Мерзлотно-экологическое картографирование криолитозоны России тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.31, кандидат географических наук Королева, Наталья Александровна

• Королева, Наталья Александровна
• кандидат географических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат географических наук Королева, Наталья Александровна

Введение.

Глава 1. Мерзлотная картографическая информация как основа составления мерзлотно-экологических карт.

1.1 Анализ содержания изданных мерзлотных карт.

1.2 Обзор методических подходов к мерзлотно-экологическому картографированию.

Глава 2. Научно-методические основы мерзлотно-эколошческого картографирования в региональных атласах (на примере атласа Ханты-Мансийского автономного округа - Югры).

2.1 Тематика раздела «Мерзлота» и содержание карт.

2.2 Повышение информативности мерзлотных карт средствами ГИС-анализа.

Глава 3. Концепция Мерзлотно-экологического атласа России.

3.1 Назначение, задачи, направления использования атласа.

3.2 Требования к атласу, масштабы, проекции, компоновки карт.

3.3 Содержание и структура атласа.

3.4 Формат, оформление, тексты и иллюстрации.

Глава 4. Содержание и методы составления карт Мерзлотно-экологического атласа России.

4.1 Мерзлотные карты.

4.1. Жарта «Мерзлотно-ландшафтная дифференциация криолитозоны России» и ГИС-анализ.

4.1.2 Карты «Распространение, температура», «Мощность мерзлых пород», «Льдистость мерзлых пород», «Сезонное промерзание и протаивание», «Криогенные процессы и формы рельефа».

4.2 Мерзлотно-экологические карты.

4.2.1 Карта «Активизация мерзлотных процессов при механическом воздействии»

4.2.2 «Мерзлотно-экологическая карта Западной Сибири».

Глава 5. Картографическая база данных «Криолитозона России» и мультимедийная версия

Мерзлотно-экологического атласа России.

5.1 Картографическая база данных «Криолитозона России».

5.2 Мультимедийная версия Мерзлотно-экологического атласа России.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Мерзлотно-экологическое картографирование криолитозоны России»

Актуальность темы исследования. Эколого-географическое картографирование как самостоятельное направление комплексного тематического картографирования появилось относительно недавно, а ускоренно развиваться оно стало с 60-70-х годов. Формирование этого направления картографирования можно рассматривать как реакцию наук о Земле на проблемы экологической направленности. Его тематические направления связаны с отраслевыми экологическими проблемами и соответствующими отраслями знаний. Решение экологических проблем в криолитозоне требует разностороннего картографического анализа воздействия техногенеза на мерзлотные компоненты природного комплекса и выработки рекомендаций по рациональному природопользованию. Стандартные решения, детально разработанные для регионов вне области вечной мерзлоты, в криолитозоне не всегдг эффективны. На традиционных эколого-географических картах влияние мерзлоты не учитывается, и Север выглядит вполне благополучно, что не соответствует действительности.

К настоящему времени проведены значительные исследования в области геоэкологии криолитозоны, накоплена обширная и разносторонняя информация о современном состоянии и условиях ее развития, выработаны новые подходы к оценке взаимодействия техногенеза и мерзлотных компонентов природного комплекса. Назрела необходимость сведения этой информации в единую систему, создания научно-методической основы для формирования баз и банков мерзлотно-экологической информации.

Кроме того, экстенсивное освоение криолитозоны создает ряд экологических проблем, которые усугубляются спецификой природы Севера. К традиционным причинам уязвимости северных геосистем относятся: дефицит тепла, слабая способность к самоочищению, низкая восстанавливаемость растительности, а также крайняя неустойчивость многолетнемерзлых пород (ММП) и резкая активизация криогенных процессов при техногенезе. В соответствии с этим решение геоэкологических проблем в криолитозоне требует разностороннего анализа взаимодействия техногенеза и мерзлотных компонентов природного комплекса.

При довольно больших объемах накопленной фактической и теоретической информации мерзлотно-экологическое состояние ландшафтов не получило целостного адекватного картографического отображения. Практика мерзлотно-экологического картографирования (МЭК) имеет в своем активе преимущественно рукописные электронные) карты ряда регионов и крупномасштабные фрагменты отдельных территорий. Экологическая обстановка в целом для области вечной мерзлоты получила отражение на нескольких опубликованных обзорных картах, различающихся методическими подходами, набором используемых показателей, способами отображения и т. д. Отсутствует общая концепция мерзлотно-экологического картографирования (МЭК), не определены основные типы мерзлотно-экологических карт, их содержание, недостаточно разработаны критерии оценки экологического состояния криогенных ландшафтов, методические приемы создания инвентаризационных, оценочных, прогнозных и рекомендательных карт, что существенно снижает эффективность применения мерзлотно-экологического картографирования при выработке рекомендаций и принятия решений по достижению мерзлотно-экологического равновесия.

Мерзлотно-экологическое картографирование предполагает составление ряда сопоставимых, согласованных мерзлотных карт в качестве базовых. Существующие на сегодняшний день мерзлотные карты различаются по масштабам, степени обобщения информации, принятым подходам к картографированию мерзлоты и др. Наиболее полная характеристика мерзлых пород дана в научно-справочном атласе Тюменской области (1971), где впервые был выделен самостоятельный раздел «Мерзлота», состоящий из девяти карт различной тематики. Современная разносторонняя характеристика мерзлотно-ландшафтных условий, удовлетворяющая информационным потребностям МЭК, представлена в региональном атласе ЯНАО (2004). «Геокриологическая карта СССР» масштаба 1: 2 500 ООО (1997)- наиболее современная среди изданных мерзлотных карт. Она содержит детальную комплексную характеристику криолитозоны по ряду показателей и может быть использована в качестве картографического источника для ряда карт Мерзлотно-экологического атласа России и формирования банков мерзлотных данных базы данных «Криолитозона России». Перенасыщенность содержания вызывает трудности при чтении карты и подтверждает, что наилучшая форма реализации комплексного подхода к картографированию мерзлоты в различных аспектах ее существования - научно-справочный атлас.

