Технологии распознавания территории по образу на карте, космо-, аэрофотоснимке, фотографии (ГИС-технологии «С одного взгляда»)

Marina A. Grigoryeva

PhD in Geography, Аssociate Professor, Department of Physical Geography and Geoecology

Buryat State University

24a, Smolina st., Ulan-Ude, 670000 Russia

Danila A. Markelov

DSc in Engineering, Leading Research Associate at Joint Stock Company Association «KARTEK» P.O. Box 145, Moscow 117292 Russia

Andrey V. Markelov

P.O. Box 145, Moscow 117292 Russia

Nadezhda Ya. Mineeva

P.O. Box 145, Moscow 117292 Russia

Olga E. Polynova

PhD in Geography, Associate Professor, Department of systemic ecology, Federal State Budget Educational Institution of Higher Professional Education «Peoples Friendship University of Russia» 6 Miklukho-Maklai st., Moscow 117198 Russia

Andrey P. Askolzin

Гештальтгеография (гештальт — образ) распознавание и оценка территории через образ: карту, космо- или аэрофотоснимок, фотографию [1–4]. Цифровые карты-основы, космоснимки растительности и ландшафтов представляет собой портрет территории, на котором представлено пространственное отображение геоэкологической структуры. Пространственный портрет территории всегда содержит в себе информационные критерии распознавания геосистем и их динамических стадий. Задача состоит в том, чтобы установить взаимосвязи по образу «индикатор-индикат», выявить взаимозависимости и создать базы данных, определяющие геоэкологический стандарт территории, как эталонный типичный ландшафтно-зональный образ или гештальт со структурой в соответствии условиям среды.

Геоэкологический стандарт территории как ландшафтно-зональный норматив выступает регулятором природопользования. Именно пространственный портрет территории, представленный в геоэкологическом стандарте, выполняет функцию «электронного носа» или «электронного языка» в соответствии с новой парадигмой аналитического контроля окружающей среды, когда интегральные показатели можно определять любыми аналитическими методами и средствами, они могут быть безразмерными, но выстроенными на хорошо отградуированной шкале, по разным принципам.

ГИС-технологии, разработанные авторами в виде стационарных и мобильных технологий оперативного картографирования, технологий биомониторинга на основе биотестирования и биоиндикации, технологий создания биобарьеров, позволяют реализовывать практически все операции, связанные с природопользованием, а также решать задачи обеспечения экологической безопасности на природных и урбанизированных территориях, объектах любого хозяйственного назначения, внедренных в природные ландшафты и формирующих геотехнические системы.

Чтобы гештальт территории стал информационно «видимым», его необходимо распознать по заданным критериям и признакам. При этом признаки должны быть формализованы и унифицированы, то есть в основе любого распознавания лежит принцип маркера или индикации, для чего в системе задается всегда пара отношений индикат-индикатор. Информационная система содержит блоки ввода информации, алгоритмизации взаимосвязей, установления приоритетных отношений и создания нового тематического гештальта по типу известного: образ пространства (объект) — информация — карта, космоснимок, фотопортрет, то есть геоэкостандарт территории. Технологический регламент создания геоэкологического стандарта территории как элемента гештальтгеографии включает цепь последовательных процедур и операций.

Регламент считывания тематической информации с гештальта:

• 1)    выбрать критерии распознавания: объект (реальность) — территория, тип — геоэкостандарт;

• 2)    установить дешифровочные признаки;

• 3)    провести дешифрирование каждого фотоизображения;

• 4)    составить портрет объекта;

• 5)    создать эталон;

• 6)    провести сравнение;

• 7)    установить тип местности по образу.

Таким образом, гештальгеография как наука о познании территории по образу (гештальту) основана на сопряженном сборе исходной информации, создании информационных систем, алгоритмизации взаимосвязей. И тогда гештальт (образ) будет информационно открыт любому наблюдателю. При стандартизации проводится обоснование интервала допустимых значений конкретных переменных и эталонов, что необходимо для управления природно-техническими системами территорий.

Авторами разработаны новые ГИС-технологии обеспечения геоэкологической безопасности и управления территорией.

Технологии построены на единой информационной платформе и представляют механизм распознавания территории и экологического состояния «с одного взгляда», то есть по стандартному геоэкологическому описанию — гештальту.

Региональный охват баз данных (БД) представлен следующими блоками .

