Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка метода ретроспективного картографирования почвенного покрова земель населенных пунктов

ВАК РФ 25.00.33, Картография

Автореферат диссертации по теме "Разработка метода ретроспективного картографирования почвенного покрова земель населенных пунктов"

На правах рукописи

Каретина Инна Петровна

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РЕТРОСПЕКТИВНОГО КАРТОГРАФИРОВАНИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА ЗЕМЕЛЬ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ

25.00.33 - «Картография»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2013

005535291

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия» (ФГБОУ ВПО «СГГА»).

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент Пошивайло Ярослава Георгиевна.

Пластинин Леонид Александрович, доктор технических наук, профессор кафедры маркшейдерского дела и геодезии ФГБОУ ВПО ИрГТУ;

Ведущая организация -

Николаева Ольга Николаевна, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «СГГА», доцент кафедры экологии и природопользования.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт почвоведения и агрохимии Сибирского отделения Российской академии наук (ИПА СО РАН), г. Новосибирск.

Защита состоится 22 августа 2013 г. в 12.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.251.04 при ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» (СГГА) по адресу: 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, ауд. 402.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «СГГА».

Автореферат разослан 2013 г.

Ученый секретарь ^^^^

диссертационного совета __Дубровский A.B.

Изд. лиц. ЛР № 020461 от 04.03.1997.

Подписано в печать 17.07.2013. Формат 60x84 1/16.

Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ.

Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, ул. Плахотного.Ю.

Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, 10.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. По авторитетным зарубежным прогнозам, к 2030 году площадь городов в мире увеличится на 1,2 млн. кв. км, при этом 75 % глобального прироста будет иметь место в Азии. Хотя отношение площади городов к общей площади поверхности Земли составляет не более 1 %, их рост, включающий отчуждение земель под нужды промышленности, транспорта и активного отдыха, увеличивает давление на земельные ресурсы. Последствия этого дисбаланса сказываются уже сейчас при размещении жилищных построек на плодородных землях в пригородах крупных мегаполисов и областных центров, которые с успехом могли бы использоваться в сельскохозяйственном производстве. Однако захват городскими строениями сельских территорий чреват потерей высокопродуктивных площадей навсегда.

В связи с этим становится актуальным вопрос определения стоимости возмещения потерь сельскохозяйственного производства на застроенных территориях. Основой при таких расчетах должна служить карта почвенного покрова земель населенного пункта, отражающая их качественную оценку в ретроспективе. Классический метод почвенного картографирования, а именно почвенная съемка, в данном случае неприемлем, так как почвы городов представляют собой преобразованную и трансформированную верхнюю часть культурного слоя, так называемые урбаноземы.

Такая ретроспективная карта (синонимы - ретрогнозная карта или карта-реконструкция) позволит оптимизировать современные процессы землепользования за счет формирования базы для совершенствования налогообложения, повышения бюджетных доходов от использования плодородных земель в несельскохозяйственных целях, а также предоставит возможность проводить более качественный мониторинг городских экосистем.

Степень разработанности проблемы. Классические методы почвенного картографирования широко отображены в работах Докучаева В. В., Прасоло-

ваЛ. И., Герасимова И. П., Ивановой Е. Н., Маландина Г.А., Лобовой Е.В., Ковды В.А., Фридланда В. М. и др.

Работы, посвященные вопросам использования современных компьютерных технологий в тематическом картографировании и математико-картографическом моделировании, в том числе и при изучении почвенного покрова, связаны с именами Берлянта А. М„ Салищева К. А., Тикунова В. С., Кошкарева А. В., Верещаки Т. В., Флоринского И. В., Рожкова В. А., Рожковой С. В., Корнблю-ма Э. А., Козлова Д. Н„ Сорокиной Н. П., Пузаченко Ю. Г., Конюшковой М. В., Савина И. Ю., Кравцовой В. И., Козловского Ф. И., Алябиной И. О. с соавторами и др.

Целью исследования является разработка метода создания ретроспективных карт почвенного покрова земель населенных пунктов, предназначенных для решения задач территориального управления.

Решаемые задачи. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

- проанализировать современное состояние картографирования почв;

- определить место ретроспективных карт почвенного покрова земель населенных пунктов в классификации карт;

- разработать методические решения для создания ретроспективных карт почвенного покрова земель населенных пунктов;

- разработать информационную систему, предназначенную для создания ретроспективной модели почвенного покрова земель населенных пунктов;

- выполнить апробацию работы информационной системы ретроспективного картографирования;

- создать ретроспективную карту почвенного покрова земель г. Усть-Каменогорска (Республика Казахстан).

Объектом исследования является картографирование состояния почвенного покрова земель населенных пунктов в ретроспективе.

Предмет исследования - принципы, методы, технологии ретроспективного картографирования с помощью ГИС-технологий.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования

Для решения поставленных задач в работе использованы системный картографический и региональный подход, методы геостатистического анализа, теории информационных систем и процессов.

