Обзорные лекции по курсу ПОУООС. Лекции по курсу Управление охраной окружающей среды
 Скачать 0.92 Mb.
| Образовательный портал Как узнать результаты егэ Стихи про летний лагерь 3агадки для детей |
ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ГИС, геоинформатика, их связь с другими науками и производством Географические информационные системы (ГИС), являются частью геоинформатики, науки, которая основывается на экологии, географии, картографии, информатике, теории информационных систем, вычислительной технике и программировании, а также на общенаучных дисциплинах и методах познания окружающей среды. Существует более 40 определений понятия ГИС, среди которых самое простое (хотя и ненаучное) - это "советующая компьютерно-картографическая система". Одним из научных определений является следующее. ГИС - это проблемно-ориентированная вычислительная интерактивная система обработки пространственно-распределенной информации, включающая средства сбора, преобразования, хранения и представления картографической информации, для выработки управленческих решений в области природопользования и охраны ОС. Функции ГИС вытекают из четырех решаемых технологических задач: - сбор данных об окружающей природной среде и ее состоянии; - передача, тематическая обработка и организация хранения Данных; - обеспечение моделирования и анализа данных в пределах обоснованных масштабов карт и временных рядов наблюдений; - выработка рекомендованных решений на основе анализа смыслового ряда информации: «наблюдение-измерение-описание-объяснение-предсказание-решение» как основного набора функций ГИС. Геоинформационная система - это технологическое отражение науки геоинформатики. Ее специфика заключается в том, что каждая реальная ГИС организуется для управления информацией, описывающей пространство, т.е. картографической и другой информации, изображающей состояния окружающей природной среды в привязке к её географическим характеристикам. Существует несколько видов задач, успешно решаемых ГИС. Для них может быть предложена следующая классификация: - пространственная, при которой задачи подразделяются на локальные (источники загрязнения), региональные (крупный город или географический регион), глобальные (территориальный природно-хозяйственный комплекс - например, Приморье, Верхневолжский регион, Москва, или территория России); - по времени, когда задачи могут быть подразделены на оперативные - только "сегодняшние" (наблюдение за конкретным разовым выбросом и подготовка данных для выработки прогноза распространения загрязнения в реальном масштабе времени), режимные -опирающиеся на длительные наблюдения "не только сегодняшнего дня" (обеспечивают систематический мониторинг и прогноз состояния длительно существующего объекта: реки, лесного массива, городского района и т.д.), прогностические - дающие "будущую" информацию об объекте, в т.ч. и пока не существующем (оценка и прогноз развития планируемого или предсказываемого состояния природного или создаваемого искусственно объекта); - организационно-практическая, т.е. когда задачи подразделяются на кадастровые (земельный кадастр, кадастр ледников и т.д.), информационно-справочные (библиографические, этнографические и др.), научно-исследовательские и др. Операционные возможности ГИС определяются минимальным набором критериев, позволяющих идентифицировать систему координат трехмерного пространства, обеспечивать территориальный охват и связанный с ним функционально масштаб (или пространственное разрешение), предметную область информационного моделирования, системы сбора информации и ее вывода. Таким образом, геоинформационная система (ГИС) является картографической вычислительной системой, создаваемой для решения задач в области исследования, охраны и регулирования параметров окружающей природной среды, состоящей из подсистем сбора, обработки, хранения и выдачи информации в виде тематических карт и других изображений. Вывод и визуализация данных. Результаты обработки данных должны неминуемо трансформироваться в документ, воспринимаемый человеком. Технические и программные средства ГИС обычно включают широкий набор средств вывода данных, включая их картографическую визуализацию как наиболее технологически сложный вид окончательной или промежуточной документации. К таким документам принадлежат табличные, графические и картографические материалы. Два последних типа материалов требуют достаточно развитых технических устройств, обслуживающих эти функции. К ним относятся средства машинной графики общего назначения, средства программной поддержки их работы. Для визуализации данных, прежде всего в картографической форме, используются специальные технические средства: графопостроители для пассивной машинной графики и дисплеи для интерактивной (с непосредственным участием человека) графики. При выборе средств визуализации следует обращать внимание на некоторые основные характеристики этих устройств: максимальный размер листа карты, который может выдать устройство; точность нанесения картографических знаков и разрешение прибора; возможности цветовой гаммы (количество оттенков передаваемых цветов); возможности работы с разнообразными материалами (бумага, пластик, фотооснова, металдооснова и т.