Застосування ГІС для аналізу забрудненості сільськогосподарських земель важкими металами

 

 

Чорноморський державний університет

імені Петра Могили

комплексу «Києво-Могилянська академія»

 

Кафедра екології та природокористування

 

 

 

 

Курсова робота з дисципліни

«Моніторинг навколишнього середовища»

на тему:

 

Застосування ГІС для аналізу забрудненості сільськогосподарських земель важкими металами

( на прикладі деяких  районів Миколаївської області)

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                 

 

Виконав: студент групи 321

Крєтов Руслан Олександрович

 

Керівник: к.г.н., доцент

Патрушева Лариса Іванівна

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МИКОЛАЇВ – 2010

Зміст

 

Вступ

Актуальність: Застосування нових інформаційних технологій для складання, аналізу і інтерпретації тематичних карт стало повсякденною необхідністю. Довгий час розвиток технології тематичної картографії і прогнозування природних і техногенних явищ йшло екстенсивним шляхом за рахунок використання нових джерел додаткових відомостей про об'єкти картографування і прогнозування. Розвиток засобів отримання нової інформації помітно випереджав розвиток засобів вилучення з неї цільових відомостей про властивості об'єктів і ситуацій, які картографуються. В результаті частка інформації, яка реально використовувалась, постійно зменшувалась, а витрати на отримання нових даних зростали швидше, ніж практична віддача від них.

Вихід із ситуації, яка склалась, полягає у застосуванні нових інформаційних технологій, які дозволяють поєднувати знання спеціалістів з можливостями оперативної обробки великих масивів даних в рамках геоінформаційних систем (ГІС).

Застосування ГІС при проведенні та узагальненні даних екологічного моніторингу дало б змогу більш ефективніше виконувати контроль за забрудненням. Для створення моніторингових карт, доцільно застосувати геоінформаційні технології, що дозволяють прискорити процес попередньої обробки, укладання, редагування карт, та їх підготовки до видання.

Застосування ГІС дозволяє:

- створювати і використовувати  у повсякденній праці багатоцільові  бази картографічних даних;

- комплексно аналізувати і інтерпретувати  великі об'єми розрізнених неоднорідних якісних і кількісних даних;

- оцінювати і ранжирувати характеристичні  ознаки об'єктів дослідження в  умовах неоднозначності їх зв'язків  з цільовою властивістю цих  об'єктів;

- збільшити ступінь вилучення  і використання корисної інформації  з наявних даних і підвищити детальність і достовірність створюваних карт і прогнозних побудов;

- обмежити залежність кінцевих  результатів від суб'єктивних  концепцій дослідників і поєднувати  формалізовані і експертні методи  прийняття рішень;

- контролювати якість прогнозних побудов до початку натурних спостережень і оптимізувати мережу цих спостережень, моделювати різні стратегії використання природного середовища;

- забезпечити оперативну інформаційну  підтримку експертних рішень  довідковими, фактографічними і  аналітичними даними.

Мета: вивчити можливості застосування ГІС-технологій для проведення моніторингу забруднення сільськогосподарських земель важкими металами.

Для досягнення представленої мети були визначені такі завдання:

1. Ознайомитись з можливостями ГІС при проведенні моніторингу.
2. Вивчити можливості програми MapInfo та механізми ДЗЗ.
3. Проаналізувати можливість використання різних картографічних способів при створенні моніторингових карт.
4. Розробка картосхем забрудненості грунтів важкими металами.
5. Провести просторовий аналіз забруднених грунтів.

Об’єкт дослідження: сільськогосподарські землі дев’яти  районів Миколаївської області (Березанський, Доманівський, Миколаївський, Баштанський, Веселинівський, Казанківський, Жовтневийй, Березнегуватський, Снігурівський)

Предмет дослідження: механізм створення тематичних карт забрудненості сільськогосподарських земель важкими металами за допомогою MapInfo.

Розділ 1. Використання ГІС при проведенні моніторингу

1. Перелік програм

Геоінформаційна система (ГІС) – це інформаційна система, призначена для збору, зберігання, обробки, відображення і розповсюдження даних, а також отримання на їх основі нової інформації і знань про просторово-координовані об'єкти і явища.

