Из материалов пятого всероссийского форума ГИС-Ассоциации Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Бизнес" (Москва, 1-5 июня 1998 г.).

А.В. Шпынов, А.Б. Стрельцов (Лаборатория биоиндикации КГПУ)

Суть метода, разрабатываемого и используемого в Лаборатории биоиндикации КГПУ, заключается в определении и анализе ответной реакции растений и мелких животных на изменение условия существования: местообитание живых организмов (в том числе и людей) оценивается с точки зрения благоприятности для их жизни и развития.
В основу положена методология, предложенная Международным фондом «БИОТЕСТ» и адаптированная нами к требованиям государственных природоохранных органов, ориентированная на оценку состояния биологического «здоровья» (самочувствия) некоторых видов растений и мелких животных, постоянно проживающих на исследуемой местности. Особенностью этой методологии является то, что главным объектом биомониторинга оказывается состояние живого организма.
В используемом морфогенетическом подходе оценивается стабильность развития (гомеостаз). Снижение его эффективности приводит к появлению отклонений от нормального строения различных морфологических признаков, обусловленных нарушениями развития. Состояние природных популяций билатерально симметричных организмов оценивается на основе анализа флуктуирующей асимметрии, характеризующей мелкие ненаправленные нарушения гомеостаза развития и являющейся ответом организма на состояние окружающей среды.
Биоиндикационные работы в г.Калуге ведутся с 1991года, с 1995 года проводятся исследования территории Калужской области. Также нами проводилась оценка состояния территории г.Дубны и г.Калининграда (Московской обл.). За время проведения работ проанализировано более 50 000 растительных образцов и животных объектов.
Целью наших исследований является создание системы биомониторинга, органически вписывающейся в общую систему экологического мониторинга. Связь компонентов экологического мониторинга осуществляется через различный подход к оценке одной и той же территории и интеграцию всех этих подходов в виде картографического материала.
Термин «мониторинг» появился перед проведением Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде в 1972 г. Под мониторингом было решено понимать систему непрерывного наблюдения, измерения и оценки состояния окружающей среды. То есть, мониторингом окружающей среды называют регулярные, выполняемые по единообразной заданной программе наблюдения природных сред, природных ресурсов, растительного и животного мира, позволяющие выделить изменения их состояния и происходящие в них процессы под влиянием антропогенной деятельности.
Оценка территории проводится по отдельным контрольным точкам (выборкам), на основе которых мы судим о состоянии всей территории. Для оценки состояния территории можно применить следующие графические методы:

1) Размещение результатов анализа на карте в точках выборок в виде диаграмм (круговые, радиальные, гистограммы и т.д.). Способ, широко применяемый и наиболее точный, так как показывает истинные значения в точках получения информации (выборках) и не показывает ничего в местах, откуда информации не поступало. Недостатком этого метода является то, что в ситуации, когда в соседних точках значения показателя сильно различаются, выявить какую-либо тенденцию весьма затруднительно. Также, при большом количестве близко расположенных точек данных все закономерности скрадываются за обилием диаграмм.
2) Построение математической поверхности распределения значений показателя на исследуемой территории методом интерполяции, и получение ортогональной проекции вычисленной поверхности на карту в виде изолиний. Точность способа зависит от количества точек данных, их распределения по территории и выбранного метода интерполяции. Данный метод вносит в результаты определенную долю «приближенности», сглаживается мелкий разброс значений, убирается излишняя детальность (аналогично генерализации). Таким образом, состояние параметра в отдельных точках мы распространяем на всю территорию с помощью метода интерполяции. Подобный подход применяется в геологии, картографии, на нем же основаны программы для расчета рассеивания предельно допустимых концентраций выбросов предприятиями и др.