д.); скорость выдачи копий (при параллельной и последовательной распечатке); программное обеспечение устройства для генерации воспроизведения и другие характеристики. При обсуждении технических средств визуализации данных ГИС возникает вопрос о методах визуализации данных. Эта проблема Может быть отнесена скорее к идеологии чистой картографии, чем к Идеологии ГИС. Методы работы с геоинформацией обеспечивают реализацию целей, в то время как ГИС есть средство, сложное, хоро- организованное, но средство, и не более того. Для общего понимания эколого-географической специализации ГИС приведем перечень ее базовых информационных модулей: - цифровая карта-основа по намеченному масштабному ряду; - цифровые модели высот местности, гидросети, населенных пунктов, транспортной сети, административно-территориального деления; - база данных использования земель - с/х, лесохозяйственные, лесопромышленные, иные формы использования, земли с особым режимом, водохозяйственные; - население - реестр населенных пунктов, демографическая база данных; - база данных объектов и предприятий, их реестр, паспорта; - база данных экологического состояния территории - природные ресурсы, состояние земель, лесных ресурсов, водных ресурсов, недр, рекреационных ресурсов, селитебных территорий; - база данных экологического состояния природной среды - качественное состояние поверхностных вод, подземных вод, атмосферы, радиационный и шумовой режим, состояние стабилизирующих элементов. В настоящее время в России ведутся работы по созданию геоинформационных систем на всех уровнях управления природопользованием от местного до федерального, а также по отдельным отраслям природопользования и компонентам окружающей среды. Их отличия заключаются в степени "генерализации" (обобщения) информации, содержащейся в базах данных, а также в характере конкретно решаемых задач. По степени использования технологии ГИС в управлении Россия отстала от экономически развитых стран Запада по разным оценкам на 15-20 лет. Однако развитие данного направления является прогрессивным, требующим ускорения, которое прогнозируется с высокой долей вероятности. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ АНТРОПОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ Слово модель восходит к латинскому «модус», которое раскрывало такие понятия, как мера, ритм, гармония. По мнению Н.Ф. Реймерса, модель -- это "физическое (вещественно-натурное) или знаковое (математическое, логическое) подобие (обычно упрощенное) реального объекта, явления или процесса" или "схема, изображение или описание какого-либо явления или процесса в природе и обществе", а моделирование - "метод исследования сложных объектов, явлений и процессов путем их упрощенного имитирования (натурного, математического, логического)", причем "математизация науки", то есть "широкое применение математических методов в научных исследованиях", есть "чрезвычайно полезный и плодотворный методический прием в экологии и природопользовании, но целесообразный лишь в определенных разумных пределах без придания методике черт мнимой универсальности" [46]. Моделирование вообще есть методика представления и использования знаний о некоторой предметной области, которые нужны, например, для планирования целесообразной деятельности. В частности, для рационального природопользования нужны модели взаимодействия человеческого сообщества и окружающей среды, чтобы предвидеть возможные последствия тех или иных поступков, в частности - управленческих решений природоохранных органов. Математические модели опираются на научные знания о живой природе, например, такие как законы сохранения вещества и энергии, применяемые для построения известных моделей, таких как уравнения классической механики, математической физики, химической кинетики и т.п. Моделирование более сложных систем, таких, как биосистемы и социальные системы, также опирается на научные представления о процессах и явлениях в живой природе и человеческом обществе, которые создатель моделей черпает из естественнонаучных и общественных дисциплин, как-то: биология, экология, медицина, экономика, а также философия. В основе методологии математического моделирования лежит системный анализ, а в качестве средств построения моделей необходим широкий набор конструкций и средств современной математики, а не только, скажем, теория обыкновенных дифференциальных уравнений или уравнений в частных производных [38-41, 47]. Существенная черта прикладной математической модели - это ее адекватность (соответствие) исследуемому объекту или явлению, а также прямая или косвенная идентифицируемость (наблюдаемость) параметров модели. Для практики важно, чтобы модель позволяла обобщать доступные наблюдения и на этой основе предвидеть возможное развитие событий - как эволюционное (плавное, непрерывное), так и революционное (скачкообразное, катастрофическое) с Достаточно высокой степенью точности [32, 37, 47-49]. Моделирование и управление. Научно обоснованные методы управления зиждятся на ряде дисциплин, в том числе - на математике и информатике. Идейной основой информатики является именно Математическое моделирование, как форма представления знаний, постановки и решения задач. Именно математика, как язык, и информатика, как технология, удобны для анализа и синтеза знаний о Природе и человечестве, а также управления антропогенной, природопреобразующей деятельностью. Согласно современному пониманию [16, 34, 54], чтобы управлять компетентно, нужны, как минимум, следующие знания: -о предыстории -о текущем состоянии управляемого объекта, - о целях управления, -о возможных вариантах управления, -о возможных последствиях принимаемых вариантов управленческих решений. Совокупность этих знаний и называют моделью управления. Модель может быть описана средствами