Европейская территория России (биомы хвойно-широколиственных лесов, широколиственных лесов, лесостепей, степей, южных степей); Европейская территория России и Латвии: Москва — Центрально-лесной биосферный заповедник — заповедник «Слитере» Латвия (биомы хвойношироколиственных лесов); Европейская территория: окраинные области Балтийского щита и Атлантики: Санкт-Петербург — Копенгаген — Гамбург — Лондон — Гавр — Роттердам; Европейская территория России и Украины: Москва — Чернобыль (биомы хвойно-широколиственных лесов, широколиственных лесов, лесостепей, степей); Подтатранский район Карпатской горной страны в Словакии (высотная поясность); Уезд Сыпин провинции Гирин, Китай (биомы степей); Город Сыпин провинции Гирин, Китай (урбогеосистемы, биом степей); Московская область (биомы хвойно-широколиственных лесов, южной тайги); Москва (биом хвойно-широколиственных лесов); Костромская область (биомы южной тайги и хвойно-широко-лиственных лесов); Республика Карелия (биом тайги); Заповедник «Белогорье» (биомы широколиственных лесов, лесостепей, степей); Нижегородская область (биомы южной тайги, хвойно-широколиственных лесов); Волгоградская область (биомы степей, полупустынь); Мурманская область (биомы тайги, лесотундры, тундры); Республика Бурятия (биомы тайги, степи); Норильский промышленный регион (биомы тундры, лесотундры); Приморский край (биом хвойно-широколиственных лесов); Латвия (биом хвойно-широколиственных лесов); Литва (биом хвойно-широколиственных лесов); Бахрейн (биом пустыни).

ГИС-технологии организованы по модульному принципу на единой платформе ввода, хранения, обработки и представления данных, БД и СУБД, открыты для обновления, актуализации и модернизации составляющих блоков.

Составные блоки: видеоэкранные формы, справочники, диалоговые интерфейсы, системы ввода информации, алгоритмы расчета, анализа информационных связей и выбора ограничений, программное обеспечение обработки, ЦКО — карты и космоснимки, базы данных установок и настроек модуля, системы представления и формирования выходной продукции и отчетных форм, руководство пользователя, программы обучающих курсов.

Каждый модуль функционирует автономно в режиме реального времени и представляет инструментальное средство (прибор) для контроля геоэкологической безопасности и управления территорией. Создан паспорт каждой технологии.

Паспорт технологии «Распознавание геоэкологической структуры территории».

Объект контроля : геоэкологическая структура территории — пространственный портрет и геотопология сукцессионных систем.

Критерии распознавания : физиономичные индикаторы — растения и их сообщества (2 300 видов растений со шкалами толерантности к 10 прямодействующим факторам).

Контролируемые параметры :

• 1)    типы режимов факторов;

• 2)    стадии развития экосистем — ботанико-географический район, руководящие виды, парцеллы, демутационные комплексы, экогенетические комплексы, породный состав древостоя, формула древостоя;

• 3)    пространственные портреты территории и топологическая структура (карты).

Паспорт технологии «Распознавание геодинамической и функциональной структуры территории».

Объект контроля: геодинамическая и функциональная структура территории — пространственный портрет — геотопология сукцессионных систем с константными показателями характерного времени, возраста, запаса фитомассы.

Критерии распознавания: физиономичные индикаторы — растения и их сообщества (2 300 видов растений со шкалами толерантности к 10 прямодействующим факторам).

Контролируемые параметры:

• 1.    Типы режимов факторов.

• 2.    Стадии развития экосистем — ботанико-географический район, руководящие виды, парцеллы, демутационные комплексы, экогенетические комплексы, породный состав древостоя, формула древостоя.

• 3.    Геодинамические характеристики состояния экосистем — характерное время парцелл, характерное время экогенетических комплексов, возраст древостоя и характерное время древостоя.

• 4.    Функциональные характеристики — запас фитомассы травостоя, максимальный запас фитомассы экогенетических комплексов, возраст и запас стволовой древесины древостоя.

• 5.    Пространственные портреты территории и топологическая структура (карты).

Паспорт технологии «Распознавание радиобиобарьерной структуры территории».

Объект контроля: биобарьерная структура территории, пространственный портрет — геотопология сукцессионных систем с константными показателями характерного времени, возраста, запаса фитомассы, содержания радионуклидов и других веществ в биобарьерах: почве, подстилке, грибах, мохово-лишайниковом ярусе, травяно-кустарничковом ярусе, древостое, биоте (в целом), экосистеме (в целом).

Критерии распознавания: физиономичные индикаторы — растения и их сообщества (2 300 видов растений со шкалами толерантности к 10 прямодействующим факторам).

Контролируемые параметры:

• 1.    Типы режимов факторов.

