Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Совершенствование информационного обеспечения мониторинга городских земель на основе учета особенностей рельефа

ВАК РФ 25.00.26, Землеустройство, кадастр и мониторинг земель

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование информационного обеспечения мониторинга городских земель на основе учета особенностей рельефа"

На правах рукописи

Панов Дмитрий Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МОНИТОРИНГА ГОРОДСКИХ ЗЕМЕЛЬ НА ОСНОВЕ УЧЕТА ОСОБЕННОСТЕЙ РЕЛЬЕФА

25.00.26 — «Землеустройство, кадастр и мониторинг земель»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

Новосибирск - 2014

005554427

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

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Трубина Людмила Константиновна.

Официальные оппоненты: Подшивалов Владимир Павлович,

доктор технических наук, профессор, Белорусский национальный технический университет, заведующий кафедрой инженерной геодезии;

Лелюхина Анна Михайловна, кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет геодезии и картографии», профессор кафедры кадастра и основ земельного права.

Ведущая организация - Государственное научное учреждение Сибирский

научно-исследовательский институт земледелия и химизации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (г. Новосибирск).

Защита состоится 17 декабря 2014 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.251.04 при ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» по адресу: 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, ауд. 402.

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

Материалы по защите диссертации размещены на сайте ФГБОУ ВПО «СГГА»: http://www.ssga.ru/main/zaschita_dissertaciy.html

Автореферат разослан 30 октября 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Дубровский А. В

Изд. лиц. ЛР 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 13.10.2014. Формат 60 х 84 1/16. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 99. Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 10. Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 8.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В современных условиях возрастает роль информационного обеспечения мониторинга городских земель для регулирования землепользования и охраны земель. Именно в городах наиболее остро стоят вопросы повышения качества окружающей природной среды, поскольку их социально-экономическое развитие, и, как следствие, экологическое состояние напрямую связаны с увеличением техногенной нагрузки на окружающую среду. Процесс загрязнения, как основное проявление техногенного воздействия, в городских условиях имеет повсеместное распространение, протекает в течение всего времени освоения и использования территории и отражается на всех землях. Общие тенденции изменения экологических условий территории специфичны для каждого города с характерными для него природной обстановкой, структурой застройки и техногенными источниками.

Основные аспекты свойств земель - градостроительный, инженерно-строительный, правовой, экологический, санитарно-гигиенический - в той или иной степени учитываются при регулировании землепользования, при земельно-кадастровых работах, градостроительном проектировании и мониторинге земель.

Существующая система организации мониторинга земель не позволяет в полной мере учитывать всю специфику городских земель при оценке их экологического состояния. Сложившиеся методические подходы к оценке состояния земель базируются на фиксации данных о концентрации загрязняющих веществ в отдельных точках, которые характеризуют объемы и механизмы поступления загрязняющих веществ, но не позволяют судить о процессах распространения загрязнений, в значительной степени определяемых природной составляющей территории. При этом ведущая роль принадлежит рельефу.

Именно рельеф несет сложную функциональную нагрузку, являясь не только базисом для градостроительства, но и во многом определяя направления распространения загрязнений, пути миграции вещества, зоны его возможного

накопления и смыва. При этом в нормативно-методических документах, регламентирующих оценочные работы, значимость рельефа отражена недостаточно.

В связи с этим актуальными являются исследования по анализу форм рельефа, обуславливающих закономерности миграции загрязняющих веществ и влияющих на формирование экологической обстановки на городских землях, для целей совершенствования их мониторинга.

Степень разработанности темы. Теоретические основы мониторинга окружающей среды заложены Герасимовым И. П., Израэлем Ю. А., Ковдой В. А. Исследованиям городских территорий в аспекте оценки состояния земель посвящены работы Верещака Т. В., Владимирова В. В., Заиканова В. Г., Касимова Н. С., Котлова Ф. В., Лаппо Г. М., Лихачевой Э. А., Новаковского Б. А., Прохорова Б. Б., Строгановой М. Н., Тютюнника Ю. Г. и других авторов. В работах Ласточкина А. Н., Симонова Ю. Г., Спиридонова А. И., Степанова И. Н., Тимофеева Д. А., Уфимцева Г. Ф., Флоренсова Н. А., Шарого П. А. представлены методологические подходы к анализу рельефа земной поверхности, а аспекты геоинформационного моделирования рельефа рассмотрены в работах Жалковского Е. А., Журкина И. Г., Карпика А. П., Кошкарева А. В., Лисицкого Д. В., Лурье И. К., Тикунова В. С.