Выбор точек

Большое влияние на достоверность результатов оказывают количество и характер распределения точек выборок. Точность метода интерполяции увеличивается с увеличением числа точек, но возрастают трудовые затраты и время сбора материала. Требуется найти оптимальное количество точек (или расстояние между ними). Количество точек зависит от характера распределения анализируемого признака, большей частью оно определяется эмпирически. Так, например, по данным В.М. Титар и Ю.В. Дубровского (1990) на основе фенетического анализа растений гигрофитов выяснилось, что «рабочая дистанция» для данных признаков составляет 1,5 3 км.
Не менее важным условием является характер распределения точек сбора на местности. Для сплошного (тотального) анализа, нужно чтобы точки равномерно (сетью) покрывали исследуемую территорию.
Исходя из этих условий, нами выбрана более-менее регулярная теоретическая сеть наблюдений, в которой на км2 городской территории приходится примерно по три точки, чем достигается равномерность и достаточная частота выборок. На практике точки могут смещаться из за отсутствия в данной точки местности растительности или животных (застройки, асфальтированные участки и т.д.).
В общем виде частота точек зависит от того с каким уровнем детализации мы ожидаем получить результаты.

Выбор метода интерполяции

Используемая нами компьютерная программа Surfer (Surface Mapping System, ver. 6.04, Golden Software Inc.) предоставляет возможность выбора из 8 видов интерполяции. Мы используем Inverse Distance to a Power как наиболее простой и быстрый, но наряду с этим точный метод. Inverse distance использует метод усреднения влияния данных для интерполяции узлов сети. Влияние значения в некоторой точке обратно пропорциональны расстоянию от нее до узлов сети. Более отдаленные точки данных будут меньше влиять на конкретный узел сети. Степень влияния, увеличивающую эффект функции веса, можно изменять. Наиболее обычной степенью влияния является квадрат пропорционального расстояния.
Входные данные представляют собой таблицу, содержащую прямоугольные координаты точки сбора (x, y) и известные значения исследуемого показателя (z) в этих точках. После интерполяции расчитываются недостающие значения, создается регулярная матрица или сеть (Grid).
На основе полученной числовой матрицы можно построить поверхность распределения значений показателя и ее ортогональную проекцию на Земную поверхность (карту) в виде изолиний. Поверхность и изолинии - это графическое отображение полученной числовой матрицы.
Этот метод позволяет сравнивать между собой поверхности, построеные по данным, заданным на несовподающих в пространстве множествах точек, что недостижимо при других (плоскостных) методах. Получаемые на такой основе биоиндикационные карты более информативны и наглядны.
Так как расчетные поверхности представляют собой цифровые матрицы, их можно вычитать и суммировать. Так, для создания интегральной карты мы вычисляем средневзвешенную поверхность по матрицам всех исследованных видов растений.

Создание интегральных карт

Для полноты оценки территории желательно использовать не один показатель, а комплекс. По каждому показателю (виду) вычисляются числовые матрицы одинаковой размерности с одинаковыми начальными и конечными координатами. Далее последовательно суммируются значения из узлов с одинаковыми координатами всех полученных матриц. В результате получаем суммарную матрицу, по которой можно построить поверхность или карту с изолиниями. Если разделить каждое значение в узлах суммарной матрицы на число исследованных признаков, то получим среднюю арифметическую матрицу по всем признакам.
Этот способ будет достоверным при условии, что в каждой точке имеются данные по всем анализируемым параметрам. В этом случае проще будет сначала вычислить сумму или среднее по каждой точке сбора, а потом рассчитывать поверхность. Но в реальных условиях города не всегда имеется возмож-ность сбора всего комплекса данных в каждой точке, поэтому предварительное суммирование (или вычисление среднего) будет ошибочно. Невозможно просуммировать данные из несовпадающих в пространстве точек. Следовательно, нужно сначала рассчитать поверхность распределения значений каждого показателя, а затем их суммировать и т.д.
Следующим важным моментом является то, что на практике число данных (точек) по каждому параметру получается разным, следовательно, каждый параметр должен вносить разную долю информации в конечную расчетную карту. Это достигается «взвешиванием» данных:



где:

{mi} - числовая матрица параметра i;
ni - число точек данных для параметра i;
N - суммарное число точек данных;
k - число параметров.
Полученные числовые матрицы по каждому параметру умножаются на соответствующее число точек данных, далее матрицы суммируются и сумма делится на суммарное число точек данных. По полученной средневзвешенной матрице строятся карты.

Карты динамики параметра

Разработанный нами метод позволяет сопоставлять результаты экологического картографирования территории города, устанавливать и описывать динамику процессов, изменяющих экологические условия на отдельных участках городской территории. Сравнительный анализ результатов биоэкологического картографирования получается в виде карты динамики качества городской среды.