Основною відмінністю електронних карт в ГІС від паперових карт є те, що в ГІС карта не є звичайною статичною картинкою. Кожен умовний знак, зображений в ГІС, відповідає деякому об'єкту, який можна проаналізувати, зокрема отримати вичерпну додаткову (неграфічну) інформацію з бази даних.

В цілому можна сказати, що в ГІС зображення, що відображається на екрані, завжди відповідає деякому набору даних, що зберігається в базі даних ГІС. При цьому завжди можна перейти від умовного знаку на екрані до об'єкту в базі даних і отримати необхідну інформацію і навпаки.

Класична схема функцій ГІС, приведена на рис. 1. Відповідно цим узагальненим функціям ГІС виділяють і підсистеми ГІС: підсистеми збору, обробки, аналізу і т.д.

Рис. 1. Функції геоінформаційної системи [7]

Ця схема відображає функції ГІС з погляду загальних цілей ГІС і технологічного процесу обробки і аналізу просторових даних, проте, з погляду звичайного користувача, робота в ГІС виглядають трохи інакше.

 

Структура ГІС, представлена на рис. 2., має такий вигляд:

1. Дані (просторові дані):

• позиційні (географічні): місце розташування об'єкта на земній поверхні.
• непозиційній (атрибутивні): описові.

2. Апаратне забезпечення (ЕОМ, мережі, накопичувачі, сканер, дигітайзери  і т. д.).

3. Програмне забезпечення (ПЗ).

4. Технології (методи, порядок дій і т. д.).

Рис. 2. Структура ГІС

В даний час геоінформаційними системами називають самі різні системи, вирішальні різноманітні завдання. У зв'язку з цим існує декілька класифікацій, і одна з них класифікує ГІС за просторовим охопленням (рис. 3.):

1. Глобальні;
2. Субконтинентальні;
3. Міжнаціональні;
4. Національні;
5. Регіональні;
6. Субрегіональні;
7. Локальні;
8. Ультралокальні.

Рис. 3. Види ГІС по просторовому охопленню

ГІС використовується в багатьох видах діяльності, серед яких управління (федеральне, регіональне, муніципальне, корпоративне; планування розвитку), землекористування (земельні кадастри, інвентаризація земельних ділянок, межування земель), містобудування та архітектура, інженерні мережі (управління і експлуатація міських, селищних і корпоративних інженерних мереж: електричних, водопровідних, водовідведення, теплових, газових, телефонних, кабельних телевізійних, спеціальних і ін.), геологія (моделювання геологічних пластів; обробка даних буріння, сейсморозвідки), картографія (складання географічних і топографічних карт), проектування і будівництво (проектування автомобільних і залізних доріг, генеральних планів, електричних і трубопровідних мереж), надзвичайні ситуації (аналіз і прогноз надзвичайних ситуацій; планування і здійснення заходів щодо ліквідації наслідків), охорона природи, надрокористування, метеорологія, природокористування та багато іншого.

ГІС, по використанню моделі даних, діляться на векторні ГІС, що працюють з топологічними і нетопологічними моделями даних, а також іноді з триангуляційними моделями поверхонь; растрові ГІС, які дозволяють працюють тільки з растровими моделями даних і іноді з регулярними моделями поверхонь та гібридні ГІС, ті що суміщають в собі можливості векторних і растрових ГІС.[7]

На сьогодні програмне забеспечення ГІС представлено багатьма програмами, серед яких найбільш відомі це:

• ArcGIS;
• MapInfo;
• AutoCAD Map 3D;
• GeoMedia
• ГИС Карта 2008

Програмні продукти компанії ESRI (США), найстарішого у світі виробника програмних засобів ГІС (фірма заснована в 1969 р.), у наш час представлені, насамперед, сімейством спеціалізованих програмних пакетів, які об'єднані під назвою ArcGIS.

