ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2008, № 4, с. 36-44
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
УДК: 910:528.9:004
КАРТОГРАФИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ НА ОСНОВЕ МАТЕРИАЛОВ ДИСТАНЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЗЕМЛИ
© 2008 г. Т. И. Коновалова*, И. Е. Трофимова
Институт географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, Иркутск *Тел. раб.: (3952)427-472; e-mail: tkonov@mail.ru Поступила в редакцию 12.11.2007 г.
Изложены теоретические понятия и методические приемы средне- и крупномасштабного картографирования урбанизированных территорий на основе современных геосистемных и дистанционных исследований. Приводится серия карт следующего экологического содержания: теплового излучения структурных элементов городского ландшафта; микроклиматического потенциала самоочищения атмосферы; загрязнения наземного покрова; экологических рисков. Описывается процедура составления карты геосистем и медико-экологической оценки. Результаты работы направлены на решение фундаментальной проблемы, связанной с исследованием и мониторингом состояния природной среды регионов и прогнозом ее изменения.
ВВЕДЕНИЕ
Системное картографирование занимает особое место в географических исследованиях, соответствующее современному этапу развития научного знания. Это не просто картографирование частных свойств и территориального целого, а понимание механизма формирования целостного объекта через проявление его связей и изменений, создание его картографического образа в форме системы карт. Их интерпретация дает возможность конструктивного решения задач проектирования, а также прогнозирования и мониторинга изменений окружающей среды под воздействием естественных и антропогенных факторов.
Развитие методологии системного картографирования во многом определяется применением дистанционных методов, которые, по мнению К.А. Салищева [1], являются одним из основных факторов революционного преобразования картографии. В свою очередь, дальнейшее развитие системных исследований в географии обусловливает необходимость углубления направления дистанционных изысканий, касающегося разработки основных подходов и методов извлечения информации из материалов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) о структуре, связях, направлениях трансформации природных систем, особенно в районах интенсивного антропогенного воздействия. Необходимо синтезировать требования к получению такого рода сведений из набора многочисленных дешифровочных признаков, подойти к изучению различных видов съемки с позиций системной ориентации этих данных.
В этой связи основной целью исследования является разработка принципов и методов средне- и крупномасштабного картографирования урбанизированных территорий на основе современных геосистемных и дистанционных исследований. Результаты работы иллюстрируются серией карт, отражающей экологическое состояние крупных промышленных центров юга Средней Сибири.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ
Картографирование закономерностей формирования и изменения экологического состояния территорий крупных промышленных центров относится к разряду сложных и актуальных. Это определяется следующими причинами:
1) покомпонентные оценки трансформации целостного географического объекта не дают реальной картины его преобразований из-за проявления свойства эмержентности, т.е. внутренней общности, когда единое имеет иные свойства, чем его части и структура геосистемы более стабильна (инвариантна развитию), чем устойчивость отдельных элементов;
2) степень антропогенного преобразования геосистем в значительной мере определяется их уязвимостью, т.е. слабостью, незащищенностью, неспособностью выдержать удар; в результате даже незначительное по степени антропогенное воздействие на уязвимые геосистемы может вызвать сколь угодно большой эффект;
3) для каждого уровня иерархии геосистем характерны определенные особенности антропогенной трансформации, которые наиболее быст-
ро и полно охватывают геосистемы низших подразделений топологической дифференциации;
4) применение одних и тех же предельно допустимых величин антропогенного воздействия для всех типов геосистем проблематично из-за свойства изменчивости, характерного последним; очевидно, что всевозможные показатели ПДК, ПДВ и проч. слабо адаптированы к природным условиям, которые постоянно изменяются (различная скорость ветра, осадки, крутизна склона и т.д.), сочетание ландшафтных факторов, усиливающих либо ослабляющих воздействие вредных выбросов (к примеру, при экстремально низких значениях относительной влажности воздуха даже низкая концентрация загрязняющих веществ, в частности 802, приводит к повышению активности транспирации растений и в конечном итоге — к развитию процессов их обезвоживания), не говоря уже о различной устойчивости геосистем, которая меняется в процессе их развития, при изменении тепло-и влагообеспеченности по годам, сезонам года и т.д.;
5) трудности сопоставления разнородных первичных данных упрощают содержание карт, сводят решение комплексных задач к частным, уводя, тем самым, от реалий многостороннего исследования территории, анализа особенностей ее преобразования.
