Из материалов международной конференции " Интеркарто - 6 " ( г. Апатиты, 22-24 августа 2000 г.).

Зольников И.Д., Исаев И.О., Баландис В.А., Богуславский А.Е.
Объединенный институт геологии, геофизики и минералогии
Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск
e-mail: zol@uiggm.nsc.ru

Abstract. This paper deals with problems of geoinformatical supplying of geoenvironmental investigations, corresponding with scale 1 : 10 000 and more detail. Investigations oriented on the reveal of urban geoenvironmental situations are considered. Technological scheme of the geoinformatical supplying for such studies is developed. This approach was used in geology-geomorphological, geochemical, geophysical researches of Novosibirsk geoenvironment. Place of GIS-technologies in whole consecution of ecogeological explorations of detail scale is shown.

Введение

Детальные геофизические и геохимические исследования экологического профиля, как правило, проводятся в рамках мониторинга окружающей среды. Мониторинг окружающей среды осуществляется на нескольких иерархических уровнях (Королев, 1995). Это обусловлено двумя основными причинами: сложившейся административно-ведомственной инфраструктурой организации мониторинга и реально существующими уровнями иерархического обособления природно-техногенных экосистем. Детальный уровень мониторинга ориентирован на изучение непосредственных источников экологической опасности, а также на изучение важных объектов/территорий, подвергающихся экологическому риску. Кроме того, на этом уровне мониторинга проводится анализ эталонных участков, типовых для территорий, являющихся объектами экомониторинга более высокого уровня иерархии (локальный, региональный, национальный, глобальный). Таким образом, значения детальных исследований не ограничиваются пространственными рамками их локализации; они важны для понимания поведения экосистем более высокого уровня организации.

Детальному уровню экогеологических исследований соответствуют картографические материалы (карты, схемы, планы) самого крупного масштаба (от 1 : 10 000 и крупнее). Этот масштаб исследований предполагает уровень генерализации, учитывающий не только местоположение, но и геометрию конкретных объектов на местности. Это предъявляет особые требования к средствам геоинформационного сопровождения работ на разных этапах их выполнения.

Предлагаемая статья посвящена обобщению конкретного опыта геоинформационного сопровождения детальных экогеологических работ геолого-геоморфологического, геофизического, геохимического профиля в пределах Новосибирска и прилегающей территории. Данные работы учитывали контекстные знания по закономерностям строения геосреды Новосибирска, полученные ранее и обобщенные в виде серии компьютерных карт (Дементьев и др., 1997). Общим в этих исследованиях (кроме детальности и использования ГИС-технологий) является нацеленность на задачи выявления и типизации различных экогеологических обстановок в рамках конкретных изучаемых участков по комплексу параметров, точечно и/или профильно характеризующих геологическую среду. Это предопределило сходство технологических приемов и способов обработки информации в исследованиях, обладающих разной методической специализацией.

Технология экогеохимических работ детального уровня

Разработка типовой технологической схемы детальных экогеохимических исследований с использованием ГИС-технологий, которая показана на рис. 1, началась с создания геоинформационной модели Новосибирского Академгородка (Зольников, Баландис, 1998), которая была построена с использованием программных средств Arc/Info, Easi/Pace, Erdas, ArcView. Геоинформационная модель включала в себя цифровую модель рельефа и серию производных от нее компьютерных карт (схем углов падения склонов, азимутов падения склонов и др.), а также перспективных изображений, драпированных космическим снимком, подчеркивающих главные ландшафтные особенности, специфику рельефа, расположение техногенных объектов и структур на данной территории.

На основе созданной комплексной модели была разработана схема геохимического опробования территории Академгородка. Пробы отбирались с учетом основных потенциальных источников поступления техногенного вещества на территорию, а также с учетом особенностей рельефа, контролирующих перераспределение вещества по земной поверхности. В лабораторных условиях были получены данные по геохимическому составу почв (Cr, Ni, Co, Mn, Zn, Cu, Be, Pb, Sr, Ba, Li, Rb, Cs, V, K, Na, Mg, Ca, Fe, U, Th). Следующим шагом явилась компьютерная обработка лабораторных результатов с учетом информации по региональным геохимическим особенностям (Экогеохимия Западной Сибири..., 1996). По итогам обработки осуществлен пространственный анализ полученных закономерностей, выявлены основные факторы, контролирующие территориальные особенности проявления фоновых и аномальных значений экогеохимических характеристик для данного района.

