Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Геоэкологическая оценка антропогенной трансформации ландшафтов Астраханской области с применением геоинформационных технологий и дистанционного зондирования

25.00.36 - Геоэкология

кандидата географических наук

Шабанов Дмитрий Иванович

Астрахань, 2009

Диссертационная работа выполнена на кафедре географии Государственного учреждения высшего профессионального образования Астраханский государственный университет

Научный руководитель: доктор географических наук, профессор Кочуров Борис Иванович

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор Чумаченко Алексей Николаевич

кандидат географических наук, доцент Канищев Сергей Николаевич

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Астраханское аэрогеодезическое предприятие» (ФГУП «Астр. АГП»)

Защита состоится «28» декабря 2009 года в 12⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.009.04 при Астраханском государственном университете по адресу: 414000, г. Астрахань, пл. Шаумяна, д.1. ауд. 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета

Текст автореферата диссертации размещен на официальном сайте Астраханского государственного университета: http:// www. aspu.ru.

Автореферат разослан «28» ноября 2009г.

Отзыв на автореферат (2 экземпляра заверенных печатью) просим направлять по адресу: 414000, г. Астрахань, пл. Шаумяна, д.1. АГУ ученому секретарю диссертационного совета ДМ 212.009.04. Факс (8512) 44-02-24, e-mail: miolin76@mail.ru

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат географических наук, доцент М.М. Иолин

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Астраханская область -- уникальный по своим природным, историческим и культурным ресурсам регион на южных границах Российской Федерации. На территории области располагаются природные комплексы полупустынной и пустынной зон, а также уникальные интразональные ландшафты Волго-Ахтубинской поймы и Дельты р. Волга. Ведутся разработки месторождений нефти и газа (включая уникальное Астраханское газоконденсатное), идёт добыча соли на оз. Баскунчак, многочисленны месторождения строительных материалов, активно эксплуатируются биоресурсы, ландшафты используются для различных видов рекреации. Существуют планы эксплуатации коридора «Север - Юг» для перевозок транзитных грузов из стран бассейна Индийского океана и Персидского залива через Иран, Каспийское море, Россию в страны Северной и Восточной Европы с объемом транзита грузов до 40-50 млн. тонн. Эти факты создают предпосылки для дальнейшей активизации деятельности человека на территории Астраханской области и, соответственно, увеличения антропогенного давления на природную среду. Так как степень нарушения природных компонентов ландшафта в значительной мере влияет на степень удовлетворения человеческих потребностей, для установления эколого-хозяйственного баланса территории и планирования эколого-экономического развития необходима разработка алгоритмов оценки антропогенной трансформации ландшафтов с использованием геоинформационного математико-картографического моделирования.

Цель исследования -- разработать и апробировать на территории Астраханской области алгоритм оценки антропогенной трансформации ландшафтов на основе структуры использования земель с применением геоинформационного математико-картографического моделирования.

Для достижения цели, были поставлены следующие задачи:

· Изучение структуры землепользования и определение основных видов использования земель Астраханской области;

· Выявление и анализ факторов трансформирующих ландшафты Астраханской области и экспертное оценивание их по степени влияния на территорию;

· Проведение дешифрирования и интерпретации снимков с различных космических аппаратов для выявления структуры использования земель и факторов антропогенной трансформации ландшафтов Астраханской области;

· Выполнение геоинформационного математико-картографического моделирования территории Астраханской области и статистического анализа полученных данных;

· Разработка и формализация алгоритма оценки степени антропогенной трансформации территории с применением многомерных статистических методов и апробирование разработанного алгоритма при изучении ландшафтов Астраханской области;

· Обоснование геоэкологического зонирования территории по степени антропогенной трансформированности ландшафтов, с выделением наиболее и наименее напряженных участков;

· Выполнение геоэкологического анализа территории и разработка на основе ГИС-технологий карты «Геоэкологическое зонирование территории Астраханской области по степени антропогенной трансформации ландшафтов» и «Распределение коэффициента напряженности эколого-хозяйственного состояния по ландшафтным выделам на территории Астраханской области».

Объектом исследования являлись ландшафты Астраханской области.

Предмет исследования -- территориальная структура антропогенной трансформации ландшафтов на изучаемой территории.

Основные положения, выносимые на защиту:

· Современное состояние ландшафтов Астраханской области определяется видами их хозяйственного использования, как сложившимися исторически (добыча биоресурсов, выпас скота, сенокошение, земледелие), так и возникшими в последнее время (интенсивная разработка запасов нефти, природного газа и конденсата). В процессах антропогенной трансформации важную роль играет уничтожение естественного растительного и почвенного покрова, уменьшение биоразнообразия, снижение плодородия почв (засоление, аридизация), снижение продуктивности пастбищ, нарушение геологической основы ландшафтов, нерациональное использование биоресурсов и ресурсов рекреации, качественное изменение естественной структуры ландшафта при застройке, прокладке коммуникаций, масштабной добыче полезных ископаемых;

· Алгоритм оценки антропогенной трансформации ландшафтов на основе регулярно-ячеистой модели пространственных данных включает в себя последовательность логических и математико-статистических операций позволяющая на основе разнородной пространственной информации получать обобщенные оценки антропогенной трансформации ландшафтов, для геоэкологического зонирования территории;

· Геоэкологическое зонирование выявило 6 зон различной степени трансформации ландшафтов на территории Астраханской области. Площадь земель с высокой антропогенной трансформацией (70% территории Астраханской области или 33 500 кв.км) превышает почти в 2,5 раза площадь земель с умеренной антропогенной трансформацией (30% или 14 000 кв.км), что указывает на существенный дисбаланс структуры землепользования и природопользования.

