Теоретико-методологические основы геоинформационного эколого-географического картографирования

Введение
Экологическая геология представляет собой новое научное направление в системе геологических наук. Картография как сфера общественной деятельности, предназначенной наглядно представлять реальную действительность, переживает определенный трансформацию, связанную с использованием геоинформационных и компьютерных технологий и с одновременным концентрированием внимания на современных проблемах, среди которых главными являются экологические. Они стали настолько актуальными и значимыми для современного общества, что их решение невозможно без создания специализированных отраслевых подразделений и привлечения многочисленных научно-исследовательских и проектных организаций. При этом проведение природоохранных мероприятий требует не только наличия объективной информации об экологическом состоянии территории исследования, но и представление ее потребителю в наглядном и понятном виде. Одним из важнейших методов изучения состояния природы и ее отдельных компонентов сегодня эколого-географическое картографирование, применение которого способствует более рациональному проведению экологических исследований, а изучение и планирование природоохранной деятельности, а также осуществление экологически безопасного природопользования без соответствующего картографического обеспечения вообще нерационально и неэффективно.
При использовании значительного количества разнообразной информации, необходимой для создания эколого-географических карт, целесообразно применять современные методы ее сбора, хранения и предварительной обработки. Результативность этих исследований значительно возрастает за счет интенсивной информационного взаимодействия между базами данных и построением электронных карт на основе современных геоинформационных технологий, побуждает к формулировке теоретико-методологических и методических основ геоинформационного эколого-географического картографирования и обосновывает актуальность темы работы.
Теоретико-методологические основы геоинформационного эколого-географического картографирования
Геоинформационное эколого-географическое картографирование является новым актуальным проблемно-ориентированным направлением тематической картографии, который характеризуется многообразием теоретических установок и конкретного содержания. Его сущность заключается в информационном взаимодействии между базами данных географической и эколого-географической информации путем построения эколого-географических картографических моделей. При этом геоинформационные системы позволяют в удобном виде отображать исходную информацию и использовать полученные по результатам геоинформационного картографирования электронные эколого-географические картографические модели для проведения научных исследований и практического использования.
Главной специфической чертой геоинформационного эколого-географического картографирования является его проблемная ориентированность, которая предусматривает целенаправленное (по тематике, потенциальным пользователем) проектирование, создание и практическое применение картографических моделей, которые подаются как инструмент для решения конкретных задач в пределах узкой практической направленности.
В процессе анализа литературы доказано, что геоинформационное эколого-географическое картографирование занимает центральное место на пересечении компьютерной картографии (как реализации ментальной схемы картографирования с помощью средств компьютерной графики или систем автоматизированного проектирования), ГИС, телекоммуникации, системного картографирования, аэрокосмических методов и цифровой картографии. Объединяет все названные направления тематическая картография, которая является основой для проведения эколого-географических исследований посредством создания и использования эколого-географических карт.
Разработка понятийного аппарата геоинформационного эколого-географического картографирования, как системы понятий, базируется на структурных блоках (подсистемах или комплексах близких по значению и содержанию понятий, формирующих отдельные части понятийного аппарата): объектно-предметном; проблемной ориентации; территориальной определенности; геоинформационному.
Методология геоинформационного эколого-географического картографирования включает определение объекта, предмета, задач, совокупности методов исследования, формирует представление о последовательности действий в процессе решения поставленных задач и включает взаимодействие научных подходов, принципов, территориальных (пространственных) и содержательно-компонентных уровней картографирования.
Системный научный подход в геоинформационном эколого-географическом картографировании состоит в рассмотрении объекта исследования как составной части целостной сложной системы, созданной рядом подсистем и имеет функциональные зависимости и связи в рамках системы, между ее отдельными подсистемами.