некоторого языка. Математическая модель записывается на математическом языке, например, так. Пусть Х- состояние объекта, У- наблюдения за состоянием объекта, V - управление объектом, С(Х, V) - цель, или критерии качества управления, зависящий от X= Р(Х,1!) - описание связи между управлением Vи состоянием объекта X, У = С(Х,и) - описание связи между "внутренним" состоянием объекта А" и наблюдениями У, доступными для наблюдателя "извне", в зависимости от управления V. Модель задана, если математические объекты А, X, У, V» С, Г, С определены. Хорошая модель, адекватная объекту, позволяет, наблюдая его извне, выбирать по наблюдениям У такое управление V, которое приводит управляемый объект в состояние X, оптимизирующее критерий качества С. Современные информационные технологии позволяют накапливать опыт - описания прецедентов управления объектами, аналогичными рассматриваемому. Хорошая математическая модель, реализуемая средствами современных информационных технологий (в т.ч. ГИС), позволяет конкретизировать накопленный опыт для управления данным объектом по аналогии. ЭКОЛОГО-ХОЗЯЙСТВЕННЫЙ БАЛАНС ТЕРРИТОРИИ Интересным в научном плане и полезным для практики методом природоохранного регулирования является метод эколого-хозяйственного баланса. Он может быть рассмотрен в качестве конкретного примера использования информационных методов управления природопользованием. Эколого-хозяйственный баланс (ЭХБ) территории есть сбалансированное соотношение различных видов антропогенной деятельности и интересов различных групп населения на территории с учетом потенциальных возможностей природы, что обеспечивает устойчивое развитие природы и общества, воспроизводство природных ресурсов и не вызывает негативные экологические изменения и последствия. [28,29,31]. Главным содержанием ЭХБ территории является совершенствование существующей и создание новых структур, прежде всего, землепользования, на основе приведения в соответствие основных элементов ландшафта и видов использования земель с ориентацией на постоянное расширение природных систем жизнеобеспечения человека. Особую значимость также имеет повышение устойчивости за счет управляемости со стороны человека наиболее интенсивно используемых ландшафтов (природно-антропогенных систем), что достигается соответствием направленности процессов природных и социально-экономических систем и применением экологически приемлемых и природосовместимых технологий. Для определения ЭХБ территории используются следующие характеристики: -распределение земель по их видам и категориям, - площадь природоохранных территорий, -площадь земель по видам и степени антропогенной нагрузки, -напряженность эколого-хозяйственного состояния (ЭХС) территории, -интегральная антропогенная нагрузка, -естественная защищенность территории, -экологический фонд территории. Все эти характеристики являются составной частью эколого-хозяйственного состояния территории. Впервые комплексная оценка эколого-хозяйственного состояния территории по методу ЭХБ была проведена для территорий Московской области и Республики Алтай [20, 30, 31]. Так как управление природными и, в том числе, земельными ресурсами осуществляется в рамках административных единиц и отдельных его подразделений (землепользовании), то именно они рассматриваются в качестве объекта изучения (эколого-хозяйственных систем). Такой подход облегчает сбор и анализ информации, а также последующую практическую реализацию их результатов. Анализ структуры землепользования проводится на основе классификационных единиц земельного кадастра (форма статистической отчетности № 22). Для определения степени антропогенной нагрузки (АН) земель вводятся экспертные балльные оценки. Каждый вид земель получает соответствующий балл, после чего земли объединяются в однородные группы: от АН—минимальной на землях естественных урочищ и фаций до АН-максимальной на землях промышленности, транспорта (табл 4). Группировка земель по степени АН позволяет оценить антропогенную преобразованность территории в сопоставимых показателях. Ими являются коэффициенты абсолютной (Ка) и относительной (К0) напряженности ЭХС территории, т.е. отношение площади земель с высокой АН к площади земель с наиболее низкой АН: АН4+ АН5 + АН6 АН+ АН к -ЛНб* аАН/ Коэффициент Капоказьтает отношение площади сильнонарушенных горными разработками, промышленностью или транспортом земель к площади малотронутых или нетронутых хозяйственной деятельностью человека территорий. Это соотношение крайних по своему значению величин должно привлекать к себе особое внимание с целью уравновешивания сильных антропогенных воздействий с потенциалом восстановления ландшафта и поддержания на соответствующем уровне необходимой площади заповедников, заказников и Других природоохранных территорий. Чем больше последних, тем ниже коэффициент Каи благополучнее складывается состояние окружающей среды. В целом, эколого-хозяйственное состояние территории в наибольшей степени характеризуется коэффициентом К0, так как при этом охватывается вся рассматриваемая территория. Снижение напряженности ситуации уменьшает значения коэффициентов, а при Ко равном или близком к 1,0 напряженности ЭХС территории оказывается уравновешенной по степени АН и потенциалу устойчивости природы. На территории Московской области в зависимости от степени АН выделяются зоны с различной напряженностью ЭХС территории. Казалось, с приближением к г. Москве коэффициент должен возрас- Классификация земель по степени антропогенной нагрузки (АН) Таблица 4.
