Геоинформационно-картографические методы в исследовании эколого-хозяйственного баланса территории

DOI:

Цитирование. Хаванская Н. М., Васильченко А. А. Геоинформационно-картографические методы в исследовании эколого-хозяйственного баланса территории // Природные системы и ресурсы. – 2020. – Т. 10, № 2. – С. 33–41. – DOI:

Введение. Методика комплексной оценки эколого-хозяйственного состояния территории была предложена Б.И. Кочуровым и Ю. Г. Ивановым в 80-х гг. ХХ в. [6]. Цель ее заключается в определении сбалансированного развития территории, с учетом всех типов землепользования и антропогенного воздействия на земли. Выводы о сбалансированности развития территории основаны на расчетных данных соотношения площадей территорий, подверженных разным типам землепользования и, соответственно, с разной степенью антропогенной нагрузки. В дальнейшем, основы предложенной методики стали широко использоваться в российских региональных исследованиях (Воронежской [8; 12], Волгоградской [2], Саратовской [11], Калужской [7], Томской областях [9], Алтайского [5] и Забайкальского краев [10]) и стран ближнего зарубежья (Монголия [1]). Приведенные примеры являются лишь небольшой иллюстрацией всей географии проведения подобных исследований.

В последнее десятилетие наблюдается увеличение количества исследований в рас- сматриваемой области, что неразрывно связано с развитием ГИС-технологий и возможностей использования данных дистанционного зондирования Земли. На ранних этапах 1990–2000-х гг., большая часть исследований была основана на аналоговом картографическим материале и аэрокосмических снимках, обладающих фиксированным масштабом и уровнем детализации, что увеличивало сроки получения результатов, трудозатраты, не исключало ошибки при идентификации и оконтуривании разных типов земель. Развитие гео-информационных технологий в картографии, интеграция в ГИС-технологии аэрокосмических данных позволило использовать мультимасштабность снимков и карт, оперативность в их обновлении, соответственно поддержку актуальности, что в совокупности повысило точность в расчетах показателей эколого-хозяйственного баланса, основанных на площадных характеристиках [3; 4; 13; 14]. С появлением новых форматов данных и технологий появилась задача выбора программного продукта, подготовки и обработки данных ДЗЗ (дистанционного зондирования Земли). Целью данной работы является операционная сторона оценки эколого-хозяйственного баланса территории, начиная от сбора, подготовки и дешифрирования данных ДЗЗ, заканчивая расчетом показателей антропогенной нагрузки и их картографированием в ГИС.

В качестве района исследования выбран Красноармейский район Саратовской области Красноармейский район имеет достаточно развитую минерально-сырьевую базу. В настоящее время на территории района разведано 13 видов полезных ископаемых. Среди них имеются запасы нефти, газа, строительного камня, глауконитов, мела, значительны запасы кирпичной глины и песков. отличающийся высокой степенью сельскохозяйственной освоенности. Общая площадь сельскохозяйственных угодий в районе составляет 214 999 га., что делает его вторым среди районов Саратовской области по этому показателю.

Отметим, что предварительные краткие выводы по результатам исследования авторами были опубликованы [11]. В этой статье предлагается более подробное описание методической составляющей и более полных выводов по теме исследования.

Материалы и методы исследования . Оценка эколого-хозяйственного баланса территории, основанная на методике, предложенной Б.И. Кочуровом [6] довольно хорошо и подробно описана в региональных экологических работах, приведенных выше, поэтому на ее описании останавливаться не будем.

Исследования эколого-хозяйственного баланса района исследования было проведено по следующим этапам. Подготовительный этап – сбор и обработка исходных материалов. Исходными данными исследования послужили космические снимки высокого пространственного разрешения (10–20 метров), которые предоставляет геологическая служба Соединенных Штатов Америки. Данные снимки получают со спутников Sentinel 2A/2B, Landsat 8 [5]. Для удобства дальнейшей работы были использованы архивы перечисленных снимков в формате JPEG2000. Данные дистанционного зондирования Земли необходимы для дешифрирования пространственных объектов, формирующих экологический фонд территории, а именно для выявления местоположения объектов, имеющих четкие контуры (поля, леса).

Предварительная подготовка снимков заключается в формировании цветосинтезированного изображения вручную из 3 спектральных каналов (Red, Green, Blue), или в автоматическом режиме, используя модули ГИС и метаданные из полного архива, а также цветокоррекции снимков для более точного дешифрирования пространственных объектов.

