БАЗОВЫЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ РЕСУРСЫ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ РЕГИОНАЛЬНОГО ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЯ

Ямашкин А. А.¹, Фролов А. Н.², Ямашкин С. А.³

¹Профессор, доктор географических наук, декан географического факультета, ²Кандидат экономических наук, профессор кафедры землеустройства и ландшафтного планирования, ³Старший преподаватель кафедры автоматизированных систем обработки информации и управления, ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарева»

БАЗОВЫЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ РЕСУРСЫ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ  РЕГИОНАЛЬНОГО ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЯ

Аннотация

В статье рассматривается актуальный вопрос использования геоинформационных ресурсов как инструмента оптимизации регионального землепользования. В качестве примера рассматривается система электронных карт ГИС «Мордовия», центральным звеном которой является синтетическая ландшафтно-экологическая карта (ЛЭК). Подчеркивается роль автоматизированных методов анализа и моделирования пространственной информации в решении проблемы актуализации базы данных ГИС. Отмечено, что в отраслевые и комплексные карты образуют единый информационный портрет региона, способный обеспечи­вать решение задач по стратегическому ландшафтному планированию и прогнозированию развития деструктивных процессов.

Ключевые слова: ГИС, землепользование, территориальное  планирование, инвентаризационные карты, ландшафты, моделирование, пространственный анализ.

Yamashkin A. A.¹, Frolov A. N.², Yamashkin S. A.³

¹PhD in Geography, Dean of Geography Faculty, ²PhD in Economy, Professor of the Department of Land Management and Landscape Planning, ³Senior Lecturer, Department of Automated Systems of Information Processing and Control, National Research Mordovia State University

BASIC INFORMATION RESOURCES FOR OPTIMISATION OF THE REGIONAL LAND USE

Abstract

The article deals with the topical issue of using geo-information resources as a tool for optimization of regional land use. As an example, a system of GIS electronic maps "Mordovia" is described as the central element of which is a synthetic landscape-ecological map (LEK). The role of automated methods of spatial data analysis and modeling in solving the problem of updating GIS database is shown. It is noted that industry and complex maps forms a single information portrait of the region that can provide a solution to problems of the strategic landscape planning and forecasting of destructive processes.

Keywords: GIS, land use, spatial planning, inventory maps, landscapes, modeling, spatial analysis.

Адаптация структуры землепользования к свойствам природных территориальных комплексов позволяет оптимизировать территориальную организацию использования земель, режим функционирования геотехнических систем и их пространственное сочетание, минимизировать развитие деструктивных экзогеодинамических процессов, обусловливающих проявление природных и природно-техногенных чрезвычайных ситуаций. Решение этих проблем может быть найдено в рам­ках разработки схем стратегического планирования  землепользования, ориентированных на гармонизацию взаимодействия природных, социальных и производственных систем, важнейшим инструментарием комплексного исследования которого являются ГИС-технологии, обеспечивающие формирование и ведение кадастра и мониторинга земель как составной  части мониторинга состояния окружающей среды.

Большую роль в решении задач актуализации информации о состоянии земель и оптимизации регионального природопользования играет моделирование пространственно-временной структуры [2]. Решение этой задачи осуществляется на базе материалов дистанционного зондирования Земли.

Систематизация и анализ пространственно-временной информации в ГИС «Мордовия

Для систематизации и анализа пространственно-временной информации о состоянии и взаимодействии природных, социальных и производственных комплексов региона целесообразно сформировать систему базовых электронных карт  [4]. В ГИС «Мордовия» для решения задач  оценки природно-ресурсного потенциала, моделирования развития экзогеодинамических процессов (ЭГП) к топографической карте подключаются следующие слои инвентаризационных тема­тических карт :

• геологическое строение и минерально-сырьевые ресурсы;
• гидрогеологическое строение и ресурсы подземных вод;
• рельеф и экзогеодинамические процессы;
• климат и экологическое состояние нижних слоев атмосферы;
• поверхностные воды и их экологическое состояние;
• структура почвенного покрова, экология и плодородие почв;
• растительность и биологические ресурсы;
• особоохраняемые природные территории и экологический каркас;
• население и социальная инфраструктура;
• ландшафты и территориальное планирование природопользования.

