>>
На страницу "Библиография" >> На главную страницу сайта >>

Глава 3.
Методы сбора, хранения и обработки данных системного экологического мониторинга.

 

Наиболее рациональным и эффективным методом хранения и обработки данных мониторинга природных территориальных систем считается метод геоинформационного картографирования. В основе этого метода лежит использование специального программного обеспечения -геоинформационных систем (ГИС), предназначенных для сбора, хранения, обработки и визуализации пространственно-координированных данных, т.е. данных, имеющих определенную территориальную привязку. Поэтому метод геоинформационного картографирования изначально, по самой своей идее, адаптирован для обработки данных, относящихся к экосистемам, которые являются системами территориальными (Кошкаpев, Каpакин,1987; Цветков, 1998; Линник, 1990).

Принципиальной особенностью геоинформационных систем, адаптированных для анализа данных, собранных системными методами, является то, что они позволяют не только оптимизировать хранение и обработку результатов исследований, но и существенно повысить информационную и научную значимость первичных данных. Это достигается за счет того, что результаты полевых наблюдений, собранные порой без учета взаимодействия различных компонентов экосистемы, организуются и анализируются в самой геоинформационной системе определенным образом, позволяющим выявлять структуру ценотических связей организмов в экосистеме.

Информационные системы, с помощью которых можно эффективно накапливать и обрабатывать результаты экосистемных исследований, помимо базы данных, должны включать: (1) электронные карты с послойным разбиением изображений,(2) программы статистической и более сложной математической обработки данных,(3) систему построения прогностических моделей развития экосистем.

Компьютерные карты с послойным разбиением изображений. Карты должны отображать особенности геологической и тектонической истории данного района, его геоморфологию, структуру почвенного и растительного покрова, видовой состав, численность и распределение животных. В качестве основы для создания электронных карт используется результаты геологических, почвенных, ботанических и геоботанических, а также зоологических исследований, проводившихся в заповеднике и на сопредельных территориях. В дальнейшем необходимо проведение полевых исследований для уточнения легенды карт, определения взаимосвязи между различными компонентами природной среды, включение в легенды карт ключевых параметров, определяющих структуру и функционирование экосистем заповедника. Уточнение и детализация карт проводится по мере накопления фактических данных по различным компонентам неживой и живой природы.

Базы данных и аналитических программ. Необходимо провести поиск имеющихся или создать собственные программы базы данных и математического анализа результатов исследований, обеспечивающих проведение сложных статистических расчетов и определения показателей, характеризующих структуру и функционирование экосистем заповедника (например, программы «Статистика», «Биодив»).

Количественная графическая модель, характеризующая структуру биоценотических связей организмов в экосистемах заповедника. Уточнение и детализация модели проводится по мере накопления данных о взаимосвязи различных элементов природных сообществ. Программа должна обеспечивать возможность прогностического моделирования процессов и явлений, происходящих в экосистемах заповедника и сравнительного анализа данных полученных в других сообществах.

Принципы организации ГИС позволяют в определенной мере выявлять структуру природных сообществ на основе разрозненных данных по разным компонентам экосистем. Однако для эффективного изучения экосистемных связей и разработки адекватных методов сбора, хранения и обработки информации с помощью компьютерных программ необходимо использовать описанные выше системные методы сбора первичных данных. Постепенное накопление данных по различным компонентам экосистем заповедников позволит лучше понять структуру и функционирование природных сообществ, выявить ключевые ценотические связи организмов, разрабатывать научно-обоснованные методы охраны и управления природными ресурсами.

Технология создания геоинформационных систем
 

Набор современных программных продуктов для ГИС-картографирования весьма разнообразен. Среди наиболее популярных - системы ARC VIEW, MapInfo,GeoGraph/GeoDraw (разработка Института Географии РАН).

В общем виде такие системы предназначены, как уже отмечалось, для хранения пространственно-координированных данных, их элементарной обработки и визуального представления в виде карт. Решение более сложных задач, связанных, например, с построением прогностических моделей, требует использования дополнительных программных средств. В среде ArcView таким дополнительным средством является язык программирования Avenue, в MapInfo - MapBasic и т.д.

Наиболее общие принципы построения для большинства геоинформационных систем отличаются незначительно и в целом довольно просты.