Основные научные положения диссертации, выносимые на защиту:

— карты, отражающие состояние почвенного покрова в прошлом, до урбанизации, классифицируются как ретроспективные специальные карты, и могут быть отнесены к группе карт инвентаризации и оценки природных условий и ресурсов, с выделением в подгруппе карт земельных ресурсов, наряду с картами современного состояния почв;

— метод ретроспективного картографирования почвенного покрова земель населенных пунктов представляет собой процесс математию-картографического моделирования на основе применения метода главных компонент и кластерного анализа, реализуемый с помощью комплексного анализа факторов почвообразования исследуемой территории с интерпретацией полученных результатов с точки зрения потерь сельскохозяйственного производства;

- разработанная информационная система, предназначенная для создания картографической ретроспективной модели почвенного покрова земель населенных пунктов, позволяет проводить комплексный анализ факторов почвообразования и визуализировать его результаты в виде картографического изображения;

- ретроспективная карта почвенного покрова земель населенного пункта может использоваться для определения коэффициентов при расчете налоговых сборов на плодородные земли, используемые в несельскохозяйственных целях, а также предоставляет возможность проводить более качественный мониторинг городских экосистем.

Научная новизна результатов исследования состоит в следующем:

- дополнена классификация карт инвентаризации и оценки природных условий и ресурсов;

- разработаны методические решения для ретроспективного картографирования почвенного покрова земель населенных пунктов;

- разработана информационная система, предназначенная для создания ретроспективной модели почвенного покрова;

- составлена ретроспективная карта почвенного покрова г. Усть-Каменогорска.

Научная и практическая значимость работы. Метод ретроспективного картографирования почвенного покрова земель населенных пунктов предусматривает повышение качества и результативности управления земельными ресурсами городских территорий, разработку правового и научно-методического обеспечения этого процесса, а также может использоваться для экологического мониторинга земель и оценки техногенной нарушенности почвенного покрова.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

Диссертация соответствует паспорту научной специальности 25.00.33 -«Картография», разработанному экспертным советом ВАК Минобрнауки РФ, по соответствующим позициям:

- № 5 - «Новые методы составления и проектирования, новые виды и типы тематических и кадастровых карт и атласов»;

- № 9 - «Геоинформационное картографирование и компьютерные технологии».

Апробация результатов исследования

Основные положения диссертационной работы и результаты исследований доложены на Международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь» (г. Новосибирск, 2007, 2008, 2012, 2013 гг.), II Международной научно-методической конференции «Инновационные технологии в образовании и науке» (г. Зыря-

новск, 9-10 ноября 2007 г.), Международной конференции «Инновационные технологии сбора и обработки геопространственных данных для управления природными ресурсами» (г. Усть-Каменогорск, 3-7 сентября 2010 г.), Международной конференции Интеркарто/ИнтерГИС 17: Устойчивое развитие территорий: Теория ГИС и практический опыт (Белокуриха, 14-19 декабря 2011 г.).

Реализация результатов исследования

Основные положения и практические результаты работы внедрены и используются в государственном учреждении «Отдел земельных отношений города Усть-Каменогорска» при организации работ по рациональному использованию и охране городских земель, в государственном учреждении «Управление строительства Восточно-Казахстанской области» при подготовке предложений по градостроительному освоению территории города и пригородной зоны, а также в учебном процессе Сибирской государственной геодезической академии.

Публикации по теме диссертации

Основные научные положения и выводы диссертации опубликованы в 10 работах, в том числе 1 - в рецензируемом журнале, входящем в перечень изданий, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем диссертации

Общий объем диссертации составляет 142 страницы. Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, заключения и списка использованных источников, включающего 118 наименований. Работа содержит 47 рисунков и 1 приложение.

Автор выражает благодарность профессору Восточно-Казахстанского государственного технического университета им Д. Серикбаева, доктору технических наук Владимиру Алексеевичу Максимову за ценные замечания по содержанию работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования.

В первом разделе рассмотрены проблемы картографирования почвенного покрова земель населенных пунктов и использования почвенных карт.

В большинстве случаев ретроспективных почвенных карт на территорию населенных пунктов не существует. Почвы и культурный слой городов, особенно древних, являются примером почвенных систем, наиболее трансформированных антропогенными воздействиями. Провести строгое решение задачи реконструкции почвенной карты территории, учитывающее все взаимосвязи между природными свойствами почв, практически невозможно, так как широк спектр входящих в него переменных и далеко не всегда известны математические функциональные зависимости, их связывающие. Современные технологии картографирования, а именно технологии географических информационных систем, являются естественным развитием традиционного сравнительно-географического метода исследования почвенного покрова. Применяемые при этом методы и технологии позволяют создавать картографические произведения, не имея объекта картографирования, путем моделирования ситуаций, которые существовали в прошлом или будут происходить в будущем. Цифровое прогнозное картографирование моделирует пространственное распределение объектов на основе анализа разнообразных факторов, и эти методы могут быть применены при воссоздании карты почвенного покрова земель населенных пунктов.

При прогнозировании пространственного распределения почвенных таксономических единиц на основе анализа количественных характеристик факторов почвообразования могут использоваться такие математические методы, как множественный регрессионный анализ, гибридные геостатистические подходы, аппарат нечетких множеств, дискриминантный анализ, нейронные сети и пр.

В результате проведенного анализа сделан вывод о том, что современные методы и технологии картографирования позволяют создать ретроспективную

карту почвенного покрова населенного пункта, необходимую для повышения качества и результативности управления земельными ресурсами городских территорий, а также для экологического мониторинга и оценки техногенной нарушенное™ городских земель.

