Ландшафтный анализ территории средствами ГИС-технологий при планировании хозяйственной деятельности :

Краткое описание

Оглавление

Введение 5

1. Комплексная оценка территории и ландшафтный подход при

предпроектном территориальном анализе 11

1.1. Комплексная оценка территории 11

1.2. Правила комплексной оценки территории 23

1.3. Способы выражения оценки 28

2. Информационное обеспечение инженерно-ландшафтной оценки территории 40

2.1. Создание электронной инженерно-ландшафтной карты 40

2.2. Обоснование характеристик природной оценки территории 44

2.3. База картографической, атрибутивной и аэрокосмической информации 62

2.4. Геоинформационная обработка данных 69

3. Методические приёмы обработки данных при построении электронных карт инженерно-ландшафтной направленности 80

3.1. Обработка картографических и атрибутивных данных и создание электронной картографической основы 80

3.2. Создание электронных карт по характеристикам инженерно-ландшафтной карты 86

4. Применение инженерно-ландшафтной ГИС на этапе предпроектных исследований 98

4.1. Анализ электронных карт по характеристикам инженерно-ландшафтного картографирования 98

4.2. Оценка природных комплексов в целях использования при промышленном и гражданском строительстве 121

Заключение 143

Список использованной литературы 146

Приложения

Приложение 1. Факторы оценки территории для промышленно-гражданского строительства

Приложение 2. Карта-схема углов наклона рельефа модельных участков юго-востока Томской области

Приложение 3. Карта-схема экспозиции склонов модельных участков юго-востока Томской области

Приложение 4. Гипсометрическая карта-схема модельных участков юго-востока Томской области

Приложение 5. Карта-схема вертикального расчленения рельефа модельных участков юго-востока Томской области

Приложение 6. Карта-схема горизонтального расчленения рельефа модельных участков юго-востока Томской области

Приложение 7. Фрагмент карты оценки первой и второй производных высоты

Приложение 8. Дороги, населённые пункты, садовые участки, памятники природы, овраги, оползни модельных участков юго-востока " Томской области

Приложение 9. Карта-схема морфологических типов рельефа модельных участков юго-востока Томской области (по данным В.В. Хахалкина (1984) с добавлениями автора)

Приложение 10. Карта-схема гранулометрического состава поверхностных отложений модельных участков юго-востока Томской области (по данным В.В. Хахалкина (1984) с добавлениями автора) Приложение 11. Карта-схема стратиграфо-генетических комплексов модельных участков юго-востока Томской области (по данным Г.Д. Ваганова, А.И. Тимофеева (1973), Н.А. Ермашовой, Т.Я. Емельяновой (1973), В.Л. Карлсона, Т.Я. Емельяновой (1975) с добавлениями автора)

Приложение 12. Почвенная карта-схема модельных участков юго-востока Томской области (по данным В.В. Хахалкина (1984) с добавлениями автора)

Приложение 13. Геоботаническая карта-схема ландшафтных выделов модельных участков юго-востока Томской области (по данным В.В. Хахалкина (1984) с добавлениями автора)

Приложение 14. Обзорная карта-схема модельных участков юго-востока Томской области

Приложение 15. Гидрографическая карта-схема модельных участков юго-востока Томской области

Приложение 16. Инженерно-ландшафтная карта-схема модельных участков юго-востока Томской области

Приложение 17. Таблица-легенда к инженерно-ландшафтной карте Приложение 18. Карта-схема оценки благоприятности природных комплексов для целей промышленно-гражданского строительства модельных участков юго-востока Томской области.
Введение

Введение

Актуальность работы. Главной целью природопользования в настоящее время является организация эффективного, экономически оправданного хозяйствования при обязательном сохранении разнообразия природной среды. Для решения задач природопользования необходимым является интегральный, или комплексный подход. Комплексная оценка территории является первой операцией предпроектного анализа территории, который позволяет оценить потенциальные возможности осваиваемого района. Предпроектный анализ - комплекс мероприятий направленный на многостороннее изучение природных и техногенных условий территории, на которой планируется проведение хозяйственных мероприятий. Проблемы комплексной оценки территории были детально разработаны в работах, посвященных районной планировке (Перцик Е.Н. (1973), Владимиров В.В. (1982), Исаченко А.Г. (1980), Ревзон А.Л. (1992)).