Цель исследования заключалась в совершенствовании информационного обеспечения мониторинга городских земель на основе разработки научно-методических положений для анализа рельефа городских территорий как фактора формирования экологических условий.

Задачи исследования. Для достижения цели исследования необходимо было решить следующие задачи:

- выполнить анализ подходов к оценке качественного состояния земель населенных пунктов;

— определить возможности практического использования методов морфо-метрического анализа рельефа в информационном обеспечении мониторинга городских земель;

- разработать научно-методические положения для анализа рельефа как фактора формирования экологической обстановки на земельных участках средствами ГИС-технологий;

- выполнить апробацию разработанных научно-методических подходов на примере анализа рельефа территории г. Новосибирска и его окрестностей;

- разработать рекомендации по совершенствованию организации мониторинга городских земель на основе учета особенностей рельефа.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является мониторинг земель населенных пунктов (на примере г. Новосибирска). Предметом исследования является информационное обеспечение мониторинга с учетом форм рельефа, влияющих на формирование экологической обстановки городских земель.

Научная новизна:

- разработаны научно-методические положения анализа рельефа средствами ГИС-технологий для учета его влияния на формирование экологической обстановки городской среды с целью совершенствования организации мониторинга земель;

- выявлены наиболее информативные показатели рельефа, позволяющие прогнозировать распространение негативных экологических факторов на городских землях;

- в результате исследования получены данные морфометрического анализа территории г. Новосибирска, подтверждающие эффективность предложенных подходов к оценке пространственных закономерностей распространения загрязняющих веществ в зависимости от форм рельефа;

- предложено дополнить структуру информационного обеспечения мониторинга городских земель данными морфометрического анализа рельефа для выделения потенциально неблагоприятных с экологической точки зрения зон.

Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты диссертационной работы могут служить основой для совершенствования организации мониторинга городских земель за счет определения детальных характеристик пространственных свойств земной поверхности, определяемых ее рельефом.

Возможность выделения потенциально неблагоприятных с экологической точки зрения зон позволит оптимизировать схемы проведения инструментального мониторинга, а также использовать эту информацию при формировании и реконструкции городских территорий, включая структуру землепользования.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы базовые понятия землеустройства, государственного кадастра недвижимости, геоинформатики, методы системного анализа и математической статистики, а также современное программное обеспечение по реализации цифрового моделирования рельефа.

Положения, выносимые на защиту:

- разработанные научно-методические основы анализа влияния рельефа на формирование экологической обстановки городских территорий средствами ГИС-технологий повышают достоверность оценки экологического состояния многофункционально используемых земель;

- предложенный интегральный показатель экологической значимости рельефа отражает количественную характеристику вклада рельефа в формирование экологических условий в зонах различного функционального назначения;

- результаты морфометрического анализа территории г. Новосибирска и его окрестностей характеризуют пространственное распределение природных и вещественно-энергетических потоков, способствующих распространению негативных экологических факторов на городских землях;

- использование предложеной структуры информационного обеспечения мониторинга городских земель с учетом данных морфометрического анализа рельефа позволяет повысить объективность экологической оценки состояния земель.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует областям исследования: пункт 23 - «Мониторинг земель как научное направление (концепция, методология, технология); системный подход»; пункт 24 - «Научные основы, цели, функции, содержание и организация мониторинга земель (федеральный, региональный и локальный уровни)» паспорта научной специальности 25.00.26 — «Землеустройство, кадастр и мониторинг земель».

Степень достоверности и апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на Международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь» (2010, 2011 гг., г. Новосибирск), «Интерэкспо ГЕО^Сибирь» (2012, 2013 гг., г. Новосибирск), III Международной конференции «Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов» (2012 г., г. Тюмень).

Результаты исследований использовались при выполнении НИР «Разработка методологии исследований состояния и оценки ресурсоемкости экологических систем», номер государственной регистрации 5.2940.2011.

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 11 статей, из которых 4 опубликованы в журнале «Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка», который входит в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертации.

Структура диссертации. Общий объем диссертации составляет 136 страниц. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы, включающего 117 наименований, содержит 15 таблиц, 51 рисунок.