Во втором разделе определено место создаваемой ретроспективной карты в классификации картографических произведений (рисунок 1), и приводится описание разработанного метода ретроспективного картографирования почвенного покрова земель населенных пунктов. Так как основное назначение ретроспективных карт, отражающих качество почв, существовавших на территории, ныне занятой городами, - это отображение наносимого ущерба в форме недополучаемой государством сельскохозяйственной продукции, то при их классификации целесообразно их отнесение в раздел специальных карт, в подраздел карт для народного хозяйства и управления, а именно, к картам инвентаризации и оценки природных условий и ресурсов (по классификации К. А. Салищева).

Рисунок 1 - Классификация карт инвентаризации и оценки природных условий и ресурсов

Картографы отмечают возникающую в настоящее время необходимость детализации отдельных звеньев классификации специальных карт в связи с картографическим обеспечением отдельных проблем. Существующие классификации недостаточно дифференцируют все многообразие карт и условны для некоторых подразделений.

Таким образом, карты, отражающие состояние почвенного покрова до урбанизации, при учете классификации по назначению, территориальному охвату и классификации прогнозных карт, представляют собой ретроспективные специальные карты почвенного покрова населенных пунктов и могут быть отнесены к группе карт инвентаризации и оценки природных условий и ресурсов, с выделением в подгруппе карт земельных ресурсов, наряду с картами современного состояния почв. Укрупненные этапы разработанного метода ретроспективного картографирования почвенного покрова земель населенных пунктов представлены на рисунке 2.

Исходными данными могут являться как картографические материалы, так и данные полевых обследований, хранящиеся в бумажной, цифровой либо табличной форме.

Информационное обеспечение метода ретроспективного картографирования включает такие программные средства, как ГИС Mapinfo Professional, СУБД Access и подсистему моделирования, реализованную в среде визуального программирования Borland Delphi (рисунок 3). Для обеспечения взаимодействия между указанными программами нами был разработан пользовательский интерфейс, позволяющий работать с системой не только программисту, но и специалисту-предметнику (рисунок 4).

Метод позволяет визуализировать результаты комплексного пространственного анализа в виде картографической модели почвенного покрова. Создаваемая картографическая модель является результатом математико-картографического моделирования и относится к категории цепочкообразных

моделей, в которых каждый новый элемент создается на основе результата реализации предыдущего элемента - элементарного звена.

Рисунок 2 - Укрупненные этапы метода ретроспективного картографирования почвенного покрова земель населенных пунктов

Рисунок 3 - Схема взаимодействия программных средств информационной системы ретроспективного картографирования

Данные

Карта

Рисунок 4 - Структура информационной системы ретроспективного картографирования

На рисунке 5 представлена схема функционирования модуля интегрированной картографии и модуля комплексного анализа, отвечающих за обработку данных, картографическое моделирование и визуализацию картографической модели.

Рисунок 5 - Схема функционирования основных модулей информационной системы ретроспективного картографирования

Такое конструирование многоступенчатой модели позволяет на каждом этапе корректировать набор показателей. Построение модели осуществляется в три этапа:

- этап анализа с помощью метода главных компонент (МГК) для получения сжатых факторов;

- этап проведения кластерного анализа сжатых факторов (главных компонент), полученных на первом этапе;

- анализ выделенных однородных групп (объектов) МГК для определения наиболее значимых характеристик операционно-территориальных единиц (OTE) для каждого выделенного класса.

Процесс обработки является пошаговой процедурой. Сначала проводится анализ методом главных компонент, определяющим интегральные показатели, затем на их основе осуществляется районирование, которое реализуется с помощью аппарата кластерного анализа, результаты интерпретируются экспертом.

При проведении многокритериального районирования выделяются районы, близкие по значениям выбранных факторов. На последнем этапе, с помощью метода главных компонент анализируются однородные группы OTE для определения параметров, наиболее значимых для своей группы (класса) (рисунок 6).

Рисунок 6 - Схема работы подсистемы моделирования

Визуализация результатов классификации осуществляется путем их экспорта в ГИС и отображения в виде картографической модели.

Эксперт, при анализе полученных классов, с учетом климатических особенностей исследуемой территории, определяет их возможную принадлежность к типу и подтипу почв и готовит авторский оригинал ретроспективной карты.

Таким образом, разработанная информационная система обеспечивает:

- ввод исходных данных, необходимых для проведения комплексного анализа исследуемой территории;

- проведение анализа методом главных компонент для получения интегральных показателей (факторов), оказывающих влияние на качество почвенного покрова исследуемой территории;

- проведение кластерного анализа на основе интегральных показателей, полученных на предыдущем этапе, для определения классов, отличающихся по своим свойствам, которые будут выступать в качестве районов исследуемой территории, отличающихся по качеству почвенного покрова;

- анализ найденных классов (районов) методом главных компонент, который дает возможность установить наиболее значимые факторы почвообразования для территории каждого района, соответствующего классу;

- запись полученных результатов в таблицы базы данных, содержимое которых будет использоваться для построения отчетов с результатами комплексного анализа;

- формирование выходных расчетных значений в виде отчетов с результатами этапов комплексного анализа.

В третьем разделе приводятся результаты процесса создания ретроспективной карты почвенного покрова земель населенного пункта с помощью разработанной информационной системы.