Для исследования геологических условий в ГИС «Мордовия» используются карты четвертичных отложений (объекты картографирования – звено, генезис и состав осадков) и коренных горных пород (объекты картографирования – системы, отделы, ярусы). Наибольшее внимание уделяется картографированию генезиса, состава и мощности стратиграфических и литологических комплексов, которые определяют особенности морфологии ландшафтно-экологических систем земель и оказывают наибольшее воздейст­вие на развитие деструктивных ЭГП; выделяются районы с разной сложностью инженерно-геологического строения. Значительную информацию для прогнозирования направленности и интенсивности развития ЭГП можно извлечь в ходе подключения информации о локальных тектонических структурах. Развитие баз данных осуществляется в процессе дешифрирования материалов дистанционного зондирования Земли с широким привлечением фондовых материалов горно-буровых и лабораторных исследований.

Блок карт «Гидрогеологическое строение и ресурсы подземных вод» включает информацию о глубине залегания грунтовых вод, гидрогеодинамике и гидрогеохимии первого от поверхности водоносного горизонта и основного эксплуатируемого водоносного горизонта.  Особое внимание обращается на оценку защищен­ности вод от техногенного загрязнения; картог­рафирование техногенных изменений подземных вод; исследование влияния техногенной трансформации ландшафтов на режим подземных вод; оценку эксплуатационных запасов подземных вод.

Формирование блока карт «Рельеф и экзогеодинамические процессы» ориентировано на установление генетических, морфологических и морфометри­ческих параметров рельефа, а также оценку направленности и интенсивности развития ЭГП. Оно основывается на дешифрировании генетических форм рельефа на космических снимках, анализе морфометрических карт (экспозиция и крутизна склонов, овражная, балочная, долинная, гидрографическая расчлененность, глубина вертикального вреза и др.). В качестве основных источников информации использовались топографические карты масштаба 1 : 25 000, космические снимки, фондовые материалы и результаты полевых исследований. Например, пространственная база данных «Оползневые процессы» включает информацию о 1 370 оползнях.

Базы данных «Климат и экологическое состояние нижних слоев атмосферы» и «Поверхностные воды и их экологическое состояние» включают многолетние данные по динамике гидроклиматогенных процессов.  Многофункциональное значение для оптимизации использования земель, прогнозирования их экологического состояния имеет информация по содержанию тяжелых металлов в снежном покрове, поверхностных водах, донных отложениях.

Значение тематических карт и баз данных «Структура почвенного покрова, экология и плодородие почв» (картографируемые таксоны – тип, подтип, вид и род почв) многофункционально. Тематическое содержание электронных слоев включает оценочные данные природного плодородия, условия аккумуляции продуктов техногенеза, экологическое состояние почв,  индикаторы развития экзогеодинамических процессов  и т. п. Почвенная карта является одним из основных источников информации для составления комплексной ландшафтно-экологической карты.

Информация блоков «Растительность и биологические ресурсы» и «Особо охраняемые природные территории и экологический каркас»  включает данные о структуре растительности, пространственной организации системы особо охраняемых природных территорий (комплексные, гидрологические, ботанические, зоологические). Развитие баз данных ориентировано на геодиагностику состояния ландшафтов, оценку степени хозяйственной освоенности и проектирование зон экологического равновесия.

Блок «Население и социальная инфраструктура»  включает серию электронных карт о населении, населенных пунктах, социальной инфраструктуре и размещении предприятий.

Центральным звеном региональной ГИС «Мордовия» является синтетическая ландшафтно-экологическая карта, представляющая собой модель земной поверхности, отображающую генезис, развитие, функционирование, размещение и пространственное соотношение ландшафтов и геотехнических систем. ЛЭК призвана обеспечивать координацию в системе тематических карт, позволяя проводить сопряженный анализ природных, социальных и производственных систем; прогнозирование развития экологических ситуаций; разработку комплекса мероприятий по оптимизации землепользования. В качестве основных объектов картографирования используются тип и род ландшафтов.