· Карты «Геоэкологическое зонирование территории Астраханской области» и «Распределение коэффициента напряженности ЭХС по ландшафтным выделам на территории Астраханской области» адекватно отражают пространственную структуру антропогенной трансформации ландшафтов Астраханской области.

Методология и методы исследований. Работа выполнена на основе теоретических и методологических положений, разработанных в географии, картографии, дистанционном зондировании, геоинформатике, геоэкологии Л.С. Бергом, А.Г. Исаченко, Н.А. Солнцевым, Ф.Н. Мильковым, С.Н.Сербенюком, А.М. Берлянтом, Ю.Ф.Книжниковым, В.С. Тикуновым, Б.И. Кочуровым, А.В. Антиповой, Н.А. Богдановым и др.

В соответствии с поставленной целью и задачами в работе были использованы как традиционные географические методы исследования (сравнительно-описательный, статистический, экспертного оценивания, картографический, системный подход), так и математические методы в комплексе с геоинформационными. Работа выполнена на базе компьютерно-реализованных технологий (геоинформационных, статистических, математических).

Фактический материал. В основе диссертационной работы лежат литературные, статистические, справочные, картографические материалы (в печатной и электронной форме), данные дистанционного зондирования Земли, данные о природных условиях, ресурсах, инфраструктуре, геоэкологическом состоянии территории Астраханской области полученные из Министерств и ведомств Астраханской области (Министерства промышленности транспорта, связи, науки и технологий, Министерства по топливно-энергетическому комплексу и природным ресурсам, Министерства строительства и дорожного хозяйства, Министерства экономического развития); Российской государственной библиотеки, Областной научной библиотеки им. Н.К. Крупской (Астрахань), библиотеки Астраханского государственного университета; Института мировых ресурсов, Международного социально-экологического союза, Центра охраны дикой природы, Некоммерческого партнерства "Прозрачный мир", Государственного предприятия Астраханской области «Научно-исследовательский геоинформационный центр», University of Maryland.

Научная новизна исследования:

1. Впервые проведено геоинформационное математико-картографическое моделирование ландшафтов Астраханской области в геоэкологическом аспекте на основе анализа топографических электронных карт и дешифрирования космических снимков среднего и высокого разрешения на базе регулярно-ячеистой модели пространственных данных;

2. Впервые проведено геоэкологическое зонирование территории Астраханской области на основе геоинформационной модели и составлены карты «Геоэкологическое зонирование территории Астраханской области» и «Распределение коэффициента напряженности эколого-хозяйственного состояния по ландшафтным выделам на территории Астраханской области»;

3. Проведён анализ различных методических подходов к получению оценок антропогенной трансформации ландшафтов и разработан алгоритм такой оценки с применением методов многомерной статистики;

Практическая значимость. Основные положения работы могут служить научным обоснованием программы сбалансированного развития территориальной структуры хозяйства на территории Астраханской области (планирование размещения мест добычи полезных ископаемых, полей, пастбищ, рекреационных объектов и зон и т.д.). Также могут быть использованы при планирования мероприятий по восстановлению природной среды, проектированию размещения ООПТ.

Представленные в диссертации материалы имеют научно-справочный характер и могут быть использованы при проектировании новых экологически сбалансированных территориальных систем и диверсификации ранее созданных хозяйственных структур.

Материалы диссертационного исследования использовались автором при разработке рабочих программ и лекционных курсов по дисциплинам «Экологическое картографирование», «Геоинформационное картографирование», «Основы геоинформатики и создание ГИС».

Достоверность полученных результатов обусловлена использованием качественных исходных данных (векторные картографические материалы, аэрокосмические снимки), применением современных способов сбора, обработки и анализа фактического материала на основе геоинформационных технологий и системного подхода к изучению объекта исследования.

Личный вклад автора заключается в сборе, систематизации и анализе фактических материалов, обработке космических снимков и векторных карт, создании с помощью комплексного применения электронных таблиц, геоинформационных и статистических программных продуктов оригинальных карт масштаба 1:2 000 000. В процессе работы был разработан алгоритм оценки антропогенной трансформации ландшафтов, определена степень антропогенной трансформации ландшафтов, выполнено зонирование территории Астраханской области по степени антропогенной трансформации ландшафтов.

Апробация работы и публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 9 работ в сборниках научно-практических конференций и научных журналах, в том числе 2 в журналах рекомендованных ВАК. Научные результаты и положения исследования были представлены на конференциях: Межд. научной конференции «Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря» (Астрахань, 2003, 2006); III Международной научной конференции «Россия и Восток. Обучающееся общество и социально-устойчивое развитие Каспийского региона» (Астрахань, 2005); V Научно-практической конференции с международным участием «Достижения фундаментальных наук в решении актуальных проблем медицины» (Астрахань-Волгоград-Москва, 2006); VIII Научной конференции по тематической картографии (Иркутск, 2006); Межд. конференции «Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования» (Астрахань, 2007); Всеросс. (с междунар. участием) науч.-практ. конф. молодых ученых «Геоэкология и рациональное природопользование: от науки к практике»: (Белгород, 2007 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, 3 глав, Заключения и Списка литературы, включающего 208 наименований. Общий объем работы составляет 159 страниц. Работа проиллюстрирована 12-ю таблицами, 46-ю рисунками, в том числе 4-я картами и картосхемами.

