Геоинформационное моделирование и картографирование ландшафтных комплексов Прибайкалья

ВВЕДЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ (ЧАСТЬ АВТОРЕФЕРАТА)на тему «Геоинформационное моделирование и картографирование ландшафтных комплексов Прибайкалья»
При исследовании пространственных объектов с разных позиций, география ставит перед собой цель - синтез разнокачественных знаний в целостное представление о территории, формирование системы знаний о географических комплексах. Такие исследования требуют работы с большим количеством географической информации и привлечения методов геоинформатики. Комплексирование географических данных и знаний в информационный комплекс - это процесс моделирования природного комплекса разными методами, поэтому проблема моделирования геокомплексов является ведущей в ряду геоинформационных исследований.
Актуальность темы определяется необходимостью разработки моделей и методов автоматизированного создания ландшафтных карт путем использования географически обоснованных математических и дистанционных методов, а также методов геоинформационного картографирования - автоматизированного информационно-картографического моделирования на основе ГИС и баз географических знаний. Разработка методов реализации ландшафтной ГИС необходима для вовлечения ландшафтной информации в процесс управления землепользованием.
Основная цель работы - создать количественные модели ландшафтных структур как сложных систем, разработать на их основе методы геоинформационного картографирования ландшафтных выделов по космическим снимкам и применить ландшафтную карту для решения прикладных задач в рамках ландшафтной ГИС.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1) сформировать структурные и количественные модели ландшафтных комплексов как сложных систем;
2) разработать и реализовать методы количественного анализа космических снимков для выделения границ и определения типологической принадлежности ландшафтных комплексов разных иерархических уровней на различных снимках и территориях;
3) построить модели ландшафтных комплексов топологического уровня и на их основе создать ландшафтно-типологическую карту ключевого участка;
4) разработать методы применения ландшафтной ГИС как инструмента оценивания и планирования использования земель.
Объекты исследований - ландшафты Центрально-Хамар-Дабанского горно-таежно-гольцового, Олхинско-Иркутного горно-таежного темнохвой-но-светлохвойного, Приморского среднегорно-таежного, Еланцинского холмисто-низкогорного подтаежно-остепненного и Усть-Селенгинского болот-но-равнинного топорайонов (Михеев, 1990).
Исходными материалами послужили разносезонпые космические снимки различного пространственного и спектрального разрешения, электронная топографическая основа и цифровая модель рельефа М 1:200000, карта «Ландшафты Юга Восточной Сибири» М 1:1500000 и ландшафтов дельты р. СеленгаМ 1:100 000, почвенная карта ключевого участка, лесотак-сационные материалы и карты ареалов охотничье-промысловых животных Слюдянского района, тематические карты различного содержания и литературные источники. Собраны натурные данные в ходе маршрутных исследований гольцовых, подгольцовых и горно-таежных темнохвойных ландшафтов бассейна р. Бабха (хр. Хамар-Дабан, июль 1999 г.), маршрутных и тран-сектных исследований горно-таежных темнохвойных ландшафтов Олхин-ского плато (июль 1999 г., август 2000 г.), маршрутных исследований подтаежных светлохвойных и лугово-болотных ландшафтов дельты р. Селенги (июль 2001 г.), маршрутных и трансектных исследований горно-таежных светлохвойных и горно-степных ландшафтов района пади Марта (Приморский хребет, июль 2002 г.), маршрутных и площадных исследований горнотаежных темнохвойных ландшафтов бассейна р. Урунтин (Приморский хребет, февраль-март 2003 г.).
Методы исследования. В ходе работы использованы методы комплексных физико-географических полевых исследований, статистического анализа, математического и геоинформационного моделирования и картографирования (А.М.Берлянт, А.В.Кошкарев, В.С.Тикунов, В.Г.Линник), автоматизированного дешифрирования космических снимков.
Теоретической основой работы послужили учение о географических комплексах ведущих ландшафтоведов Л.С.Берга, Н.А.Солнцева,
A.Г.Исаченко, Д.Л.Арманда, А.Д.Арманда, Э.Неефа, В.Б.Сочавы,
B.С.Михеева, принципы теории сложных систем-комплексов А.К.Черкашииа.