• 2.    Стадии развития экосистем — ботанико-географический район, руководящие виды, парцеллы, демутационные комплексы, экогенетические комплексы, породный состав древостоя, формула древостоя.

• 3.    Геодинамические характеристики состояния экосистем — характерное время парцелл, характерное время экогенетических комплексов, возраст древостоя и характерное время древостоя.

• 4.    Функциональные характеристики — запас фитомассы травостоя, максимальный запас фитомассы экогенетических комплексов, возраст и запас стволовой древесины древостоя.

• 5.    Радиобиобарьерные характеристики.

• 6.    Пространственные портреты территории и топологическая структура (карты).

Паспорт технологии «Распознавание геоэкологического стандарта территории».

Объект контроля: геоэкологическое состояние территории: пространственный портрет — геотопология сукцессионных систем с показателями характерного времени, возраста, запаса фитомассы, содержания химических элементов в биобарьерах (почве, подстилке, грибах, мохово-лишайниковом ярусе, травяно-кустарничковом ярусе, древостое, биоте в целом, экосистеме в целом), измеренными, расчётными, прогнозными и нормативными параметрами нагрузки на экосистемы, экологической ёмкости систем, их реакции и индексов опасности, надежности, эффективности.

Критерии распознавания: физиономичные индикаторы — растения и их сообщества (2 300 видов растений со шкалами толерантности к 10 прямодействующим факторам).

Контролируемые параметры:

• 1.    Типы режимов факторов.

• 2.    Стадии развития экосистем — ботанико-географический район, руководящие виды, парцеллы, демутационные комплексы, экогенетические комплексы, породный состав древостоя, формула древостоя.

• 3.    Геодинамические характеристики состояния экосистем — характерное время парцелл, характерное время экогенетических комплексов, возраст древостоя и характерное время древостоя.

• 4.    Функциональные характеристики — запас фитомассы травостоя, максимальный запас фитомассы экогенетических комплексов, возраст и запас стволовой древесины древостоя.

• 5.    Радиобиобарьерные характеристики.

• 7.    Радиоэкологические параметры: измеренные и расчетные показатели содержания и доз от ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ²³⁹Pu на поверхности почвы, в толще почвы, в дождевых червях, грибах, высших млекопитающих. Индекс радиационной опасности.

• 8.    Геохимические показатели: класс водной миграции, тип и формула геохимического ландшафта, уровни содержания тяжелых металлов.

• 9.    Геоэкологические показатели: предельные и реальные характеристики экологической емкости ландшафта, потенциалы вместимости, индексы надежности и эффективности биобарьеров, коэффициенты возмещения ущерба за использование и по восстановлению ресурса территории.

• 10.    Пространственные портреты территории и топологическая структура (карты).

Паспорт технологии «Распознавание радиоэкологического стандарта территории».

Объект контроля: радиоэкологическое состояние территории: пространственный портрет — геотопология сукцессионных систем с константными показателями характерного времени, возраста, запаса фитомассы, содержания радионуклидов и других веществ в биобарьерах (почве, подстилке, грибах, мохово-лишайниковом ярусе, травяно-кустарничковом ярусе, древостое, биоте в целом, экосистеме в целом), параметрами измеренными (содержание радионуклидов ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ²³⁹Pu в почве) и расчетными (предельно допустимое содержание ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ²³⁹Pu в почве, актуальное и предельно допустимое содержание ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ²³⁹Pu в грибах, в дождевых червях, в высших млекопитающих; актуальные и предельно допустимые поглощенные дозы от ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ²³⁹Pu на поверхности почвы, в толще почвы, в дождевых червях, грибах, высших млекопитающих; индекс радиационной опасности).

Критерии распознавания: физиономичные индикаторы — растения и их сообщества (2 300 видов растений со шкалами толерантности к 10 прямодействующим факторам).

Контролируемые параметры:

• 1.    Типы режимов факторов.

• 2.    Стадии развития экосистем — ботанико-географический район, руководящие виды, парцеллы, демутационные комплексы, экогенетические комплексы, породный состав древостоя, формула древостоя.

• 3.    Геодинамические характеристики состояния экосистем — характерное время парцелл, характерное время экогенетических комплексов, возраст древостоя и характерное время древостоя.

• 4.    Функциональные характеристики — запас фитомассы травостоя, максимальный запас фитомассы экогенетических комплексов, возраст и запас стволовой древесины древостоя.

• 5.    Радиобиобарьерные характеристики.

• 6.    Радиоэкологические параметры: измеренные и расчетные показатели содержания и доз от ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ²³⁹Pu на поверхности почвы, в толще почвы, в дождевых червях, грибах, высших млекопитающих. Индекс радиационной опасности.