Второй этап – формирование базы данных пространственных объектов в программной QGIS 3.4 Madeira. Для дешифрирования и векторизации пространственных объектов, имеющих небольшой размер (лесополосы, сенокосы, пути сообщения) был использован подгружаемый модуль QGIS QuickMapServices. Это инструмент для быстрого добавления базовой карты [11]. Для более точной векторизации объектов, имеющих непостоянную локализацию (например, сенокосы, которые в основном, не имеют постоянного местоположения), использовались три базовые карты трех популярных картографических сервисов, актуальность съемки которых составляла от 2 месяцев до 2 лет: Yandex Maps, Google Maps, Bing Maps.

В дешифрировании пространственных объектов руководствуются изобразительными свойствами фотоснимков, складывающихся из прямых и косвенных признаков [11]. Так как вычисление различных коэффициентов эколого-хозяйственного баланса территории основывается на данных пространственного охвата, все данные формировались как полигональная векторная графика. Сформированный первоначальный состав базы данных для анализа выглядит следующим образом (табл. 1).

Третий этап исследования включает в себя анализ структуры землепользования. Для этого все пространственные объекты классифицируются по степени антропогенной нагрузки на 6 групп, от самого низкого уровня воздействия до самого высокого. Группировка земель по степени антропогенной нагрузки (АН) позволяет оценить антропогенное изменение территории по коэффициентам абсо- лютной и относительной напряженности территории.

Коэффициент относительной напряженности рассчитывается как отношение суммы площадей трех самых высоких групп (АН4, 5, 6) к сумме площадей трех самых низких групп (АН1, 2, 3).

Коэффициент абсолютной напряженности вычисляется как отношение площади самой высокой группы (АН6) к самой низкой (АН1). Данный коэффициент показывает отношение площади сильно нарушенных антропогенным воздействием земель к площади мало преобразованных или вовсе не тронутых земель. Далее производится расчет площадей со средо- и ресурсостабилизирующими функциями (Рсф), который считается как сумма самых низких антропогенных нагрузок (АН1-АН4) с присвоенными им коэффициентами (1; 0,8; 0,6; 0,4).

Таблица 1

База данных для оценки эколого-хозяйственного баланса территории

№ п/п	Вид объектов дешифрования	Тип объектов дешифрования	Дешифровочные признаки
1	Лесная растительность	естественные леса	Характерная черта этих объектов при дешифрировании – непостоянность формы, размеров, структуры, местоположения
		искусственные насажде ния	Характерная черта этих объектов при дешифрировании – определенная геометрическая форма, повторяющая очертания соседнего объекта
2	Линейные техногенные объекты	автодорожная сеть железнодорожная сеть аэропорты, аэродромы	Имеют линейную форму
3	Полигональные техногенные объекты	населенные пункты объекты промышленности строительные площадки свалки	Имеют четкие контуры, хорошо различима внутренняя структура
4	Объекты сельскохозяйственного назначения	пашни	Отличается четкими границами и плотными цветами
		сенокосы	Отличительными особенностями являются видимые полосы сенокошения, а также тюки
		нераспаханные поля	Не имеют плотных цветов, однако имеют средней видимости форму
5	Охраняемые природные территории (ОПТ), территории, официально внесенные в реестр охраняемых		Отличается плотными цветами, соответствующими природным ландшафтам
6	Вспомогательный слой гидрографии линейной и полигональной		Объекты гидрографии

Результаты и обсуждение. Результаты подсчета площадей территорий с различной антропогенной нагрузкой приведены в таблице 2, картографически представлены на рисунке. Из таблицы видно, что большая часть земельного фонда – 50,7 % – находится на высокой, очень высокой и высшей степени антропогенной нагрузки. Очень низкой, низкой и средней степени соответствует 41,15 % территории района. При этом максимальные площади земельного фонда района находятся на высокой (42,4 %) и очень низкой (36,5 %) степени антропогенной нагрузки.

Для комплексной оценки устойчивости территории, которая сохраняется при невысоких антропогенных нагрузках, был использован

Таблица 2

Структура земельного фонда Красноармейского района Саратовской области с учетом индекса антропогенной нагрузки

Индекс антропогенной нагрузки (АН)	Площадь в км2	% от общей площади района
АН1	3030,4	36,5
АН2	155,6	1,9
АН3	228,1	2,75
АН4	3516,6	42,4
АН5	524,7	6,3
АН6	165,5	2
Общая площадь района	8291	92

Примечание. Источник [11].