В качестве объекта настоящего исследования выбрана территория г. Усть-Каменогорска. Усть-Каменогорск - крупнейший промышленный город на северо-

востоке Республики Казахстан, занимает площадь 54,4 тыс. га, расположен в долине двух рек - Ульба и Иртыш в предгорьях Горного Алтая, образован в 1720 г.

Для создания карты территории в качестве исходных данных были использованы значения факторов, влияющих на почвообразовательный процесс, известные в 840 «узловых точках» сетки территории города с размерами ячейки 500 х 500 метров. Данные 840 «узловых точек», выступающие в качестве опе-рационно-территориальных единиц, описывались шестью характеристиками: угол наклона местности (KV) (градус); глубина залегания подземных вод (KL) (м); просадочность грунтов (КР); геологические явления (KGP) (подмыв берегов, карсты); степень влажности грунтов (KG); фильтрация грунтов (KF). Все эти особенности территории представляют величину более или менее постоянную, сравнительно мало зависящую от условий времени и человека.

После заполнения таблицы, расположенной на странице исходных данных приложения, наименованиями факторов проводится первый этап комплексного анализа с помощью метода главных компонент.

Далее из общего числа главных компонент отбираются наиболее информативные, т. е. объясняющие наибольший процент дисперсии, именно эти главные компоненты и участвуют в следующем этапе анализа в качестве интегральных характеристик.

Вторым этапом является кластерный анализ на основе выделенных на первом этапе интегральных показателей. Подэтап первоначальной классификации заключается в проведении иерархического кластерного анализа с помощью метода «дальнего соседа», что позволяет получить предварительную информацию об имеющейся в исходных данных структуре, а именно, выделить классы (кластеры), которые могут выступать в качестве истинного элемента описания данных. После проведения иерархической классификации проводится уточняющая классификация одним из двух методов, «k-медоидов» или методом динамических сгущений. Для визуализации результатов кластерного анализа используется ГИС из меню «Привязка модели к ГИС-проекту» (рисунок 7).

Рисунок 7 - Пользовательский интерфейс, предназначенный для ввода исходных данных и проведения иерархического кластерного анализа

В результате решения задачи оценки качества почвенного покрова территории города Усть-Каменогорска были получены следующие результаты. Результатом первого этапа построения модели были выделенные четыре главные компоненты, суммарная дисперсия, объясняемая которыми, составила восемьдесят процентов (80 %). При этом первая главная компонента объясняет 27,45 % дисперсии, вторая главная компонента - 20,31 %, третья - 16,44 %, а четвертая - 15,28 %.

Полученные четыре компоненты были интерпретированы следующим образом. Так как наибольшую нагрузку на первую главную компоненту, значение которой составляет 0,8, вносит показатель «угол наклона местности», то она была интерпретирована как «скрытый» обобщенный геоморфологический фактор. Вторая главная компонента была интерпретирована как «скрытый» обобщенный геологический фактор, поскольку наибольшая нагрузка при этом пришлась на показатель «просадочность грунтов», значение которой составило 0,76. Третья главная компонента была объяснена как «скрытый» обобщенный гидрогеологический фактор, так как в этом случае наибольшее значение нагрузки, которое составило 0,87, пришлось на показатель «фильтрация грунтов».

Так как на четвертую главную компоненту пришлось наибольшее значение нагрузки, равное 0,75, которую дает показатель «геологические явления», то она была интерпретирована как «скрытый» обобщенный фактор геологических процессов.

В результате проведения второго этапа были выделены четыре кластера или класса (таблица 1).

Таблица 1 - Средние значения факторов почвообразования по четырем классам для территории г. Усть-Каменогорска

Наименование фактора Первый класс Второй класс Третий класс Четвертый класс

Угол наклона местности, градусы 2,94 11,43 1,53 5,61

Уровень подземных вод, метры 6,97 7 2,69 6,76

Просадочность грунтов 0,01 0 0 0,18

Геологические явления, случаи/км2 в год 0,93 0,85 0,91 0,98

Влажность грунтов 0,2 0,02 0,26 0,3

Фильтрация грунтов, метров/сутки 27,5 27,5 27,5 25,1

В первый класс вошло 483 образа из 840, в качестве которых выступают OTE исследуемой территории. В данных класс вошло наибольшее количество образов. Число образов, вошедших во второй и третий классы, при этом распределилось примерно равным образом. Во второй класс вошло 133 OTE, а в третий - 148. Самым маленьким по числу вошедших в него образов стал четвертый класс, так как в него вошло всего 76 OTE из 840.

При картографической визуализации полученных результатов средствами ГИС было получено распределение найденных классов в географическом пространстве в виде растровой поверхности, на которой полученные классы были отображены в виде ареалов или районов, имеющих разные цвета (рисунок 8).

Первый класс отображен ярко-желтым цветом. Этот класс определяется экспертом как лугово-черноземные почвы.

Второй класс представлен в виде небольших участков, рассеянных в пространстве. Следует отметить, что границы данного класса совпадают с границами районов, выделенных в результате оценки геоморфологических условий территории города, которые определены как сложные и очень сложные. На рисунке класс показан светло-оранжевым цветом и диагностируется экспертом как горные черноземы.