При проведении авторских работ по мерзлотно-экологическим картам возникает ряд проблем. Они связаны с недостаточным картографическим обеспечением территории криолитозоны России в мерзлотном отношении. Требуется составление научно-справочных мерзлотных карт. Причем, содержание, выбранные показатели, классификации, градации величин должны быть разработаны с учетом возможности их дальнейшего использования для геоэкологических оценок. Взаимосвязанный показ и согласование мерзлотных показателей, факторов и условий формирования сезонно- и многолетнемерзлых пород обеспечивается использованием единой ландшафтной основы. Для получения качественных и количественных данных о различных явлениях мерзлоты и их локализации на карте приходится использовать различные методы и приемы: расчетные методы, индикационные признаки, карты-индикаторы, научные гипотезы, экстраполяции на основе установления закономерностей и взаимосвязей с другими компонентами природы и др. Экологические показатели, в основном качественные, определяются на основе экспертных оценок и опираются на опыт региональных исследований. Поэтому разработка содержания мерзлотных и мерзлотно-экологических карт выполняется опытными специалистами -мерзлото ведами.

Цель работы - создать научно-методическую основу для сведения мерзлотно-экологической информации в единую систему, применить современные средства картографирования для получения новых знаний о криолитозоне России.

Для осуществления поставленной цели необходимо решить конкретные задачи: изучить существующий опыт мерзлотного и мерзлотно-экологического картографирования, проанализировать мерзлотные карты, которые могут быть использованы в качестве источников составления мелкомасштабных мерзлотно-экологических карт и для наполнения базы данных при ГИС-картографировании криолитозоны России; разработать концепцию структуры, содержания и принципов оформления Мерзлотно-экологического атласа России; разработать принципы мерзлотно-экологического картографирования на региональном уровне (на примере мерзлотно-экологического раздела в региональных атласах); разработать методы создания, содержание, принципы оформления ряда мерзлотных и мерзлотно-экологических карт с применением геоинформационных технологий; разработать мультимедийную версию атласа и структуру картографической базы данных «Криолитозона России».

Основная цель и задачи, поставленные в данной работе, являются частью общей проблемы мерзлотно-экологического картографирования.

Предмет исследования - мерзлотно-экологическое картографирование территории России. Объект исследования — ландшафты криолитозоны России.

Методика исследования. Исследование проведено на основе работ автора с 1986 года по составлению мерзлотных и мерзлотно-экологических карт на кафедре криолитологии и гляциологии под руководством доц. Н. В. Тумель при консультации доц. Востоковой A.B. (кафедра геоинформатики и картографии, зав. кафедрой проф. И. К. Лурье), НИ Лаборатории комплексного картографирования географического факультета МГУ (зав. проф. В. С. Тнкунов). Основу диссертационной работы составляют оригинальные материалы, собранные за 1987-2010 годы в результате выполнения кафедрой криолитологии и гляциологии мерзлотно-экологических исследований.

В качестве базовой тематической карты использована Ландшафтная карта м-ба 1:10 млн. на территорию России (под.ред. А. Г. Исаченко). Цифровая географическая основа предоставлена НИ Лабораторией комплексного картографирования географического факультета МГУ.

Содержание большинства карт, выполненных автором, отражает в себе сводку результатов многолетних исследований кафедры криолитологии и гляциологии географического факультета МГУ, а также ведущих мерзлотных организаций России: ПНИИИС, ВСЕГИНГЕО, институт Криосферы Земли, кафедры геокриологии геологического факультета МГУ, Институт мерзлотоведения СО РАН и др.

Работа опиралась на научно-методологические принципы и идеи комплексного и системного географического картографирования, заложенные К. А. Салищевым, И.П. Заруцкой, A.M. Берлянтом, А.Г. Исаченко и другими; теоретические принципы и опыт мерзлотного картографирования А.И. Попова, В.А. Кудрявцева, И.Я. Баранова, П.И. Мельникова, К.А. Кондратьевой, H.A. Шполянской, Н.В. Тумель, A.B. Востоковой; теоретические построения, методы математико-картографического моделирования, представленные в трудах известных ученых в области геоинформационного картографирования С.Н. Сербенюка, A.M. Берлянта, Б.А. Новаковского, B.C. Тикунова, И.К. Лурье и других.

В процессе исследований использованы ландшафтные, мерзлотные, геоэкологические методы изучения и картографирования территории,а также метод экспертных оценок и обработка данных ГИС-анализа. Все картографические изображения созданы на основе методов и приемов геоинформационного картографирования.

Научная новизна работы.

1. На основе собранных материалов комплексного мерзлотно-экологического изучения территории, их обработки и обобщения разработаны: концептуальные основы Мерзлотноэкологического атласа России, содержание карт, принципы комплексного мерзлотно-экологического картографирования на региональном уровне (на примере карт раздела «Мерзлота» атласа Ханты-Мансийского автономного округа — Югры (ХМАО), методы к приемы создания, содержание ряда авторских мерзлотных и мерзлотно-экологических карт.

2. Обоснована целесообразность применения средств ГИС-анализа для повышения информативности мерзлотных карт и получения новых знаний о криолитозоне России.

3. Произведено картографирование, и установлена взаимосвязь мерзлотных и ландшафтных характеристик криолитозоны России.

4. Предложенные принципы и методы картографирования реализованы на примерах создания мелкомасштабных карт Мерзлотно-экологического атласа России, разделов «Мерзлота» региональных атласов Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО), Ханты-Мансийского автономного округа - Югры (ХМАО), Экологического атласа России, Национального атласа России.

