано е/глинистые отложения

Масштаб 1:50 ООО

Рис. 12. Фрагмент карты ландшафтно-функциональных комплексов BAO г. Москвы (уменьшен в 2 раза)

Глава 3. Реализация методики и результаты исследования

Разработка КБД и апробация методик картографирования выполнены иа примере территории Московского мегаполиса. Выбраны два эталонных участка: в Восточном административном округе Москвы - территория к югу от шоссе Энтузиастов и южная часть района Соколиная гора, в Западном округе -территория, ограниченная МКАД, Ленинским проспектом, Можайским и Аминьевским шоссе-ул. Лобачевского. Основной принцип выбора участков заключался в различиях физико-географических характеристик и истории освоения, которые и сформировали современный облик территории исследования (табл. 2).

Таблица 2. Основные различия между выбранными эталонными участками __исследования___

Ключевые характеристики Участок BAO г. Москвы Участок ЗАО г. Москвы

Рельеф выровненный с низким расчленением, перепады высот 125-155 м, средние отметки 140 м возвышенный, с большим расчленением, перепады высот 140-220 м, средние отметки 160 м

Гидрография водотоки преимущественно в коллекторах, долины выровнены, естественные озера; множество искусственных прудов крупные открытые водотоки: р. Сетунь и р. Раменка и более мелкие, участками подпруженные

Грунтовые воды 50% территории регулярно подтопляется участки с подтоплением невелики и встречаются вдоль долин рек

Озеленение близкая к высокой степень в нутр икв артального озеленения (65%) средняя степень внутри-квартального озеленения (40%)

Характер застройки разнообразная: историческая, пятиэтажная 1960-х гг., современная многоэтажная, коттеджная преимущественно современные многоэтажные кварталы

Производственный комплекс несколько действующих предприятий тяжелой промышленности и машиностроения несколько действующих предприятий пищевой и электронной промышленности

Общественно-деловые объекты малое количество некрупных объектов преимущественно без выделенного или небольшого участка около десятка высших учебных заведений с большими озелененными участками, несколько крупных бизнес-центров

Содержание и методики составления основных эколого-географических карт КБД разработаны с учетом поставленной цели, характеристик изучаемой территорий !й на основе методов геоинформационного картографирования. Исходной информацией служили материалы предварительно созданной базы пространственных данных.

Карты гтапировочно-функциональных особенностей характеризуют антропогенные условия городской территории. Главные из них - карты функциональных зон (ФЗ), которые по назначению, методике составления и источникам картографирования разделены на основные и оперативные.

Основные карты ФЗ составляются на основе визуального дешифрирования высокодетальных космических снимков (со спутников QuickBird, GeoEye-1, WorldView-1/2, IKONOS и др.) или аэроснимков в масштабах крупнее 1:100 ООО. Они характеризуются детальной классификацией зон в легенде и наиболее точным проведением границ. Карты могут использоваться в качестве основы для составления других карт, проведения оценки территории, районирования и т.п.

Применительно к эталонным участкам BAO и ЗАО г. Москвы методика составления основной карты ФЗ разрабатывалась и апробировалась на основе материалов со спутника QuickBird (2,4 м), полученных в 2009 г. и обновленных по данным того же спутника в 2012 г., а также с привлечением тепловых снимков со спутников Landsat-5,8 с целью выделения действующих промышленных предприятий по разработанной ранее методике. Визуальное дешифрирование ФЗ сопровождалось одновременным цифрованием границ зон в программном продукте ILW1S и составлением таблицы, характеризующей прямые и косвенные признаки распознавания объектов ФЗ на снимке. Пример ее содержания для объектов транспорта производственно-транспортной зоны, а также для административных и общественно-культурных объектов зоны специального назначения приведен в табл. 3.

В итоге составлены карты функциональных зон выбранных участков в BAO (рис. 4) и ЗАО г. Москвы в масштабе 1:50 000.

Оперативные карты ФЗ составляются на основе многозональных снимков с разрешением 20-30 м на основе методов автоматизированного дешифрирования, поэтому ключевым достоинством этих карт является оперативность составления с сохранением надежности распознавания зон на снимке. В этой связи они могут использоваться в качестве основы для обоснования полевых работ, составления типологий городов по соотношению ФЗ, обновления основных карт ФЗ и т.п.