Автор выражает признательность научному руководителю, д.г.н., профессору Б.И. Кочурову за методическое руководство в проделанной работе и всех коллег, оказавших помощь и содействие в работе над диссертацией.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель и поставлены задачи, сформулированы основные защищаемые положения, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, констатируются их апробация и применение.

Глава 1. Антропогенная трансформация ландшафтов: теоретические основы и факторы воздействия. В первой части главы рассмотрены общие подходы к геоэкологической оценке изменений естественных ландшафтов под влиянием деятельности человека.

Во второй части выполнено описание природных условий и ландшафтов Астраханской области. Астраханская область расположена на юго-западе России, в пределах северо-западной части Прикаспийской низменности, дельты Волги и в Волго-Ахтубинской поймы. По официальным данным она занимает площадь в 44,1 тыс. км². Протяжённость - примерно 190 км с запада на восток, между Калмыкией и Казахстаном и около 400 км с севера на юг, вдоль р. Волги и р. Ахтубы до Каспия. Область делится на 11 административных районов. На территории Астраханской области расположены 6 городов -- Астрахань, Ахтубинск, Знаменск, Харабали, Камызяк, Нариманов; 12 поселков городского типа; более 400 населенных пунктов сельского типа. Административным центром области является город Астрахань, с населением около 500 тыс. человек. В области проживает чуть более 1 млн. человек. В зоне пустынь и полупустынь находится около 70% территории области. Климат континентальный, засушливый. Гидрографическая сеть области представлена р. Волгой с главными рукавами: Ахтуба, Бузан, Большая Болда, Камызяк, Старая Волга, Бахтемир и сложной системой многочисленных пойменных и дельтовых проток и ериков. Протяженность дельты Волги составляет порядка 200 км. В тектоническом отношении Астраханская область входит в состав Прикаспийской синеклизы, большая часть которой относится к докембрийской складчатости с глубоким залеганием фундамента, а меньшая (юго-западная) -- к верхнепалеозойской складчатости. Здесь проходит сочленение Русской и Предкавказской платформ.

Большая часть области лежит ниже уровня океана. Абсолютные высоты поверхности убывают от 15 -- 20 м на севере области до (-28) м у побережья Каспийского моря. Самая высокая точка Астраханской области -- гора Большое Богдо высотой 149 м. Рельеф области равнинный, с соляно-купольными поднятиями. Важную роль в развитии рельефа имели трансгрессии и регрессии Каспийского моря, особенно в течении последних 10 000 лет. В результате доминирующим типом рельефа на территории области является морская аккумулятивная равнина, сформированная отложениями разного возраста. Также существуют современные аккумулятивные равнины аллювиального и эолового происхождения, а также денудационная равнина. Таким образом, уникальные природные условия Астраханской области определили формирование на её территории 2 крупных групп ландшафтов: зональных полупустынной и пустынной зон и интразональных Волго-Ахтубинской поймы и дельты р. Волга (рис. 1).

дешифрирование снимок антропогенный ландшафт



Рис. 1. Ландшафты Астраханской области (по Кочурову, Гольчиковой и др., 2003-2005)

