Примеры ГИС при проведении ОВОС
Наиболее динамично ГИС технологии в настоящее время внедряются при создании проектов в нефтяной и газовой промышленности. Поэтому приведем два примера ГИС, реализованных в этой области.
Первый пример – ГИС экологического сопровождения инвестиционно-строительных проектов в нефтегазовой отрасли, предложена В. В. Хромых (2002). По типологии экологические ГИС можно отнести к классу научно-производственных систем локального уровня. Как правило, они охватывают территорию площадью 50-500 км2 и создаются в масштабе 1:25000 и крупнее. Можно выделить пять основных этапов применения ГИС при экологическом сопровождении инвестиционно-строительных проектов:
¨ создание электронной ландшафтной карты, база данных которой должна объединять сведения обо всех компонентах геосистем, включая информацию о наличии и стоимости промысловых видов природных ресурсов (экономическая составляющая БД);
¨ оценка устойчивости геосистем (и их отдельных компонентов) к различным видам антропогенного воздействия на основе интегральных балльных оценок по факторам устойчивости и добавление этих оценок в базу данных электронной ландшафтной карты (экологическая составляющая БД);
¨ интеграция карт устойчивости ландшафтов к техногенной нагрузке с картами объектов обустройства и выделение потенциально опасных для хозяйственного освоения участков территории (оценка экологического риска);
¨ выбор оптимальной стратегии при проектировании с учетом как экономической, так и экологической составляющих базы данных (поддержка принятия управленческих решений);
¨ организация на базе ГИС системы экологического мониторинга с использованием материалов наземных (полевых) наблюдений и ДДЗ, включая космические снимки сверхвысокого разрешения.
Основной объем пространственной информации, хранящейся в системе, составляют данные, полученные в результате пространственного анализа в ГИС. Таким образом, информационный КПД подобной системы достигает 300-400%. В роли информационных полюсов выступают ландшафтная карта и цифровая модель рельефа. От этих полюсов «меридианами» расходятся информационные связи с другими, в основном производными тематическими картами. Пересечения информационных потоков от «природных» и «хозяйственных» элементов системы порождают «эколого-экономический» информационный банк данных, служащий основой при обосновании выбора различных вариантов хозяйственного использования территории. Поддержка принятия управленческих решений в экологической ГИС реализуется за счет интеграции пространственных данных естественного (природного) и антропогенного (хозяйственного) характера и создания единого «эколого-экономического» пространства, где экономические и экологические показатели находятся в тесной взаимосвязи. Это позволяет менеджеру довольно быстро и легко получить ответ на запросы, возникающие в процессе управления окружающей средой.
В качестве программного обеспечения используются продукты ESRI Inc.: полнофункциональный программный комплекс ArcInfo и настольная ArcView GIS с модулями Spatial Analyst и 3D Analyst. Для работы с ДДЗ лучше всего подходит ERDAS IMAGINE (ERDAS Inc.). Такой выбор обусловлен отличной сочетаемостью этих программ друг с другом, потрясающей функциональностью и скоростью при работе с большими объемами пространственных данных.
На начальном этапе доступны, как правило, следующие исходные данные:
¨ топографические карты масштаба 1:25000;
¨ карты лесной инвентаризации (кадастровые данные лесотаксационной съемки) масштаба 1:50000;
¨ почвенные карты масштаба 1:100000 и мельче;
¨ геологические карты масштаба 1:200000;
¨ проектная документация (карты транспортных коридоров и хозяйственных объектов масштаба 1:10000 и крупнее);
¨ материалы полевых исследований (ландшафтные профили, геоботанические площадки, точки отбора проб и их координаты на основе GPS-съемки).
Важным источником информации служат ДДЗ: материалы многомаршрутной аэрофотосъемки масштаба 1:10000 или 1:15000, а также космические снимки высокого и сверхвысокого разрешения (Ресурс-О, SPOT, IRS, Ресурс-Ф, Комета, Ikonos и т.п.). Геологические, почвенные карты и космические снимки со спутников «Ресурс-О» в силу большой невязки масштаба с остальными источниками использовать напрямую для шифрования и пространственных операций в ГИС затруднительно, однако их необходимо активно применять при составлении ландшафтной карты на начальном этапе для определения границ геосистем более высокого иерархического уровня (типов местности).