Таблица 3. Пример содержания таблицы прямых и косвенных дешифрировочных признаков объектов из некоторых функциональных зон

Категория объектов функциональной зоны Прямые и косвенные признаки дешифрирования

Производственно-транспортная зона

Объекты транспорта Визуальное дешифрирование по прямым признакам: • гаражи, автодороги, железные дороги, переезды, мосты и т.п. - рисунок изображения, относительный размер, форма Визуальное дешифрирование по косвенным признакам: -железнодорожный вокзал - множество подъездных путей железной дороги -парковки - скопления легковых автомашин -автопарки, конечные станции или автовокзалы -скопления автобусов и троллейбусов -автозаправочные станции - типовая архитектура, двухсторонний выезд с участка

Зона специального назначения

Административные и общественно-культурные объекты Визуальное дешифрирование по прямым признакам: -детские сады, школы - форма, падающая тень, относительный размер Визуальное дешифрирование по косвенным признакам: -высшие учебные заведения - хорошее озеленение территории, стоянки легковых автомашин, множество корпусов разных размеров и формы на участке, спортивная площадка или стадион -школы - огороженная озелененная территория, спортивная площадка, здание типовой формы, расположение внутри жилых кварталов -торговые центры - обширные стоянки легковых автомашин, крупное здание прямоугольной или квадратной формы, хорошая транспортная доступность, низкая степень озеленения -офисное здание - крупные многоэтажные здания, стоянки автомашин, низкое озеленение

В результате составлены соответствующие карты для участков BAO (рис. 5) и ЗАО rj' Москвы в масштабе 1:100 ООО. Сопоставление площади функциональных зон на этих,кар гах и основных (в более крупном масштабе и с более высокой точностью) показало, что расхождение не превышает, 10%, что ; при данном масштабе-.является /приемлемым результатом. Методика оперативного - функционального зонирования апробировалась в работе на основе снимков со спутников Landsat-5,8,no схеме, представленной на рис. 6 (Хайбрахманов, 2014),

В тот же раздел КБД входят карты структуры и плотности застройки, функционального назначения озелененных территорий, а также карта запечатанности городских земель. Все они имеют табличные легенды, а методика их составления опирается на методы визуального и автоматизированного дешифрирования снимков.

Карты природных условий территории. Основная информация о ландшафтной структуре территории BAO и ЗАО г. Москвы получена путем анализа ряда природных карт: геологической, геоморфологической, почвенной, растительности, ландшафтной, которые можно назвать исходными природными картами, поскольку в эколого-геохимических исследованиях они обычно служат источниками картографирования. Их анализ проводился совместно с ведущими специалистами в области геохимии ландшафтов (Касимов и др., 2012; Nikiforova и др., 2014). Фрагменты этих карт из Экологического атласа Москвы (2000), включающие территории участков исследования, были заранее оцифрованы, приведены к единой системе координат в пакете ArcGIS и рассмотрены совместно с использованием приемов пространственного анализа - оверлея слоев, морфометрических операций, геоинформационного анализа и др. Составлен ряд производных карт, в том числе синтетического характера: карты рыхлых отложений, элементарных ландшафтов и классов водной миграции. Они имеют исключительную важность при проведении геохимических исследований, поскольку позволяют делать обоснованные выводы об особенностях поведения химических элементов в городских ландшафтах. Общая схема методики составления этих карт отражена на рис. 7.

Рыхлые отложения на территории Москвы перекрыты техногенными и культурными наносами, которые и определяют химический состав и уровень загрязнения почвенного покрова и тем самым оказывают заметное влияние на эколого-геохимическое состояние городского ландшафта. Составленные для двух участков карты рыхлых отложений отражают дифференциацию природных и техногенных отложений по генезису, гранулометрическому составу и мощности (рис. 8).

Карта элементарных ландшафтов выявляет катенарную геохимическую структуру ландшафтов и характеризует латеральные потоки загрязнителей в почвенном покрове урбанизированной территории между водораздельными пространствами и сопряженными с ними депрессиями (рис. 9).

