Спектрозональная дистанционная основа в картографических геоэкологических проектах: структура материала, проблематика, частные задачи

НА ГЛАВНУЮ

Мовчан Игорь Борисович,

кандидат геолого-минералогических наук, доцент,

Муравьева Вероника Александровна,

магистр 2-го года обучения.

Санкт-Петербургский государственный горный университет.

Постановка задачи

Согласно традиционным представлениям, ГИС-система представляет многослойную картографическую базу данных, объединенную в рамках реперных объектов и единой координатной системы, а также корреляционных элементов между парами слоев. Последние составлены разнородными признаками, характеристическими в смысле описания состояния экосистемы, обладающими некоторым пространственным распределением и, возможно, ненулевой временной динамикой. Многослойность ГИС-системы ориентирована на решение двух основных задач: поиск линейных корреляций между разнородными признаками и распознавание образов. При этом значимым моментом можно назвать отнесение результатов ГИС-проекта к конкретным особенностям дневного рельефа и группам антропогенных объектов. В условиях нарастающей антропогенной нагрузки и формирования природно-технической геосистемы рельеф дневной поверхности, инженерные сооружения, ландшафт в целом характеризуются выраженной нестационарностью, особенности которой могут быть функционально связаны с особенностями нестационарности разнородных характеристических признаков. В описании площадного распределения последних могут возникать сложности, обусловленные, во-первых, непредставительностью выборки или наличием значимых пространственных разрывов в ней, во-вторых, неравномерным распределением по площади измерительных пикетов, что приводит к разной достоверности многослойной картографической системы на разных участках оцениваемого полигона. В рамках отмеченной специфики элементов ГИС-систем можно говорить о следующих вариантах применения в их структуре космоснимков (КС) (Зимов, Мовчан, 2010):

1. Создание детальной базовой картографической основы с переводом в векторную форму транспортных магистралей, промышленных объектов и населенных пунктов.

2. Цветовое деление космического образа полигона, дающее первичное районирование по степени антропогенного воздействия, с разработкой балльной шкалы.

3. Разработка интегральных параметров временной динамики ландшафта при сопоставлении разногодичных космообразов одной и той же территории.

4. Оценка влияния элементов дневного рельефа, нелинейной геометрии водотока, зон застройки на распространение вредных веществ в сбросах и выбросах.

Актуальность задачи

Несмотря на свою наглядность, космоснимки обладают сложным пространственным рисунком, требующим разработки адекватных методов интерпретации. Отмеченные сложность и адекватность определяются двойственным характером спектрозональных КС: с одной стороны, при космических съемках фиксируются исключительно приповерхностные объекты, с другой, - разномасштабным приповерхностным объектам свойственна иерархия, большая часть закономерностей в которой связана с глубинными процессами, например, многоуровенной изостатической компенсацией. Мониторинг текущего состояния природно-технической геосистемы (здесь – пространственный мониторинг), равно как и оценка ее временной динамики, могут быть выполнены достоверно лишь с учетом структуры спектрозональных КС (космоснимков): прочие результаты инструментальных измерений обладают большей пространственной дискретностью, менее строгой координатной привязкой. Наконец, общее представление о ГИС-системе сведено к представлению об электронном атласе, позволяющем создать тематическую карту стандартного формата с учетом требований наибольшей информативности и одновременного предотвращения смысловой перегрузки. Вместе с тем, тривиальное картографирование не решает задачу прогноза динамики экосистем – основную задачу инженерной экологии.

Новизна задачи

Традиционно ГИС-проект, развиваемый в одной из общепринятых программных оболочек (MapInfo, ER Mapper, ArcInfo, ER Das, IDRISI, ГИС Парк), использует в качестве картографической основы векторную карту, на которую накладываются результаты натурных измерений. Исключение составляют ряд специализированных ГИС-систем (ER Mapper – обработка и систематика геофизических данных, IDRISI и ER-Das – увязка, цветовое деление, фильтрация и дешифрирование космоснимков), где возможно векторную карту накладывать на обработанную космооснову. Большая часть содержательных процедур ограничивается техническим оформлением: взаимная увязка, организация легенды и выводного формата, оптимизация информационной нагрузки. Параметризация пространственной и временной динамики космоснимков, их комплексирование с модельными, в том числе, прогностическими оценками состояния окружающей среды решается за пределами ГИС-систем на основе неинтегрируемых в их оболочку программных продуктов: Эколог, FemLab, GeoSlope и т.д.