Распределение значений коэффициента флуктуирующей асимметрии растений на территории г.Калуги (1995г.).


Разность значений коэффициента флуктуирующей асимметрии между 1997 и 1996гг. на территории г.Калуги.


Для определения динамики (изменения) показателя мы вычитаем друг из друга матрицы, соответствующие различным моментам времени. Если нас интересует, как на исследуемой территории изменяется показатель на протяжении какого-либо временного отрезка, например, в 1997г. по сравнению с 1996г., нужно из матрицы соответствующей 1997 году вычесть матрицу 1996 года, достигается это вычитанием более ранних значений из более поздних в точках с одинаковыми координатами. В результате положительные значения укажут на возрастание значений параметра, а отрицательные на уменьшение.
При анализе карты динамики достаточно четко выделяются территории, где происходит улучшение экологической обстановки и территории с ухудшением экологической ситуации.

Районирование

Получение карт распределения значений показателей качества среды не является конечным результатом. Полученные карты позволяют провести экологическое районирование исследуемой территории.
Анализ пространственного распределения экосистемных характеристик выявляет неблагоприятные или благоприятные условия в конкретных местах, позволяет оценить территорию города по степени благоприятности условий среды для живых организмов, в том числе и человека.
Экологическое районирование территории города имеет своей целью установить и описать участки с различными экологическими условиями. Основной задачей при этом является установление границ между такими участками. Модели пространственного распределения значений биоиндикационных показателей позволяют использовать для этих целей методы картографического анализа.
Существуют много способов районирования территорий, нами использовались три из них.

1. Структурный анализ полей пространственного распределения;
2. Наложение карт;
3. Выделение зон с заданным интервалом значения показателя.

Следует заметить, что районирование - процесс творческий и целью его является нахождение примерных границ областей, причем размер и количество областей районов зависит во многом от мнения эксперта, проводящего районирование.
1. За основу метода структурного анализа полей пространственного распределения взято предположение о том, что при резком изменении значений показателя на небольшом расчетном отрезке, происходит своего рода «смена фаз» и, следовательно, на этом отрезке должна быть граница разделяющая эти два уровня значений. На карте резкие изменения значений выглядят в виде сгущения изолиний. В местах сгущения изолиний на суммарной карте проводят границу, затем эти границы соединяют в результате выделяются области со сходными значениями показателя.
Районирование территории г.Калуги на основе интегрального показателя по баллам.

При проведении районирования, были проанализированы результаты, полученнные с применением различных методов интерполяции по каждому виду с применением интегральных карт
2. На картах по каждому показателю (виду растений или животных) выделяют области с повышенными и пониженными значениями. Полученные карты совмещают и обрисовывают участки перекрытия равнозначных областей. В результате выделяются районы с максимальными и минимальными значениями показателя качества окружающей среды.
3. Значения показателей шкалируются и разбиваются на баллы. При построении карты оставляют только изолинии соответствующие границам между баллами. На полученной карте получаются районы, соответствующие разбивке по баллам.


Районирование территории г.Калуги по интегральному по-казателю качества среды методом анализа полей простран-ственного распределения значений (1995г.). Районирование территории г.Калуги по значениям коэффи-циента флуктуирующей асимметрии разных видов, методом наложения биоиндикационных карт (1995г.).

Практическое применение биоиндикационных карт в экологической ГИС

Биоиндикационные исследования являются компонентом систематической комплексной системы экологической оценки территории - экологического мониторинга. Результаты всех компонентов экомониторинга отражаются на общей картографической основе, что облегчает сопоставление разнородных, пространственно зависимых данных. Все данные сводятся в ГИС, созданную на основе программных продуктов MapInfo, Ms Access, Surfer, связанных между собой модулями на языке Visual Basic.
Графические данные обрабатываются в программной оболочке MapInfo, атрибутивные данные обрабатываются в Ms Access. Формат Access поддерживается MapInfo и многими другими программами. Access позволяет создавать разветвленные базы данных и обладает продвинутым генератором отчетов.
Графические данные в виде объектов объединены по тематике в слои, определенные комбинации слоев в совокупности образуют карту. Из карты можно вызвать информацию об объекте (или группе объектов) из внешней базы данных.