Интенсивность водной миграции загрязнителей в почвах контролируется окислительно-восстановительными и щелочно-кислотными условиями. На большей части территории мегаполисов зарегулированный поверхностный сток и подтопление почв грунтовыми водами приводят к увеличению площади почв, где формируются восстановительные условия. На периодически подтопляемых участках существует окислительно-восстановительная обстановка и только на не подтопляемых сохраняется окислительная. Антропогенные изменения геохимической обстановки в почвах, связанные с подтоплением и подщелачиванием, отражает карта классов водной миграции веществ в почвах, составленная по данным геохимического опробования 2010 г. (рис. 10).

Карты геоэкологического состояния городской среды. Сама цель создания КБД указывает на необходимость совместного анализа картографических материалов путем сопоставления карт из КБД или слоев БПД. Сопоставление требует такой организации данных, которая логически связывает антропогенные и природные характеристики городской среды в единую структуру базы данных. Это достигается использованием в качестве картографических единиц привязки информации ландшафтно-функциональных комплексов, то есть участков городской территории, природный и антропогенный статус которых определяет условия миграции и аккумуляции химических элементов в ландшафтах.

Карты ландшафтно-функциональных комплексов. Проведение ландшафтно-функционального зонирования опиралось на сопоставление и геоиформационный анализ большого количества разнопланового материала, представленного в виде карт, описанных выше (Касимов и др., 2012, 2013; Лабутина, Хайбрахманов, 2012). Разработанная методика картографирования отражена на рис. 11.

Легенда карт имеет матричный вид: в правой части дана характеристика функциональных зон, определяющих привнос химического вещества, а в левой - геохимическая характеристика ландшафтов и некоторых их компонентов, обусловливающих класс миграции, особенности катенарного распределения загрязнителей в почвах и возможность их осаждения на барьерах (рис. 12).

Слой ЛФК используется в БПД как основной, связывающий другие слои данных между собой при анализе данных или составлении других геоэкологические карт. В частности, он может служить основой для отображения геохимических показателей и составления ландшафтно-геохимической карты (Касимов и др., 2013; №1о1огоуа и др., 2014). Используя в качестве пространственной единицы ЛФК и логических связей внутри БПД, можно проводить оценку городской территории, применяя систему баллов или нормирование по оценочным показателям.

В заключении работы сделаны следующие выводы.

1. Анализ опыта эколого-географического картографирования городских территорий показал, что, несмотря на обширный объем работ в области

покомпонентного изучения городских ландшафтов, систематических собраний карт выпущено недостаточно. Также невелико количество работ в области комплексного и синтетического картографирования. Решить этот вопрос могут современные геоинформационные технологии, обеспечивающие электронное составление карт, их публикацию на электронных носителях или в сети Интернет, а также обмен информацией, хранимой в базах данных.

2. Оптимальным для эколого-геохимических исследований городской территории является использование картографической базы данных, работающей совместно с базой пространственных данных. Она позволяет не только организовано и систематизировано хранить информацию в виде пространственных объектов и цифровых карт, но и осуществлять на их основе составление нового материала.

3. Картографические единицы ландшафтно-функциональных комплексов, характеризующие антропогенные и природные компоненты городского ландшафта, являются наиболее подходящими для организации логических связей между слоями БПД. Их центральное место в структуре БПД обеспечивает проведение геоинформационного составления синтетических карт геоэкологического состояния городской среды.

4. Разработанные методики составления карт показали свою надежность при апробации на участках Восточного и Западного округов Москвы с возможностью расширения территории исследования на весь мегаполис и другие города России и стран СНГ.

5. Разработанная картографическая база данных имеет широкие перспективы использования. БПД с системой связей между ее слоями может служить основой для создания экологической ГИС. Для ее функционирования необходимо подготовить соответствующую программную оболочку и пользовательский интерфейс доступа, а также запрограммировать алгоритмы методов геоинформационного картографирования. Такая ГИС может применяться для обеспечения научных исследований, градостроительных работ и принятия решений в области муниципального управления. КБД, представляющая собой систему цифровых карт, может быть реализована в виде картографического веб-сервиса (геопортала, геосервиса и др.) в сети Интернет с целью организации доступа и обмена данными в рамках всего научного сообщества.

