Применение ГИС-технологий в ландшафтно-экологическом изучении городской территории

В.З. Макаров, И.В. Пролеткин, А.Н. Чумаченко

Саратовский Государственный Университет

Одним из обязательных требований современной градостроительной деятельности является выполнение целого комплекса исследований, называемых экологическими или "урбоэкологическими".

Урбоэкология, в понимании авторов данного термина, есть "прикладная экология, связанная с градостроительным планированием" (Владимиров и др., 1987). Предмет урбоэкологии - "исследование закономерностей взаимодействия градостроительных структур с природной средой и разработка предложений его оптимизации" (Ахмедова, 1991). Нельзя не отметить определенное сходство целей и задач экологического раздела градостроительства (урбоэкологии) с целями и задачами ландшафтной экологии и ландшафтного планирования при изучении урбанизированных территорий.

Ландшафтная экология - наука, изучающая процессы и явления в геосистемах на вещественно-энергетическом уровне и пространственно-временные формы их выражения в поверхностном слое Земли (биосфере).

Ландшафтное планирование - прикладной раздел ландшафтной экологии, цель которого - оптимизация природопользования на конкретной территории. Таким образом, и урбоэкология, и ландшафтная экология городских территориальных систем имеют совпадающий объект изучения - градостроительные структуры в природном ландшафте и совпадающие задачи - оптимизацию отношений технических систем и природной среды ("города и ландшафта"). В этом плане цели "городской" ландшафтной экологии и экологического раздела градостроения - урбоэкологии - вполне совпадают. Отсюда выглядит вполне естественным привлечение теоретических моделей и методов, в целом, в методический арсенал урбоэкологии.

Ныне совершенно очевидна и необходимость широкого использования информационных технологий, конкретно, ГИС-технологий, в практике градоэкологического анализа и градостроительства в целом.

Данное сообщение основано на опыте ландшафтно-экологического изучения одного из крупнейших полифункциональных городов Поволжья - города Саратова, в ходе которого многообразно применялись методы геоинформационного анализа и картографирования. Некоторые результаты данных работ были опубликованы в "ГИС-обозрении" в 1995, 1996, 1997 годах (см. "ГИС-обозрение". Спецвыпуск, 1.95; ).

Ландшафтно-экологический подход к изучению городской территории активно использует методологию системного анализа (Демек, 1977). В данном случае город рассматривается как сложная, полиструктурная, территориальная, открытая, энергетически субсидируемая (Ю. Одум), геохимически аккумулятивная управленческая система (урбогеосистема). В урбогеосистему входят три подсистемных блока - природный, инженерно-технический, демопопуляционный (Макаров, 1997). При ландшафтно-экологическом подходе основное внимание уделяется изучению взаимодействий природного ландшафта и "техногенного покрова" и их совместного влияния на ландшафтно-эстетические и санитарно-гигиенические свойства и условия, а также здоровье населения, состояние городских экосистем.

В содержание ландшафтно-экологического анализа , включающего инвентаризационный (констатирующий) и оценочный этапы работ входят следующие направления исследований:
1.Изучение природного блока урбогеосистемы;
2.Исследование инженерно-технического блока;
3.Анализ демографической и медико-географической ситуации;
4.Уяснение морфоструктурных особенностей ландшафтно-экологического и градостроительного каркасов и их суперпозиции;
5.Определение ресурсного потенциала, экологической емкости, потенциальной и актуальной устойчивости восстановленных и существующих городских и территориальных выделов к техногенному воздействию;
6.Делимитация городской территории на ландшафтные районы, подрайоны, местности и урболандшафтные участки и оценка их эколого-ресурсного потенциала при существующем режиме природопользования.

Ландшафтно-экологический анализ строится на оценке степени соответствия эколого-ресурсного потенциала и экологического состояния урболандшафтных таксонов (участков, местностей, подрайонов и районов) сложившемуся набору социально-экономических функций и успешности их выполнения в сравнении с действующими критериями и нормативами.

Исследовательский ландшафтно-экологический прогноз представляет среднесрочную (10-15 лет) оценку возможных тенденций изменения экологического состояния городской среды при существующих санитарно-гигиенических и экологических нормах, экспансивной стратегии развития городского хозяйства.

Нормативный ландшафтно-экологический прогноз дает оценку вариантов интенсивного, экологически ориентированного развития города, включая прогноз эколого-ресурсного потенциала конкретного урболандшафтного участка в зависимости от стратегии природопользования.

В качестве примера укажем некоторые виды ландшафтно-экологического анализа, в ходе которого были созданы многочисленные цифровые карты различных масштабов - от 1 : 2 000 до 1 : 25 000.