тать, а к периферии - уменьшаться. Однако в действительности этого не происходит. Зоны располагаются не концентрическими поясами вокруг Москвы, а образуют сложную и неоднородную картину. Так, на территории Мытищинского района происходит уменьшение напряженности ЭХС, что связано с наличием здесь остатка лесопаркового пояса вокруг Москвы и водохранилищ, выступающих своеобразными экологическими буферами к антропогенным воздействиям. Эколого-хозяйственная напряженность возрастает в ряде районов Подмосковья (Химкинский, Люберецкий, Ленинский), что связано с высокой урбанизацией и насыщенностью промьшшенностью и транспортом, а также на юге и юго-востоке области (Каширский, Зарайский, Серебрянопрудский и др.), что обусловлено в первую очередь значительной распашкой территории. Невысокая напряженность ЭХС территории к северу и западу от Москвы, а также в ряде районов на востоке области объясняется наличием больших массивов леса и пастбищных угодий. Каждому антропогенному воздействию или их совокупности соответствует свой предел устойчивости природных и природно-антропогенных ландшафтов. Чем разнообразнее ландшафт, тем он более устойчив. Выражается это, прежде всего, большим количеством и равномерным распределением естественных биогеоценозов, урочищ, природоохранных зон и особоохраняемых территорий, совокупная площадь которых составляет экологический фонд (ЭФ) территории. Чем больше он, тем выше естественная защищенность (ЕЗ) территории и соответственно устойчивость ландшафта. Вместе с тем, уровень ЕЗ территории также зависит от распределения земель по степени АН. Земли, характеризующиеся высокой степенью антропогенной нагрузки, как правило, имеют низкую естественную защищенность. Если принять земли, входящие в экологический фонд с минимальной АН за Р}, то площади земель с условной оценкой степени АН в 2, 3, 4 балла будут составлять 0,8Р2, 0,6Р^, 0,4Р^ (земли с самым высоким баллом АН в расчет не принимаются). Таким образом, появляется возможность получить суммарную площадь земель со среда- и ресурсостабилизирующими функциями (Рсф) по следующей формуле: РсФ= +?1 + 0,8Р2 + 0,6Р3 + 0,4Р4 Если соотнести площадь земель Рсф к общей площади исследуемой территории (Р0), то мы получим коэффициент естественной защищенности территории (Кез). Он изменяется в пределах Московской области от 0,42 до 0,75. К„ менее 0,5 свидетельствует о критическом уровне защищенности территории. В районах с таким низким коэффициентом много пахотных угодий, урбанизированных площадей, нарушенных земель. По сравнению с такими показателями, как лесистость, распа-ханность и т.п., Каносит интегральный характер и может быть использован для комплексной экономической оценки территории. Таким образом, от структуры землепользования зависит то, как происходит распределение и перераспределение антропогенных нагрузок по территории и, в конечном счете, устойчивость ландшафтов. В этом случае соответствие структуры землепользования (хозяйственной специализации) и структуры ландшафтов имеет важное научно-практическое значение. Оно может быть достигнуто на основе оценки ЭХС территории, а затем правильной ее организации (землеустройства) с учетом эколого-хозяйственного баланса (ЭХБ). В первом случае важным представляется установление предельных величин соотношений различных земель и угодий. Для различных районов и регионов они будут разными в зависимости от природно-зональных и хозяйственных условий. С использованием структурных "чисел" известного греческого архитектора С. А. Доксиадиса [46], учитывающих соотношение природных и антропогенно измененных ландшафтов, идеальная структура категорий и видов земель на освоенных территориях должна вЬ1глядеть примерно следующей: земли сельскохозяйственного назначения, включая населенные пункты - 22,5%; промышленности, транспорта и другого несельскохозяйственного назначения - 2,5%. ^та структура сильно отличается от сложившейся, например, в Московской области, где земли сельскохозяйственного назначения занимают 46,7%, городов и населенных пунктов - 4,8%, промышленности и транспорта - 8,3%, лесного фонда - 39,4%, государственного запаса - 0,8%. Прежде всего, в Московской области должна значительно уменьшиться площадь сельскохозяйственных, промышленных и транспортных земель и увеличиться площадь особоохраняемых территорий. Такая сбалансированная структура землепользования значительно улучшит экологическое состояние Московского