Диссертация и автореферат диссертации оформлены в соответствии с СТО СГГА 002-2013.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

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

В первом разделе рассмотрены подходы к оценке состояния и качества земель населенных пунктов.

Специфика городских земель обусловлена высокой пространственной концентрацией объектов недвижимости, высокой степенью антропогенного воздействия и системной взаимозависимостью состояния земельных участков.

Анализ подходов к оценке городских земель при регулировании землепользования показал, что основные аспекты использования земель - градостроительный, инженерно-строительный, правовой, экологический и санитарно-гигиенический - в той или иной степени учитываются при регулировании землепользования, при земельно-кадастровых работах, градостроительном проектировании и мониторинге земель.

В то же время для повышения объективности оценки состояния земель существенным является понимание пространственного распределения объектов и их взаимодействия, на которое в значительной степени оказывает влияние рельеф. Он обеспечивает определенный тип взаимодействия объектов природной и антропогенной среды, следовательно, влияет на экологическое состояние системы в целом. Перемещение вещества и энергии контролируется именно рельефом, что ставит его на ведущее место среди всех экологических факторов. Так ход большинства эколого-геохимических процессов зависит от поступления в каждую точку территории влаги и солнечного тепла, их распределение регулируется углами наклона и экспозицией склонов. Направление распространения загрязнений, пути миграции вещества, зоны его возможного накопления и смыва определяют типы морфоэлементов рельефа.

Для исследования экологической ситуации и оценки состояния земель нужен специальный подход, позволяющий выявлять закономерности миграций загрязняющих веществ, отраженных в особенностях распределения морфоэлементов рельефа.

Во втором разделе рассмотрены возможности практического использования методов морфометрического анализа рельефа, реализуемых средствами географических информационных систем (ГИС), в информационном обеспечении мониторинга городских земель, представлены разработанные научно-методические основы анализа рельефа как фактора формирования экологической обстановки на земельных участках.

Анализ вклада рельефа в те или иные процессы требует его количественной характеристики. В этом аспекте одним из самых эффективных методов является

морфометрический анализ. Выделяют несколько категорий морфометрических параметров. Рассмотрим наиболее значимые параметры для классификации поверхностей рельефа в зависимости от природно-экологических свойств.

Формирование земной поверхности протекает под воздействием нескольких геофизических векторных полей, проявляющихся в виде потоков почвенно-геологического вещества. Эти потоки, в свою очередь, задают направление движения жидких, газообразных и техногенных веществ, образующихся в результате действия тех или иных природных и техногенных источников загрязнения. Это могут быть водные (ливневые потоки, потоки от снеготаяния), пылевые и насыщенные канцерогенами воздушные массы, которые транспортируют и аккумулируют в зонах депрессии максимальное количество загрязняющих веществ.

Одним из способов выявления формы и направления потоковых структур является построение морфоизограф. Они отделяют области понижения (сближения потоков, или конвергенции) от областей повышения (расхождения, или дивергенции). Основные структурные элементы и точки морфоизограф выделены на рисунке 1, наивысшая точка в структуре всего бассейнового водосбора - Я (репеллер), от которой как бы «истекает» поток и движется в нижнюю точку — А (аттрактор).

Горизонтальная кривизна (кК) определяет степень сближения потоков, при кк > 0 они дивергируют, при кк < О - конвергируют.

Условные обозначения

Ц^^4 - Горизонталь

Д | - Направление погокг

• - Точки нулевой кривизны

- Репеллер А* - Аттрактор ^ • - Точка бифуркации

Рисунок 1 - Выделение потоков методом пластики рельефа

Вертикальная кривизна (кл>) показывает относительное изменение скорости потока - замедление на вогнутом склоне и ускорение на выпуклом склоне, соответственно ку отрицательна на вогнутых участках профиля склона и положительна на выпуклых.

Совместное рассмотрение данных о горизонтальной и вертикальной кривизне земной поверхности позволяет дифференцировать структурные элементы рельефа, определяющие направление и скорость потоков. При выявлении зон аккумуляции загрязняющих веществ значимыми являются глубина, депрессии и площадь сбора.

Перечисленные морфометрические величины определяются по цифровым моделям рельефа (ЦМР). Представление рельефа в виде ЦМР средствами ГИС существенно расширяет возможности анализа рельефа.