Дальнейшее развитие типовая технология детальных экогеохимических исследований получила в исследовании хвостохранилища НЗХК и прилегающей территории (Богуславский, 1999). В ходе этого исследования имелось достаточно данных (как авторских, так и привлеченных по материалам предшественников) по U, Ra, Hg, Pb для интерполяции на весь исследуемый район. Особое внимание было уделено завершающему этапу технологической схемы геоинформационному моделированию экогеологических обстановок. Использование ГИС-технологий позволило выявить связь ореолов загрязнений с рельефом, дать экологическую оценку существующим природно-техногенным геохимическим ситуациям и осуществить прогноз на динамику этих ситуаций в зависимости от вариантов долгосрочных региональных изменений окружающей среды.

Технология экогеофизических работ детального уровня


Технологическая схема экогеологических исследований, в соответствии с которой были проведены выше описанные геохимические работы, применена и при разработке технологии исследований методом электромагнитного сканирования. Разработка ведется лабораторией электромагнитных полей Института геофизики (ОИГГМ СО РАН) совместно с НПП ГА «Луч».

Рис. 1. Технологическая схема экогеологических исследований

Метод электромагнитного сканирования (Isaev et al., 1999) является современной модификацией известного метода зондирования становления поля (ЗС). В отличие от предшествующих модификаций, созданных для решения глубинных структурных и рудных геологических задач, наш метод направлен на решение малоглубинных инженерно-геологических задач. Метод позволяет определять электрическую проводимость среды. Важной чертой метода является скорость: сканирование производится в процессе движения автомобиля (2-3 отсчета в секунду). Поэтому мы имеем дело с существенно большими объемами данных, чем в традиционной методике (1-10 отсчетов в день).

Теперь о технологии работ чуть подробнее. Детальные геоинформационные модели районов исследований, которые мы строим на основании картографического и другого материалов, содержат сведения о данных бурения, гидрогеологии, уровне электромагнитного загрязнения, рельефе местности, инженерных объектах и т.п. Эти данные могут быть как в векторном, так и в растровом видах. На основании собранной информации строится первоначальная гипотеза о геофизических свойствах района, проводится математическое моделирование, настраивается аппаратура, намечается схема, оптимальная для поиска намеченных объектов.

В процессе измерений первоначально намеченная схема уточняется в соответствии с реальным рельефом и возможностью для проезда автомобиля. Полученные данные подвергаются фильтрации, проводится исследование уровня шумов. Уже в поле, а после в камеральных условиях проводится более или менее детальная математическая обработка данных: математическое моделирование, трансформации. Статистическая обработка и пространственный анализ проводятся в системе ArcView. Выделяются аномальные и фоновые значения. Используются процедуры интерполяции, построения карт изолиний. Результатом работ является районирование территории по геофизическим свойствам, выделение инженерных и геологических объектов и структур. В рамках использования данного подхода проводится экогеофизический мониторинг на участках, выбранных в качестве полигонов.

Место ГИС-технологий в детальных экогеологических исследованиях

Непосредственное использование ГИС-технологий в детальных экогеологических исследованиях начинается с геопривязки наблюдений (места отбора проб и проведения точечных или профильных измерений). Прежде всего отметим, что при укрупнении масштаба работ акцент смещается от использования генерализованных моделей экогеологических ситуаций к непосредственному оконтуриванию объектов, структур, ореолов. Картографические материалы масштаба 1 : 10 000 в детальных экогеологических исследованиях являются, как правило, верхним членом масштабного ряда. Поэтому в условиях города необходимым условием является наличие цифровых карт и схем, начиная от масштаба 1 : 10 000 и крупнее. Особую роль приобретают при увеличении масштаба данные о рельефе. Поэтому создание цифровой модели рельефа на участок детальных работ является обычно необходимым составным компонентом технологической цепи.

Часто для точной геопривязки геофизических и геохимических наблюдений требуются планы более крупного масштаба (от 1 : 2 000 и детальнее). Нередко возникает ситуация, когда не существует централизованно созданных электронно-цифровых вариантов детальных планов. В таких случаях целесообразен «экспрессный вариант» оцифровки плана - создание геокодированных растровых изображений в метрах, но с условным нулем отсчета относительно какого-либо из местных реперов. Такая цифровая подложка позволяет ориентироваться на местности, достаточно точно привязывать к ней экогеологические наблюдения и адекватно визуализировать результаты обработки без трудоемких затрат на создание полных векторных аналогов имеющихся планов.

Еще одной особенностью детальных экогеологических работ является необходимость использования контекстных знаний о геологической среде. Для выявления динамики экогеологических ситуаций требуется иметь представление о фоновых свойствах геологической среды. Наиболее адекватной формой этих представлений являются карты и схемы экогеологического районирования территории, включенные в геоинформационные проекты более высокого уровня генерализации. Примерами таких ГИС-проектов могут служить банк данных по экогеохимии Западной Сибири, разработанный на основе данных по комплексной геохимической характеристике природных ландшафтов региона (Экогеохимия Западной Сибири..., 1996), а также ГИС-проект «Геосреда Новосибирска» (Дементьев и др., 1997), включающий данные по геоморфологии, геологическому строению, инженерно-геологическому районированию Новосибирска и прилегающей территории. Для геофизических работ, в частности, практический интерес представляют данные по источникам электромагнитного излучения, которые влияют на проведение электромагнитных измерений.