В XX веке учёными был поставлен вопрос о необходимости защиты интересов природы при проектировании промышленных объектов и освоении территорий. В это же время при планировании хозяйственных объектов стали применять инженерно-экологические изыскания и экологические обоснования проектов, где, кроме природных условий, непосредственно влияющих на условия строительства, изучаются все компоненты окружающей среды исследуемой территории. А.А. Шляпниковым (1974) и А.Г. Исаченко (1980) предложен подход к комплексной оценке территории для инженерных целей, основанный на ландшафтной дифференциации.

В связи с тем, что информация о ландшафтах характеризуется большой сложностью, необходима автоматизация таких работ, чему способствует применение геоинформационных технологий, которые в последнее десятилетие активно внедряются во многие научные направления и в соответствующие отрасли промышленности. Работ по созданию

геоинформационного обеспечения предпроектного ландшафтного анализа мало. Предлагаемое исследование посвящено этой проблеме.

Целью работы является разработка методики геоинформационного обеспечения комплексной оценки территории и создание инженерно-ландшафтной ГИС для предпроектных решений.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и последовательно решены следующие задачи:

1. Обосновать создание инженерно-ландшафтной географической информационной системы.

2. Подобрать и обосновать факторы комплексной оценки территории на предпроектном этапе исследования.

3. Создать базу картографической и атрибутивной ландшафтно-экологической информации, необходимой для предпроектных работ.

4. Разработать принципы и методы геоинформационной обработки данных при построении электронных карт инженерно-ландшафтной направленности.

5. Разработать методические приёмы создания инженерно-ландшафтной ГИС для предпроектных решений.

6. Провести комплексную оценку модельных участков на основе геоинформационных технологий.

Объекты исследования. В качестве модельных территориальных объектов исследования выбраны два участка нижнего Притомья, находящиеся вблизи города Томска:

1) Модельный участок на Обь-Томском междуречье в рамках листов топографических карт 0-45-121 (восточная половина) и O-45-122;

2) Модельный участок на Томь-Яйском междуречье в рамках листов топографических карт O-45- 111, O-45-112 (западная половина), 0-45-123 (северная половина), O-45-124 (северо-западная четверть).

Эти территории были выбраны в связи с тем, что на них с высокой вероятностью будут размещены наиболее характерные для Томской области (и Западной Сибири в целом) промышленные объекты, связанные с разработкой и транспортом природных ресурсов. Кроме того, эти территории являются самыми заселёнными и освоенными в Томской области, здесь располагаются два крупных города Томск и Северск, активное воздействие человека на природу производится около 400 лет. На первом участке (Обь-Томское междуречье) располагается водозабор города Томска. Для обоих участков характерно пригородное сельское хозяйство. В окрестностях города Томска также существует необходимость в развитии рекреационных ресурсов и заповедовании определённых участков. Выбранные модельные участки в целом имеют довольно сложную структуру с большим набором природных комплексов: пойм, надпойменных террас, ложбин древнего стока, склонов, плакоров, холмисто-западинных водоразделов, дренированных междуречий, низинных и переходных болот.

Исходные материалы. При выполнении работы автором использовались: топографические карты масштаба 1:100000, отраслевые тематические карты на исследуемую территорию, научные тематические источники, СНиПы, материалы геологического фонда Комитета природных ресурсов по Томской области.

Методы исследования. В работе при создании ГИС и электронных карт использовались картографический и геоинформационный методы исследования, математические методы и расчёты, моделирование, при ландшафтном анализе - статистические методы. В качестве программного обеспечения при создании инженерно-ландшафтной ГИС использовались: ГИС-пакет ArcView GIS 3.2а с модулями расширения 3d Analyst 1.0 и Spatial Analyst 2.0a (ESRJ), редактор таблиц Microsoft Excell (Microsoft), редактор баз данных Microsoft Access (Microsoft), векторизатор EasyTrace 6.2 (EasyTrace Group).

Положения, выдвигаемые на защиту:

1. Инженерно-ландшафтные геоинформационные системы обеспечивают повышение оперативности и эффективности работ на этапе инженерно-экологических изысканий.

2. Для создания инженерно-ландшафтной географической информационной системы разработана методика, включающая технологические процедуры обработки баз данных, разработки программ и построения тематических карт и инженерно-ландшафтной карты.

3. Комплексная оценка территории на основе инженерно-ландшафтной ГИС позволяет оптимизировать выбор вариантов освоения территории для различных хозяйственных целей.