Базовые научно-методические положения применительно к анализу рельефа как фактора формирования экологических условий на земельных участках заключаются в следующем:

- при рассмотрении рельефа как фактора формирования экологической обстановки наиболее существенным является выделение потоковых структур, определяющих пространственное распространение загрязняющих веществ;

- поскольку рельеф может быть описан многими переменными, необходимо определить достаточный перечень геометрических параметров, характеризующих направленность, скорость и интенсивность переноса загрязняющих веществ;

- использование геоинформационных технологий позволяет сочетать результаты моделирования рельефа с пространственной тематической информацией и непространственной информацией (концентрация загрязняющих веществ в конкретной точке), что расширяет возможности анализа экологических проблем и, в конечном итоге, способствует повышению надежности оценок состояния многофункционально используемых земель;

- трехмерная визуализация - необходимая форма представления результатов, поскольку она играет существенную роль в восприятии, понимании

и оценке особенностей рельефа, выявлении взаимосвязей между природными процессами и техногенной деятельностью человека.

Разработка научно-методических основ анализа и учета влияния рельефа городских земель на формирование экологических условий средствами ГИС-технологий базируется на реализации этих положений.

С целью анализа влияния рельефа на формирование экологических условий в качестве основных морфометрических параметров, определяющих перенос и аккумуляцию загрязняющих веществ, рассматриваются: вертикальная кривизна, горизонтальная кривизна, зоны дисперсий, зоны депрессий.

В качестве обобщенного морфометрического показателя предлагается ввести индекс экологической значимости рельефа (Иэзр). Для определения индекса экологической значимости рельефа на первом этапе для выбранных анализируемых показателей устанавливаются предельные значения, характеризующие те или иные свойства рельефа.

Анализируемые показатели рельефа и их свойства приведены в таблице 1.

Таблица 1

Показатели Нормированный показатель Диапазоны значений Характеристика показателей

Вертикальная кривизна, к!г (1/м) Л Ь>0 Ь/< 0 Скорость стока и транспортировки вещества: - ускорение; - замедление

Горизонтальная кривизна, !а> (1/м) р2 кк> 0 И!<0 Пространственная неоднородность стока: - дивергенция; - конвергенция

Зоны дисперсий (зоны рассеяния), 5 (га) Ръ *5п|ах Максимальная площадь, на которую могут быть распределены перемещающиеся вещества

Зоны депрессий, Л (м) Р* Зона, в которой потенциально могут накапливаться стоки

Поскольку показатели имеют разные размерности и диапазоны значений, то производится их нормирование. Алгоритм нормирования приведен в диссер-

тации. В процессе компьютерного моделирования каждый анализируемый показатель определяется для каждого элемента впс1-модели.

Для вычисления интегрального показателя Иэзр предлагается следующая формула:

п

Иэзр = 2^/«. (1)

/=1

где Р,-нормированные показатели;

п — количество анализируемых показателей.

Значения интегрального показателя получаются в диапазоне 0 < Иэзр < 1, при этом большее значение индекса соответствует менее благоприятным условиям, следовательно, на этих земельных участках морфоэлементы рельефа способствуют накоплению загрязняющих веществ. Диапазоны градаций Иэзр показаны в таблице 2.

Таблица 2

Градации Неблагоприятный Относительно неблагоприятный Относительно благоприятный Благоприятный

Диапазон 1 - 0,825 0,825-0,555 0,555-0,333 0,333 - 0

Анализ пространственного распределения и количественных соотношений этих характеристик обеспечивает необходимые и достаточные сведения для выделения и идентификации проблемных зон с точки зрения формирования экологической обстановки.

Технологическая схема применения программных средств для выполнения морфометрического анализа рельефа представлена на рисунке 2.

В работе проведен обзор наиболее распространенных геоинформационных систем с позиций возможностей реализации предложенных положений по анализу рельефа и сделан вывод, что полный набор необходимых инструментальных средств имеется в программе Are GIS. Однако с учетом других параметров, в частности, ее высокой цены и недоступности многим бюджетным организациям, для проведения исследований выбрана ГИС «Карта» (ЗАО «Панорама») и ГИС ЭКО, разработанная Шарым П. А.