Защищаемые положения:

1. Систематизация и представление мерзлотной и мерзлотно-экологической информации требует применения методов атласного картографирования.

2. Получению новых знаний о криолитозоне России способствуют использование методов ГИС-картографирования и ГИС-анализа.

3. Площадь криолитозоны России 65% от площади России; область сплошной мерзлоты занимает 49% криолитозоны, прерывистой — 22%, массивно-островной — 17%, островной — 12%; 40% составляют низко- и среднегорья, по 26% — равнины низменные и возвышенные, 6% - высокогорья и 2% - речные долины.

4. Наибольшее мерзлотно-ландшафтное разнообразие отмечается в областях прерывистой и массивно-островной мерзлоты; наиболее однозначна связь между ландшафтами и мерзлотой для крайних северных и южных территорий.

5. Ландшафты, занимающие максимальную площадь во всех областях мерзлоты, относятся к районам Средней и Восточной Сибири, как наиболее обширным платформенным массивам с достаточно однородными мерзлотно-ландшафтными условиями, сложившимися в ходе длительного исторического развития.

Практическая значимость. Предложенная структура логически взаимосвязанных мерзлотных и мерзлотно-экологических карт в атласах, методика составления и содержание ряда конкретных карт позволят систематизировать уже накопленный банк картографических данных, упорядочить методы и приемы создания карт и, в целом, способствовать развитию тематического картографирования. Применение ГИС-картографирования и анализа в изучении мерзлоты будет способствовать получению новой информации о криолитозоне, а значит, и развитию науки в целом (криолитологии, мерзлотоведения, тематического мерзлотно-экологического картографирования).

Разработанные карты используются и могут быть использованы:

1. Для картографического исследования и изучения ландшафтов криолитозоны России посредством применения методов картографического анализа. Методы математико-картографического и компьютерного моделирования, ГИС-анализа позволяют вычислять пространственные корреляции и взаимное соответствие явлений, оценивать однородность экологических условий, выявлять ведущие факторы размещения и развития явлений и процессов с применением средств многомерного статистического анализа. На основе анализа карт атласа могут быть построены различные производные карты, в том числе обеспечивающие принятие управленческих решений.

2. При планировании работ по освоению природных ресурсов в области вечной мерзлоты, по охране природы в качестве источника современной научно-справочной информации.

3. В качестве учебного пособия для ряда специальных курсов: мерзлотные явления в земной коре (криолитология), общее мерзлотоведение, основы мерзлотоведения, геоэкология и др., читаемых для специальностей геокриология, криолитология, физическая география, геоморфология, почвоведение, гидрогеология, инженерная геология на географических, геологических, почвенных факультетах университетов и других вузов страны.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на 14-ти научных конференциях: Международной конференции «Экстремальные криосферные явления: фундаментальные и прикладные аспекты», Пущино, 2002; Международной конференции «ГИС для устойчивого развития», С-Петербург, 2002; Международной конференции «Криосфера нефтегазоносных провинций», Тюмень, 2004; Научно-производственной конференции «Проблемы инженерно-геологического обеспечения строительства объектов нефтегазового комплекса в криолитозоне», Москва, ФГУП ПНИИИС, 2005; Международной конференции «Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменений», Тюмень, 2006; XI международной ландшафтной конференции, Москва, 2006; VIII научной конференции «Геоинформационное картографирование для сбалансированного территориального развития», Иркутск, 2007; Международной конференции «Криогенные ресурсы полярных регионов», Салехард, 2007: Общероссийской Конференции изыскательских организаций «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в РФ», ПНИИИС, 2007-2010 Всероссийской научной конференции «Селиверстовские чтения», С-Петербург, 2009.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 21 публикации, в том числе 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК. Кроме того, соискатель является автором 13 и редактором 9 карт, изданных в пяти атласах (География России. Природа и человек. 8-9 класс, 2004; Экологический атлас России, 2002; атласы Ямало-Ненецкого автономного округа, 2004; Ханты-Мансийского автономного округа — Югры, 2004; Национальный атлас России, 2006). Материалы по теме исследования также изложены в научных отчетах, выполненных по грантам, государственным, целевым и хоздоговорным программам.

Личный вклад автора. Основу диссертации составляют многолетние (с 1986 г. по настоящее время) работы по ландшафтному, мерзлотному и мерзлотно-экологичгескому картографированию. Автор участвовала в качестве исполнителя хоздоговорных, госбюджетных научно-исследовательских работ: ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 20072012 годы", "Изучение реакции криосферы Земли на природные и техногенные изменения окружающей среды", проект НШ-500.2008.5 "Изучение реакции криосферы Земли (криолитозоны и гляциосферы) на природные и техногенные изменения окружающей среды", проект РФФИ №07-05-01138а «Влияние криогенеза на динамику углеводородного загрязнения в почвах и грунтах криолитозоны". В рамках ГИС автором составлено 44 карты, из них издано 24 карты. Работы по созданию баз данных, применению методов геоинформационного картографирования, составлению ряда мерзлотных и мерзлотно-экологических карт проводились непосредственно автором.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (153 наименования). В работе 153 страницы (печатного текста 104 страницы), 59 рисунков, 3 таблицы.

В первой главе анализируются изданные мерзлотные карты, карты в атласах, которые могут быть использованы в качестве базовой тематической информации при мерзлотно-экологическом картографировании. Оценивается их содержание, даются рекомендации по использованию в данных целях. Определяются требования к картографическим источникам мерзлотного содержания как основы составления мерзлотно-экологических карт. Дается краткий обзор существующих типов карт и подходов к мерзлотно-экологическому картографированию.

Во второй главе на примере атласа ХМАО апробирован подход к комплексному мерзлотно-экологическому картографированию регионального уровня, выделены его основные принципы. Разработаны и обоснованы структура раздела «Мерзлота» и содержание карт. Показана возможность повышения информативности карт за счет включения в легенды данных ГИС-анализа. На примере нескольких карт подробно описан процесс чтения карты, позволяющий получить новые знания о криолитозоне.