Природная зона, тип местности, природный ландшафт
	ЛАНДШАФТЫ ПОЛУПУСТЫННОЙ ЗОНЫ
1	Полого-волнистая аккумулятивная равнина, сложенная нижнехвалынскими морскими суглинками с элементами солянокупольной тектоники и мелкобугристым микрорельефом. В почвенном покрове преобладают светлокаштановые солонцеватые почвы в комплексе с солонцами. Растительность -- белополынно- чернополынно-злаковые сообщества.	4	Полого-волнистая равнина, развитая на нижнехвалынских суглинках, с многочисленными грядами и неглубокими ложбинами. Растительность - полынно злаковые сообщества на бурых полупустынных и светло-каштановых почвах. Солонцы и массивы перевеянных песков
2	Слабоволнистая равнина на нижнехвалынских суглинках, расчлененная системой неглубоких ложбин с цепочками падин, лиманов, с участками суффозионного (западинного) микрорельефа. На повышенных участках - комплекс полупустынной растительности (белополынно-житняковые сообщества) на светло-каштановых солонцеватых почвах, в депрессиях - лугово-степная (пырейно-разнотравная) растительность на луговых полупустынных почвах. 2.1 Урочище Вязовский овраг; 2.2 Урочище Кривая Лука (пересохшая протока р. Волги)	5	Богдинско - Баскунчакский ландшафтный район. 5.1 Современная аккумулятивно-денудационная равнина, на нижнехвалынских песчаных и супесчаных отложениях, осложненная солянокупольной тектоникой. Гора Бол. Богдо (149,6 м абс.) - наиболее высокий соляный купол, перекрытый известняками, глинами и песчаниками пермско-триасового возраста, с широко развитыми карстовыми формами рельефа и расположенной рядом компенсационной мульдой - соленым озером Баскунчак. Растительность представлена полынно-злаковыми сообществами и солянками на бурых засоленных почвах на повышенных участках и лугово-степной растительностью на днищах карстовых воронок и в ложбинах стока. 5.2 Современная приозерная аккумулятивная равнина на берегах оз. Баскунчак с растительным покровом из солянок на супесчаных и песчаных слабо развитых почвах.
3	Полого-волнистая равнина на сильно опесчаненых нижнехвалынских суглинках с полынно-злаковой растительностью на бурых полупустынных почвах в комплексе со светло-каштановыми почвами и солонцами.
	ЛАНДШАФТЫ ПУСТЫННОЙ ЗОНЫ
6	Полого-волнистая равнина, развитая на морских верхнехвалынских отложениях, с участками грядового рельефа и массивами перевеваемых песков. Растительность - белополынно - разнотравная на бурых полупустынных почвах и песчанополынная на неразвитых почвах песчаных массивов.	9	Ильменно-бугровый ландшафтный район Придельтовые территории грядовых равнин, развитых на молодых (главным образом новокаспийских) дельтово-аллювиальных и морских отложениях с характерным рельефом «бэровских бугров» и межбугровых понижений, занятых«подстепными ильменями» - озерами, подпитываемыми паводковыми разливами р. Волги и ее главных дельтовых рукавов. С полынно-разнотравно-эфемеровыми пустынными растительными сообществами по бэровским буграм, со злаково разнотравными лугами и галофитными сообществами в межбугровых понижениях, на бурых полупустынных почвах бэровских бугров и ильмено-луговых почвах различной степени засоленности в межбугровых понижениях. Прогрессирующее усыхание территории приводит к ее общему засолению почво-грунтов, острому дефициту пресных вод и постепенному слиянию с соседними пустынными ландшафтами. 9.1. Основной, западный район развития «живых» ильменей, подпитываемых водами волжского рукава Бахтемир. 9.2. Грядовая равнина на западной окраине ильмено-бугрового ландшафтного района, преимущественно вне зоны влияния волжских вод. По мере усыхания ильменей, связанного с уменьшением общей обводненности территории, вызванной естественными (падение уровня Каспийского моря, общеклиматические колебания) и антропогенными (создание разных гидротехнических сооружений в русле р. Волги), происходит засоление днищ ложбин и район постепенно сливается с соседними пустынными территориями. 9.3. Восточная часть придельтовой равнины с ярко выраженными признаками уменьшения степени обводненности. Усыхание и исчезновение ильменей связано с естественным смещением потоков волжских вод к западу (под действием силы Кориолиса).
7	Современная эоловая равнина, сформированная морскими перевеянными песками верхнехвалынского возраста со следами древних ложбин стока и широким развитием барханного рельефа. Растительность представлена белополынно - злаковыми сообществами, пустынными кустарниками и псаммофитами на закрепленных, полузакрепленных и развеваемых песках.	·	·
8	Участки эоловой равнины с обильным развитием соленых озер, солончаков и соров с сочносолянковым и солянковым растительными сообществами на грунтах соровых, супесчаных и песчаных.	·	·
	ИНТРАЗОНАЛЬНЫЕ ЛАНДШАФТЫ
	А. Волго-Ахтубинская пойма		Б. Дельта р. Волги
10	Современная аллювиальная пойменная равнина с полого-гривистым рельефом (прирусловые отмели, пляжи, прирусловые валы, русла проток, гривы, межгривные понижения, ерики, озера). 10.1. Северная часть поймы с типичной луговой и лугово-болотной растительностью и дубравами по высоким гривам на аллювиальных луговых и дерновых насыщенных, в разной степени засоленных почвах (менее 50% площадей). 10.2. Южная часть поймы с преобладанием луговой и лугово-болотной растительности на аллювиальных луговых и дерновых насыщенных, в разной степени засоленных почвах (более 50% площадей).	11	Дельтовая равнина осложненная руслами рукавов, проток, ериков прирусловыми валами, гривами, межгривными понижениями, старичными озерами, ильменями и бэровскими буграми. 11.1. Поименно-русловая дельтовая равнина с пологоволнистым рельефом со злаково-разнотравными лугами с кустарниковой и солончаковой растительностью на аллювиальных, луговых дерновых насыщенных и лугово-болотных почвах различной степени засоленности (вершина дельты). 11.2. Дельтовая равнина с бэровскими буграми с преобладанием злаково-осоково-разнотравных лугов с тростником и рогозом на аллювиальных и луговых темноцветных или лугово-болотных суглинистых и глинистых почвах различной степени засоленности (средний пояс дельты). 11.3. Дельтовая равнина с плоским рельефом и обилием проток и заливов с тростниково-рогозовыми растительными сообществами, со злаково-разнотравными лугами и ивовыми лесами по водотокам на аллювиальных и луговых суглинистых и глинистых иловатых почвах различной степени заселённости (нижний пояс дельты) 11.4. Аллювиально-морская береговая равнина с полого-волнистым рельефом, изрезанная многочисленными заливами - култуками и сопровождаемая множеством прибрежных островов. Растительный покров представлен растительностью морских островов: тростник, рогоз; и водной растительностью в култуках: чилим, ежеголовник, лотос; развивающейся на малосформированных почвах современных аллювиальных отложений (пояс авандельты).