Третий класс представлен целостным компактным образованием в пойме рек города. При наложении границ класса на границы районов, выделенных в результате оценки гидрогеологических условий города, границы совпадают. Данный класс на рисунке выделен оранжевым цветом и определен экспертом как пойменные луговые темные почвы.

Четвертый класс занимает самую северную часть территории города, а также небольшую часть в виде анклава на юго-востоке. Границы класса совпадают с границами районов, выделенными в результате оценки геологических условий города. На рисунке класс изображен ярко-красным цветом, определенный экспертом как черноземы обыкновенные.

Анализ выделенных однородных групп OTE методом главных компонент дал возможность установить наиболее значимые факторы почвообразования для каждого полученного класса.

На первую главную компоненту самого распространенного класса влияние почти всех факторов имеет очень высокое значение. На первую главную компоненту для трех остальных классов наибольшее влияние оказывает фактор «уклон местности». Поэтому этот фактор следует рассматривать как существенный для всех четырех классов территории города.

Во втором классе наибольшее влияние на вторую главную компоненту имеет фактор «влажность грунтов», в третьем классе - фактор «уровень залегания подземных вод», а в четвертом классе - «водопроницаемость».

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ Почвы

^В черноземы обыкновенные горные черноземы пойменные луговые т< лугово-черноземные

Рисунок 8 - Реконструкция почвенного покрова города Усть-Каменогорска

Технология дает возможность определения показателей всех почвообра-зующих факторов на территории, содержит соответствующую базу данных и позволяет построить почвенную карту с полной картиной типов и подтипов почв.

21

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполненных исследований решена основная цель диссертационной работы - разработан метод создания ретроспективных карт почвенного покрова земель населенных пунктов, предназначенных для решения задач территориального управления.

Основные результаты и выводы состоят в следующем:

- выполнен анализ современного состояния картографирования почв, а именно, методов и технологий картографирования, позволяющих создать ретроспективную карту почвенного покрова земель населенного пункта;

- поставлена и решена задача по определению места ретроспективных карт почвенного покрова земель населенных пунктов в классификации карт, а также дополнена классификация специальных карт в части карт инвентаризации и оценки природных условий и ресурсов;

- разработаны методические решения для создания ретроспективных карт почвенного покрова земель населенных пунктов, включающие математико-картографическое моделирование на основе применения метода главных компонент и кластерного анализа;

- разработана информационная система ретроспективного картографирования, предназначенная для создания ретроспективной модели почвенного покрова земель населенных пунктов, позволяющая проводить комплексный анализ факторов, влияющих на почвообразование, и визуализировать его результаты в виде пространственной модели;

- проведена апробация работы информационной системы ретроспективного картографирования, с учетом экспертных оценок создана цифровая модель почвенного покрова г. Усть-Каменогорска;

- составлена ретроспективная карта почвенного покрова земель г. Усть-Каменогорска масштаба 1 : 80 ООО.

Полученные решения позволяют повысить качество и результативность управления земельными ресурсами городских территорий, разработки правового и научно-методического обеспечения этого процесса, а также могут использоваться для экологического мониторинга земель и оценки техногенной нарушенное™ почвенного покрова. Результаты работы реализованы в государственных учреждениях, занимающихся организацией работ по рациональному использованию и охране городских земель, что подтверждается справками о внедрении.

Перспектива дальнейших исследований заключается в увеличении количества обрабатываемых факторов, проверке работоспособности информационной системы при работе с картографическими материалами различного типа (геологическими, гидрогеологическими, топографическими картами), что позволит усовершенствовать получаемые модели почвенного покрова.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Уставич, Г. А. Реконструкция почвенной карты антропогеннопреобразо-ванных ландшафтов [Текст] / Г. А. Уставич, Я. Г. Пошивайло, И. П. Каретина // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2012. - № 2/1. - С. 72-76.

2. Каретина, И. П. Компьютерное моделирование почвенного покрова земель населенных пунктов [Текст] / И. П. Каретина, Н. В. Маслова // ГЕО-Сибирь-2007. III Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 25-27 апреля 2007 г.). - Новосибирск: СГГА, 2007. Т. 1, ч. 1. - С. 304-306.

3. Максимов, В. А. Анализ современного состояния картографо-геодезического обеспечения кадастровой оценки городских земель [Текст] / В. А. Максимов, И. П. Каретина // ГЕО-Сибирь-2(Ю8. IV Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 5 т. (Новосибирск, 22-24 апреля 2008 г.). - Новосибирск: СГГА, 2008. Т. 2, ч. 1. - С. 31-32.

4. Каретина, И. П. Математическое обеспечение ретроспективного метода почвенного картирования городских земель [Текст] / И. П. Каретина // Материалы международной конференции «Инновационные технологии сбора и обработки геопространственных данных для управления природными ресурсами». 3-7 сентября 2010 г. - Усть-Каменогорск: ВКГТУ. - С. 208-214.

5. Максимов, В. А. Проблемы картографирования почвенного покрова населенных пунктов и использования почвенных карт [Текст] / В. А. Максимов, И. П. Каретина // Материалы международной конференции «Инновационные технологии сбора и обработки геопространственных данных для управления природными ресурсами». 3-7 сентября 2010 г. - Усть-Каменогорск: ВКГТУ. -С. 249-255.