Географический подход заключается в актуализации географического обоснования геоинформационного эколого-географического картографирования с ускорением развития его содержательного обеспечения, учета накопленного опыта комплексных географических исследований и системного тематического картографирования в виде существующих геоинформационных систем, которые можно считать ранее выданными комплексными географическими атласами.
Ландшафтно-экологический подход в геоинформационном эколого-географическом картографировании предусматривает показ природных объектов в их современном, то есть с учетом антропогенного воздействия виде и деятельности человека, с оценкой условий, в которых это происходит и результатов такого воздействия. С практической точки зрения это означает приспособление содержания тематических карт с современными требованиями их пригодности для проведения экологической оценки и экспертизы или природоохранного воспитания и образования.
Экологическое оценивание всех картографируемых объектов, явлений и процессов, осуществляется с точки зрения принятого нормативного состояния или по отношению к безопасности жизнедеятельности человека. При этом элементами оценивания выступают объекты взаимодействия в геосистеме, отношения между ними и географические факторы (устойчивость геосистем, геохимический состав, неблагоприятные процессы и явления). В данном подходе природа оценивается по отношению к человеку не только как условие, но и как источник ее существования, значительно расширяет представление о диапазоне связей.
Информационный подход в геоинформационном эколого-географическом картографировании означает использование разнообразной и разнотипной информации с разработкой на ее основе многовариантных эколого-географических картографических моделей для соответствующих проблемно-практических потребностей пользователей с применением методов геоинформационного анализа и пространственного моделирования. Он предусматривает также перспективно применение инфраструктур пространственных данных для обеспечения: легкости доступа к информации со стороны различных субъектов, удобства информационного взаимодействия между ними, более эффективного их использования.
Кибернетический научный подход, который тесно связан с предыдущим, позволяет проводить сбор, накопление, систематизацию, обработку разнообразной эколого-географической информации; создавать и расширять функциональные возможности прикладного программного обеспечения ГИС, средства ввода эколого-географической информации и вывода результатов ее обработки, технические и технологические приемы создания баз и банков данных, а также баз знаний, как реализации отдельных принципов функционирования искусственного интеллекта; разработку инфраструктур пространственных данных.
Стохастический подход в геоинформационном эколого-географическом картографировании означает использование различных вероятностных методов (вычисления обобщающих показателей, вычисление их достоверности, изучение законов распределения, проверка теоретических концепций и т.д.) на этапе проведения геоинформационного анализа данных; рассмотрения созданных картографических моделей в качестве случайной реализации определенных процессов на этапе их использования (прогнозирование развития явлений в пространстве и времени, определение ведущих факторов размещения и развития явлений и т.п.).
Исторический подход предусматривает заключение картографических моделей на различные промежутки времени (в т. ч. с использованием ранее созданных карт), а также применение и расчета соответствующих показателей картографирования на основании действующих в данной области специфических экологических законов и закономерностей.
Конструктивный подход обеспечивает практическую направленность геоинформационного эколого-географического картографирования, а также прикладной характер эколого-географических карт, требует не только соответствующего научного анализа, но и формирование прогнозов развития экологического состояния регионов и рекомендаций по его оптимизации.
Содержательно-компонентные равны соответственно к современному пониманию задач и возможностей геоинформационного эколого-географического картографирования включают: литосферу, атмосферу, гидросферу, биосферу, а также социосферу и техносфера.
Структуризация методологических аспектов геоинформационного эколого-географического картографирования может осуществляться как в горизонтальном, так и в вертикальном разрезах.
При анализе горизонтального разреза составляющие делятся в зависимости от структуризации объектов и субъектов, участвующих во взаимодействии природы и общества; при этом выделяются аспекты взаимодействия: отдельно природные и отдельно социально-экономические (то есть такие, которые связаны с деятельностью людей в процессе природопользования)

. Дальнейшее разделение названных групп аспектов осуществляется с учетом структуризации природных объектов и совокупности субъектов природопользования. Эти группы охватывают материальный процесс природопользования. С ними взаимодействуют аспекты, относящиеся к процессу собственно взаимодействия природы и общества: познание природопользования; экологическое воспитание населения; управления природопользованием.