В третьей части рассмотрены антропогенные факторы, вызывающие трансформацию ландшафтов Астраханской области. Географические различия двух крупных групп ландшафтов Астраханской области (зональных полупустынной и пустынной зон и интразональных Волго-Ахтубинской поймы и дельты р. Волга) во многом определяют условия проживания населения, хозяйственную деятельность и, соответственно, формирование характерной структуры использования земель. Ландшафтные комплексы аридных территорий, как правило, являются относительно простыми, в результате чего могут легко подвергнуться необратимым изменениям. Варианты хозяйственного использования этих территорий достаточно ограничены и нерациональная деятельность человека по их освоению может вызвать многочисленные негативные последствия. Более широкий спектр хозяйственной деятельности на землях Волго-Ахтубинской поймы и дельты р. Волга определяет более высокие нагрузки и разнообразие негативного воздействия. Можно выделить несколько ведущих факторов, связанных с видами землепользования на территории Астраханской области, которые определяют основные особенности антропогенной трансформации ландшафтов -- это застройка территории (селитебная, транспортная), добыча полезных ископаемых, транспорт, сенокошение, выпас скота, пирогенный фактор, орошаемое земледелие, рекреационная нагрузка, загрязнение среды. Эти факторы определяют развитие наиболее характерных экологических проблем формирующих общий критический фон экологической обстановки в Астраханской области, а именно: техногенное нарушение ландшафтов, деградация почв и пастбищ, активные процессы эрозии, химическое загрязнение, общее засоление почв, нарушение гидрологического и гидрохимического режима поверхностных вод, опустынивание территории, истощение рыбных запасов (Соц.-экон. разв. Астраханской области, 2003, 2006; Бармин и др., 2006, Корнилов и др., 2004; Воронин, Гольчикова, Кочуров и др., 2003-2005).

Глава 2. Оценка использования земель на основе данных дистанционного зондирования Земли. В главе рассмотрены физические основы дистанционного зондирования Земли. В работе использованы технологии дешифрирования аэрокосмической информации. С помощью визуального дешифрирования были оцифрованы контуры пахотных земель, участков интенсивной добычи полезных ископаемых и контуров населённых пунктов по снимкам Landsat-7. С помощью дешифрирования без учителя по методу ISODATA снимка EOS Aqua MODIS выделены участки нерационально используемых пастбищ в пустынной зоне. По всем параметрам созданы векторные слои, использованные в дальнейшем анализе.

Рис. 2. Алгоритм оценки антропогенной трансформации территории

Глава 3. Анализ антропогенной трансформации природной среды с использованием геоинформционного моделирования. В главе приведён разработанный алгоритм оценки антропогенной трансформации территории (рис. 2), его обоснование и результаты апробации на территории Астраханской области.

При изучении географического пространства с помощью методов геоинформатики производится создание геоинформационной модели -- цифровой модели геопространства, которая представляет собой совокупность цифровых записей (файлов, элементов файлов, записей баз данных, связей между ними) находящихся в определённой связи с элементами (объектами и явлениями) географической действительности. Такие модели относятся к типу информационных моделей. Они являются информационной основой геоинформационных систем (ГИС) (Цветков, 1999; Лурье, 2001; Тикунов и др., 2004). На базе геоинформационной модели возможно построение практически всех видов картографических произведений, включая традиционные и новые. Можно выделить несколько наиболее распространенных моделей пространственных данных, используемых при преобразовании географического пространства в цифровую форму и различных по своему внутреннему устройству.

Это растровая, регулярно-ячеистая, квадротомическая и векторная (топологическая и нетопологическая) модели данных (Основы геоинф, 2004). Построение геоинформационной модели территории Астраханской области было выполнено на основе регулярно-ячеистой модели. Операционно-территориальной единицей (ОТЕ) была выбрана регулярная пространственная квазиравновеликая ячейка прямоугольной формы со сторонами 5х5 км (средняя площадь ячейки 25,03 км²). Модель была реализована в ГИС MapInfo 8.0. ОТЕ характеризуются набором переменных, в роли которых выступают величины различных видов использования земли. Число этих переменных достигает 26-ти (табл. 1). Эти данные использовались далее для математико-картографического моделирования -- получения интегральных характеристик антропогенной трансформации территории по каждой из ОТЕ и построения промежуточных и итоговых картографических изображений.

Применение факторного анализа показало, что выделяемые факторы в слабой степени описывают изменчивость исходных данных: первые пять компонент вбирают около 35% общей дисперсии. Исследование факторных нагрузок показало отсутствие значимых устойчивых нагрузок на факторы. Это позволяет сделать вывод о независимости параметров анализа друг от друга и что они не могут быть сведены к небольшому количеству факторов, объясняющих вариации их значений. Далее мы выполнили получение интегральной оценки антропогенной трансформации в виде обобщающего индекса.