В природном блоке изучались морфолитогенная(геостационарная)основа городской территории, называемая "геоструктурным каркасом" (Коломыц, 1989), литология, рельеф, экзодинамические процессы, мобильная составляющая природного ландшафта - приземный слой атмосферного воздуха, его циркуляция по сезонам,режимы погод и климат,состояние и динамика поверхностных и подземных вод, биокосная и биотическая лабильная компонента ландшафта - зеленые насаждения, травянистые фитоценозы, городские почвы, почво-грунты и техногенные грунты - урбаноземы, их структура, состояние и процессы.

В инженерно-техническом блоке исследовались типы "техногенного покрова" (функциональное использование территории - жилая и промышленная застройка, сельскохозяйственные земли, зеленая (рекреационная) зона, транспортные коридоры, складская зона, девастированные земли и т.д.

Были выделены "каркасные" и "тканевые"(Гутнов) участки "техногенного покрова", определялось их "давление" на подсистемы природного блока.

В демопопуляционном блоке изучались демографические характеристики городского населения (число жителей в урболандшафтных районах и подрайонах; в урболандшафтных местностях и участках; плотность застройки и жителей на единицу площади; возрастная и половая структура), миграционные характеристики, социальный статус;

Анализ компонентной и технологической структур природного и инженерно-технического блоков позволяет перейти к ландшафтному и урболандшафтному районированию городской территории с выделением ландшафтных районов, подрайонов, местностей и урболандшафтных участков.

Кроме того, выделяются элементы урболандшафтной "мозаики" - так называемые ландшафтные "ячеи", "матрицы", "сети" и "пятна" (Макаров, 1997) и определяются их мелиорирующий или детериорирующий эффект.

В процессе ландшафтно-экологических исследований природного, инженерно-технического и демопопуляционного блоков городской геосистемы широко использовались методы ГИС-технологий.

Базовыми картографическими моделями городской территории стали топографические карты 1 : 2 000; 1 : 5 000 и 1 : 10 000 масштабов. Была выполнена послойная дигитализация содержания карт указанных масштабов и сформирована картографическая база данных на городскую территорию и ближайшую пригородную зону. Атрибутивная информация заносилась из полевых бланков, данных специализированных фондов, справочников специализированных служб. Работы выполнялись с использованием пакета настольной картографии "MapInfo Proffesional 4.1.".

В процессе реализации ландшафтно-экологических исследований, выполнявшихся в рамках городской специализированной программы "Экологический мониторинг Саратова" (ЭМоС) было создано более сотни цифровых карт, отражающих различные аспекты состояния природного, инженерно-технического и демопопуляционного блоков урбогеосистемы Саратова. Разработаны и выведены в автоматизированном режиме тематические и комплексные атласы состояния городских ландшафтов. Выполнено ландшафтное районирование городской территории, определены зоны геохимических аномалий содержания тяжелых металлов в снежном покрове, почвах и почво-грунтах. Созданы карты состояния зеленых насаждений, нарушенных и неудобных земель, инженерной и инженерно-гидрогеологической ситуации в связи с процессом подтопления городских земель. В настоящее время выполняется обработка космического снимка г. Саратова и пригородной зоны, сделанного 26 июля 1996 года орбитальной космической системой SPOT, с разрешением 20 м. Данные спутникового зондирования совмещаются с информацией, полученной в ходе полевых и камеральных исследований. Уточняются функциональные и морфологические характеристики городской территории и пригородной зоны.

Выполненные разработки служат основой для исследования оверлейных технологий при выявлении пространственной корреляции ареалов различных объектов, процессов и явлений. В результате вскрыты взаимосвязи и системообразующие отношения между пластикой рельефа, типом застройки, транспортными коридорами и геохимическими аномалиями в снеге и почво-грунтах. Обнаружена зависимость между уровнями электромагнитного загрязнения, комфортностью жилья и здоровьем населения. Интегральное геоинформационное картографирование позволило создать синтетические оценочные карты экологического состояния городской среды по целому комплексу факторов - состоянию воздушного бассейна, глубине залегания грунтовых вод, загрязнению почвенного покрова. Кроме того, выполнен большой объем рутинной работы, связанной с подсчетом длин и площадей различных объектов и явлений городской среды, что было бы затруднительно сделать вручную.

Весьма перспективны ландшафтно-экологические и градостроительные исследования в 2.5, 3-х и 4-х мерных изображениях с использованием компьютерных анимаций.

Накопленный ныне опыт со всей очевидностью свидетельствует о необходимости развития двух тенденций:

1. В практику урбоэкологии нужно шире привлекать методы смежных наук, в частности, методы ландшафтной экологии;

2. Эффективная реализация градоэкологических и градостроительных исследований и проектных предложений ныне невозможна без всестороннего использования САПР и особенно ГИС-технологий.