Опыт применения КС в экологических ГИС-проектах

Опыт накоплен при работе преимущественно по платформенным районам: север Западно-Сибирского осадочного бассейна в окрестности г. Новый Уренгой, юго-восток Западно-Сибирской платформы в пределах Кемеровской области, Кольский п-ов (щит на северо-западе Русской платформы) в пределах Хибинского щелочного комплекса, запад Восточно-Европейской платформы в переходной зоне от Московской синеклизы к Карельскому щиту (Ленинградская область). Во всех перечисленных случаях основной причиной применения спектрозональных КС был дефицит данных по площадным исследованиям параметров состояния окружающей среды. На первом этапе 3-й и 4-й спектральные каналы применялись для реализации помасштабных срезов по районам, содержащим источники сбросов и выбросов. На втором этапе комбинацией 7-го, 4-го и 2-го спектральных каналов (зелено-красно-сиреневая балльная шкала) или 6-го, 3-го и 1-го спектральных каналов (зелено-бежевая балльная шкала) достигнуто первичное районирование полигона посредством элементарного цветового деления итогового космообраза. Экологическая информативность подобного районирования в платформенных условиях продемонстрирована в работе И.И. Мазура (2001 г.) на примере района г. Новый Уренгой. Физически достоверность такого районирования в смысле выделения антропогенно перегруженных районов определяется двумя факторами: участием в цветовом делении инфракрасного канала и принципиальным отличием рисунка фотообраза в окрестности инженерных сооружений и возделываемых земель от рисунка фотообраза естественного или мало измененного ландшафта. Поскольку существует возможность пересчета поля яркости спектрозональных КС в поле температур (В.М.Лопатин, Гос.Гис-центр, Красноярск, 2005) и прямая корреляция сине-сиреневых тонов с повышенной яркостью изображений в инфракрасных каналах, то возможно допустить маркирование в разной степени антропогенно измененных территорий ИК (инфракрасными) аномалиями различной интенсивности. Выделение ряда антропогенных объектов по специфическому рисунку и повышенному ИК-фону, деградация в их окрестности автотрофных экосистем допускает возможность картирования по КС основных источников вторичных ореолов рассеяния агрессивных геохимических элементов.

На третьем этапе обработки реализовано сопоставление разногодичных космообразов. Алгоритмическую основу процедуры составил расчет Фурье-спектра, физически представляющего дифракционный спектр квазипериодических структур в разной степени преобразованного ландшафта. Детерминированное соотношение по простиранию дифракционных гармоник в частотной плоскости и определяющих их структур в плоскости предметной позволяет по Фурье-спектру реконструировать роз-диаграмму доминирующих простираний отмеченных выше структур. Сопоставление разногодичных роз-диаграмм позволяет определить наличие поступательной и ротационной динамики доминирующих форм ландшафта, представленных, главным образом, дневным рельефом, гидросетью, различными формами растительности, возделываемыми землями, транспортными сетями и прочими наземными инженерными сооружениями. Значимая временная динамика реконструируемых роз-диаграмм физически объяснима, во-первых, ростом техногенной нагрузки на земельные и лесные ресурсы, во-вторых, новейшей активизацией геологической трещиноватости, в третьих, эрозионными процессами. Для значимого влияния указанных доминирующих факторов на космообраз региона небходим оценочный интервал порядка 10 лет, который был реализован в сформированной базе космографических данных по ряду объектов.