6. Максимов, В. А. Технология ретроспективного картографирования почвенного покрова земель населенных пунктов [Текст] / В. А. Максимов, Я. Г. Пошивайло, И. П. Каретина // Сборник материалов Международной конференции Интеркарто/ИнтерГИС 17: Устойчивое развитие территорий: Теория ГИС и практический опыт. Белокуриха, Денпасар, 14-19 декабря 2011 г. - Бе-локуриха, 2011. - С. 272-276.

7. Пошивайло, Я. Г. Совершенствование методов создания почвенных карт населенных пунктов [Текст] / Я. Г. Пошивайло, И. П. Каретина // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 2. -С. 19-23.

8. Максимов, В. А. Геоинформационное обеспечение кадастровой оценки земель населенных пунктов [Текст] / В. А. Максимов, И. П. Каретина // Сборник научных трудов II Международной научно-методической конференции «Инновационные технологии в образовании и науке». 9-10 ноября 2007 г., 1 часть, ВКГТУ им. Д. Серикбаева, Зыряновский центр, Зыряновск. - Зыря-новск, 2007.-С. 211-213.

9. Максимов, В. А. Ретроспективный метод почвенного картирования в системе городского кадастра [Текст] / В. А. Максимов, И. П. Каретина // Вестник ВКГТУ им. Д. Серикбаева. Научный журнал. - 2007. - № 3 (37), сентябрь. - С. 16-22.

10. Каретина, И. П. Роль и место почвенной карты в информационном обеспечении кадастра земель населенных пунктов [Текст] / И. П. Каретина // Вестник КазНТУ. Научный журнал. - 2008. - № 6. - С. 3-7.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Каретина, Инна Петровна, Новосибирск

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

(ФГБОУ ВПО «СГГА»)

На правах рукописи

Каретина Инна Петровна

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РЕТРОСПЕКТИВНОГО КАРТОГРАФИРОВАНИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА ЗЕМЕЛЬ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ

25.00.33 - «Картография»

С4 Диссертация

00

Она соискание ученой степени

СО

^ кандидата технических наук

со 8

О)

О Р

см 05

^д ^ Научный руководитель -

и кандидат технических наук, доцент

Пошивайло Ярослава Георгиевна

Новосибирск 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................4

1 ПРОБЛЕМЫ КАРТОГРАФИРОВАНИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЧВЕННЫХ КАРТ..........9

1.1 Современное состояние картографирования почв..............................................9

1.1.1 Картографические методы почвенных исследований......................................9

1.1.2 Методы составления почвенных карт..............................................................18

1.1.3 Факторы почвообразования и их роль в картографировании почвенного покрова....................................................................................................28

1.1.4 Почвенные информационные системы и цифровые картографические модели почв.................................................................................................................30

1.2 Картографирование антропогенно преобразованных ландшафтов.................33

1.2.1 Почвенный покров земель населенных пунктов как объект картографирования.....................................................................................................................33

1.2.2 Классические методы почвенной съемки и картографирования почвенного покрова населенных пунктов................................................................40

1.2.3 Понятие о разновременных картографических реконструкциях..................43

1.3 Значение ретроспективной карты почвенного покрова в информационном обеспечении кадастра населенных пунктов Республики Казахстан.....................48

1.4 Анализ существующих проблем и выбор направления исследования............53

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДА РЕТРОСПЕКТИВНОГО КАРТОГРАФИРОВАНИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА ЗЕМЕЛЬ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ.....................55

2.1 Место ретроспективных карт почвенного покрова населенных пунктов в классификации картографических произведений...................................................55

2.2 Описание математико-картографической модели и методов решения задачи............................................................................................................................64

2.3 Архитектура информационной системы ретроспективного картографирования......................................................................................................73

2.4 Технология обработки информации...................................................................76

3 РЕКОНСТРУКЦИЯ ПОЧВЕННОЙ КАРТЫ ЗЕМЕЛЬ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ НА ПРИМЕРЕ Г. УСТЬ-КАМЕНОГОРСКА.......................................86

3.1 Факторы образования почв территории города, используемые для создания картографической модели..........................................................................86

3.2 Описание программной реализации....................................................................92

3.2.1 Требования к функционированию и эксплуатации........................................92

3.2.2 Перечень и описание входных и выходных данных......................................93

3.2.3 Руководство к использованию и эксплуатации..............................................95

3.3 Анализ результатов моделирования..................................................................120

3.3.1 Анализ результатов первого этапа комплексного анализа..........................120

3.3.2 Анализ результатов второго этапа комплексного анализа..........................121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................125

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................................127

ПРИЛОЖЕНИЕ А (справочное) РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ПРОВЕРКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ РЕТРОСПЕКТИВНОГО КАРТОГРАФИРОВАНИЯ ...........................................139

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. По авторитетным зарубежным прогнозам, к 2030 году площадь городов в мире увеличится на 1,2 млн. кв. км, при этом 75 % глобального прироста будет иметь место в Азии. Хотя отношение площади городов к общей площади поверхности Земли составляет не более 1 %, их рост, включающий отчуждение земель под нужды промышленности, транспорта и активного отдыха, увеличивает давление на земельные ресурсы. Последствия этого дисбаланса сказываются уже сейчас при размещении жилищных построек на плодородных землях в пригородах крупных мегаполисов и областных центров, которые с успехом могли бы использоваться в сельскохозяйственном производстве. Однако захват городскими строениями сельских территорий чреват потерей высокопродуктивных площадей навсегда.