Научная новизна:
- ландшафтные комплексы моделируются как структуры функционального подобия (соответствия, информационной связи) разнокачественных частей и характеристик географических объектов, с использованием многозональной космической информации методом вычисления определителя Якоби доказано существование функционального подобия различных функционально однородных участков (выделов фаций и их обобщений), т.е. наличие зависимости, переводящей элементы одного ландшафтного выдела в элементы другого;
- предложена новая модель ландшафтного комплекса в виде конгруэнции -сложной функции, которая позволяет сравнивать (сопоставлять) структуры и функции связи компонентов, в частности, для Олхинско-Иркутного горнотаежного темнохвойно-светлохвойного топорайона установлена конгруэнтная связь яркостных характеристик снимков и наземных показателей состояния биогеоценозов разных стадий восстановления горной тайги;
- впервые используется пространственный автокорреляционный анализ для выделения локальных конгруэнтных связей разноудаленных географических объектов и фиксации нарушения этих связей в виде границ ландшафтных комплексов;
- показано, что ранговые распределения элементов геоизображений ландшафтов Центрально-Хамар-Дабанского горно-таежно-гольцового топорайона относятся к одной конгруэнции, т.е. образуют единый структурно-функциональный комплекс с разными индексами среды, которые зависят от положения ландшафтов в структуре классификации геосистем Юга Восточной Сибири;
- в рамках ландшафтной ГИС решены задачи оценки охотничье-промысловых ресурсов территории и реализованы процедуры ландшафтного планирования.
Обоснованность научных положений и выводов, содержащихся в диссертационном исследовании обеспечивается использованием математических методов и геоинформационных технологий, инвентаризационных картографических материалов Прибайкалья и подтверждается практикой их использования для решения задач ландшафтного картографирования и оценки земель, достоверность координатной привязки данных полевых трансект-ных исследований и космических снимков обеспечивается использованием GPS приемника, электронной топоосновы и специализированных программных продуктов при геометрической коррекции космических геоизображений.
Положения защиты:
1. Существование ландшафтных комплексов информационного обмена эмпирически и теоретически доказывается функциональным подобием разноудаленных функционально-однородных ландшафтных выделов.
2. Конгруэнция количественных связей характеристик разнокачественных частей ландшафта является геоинформационной моделью ландшафтного комплекса одного типа.
3. Геоинформационное картографирование и типизация ландшафтных выделов осуществляется на основе индивидуальных параметров структурно подобных ранговых распределений элементов выделов - частных моделей ландшафтных комплексов.
4. Ландшафтная ГИС создается на основе ландшафтной карты как инварианта представления баз данных и знаний о территории и становится инструментом оценивания и планирования использования земель.
Практическая значимость исследований состоит в разработке методов автоматизированного создания ландшафтных карт на основе космических геоизображений и геоинформационных технологий. Создана ландшафт-но-типологическая карта М 1:25000 на территорию ключевого участка.
Автор принимал непосредственное участие в работе по следующим проектам, в которых применялись теория, методика и результаты данного исследования.
1. Проект ROLL 116GR3/ISC-98 «ГИС планирования политики землепользования Слюдянского района (Иркутской области)» (1998-2000 гг.) - руководитель А.К. Черкашин.
2. Проект «Ландшафтное планирование Слюдянского района и дельты реки Селенги», финансируемый из целевого бюджетного фонда «По охране озера Байкал» и Министерством природных ресурсов Российской Федерации (2000-2001 гг.) - руководитель А.Н. Антипов.
3. Проект «Система географических знаний как основа эколого-географической экспертизы» Грант РФФИ № 99-05-64075 (1999-2001) - руководитель А.К. Черкашин.
4. Проект «Функциональное зонирование территории Слюдянского района с применением геоинформационпых технологий». Грант РФФИ №01-05-06227мас (2001 г.) -(руководитель).
5. Проект «Разработка и внедрение механизмов устойчивого природопользования в Центральной экологической зоне». Грант ГЭФ «I010008-S3» - руководитель А.К. Черкашин.
6. Проект «Теория геосистем: основные понятия и законы». Грант РФФИ № 02-0565054 (2002-2004) - руководитель А.К. Черкашин.