Тип ландшафтов – территории, характеризующиеся отложениями определенного литологического состава, выдержанными по мощности, достаточно постоянным и однообразным эрози­онным врезом, однородностью направленности и характера движения грунтовых и межпластовых вод междуречных пространств; выраженными особенностями гидроклиматических условий, структуры почвенного и растительного покрова. Этим геокомплексам, однородным по типам почв и растительным формациям, свойственна однотипность хозяйственного освоения и современного использования земель.

Род ландшафтов – это территории с однотипным литологи­ческим составом отложений, формирующихся как генетический ряд вы­ветривания горных пород и характеризующихся определенными мезоформами рельефа, комбинациями почв, растительных ассоциаций. Ведущим фактором ландшафтной дифференциации является литогенная основа, которая определяет типы водного и геохимическо­го режимов, соотношение атмосферного, грунтового и натечного увлажнения, степень дренированности геокомплексов, преобладание выноса или аккумуляции химических элементов.

Характерными особенностями предлагаемого варианта ландшафтно-электронной карты являются ее фактурная достоверность, детальность, научная разработанность легенды. Последняя должна быть построена таким образом, что на основе данной электронной карты возможно оперативное создание многочисленных серий производных карт, ориентированных на оценку и прогнозирование экологического состояния земель. Особо следует отметить возможность непосредственного редактирования данной электронной карты, что актуально при переходе от основного ее масштаба (1: 200 000) к более крупным масштабам при детальном обследовании отдельных земель для целей землеустройства, промышленного, гражданского или дорожного строительства, организации особоохраняемых территорий, рекреационных зон и т.д. [3].

Важнейшим звеном функционирования ГИС явится зонирование территорий муниципальных районов по эколого-хозяйственным, агроэкологическим, эколого-ландшафтным признакам. Подобное зонирование по наиболее существенным признакам, характеризующим природно-ресурсный потенциал земель муниципального образования и требующим дифференциации в организации использования и охраны земель, будет являться основой для выработки предпроектных землеустроительных решений на уровне схем землеустройства муниципального района.

Подключение к ГИС крупномасштабной картографической основы позволяет далее, уже на уровне конкретных землепользований агрофирм, кооперативов и крестьянских (фермерских) хозяйств, с учетом эколого-ландшафтного микрозонирования решать вопросы землеустроительного проектирования. Проектируемые элементы организации севооборотов, пастбище- и сенокосооборотов, рабочих участков должны адаптироваться к агроландшафтным выделам и единицам эколого-ландшафтного микрозонирования (на уровне морфологических единиц ландшафтов), зонам экологического  влияния. Земли, уже подвергшиеся деградации, исключаются из производственного сельскохозяйственного оборота с выделением их под консервацию.  Изложенное в конечном счете служит повышению экологической стабильности сельскохозяйственных территорий.

Моделирование как инструмент решения задачи актуализации пространственно-временной информации о структуре земель

В качестве исходных данных для  формировании слоев электронных карт ГИС «Мордовия» используются  архивная и фондовая информация, материалы дистанционного зондирования Земли, обрабатываемые с использованием средств автоматизированной классификации и моделирования. Такой подход позволяет оперативно извлекать необходимую информацию с требуемой точностью и минимизировать расходы на полевые исследования [1]. Одновременно с этим автоматизированный анализ требует обоснованного подхода к формированию исходных данных, средств их анализа, структуры результирующих ландшафтно-экологических моделей. Выбор исходных пространственных материалов должен быть обоснован исходя из специфики решаемой задачи. Необходимо искать компромисс между детализацией и генерализацией отображаемых объектов, доступностью и качеством данных, их актуальностью и информативностью.

Большой упор делается не только на тщательный выбор существующих средств автоматизированного анализа материалов космической съемки, но и разработку новых методик и алгоритмов, позволяющих более качественно решать поставленные задачи. Так, сонаправленно с процессом создания ГИС «Мордовия» ведутся исследования повышения эффективности средств работы с данными дистанционного зондирования Земли: разработан комплекс программ для оценки отдельных свойств геофизической оболочки, включающий оценку состояния территории на основе диагностики инвариантных характеристик, выделение границ геофизических участков, детализацию внутренней структуры территории через анализ ее разнообразия. Рассчитываемые показатели комбинированно используются в качестве пространственных дескрипторов с целью выделения определенных участков земель. Предложена методика анализа структуры земель с использованием гибридных систем, позволяющая объединять в единую систему несколько классификаторов (например, нейронных сетей) и принимать взвешенное эффективное решение о выборе результирующей гипотезы при классификации данных.