Вертикальный разрез предполагает включение всей совокупности аспектов природопользования, в частности: временных, позволяющих на практике использовать созданные картографические модели на различные промежутки времени; информационных (формирование и использование баз данных, включающих картографические, количественные и семантические составляющие); технико-технологических и математических (инженерный инструментарий и математический аппарат для исследования процесса природопользования), правовых (мониторинг нормативно-правовых актов, связанных с процессом природопользования).
Главным признаком классификации эколого-географических карт, которая учитывает комплексность предоставления информации, предложено считать приемы дальнейшего использования, согласно которой они могут быть аналитические (компонентные), синтетические (интегральные) и комплексные. Это позволяет сориентироваться в большом массиве эколого-географических карт различных видов, типов и содержания.
Особенностями применения способов геоинформационного картографирования при создании эколого-географических карт является их группировка (классификация) по виду координатной привязки изобразительных средств (до точек, до линий, к площади) для упрощения процесса создания-использования карт, а усовершенствованный подход к выбору методов разбиения шкал количественных показателей для создания эколого-географических карт заключается в обобщении интерактивных методов, которые расширяют функциональные возможности ГИС и достоверность представления результатов картах.
Принципы эколого-географического картографирования
При определении принципов геоинформационного эколого-географического картографирования целесообразно учесть, что они характеризуется следующими отличиями:
- в сторону усложнения: необходимостью использования новой техники (это материальные и интеллектуальные затраты) необходимостью сбора огромных массивов информации;
- в сторону упрощения: возможностью оперативного заключения картографических произведений, их быстрого использования; в значительной объективностью и достоверностью.
Главным принципом геоинформационного эколого-географического картографирования избран геосистемный, когда геосистема рассматривается как интегральное территориальное образование, объединенное естественными (биотическими и абиотическими) и антропогенными (социальными и технологическими) элементами, где каждый элемент рассматривается только в связи с другим из-за характера и тесноту связей.
Проблемно-формирующим определен принцип регионализации, который предусматривает проведение картографического исследования в отдельном регионе, понятие которого формируется в зависимости от цели исследования на основе общественно-политического заказа с учетом проблем природопользования.
Принцип антропоцентризма определяет цели и ожидаемые результаты исследований - признание приоритета человека в функционирующих геосистемах, что в региональных исследованиях реализуются в соответствии с антропоцентрическим подходом в общем биоцентричном направлении исследований и предусматривает определение масштабов воздействия человека на своей среде и воздействия самой среды на человека (как положительного, так и отрицательного).
Принцип инвариантности предусматривает использование различных критериев и показателей как компонентов системы.
Принцип оценочности заключается в оценке с помощью созданных картографических моделей состояния геосистемы с целью создания научных основ решения проблем оздоровления окружающей природной среды и рационального природопользования.
Принцип конструктивизма предусматривает использование эколого-географических карт в качестве инструмента разработки мероприятий по оптимизации рационального проведения экологических исследований; изучение, планирование, прогнозирование и оптимизации природоохранной деятельности и экологически безопасного природопользования в различных регионах.
Несмотря на уменьшение значения масштаба в геоинформационном картографировании за счет очень быстрого его изменения в программном обеспечении, принцип оптимизации масштабов предусматривает выбор их оптимальных значений для определенных различных территориальных уровней геоинформационного эколого-географического картографирования.
Геоинформационное эколого-географическое картографирование
Геоинформационное эколого-географическое картографирование, как процесс систематизации и наглядной визуализации пространственной информации, позволяет упорядочить выполнение не менее трех важных задач: исследования, необходимые для понимания процессов, происходящие в окружающей среде; постоянные наблюдения за их состоянием (мониторинг); целенаправленным их контролем.