Построение цифровой модели рельефа (ЦМР) осуществляется при помощи команды Createtin в ArcInfo. Источником данных служат оцифрованные с топоосновы высотные отметки (mass points), горизонтали, гидросеть и урезы воды (breaklines). Для корректировки используются материалы полевых исследований (нивелирные трассы ландшафтных профилей и материалы проектировщиков). Полученная триангуляционная сеть служит основой для последующих карт углов наклона поверхности, экспозиций склонов (команда Tinarc), геохимических миграций на основе поверхностного стока, а также трехмерных моделей.
При создании ландшафтной карты сначала определяются границы типов местности. Ведущая роль при дифференциации отводится геоморфологическим факторам. Большое значение при этом имеет ЦМР. Так, к склонам междуречий можно отнести все смежные территории (треугольники сети) с углами наклона, превышающими 2,5-3° (команда Eliminate). Следующим шагом является определение границ геосистем уровня урочищ. На этом уровне районирования усиливается роль границ растительного и почвенного покрова. Для определения границ типов растительности используются ДДЗ. Аэрофото- и космические снимки дешифрируются в пакете ERDAS IMAGINE. Для этого они сначала привязываются к растру топокарты, затем выделяются полигоны со сходной яркостью и структурой изображения и сопоставляются с данными топокарты, лесной инвентаризации и полевых наблюдений.
Полученный слой полигонов конвертируется в систему ArcInfo. При оверлейных операциях особенно осторожно следует подходить к удалению «паразитных» полигонов (команда Eliminate), так как, например, большинство ландшафтов в центральной пойме имеет вытянутую структуру. Для наполнения атрибутивной базы данных по типам урочищ можно создать простой файл (ТХТ) в таблице INFO, а затем с помощью команды Joinitem осуществить слияние атрибутивной БД (ТХТ) с пространственной (PAT). В результате получается гигантская база данных, где по каждому полигону ландшафтной карты имеются сведения (атрибуты) о каждом компоненте ландшафта.
Для определения устойчивости ландшафтов к различным видам антропогенного воздействия можно использовать интегральные балльные оценки по следующим факторам устойчивости:
¨ мощность геосистемы (общая биомасса);
¨ увлажненность (соответствие накопленной в системе влаги величине испаряемости);
¨ возможность развития эрозионных процессов;
¨ динамическое состояние.
Так, для оценки эрозионной опасности земель необходимо определить средний уклон каждой геосистемы. Для этого в Arclnfo проводится наложение (команда Intersect) ландшафтной карты и карты рельефа на основе TIN (команда Tinarc), а затем статистический анализ средствами ArcView GIS полученного векторного покрытия, в котором каждому полигону соответствует только один тип ландшафтной системы и только один участок (треугольник) триангуляционной сети (TIN) с полным набором атрибутивной информации в базе данных (площадь, тип урочища, угол наклона, экспозиция склона и т.п.). Полученная балльная оценка должна быть усилена дополнительными коэффициентами КР (наличие растительности) и КП (характер почвенного покрова).
Применение ГИС выводит процесс принятия управленческих решений в экологическом менеджменте на совершенно новый качественный уровень. Возникает возможность детальной оценки каждого варианта проекта по степени воздействия на каждый из компонентов природного комплекса и на геосистему в целом. При этом можно оценить также экономическую эффективность каждого варианта. Например, при прокладке коридоров коммуникаций необходимо рассчитать прямой экономический ущерб промысловым видам природных ресурсов из-за изъятия земель. Для этого в Arclnfo (команда Intersect) происходит сложение ландшафтной карты с картой транспортных коридоров и отбрасывается вся остальная территория, не попадающая в зону отвода земель. Вычисляется площадь каждого ландшафта в полосе отвода и ущерб из-за изъятия промысловых видов природных ресурсов (так как каждый ландшафт в базе данных будет содержать сведения о наличии и урожайности этих ресурсов). Выделение «буферных зон» для границ некоторых ландшафтов позволяет уточнить оценку (скажем, клюква имеет наибольшую урожайность по окраинам болот). Используя карту геохимических миграций на основе поверхностного стока, построенную с помощью ЦМР, можно с высокой степенью достоверности предсказать участки возможного подтопления автодорог.
По завершении строительства на базе ГИС организуется система экологического мониторинга территории с использованием ДДЗ.
Второй пример. Применение геоинформационных технологий для проектирования объектов добычи и транспортировки ямальского газа.