На основе проведенного анализа современного состояния мерзлотного и мерзлотно-экологического картографирования и разработанного подхода к картографированию на региональном уровне в третьей главе предложены концептуальные основы Мерзлотно-экологического атласа России. Последовательно определяются: назначение, задачи, сферы использования атласа; требования к атласу, масштабы, проекции, компоновки карт; содержание и структура атласа; формат, оформление, тексты в атласе.

В четвертой главе представлены и обоснованы содержание и методы составления ряда карт атласов, таких как Мерзлотно-ландшафтная структура, Распространение, температура, Мощность, Льдистость мерзлых пород, Криолитологическая карта, Типы мерзлых пород, Криогенные процессы и формы рельефа, Сезонное промерзание и протаивание, Потенциальная устойчивость ландшафтов, Активизация мерзлотных процессов при механическом воздействии, Мерзлотно-экологическая карта Западной Сибири. Значительная часть карт являются оригинальными, составлены впервые.

В пятой главе рассматривается необходимость интеграции разнотематической информации, ее совместного анализа, моделирования и прогнозирования геоэкологических ситуаций в криолитозоне на основе ГИС-пакета. Подробно описана структура картографической базы данных «Криолитозона России» и электронной (мультимедийной) версии атласа. Приоритетным направлением в использовании ГИС имеют научные исследования, а мультимедийной версии — учебный процесс.

Работа выполнена на кафедре криолитологии и гляциологии географического факультета МГУ.

Автор выражает искреннюю благодарность своим учителям — научному руководителю доценту Н.В. Тумель и доценту A.B. Востоковой за многолетнюю поддержку и неоценимую помощь; заведующему кафедрой криолитологии и гляциологии профессору В.Н. Конищеву за содействие работам и доброжелательное отношение; профессору B.C. Тикунову, д.г.н. H.A. Шполянской, ведущим научным сотрудникам Л.И. Зотовой, Т.В. Котовой за помощь в работе и консультации. Автор признателен сотрудникам НИ Лаборатории комплексного картографирования, кафедры криолитологии и гляциологии за практическую помощь в осуществлении исследований.

Заключение диссертации по теме «Гляциология и криология земли», Королева, Наталья Александровна

Выводы. В рамках составления Мерзлотно-экологического атласа России с использованием ГИС-технологий подготовлен ряд карт на территорию криолитозоны России («Мерзлотно-ландшафтная дифференциация криолитозоны России», «Распространение, температура», «Мощность многолетнемерзлых пород», «Сезонное промерзание и протаивание», «Криогенные процессы и формы рельефа», «Активизация криогенных процессов») и Западной Сибири («Мерзлотно-экологическая карта Западной Сибири»).

Для карты «Мерзлотно-ландшафтная дифференциация криолитозоны России» применен ГИС-анализ ее содержания. Построены диаграммы, и получены данные о мерзлотной и геоморфологической дифференциации криолитозоны, ландшафтное разнообразие и процентное соотношение площадей ландшафтов и мерзлых пород в пределах криолитозоны.

Составление аналитических мерзлотных карт, отображающих какой-либо один показатель (характеристику) мерзлых пород, позволяет проследить особенности его распределения по территории России, увидеть взаимосвязи с ландшафтами (благодаря картографированию на ландшафтной основе) и другими мерзлотными показателями. Применение пространственного анализа мерзлотных и ландшафтных слоев карт открывает большие возможности для изучения ландшафтной индикации в криолитозоне на разных уровнях картографирования.

Глава 5. Картографическая база данных «Криолитозона России» и мультимедийная версия Мерзлотно-экологического атласа России

5.1. Картографическая база данных «Криолитозона России»

К настоящему времени появилась насущная необходимость в интеграции разнотематических данных, их совместном анализе, моделировании и прогнозировании ситуаций в криолитозоне и представлении данных в виде тематических карт. Наиболее актуальным методом анализа и представления результирующих данных является использование ГИС-пакетов.

ГИС интегрирует и использует методы и приемы работ таких областей науки и практики, как картография, информатика, автоматизированное проектирование, дистанционное зондирование и др. Пользователь ГИС имеет возможность не только применять методы перечисленных выше дисциплин, но и разрабатывать новые на основе уже существующих. Геоинформатика сформировалась на стыке многих дисциплин. Она берет от них наиболее передовые достижения, адаптирует для решения собственных задач и активно внедряет их в практику. Ни одна из дисциплин в отдельности не сможет столь полно и разносторонне удовлетворить запросы пользователей как геоинформатика.

Разнообразие задач геоэкологии требует и разнообразия методов работы с ними. Именно поэтому для создания информационной системы криолитозоны России выбрана ГИС. Разработка ее картографической БД опиралась на сложившиеся, как традиционные картографические подходы, так и исследования в области геоинформатики, опыт которых накоплен в последние десятилетия и представлен в научных трудах Тикунова B.C., Ормелинга Ф., Кошкарева A.B., Берлянта A.M., Краака М и других [14-17, 30, 46, 48, 75, 119, 122, 124].

БД «Криолитозона России» предназначена, прежде всего, для решения задач интеграции и научной систематизации информации о криолитозоне России, ее анализа и представления результатов в виде атласов в традиционном и мультимедийном варианте.

Наиболее целесообразно составлять Атлас одновременно в двух версиях — полиграфической и электронной, которые тесно взаимосвязаны между собой, взаимодополняют друг друга. База данных «Криолитозона России» представляет набор тематических слоев в растровом и векторном форматах, дополненный некартографическими видами информации. Мультимедийная версия атласа — наиболее полный и оперативный вариант для демонстрации в учебных целях. Традиционная (полиграфическая) версия -фундаментальное картографическое произведение, созданное с применением ГИС-технологий и методов анализа и синтеза содержательной сущности различных аспектов функционирования криолитозоны России. В дальнейшем рассматриваемая база данных послужит основой для создания полнофункциональной ГИС «Криолитозона России».