Сбор данных о рельефе

У

Топокарты

друм. Натуральные измерения

ЗО-визуализация

У

Формирование w ,,

ЦМР Изоморфографы

I Характеристика форм рельефа

Характеристика потоков

горизонтальной и вертикальной кривизны

Характеристика освещенности

Определение зон депрессий _и дисперсий_

Оценка качества

ЦМР и ее корректировка

Морфометрический анализ

Оценка экологических __условий__

1 ГИС "Панорама"

ГИС "ЭКО"

Surfer

ЗО-визуализация результатов

Рисунок 2 - Технологическая схема применения программных средств для выполнения морфометрического анализа рельефа

Для формирования ЦМР на начальном этапе определяются источники и форма представления исходных данных о рельефе, а также способ восстановления ЦМР. Исходя из специфики задач анализа территориального комплекса и функциональных особенностей выбранных ГИС установлено, что целесообразно применять математические модели, дискретные матрицы высот которых формируются на основе топографических данных в виде Опс1-модели. В качестве альтернативы в отдельных случаях могут применяться и радарные высотные данные БЯТМ.

Для обеспечения адекватности модели земной поверхности при использовании топографических карт рекомендуется осуществлять сбор данных не только путем оцифровки горизонталей, но и по заранее намеченным структурным линиям тальвегов, водоразделов, линиям максимальной и нулевой кривизны склонов

и обрывов. Такой набор исходных точек дает возможность построить ЦМР, морфологически согласованную с гидрографической сетью, и позволяет при восстановлении поверхности избежать нежелательного «эффекта террас».

Следующим этапом после сбора данных является восстановление модели поверхности земли. ОИГО-модель формируется методом средневзвешенной интерполяции, который реализован в применяемых программных продуктах. К достоинству этого метода можно отнести то, что он является локальным, за счет чего восстанавливается модель, наиболее близкая к реальной. Важным параметром является разрешение ОЯШ-модели (размер шага сетки). В качестве оптимального рекомендуется задавать шаг сетки, соответствующий среднему расстоянию между горизонталями на исходной карте.

После построения ЦМР выполняется оценка качества модели. Использование ГИС обеспечивает получение больших массивов информации о рельефе при малой затратной трудоемкости, но, в то же время, это не всегда гарантирует необходимое качество построенной модели. Поэтому в качестве дополнительной информации для построения ЦМР предлагается использовать построенную векторную карту потоков (морфоизографов). Ее изображение, совмещенное с ЗО-моделью рельефа, позволяет выявить неоднозначные места отображения земной поверхности и набрать дополнительные точки для корректировки модели.

После оценки качества построенной ЦМР выполняется операция по формированию производных геоинформационных слоев, выявляющих морфомет-рические особенности территории. На первом этапе осуществляется обобщенный анализ территории, определяются характеристики, которые могут быть получены непосредственно по ЦМР, в частности, статистические показатели распределения высоты, процентное распределение крутизны и освещенности склонов. Статистический анализ позволяет выделить участки, аналогичные по характеристикам (средним высотам и углам наклона).

Следующий этап - дискретизация земной поверхности по данным о ее кривизне, дифференциация форм поверхности, подчеркивающих изменения на-

правленности и скорости потоков вещества. Реализация этапа осуществляется в ГИС ЭКО по данным Опё-модели, экспортированной из ГИС «Панорама». Результатом являются геоинформационные слои, показывающие распределение морфометрических показателей, их последовательное сравнение позволяет выявлять формы рельефа, характеризующие возможные направления и интенсивность потоков при поверхностном стоке. Полученная информация дает возможность определить индекс экологической значимости рельефа и отобразить результаты в виде отдельного тематического слоя.

Таким образом, разработанные научно-методические основы морфометри-ческого анализа рельефа и технологические решения для их реализации средствами ГИС позволяют оценить влияние рельефа на формирование экологических условий.

В третьем разделе приведены результаты морфометрического анализа территории г. Новосибирска и его окрестностей.

Границы исследуемой территории выбирались исходя из следующих соображений. Новосибирск достиг урбанистических размеров на Приобском плато в долинах рек Обь и Иня, включая малые реки: Ельцовка-1, Ельцовка-2, Каменка, Камышенка, Плющиха, Нижняя Ельцовка, Тула. В пределах водосборов малых рек действует целый ряд факторов, способствующих формированию негативной экологической ситуации в городе, поэтому анализировалась не только территория города, но и ее окрестности, включающие водосборные бассейны малых рек.