Список основных публикаций по теме диссертационной работы

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Лабутина И.А., Хайбрахманов Т.С. Структура и содержание системы карт для обеспечения ландшафтно-геохимических исследований // Геодезия и картография. 2012. №3. С. 27-32.

2. Картографическая база данных по качеству городской среды (на примере Восточного административного округа г. Москвы) // Инженерные изыскания. 2012. № 11. С. 42-49.

3. Касимов Н.С., Никифрова Е.М., Кошелева Н.Е., Хайбрахманов Т.С. Геоинформационное ландшафтно-геохимическое картографирование городских территорий (на примере BAO Москвы). 1. Картографическое обеспечение // Геоинформатика. 2012. № 4. С. 37-45.

4. Касимов Н.С., Никифрова Е.М., Кошелева Н.Е., Хайбрахманов Т.С. Геоинформационное ландшафтно-геохимическое картографирование городских территорий (на примере BAO Москвы). 2. Ландшафтно-геохимическая карта // Геоинформатика. 2013. № 1. С. 28-32.

5. Хайбрахманов Т.С. Геоинформационное картографирование функциональных зон городских территорий по космическим снимкам // Геоинформатика. 2014. № 2. С. 55-62.

В прочих изданиях:

6. Лабутина И.А., Хайбрахманов Т.С. Функциональное зонирование территории BAO г. Москвы для целей экологического мониторинга // Материалы международной научной конференции ИнтерКарто-ИнтерГИС-16: Теория ГИС и практический опыт. Ростов-на-Дону (Россия), Зальцбург (Австрия), 3-4 июля 2010 г. Ростов-на-Дону: ЮНЦ РАН, 2010. С. 234-236.

7. Хайбрахманов Т.С. Использование космических снимков для экологического мониторинга городской территории // Охрана окружающей среды и природопользование. 2011. №2. С. 161-163.

8. Лабутина И.А., Балдина Е.А., Грищенко М.Ю., Хайбрахманов Т.С. Опыт использования космических снимков при экологических исследованиях Москвы // Земля из космоса. Наиболее эффективные решения. 2012. № 12. С. 50-55.

9. Хайбрахманов Т.С. Экологические портреты городов на геопортале МГУ // Земля из космоса. Наиболее эффективные решения. 2012. № 13. С. 42-46.

10. Хайбрахманов Т.С. Оценка экологической ситуации BAO г. Москвы на основе эколого-геохимических показателей // Материалы VI Международной конференции Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон. Спб: РГГМУ, 2012. С. 56-59.

11. Хайбрахманов Т.С., Горячих В В. Ландшафтно-функциональное зонирование городских территорий (на примере ЗАО г. Москвы) // Материалы III Открытой научно-практической конференции с международным участием Экологические чтения-2012. Омск, 5 июня 2012. Омск: ОМЭИ, 2012. С. 224-232.

12. Nikiforova Е.М., Kosheleva N.E., Labutina I.A., Khaybrakhmanov T.S. Geoinformation landscape-geochemical mapping of city territories (the case study of Eastern District of Moscow) // Journal of Civil Engineering and Science. 2014. Vol.3. Iss. 3. PP. 142-151.

Патенты и программы:

13. База данных по качеству городской среды Восточного округа Москвы : пат. 2012620475 Рос. Федерация / Битюкова В.Р., Власов Д.В., Касимов Н.С., Колдобская Н.А., Кошелева Н.Е., Малхазова С.М., Никифорова Е.М., Хайбрахманов Т.С., Шартова Н.В., Орлов Д.С. 26 июня 2012 г.

Отпечатано в копицентре « СТ ПРИНТ » Москва, Ленинские горы, МГУ, 1 Гуманитарный корпус, e-mail: globus9393338@yandex.ru тел.: 8 (495) 939-33-38 Тираж 150 экз. Подписано в печать 23.01.2015 г.