Базовые слои

Все слои компьютерной карты можно разделить на базовые и тематические. Базовые слои (основа) мало изменяются во времени и составляют, в совокупности, модель собственно города, как структуры. Эти слои служат основой, на которую накладываются тематические слои, образуя тематическую карту (см. таблицу 1).

Таблица 1. Пример некоторых базовых слоев городской ГИС

№ Название
Пояснение
Подключаемая

1 Геологический Расположение и мощность коренных пород (наибольший интерес представляют границы раздела различных пород, разломы, депрессионные во-ронки и т.д.)
2 Почвенный Типы и расположение почв, кислотность. На основе почвенной карты в совокупности с другими выделяются границы различных природных микрозон, распределение растительности, животных их видовой состав, возможность возобновления и т.д. в базе данных типы почв, данные химического анализа, структура
3 Хозяйственное. использование почв Парки, газоны, сады, свалки, пустыри, под постройкой: административной, жилой, производственной. Необходимо для регулирования застройки и планирования рекреационных зон.
4 Рельеф виде горизонталей, при подключении дополнительного программного модуля, трехмерная (3D) модель. Для анализа путей сточных вод и следовательно распространения загрязняющих веществ, степени эрозии почв. При сопоставлении с высотностью зданий - режим проветривания города (возобновление воздушной среды).
5 Зеленые насаждения и растительность Участки покрытые растительностью: газоны, отдельно стоящие деревья, аллеи, парки, агроценозы, сохранившиеся участки негородских фитоценозов. видовой состав, проективное покрытие, тип растительной ассоциации, бонитет, сомкнутость крон, ярусность и т.д.
6 Природные и культурно-исторические памятники Расположение редких и ценных природно- культурных комплексов, отдельных уникальных объектов. Охраняемые культурно-исторические памятники, не подлежащие сносу. Характер памятника, значение, состояние
7 Коммунальные коммуникации Канализационная, тепло-, электро-, газо-, водопроводная и телефонная сети Глубина прокладки, состояние, принадлежность к предприятиям
8 Гидрология поверхностных вод Реки с притоками, бассейны рек, пруды с питающими его реками, основные постоянные и пересыхающие ручьи. Классификация: малые, средние, большие реки, пруды, озера, болота. Химический состав, класс чистоты и т.д
9 Дороги Железные, проселочные, автострады Протяженность, ширина, интенсивность движения,характер покрытия
10 Застройка Жилые, административные, промышленные здания. Иерархическое деление: район-улица-номер дома, этажность, материал, количество проживающих, координаты
11 Координатная сеть
12 Административное деление

Тематические слои

Тематические слои, создаваемые в результате различных исследований, при совмещении с основными, составляют тематические карты. Для экологических исследований необходимо создать следующие слои (примерный перечень основных тематических слоев для экологической ГИС города, см. таблицу 2).

Таблица 2. Пример некоторых тематических слоев городской ГИС

№ Название Пояснение Подключаемая база данных
Химические параметры
1 Химическое загрязнение приземных слоев атмосферы от стационарных источников. Формируется по сводному тому ПДВ, данные предоставляются предприятиями. Отдельные слои для каждого загрязнителя + суммарное загрязнение. ПДК каждого загрязнителя, физиологическое воздействие, максимальный вклад предприятий, максимальное значение
2 Химическое загрязнение приземных слоев атмосферы от передвижных источников. Формируется на основании расчетов и замеров функционирования автомобильного транспорта. ПДК каждого загрязнителя, физиологическое воздействие
3 Химическое загрязнение поверхностных вод На основе замеров Точка отбора пробы, концентрация загрязняющего вещества
4 Стоки предприятий Сброс сточных вод предприятий. На основе предоставленных предприятиями данных по ПДС. Координаты выпусков, масса, режим, состав стоков.
5 Химическое загрязнение почв На основе замеров Точка замера, загрязнитель, концентрация
Физические параметры

6 Радиационное загрязнение На основе замеров Точка замера, интенсивность
7 Электромагнитное загрязнение. На основе замеров Точка замера, интенсивность
8 Шумовое загрязнение На основе замеров Точка замера, интенсивность
9 Вибрационное загрязнение. На основе замеров Точка замера, интенсивность
Биологические параметры