В связи с этим становится актуальным вопрос определения стоимости возмещения потерь сельскохозяйственного производства на застроенных территориях. Основой при таких расчетах должна служить карта почвенного покрова земель населенного пункта, отражающая их качественную оценку в ретроспективе. Классический метод почвенного картографирования, а именно почвенная съемка, в данном случае неприемлем, так как почвы городов представляют собой преобразованную и трансформированную верхнюю часть культурного слоя, так называемые урбаноземы.

Такая ретроспективная карта (синонимы - ретрогнозная карта или карта-реконструкция) позволит оптимизировать современные процессы землепользования за счет формирования базы для совершенствования налогообложения, повышения бюджетных доходов от использования плодородных земель в несельскохозяйственных целях, а также предоставит возможность проводить более качественный мониторинг городских экосистем.

Степень разработанности проблемы. Классические методы почвенного картографирования широко отображены в работах Докучаева В. В., Прасолова Л. И.,

Герасимова И. П., Ивановой Е. Н., Маландина Г. А., Лобовой Е. В., Ковды В. А., Фридланда В. М. и др.

Работы, посвященные вопросам использования современных компьютерных технологий в тематическом картографировании и математико-картографическом моделировании, в том числе и при изучении почвенного покрова, связаны с именами Берлянта А. М., СалищеваК. А., ТикуноваВ. С., Кошкарева А. В., Ве-рещаки Т. В., Флоринского И. В., Рожкова В. А., Рожковой С. В., Корнблюма Э. А., Козлова Д. Н., Сорокиной Н. П., Пузаченко Ю. Г., Конюшковой М. В., Савина И. Ю., Кравцовой В. И., Козловского Ф. И., Алябиной И. О. с соавторами и др.

Целью исследования является разработка метода создания ретроспективных карт почвенного покрова земель населенных пунктов, предназначенных для решения задач территориального управления.

Решаемые задачи. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

- проанализировать современное состояние картографирования почв;

- определить место ретроспективных карт почвенного покрова земель населенных пунктов в классификации карт;

- разработать методические решения для создания ретроспективных карт почвенного покрова земель населенных пунктов;

- разработать информационную систему, предназначенную для создания ретроспективной модели почвенного покрова земель населенных пунктов;

- выполнить апробацию работы информационной системы ретроспективного картографирования;

- создать ретроспективную карту почвенного покрова земель г. Усть-Каменогорска (Республика Казахстан).

Объектом исследования является картографирование состояния почвенного покрова земель населенных пунктов в ретроспективе.

Предмет исследования - принципы, методы, технологии ретроспективного картографирования с помощью ГИС-технологий.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования

Для решения поставленных задач в работе использованы системный картографический и региональный подход, методы геостатистического анализа, теории информационных систем и процессов.

Основные научные положения диссертации, выносимые на защиту:

- карты, отражающие состояние почвенного покрова в прошлом, до урбанизации, классифицируются как ретроспективные специальные карты, и могут быть отнесены к группе карт инвентаризации и оценки природных условий и ресурсов, с выделением в подгруппе карт земельных ресурсов, наряду с картами современного состояния почв;

- метод ретроспективного картографирования почвенного покрова земель населенных пунктов представляет собой процесс математико-картографического моделирования на основе применения метода главных компонент и кластерного анализа, реализуемый с помощью комплексного анализа факторов почвообразования исследуемой территории с интерпретацией полученных результатов с точки зрения потерь сельскохозяйственного производства;

- разработанная информационная система, предназначенная для создания картографической ретроспективной модели почвенного покрова земель населенных пунктов, позволяет проводить комплексный анализ факторов почвообразования и визуализировать его результаты в виде картографического изображения;

- ретроспективная карта почвенного покрова земель населенного пункта может использоваться для определения коэффициентов при расчете налоговых сборов на плодородные земли, используемые в несельскохозяйственных целях, а также предоставляет возможность проводить более качественный мониторинг городских экосистем.

Научная новизна результатов исследования состоит в следующем:

- дополнена классификация карт инвентаризации и оценки природных условий и ресурсов;

- разработаны методические решения для ретроспективного картографирования почвенного покрова земель населенных пунктов;

- разработана информационная система, предназначенная для создания ретроспективной модели почвенного покрова;

- составлена ретроспективная карта почвенного покрова г. Усть-Каменогорска.

Научная и практическая значимость работы. Метод ретроспективного картографирования почвенного покрова земель населенных пунктов предусматривает повышение качества и результативности управления земельными ресурсами городских территорий, разработку правового и научно-методического обеспечения этого процесса, а также может использоваться для экологического мониторинга земель и оценки техногенной нарушенности почвенного покрова.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

Диссертация соответствует паспорту научной специальности 25.00.33 -«Картография», разработанному экспертным советом ВАК Минобрнауки РФ, по соответствующим позициям:

- № 5 - «Новые методы составления и проектирования, новые виды и типы тематических и кадастровых карт и атласов»;

- № 9 - «Геоинформационное картографирование и компьютерные технологии».