Наконец, всегда стоит помнить о том, что какие бы широкие возможности ни предоставлял автоматизированный анализ пространственной информации, его необходимо совмещать с аналитическими исследованиями: только в этом случае может быть обеспечено получение действительно качественного результата, выраженного в комплексе ландшафтно-экологических карт.

В совокупно­сти отраслевые и комплексные карты образуют единый информационный портрет региона, способный обеспечи­вать решение задач по стратегическому ландшафтному планированию и прогнозированию развития деструктивных процессов.

Список литературы / References

1. Вдовин С. М. Получение, хранение и распространение геоданных как единый информационный процесс / С. М. Вдовин, С. А. Федосин, А. А. Ямашкин, С. А. Ямашкин // Природные опасности: связь науки и практики : материалы II Международной науч.-практ. конф. / отв. ред. С. М. Вдовин. – Саранск, 2015. – С. 82–90.
2. Федосин С. А. Технологический процесс решения задачи моделирования структуры землепользования на базе данных ДЗЗ / С. А. Федосин, С. А. Ямашкин // Науч.-техн. вестн. Поволжья. – 2014. – № 6. – С. 356–358.
3. Ямашкин А. А. Геоинформационный мониторинг состояния природно-социально-производственных систем для целей землеустройства / А. А. Ямашкин, С. А. Ямашкин, С. А. Москалева [и др.] // Природа и общество: в поисках гармонии: сб. науч. ст. / Смолен. гуманитар. ун-т; отв. ред. Е. А. Бобров. – Смоленск, 2015. – С. 182–188.
4. Ямашкин А. А. Структура региональной ГИС для целей ландшафтного планирования / А. А. Ямашкин, С. А. Ямашкин // Изв. Смолен. гос. ун-та. – 2014. – № 4 (28). – С. 305–314.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Vdovin S. M. Poluchenie, hranenie i rasprostranenie geodannyh kak edinyj informacionnyj process [Receiving, storage and distribution of geo-information as a single process] / S. M. Vdovin, S. A. Fedosin, A. A. Yamashkin, S. A. Yamashkin // Prirodnye opasnosti: svjaz' nauki i praktiki : materialy II Mezhdunarodnoj nauch.-prakt. konf. / otv. red. S. M. Vdovin [Natural hazards: the connection between science and practice: proceedings of the II International scientific-practical. conf. / edited by S. M. Vdovin]. – Saransk, 2015. – P. 82–90. [in Russian]
2. Fedosin S. A. Tehnologicheskij process reshenija zadachi modelirovanija struktury zemlepol'zovanija na baze dannyh DZZ [The technological process of solving the problem of land-use modeling based on remote sensing data] / S. A. Fedosin, S. A. Yamashkin // Nauch.-tehn. vestn. Povolzh'ja [Scientific and engineering vestnik of Volga]. – 2014. – № 6. – P. 356–358. [in Russian]
3. Yamashkin A. A. Geoinformacionnyj monitoring sostojanija prirodno-social'no-proizvodstvennyh sistem dlja celej zemleustrojstva [Geoinformation monitoring of the condition of natural and socio-production systems for land management purposes] / A. A. Yamashkin, S. A. Yamashkin, S. A. Moskaleva [and other] // Priroda i obshhestvo: v poiskah garmonii: sb. nauch. st. / Smolen. gumanitar. un-t; otv. red. E. A. Bobrov [Nature and society: in search of harmony / Smolen. gumanitar. un-t; otv. red. E. A. Bobrov]. – Smolensk, 2015. – P. 182–188. [in Russian]
4. Yamashkin A. A. Struktura regional'noj GIS dlja celej landshaftnogo planirovanija [The structure of the regional GIS for landscape planning] / A. A. Yamashkin, S. A. Yamashkin // Izv. Smolen. gos. un-ta. [Proceedings of the Smolensk State Univ]. – 2014. – № 4 (28). – P. 305–314. [in Russian]