Получение обобщающей оценки антропогенной трансформации. Теоретико-методологической основой послужили концепции современного ландшафта (Антипова, Мильков, Солнцев) и эколого-хозяйственного баланса территории (Кочуров). Были проанализированы известные методики оценки антропогенной трансформации и геоэкологической оценки территорий (Дончева, Марковская и др., 1990; Блануца, 1982; Ротанова, 1994; Мильков, 1973; Кочуров, 1997-2003; Антипова, 1998; Некрич, 2008). Работа выполнялась на базе ГИС MapInfo 8.0 откуда выполнялся экспорт данных в программы STATISTICA и MS Office Excel для расчётов и импорт результатов в MapInfo. Исходный массив из 26 переменных был разделен на 2 группы -- площадных и линейных параметров. Далее были получены интегральные величины для каждой из этих групп, после чего был рассчитан интегральный показатель, характеризующий антропогенную трансформацию каждой из ОТЕ.

Ниже приводится последовательность математико-статистических и логических действий выполненных для получения оценки антропогенной трансформации ландшафтов астраханской области.

Первоначально параметры каждой из групп, для приведения к сопоставимому виду, были нормированы по алгоритму, предложенному В.С. Тикуновым (1997), который был модифицирован нами согласно имеющимся данным и логике анализа. Перед расчетами исходные данные были «взвешены» коэффициентами, отражающими степень влияния на ландшафт конкретного параметра. Было выполнено ранжирование участвующих в анализе антропогенных параметров по степени трансформации природной среды методом опроса группы экспертов. Экспертами был проведён интуитивно-логический анализ предложенных параметров с последующим ранжированием суждений о степени влияния на ландшафт конкретного фактора. Обобщённое мнение экспертов определялось методом «средних рангов» М. Кэндалла. Полученное обобщенное мнение экспертов было принято как решение задачи определения весовых коэффициентов, показывающих различную степень влияния параметра на ландшафт (табл. 1).

Таблица 1 Экспертные оценки видов использования территории

	Наименование	Класс территории по степени антропогенного воздействия (по А.В.Антиповой, Б.И.Кочурову (1997, 2003))	Итоговая экспертная оценка, баллы
1.	Особо-охраняемые территории (федеральн. значения)	Естественные угодья	1
2.	Природные и охотничьи заказники	Естественные угодья	2
3.	Охотничьи хозяйства	Естественные угодья	3
4.	Прочие земли (рац. использ. пастбища, леса)	Естественные угодья	4
5.	Садовые насаждения	Возделываемые	5
6.	Распаханность территории	Возделываемые	6
7.	Пастбища (опустыненные, сбитые)	Естественные угодья	7
8.	Водохранилища	Возделываемые	8
9.	Линии электропередач (ЛЭП)	Застроенные	9
10.	Линии связи	Застроенные	9
11.	Караванные пути	Застроенные	9
12.	Грунтовые дороги полевые и лесные	Застроенные	10
13.	Грунтовые дороги просёлочные	Застроенные	10
14.	Оросительные каналы	Возделываемые	10
15.	Газопроводы	Застроенные	11
16.	Нефтепроводы	Застроенные	11
17.	Грунтовые дороги без покрытия (улучшенные)	Застроенные	12
18.	Автодороги с покрытием (шоссе)	Застроенные	13
19.	Железные дороги 1-путные	Застроенные	14
20.	Железные дороги 2-путные	Застроенные	15
21.	Автодороги с усовершенствованным покрытием (усовершенствованные шоссе)	Застроенные	16
22.	Посёлки сельского типа	Застроенные	17
23.	Посёлки городского типа	Застроенные	18
24.	Города с населением более 50 000 чел.	Застроенные	19
25.	Города с населением менее 50 000 чел.	Застроенные	19
26.	Терр. активной разработки природных ископаемых	Застроенные	20

В качестве способа получения интегральных оценок часто предлагается суммирование или вычисление произведения величин исходных данных, приведенных к сопоставимому виду, часто предварительно взвешенных коэффициентами, корректирующими различную значимость параметров (Черп, Винниченко и др., 2000; Мильков, 1978; Кочуров, 1997-2003; Некрич, 2008). Эту операцию можно интерпретировать как нахождение расстояния территориальной единицы в признаковом пространстве от начала координат, которое представляет собой «идеальную» территориальную единицу, где все трансформирующие ландшафт параметры равны нулю. Свойства признакового пространства определяет формула, использующаяся при расчёте расстояния. При нахождении сумм нормированных и взвешенных показателей используется так называемое «Манхэттенское (городских кварталов)» расстояние, вычисляемое по формуле (1):

(1)

где m(x) расстояние от начала координат до точки с координатами x₁, x₂ … x_n. Формул для расчета расстояний в признаковом пространстве большое количество. Наиболее интересны, на наш взгляд, расстояния Евклида, Чебышева и Манхэттенское. Рассмотрим процесс получения интегральной характеристики антропогенной трансформации территории на примере евклидова расстояния. Евклидово расстояние между двумя точками х и у -- это кратчайшее расстояние между ними. В двух- или трёхмерном случае -- это прямая, соединяющая данные точки. Обозначим евклидово расстояние от точки x до точки y как e. Пусть n - количество пар координат, а x₁ - x_n и y₁ - y_n координаты точек x и y. Тогда общей формулой для многомерного случая будет формула (2):

(2)