региона. Эколого-хозяйственный баланс территории может быть достигнут за счет природно-хозяйственного зонирования территории и выделения на ней заповедных (ноосферных) зон и парков. В качестве примера можно привести Республику Алтай. Так, в Усть-Коксинском районе Горного Алтая было выделено четыре природно-хозяйственные зоны (ноосферные парки). В них сосредоточены: собственно природная или заповедная, рекреационно-промысловая, сельскохозяйственная и селитебная, позволяющие создать жесткий экологический каркас территории, обеспечить тесную взаимосвязь природных и хозяйственных факторов, рационально использовать природно-ресурный потенциал, сохранить средо- и ресурсовоспроизводящие функции ландшафтов и повышать качество производимой экологически чистой продукции [30]. В ноосферных зонах производственная деятельность осуществляется в гармонии с природой, не доводя ресурсы до истощения. Численность населения, количество и качество производимой продукции в зоне полностью определяется ее ресурсами, в первую очередь природными. Производство подчиняется условиям соответствия экономических характеристик экологическим критериям, не превышая допустимых нагрузок или требований на потребляемый ресурс или окружающую среду в целом. Полученную продукцию район обменивает на недостающие ресурсы и другую продукцию за его пределами. Общим для выделенных зон Горного Алтая является их слабая устойчивость к различным антропогенным воздействиям. Поэтому здесь ограничения и запреты должны совмещаться со структурными улучшениями территории. Для сельскохозяйственной зоны, располагающейся ниже высоты 1500 м над уровнем моря, необходимо снизить удельный вес пашни в площади сельскохозяйственных угодий (до 20-30 тыс. га) и организовать улучшенные (культурные) сенокосы и пастбища. Может быть предложена следующая структура сельскохозяйственных угодий: пашни - 60%, сенокосов - 25% и пастбиш - 15%. Такое соотношение угодий будет способствовать не только повышению устойчивости территории к антропогенным нагрузкам, но и значительно облегчит решение острой проблемы кормопроизводства для поголовья скота. Разнообразные ландшафтные условия, нетронутые современной цивилизацией природные уголки, чистые воздух и вода, богатство биологических ресурсов Усть-Коксииского района Горного Алтая имеют важное значение для приоритетного развития рекреационного направления в хозяйстве региона. Рекреационные ресурсы могут стать основным источником финансовых поступлений в бюджет района и республики. Однако резкий приток туристов-рекреантов может привести к негативным экологическим последствиям. Результаты оценки ЭХС территории района показывают следующую картину. Суммарная емкость туристских маршрутов должна достигать: пеших - около 1 0 тыс. человек при 150-ти днях сезона и трех группах (по 20-25 человек) в день, водных - около 3 тыс. человек при 150-ти днях сезона и трех группах по 5-6 человек в день. Выделенные ноосферные зоны и парки являются основой для ландшафтного проектирования новых форм природопользования -экологических структур устойчивого развития: экополисов, технополисов, эколого-экономических зон и др. Эти образования являются самыми своеобразными "ядрами", вокруг которых в соответствии с заданными ноосферными и экологическими принципами организуются, обустраиваются и развиваются соседние территории. Выбор специализации новой формы природопользования обуславливается структурой местного природно-хозяйственного комплекса, традициями и ориентацией населения. Ими могут быть природоохранные, рекреационные, аграрные, традиционно-промысловые и другие экополисы и технополисы. Но в любом случае обязательным составным элементом всех этих образований должны быть охраняемые природные территории, выполняющие защитные, ресурсо-формирующие и другие экологические функции, а также информационные технологии, позволяющие максимальные значения вектора производства уравновешивать минимальными потерями для природной среды и осуществить переход от традиционного индустриального общества к постиндустриальному, где воспроизводству будет подвергаться сам человек, социум с окружающей средой. Использование процедуры эколого-хозяйственного баланса позволяет в итоге упорядочить природопользование на соответствующей территории, сделать его действительно рациональным и экологически безопасным. | Образовательный портал Как узнать результаты егэ Стихи про летний лагерь 3агадки для детей |