Экспериментальные исследования выполнялись средствами ГИС «Карта» (ЗАО «Панорама»). В качестве исходных данных использовались данные БЯТМ и литооттиски топографических карт масштаба 1 : 25 ООО территории в черте города с отображением рельефа горизонталями с высотой сечения рельефа 2,5 м. На окрестности г. Новосибирска были оцифрованы карты масштаба 1 : 100 ООО. Общая площадь оцифрованных карт территории составила порядка 20 тыс. км2. После формирования матрицы высот и визуальной оценки модели, отображенной в виде трехмерной земной поверхности, в интерактивном режиме строи-

лись морфоизографы, подчеркивающие систему сети тальвегов и направление скатов по главным уклонам водоразделов. Кроме того, дополнительно набирались топологически согласованные высотные отметки в характерных точках рельефа. Окончательная матрица высот строилась с учетом всех данных, что обеспечило создание адекватной цифровой модели земной поверхности. Оценка точности построения ЦМР осуществлялась по разностям абсолютных высот точек (А2), выбираемых случайно из расчета 3-4 точки на 1 км2. Общее число выборки Д2 составило 1 843 точки. Средняя погрешность между подписанными на карте и вычисленными значениями высот по ЦМР составила 0,5 м.

ЦМР, построенная по данным БЯТМ, приведена в диссертации. Она дает общее представление о рельефе г. Новосибирска и его окрестностей. Детальный пространственный анализ и построение морфоизограф позволило выделить потоковые структуры, распределение которых в правобережной части города показано на рисунке 3.

Кумулятивные частоты

87.6 152.4 300

Высота

Рисунок 3 - Потоковые структуры на территории г. Новосибирска и его окрестностей

Потоки имеют свою начальную точку - самую высокую точку потока в структуре всего бассейна стока в окрестностях г. Новосибирска (в пределах Сокурской возвышенности). Аттрактором для этих потоков является местный базис эрозии - место впадения малых рек в Обь.

Анализ ЦМР и гистограммы распределения высот в пределах города и его окрестностей позволил выделить в рельефе три основных высотных интервала: от 90 до 150 м, от 150 до 220 м и от 220 до 280 м. При этом максимальная отметка 278 м относится к точкам в окрестностях города (Сокурская возвышенность), а минимальная - 89,5 м - к точкам, принадлежащим урезу реки Обь, средняя высота составляет 152 м. По ЦМР построены модели крутизны, экспозиции склонов, горизонтальной и вертикальной кривизны.

Совместный анализ данных о распределении горизонтальной и вертикальной кривизны позволил выделить структурные элементы рельефа, определяющие направление и скорость потоков вещества. Распределение форм рельефа на территории г. Новосибирска и его окрестностей показано на рисунке 4. В процентном отношении участки накопления (депрессии) и рассеяния вещества (холмы) поверхностными процессами имеют меньшее значение в сравнении с функциями транзита вещества. Если отдельно рассматривать левобережную и правобережную части города, то наблюдается существенная разница. В первом случае почти повсеместно преобладают участки аккумуляции (kh < 0) за счет конвергенции потоков и их незначительной скорости. В правобережье водосборы малых рек относятся к категории транзитных, при преимущественной дивергенции потоков (kh > 0), с преобладанием поверхностных процессов рассеяния (всесторонне выпуклые формы), при этом распределение участков аккумуляции и сноса приблизительно одинаково.

35 % 30-

Рисунок 4 - Распределение форм рельефа

Для исследуемой территории вычислен Иэзр, он отображен в виде отдельного тематического слоя, на котором показаны диапазоны его значений и выделены зоны рассеяния, транзита и аккумуляции загрязняющих веществ. Обобщенная классификационная карта (уровень города) показана на рисунке 5.

- Гранина города

- Благоприятная

Щ -Относительно благоприятная (зона транзита) ЦЦ- Относительно неблагоприятная

| - Неблагоприятная (зона аккумуляции)

Рисунок 5 - Классификация городских земель по рельефу как фактору формирования экологических условий городской среды

Таким образом, проведен морфометрический анализ рельефа территории г. Новосибирска и его окрестностей средствами ГИС-технологий, получен комплекс геоинформационных моделей, характеризующих особенности рельефа исследуемой территории, включая слой, отображающий Иэзр.