При помещении одной из точек в начало системы отсчёта, эта формула упрощается (формула (3)):

(3)

Обозначим через L линейные параметры, через w -- их экспертные веса, через n -- количество линейных параметров. Тогда евклидово расстояние от начала координат до точки с координатами соответствующими величинам этих параметров будет рассчитываться по формуле (4):

(4)

Далее результаты нормируются путём деления на максимум («худшее» значение). В результате расчётов по формуле (5), мы получаем безразмерную (условные баллы) величину, заключенную в промежутке от 0 до 100:

(5)

где e(L)_max - максимальное значение e(L)_j среди всех объектов анализа;

Аналогичные расчеты выполняются для группы площадных параметров, получая нормированную величину e'(S)_i. Итоговая оценка рассчитывается по формуле расстояния городских кварталов (для нивелирования выбросов) (6), а нормированное на максимум значение -- по формуле (7):

(6)

(7)

гдеe(S_i;L_j)_max - максимальное значение e(S_i;L_j) среди всех объектов анализа;

Расчеты для остальных метрик аналогичны. Статистический анализ показал, что коэффициент корреляции между итоговыми оценками антропогенной трансформации по Чебышева и Манхэттенскому расстояниям с оценкой по Евклидову расстоянию достигает величины 0,97 и 0,91 соответственно, т.е они высоко коррелированны. Пространственный анализ распределения отклонений по территории показал отсутствие каких-либо закономерностей. Для дальнейшей работы был выбран коэффициент антропогенной трансформации рассчитанный с использованием Евклидова расстояния.

Построение итоговых картографических материалов. Поскольку в качестве ОТЕ выступает формальная квазиравновеликая ячейка территории, то наиболее приемлемым способом для картографической визуализации этих данных является построение картограмм. Для построения шкалы картограммы нами были проведены следующие расчёты: для каждого из площадных классов использования земли взято его максимальное значение, далее оно взвешивалось соответствующим коэффициентом. Далее строилась диаграмма с учётом их доли в суммарной итоговой величине антропогенной трансформации (рис. 3). Анализ распределения ячеек позволил сформировать шкалу картограммы и дать содержательную интерпретацию интервалов. Эта шкала представлена в табл. 2. Картограмма построенная на её основе послужила базой для проведения зонирования территории Астраханской области по степени антропогенной трансформации ландшафтов.



Рис. 3. Площадные объекты (с учётом их доли в суммарной итоговой величине)

Под зонированием по степени антропогенной трансформации ландшафтов нами понимается выделение и ранжирование на определенной территории, дифференцированной по видам природопользования, участков территории, характеризующихся сходной степенью антропогенной трансформацией ландшафтов. Высокая степень антропогенной трансформации, как правило, указывает на ситуации и процессы, чреватые ухудшением или деградацией природной среды под воздействием техногенных или природных факторов. Эти экологические ситуации и процессы в природной среде, немедленно или в перспективе, как правило, негативно отражаются на комфортности среды обитания и здоровье населения. Эти зоны требуют определенной корректировки или пересмотра современного характера природопользования и, часто, проведения специальных мероприятий (Богданов, 2005). Этот процесс также можно назвать геоэкологической типологией или классификацией. В отличие от процесса районирования, когда акцент делается на территориальной нерасчлененности таксонов и их отличиях друг от друга, здесь идёт поиск сходства, однородности участков территории. Условие территориальной нерасчленённости также не ставится (Тикунов, 1997). Полученные на итоговой картограмме территориальные выделы из ячеек были генерализованны -- границы сглажены, объекты малой площади внутри более крупных присоединены к ним. Итоговая карта зонирования территории Астраханской области представлена на рис. 4. В табл. 2 представлены результаты подсчёта площадей зон различной степени антропогенной трансформации, выполненные с помощью пространственных функций

Таблица 2. Соотношение площадей зон с различной антропогенной трансформацией на территории Астраханской области

Величина итогового балла	Величина суммарной оценки антропогенной трансформации	Характеристика территории (степень трансформация природной среды)	Общая площадь, кв.км	Процент площади АО
6	Свыше 60	тотальная	3 196	6.73
5	37 -- 60	очень высокая	14 160	29.82
4	32 -- 37	высокая	6 131	12.91
3	28 -- 32	средняя	10 000	21.06
2	19 -- 28	умеренная	11 180	23.54
1	Менее 19	фоновая	2 822	5.94

Далее нами рассчитаны коэффициенты абсолютной (К_а) и относительной (К_о) напряженности эколого-хозяйственного состояния (ЭХС) территории. Данные коэффициенты предложены Б.И. Кочуровым (1997-2006) и представляют собой в отношение площади земель с высокой степенью преобразованности к более низкой. В нашем случае к землям высокой нагрузки относятся баллы с 6 по 3, а к низкой -- 1 и 2. Соответственно, мы рассчитывали эти коэффициенты по формулам (8) и (9):



где S₁-S₆-- площадь выдела с соответствующей степенью антропогенной трансформации

Напряженность ЭХС территории считается сбалансированной при его значениях около единицы. В этом случае территория оказывается сбалансированной по степени антропогенной трансформации и потенциалу устойчивости природы (Кочуров, 2006). Расчеты показали, что коэффициент абсолютной напряженности (К_о) для территории Астраханской области достигает величины 2,39. Это означает, что площадь земель со степенью антропогенной трансформации от средней до тотальной превышает площадь земель умеренной и фоновой антропогенной трансформации в 2,39 раза. Коэффициент относительной напряженности (К_а) равен 1,13, что указывает на относительную сбалансированность количества земель с самой высокой и самой низкой антропогенной трансформации. Аналогичные расчёты были проведены для ландшафтных выделов. Результаты представлены на рис. 5.