Любой объект, изображаемый на географической карте, имеет две «составляющие»: он характеризуется, во-первых, своим географическим положением в определенной системе координат, и соответственно, геометрическими свойствами, во-вторых - набором тематических свойств, т.е. содержанием.

Основными графическими типами являются точка, линия и ареал (площадной объект) см. таблицу 3 и рисунок 9 .

Таблица 3. Типы графических объектов на карте

Графический тип объекта

Примеры

Способ задания

Метрические свойства

1

2

3

4

а) точечный

места встреч;
места взятия проб

пара координат (x;y)

------

б) линейный

река;
учетный маршрут

набор координат
(x0,y0)(x1,y1)...(x0,y0)

длина

в) площадной (ареал)

лесной массив;
водоем

 

площадь,
периметр

Рис. 9. Способы задания графических объектов разных типов.

Тематические характеристики могут быть разнообразными по типу. Основными наиболее часто используемыми типами являются строка, число (целое или десятичное), дата; могут также использоваться графические объекты и типы, имеющие свою внутреннюю структуру (табл. 4).

В практике геоинформационного картографирования принято разделять содержание карт на т.н. «тематические слои» (не аналогичные цветовым слоям традиционных карт). В тематический слой объединяются объекты одной природы (например, горизонтали, речная сеть, озера, дороги, лесные ареалы, места встреч с животными и т.п.).
«Хорошим тоном» при разработке ГИС считается не совмещать в одном слое объекты разных графических типов - линейные (реки), площадные (озера) и точечные (родники), а формировать для каждого из них отдельный слой. В ряде ГИС, например, в ArcView это является обязательным требованием.
Таким способом достигается возможность, комбинируя разные слои, получать карты различного содержания. Некоторые слои, такие как границы, гидросеть, как правило, присутствуют всегда; другие (рельеф, растительность, дорожная сеть) показываются лишь в некоторых случаях.

Таблица 4.Типы тематических характеристик графических объектов

Типы тематических характеристик объектов

Примеры

1

2

Cимвольная (текстовая строка), набор символов (character, string, text)

Название географического объекта; название вида встреченного животного; содержание наблюдения.

Целое число (integer, SmallInt и др.)

количество особей; возраст древостоя (лет)

Десятичное число (decimal, real)

плотность населения птиц в лесном массиве; сомкнутость крон деревьев

Дата (Date, специальный тип)

дата встречи с животным; дата последней проверки гоголятников

Графический объект или текст

рисунок (фотография), описание территории

При составлении пробной ГИС на территорию биосферного полигона заповедника «Пасвик» нами были создана компьютерная база данных (фрагмент ее дан в Приложении 3), в соответствии с которой сформированы следующие тематические слои: границы полигона, реки, озера, дороги и ЛЭП, рельеф, типы лесов. Для картирования данных о встречах с животнымисозданы тематические слои для каждого из видов. Примером послойного деления топографической карты может служить рис. 10. На рис. 11 приведена одна из возможных тематических карт - лесотаксационная.

Каждый тематический слой включает в себя набор графических объектов и, как правило, тематические свойства этих объектов. В простейшем случае тематические данные могут иметь вид двумерной таблицы. В каждом столбце находятся данные одного типа, характеризующие одно из свойств; каждая строка представляет набор данных, относящихся к общему графическому объекту.


 

Рис.10.Общий вид топографической карты (а)
и ее тематические слои (б, в, г).

 

Рис.11. Фрагмент лесотаксационной карты

Примером такой табличной структуры служит фрагмент бланка описания типа леса (табл. 5).

Таблица 5. Структура данных для описания типа леса

Тип леса

Средняя высота деревьев 1 яруса

Число деревьев 1 ярусав радиусе 10м

Число деревьев 2 яруса (подрост) в радиусе 10м

Сомкнутость крон, %

целое число

десятичное число

целое число

целое число

целое число

1

2

3

4

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание столбцов 2-5 составляют количественные данные измерений; но тип леса (столбец 1) является понятием качественным («сосняк-беломошник»). Для формализации этого свойства используют так называемые классификаторы - нумерованные списки всех возможных значений качественного параметра. Например, легенда карты лесов (рис.11) кодируется значениями от 0 (водоемы) до 7 (болота). В таблицу заносятся числовые значения, в легенде же дается их содержательная расшифровка. (Подобная система «кодирования» данных при помощи чисел носит название классификатора).

