Мониторинг, как система для наблюдения, оценки и прогноза состояния окружающей среды, включает в себя два направления:

1. информационное;

2. управленческое.

Объединение этих направлений и управление строится на решениях, которые базируются на информации, получаемой с помощью аэрокосмических и наземных информационных служб. Обработка результатов экологических обследований территорий должна проводиться таким образом, чтобы обеспечить удобство пользования данными, возможность пополнения единой базы данных, а итоговые результаты должны объективно отражать состояние окружающей среды. Эффективная организация и анализ используемой информации возможны в рамках геоинформационных систем (ГИС).

Развитие визуальной интерпретации многомерных данных и ГИС-технологий связано, в частности, с тем, что человеку с его ограниченным трехмерным пространственным воображением сложно, а в большинстве случаев невозможно, анализировать и давать обобщенные оценки многомерным объектам.

Технология обработки информации в ГИС значительно шире, чем просто работа с базой данных. Она рассчитана также на проведение экспертных оценок, т.е. ГИС должна включать в свой состав экспертную систему. Данные, хранящиеся и обрабатываемые в ГИС, имеют не только пространственную, но и временную характеристику.

ГИС предполагают возможность интегральной обработки цифровых данных, имеющих разные типы представления и получаемых из различных источников: картографических, статистических результатов полевых исследований, материалов дистанционной съемки. Преимущества организации и хранения информации в ГИС - возможность оперативного представления информации на электронной карте, при этом пользователь может работать одновременно с картографической информацией и с базой данных (тематической информацией).

Применение ГИС позволяет проводить прогнозирование изменения состояния окружающей среды при изменении техногенной нагрузки на основе заданных моделей воздействия.

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 Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. М.,1998, 230с. .

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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:

ь набор операторов: =, <>, >, <, >=, <=, +, - , /и т.д.

ь набор функций: Abs (модуль), Area (площадь объекта), Perimetr (периметр объекта), Sin, Cos, Min, Max, Sum и т.д.

ь набор функций, позволяющих определить территориальную общность объектов, относящихся к разным тематическим слоям.

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.

По результатам анализа может быть получена сводная таблица плотности особей по типам биогеоценозов 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.

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.

экологический мониторинг географическая информационная

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, 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.

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 позволяет заносить 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.

III. Заключение