ГИС имеет ряд преимуществ перед традиционным Атласом.

1. Оперативность обработки и использования поступающей информации. Практически любая информация различных типов и уровней сложности может быть внесена в ГИС и использована в режиме реального времени.

2. Высокая актуальность данных системы. Информация об изменении ситуации ца территории криолитозоны оперативно поступает потребителю. Внедрение ГИС позволяет существенно автоматизировать процесс ввода информации и сэкономить время.

3. Широкие возможности обработки и анализа информации, работы с различными типами данных. Современные ГИС обладают огромным инструментарием для работы с различными типами информации - бумажными и электронными, представленными в табличном, текстовом или графическом виде, растровом или векторном формате.

Важным аспектом информационных материалов для ГИС является то, что она отражает собранную и систематизированную в разные годы мерзлотную информацию.

В качестве основного ГИС-пакета использовалась программа Mapinfo Professional, в качестве картографической основы — электронная географическая основа масштаба 1:20 ООО ООО на территорию России в конической равнопромежуточной проекции, в качестве базовой тематической основы - мерзлотно-ландшафтная, составленная по электронной Ландшафтной карте России (ред. А. Г. Исаченко), масштаб генерализации информации 1:10 ООО ООО.

ГИС любого уровня в общем случае представляет собой унифицированный набор следующих функциональных подсистем: сбора данных, базы данных, анализа данных, вывода данных и пользовательский интерфейс (Лурье, 2002).

Сбор данных. Основу информационных ресурсов для базы данных «Криолитозона России» составляют картографические источники (растровый и векторный форматы) физико-географические, топографические, мерзлотные, мерзлотно-экологические, тематические карты. Дополнительно привлекаются текстовые материалы, видео-, аудио-, фотодокументы, аэро- и космические снимки, статистические данные (табл. 5.1). Для использования этих данных применяются различные средства ввода, например, сканирование, векторизация, импорт из других форматов.

Типы интегрируемых данных Таблица 5.1

Карты (растровый и векторный форматы): физико-географические, топографические мерзлотные мерзлотно-экологические немерзлотные — тематические

Аэро- и космические снимки

Видео-, аудио-, фотодокументы

Текстовые: пояснения к картам библиографический каталог специальной литературы публикации, лекции, доклады данные научных отчетов, курсовых и дипломных работ, учебный материал практик

Статистические данные: данные полевых наблюдений данные метеостанций данные гис-анализа

Подсистема базы данных. Позиционная составляющая данных БД характеризует положение географических объектов и представлена в виде картографических слоев, сгруппированных по блокам (табл. 5.2).

Вводный блок содержит слои географической основы и мерзлотно-ландшафтной, объекты природы (рельеф, литология, растительность, снежный покров, поверхностные и подземные воды, ландшафты), антропогенную нагрузку (нефте- и газопроводы, дорогу, месторождения полезных ископаемых, предприятия ТЭК, электростанции, охраняемые территории). Географическая основа включает следующие слои — гидрографическая сеть, города, административные границы, подписи названий, элементы оформления карт. Основной территориальной единицей при наполнении базы данных (унификации базы данных) и геоинформационного анализа является выдел мерзлотно-ландшафтной сетки, полученной в результате обобщения и дифференциации ландшафтной основы уровня генерализации 1:10 000 000 в соответствии с особенностями распределения мерзлотных характеристик.

В блоке «Мерзлота» объединены слои, характеризующие свойства ММП (тип распространения, температура, мощность, льдистость, мощность СТС-СМС), а также

Разделы картографической базы данных «Криолитозона России» Таблица 5.2

Вводный Мерзлота Геоэкология криолитозоны

Основа Географическая Мерзлотно-ландшафтная Характеристики ММП Тип распространения Температура Мощность Льдистость Мощность СТС-СМС Криогенные процессы и формы рельефа Подземный лед Криопэги Оценки влияния на ММП Природных факторов Деятельности общества

Природа Рельеф Литология Растительность Снежный покров Поверхностные и подземные воды Ландшафты

Оценки состояния ММП Потенциальная устойчивость Активизация процессов Кризисные экологические ситуации Мерзлотно-экологическое состояние ландшафтов Опасность геохимического загрязнения

Антропогенная нагрузка Трубопроводы Дороги Полезные ископаемые Предприятия ТЭК Электростанции Охраняемые территории

Оценки и районирование Прогноз При изменении климата При антропогенных нагрузках

Рекомендации Охрана природы и рац. природопользование

Справочный раздел

Растр

Геокриологическая карта СССР 1:2,5млн; 1:5 млн. Криолитологическая карта СССР 1:4 млн.

Карта мерзлотных условий нечерноземной зоны РСФСР 1:1,5 млн.

Карта геокриологического районирования Западно-Сибирской равнины 1:1,5 млн.

Energy шар of The former Soviet union

Сводная карта размещения ресурсов и предприятий ТЭК, Сохраняемых объектов природы и культуры с элементами геологии и экологии

Текстовые

Аэро- и космоснимки

Видео-, аудио-,

Фотодокументы

Статистические данные криогенные процессы, подземный лед, криопэги. Экологический блок включает оценки влияния на ММП природных факторов и деятельности общества, оценки современного

137 : состояния ММП (потенциальная устойчивость, активизация процессов, кризисные экологические ситуации, мерзлотно-экологическое состояние ландшафтов, опасность геохимического загрязнения), оценки и районирование криолитозоны, прогноз при изменении климата и антропогенных нагрузках, рекомендации (охрана природы и рациональное природопользование) для различных территориальных уровней. Справочный раздел содержит дополнительную информацию, необходимую для всестороннего изучения территории криолитозоны (картографическую в растровом формате, текстовые материалы (пояснения к картам, библиографический каталог специальной литературы, статьи, данные научных отчетов, курсовых и дипломных работ), аэро- и космические снимки, видео-, аудио, фотодокументы, статистические данные.