Системы анализа данных и построение прогностических моделей

Современные ГИС в большинстве представляют собой системы универсальные, предназначенные для решения любых задач, но не ориентированные на решение какой-либо конкретной задачи. В них содержатся потенциальные возможности для анализа данных любого содержания. Однако специальные тематические аналитические блоки должны быть разработаны «под конкретную задачу» программистом или квалифицированным пользователем.

Для этой цели в ГИС предусмотрены специальные средства двух уровней сложности - система запросов SQL и специальные языки программирования (Avenue в ArcView, Map Basic в MapInfo и т.п.). Система запросов осуществляет элементарные расчеты и выборки из базы данных. Она включает

  • набор операторов: =, <>, >, <, >=, <=, +, -, /и т.д.
  • набор функций: Abs (модуль), Area (площадь объекта), Perimetr (периметр объекта), Sin, Cos, Min, Max, Sum и т.д.
  • набор функций, позволяющих определить территориальную общность объектов, относящихся к разным тематическим слоям.

Так, например, для каждого ареала (например, для лесного выдела) можно рассчитать плотность популяции того или иного вида: если в столбце таблицы «КОЛИЧЕСТВО» зафиксировано количество особей, то плотность рассчитывается по формуле

КОЛИЧЕСТВО /Area(Obj) (Obj - объект - точка, линия или контур).

Может быть определен ареал с наибольшей плотностью -

Max (КОЛИЧЕСТВО / Area(Obj)).

Возможен анализ не индивидуальных выделов, а типов - например, всех сосняков-беломошников. Для этого суммируется количество особей, встреченных в лесах этого типа: Summ(КОЛИЧЕСТВО) при условии ТИП_ТЕРРИТОРИИ=2.

Более сложные и точные модели, использующие приемы дифференциального и интегрального исчисления, которые позволяют проводить анализ биоценотических связей организмов, следует разрабатывать в специальных программных средах - MapBasic, Avenue и др.

Так на основе анализа численности популяции в разновозрастных биогеоценозах может быть составлена прогностическая модель численности и территориального распределения видов. Основой для этого будут служить два тематических слоя: карта типов биогеоценозов (с указанием возраста) и карта количества встреченных особей (рис. 12).

Рис.12. Тематические слои типов лесов и количества встреченных особей.

По результатам анализа может быть получена сводная таблица плотности особей по типам биогеоценозов (табл. 6) или график зависимости ПЛОТНОСТИ ПОПУЛЯЦИИ ОТ ВОЗРАСТА (как для случая естественного возобновления, так и для случая искусственных насаждений). В дальнейшем, используя построенную модель, можно прогнозировать влияние антропогенных воздействий на экосистемы (например, вырубок, или посадок молодняка) на численность того или иного вида, а также изменения численности во времени как результат сукцессионных изменений экосистемы.

Таблица 6. Система данных для прогнозирования численности видов

 

Название

Возраст, лет

Общая площадь

Кол-во особей

Плотность особей

молодняки хвойные

25-30

S1

Z1

R1

сосняки старые

70-80

S2

Z2

R2

..............

 

 

 

 

 


Специфические особенности ГИС для заповедников
 

В практике заповедного дела значительная часть получаемой информации в принципе относится именно к типу пространственно-координированных данных - это данные встреч с животными,данные маршрутных учетов и другие, не говоря о собственно картографических материалах.

Однако появившееся новое техническое средство необходимо применять в работе заповедников не просто потому, что оно существует. В российских заповедниках в течение десятилетий был собран огромный и ценнейший объем информации, который сегодня является мертвым грузом и практически недоступен для использования. Создание на этой основе компьютерной базы данных, в особенности - картографической системы - это способ сделать собранные данные доступными для научного анализа.

Фактически до настоящего времени сбор данных в заповедниках носит «неформальный» характер - система учета часто не имеет четкой структуры, временная и пространственная привязка данных могут быть даны качественно (например, «в районе г.Йиваара», «вечером 18 октября» и т.п.), что делает весьма трудной их автоматизированную обработку.