До складу ArcGIS входить багато інтегрованих програмних продуктів, призначених як для розробки і експлуатації геоінформаційних систем різного рівня складності, так і для геоінформаційного забезпечення розв'язання завдань, пов'язаних з використанням просторової інформації, включаючи польову зйомку і роботу в комп'ютерних мережах, у тому числі і в Інтернет. Слід зазначити, що останніми роками в компанії ESRI робиться акцент саме на розробці мережного програмного ГІС-забезпечення, а також на відповідному розширенні функціональних можливостей традиційних ГІС-пакетів, яке дозволяє їм працювати в комп'ютерних мережах.[3]

Основними компонентами ArcGIS є: настільні інструментальні ГІС (ArcGIS Desktop ), у тому числі ГІС-пакети ArcInfo, ArcEditor і Arc View з набором додаткових модулів (extentions), серверне програмне ГІС-забезпечення (Server GIS), до складу якого входять пакети ArcIMS, ArcSDE і ArcGIS Server, мобільні інструментальні ГІС (Mobile GIS), представлені пакетом ArcPad, і ГІС-інструменти, або вбудовані інструментальні ГІС (Embedded GIS), представлені пакетом ArcGIS Engine, а також програми-в'юери (viewers, Web-viewers),такі, як ArcReader і ArcExplorer[10]

Продукти GeoMedia розроблені фірмою Intergraph містять пакети GeoMedia, GeomediaPro і GeoMediaWebMap. Наявні в них засоби створення й експлуатації геоінформаційних систем достатні для реалізації функцій будь-яких геоінформаційних додатків.

Сімейство продуктів GeoMedia забезпечує високу технологічність усього циклу створення ГІС, дозволяє в короткий термін створити систему кінцевого користувача і забезпечити її швидке впровадження. 
Однією із принципових властивостей продуктів сімейства GeoMedia є можливість використовуватися як універсальний ГІС-клієнт. З кожною версією цих продуктів розробники збільшують продуктивність серверів даних – проміжного програмного забезпечення, необхідного для роботи з тим чи іншим сховищем геоінформації.

GeoMedia розрахована на ГІС-аналітиків і ГІС-глядачів, які синтезують нові дані, знання і рішення на основі вже наявних даних. Ці дані зможуть бути використані для комплексного географічного аналізу і прийняття обґрунтованих управлінських рішень. Використовуючи сервери даних, GeoMedia дозволяє підключатися до джерел, розташованих у різних географічних точках, і одночасно аналізувати дані різних типів і форматів. 
Поточний список форматів, з якими працює продукт, містить ГІС-формати корпорації Intergraph, формати ArcGIS компанії ESRI, Oracle SDO, Mirosoft Access і деяких інших.[12]

AutoCAD Map 3D - це картографічний програмний  продукт на платформі останньої версії AutoCAD. AutoCAD Map 3D надає користувачам доступ до даних, які необхідні для планування інфраструктури, проектування та експлуатації об'єктів. Ця програма допомагає фахівцям, які розробляють проекти транспортних мереж, електричних мереж, землі-і водокористування, об'єднувати наявну в їх розпорядженні кадастрову, комунальну, топографічну, природоохоронну, графічну й отриману шляхом лазерного сканування інформацію. Завдяки цьому краще візуалізуються і оцінюються існуючі умови, приймаються вірні рішення за підсумками розрахунку будмайданчиків, мереж і коридорів, поліпшується обмін інформацією у форматах САПР і ГІС з адміністративними органами, комунальними підприємствами та будівельними підрядниками.[11]

Професійна ГІС Карта 2008 - універсальна геоінформаційна система, що має засоби створення і редагування електронних карт, виконання різних вимірювань і розрахунків, оверлейних операцій, побудови 3D моделей, обробки растрових даних, засоби підготовки графічних документів в електронному та друкованому вигляді, а також інструментальні засоби для роботи з базами даних.

Має розвинені засоби редагування векторних і растрових карт місцевості та нанесення прикладної графічної інформації на карту, підтримує декілько десятків різних проекцій карт та систем координат. Підтримує весь масштабний ряд - від поверхового плану до космонавігаційной карти Землі.[7]

2. MapInfo

Геоінформаційна система MapInfo (остання версія 10.0), виробництва американської компанії MapInfo Corp., є другою по поширеності в світі  геоінформаційною системою. Система володіє великою кількістю різноманітних функцій і додаткових модулів, що дозволяють вирішувати багато ГІС-задачі, проте в цілому ця система доволі проста.

Основним місцем зберігання векторних просторових даних в MapInfo є так звані таблиці – файли з розширенням tab. У цих файлах дані зберігаються у вигляді, аналогічному реляційним таблицям в базі даних. Окрім tab-файлів, просторові дані в MapInfo можуть зберігатися в реляційних базах даних під управлінням СУБД Oracle, Informix і SQL server, доповнених програмним продуктом SpatialWare виробництва корпорації MapInfo.