10 Смертность / рождаемость населения Абсолютные годовые значения (+миграция) территориально (по районам)
11 Детская заболеваемость По данным стат. талонов в педиатрических участках. Адресное распределение на территории города Адреса, характеристика заболевания, возможные причины
12 Микробиологическое загрязнение. На основе замеров Точка взятия пробы, мик-робиологические показа-тели (коли-индекс и др.).
13 Видовое разнообразие (флора) Характер распределения видов, коэффициенты Шеннона, Маргалефа, индекс доминирования Значения
14 идовое разнообразие (фауна) - -
Значения
Интегральный показатель

15 Интегральный показатель стабильности развития. Данные биоиндикации Виды живых организмов, значения, баллы.
16 Динамика стабильности развития по годам Результаты анализа биоинидкационных показателей по годам. Показатели улучшения или ухудшения ситуации по отдельным участкам.
17 Районирование территории по качеству среды Районирование территории города по методам изолиний, крутизне и баллам. Характеристика выделенных районов по степени благоприятности для жизни.
18 Суммарный показатель здо-ровья среды Суммарный показатель по всем параметрам химическим, физическим, биологическим Цифровое значение показателя
19 Динамика качества среды Динамика показателей за год

Биомониторинг в городской ГИС

Химические и физические параметры не могут ответить на вопрос о здоровье окружающей среды. Во-первых, физически невозможно измерять все загрязняющие вещества, их физиологическое воздействие на человека, животных и растения, вычислить взаимодействие веществ между собой и с другими факторами, их взаимное действие на организмы, предугадать последствия во времени. Во-вторых, при всяком статистическом измерении присутствует ошибка, далее она накапливается при моделировании, обобщении, и выявить истинную связь со здоровьем среды через длинную цепочку вычислений становится затруднительно. Проще «замерять» здоровье среды непосредственно, тем самым мы уменьшаем ошибку при определении реального состояния среды.
За здоровьем среды, посредством биологических объектов, призван следить биомониторинг. Биологический мониторинг - это определение состояния живых систем на всех уровнях организации и отклика их на загрязнение среды. Это система наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния биологических систем под влиянием антропогенных воздействий.
Именно биомониторинг является методологической основой экологического мониторинга, так как экологическое прогнозирование невозможно без проведения биоиндикации, то есть оценки состояния окружающей среды по реакции живых организмов.
Таким образом, биомониторинг включает ряд мероприятий, основанных на замере биологических параметров, по которым делается заключение о качестве среды. Среди методов проведения биомониторинга надо особо выделить определение стабильности развития живых организмов (основной показатель гомеостаза) по анализу флуктуирующей асимметрии, который и внедрен лабораторией биоиндикации в систему городского биологического мониторинга Калуги как основной интегральный показатель качества среды.

Общая схема муниципальной ГИС

Одним из основных источников информации о загрязнении территории города являются предприятия. Предприятия, в установленном порядке, подают в соответствующие муниципальные структуры данные о выбросах в атмосферу и наземные водные объекты загрязняющих веществ. Эти муниципальные структуры, работая напрямую с предприятиями и являясь автономными, одновременно подключены к общей базе данных ГИС. Таким образом, в ГИС автоматически поступает постоянно обновляемая информация от предприятий. Поскольку данные от предприятий носят в основном расчетный характер, то они периодически контролируются специнспекцией госкомэкологии.
Фактические данные поставляет и второй источник, к нему относятся такие структуры как ГорСЭС (химические, физические и биологические измерения), Горздрав (здоровье населения), Гидромет (состояние атмосферы, температурный режим) и различные научные и учебные учреждения, проводящие исследования на территории города.


Примерная схема структуры городской ГИС и место экологического мониторинга в этой структуре


Анализ поступающих данных проводится периодически в модуле ГИС, обозначенным как «Экологический мониторинг». Анализ состоит из нескольких этапов:

разбивка данных по тематике;
тематический анализ с созданием отчета и тематической карты;
анализ общего состояния территории города по совокупности тематических карт;
анализ динамики состояния территории города по результатам текущего года и предыдущих лет;
общее заключение о состоянии городской среды, и разработка рекоменда-ции и проектов управленческих решений по улучшению экологического состояния города.
Результаты анализа и рекомендации поступают в администрацию города для принятия решений по нормализации состояния окружающей среды и, соответственно, здоровья населения города.