Примеры ГИС при проведении ОВОС

Наиболее динамично ГИС технологии в настоящее время внедряются он 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: 25 000 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 о 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 (опенка 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 Arc View 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: 25 000;

· карты лесной инвентаризации (кадастровые данные лесотаксационной съемки) масштаба 1: 50 000;

· почвенные карты масштаба 1: 100 000 и мельче;

· геологические карты масштаба 1: 200 000;

· проектная документация (карты транспортных коридоров и хозяйственных объектов масштаба 1: 10 000 и крупнее);

· материалы полевых исследований (ландшафтные профили, геоботанические площадки, точки отбора проб и их коорди­наты на основе СРЗ-съемки).

Важным источником информации служат ДДЗ: материалы много-маршрутной аэрофотосъемки масштаба 1: 10 000 или 1: 15 000, а также космические снимки высокого и сверхвысокого разрешения (Ресурс-О, 5РОТ, 1К5, Ресурс-Ф, Комета, 1копо5 и т.п.). Геологические, почвен­ные карты и космические снимки со спутников «Ресурс-О» в силу большой невязки масштаба с остальными источниками использовать напрямую для цифрования 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 помоши 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 па 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 рсугольники 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 отнизываются к растру топокарты, затем выделяются полигоны со сходнойяркостью 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 млению «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 (РАТ). 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 ArcInfo 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 К.Р (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 ArcInfo (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.

• См.: Одишария Г. Э., ШершневаЛ. В. и др. О применении геоинформационных технологий для проектирования объектов добычи и транспорта ямальского газа // 1998. №'4.

I. 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 (ЛБД) — накапливает данные о промышленных объектах и окружаю­щей среде, систематизирует и преобразует их во внутренние информа­ционные стандарты СИС-Ямал. Результатом работы АБД являются не-кшисимые 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 па 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 — ArcVies 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 станlартов 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 ArcVies 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 иисты карт масштаба 1: 1 000 000 (мелкомасштабные), 1: 100 000 (круп­номасштабные), 1: 25 000 (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 темах 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 ArcVies GIS 3.0a. Структурно ГИС-приложение ПРОП состоит из базового фрагмента, разработанного на языках Avenue и Visual Basic с применением Dialog Designer, который обеспечивает общие функции по явлению данными, вызову прикладных программ, назначению париев 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 счисленных 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 растеплением 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.