В четвертом разделе представлены результаты исследований по выявлению пространственных закономерностей распространения загрязнений разных природных сред и функциональных зон на территории г. Новосибирска, предложена структура информационного обеспечения мониторинга городских земель с учетом особенностей рельефа.

Функциональное использование территории влияет на наличие источников загрязнения, соответственно, на поступление загрязняющих веществ в потоки, способствующие их распространению.

В работе выполнено исследование по выявлению закономерностей распространения загрязнений для земель разного функционального назначения. Для этого проанализировано расположение тех или иных объектов на фоне выделенных потоковых структур с учетом морфометрических характеристик рельефа.

Основные источники загрязняющих веществ на выделенных потоковых структурах на территории показаны на рисунке 6.

Х/''//-//\ - Промышленные зоны

Рисунок 6 - Пространственное распределение источников загрязнения на потоке

На рисунке 6 наиболее неблагоприятные места, с точки зрения формирования экологической обстановки, т. е. земельные участки, размещение на кото-

рых промышленных объектов способствует распространению загрязняющих веществ по значительной части территории города, выделены красным цветом.

Наибольшее влияние на формирование негативной экологической ситуации и на комфортность проживания оказывают промышленные объекты и полигонов твердых бытовых отходов (ТБО). Влияние одного из полигонов ТБО, который находится в зоне транзита загрязняющих веществ (ЗВ) представлено на рисунке 7.

Рисунок 7 - Расположение Гусинобродского полигона и направлений распространения загрязнений

Такое расположение полигона может способствовать попаданию загрязняющих веществ вместе с потоками в зоны жилых кварталов.

В диссертации приведены результаты исследования влияния рельефа на распространение атмосферных загрязнений и на загрязнения территорий школ г. Новосибирска. Таким образом, выполнен анализ земель разного функционального назначения города с учетом Иэзр. Выполненные исследования доказывают работоспособность разработанного научно-методического инструментария, что позволяет рекомендовать расширение состава показателей экологического состояния земель, дополняя структуру информационного обеспечения мониторинга городских земель результатами морфометрического анализа рельефа для выделения потенциально неблагоприятных зон с экологической точки зрения (рисунок 8).

Проведение государственного мониторинга

I Промышленная зона

_ ------------------

т

ш

Выбор ключевых участков

Рекреационная зона

. ,.. ! I Жилая зона |

Выбор репрезентативных точек проведения инструментального мошгторинга

' ^Дополнительные стационарные посты в зонах возможной аккумуляции ЗВ

Л ч —►

и

<и

к;

Я

«

О

Н

о

О о 1—►

Я

о

я

о

я Л ►

1=5

«Л

I—

1>

Н

Я

3

►

и охраной земель

ННвНМННН

Выделение участков с наибольшим техногенным воздействием для их охраны

Оценка эффективности использования земель

Корректировка кадастровой стоимости

Оценка комфортности проживания населения

Рисунок 8 - Структура информационного обеспечения мониторинга городских земель с учетом особенностей рельефа

Совмещение базовой геопространственной основы с информацией о сложившейся инфраструктуре городской территории с результатами морфометри-ческого анализа рельефа, полученными на основе использования специальных алгоритмов, позволяет получать разноплановую информацию о пространственных процессах распространения загрязняющих веществ. Эта информация важна для совершенствования организации инструментального мониторинга, поскольку позволяет повысить объективность экологической оценки земель за счет выбора репрезентативных ключевых участков и точек отбора проб, рационального размещения стационарных постов наблюдения за состоянием окружающей среды, а также расширяет возможности прогноза изменений компонентов природного комплекса при появлении или изменении техногенной нагрузки.

22

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной диссертационной работе решены поставленные задачи и достигнута основная цель исследования - разработаны научно-методические положения для анализа влияния рельефа городских земель на формирование экологических условий средствами ГИС.