При проектировании освоения газоконденсатных месторождений полуострова Ямал требуется «прозрачный» доступ ко всей имеющейся информации о природной среде и характеристиках планируемых или уже существующих промышленных объектов. По этим причинам возрастает внимание к вопросам управления данными по природному комплексу (гидрометеорология, гидрология-гидрохимия, экология, ледовые условия, загрязнение и т.п.) как к взаимосвязанному и интегрированному процессу их обработки, отражаемому схемой «данные об объекте – требуемая информация об объекте».
В связи с этим в Программе РАО Газпром по освоению месторождений полуострова Ямал поставлена задача разработки специализированной информационной системы (СИС-Ямал). Назначение системы состоит в реализации интегрированной информационной технологии накопления, обработки и преобразования данных в достоверную и комплексную информацию, которая необходима для анализа и интерпретации происходящих процессов и явлений в природной и социальной сфере, принятия обоснованных проектных и управленческих решений по объектам ГКМ.
1. Архитектура системы СИС-Ямал представляет собой сложную информационную систему. Рассмотрим ее структуру в общем виде, достаточном для понимания принципиальных моментов построения и использования. Базовый уровень системы представляют так называемые компоненты (инструментальные программные системы, стандарты представления и обмена данными, коды и кодификаторы и др.), образующие среду для разработки функциональных подсистем СИС-Ямал (рис. 7).
Первый (входной) блок системы – подсистема архивного банка (АБД) – накапливает данные о промышленных объектах и окружающей среде, систематизирует и преобразует их во внутренние информационные стандарты СИС-Ямал. Результатом работы АБД являются независимые и документированные файлы данных по различным сферам (гидрометеорология, геокриология, геоморфология, биота и др.) и регионам (Байдарацкая губа, Бованенковское ГКМ и др.). Модель информационного фонда АБД строится в контексте модели предметной области.
Сформированные в АБД массивы данных поступают в следующий блок системы – интегрированный банк данных (ИБД). Основное назначение ИБД состоит в поддержании данных в связанном состоянии на основе более сложной модели, учитывающей как предметную область системы, так и функциональные требования, возникающие в различных ситуациях использования данных для проектирования характеристик промышленных объектов и решения других задач. Результатом работы ИБД является комплексная база данных (результаты наблюдений и расчетов, литературные данные, топографические и тематические карты и др.), поддерживаемая в актуальном состоянии для «питания» следующего блока – подсистемы проблемно-ориентированных приложений (ПРОП). В широком смысле ПРОП можно представить в виде совокупности специально подобранных (под конкретную задачу) тематических данных, ранее полученных знаний и прикладных программ, реализующих методы и модели расчетов характеристик природной среды, которые интегрированы в виде информационно-технологического комплекса для получения новой информации, необходимой при выборе экологически оправданных и экономически выгодных проектных решений по освоению ГКМ полуострова Ямал. Одной из наиболее важных задач информационного обеспечения, которую выполняет подсистема, является оценка возможных воздействий проектируемых промышленных объектов на окружающую среду (так называемая задача ОВОС). Подсистемы СИС-Ямал взаимосвязаны, так как они разработаны с применением единых компонент. В качестве основной компоненты в СИС-Ямал используется геоинформационная технология в виде серии программных продуктов фирмы ESRI для персональных компьютеров – Arc View GIS 3.0a., Spatial Analyst 1.0a, Dialog Designer. Эти программные средства широко применяются в наиболее приближенном к пользователю блоке СИС-Ямал – в подсистеме ПРОП.
2. База данных подсистемы. При решении прикладных задач (в частности, ОВОС) подсистема ПРОП должна предоставить пользователю возможность использовать:
¨ первичные данные наблюдений об окружающей среде и принятых характеристиках промышленных объектов (фактографические данные);
¨ результаты обработки и обобщения материалов наблюдений в ходе предыдущих научных исследований в виде текстовых описаний, графиков и т.п. (текстовые данные);
¨ топографические и тематические карты, географически привязанные результаты гидродинамического и вероятностного моделирования характеристик природной среды (пространственные данные).