Непозиционная составляющая данных (атрибутивная информация) представляет качественную и количественную характеристику пространственных объектов. Она привязана к различным слоям и выборочно сведена в единую базовую таблицу (например, значения температур, снятые с разных источников, мощности, льдистости, мощность СТС-CMC, степень устойчивости, ландшафтные характеристики и т.п., привязанные к сети" мерзлотно-ландшафтных контуров). Информация, связанная с антропогенной нагрузкой, имеет объектную привязку, например, тип трубопровода, название месторождения и его экологическая оценка.

Анализ картографических данных имеет важное значение для исследования взаимосвязей, установления зависимостей, прогноза. Он включает процедуры оверлэя и запросов для обработки данных. Анализ данных групп слоев позволяет пополнять БД результатами их обработки. t

Средства вывода данных позволяют отображать итоговые данные в виде таблиц, графиков, диаграмм, а также создавать тематические, комплексные и синтетические карты, хранить, редактировать, выводить на печать картографическую информацию. В рамках ГИС-пакета Mpinfo составлено 44 карты на территории мира, России, Западной Сибири, ЯНАО, ХМАО.

5.2. Мультимедийная версия Мерзлотно-экологического атласа России

Создание электронных атласов в настоящее время является перспективным направлением развития геоинформатики. Уже накоплен достаточно большой опыт реализации подобных проектов на глобальном уровне (Microsoft Encarta и др.), в формате национального атласа (Atlas of Switzerland, Электронный атлас Украины и др.) и в региональном масштабе (Электронный атлас Северо-Востока России, Электронный атлас Киева и др.). ;

В настоящее время все более популярной становится разработка, наряду с традиционными атласами, электронных их аналогов. Это обусловлено несколькими причинами: 1) картографические данные могут быть представлены на необходимом уровне детализации, т.к. имеется возможность изменения масштаба и скроллинга по карте; 2) данные легко могут быть переданы для обработки в других приложениях, распечатаны или сохранены на сменных носителях; 3) возможно регулярное обновление программной оболочки и геоданных, в том числе через Интернет. Но главным преимуществом разработки электронных атласов является снижение себестоимости продукции по сравнению с изданием в типографии. Наибольшее значение этот фактор имеет при создании региональных тематических атласов, когда значительные средства тратятся на сбор информации, ее анализ и визуализацию средствами ГИС.

Мультимедиа — это особая компьютерная технология, интегрирующая различные средства хранения и воспроизведения информации, включая картографические изображения, аэро- и космические снимки, фотографии и рисунки, тексты и звуковое сопровождение [17].

Преимущества мультимедийного атласа заключаются в том, что отсутствует дорогостоящий процесс издания карт (его заменяет тиражирование компакт-дисков), сокращение срока создания возможно за счет постепенного пополнения содержания, не нужно ждать, когда все карты атласа будут готовы, возможность своевременного обновления информации. Кроме того, количество информации, которую можно поместить в атлас, значительно больше и ограничивается объемом CD или DVD дисков. В бумажном варианте объем информации по карте зависит от размера страницы, а объем всего атласа чаще всего лимитируется стоимостью издательских работ.

При всех преимуществах мультимедийного варианта традиционный бумажный атлас остается предпочтительнее из-за удобства его использования.

В целом процесс проектирования мультимедийного атласа аналогичен традиционному [17]. Подготовленная программа для бумажного варианта атласа является основой для разработки сценария мультимедийного.

Вместо обложки атласа разрабатывается заставка, возможности ее дизайна неограниченны. Далее следует содержание атласа, где представлены кнопки с названиями разделов и соответствующих карт для перехода в окно с интересующей картой (рис. 5.1). Окно с картой (рис. 5.2) содержит кроме растрового изображения самой карты кнопки для перехода к дополнительным сведениям — таблицам, диаграммам, текстам, снимкам, видео - и аудиосюжетам. Особое место занимает разработка дизайна атласа. Здесь возможно применение различных эффектов (звуковых, анимационных), предоставляемых программной оболочкой.

Раздел 2. Мерзлота

Мерзлотно-ландшафтная карта )

Вечная мерзлота: распространение, температура, льдистостъ Температура многолетнемерзлых пород j Мощность многолетнемерзлых пород С

Льдистостъ мерзлых пород 3 Криолитологическая карта Типы мерзлых пород Засоление мерзлых пород Криогенные процессы Сезонное промерзание и протаивание ) [ Динамика сезонного промерзания и протаивания

Запасы органического вещества и эмиссия парниковых газов

Развитие многолетнемерзлых пород в четвертичный период (4 эпохи)

Прогноз эмиссии парниковых газов при глобальном изменении климата

Тенденции развитая криолитозоны при глобальном изменении климата (серия карт на определенные температуры в будущем)

Рис. 5.1. Окно мультимедийной версии Мерзлотно-экологияеского атласа криолитозоны России

Электронная (мультимедийная) версия атласа представляет собой аналог традиционной, дополненная всевозможной информацией (текст, звук, видео, анимации, графика), что дает возможность одновременного воздействия сразу на несколько каналов восприятия человека. Ее использование ограничивается просмотром цифрового аналога традиционной версии и выполнением простейших операций с изображениями: изменение масштаба изображения и получением бумажных копий на устройствах вывода на печать. Создается электронная версия одновременно с традиционной по мере составления и записи оригиналов карт на оптические диски. Это значительно снизит затраты на подготовку обеих версий.