• 7.    Пространственные портреты территории и топологическая структура (карты).

Паспорт технологии «Прогнозирование радиоэкологического состояния территории» Составные блоки:

• 1.    Базы данных «Описания»: 116 пробных площадок, 574 вида растений. Рассчитаны альфа- и бетаразнообразие, типы режимов факторов, экологические свиты в диапазонах природных факторов в интервале широт 44° и 57° с. ш.

• 2.    Базы данных «Толерантность»: шкалы толерантности 2 300 видов по отношению к 10 прямодействующим факторам.

• 3.    Базы данных «Радиометрия»: значения содержания ∑α, ∑β, ⁹⁰Sr, ⁴⁰K, ¹³⁷Cs для 116 пробных площадок.

• 4.    Базы данных «Связи»: установленные связи для: 49 видов, 8 радиометрических показателей, 10 прямодействующих факторов, 10 свит. Всего 4000 матриц.

Объект контроля: радиоэкологическое состояние территории: пространственный портрет — геотопология сукцессионных систем с константными показателями характерного времени, возраста, запаса фитомассы, содержания радионуклидов и других веществ в биобарьерах (почве, подстилке, грибах, мохово-лишайниковом ярусе, травяно-кустарничковом ярусе, древостое, биоте в целом, экосистеме в целом), параметрами измеренными (содержание радионуклидов ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ²³⁹Pu в почве) и расчетными (предельно допустимое содержание ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ²³⁹Pu в почве, актуальное и предельно допустимое содержание ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ²³⁹Pu в грибах, в дождевых червях, в высших млекопитающих; актуальные и предельно допустимые поглощенные дозы от ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ²³⁹Pu на поверхности почвы, в толще почвы, в дождевых червях, грибах, высших млекопитающих; индекс радиационной опасности).

Критерии распознавания: физиономичные индикаторы — растения и их сообщества (2300 видов растений со шкалами толерантности к 10 прямодействующим факторам).

Контролируемые параметры:

• 1.    Типы режимов факторов.

• 2.    Радиоэкологические параметры: измеренные и расчетные показатели содержания и доз от ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ²³⁹Pu на поверхности почвы, в толще почвы, в дождевых червях, грибах, высших млекопитающих. Индекс радиационной опасности.

• 3.    Пространственные портреты территории и топологическая структура (карты).

Технологический регламент:

• 1.    Расчет типов режимов факторов.

• 2.    Позиционирование видов на шкалах толерантности и расчёт дельт.

• 3.    Анализ связи дельт с данными радиометрии.

• 4.    Прогноз значений содержания радионуклидов на основе выявленных связей.

Пример распознавания территории с использованием технологий «с одного взгляда» показаны на рисунках 1–3 для Мурманской области.

Рис. 1. Фотопортрет пробной площади (Мурманская область)

Ботанико-географические координаты

Empetrum rugrum Empetru^rugfum Vaconium мбенОаеа .actinium иРвнМеа VACCinium мал ।аз»a vaconium nastoaea L1OOM3 DOTWdUX Vaconium ungmcavm Vaconium uuotncsum

V,

Таблица расчета ботанико-географических координат lV«2vam

RU_HAZVAN факторы

Рис. 2. Распознавание территории (Мурманская область)

Вороника ^ерная.еодяника u

Вороник' wp* ............

Брусника

Брусника

Брусника

Брусника

Линнея сееерная

Голубика пьяника Голгбика, пьяника

_____ Назван ие

Климакс __________

Еегрофнаягидросерну

^и' ч'. : -^ н :,-„с

Эпю< и альная мехкерик

Цепкеналбная меэосесия ^ловиапьнан мезосерия

Рис. 3. Распознавание территории (Мурманская область)

Выводы

Определено новое научное направление — гештальтгеография (гештальт — образ) — распознавание и оценка территории через образ: карту, космо- или аэрофотоснимок, фотографию. Обоснована роль и информационная значимость пространственного портрета территории, составляющего основу геоэкологического стандарта. Созданы базы данных на основе взаимосвязей «индикатор — индикат», определяющие шкалу взаимозависимостей, отраженных в гештальте — пространственном портрете территорий. Гештальт выполняет функцию «электронного носа» или «электронного языка» в системе аналитического контроля окружающей среды.

Авторами разработаны новые ГИС-технологии обеспечения геоэкологической безопасности территории в системе природопользования, которые представляют механизм распознавания территории и экологического состояния «с одного взгляда», то есть по стандартному геоэкологическому описанию — гештальту.