Научная новизна работы состоит в том, что разработаны методические приёмы построения инженерно-ландшафтной ГИС и создана на их основе инженерно-ландшафтная геоинформационная система. Разработаны принципы и методы геоинформационной обработки данных при построении электронных карт инженерно-ландшафтной направленности. Создана база картографической и атрибутивной ландшафтно-экологической информации, необходимой для предпроектных работ. Впервые для наиболее освоенной и заселенной территории Томской области выполнен комплексный анализ ландшафтов средствами ГИС-технологий для предпроектных задач. Составлены среднемасштабные (1:100000) цифровые карты ключевых территорий, характеризующие основные компоненты ландшафта и локализацию ландшафтных систем.

Практическая значимость работы заключается в:

•S подготовке обоснования проектных и управленческих решений начальных стадий пространственного размещения площадных и линейных промышленных объектов в пределах изученной территории;

S возможности использования полученных результатов при разработке градостроительной документации по развитию данных территорий;

S возможности использования результатов комплексного анализа при ландшафтно-экологическом обосновании проектирования хозяйственных объектов на исследуемой территории.

Материалы диссертации могут использоваться в природоохранных учреждениях и организациях - для обоснования проектов особо охраняемых природных территорий (планируемого Обь-Томского национального парка и пр.). В учебных учреждениях - в курсах лекций и практических занятиях по предметам «Геоинформатика», «Математические методы в географии», «Географические информационные системы», «Тематическое компьютерное картографирование». В научных организациях — для организации сети мониторинговых наблюдений за свойствами компонентов ландшафтов и природными процессами.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научной конференции "Проблемы географии на рубеже XXI века (Томск, 2000 г.), VI и VII Международном научном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых учёных им. академика М.А. Усова (Томск, 2002, 2003 гг.), XXVII Пленуме Геоморфологической комиссии РАН "Самоорганизация и динамика геоморфосистем в условиях техногенного освоения территорий и потепления климата"(Томск, 2003 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 12 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 112 наименований и 18 приложений. Работа изложена на 156 страницах, включая 11 рисунков и 27

10

таблиц. В приложения к диссертации вынесены полученные картографические материалы.

Автор выражает признательность своим научным руководителям канд. геогр. наук B.C. Хромых и канд. техн. наук А.И. Рюмкину за общее и методическое руководство в проделанной работе, а также канд. ф.-м. наук

В .И. Хамарину| и всем коллегам, которые оказали помощь и содействие в

работе над диссертацией.

11

1. КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ТЕРРИТОРИИ И ЛАНДШАФТНЫЙ ПОДХОД ПРИ ПРЕДПРОЕКТНОМ ТЕРРИТОРИАЛЬНОМ

АНАЛИЗЕ

1.1. Комплексная оценка территории

Сущность интегрального подхода к решению задач природопользования состоит в том, что главной целью природопользования должно стать сохранение природной среды, а не удовлетворение экономическим требованиям хозяйств. Не природа для хозяйства, а хозяйства, приспособленные к ресурсным возможностям конкретной территории. При интегральном природопользовании важным моментом является изучение законов природы, организации геопространства, распределения соотношения экологических ниш гео- (эко-) систем. Центральное место в этих исследованиях занимает концепция цельности и неразрывности географической среды и ее системная дифференциация. Недооценка факторов, определяющих формирование природных систем различного ранга, как правило, приводит к пагубным последствиям для существования экологических объектов, в качестве которых мы рассматриваем определенные целостные образования (и материальные системы), обладающие закономерным строением и закономерно функционирующие.

В прикладной физической географии выделяются три этапа развития и взаимодействия с техническими науками и проектным делом (Геоэкологические основы территориального проектирования и планирования, 1989). На первом этапе развития физическая география служила технике. Перед ней стояла общая цель - помочь технике добиваться в производстве максимального использования всех возможностей природы, способствовать минимизации затрат при освоении новых территорий и природных ресурсов.

12

На втором этапе - этапе противодействия — физико-географы, обеспокоенные отрицательными последствиями влияния инженерных сооружений на природу, ориентируют свои научные исследования и практические действия на борьбу за минимизацию разрушений природы техническими системами и технологией природопользования, формулируют ограничения для проектных решений, исходя из возможностей восстановления предшествующего состояния природных комплексов.

Третий этап - совместных действий. Для него характерно конструирование нового объекта исследования, возникающего в результате взаимодействия природных и технических систем. Общая цель состоит в оптимизации территориальных природно-технических систем, которые должны обеспечить максимальную продуктивность и сохранность природных комплексов, не оказывать отрицательного влияния на здоровье людей в изменяемой техникой природной среде.