Рис. 5.2. Окно мультимедийной версии Мерзлотно-экологического атласа криолитозоны России. Карта «Криогенные процессы и формы рельефа»

Геоинформационное картографирование (ГК) - программно управляемое создание и использование карт на основе ГИС и баз картографических данных и знаний. ГК - отрасль картографии, его суть составляет информационно-картографическое моделирование геосистем [14]. Приоритетным направлением в ГК остается создание компьютерной карты, оригиналов и печатных форм, а также печать картографических изображений. Геоинформационное картографирование не сводится только к использованию ГИСтехнологий. Это, прежде всего, картографирование объектов и явлений, основанное на методах анализа и синтеза их содержательной сущности [85, 86].

Создание электронного атласа и опыт традиционного картографирования способствовали развитию мерзлотного геоинформационного картографирования.

С использованием ГИС-технологий подготовлены карты Активизация мерзлотных процессов для Экологического атласа России, Вечная мерзлота: распространение, температура, льдистость, Сезонное промерзание и протаивание грунтов для Национального атласа России, 9 карт составлено (из них 6 издано) для Атласа Ямало-Ненецкого автономного округа, 19 карт (14 издано) Атлас Ханты-Мансийского автономного округа. Для Мерзлотно-экологического атласа России составлены следующие карты: Криолитозона Земли

Административно-территориальное деление

Физико-географическая карта

Карта хозяйственного освоения криолитозоны

Ландшафтная карта

Мерзлотно-ландшафтная структура

Распространение, температура

Мощность

Льдистость мерзлых пород Криогенные процессы и формы рельефа Сезонное промерзание и протаивание

Оценка влияния растительности на формирование температурного поля мерзлых пород Потенциальная устойчивость ландшафтов

Активизация мерзлотных процессов при механическом воздействии Кризисные экологические ситуации Мерзлотно-экологическая карта Западной Сибири

Очевидно, что применение ГИС-технологий в изучении вечной мерзлоты способствует как развитию науки криолитологии, так и мерзлотного и мерзлотно-экологического картографирования.

Заключение

Основной итог диссертационного исследования: теоретически разработаны и апробированы концепция, методы и приемы комплексного мерзлотно-экологического ГИС-картографирования России; определена основная задача мерзлотно-экологического картографирования: учет антропогенного воздействия и (или) глобального изменения климата на состояние мерзлотно-ландшафтных комплексов и прогноз тенденций их развития; выделена основная территориальная единица картографирования - мерзлотно-ландшафтный комплекс.

В процессе исследования получены следующие результаты:

1. Разработаны тематика мерзлотно-экологического раздела в региональных атласах, апробированы подходы к региональному мерзлотно-экологическому картографированию — системный, комплексный, исторический и динамический. При этом соблюдались основные принг\ипы: показ информации от общего к частному; последовательная логическая взаимосвязь карт; постепенное расширение и детализация информации; применение ГИС-анализа и визуализация его результатов в легендах карт.

2. Разработана концепция Мерзлотно-экологического атласа криолитозоны России. Атлас включает три раздела: «Природа и хозяйство», «Мерзлота», «Геоэкология криолитозоны». В разделах соответственно отражены природно-хозяйственная обстановка существования мерзлых пород, общие закономерности существования мерзлоты и ландшафтов криолитозоны, мерзлотно-экологическая оценка состояния ландшафтов в результате техногенеза и при климатических изменениях. Разработаны программа атласа и карт, сценарий его мультимедийного варианта, структура картографической базы данных «Криолитозона России».

3. Разработаны методы создания, содержание, принципы оформления ряда мерзлотных и мерзлотно-экологических карт с применением геоинформационных технологий (для мерзлотно-экологического атласа криолитозоны России, атласов Ямало-Ненецкого автономного округа, Ханты-Мансийского автономного округа — Югры, Экологического атласа России, Национального атласа России); всего составлено 44 карты, из них издано 24 карты.

4. На основе БД «Криолитозона России» проведены подсчет площадей и анализ взаимосвязей ландшафтов и мерзлотных условий для общих геоэкологических оценок:

• площадь криолитозоны России 65% от площади России; в пределах криолитозоны России рассчитана площадь мерзлых и талых пород раздельно: площадь ММП составляет 60-82% от криолитозоны России или 38-53% площади России; область сплошной мерзлоты занимает 49% криолитозоны, прерывистой — 22%, массивно-островной - 17%, островной — 12%;

• произведена оценка криолитозоны в соответствии с геоморфологическими условиями, выявлено, что 40% составляют низко- и среднегоръя, по 26% приходится на равнин ы низменные и возвышенные, 6% - высокогорья и 2% - речные долины,

• наибольшее мерзлотно-ландшафтное разнообразие отмечается в областях прерывистой и массивно-островной мерзлоты, сходство этих областей свидетельствует об относительности границы между ними;

• наиболее однозначна связь между ландшафтами и мерзлотой для крайних северных и южных территорий; в пределах полярных пустынь, арктических тундр, пояса горных тундр и гольцов мерзлота имеет только сплошное распространение; в степи Восточной Сибири и южной тайге Дальнего Востока фиксируют только острова мерзлых пород, во всех остальных ландшафтах наблюдается 2-3 типа мерзлоты; ряд ландшафтов являются транзитными для всех типов мерзлоты - южная тундра, лесотундра, северная тайга равнин, горные лиственничные и сосновые леса;

• ландшафты, занимающие максимальную площадь (типичные) во всех областях мерзлоты, относятся к районам Средней и Восточной Сибири, как наиболее обширным платформенным массивам с достаточно однородными мерзлотно-ландшафтными условиями, сложившимися в ходе длительного исторического развития.