Набор интегральных параметров, характеризующих структуру космообраза, может быть дополнен линеаментными представлениями, образом эллипсоида деформации, оценкой площадей земель, вовлеченных в техногенез. Линеамент, проводимый по одноориентированным разнородным формам ландшафта (элементы дневного рельефа, гидросети, смена форм растительности, полутоновые перепады, связанные, в том числе, с вещественным составом приповерхностных породных комплексов) маркирует дизъюнктив, часто активизированный в новейшее время. При наличии детерминированных сдвиговых смещений по двум дизъюнктивам, пересекающихся под углом, приблизительно равным 60⁰, можно попытаться восстановить эллипсоид деформации. Последний, как модель, содержит в качестве одного из структурных элементов указанные дизъюнктивы, обладающие детерминированным пространственным соотношением с нормальными воздействиями сжатия-растяжения. Модель эллипсоида деформаций позволяет качественно оценить процентную долю площадей, затронутых новейшей активизацией и вынести решение о наличии определенной степени экологической напряженности в регионе. Дополнительная оценка площадей земель, вовлеченных в антропогенную переработку, опирается на два критерия: кусочно-гладкий (в т.ч. шашечнообразный) рисунок возделываемых территорий, маркированных повышенной яркостью в ИК-каналах (5-м - 7-м) и розово-сиреневыми тонами согласно балльной шкале антропогенной нагрузки. Автоматизированный подсчет числа элементарных кластеров, занятых указанными характеристическими признаками, осуществляется в пределах заданной административной единицы Российской Федерации (область, округ и т.д.), поскольку принятие решений о снижении техногенной нагрузки является не академическим вопросом, а следствием ряда правовых актов. Выполнив такой подсчет хотя бы по двум разногодичным космообразам, возможно восстановить линейный тренд, качественно демонстрирующий факт нарастания, стабилизации или спада техногенной нагрузки, что оказывается существенным в условиях явного экологического неблагополучия региона, определяемого иными данными (показатели заболеваемости, степень загрязненности воздуха и водотоков).

На последнем этапе космообраз полигона работ служит основой, на которую с учетом реальных геометрии гидросети и особенностей дневного рельефа наносятся результаты моделирования распространения загрязнений, выполненного по апробированным, в том числе, ГОСТированным методикам. Наиболее простым примером может послужить наложение результатов модельных расчетов, реализованных в «Эколог-3.0», в форме карт линий равных концентраций вредного вещества, на источники выбросов с учетом истинных пространственных соотношений источников, а также производственные объекты, заселенные районы и лесопосадки. Характеристика объектов, закрываемых шлейфом вредных веществ с концентрациями, превышающими ПДК, определяет актуальность ряда природоохранных мероприятий, связанных с заменой или модернизацией элементов воздухоочистных сооружений. Другой пример относится к моделированию распространения вредных веществ в условиях нелинейной геометрии водотока. Базовый алгоритм здесь представлен стандартной методикой расчета разбавления этих веществ, аппроксимирующей эффект разбавления полусуммой концентраций вредного вещества, взятых из соседних ячеек прямоугольной сети, заполняющей латеральное сечение водотока от нулевого до контрольного створа. Основной недостаток такого подхода состоит в рассмотрении лишь прямолинейного участка водотока, без учета рельефа береговой линии и профиля скоростей. Тем не менее, данный алгоритм позволяет сформулировать граничные условия, описывающие закономерность убывания концентрации вредного вещества вдоль береговой линии, к которой принадлежит источник сброса. Полагая значения этих концентраций на противоположном берегу близкими к фоновым и задавая распределение концентраций вдоль линии нулевого створа, задачу дополняем численным решением уравнения диффузии. При этом космический снимок служит основой для переноса истинной геометрии водотока в расчетную модель. Очевидно, что модель диффузии не учитывает структуры водотока – формирования в нем областей турбулентности и застойных областей. В этой части алгоритм усовершенствован численным расчетом течения несжимаемой жидкости с учетом сложного рельефа береговых линий, обтекания препятствий, наличия притоков. В качестве граничных условий здесь задается избыточное давление на различных створах и нулевая скорость течения жидкости в точках береговой линии, а в качестве основных уравнений - уравнение неразрывности и уравнение движения. Космический снимок на данном этапе позволяет выполнить верфикацию значимости выявленных при моделировании застойных участков водотока в смысле накопления загрязнений: в результате цветового деления отчетливо выделяются зацветающие участки поверхностных водотоков, а в ряде случаев - деградация автотрофных экосистем.