Получены следующие основные результаты:

- выполнен анализ подходов к оценке качественного состояния земель населенных пунктов, который показал, что в нормативно-методических документах, регламентирующих оценочные работы, значимость рельефа отражена недостаточно;

— определены возможности практического использования методов морфо-метрического анализа рельефа, реализуемых средствами ГИС, в информационном обеспечении мониторинга городских земель;

- разработаны научно-методические положения для анализа рельефа средствами ГИС-технологий для учета влияния рельефа на формирование экологической обстановки городской среды и организации мониторинга земель, которые включают: базовые научно-методические положения, обоснование наиболее информативных морфометрических показателей и алгоритм вычисления индекса оценки экологической значимости рельефа, технологические решения для реализации морфометрического анализа рельефа средствами ГИС;

- осуществлена апробация разработанных научно-методических положений для территории г. Новосибирска и его окрестностей: проведен детальный морфометрический анализ рельефа, выделены потоковые структуры, транспортирующие и аккумулирующие загрязняющие вещества, выполнены исследования по выявлению закономерностей распространения загрязнений для объектов, расположенных в зонах разного функционального назначения;

— предложено дополнить информационное обеспечение мониторинга городских земель данными морфометрического анализа рельефа для выделения потенциально неблагоприятных зон, связанных с пространственными процессами распространения загрязняющих веществ;

- разработаны рекомендации по совершенствованию организации инструментального мониторинга, позволяющие повысить объективность экологической оценки земель за счет выбора репрезентативных ключевых участков и точек отбора проб, рационального размещения стационарных постов наблюдения за состоянием окружающей среды.

Использование выполненных разработок позволит повысить объективность оценки и прогноза состояния земель поселений.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Трубина, Л. К. Совершенствование мониторинга городских земель на основе учета особенностей рельефа [Текст] / Л. К. Трубина, Д. В. Панов // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2014. — № 4/С. - С. 157-161.

2 Трубина, Л. К. Некоторые аспекты учета экологической составляющей при мониторинге земель городских территорий [Текст] / Л. К. Трубина, Д. В. Панов // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2012. —№ 2/1. - С. 121—123.

3 Трубина, Л. К. Подходы к оценке экологического состояния кадастровых участков городских территорий [Текст] / Л. К. Трубина, Б. В. Селезнев, Д. В. Панов // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2012. - № 2/1. -С. 182-185.

4 Трубина, Л. К. Пространственная дифференциация городских земель на основе геоинформационного анализа рельефа [Текст] / Л. К. Трубина, Д. В. Ли-сицкий, Д. В. Панов // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2013. - № 4/С. -С. 149-152.

5 Трубина, Л. К. Пространственный анализ водосборов малых рек в окрестностях г. Новосибирска [Текст] / Л. К. Трубина, Д. В. Панов, Б. В. Селезнев, С. Ю. Рыгалова// ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т., 19-29 апреля 2011 г., Новосибирск. - Новосибирск : СГГА, 2011. -Т. 4.-С. 184-187.

6 Trubina, L. К. The Use of Digital Images for Data Acquisition in Realistic Forest Fires Modelling [Текст] / L. K. Trubina, D. V. Panov, O. A. Belenko // Erlu Warning and Crises/Disaster and Emergency Management. Resources: Proceedings of the International Workshop. 28-29 Apr. 2011 y. - Novosibirsk: SSGA, 2011. - 128 p.

7 Панов, Д. В. Анализ методик учета экологической компоненты в кадастре городских земель [Текст] / Д. В. Панов // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т., 10-20 апреля 2012 г., Новосибирск. - Новосибирск : СГГА, 2012. - Т. 2. - С. 171-175.

8 Панов, Д. В. Анализ пространственного загрязнения атмосферы транспортом с использованием 3D-модели городской территории [Текст] / Д. В. Панов, JI. А. Черновский // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т., 10-20 апреля 2012 г., Новосибирск. - Новосибирск : СГГА, 2012. -Т. 2.-С. 107-112.

9 Панов, Д. В. Использование геоинформационных технологий для оценки атмосферных загрязнений [Текст] / Д. В. Панов, А. А. Гусейнова // Материалы 50-й Междунар. науч. конф. «Студент и научно-технический прогресс»: информационные технологии / Новосиб. гос. ун-т. — Новосибирск, 2012. - С. 74.

10 Трубина, Л. К. Геоинформационный анализ форм рельефа для оценки земель г. Новосибирска [Текст] / Л. К. Трубина, Б. В. Селезнев, Д. В. Панов // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т., 15-26 апреля 2013 г., Новосибирск. - Новосибирск : СГГА, 2013. - Т. 2. - С. 54-58.

11 Панов, Д. В. Построение цифровой модели рельефа г. Новосибирска и его окрестностей с учетом потоковой структуры и пластики рельефа [Текст] / Д. В. Панов//Вестник СГГА.-2013.-Вып. 1 (21). - С. 61-65.