Применение ГИС-технологий в геоэкологических исследованиях привело к кардинальному преобразованию методов картографических работ. Применяются новые правила, инструкции и ГОСТы по составлению и использованию цифровых карт. Однако конкретных разработок по применению ГИС-технологий в геоэкологических исследованиях водно-озерных объектов до сих пор не существует. Определение основных методических подходов к решению этой проблемы, а именно, создание цифровых моделей дна, является актуальной и своевременной задачей.

Геоинформационные системы являются эффективным средством создания высокоточных картографических и аналитических материалов, используемых в природоохранной сфере, однако, до настоящего времени их использование на практике затруднено тем, что нет единых подходов к перечню программного обеспечения, используемым нормативам и техническим заданиям. Традиционно создание природоохранных проектов и оценка потенциала водно-озерных объектов проводится без использования методик и алгоритмов, используемых в ГИС, что создает определенные методические трудности при оформлении официальных документов (паспортов на ООПТ и др.), обусловленные необходимостью интегрирования в один проект большого количества картографической, геоэкологической и землеустроительной информации.

Методы и методика исследования

Разработка алгоритма создания цифровой модели рельефа дна водно-озерных объектов на основе ГИС-технологий позволит разработать новые методы проведения полевых исследований (например, батиметрической съемки и др.) и создать информационную основу (шаблоны) для эффективной разработки природоохранных проектов. В практике природоохранной деятельности наиболее эффективно использование ГИС ArcGIS, MapInfo, Surfer, ERDAS IMAGINE, Google Earth [3] и других, а также крупномасштабных данных дистанционного зондирования (рис. 1).

Основным методическим инструментарием для анализа геоэкологической ситуации водно-озерных объектов использованы следующие методики: методика оценки литогенной основы ландшафтов (Э.А. Лихачева, Д.А. Тимофеев [7] и др.); методика оценки растительного и животного мира (В.И. Василевич [2,3] и др.); методика оценки культурных компонентов ландшафтов (Е.Ю. Колбовский [4] и др.); методика оценки пейзажной выразительности (К.И. Эрингис, Р.А. Будрюнас [10], Н.В. Бучацкая [1] и др.), методика экологической оценки территории, экодиагностики и расчета эколого-хозяйственного баланса (Б.И. Кочуров, А.В. Антипова [5,6] и др.), а также собственные исследования авторов [8,9] .

Рис. 1. Картосхема границ памятника природы Ивановской области «Озеро Серковское»

Результаты и их обсуждение

Большую роль в экологической оценке территории играют озерно-болотные ландшафты. Для определения экологического состояния водных объектов разработан алгоритм создания цифровых моделей рельефа водоемов с использованием методов геоинформационных технологий. Использование данных о рельефе дна дает возможность проводить мониторинг эрозионных процессов и может выступить основой для комплексных исследований водно-озерных экосистем. Разработанный алгоритм создания цифровой модели рельефа дна водных объектов основан на использовании материалов полевых исследований, выполненных с использованием геоинформационного оборудования и технологий. В результате компьютерной обработки полученных материалов создается цифровая модель подводного рельефа водоемов, которая может служить основой для мониторинга эрозионных процессов, эвтрофикации и анализа местообитаний редких видов растений.

Алгоритм изучения водно-озерных объектов и создание цифровой модели рельефа дна может быть представлен как ряд последовательных процедур.

1. В качестве базовой информации используется космоснимок или топографическая карта исследуемого водно-озерного объекта.

2. Исходные материалы регистрируются штатными средствами ГИС. Оптимально использование космоснимка GoogleEarth, который экспортируется как изображение в формате *.jpg и привязывается к географической системе координат. Можно использовать ГИС GlobalMapper 10, в который встроен удобный модуль привязки растра (рис. 2).

3. После привязки изображения оно экспортируется в формат *.GeoTIFF и открывается в ArcGIS (ESRI).

4. Обводятся контуры озера в созданной линейной теме shape-файла, этой линии в атрибутивной таблице задается значение глубины 0 м.

5. Проводятся полевые исследования, в ходе которых записываются координаты точек и глубина (главными инструментами являются эхолот и GPS-навигатор).

6. В MS Excel создается таблица, в которую вводятся значения координат точек промеров (эти данные можно сразу использовать в ГИС Surfer, но будут искажения по долготе) и глубина. Затем координаты нужно пересчитать в метры. Лучше всего использовать GlobalMapper. Необходимо обратить особое внимание на используемую проекцию (Mercator).