Вопросы комплексной оценки территории особенно актуальны в настоящее время, поскольку при любом хозяйственном использовании необходима предварительная оценка территорий, предназначенных для освоения. Существует определённый этап предварительных работ, именуемый предпроектным анализом. На этом этапе исследования отсутствует информация о положении вариантов строительных площадок и трасс, известен лишь район предполагаемого строительства или коридор, ширина которого может варьировать в полосе до 100 км. Главной задачей при этом является обеспечение геолого-географической и социально-экологической информации для обоснования разработки проектов того или иного вида строительства. (Ревзон А.Л., 1992).

Проблемы предпроектных разработок рассматриваются в теории районной планировки, где планировочная организация территории включает следующую последовательность операций (Руководство по комплексной оценке ..., 1982):

13

- проводится комплексная оценка территории;

- определяется демографическая ёмкость территории;

проводится анализ современной планировочной структуры

(включая также её ретроспективный анализ);

разрабатывается перспективная структура (с учётом перспектив

развития хозяйства);

на основе результатов комплексной оценки и разработанной

перспективной планировочной структуры с учётом

демографической ёмкости территории составляется схема

функционального зонирования;

выделяется система площадок (в соответствующих

функциональных зонах с учётом демографической ёмкости

территории);

характеризуются резервные площадки и производится их

классификация;

разрабатываются варианты планировки района и вырабатывается

оптимальный вариант;

- составляется проектный план района.

В районной планировке под комплексной оценкой территории понимается сравнительная оценка отдельных участков всей территории района по комплексу природных и антропогенных факторов с точки зрения благоприятности этих участков для размещения основных видов хозяйственной деятельности (строительства, массового отдыха, сельского и лесного хозяйства и т.д.).

Существуют различные подходы оценки геосистем. Эти подходы принадлежат различным наукам, которые, естественно, рассматривают изучаемое пространство под своим углом зрения, используют свои методики. Общим у них можно назвать их приуроченность к определённой территории и возможность картографирования исследуемых явлений. Однако границы

14

получаемых выделов часто не совпадают при различных способах дифференциации одной и той же территории. С другой стороны, следует отметить использование одними исследователями «чужой» отраслевой информации в своих целях, что является положительным фактом.

Биологический, или биогеоценологический, подход основан на учении о биогеоценозах, или биогеоценотическом покрове Земли, материальной основой которого являются области концентрации живого вещества на земной поверхности (Сукачев В.Н., 1972, Номоконов Л.И., 1989).

Почвенный подход в пространственном описании геосистем строится на учении о структуре почвенного покрова. Причём здесь выделяется два типа картографирования почвенных узоров (Степанов И.Н., 1986, Орлов В.И., 1996). Первый, традиционный, опирается на выявление крупных, обобщённых, «лоскутных» выделов; его сторонники пришли к выводу о существовании принципа несоответствия между почвенными границами и границами элементов рельефа (Фридланд В.М., 1972.). Второй, докучаевский, тип генерализации узоров, идущий соответственно от В.В. Докучаева, базируется на известном законе постоянства соотношений между свойствами почв и формами земной поверхности (Докучаев В.В., 1949, Степанов И.Н., 1996, Лошакова Н.А., 1996).

Географо-гидрологический подход был разработан А.Н. Антиповым и Л.М. Корытным (1981). Здесь главным фактором дифференциации территории выступает водоток. Но гидрологический режим является только предметом исследований, объектом исследований выступают геосистемы, рассматриваемые с позиции формирования гидрологических процессов. В соответствии с системными воззрениями на организацию природной среды, «узловым» гидрологическим объектом принят бассейн, обладающий определённой внутренней иерархичностью природных компонентов и геосистем.

15

Инженерно-геологический подход основан на изучении широкого круга геологических вопросов, связанных с оценкой природных условий строительства различных сооружений, производства горных работ при разработке месторождений полезных ископаемых и прогнозом тех явлений, которые могут возникнуть под воздействием сооружений и горных работ. Задачей инженерной геологии является также рекомендация мероприятий, обеспечивающих устойчивость сооружений и земляных масс (Чаповский Е.Г., 1975, Гальперин A.M., Зайцев B.C., Норватов Ю.А., 1989).