Решить проблемы такого рода возможно на основе использования карт геосистем и космических снимков (КС). При таком подходе происходят целенаправленный поиск, сбор и интерпретация данных, обеспечивающие адекватную характеристику территории. В результате весь механизм информационного оснащения решаемых задач синтезируется на единой основе и становится легко сопоставим.
СИСТЕМНОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ
Геосистемная парадигма развивается в рамках современной теории самоорганизации систем и призвана изучать и картографировать территорию с позиций пространственно-временной изменчивости геосистем, выражающейся в единстве проявления процессов функционирования, динамики, эволюции. Результатом картографирования геосистем служат особые картографические модели, в которых исследовательские акценты смещены с пространственных характеристик объектов на системообразующие отношения между ними. Здесь под каждым картографическим контуром понимается взаимосвязанный набор компонентов и факторов среды, но главное — динамические и эволюционные тенденции смены состояний геосистем, знание которых — основа оценки и прогнозирования. Множество коренных структур, их переменных состояний и моди-
фикаций, вызванных внешними агентами, упорядочивается путем классификации всех переменных состояний (включая трансформации под влиянием человека) во взаимной связи с коренной фацией или группой фаций [2].
Представление коренных структур и, тем самым, закономерностей дифференциации природной среды на карте имеет не только теоретическое, но и практическое значение, поскольку отражает экологический и ресурсный потенциалы местности. Генетический подход и различные палеогеографические реконструкции способствуют построению легенды карты с учетом истории развития геосистем. Наряду с этим отображается также и "дальнейшая перспектива движения геосистем" [3] через показ различных динамических состояний групп фаций, сочетание которых указывает как на меру устойчивости геосистемы, так и направление ее преобразования. В легенде карты представлен предположительный порядок смены одного переменного состояния другим при разрушении или восстановлении коренной структуры, отмечаются серийные и производные модификации, а также условное время, необходимое для перехода одного динамического состояния в другое [4].
Источником разносторонних данных для исследования и картографирования геосистем являются космические снимки. Дистанционные исследования геосистем базируются на представлении о том, что отражательные и излучательные характеристики объектов являются не только индикационными дешифровочными признаками, но и свойствами природы [5], сформировавшимися в течение длительной эволюции, которые играют существенную роль в функционировании геосистем. Методологический принцип дистанционных исследований геосистем сводится к замещению спектральных образов, выявленных по КС, обобщенным представлением о них. Это логическая операция, посредством которой объекты, обнаруженные в процессе дешифрирования, включаются в систему теоретических представлений о характере трансформации геосистем исследуемой территории (рис. 1). Изучение и картографирование геосистем на основе материалов ДЗЗ подразумевает многоуровненный анализ последних (рис. 2).
Космические снимки через систему дешифро-вочных признаков воспроизводят типичные пространственные закономерности дифференциации геосистем в их естественных и переходных модификациях. Спектральный и временной диапазон космических съемок выступает критерием дифференциации качественно различных объектов, а анализ текстуры изображения КС дает возможность выявлять определенную базу данных, которая затем переводится в теоретический блок
Рис. 1. Последовательность приемов изучения материалов дистанционного зондирования Земли при геосистемных исследованиях территорий.
Направленность развития
Постепенные изменения
Резкие преобразования
Синергетические эффекты
Степень свободы
Амплитуда свойств
Критические факторы
Серии возмущений
Вещественно-энергетический обмен
Иерархичность
Взаимосвязь компонентов
Территориальная взаимосвязь
Сложность подсистем
Инерционность
Взаимодействие геосистема-среда
Фактор времени
Долговечность
Время проявления структуры
Рис. 2. Исследование геосистем по данным космических съемок Земли сенсорами LISS-III, ETM+, МСУ-Э, MODIS, PAN.
знаний. Поскольку на формирование тональных характеристик изображения КС оказывают влияние физические и биохимические особенности функционирования геосистем, то при анализе изображения косвенным образом можно судить об их мобильной части. Так, геосистема является функциональным единством инертных, мобильных и биотически активных элементов природы. О мобильной части геосистем, выступающей в виде климата, стока, грунтового увлажнения, денудационных, аккумулятивных, геохимических
процессов можно судить, как правило, через систему косвенных признаков. На основе анализа спектральных диапазонов КС, а также
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.