Рис.2. Диалоговое окно Global Mapper

Рис. 3. MS Excel с открытой электронной таблицей координат и отметок глубин

7. В результате получается подобный файл (рис. 3).

8. Теперь нужно добавить к нему данные из слоя с изобатой 0 м. Для этого в панели инструментов (toolbox) ArcGIS выбирается раздел конвертации объектов (в оригинале используется термин «вершины») в точки. Заполняется диалоговое окно и получается shape-файл со значениями координат каждой вершины.

9. Полученная тема экспортируется в формат *.txt, а затем открывается в MS Excel (можно использовать формат *.dbf).

10. Три столбца (долгота, широта, глубина) копируются и вставляются в оригинальную таблицу пункта 6.

11. Получается массив точек, содержащий значения глубины промеров и границы акватории озера. Эти материалы можно прямо из MS Excel отобразить в ArcGIS или использовать программу Surfer. В последнем случае требуется создать ГРИД-файл из Excel и визуализировать его. Положительные значения из легенды можно убрать.

Итоговый результат работы представлен на следующей картосхеме (рис. 4).

Тепляковское озеро, используемое нами в качестве примера в данной публикации, является наиболее интересным водоемом Ивановской области (N56.87720° E41.57763° WGS84), которое имеет значительную глубину, что отличает его от других водно-озерных объектов региона, с учетом того, что точных и достоверных сведений о его глубине пока нет. Для определения основных характеристик рельефа дна озера были проведены полевые исследования, с использованием эхолота Garmin Fishfinder 140, GPS-навигатора Garmin GPS 72, КПК HP 150 и ПВХ-лодки «Фрегат». Озеро было разделено на ареалы и по трансектам северо-южного и западно-восточного направления через 15 м были проведены измерения глубин, которые заносились в электронную таблицу MS Excel. Использование возможностей геоинформационных систем позволило построить цифровую модель рельефа дна озера. В результате работы определено, что максимальная глубина составляет 32 м. Озеро имеет широкую прибрежную полосу с глубиной до 2 м, затем глубина резко понижается до максимальных значений. В центральной части озера обнаружено наличие серии поднятий высотой 10-15 м, происхождение которых не установлено.

Рис. 4. Результаты батиметрической съемки Тепляковского озера

По материалам полевых исследований и анализу данных дистанционного зондирования Земли наполнены атрибутивные таблицы специализированной тематической ГИС «Озера Ивановской области», включающие более 20 параметров. Созданная база данных содержит информацию об эколого-рекреационной оценке озер Ивановской области. Она обеспечивает отображение озер Ивановской области в разных масштабах, послойное представление информации (96 тематических слоев), отображение атрибутов, поиск по запросу, вычисление картометрических характеристик. Представленная в ней информация имеет географическую привязку (Pulkovo_1942_GK_Zone_7N), она имеет возможность пополнения за счет включения новых записей. БД предназначена для использования в работе органов муниципального управления, НИР и в сфере образования. Тип ЭВМ: IBM PC-совмест. ПК. СУБД: ГИС ArcGis ArcView (ESRI), версия 9.0 или выше (текущая реализация 10.0). ОС: Windows. Объем базы данных: 858 Мб (рис. 5).

Рис. 5. Фрагмент базы данных ГИС «Озера Ивановской области»

Заключение

Таким образом, на современном этапе развития ГИС-технологий является крайне важным создание новых методик и внедрение достоверных результатов геоэкологических исследований в блоки геоэкологической информации локальных и региональных ГИС, и в частности водно-озерных угодий исследуемого региона. Алгоритм создания цифровой модели рельефа дна озерно-водных объектов Ивановской области, основанный на использовании материалов полевых исследований, выполненных с использованием эхолота, GPS-навигатора и КПК, дает возможность для проведения комплексных полевых исследований и подготовки научно-исследовательских проектов.

Разработанный алгоритм и методика создания тематических электронных карт и БД и использования ГИС-технологий в геоэкологических исследованиях могут быть рекомендованы как типовые при аналогичных исследованиях, как на территориях Ивановской области, так и в других регионах Российской Федерации со сходными природно-климатическими условиями.

НИР выполнена в рамках гранта РГНФ проект №14-13-37601.

Рецензенты:
Баженов Ю.И., д.б.н., профессор, Шуйский филиал ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный университет», г. Шуя;

Клетикова Л.В., д.б.н., профессор, ФГБОУ ВПО «Ивановская ГСХА им. акад. Д.К. Беляева», г. Иваново.