Своеобразный принцип оценки территории предлагает А.Н. Ласточкин в своей геотопологической концепции ландшафтно-геоэкологических исследований (Ласточкин А.Н., 1992, 1995, 2002). По его принципу дифференциации выделяются так называемые местоположения, которые «являются формой любого по размерам элементарного ландшафта или соответствующей ему элементарной поверхности, представляют совокупность его гравитационной, циркуляционной и инсоляционной экспозиций относительно проходящих через него и связывающих с другими элементарными ландшафтами (единицами) вещественных и энергетических потоков - перемещений тепла, влаги, минеральных, водных и воздушных масс с их вредными (или полезными) для человека и биоты химическими, радиоактивными и прочими компонентами» (1995, с. 106).

Ландшафтный (физико-географический) подход основан на учении о природных территориальных комплексах как пространственно временных системах географических компонентов, взаимообусловленных в своём размещении и развивающихся как единое целое. Все природные компоненты, такие как: почва, растительность, массы гидросферы, воздушные массы атмосферы, слагающие территорию горные породы, условия рельефа, климатические условия, рассматриваются равнозначно (Исаченко А.Г., 1991).

Представленные подходы дифференциации территории различны по единицам картографирования и методике построения картографического

16

изображения, в связи с чем затруднено их совместное использование. Поэтому необходима общая основа, на которую вся отраслевая информация могла бы ложиться. В качестве такой основы нами предлагается физико-географическая дифференциация.

При любом хозяйственном освоении и использовании территорий для проектирования, строительства, эксплуатации и ликвидации предприятий, зданий и сооружений проводятся инженерные изыскания. Они подразумевают под собой комплексное изучение природных и техногенных условий территории (региона, района, площадки, участка, трассы) объектов строительства, составление прогнозов взаимодействия этих объектов с окружающей средой, обоснование их инженерной защиты и безопасных условий жизни населения (СНйП 11-02-96 «Инженерные изыскания для строительства, основные положения»). Согласно упомянутому СниПу, в состав инженерных изысканий входят следующие их виды: инженерно-геодезические, инженерно-геологические, инженерно-гидрометеорологические, инженерно-экологические изыскания, изыскания грунтовых строительных материалов и источников водоснабжения на базе подземных вод.

При проведении инженерно-экологических изысканий предусматривается составление ландшафтных карт наряду с покомпонентным описанием природных условий. Основным результатом инженерно-экологических изысканий является составление следующих карт: современного экологического состояния, прогнозируемого экологического состояния, экологического районирования, геоэкологических. При этом непонятен статус используемых ландшафтных карт, что-то делается на их основе, где-то они выступают как вспомогательные.

В настоящее время в большинстве случаев при составлении схем размещения тех или иных строительных объектов используются, главным образом, данные инженерно-геологических исследований и соответствующие

17

карты. Легенды последних строятся по формационно-генетическому принципу и отличаются большой сложностью. Практически полезную нагрузку инженерно-геологических карт составляют вещественный состав пород, классифицированных по особенностям физико-механических свойств с учетом их возраста и генезиса, а также глубина залегания, агрессивность и напорность грунтовых вод. Составляется также серия вспомогательных карт, имеющих инженерно-геологическую направленность — карты четвертичных отложений, гидрогеологические, мерзлотные, геоморфологические и др. При этом делаются попытки к совмещению двух или нескольких карт.

Характеристика природных условий проектируемой под застройку территории составляется путем «наложения» ряда однокомпонентных карт. Такая методика, помимо чисто технических неудобств, страдает существенными недостатками. В частности, при оценке природных условий строительства конкретных территорий границы последних (бонитировочных групп) определяются степенью совпадения, нередко случайного, частных границ, а не объективно существующими естественными причинами.

Но, по мнению А.А. Шляпникова (1974) и А.Г. Исаченко (1980), в районной планировке, хоть и заявляется о комплексе природных факторов, отсутствует мысль о том, что типы земель располагаются в пределах природных комплексов, относящихся по своему таксономическому положению к единицам внутриландшафтного деления. Следовательно, при составлении схемы районной планировки требуются инженерно-географические карты, отражающие морфологическую структуру ландшафта. Но таких карт до сих пор всё еще очень мало, опыт составления их невелик, и многие вопросы методики, определения нагрузки, принципы классификации и бонитировки выделов остаются неясными.

П.Г. Шищенко (1988, с.67) считает, что «объектом регионального проектирования выступают ландшафтные структуры в своих естественных или функциональных границах, определяемых территориальными уровнями

Список литературы