Решение экологических проблем требует значительных объемов информации не только о текущем состоянии объектов, которые изучаются, но и данные за длительный период наблюдений, в том числе в виде традиционных карт, текстовых и статистических материалов. Современные геоинформационные технологии позволяют совершенно по-новому осуществлять регистрацию, обобщение, преобразование, восприятие информации, накапливаемой или привлекаемой от различных видов и форм информационных ресурсов. Своевременную, достоверную и полную информацию можно получать как при непосредственной коммуникации с другими специалистами, так и при опосредованной - через средства массовой информации или через информационные каналы с помощью современных средств вычислительной техники, связи и телекоммуникации.
Всю совокупность информационных ресурсов, необходимых для проведения геоинформационного эколого-географического картографирования целесообразно классифицировать по следующим основным признакам: форма предоставления информации, в соответствии с чем они делятся на карты, статистику, аэрофото- и космические снимки, текстовые материалы и т.д.; вид профессионального использования (соответствуют основным сферам деятельности: правовой, политической, экономической, научно-технической, экологической и т.п.); возможность доступа (открытые и закрытые с разной степенью ограниченности: засекреченые (государственная тайна), конфиденциальные (коммерческие, профессиональные (государственная статистика и административная отчетность), персональные)) форма собственности (общественные, корпоративные, частные) способ обработки (традиционный, автоматизированный) вид носителя (бумажный, цифровой) интенсивность использования (актуальные (активные) и неактуальные (пассивные)) формы организации (традиционные, электронные).
Важным современным источником эколого-географической информации является Интернет, преимущества использования которого заключаются в том, что: ГИС как средство проведения пространственного анализа дополняется инструментом управления пространственно распределенными данными и исполнителями; Интернет дает возможность находить и получать фактические данные различного регионального уровня, быстро знакомиться с новейшей литературой и открывать широкий простор для получения в режиме реального времени научных консультаций со специалистами из других организаций и возможность сотрудничества с ними; Интернет определяет способы использования картографических произведений и позволяет легче распределить и представить различные виды отображения картографической информации (карты статические, интерактивные, мультимедийные).
Весомым видом информационных ресурсов для геоинформационного эколого-географического картографирования есть оригинальные картографические ресурсы. Их ценность и фундаментальность с точки зрения возможностей использования как информационного ресурса для построения эколого-географических ГИС обусловлены значительной информативной насыщенностью вследствие использования при их разработке большого объема фактического материала (поскольку часто такие карты и атласы базируются на многолетних статистических рядах или других наблюдениях), а для их создания использовались оригинальные методики; возможность непосредственного использования (без значительных преобразований) при построении базы данных конкретных эколого-географических ГИС.
Достаточно значимые по количеству и разнообразные по тематике оригинальные картографические работы эколого-географического направления, если их рассматривать как информационный ресурс в геоинформационном эколого-географическом картографировании, характеризуются следующими функциями:
- информативной, что проявляется при использовании картографических произведений как своеобразной базы данных при последующих исследованиях;
- оценочной, которая связана с возможностью подать представление об экологическом состоянии территории в целом, а также отдельных ее регионов, выделить регионы с экстремальными показателями;
- методической, которая предусматривает использование приобретенного опыта картографирования при разработке картографических произведений в будущем методологической, связанной с рассмотрением всей совокупности картографических произведений как моделей, которые отражают мировоззрение относительно экологических знаний, экологической деятельности в определенный период развития общества;
- систематизирующей, что проявляется в целенаправленном выделении соответствующих работ согласно их тематике со всей совокупности карт и атласов и представлений в виде самостоятельного перечня, что, в свою очередь, является одним из признаков оформления самостоятельного направления картографирования.
Рассматривая и понимая экологическую информацию как осмысленные и определенным образом обработанные показатели, их использование в ГИС рассматривается как процесс информационного отображения территории исследования благодаря обработке исходных (первичных) данных