Существенное значение в практике детальных экогеологических работ имеют задачи пространственной визуализации данных. Здесь возможны варианты: 1) презентация сходства и различия экогеологических характеристик по точкам и профилям стандартными средствами ГИС; 2) предварительная обработка данных и визуализация в ГИС результатов этой обработки. Достаточно успешно с функциями визуализации справляется ГИС конечного пользователя ArcView, к которой имеется значительное число разно специализированных модулей-расширений, многие из которых свободно распространяются на некоммерческой основе. Дополнительные модули расширяют возможности пространственного анализа данных, фактически не усложняя всю технологическую цепочку. Это не исключает использования в технологической последовательности полнофункциональных инструментальных ГИС типа ArcInfo в том случае, если есть такая необходимость и возможность. Вместе с тем детальные исследования обычно ориентируются на специально подобранный комплекс программных пакетов, функциональный спектр которых накрывает конкретные типовые задачи пространственного анализа и визуализации данных.

При детальных экогеологических исследованиях, поставленных на поток, особенно актуальной становится задача архивирования данных, их систематизация и организация удобного доступа к этим данным. В таких случаях резко возрастает объем данных и резко падает время, отпущенное на их обработку. В то же время нередки неоднократные возвращения к участкам, уже исследованным ранее. Наиболее оптимальным оказывается создание баз данных и метаданных на лазерных дисках. При этом очень важной составляющей становятся геоинформационные базы метаданных, оформленные в виде ГИС-проектов, где объектами являются районы исследования. В семантической нагрузке таких объектов содержится дополнительная информация о типе и количестве экогеологических наблюдений, о времени их проведения, а также указание на местонахождение (шифры дисков и директорий) основной информации по данному участку. Немаловажным фактором является время проведения исследований.

Наряду с использованием баз метаданных для организации удобного поиска данных и доступа к ним целесообразным оказалось создание банков данных, включающих «резюме» по проанализированному участку на определенный временной интервал исследований. В качестве таких резюме выступают, как правило, иллюстрированные отчеты, оформленные в виде HTML-структур, «подцепленных» к объектам цифровой карты фактического материала детальных экогеологических работ.

Заключение

Таким образом, разработана и апробирована технологическая схема геоинформационного сопровождения экогеологических исследований, соответствующих масштабному ряду от 1 : 10 000 и крупнее. Показано место ГИС-технологий в работах, ориентированных на выявление и картирование экогеологических обстановок в городе.

Исследования поддержаны грантом «Комплексный подход к типизации эколого-геологических обстановок как основа эколого-геологического районирования» программы «Фундаментальные исследования высшей школы в области естественных и гуманитарных наук. Университеты России (Университеты России фундаментальные исследования)». Работа выполнена при технологической поддержке Новосибирского регионального центра геоинформационных технологий СО РАН.

Литература

Ї Королев В.А. Мониторинг геологической среды. М., 1995. 272 с.
Ї Дементьев В.Н., Дмитриев А.Н., Добрецов Н.Н., Забадаев И.С., Зольников И.Д. Геоинформационный анализ жизнеобеспечивающих свойств урбанизированной геосреды // Материалы Международной конференции ИНТЕРКАТРТО 3 «ГИС для устойчивого развития окружающей среды». Новосибирск, 1997. С. 251-260.
Ї Зольников И.Д., Баландис В.А. Использование геоинформационных технологий для картографирования урбанизированной территории на примере Новосибирского Академгородка // Материалы Международной конференции ИНТЕРКАРТО 4 «ГИС для оптимизации природопользования в целях устойчивого развития территорий». Барнаул, 1998. С. 425-431.
Ї Экогеохимия Западной Сибири. Тяжелые металлы и радионуклиды. Новосибирск, 1996. 248 с.
Ї Богуславский А.Е. Воздействие на окружающую среду хвостохранилища ОАО Новосибирского завода химических концентратов (НЗХК) // Материалы XXXVII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс: Геология». Новосибирск, 1999. С. 50.
Ї Isaev I.O., Epov M.I., Antonov E.Y. The TEM arbitrary pulse equipment // Proceedings / 5th Meeting of the Environmental and Engineering Geophysical Society. European Session. September 6-9/1999, Budapest, Hungary, Em6.