Стандартное применение космоснимков в качестве основы для привязки измерительных пикетов и создания векторной ситуационной схемы позволяет организовать на основе любой из перечисленных ГИС-систем аналитическую поддержку инструментального мониторинга. В представленном примере рассматривается временная динамика радиационного фона, измеряемого в течение полугода на промплощадке предприятия и обусловленного рассеянием активной пыли. Актуальность выявления закономерностей в указанной динамике, согласно космообразу полигона, определяется весьма редкой растительностью, несоблюдением требований по санитарно-защитной зоне, близость к жилым районам и детским учреждениям. Интегрированием в ГИС-проект авторских подпрограмм позволило создать динамическую картину, отображающую области повышенной нестационарности радиационного фона, обусловленные, главным образом, сдуванием активной пыли; области устойчивого максимума или минимума, связанные с огранизацией могильников и областями дезактивации, соответственно. В целом система, ограниченная по периметру достаточно высокими производственными зданиями и забором, может быть рассмотрена как система с ограниченными латеральными размерами. Выраженная временная нестационарность радиационного фона принимается в качестве признака неравновесия этой системы. Поступление активной пыли и ее взаимодействие с ветровыми потоками может представляться как наличие внутренних источников и внешних стоков вещества неравновесной системы. Представления синергетики, согласно которым динамика такой системы подчиняется автоволновым законам (Петров О.В., 2007), позволяют сформировать систему аналитических аппроксимаций натурных измерений:

где величина определяется количеством подбираемых трендов и остаточных составляющих сигнала, - подбираемые численные константы, - величина радиационного фона как функция времени для отдельного измерительного пикета. Возможность полиномиальной аппроксимации полученных карт изолиний ( - степень полинома, - подбираемые численные константы, - координаты измерительных пикетов) допускает применение приведенной выше временной зависимости к аппроксимации численных коэффициентов полинома. Как следствие, оказывается возможным давать достоверный прогноз динамики таких систем, который, согласно общим представлениям, распространяется на временной интервал, не превышающий половины от интервала натурных наблюдений.

Выводы и перспективы

Интегрирование в ГИС-проект космического образа полигона как стандартного элемента позволяет не только повысить наглядность проекта, но также ввести ряд формальных процедур и параметров от элементарного цветоделения до линеаментных представлений и комплексирования с модельными расчетами, позволяющими выполнить достоверную оценку ущерба, наносимого экосистеме техногенным воздействием определенной специализации. Аналитическое развитие допускает на основе Фурье-представлений, линейных, полиномиальных и ряда нелинейных аналитических аппроксимаций осуществление прогноза динамики природно-технической геосистемы, оценку степени экологической напряженности в регионе. Разработанная система требует усовершенствования количественных оценок структуры космообраза, например, связанных с унифицированной методикой пересчета полутонового поля в поле температур.

Литература

1. Мазур И.И., Молдаванов О.И. Курс инженерной экологии/ М.: Высш.шк., – 2001. – 501 С.

2. Петров О.В. Диссипативные структуры Земли как проявление фундаментальных волновых свойств материи / СПб.: Изд-во ВСЕГЕИ. – 2007. – 304 С.

3. Зимов А.А., Мовчан И.Б. Геологическая съемка, поиск и разведка рудных месторождений по ретроспективным и современным материалам дистанционного зондирования. Принципы, исходные данные, технология, практика/ Екатеринбург. Выставка «Горное дело: технологии, оборудование, спецтехника». Информационный ресурс: http://www.tech-2000.ru/seminar/prog-ks.htm – 2010.

Поступила в редакцию 19.10.2011 г.