Стандартизация и систематизация фактографических, текстовых и пространственных данных обеспечивается другими подсистемами СИС-Ямал (подсистемами архивного и интегрированного банка данных) в процессе выполнения более ранних (по отношению к решению прикладных задач) этапов информационной поддержки, реализуемой системой в целом. Наиболее актуальные с позиции ПРОП аспекты подготовки данных – единство средств идентификации объектов (данных, моделей и т.п.) и представления их во входных документах по отношению к подсистеме. Унифицированность объектов в ПРОП поддерживается специально разработанными или выбранными из существующих кодами, кодификаторами и классификаторами для данных по различным аспектам природной и социальной сред. Единые средства представления данных на носителях составляют более 25 стандартов на форматы фактографических и текстовых данных и метаданных. При этом для описания структур фактографических данных используется язык архивных данных, разработанный во ВНИИГМИ-МЦД. Для оцифровки пространственных данных применяются стандарты продуктов ESRI в виде:
¨ формата покрытий ARC/INFO для подготовки цифровых карт топографической основы;
¨ формата шейп-файлов ArcView для цифровых тематических карт.
Наиболее ответственным этапом подготовки данных для ПРОП является создание фонда картографических материалов по району освоения газоконденсатных месторождений полуострова Ямал. Основной информационной единицей топографической основы являются листы карт масштаба 1:1000000 (мелкомасштабные), 1:100000 (крупномасштабные), 1:25000 (детальные).
Топографическая основа представляет набор структурированных в виде отдельных покрытий данных о местности в проекции Гаусса-Крюгера (Пулково-42), вычисленной для шестиградусной зоны по параметрам эллипсоида Красовского, в установленных для данной проекции системах координат и высот. Тематические карты, отражающие состояние окружающей (природной и антропогенной) среды и требуемые для решения задачи ОВОС, привязаны к единой топографической основе.
3. Основные особенности построения ПРОП. Подсистема разрабатывается в виде ГИС-приложений в инструментальной среде ArcView GIS 3.0а. Структурно ГИС-приложение ПРОП состоит из базового фрагмента, разработанного на языках Avenue и Visual Basic с применением Dialog Designer, который обеспечивает общие функции по управлению данными, вызову прикладных программ, назначению сценариев моделирования и расчетов, визуализации и пространственному анализу полученных результатов и аналитических модулей (прикладных программ), выполняющих операции по тематической обработке данных и подключаемых к ГИС-приложению. Взаимодействие перечисленных элементов ПРОП и базы данных осуществляется в соответствии со следующими выработанными информационно-программными стандартами:
¨ информационного интерфейса для поддержки обмена данными между базовым и аналитическим модулями, отображения и анализа полученных результатов;
¨ программного интерфейса для осуществления инициализации аналитических модулей в подсистеме и организации их вызова из базового фрагмента.
Информационный интерфейс базового фрагмента ПРОП и аналитических модулей осуществляется на основе применения специально разработанного псевдоязыка в виде набора конструкций для описания:
¨ аналитического модуля перед его инициализацией в подсистеме;
¨ входных параметров сценария расчета, требуемых для работы аналитического модуля;
¨ выходных результатов по окончании работы модуля и их представления (включая геообъекты) и анализа средствами ArcView GIS и Spatial Analyst.
Общее управление данными и заданиями в ПРОП осуществляется базовым фрагментом, при этом пользователю предоставляется взаимосвязанный набор инструментов, с помощью которых реализуется процесс анализа данных и выбора оптимальных проектных решений по размещению промышленных объектов и особенностям их эксплуатации:
¨ навигатор – средство выбора задания, поиска и отбора необходимых данных в БД;
¨ рабочая карта – экран для выполнения заданий и просмотра их результатов;
¨ редактор сценариев – диалоговое окно для ввода параметров для работы аналитических модулей;
¨ исполнитель – диалоговая система работы аналитических модулей;
¨ сборщик отчета – средство для интеграции данных из различных источников ПРОП и получения твердых копий.
В текущей версии ПРОП пользователь может получить параметры для оценки воздействия на окружающую среду технических сооружений в районе исследований, задавая собственные характеристики объектов и особенности их влияния для:
¨ планирования сброса грунтов в районе перехода газопровода через Байдарацкую губу;
¨ проведения гидроиспытаний технических средств транспортировки газа через губу;
¨ планирования характеристик трубопровода в связи с возможным расцеплением грунтов под ним;
¨ оценки экологических последствий атмосферного переноса газа при эксплуатации объектов Бованенковского ГКМ;
¨ планирования мероприятий в связи с подъемом уровня рек в районе Бованенковского ГКМ;
¨ планирования мероприятий в связи с эрозией ландшафтных образований в поймах рек.