Разработанные теоретическая концепция, методы и приемы мерзлотно-экологического картографирования позволяют использовать предложенный подход при картографировании вечной мерзлоты на федеральном и региональном уровне, а методы мерзлотно-экологического ГИС-картографирования - для изучения мерзлотно-ландшафтных взаимосвязей, оценки и прогноза мерзлотно-экологических ситуаций, выработки рекомендаций по обеспечению мерзлотно-экологического равновесия в криолитозоне.

Перспективы дальнейших исследований в криолитозоне могут быть связаны с изучением ландшафтной индикации мерзлотных условий на разных уровнях картографирования и в разных природных регионах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат географических наук Королева, Наталья Александровна, 2011 год

1. Активизация мерзлотных процессов. 1:20 ООО ООО. / Авт. Тумель Н.В., Королева H.A., Востокова A.B.//Экологический атлас России. СПб: Изд-во ЗАО «Карта», 2002, с. 50, 51.

2. Атлас Алтайского края. М. Барнаул, 1978. 222 с.

3. Атлас Забайкалья (Бурятская АССР и Читинская обл.). М. Иркутск, Изд. ГУГК, 1967, 176с.

4. Атлас Иркутской области. Москва, Иркутск: ГУГК, 1962.

5. Атлас природных и техногенных опасностей и рисков чрезвычайных ситуаций в

6. Российской Федерации / Под ред. В.И. Осипова, С.К. Шойгу. М.: ИЦП «Дизайн.

7. Информация. Картография», 2005. 270 с.

8. Атлас снежно-ледовых ресурсов Мира. РАН, М., 1997.

9. Атлас Тюменской области, вып.1. М.-Тюмень, ГУГК, 1971. Листы 14, 15.

10. Атлас Ханты-Мансийского автономного округа Югры. Том II. Природа. Экология. Ханты-Мансийск-Москва: ООО НПФ «Талка-ТДВ», 2004. С.53-57, 59.

11. Атлас Ямало-Ненецкого автономного округа. Омск: Омская картографическая фабрика, 2004. С. 164-167.

12. Афанасенко В.Е., Булдович С.Н., Гарагуля Л.С., Оспенников E.H., Изменение геокриологических условий на участке газовых месторождений на севере Западной Сибири // Геоэкология. 1997. №3. С. 50-55.

13. Афанасенко В.Е., Гарагуля Л.С., Оспенников E.H., Нистратова Т.А. Развитие опасных геокриологических процессов на центральном участке БАМ // Геоэкология. 1995. №4. С. 94-103.

14. Баду Ю.Б. Криолитология: учебное пособие. М.: КДУ, 2010. 528с.

15. Банки географических данных для тематического картографирования / Под ред. К.А. Салищева, С.Н. Сербенюка. М.: Изд-во Моск.ун-та, 1987. 188 с.

16. Берлянт A.M., Востокова A.B. и др. Картоведение: Учебник для вузов. М.: Аспект Пресс, 2003. 477 с.

17. Берлянт A.M. Геоинформационное картографирование. М.: Астрея, 1997. 64 с.

18. Берлянт A.M. Картографический метод исследования. М., 1978. 252 с.

19. Богданов Н. С. Вечная мерзлота и сооружения на ней. СПб: Типогр. т-ва «Общества польза», 1912. 220 с.

20. Будыко М.И. Изменение климата. JL: Гидрометеоиздат, 1974.

21. Быкова О.Ю. Антропогенная трансформация ландшафта и анализ экологических ситуаций ЯНАО / Авт. диссер. // М.: ин-т географии РАН, 1995.

22. Вейсман Л.И. Обобщенная классификация криогенных процессов и явлений // Криогенные процессы. М.: Наука, 1978. С. 3-9.

23. Вечная мерзлота и освоение нефтегазоносных районов / Под. ред. Е.С. Мельникова и С.Е. Гречищева. М.: ГЕОС, 2002. 402 с.

24. Воскресенский К.С. Современные рельефообразующие процессы на равнинах Севера России // Научн. ред. и предисловие проф. Ю.Г. Симонова. М.: Изд-во Геогр. ф-та МГУ, 2001.262 с.

25. Востокова A.B., Кошель С.М., Ушакова Л.А. Оформление карг. Компьютерный дизайн: Учебник.- М.: Аспект Пресс, 2002. 288 с.

26. Гарагуля Л.С., Гордеева Г.И., Хрусталев Л.Н. Оценка геоэкологического состояния природно-технических систем в криолитозоне //Геоэкология. 1997. №4. С. 40-52.

27. Гарагуля Л.С., Гордеева Г.И., Шаталова Т.Ю. О содержании и методике составления эколого-геологических карт криолитозоны // Вестн. Моск. Ун-та. Сер.4. Геология. 2001. №1. С. 40-48.

28. Гарагуля Л .С. и др. Особенности распространения опасных геокриологических процессов в криолитозоне России // Вестн. ун-та. Сер. геол. 1996. №4. С. 94-103.

29. Гарагуля Л.С., Пармузин С.Ю. Признаки оценки устойчивости территории к изменеииям природных факторов и техногенным воздействиям в области вечной мерзлоты // Мерзлотные исследования. Вып XIX. М.: Изд-во МГУ, 1980. С. 53-59.

30. Гарагуля Л.С., Шаталова Т.Ю., Гордеева Г.И. Методика составления оценочной карты потенциальных термокарстовых просадок // Мерзлотные исследования. М.: Изд-во МГУ, 1986. С 77-95.

31. Геоинформатика. / Под ред. проф. В. С. Тикунова. Классический университетский учебник. М.: Академия, 2005. 480с.

32. Геокриологическая карта СССР. 1: 2 5 00 000. / Под ред. Э.Д, Ершова. Винница: Карт. Предприятие. 1997.

33. Геокриологическая карта СССР. 1: 5 000 000. / Под ред. И.Я. Баранова. ГУГК, 1977.,33.36,37.38,39.40,41.42,43,44,45,46