Переход к использованию ГИС-технологий не требует вносить практически никаких изменений в содержание наблюдений, но форма их фиксации должна стать качественно иной, значительно более жесткой. Так, при заполнении карточек встреч с животными, может быть использована табличная структура данных (табл. 7), и одновременно место встречи должно фиксироваться на карте (топографической, ландшафтной или иной) индивидуальным кодом для последующего внесения в базу данных.

Таблица 7. Структура данных учета встреч с животными

Код

 

Семейство

Вид

Дата встречи

Время

Кол-во особей

Содержание наблюдения

1

2

3

4

5

6

7

Л7

Копытные

Лось

14.10.98

17.00

1

Крупный, без рогов

Л8

 

Лось

18.10.98

10.15

1

Свежий след

Использование табличных структур организационно очень выгодно, т.к. не позволяет наблюдателю оставлять в таблице «пустые места». Таким образом удовлетворяется требование полноты собираемых данных. С другой стороны, при подобном способе учета формируется система данных унифицированной структуры, что позволяетзаносить данные в компьютер и делает возможным не только хранение, но также алгоритмическую обработку собираемых данных.

Аналогичная структура данных, адаптированная для компьютерной обработки, может быть определена и для результатов маршрутных учетов. В этом случае также могут быть разработаны алгоритмы экстраполяции этих данных на всю территорию с последующим отображением на карте.

При разработке ГИС на территорию заповедников в качестве основы может быть использована топографическая карта М1:200 000 (в 1см 2км) как наиболее крупномасштабная из карт, открытых ныне для свободного использования. Карты эти составлены в поперечной цилиндрической проекции Гаусса-Крюгера и характеризуются минимальными искажениями. Однако горизонтали на них проведены через 20м, и поэтому такие карты позволяют составить представление лишь о наиболее крупных формах рельефа территории.

Перевод содержания топографической карты в электронную форму (процесс, называемый векторизацией) производится послойно, как об этом уже говорилось выше.

Следующим шагом создания ГИС должен быть перевод в электронную форму всех составленных на территорию заповедника тематических карт - геологической, геоморфологической, ландшафтной, геоботанической и др. Огромную трудность представляет то, что большинство этих карт не привязаны жестко к топографической основе и, по существу, являются картосхемами: очертания гидросети на них очень часто не соответствуют топографической карте и другим тематическим картам, имеются значительные искажения длин и площадей и т.п. В связи с этим обязательным этапом, предваряющим ввод данных в компьютер, должно стать приведение всех тематических карт к единой топографической основе. Оно может производиться методом локального совмещения существующей тематической карты с распечаткой оцифрованной топографической карты (например, через светостол). Ориентирами здесь могут служить наиболее точно изображенные реки, озера, дороги и пр. При этом масштаб топографической карты увеличивается или уменьшается до масштаба тематической карты. В результате такой операции получается серия карт, приведенных к единой основе и пригодных для перевода в электронный вид.

Впоследствии все тематические карты путем автоматического увеличения или уменьшения могут быть приведены к единому масштабу, в результате чего будет создан «электронный атлас» заповедника.

Картографирование результатов учетов птиц и других животных - следующий этап создания ГИС. Для этой цели создаются тематические слои отдельно по каждому виду животных или птиц. Это позволяет рассматривать территориальное размещение каждого вида в отдельности, но при необходимости группировать виды по тем или иным признакам. По своему графическому типу объект «встреча с животным» является точечным, однако в ряде случаев может быть зафиксировано направление движения, которое выражается направленным отрезком. Наибольший интерес в данном случае представляет возможность получения карт распределения популяции по территории, в том числе - получение серии карт за разные годы наблюдения.

Таким образом, основные этапы системного исследования включают сбор данных по определенной схеме, предполагающей выявление иерархических биоценотических связей, фиксирование этих данных в табличной или другой заданной форме, создание на их основе компьютерной базы данных и их дальнейшее использование для построения электронных карт, разработки прогностических моделей. Попытка практического решения этой задачи представлена в данной работе. На примере нескольких модельных видов и экосистем прослежен путь от изучения поведения и экологии птиц и среды их обитания до создания базы данных, пригодной для системного анализа структуры природных сообществ, организации и проведения экологического мониторинга в заповеднике «Пасвик».

 

 

 


sape:
linkfeed:
mainlinks: http://www.sssamara.ru/ - кольца жб Самара.|ремонт сололифта, ремонт насосов sololift