Условные обозначения

ЕЗ АН6 - Высшая антропогенная нагрузка

Е22 АН5 - Очень высокая антропогенная нагрузка

I i 111 АН4 - Высокая антропогенная нагрузка

АНЗ - Средня антропогенная нагрузка t—1 АН2 - Низкая антропогенная нагрузка

' АН1 - Очень низкая антропогенная нагрузка □ Граница района

Структура землепользования по степени антропогенной нагрузки интегральный показатель естественной защищенности территории (К ез ) – отношение площадей со средо- и ресурсостабилизирующими функциями к общей площади территории (см. табл. 3).

Анализ эколого-хозяйственного состояния по коэффициенту абсолютной напряженности (Ка) необходим для уравновешивания сильных антропогенных воздействий с потенциалом восстановления ландшафтов. Пространственные различия коэффициента Ка разнообразием не выделяются. На территории Красноармейского района можно выделить 3 кластера. Кластер низкой напряженности ЭХБ по коэффициенту Ка (от 0 до 0,3) располагается в западной, восточной и южной частях района. Данный кластер отличается низкими значениями сильно преобразованных площадей. Кластер пониженной напряженности (от 0,3 до 0,5) наблюдается в северной и центральной частях района (Луганское и Ро-гаткинское муниципальные образования). Кластер средней напряженности (от 0,5 до 1) находится в Карамышском муниципальном образовании, и связано это со средними значениями площадей максимальной антропогенной преобразованности. В этом муниципальном образовании находятся большая железнодорожная станция, а также места добычи полезных ископаемых.

Анализ эколого-хозяйственного состояния по коэффициенту относительной напряженности (Ко) более точен, чем коэффициент абсолютной напряженности, так как захватывает промежуточные индексы антропогенной нагрузки. Величина пространственной вариации коэффициента Ко мало отличается от коэффициента Ка. По этому коэффициенту можно выделить 2 кластера низкой и пониженной напряженности. Кластер низкой напряженности (от 0 до 2,5) расположен в восточной, цен- тральной и южной частях района. Кластер пониженной напряженности (2,5–5) расположен в северо-западной части района (Сплав-нухинское и Высоковское муниципальные образования). На этих территориях также наблюдаются низкие площади высоко преобразованных земель, однако территории промежуточных индексов антропогенной нагрузки имеют большие значения.

Анализ ЭХБ по площадям территорий со средо- и ресурсостабилизирующими функциями проводится с целью оценки естественной устойчивости среды. Пространственные различия этих показателей находятся в пределах 200 км ² . Наибольшие значения этого показателя находятся на севере и северо-востоке района. Связано это со сложными ландшафтами, наличием ОПТ, а также низкой преобразованностью (в том числе сельскохозяйственной) этих территорий.

Анализ эколого-хозяйственного состояния территории Красноармейского района Саратовской области по коэффициенту естественной защищенности К_ез необходим для оценки устойчивости территории при небольших антропогенных нагрузках (АН1–АН4). Пространственные различия коэффициента К_ез не значительны. На территории Красноармейского района, по коэффициенту естественной защищенности территории можно выделить 2 кластера. Северо-западная часть района по коэффициенту К ез относится к территориям со средней защищенностью (0,43–0,49). Северовосточная, центральная и южная части района относятся к территориям с повышенной (более 0,5) защищенностью. Низкая (0–0,35) и пониженная (0,36–0,42) естественная защищенность на территории района отсутствует.

Заключение. Проведенная оценка эколого-хозяйственного баланса территории Красноармейского района Саратовской обла-

Таблица 3

Коэффициенты эколого-хозяйственного состояния (ЭХС) Красноармейского района Саратовской области

Коэффициент ЭХС	Значение
К о – коэффициент относительной напряженности	1,29
К а – коэффициент абсолютной напряженности	0,05
Р сф – площадь территории о средо- и ресурсостабилизирующими функциями	4698,38 км2
К ез – коэффициент естественной защищенности территории	0,61

Примечание. Источник [11].

сти демонстрирует относительную сбалансированность хозяйственного развития. Это объясняется преобладанием в структуре землепользования двух категорий земель (в совокупности 78,9 %): природоохранные и неиспользуемых, и пахотных земель, которые, в свою очередь, занимают близкие по площадям территории. Одновременно с этим лишь небольшая доля приходится на земли промышленности, транспорта, нарушенные земли (около 2 %).

Методы геоинформационного картографирования позволяют работать с обширным картографическим материалом, что позволяет выбрать исходные данные, наиболее точно отражающие размещение разных категорий земель, учесть их динамику, и, соответственно, повысить точность оценки экологического состояния территории.