7. "ДОН" - "Верхнечонское месторождение, трасса месторождение - Усть-Кут", 2005 г (исполнитель).
8. Лаврентьевский молодежный проект СО РАН «Гомология и гомотопия моделей геосистем: фундаментальные свойства адаптации расчетных схем к локальным ситуациям», 2006-2007гг. (руководитель).
В рамках работы над диссертацией проводились исследования по планам научных работ Института географии СО РАН.
2.-5.2.3. Развитие методов получения, преобразования и Ьтображения географических данных и знаний о состоянии природной среды.
Раздел 2.2. Разработка методов пространственно-временного анализа и картографирования структуры и динамики природных и природнотехнических комплексов на основе космических геоизображений и новых информационных технологий (Руководитель д'.г.н. А.К. Черкашин).
1.3. Проблема 3. Современные методы получения, отображения и анализа данных.
Научное направление 5.2.3. Тема 12. Теория и методы полигеосистемного моделирования географических объектов различной сложности.
Проект 24.1.3. «Разработка теории и методов системного анализа геоизображений и геоинформационного картографирования для сбалансированного территориального развития».
Результаты исследований вошли в научные монографии «Геоинформационная система управления территорией» (2002) и «Экологически ориентированное планирование землепользования в Байкальском регионе. Район дельты реки Селенги» (2002) и переданы для практического использования в информационно-аналитический комитет администрации Иркутской области, Мэрию Слюдянского района Иркутской области, Иркутский региональный Центр геоинформационных технологий.
Личный вклад автора. Основные результаты исследования по моделированию ландшафтных комплексов Прибайкалья и созданию ландшафтно-типологической карты ключевого участка получены автором лично. При создании ГИС Слюдянского района автором совместно с П.П. Наумовым (ИС-ХИ, г. Иркутск) созданы карты стоимостного зонирования охотничье-промысловых ресурсов. Автор занимался геоинформационным обеспечением и разработкой ГИС территории дельты р.Селенга при формировании электронной версии ландшафтной карты, базы данных на ее основе и создании карты правового зонирования и интегрированных целей развития территории.
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты исследования обсуждались на XIV и XV конференциях молодых географов Сибири и Дальнего Востока {Иркутск, 2001, 2003); XI научном совещании географов Сибири и Дальнего Востока «География Азиатской России на рубеже веков» (Иркутск, 2000); VI международной конференции «Математические модели и информационные технологии» {Краснодар, 2001); научной конференции «Дистанционные исследования и картографирование структуры и динамики геосистем» {Иркутск, 2002); международной конференции «ИнтерКарто 6: ГИС для устойчивого развития территорий» {Апатиты, 2000); международной конференции «ИнтерКар-то8: ГИС для устойчивого развития территорий» {Хельсинки, Санкт-Петербург, 2002); международной конференции «Интеркарто 9: ГИС для устойчивого развития территории» (Новороссийск, Севастополь, 2003); всероссийской конференции «Математические и информационные технологии в энергетике, экономике, экологии» {Иркутск, 2003, 2006); всероссийской конференции «Дистанционное зондирование поверхности Земли и атмосферы» {Иркутск, 2003); всероссийской научно-методической конференции «Моделирование географических систем» {Иркутск, 2004); международной конференции ИнтерКарто/ИнтерГИС 10: устойчивое развитие территорий: геоинформационное обеспечение и практический опыт {Владивосток, Чанчунь(КНР), 2004); третьей интеграционной междисциплинарной конференции молодых ученых СО РАН и высшей школы «Научные школы Сибири: взгляд в будущее» {Иркутск, 2005); the 9th International Symposium on Physical Measurements and Signatures in Remote Sensing {Beijing, China, 2005).
Автором опубликовано 33 научные работы, из них 18 по теме диссертации.
Структура и объем работы. Логическая последовательность выполнения этапов диссертационной работы представлена на блок-схеме (рис. В Л).
Рис. В.1. Блок-схема диссертационной работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Она имеет общий объем 184 страницы, содержит 57 рисунков, 9 таблиц. Список используемой литературы включает 163 источника.