Апробация результатов исследования

Основные положения диссертационной работы и результаты исследований доложены на Международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь» (г. Новосибирск, 2007, 2008, 2012, 2013 гг.), II Международной научно-методической конференции «Инновационные технологии в образовании и науке» (г. Зыряновск, 910 ноября 2007 г.), Международной конференции «Инновационные технологии сбора и обработки геопространственных данных для управления природными ресурсами» (г. Усть-Каменогорск, 3-7 сентября 2010 г.), Международной конфе-

ренции Интеркарто/ИнтерГИС 17: Устойчивое развитие территорий: Теория ГИС и практический опыт (Белокуриха, 14-19 декабря 2011 г.).

Реализация результатов исследования

Основные положения и практические результаты работы внедрены и используются в государственном учреждении «Отдел земельных отношений города Усть-Каменогорска» при организации работ по рациональному использованию и охране городских земель, в государственном учреждении «Управление строительства Восточно-Казахстанской области» при подготовке предложений по градостроительному освоению территории города и пригородной зоны, а также в учебном процессе Сибирской государственной геодезической академии.

Публикации по теме диссертации

Основные научные положения и выводы диссертации опубликованы в 10 работах, в том числе 1 - в рецензируемом журнале, входящем в перечень изданий, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ.

Автор выражает благодарность профессору Восточно-Казахстанского государственного технического университета им Д. Серикбаева, доктору технических наук Максимову Владимиру Алексеевичу за ценные замечания по содержанию работы.

1 ПРОБЛЕМЫ КАРТОГРАФИРОВАНИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЧВЕННЫХ КАРТ

1.1 Современное состояние картографирования почв

1.1.1 Картографические методы почвенных исследований

Полное и всестороннее изучение почвы и происходящих в ней почвообразовательных макро- и микропроцессов требует приложения системы различных, характерных только для этой отрасли знания методов и приемов исследования.

Роде А. А. в работе «Система методов исследования в почвоведении» (1971) к основным источникам информации при изучении почв и почвообразовательных процессов относит следующие:

- изучение вещественного состава и материальных свойств почвенных тел;

- изучение закономерностей распределения почв на поверхности земного шара, сопряженное с факторами и условиями почвообразования;

- непосредственное изучение почвообразовательных микропроцессов и их сочетаний - почвенных режимов, - включая явления обмена веществами и энергией между почвой и другими природными телами и поступление, превращения и отдачу радиационной энергии;

- моделирование почвообразовательных процессов (в особенности микропроцессов и частных почвообразовательных макропроцессов) в лабораторных и полевых опытах.

Независимо от того, каким из этих четырех источников информации пользуются в том или ином конкретном случае, при исследовании почв и почвообразовательных процессов должны соблюдаться следующие общие основные принципы исследования.

Почва анизотропна, причем главная причина ее анизотропности заключается в самом процессе образования почвы, расчленении ее толщи на отличающиеся

друг от друга по составу и свойствам горизонты. Поэтому первый, самый важный и хорошо известный принцип исследования почв - профильное их изучение. А так как сами почвенные горизонты могут быть тоже анизотропны, то второй принцип исследования - непрерывность в исследовании профиля почвы.

Третий общий принцип изучения почв и почвообразовательных процессов заключается в необходимости одновременного сопряженного изучения процессов явлений обмена веществами между почвой и другими природными телами.

Многие почвообразовательные процессы - в особенности микропроцессы и многие явления, относящиеся к области обмена веществами и энергией между почвой и другими природными телами, - протекают со значительной скоростью, вполне измеримой в годовом и даже суточных циклах. Из этого вытекает четвертый принцип: необходимо изучать и измерять многие признаки и свойства почв в их изменчивости во времени. В этих случаях приходится применять стационарные методы.

Состав и свойства почвы существенно варьируют в пространстве даже в пределах одного и того же наиболее дробного контура на карте, который представляется «вполне однородным» при самом тщательном и точном картировании. Из этого факта вытекает пятый принцип: любое исследование почвы должно включать в себя статистическое изучение варьируемости изучаемых свойств и состава почвы в пространстве.

Общий почвообразовательный процесс слагается из очень большого числа почвообразовательных микропроцессов. Задача исследования заключается не только в том, чтобы разобраться в сущности этих отдельных микропроцессов, но и в их взаимной связи. Из этого вытекает шестой принцип - необходимость комплексности исследований. Эта комплексность должна быть не только внутренней, т. е. охватывающей процесс, протекающий в самой почве, но и внешней, т. е. охватывать и явления взаимодействия (обмен веществами и энергией) между почвой и другими природными телами.

Седьмой и последний принцип исследования, общий для всех естественных наук, - необходимость количественного (мера и вес) выражения результатов исследования.

Рассмотренные принципы должны соблюдаться при любом исследовании почв. Однако их значение при изучении микро- и макропроцессов, конечно, неодинаково [78, с. 17-19].

Таким образом, Роде А. А. выделял следующие методы почвенных исследований: сравнительно-географический, сравнительно-аналитический, стационарный и метод моделирования.

В настоящее время почвоведение широко пользуется как уже ставшими традиционными, так и новейшими методами исследования почв. Все их можно классифицировать исходя из подхода к изучению почвенного покрова, а именно, ис-торико-геоморфологического (сравнительно-географического), либо почвенно-геохимического.

Историко-геоморфологический подход обязывает учитывать условия, пути образования и возраст тех элементов рельефа, на которых развиты те или