Рис. 4. Геоэкологическое зонирование территории Астраханской области по степени антропогенной трансформации ландшафтов



Рис. 5. Распределение коэффициента напряженности эколого-хозяйственного состояния по ландшафтным выделам на территории Астраханской области

Выводы

1. Применение геоинформационных технологий -- комплексный анализ пространственных данных на изучаемую территорию, в том числе электронных векторных карт, данных ДЗЗ, результатов экспедиционных исследований с применением математико-статистических многомерных методов, на базе ГИС, позволяет всесторонне, глубоко и детально изучить антропогенную трансформацию территорий;

2. Разработанный алгоритм позволил получить оценку антропогенной трансформации ландшафтов территории на основе широко распространенных картографических материалов (векторных топокарт); с привлечением дополнительных данных (ДЗЗ, экспедиционные работы) и мнений экспертов;

3. Антропогенная трансформация территории тесно связана с видами землепользования, основой для развития которых являются ресурсы конкретного ландшафта. Таким образом, ландшафтная дифференциация территории определяет спектр видов антропогенной нагрузки и характерные направления изменения природной среды.

4. Построен ранжированный ряд факторов, трансформирующих ландшафты Астраханской области, предложен способ интерпретации балльных оценок антропогенной трансформации и построения шкалы картограммы на основе чего созданы карты, показывающие территориальную структуру антропогенной трансформации ландшафтов Астраханской области в наглядной форме;

5. Геоэкологическое зонирование территории Астраханской области, проведенное на основе анализа геоинформационной математико-картографической модели, позволило выявить территориальную структуру антропогенной трансформации ландшафтов. Выявлено 6 зон различной степени трансформации ландшафтов на территории Астраханской области. Площадь земель с высокой антропогенной трансформацией (70% территории Астраханской области или 33 500 кв.км) превышает почти в 2,5 раза площадь земель с умеренной антропогенной трансформацией (30% или 14 000 кв.км), что указывает на существенный дисбаланс структуры землепользования и природопользования. В дальнейшем это соотношение будет ухудшаться в связи с активными процессами поиска новых залежей углеводородного сырья и планируемым введением в эксплуатацию новых месторождений (Западно-Астраханское, Алексеевское и т.д.), а также предполагаемой интенсификацией транспортного обмена через территорию Астраханской области (Коридор «Север-Юг») и увеличения потока рекреантов. Планирование природопользования на основе этих данных позволит оптимизировать хозяйственную деятельность и сохранить наиболее важные средо- и ресурсовоспроизводящие функции ландшафтов.

Наименьшая степень антропогенной трансформации характерна для ландшафтов нижнего края Дельты и авандельты. Здесь располагаются ООПТ федерального уровня, их охранные зоны. Хозяйственная деятельность в основном представляет собой использование биоресурсов и рекреацию. Участки высокой антропогенной трансформации почти отсутствуют.

Умеренной (условно) степенью антропогенной трансформации обладают ряд ландшафтов полупустынной и пустынной зон:

- современная эоловая равнина, сформированная морскими перевеянными песками верхнехвалынского возраста;

- Западный район развития «живых» подстепных ильменей, подпитываемых водами волжского рукава Бахтемир;

- Богдинско - Баскунчакский ландшафтный район, включая современную аккумулятивно-денудационную равнину и современную приозерную аккумулятивную равнину на берегах оз. Баскунчак;

- к этой группе также относятся ландшафты северной части Волго-Ахтубинской поймы.

Превышение территорий высокой антропогенной трансформации над территориями с низкой степенью преобразованности колеблется от 1,2 до 2,06 раз (от 20 до 100%).

Наибольшая антропогенная трансформация характерна для ландшафтов вершины Дельты р. Волги. Здесь располагаются населённые пункты, объекты сельскохозяйственного и промышленного производства. Территории низкой степени преобразованности здесь полностью отсутствуют.

Очень высокая степень антропогенной трансформации характерна для ильменно-бугровых ландшафтов восточной части придельтовой равнины с ярко выраженными признаками уменьшения степени обводненности. Превышение территорий высокой антропогенной трансформации над территориями с низкой степенью преобразованности достигает 20 -- 55 раз. Для этих ландшафтов характерно, в основном, развитее орошаемого земледелия, соответственно, большие площади заброшенных (как правило засолённых) и эксплуатируемых полей.

Прочие ландшафты Астраханской области имеют степень превышения площади территорий с высокой антропогенной трансформацией над территориями с низкой антропогенной трансформацией в пределах от 3 до 13 раз, что позволяет считать их территориями высокой степени антропогенной трансформации.

Основные публикации по теме диссертации

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, определённых Высшей аттестационной комиссией:

1. Каменнов, С. Ф. К вопросу оценки антропогенной нагрузки на территорию Лиманского района Астраханской области: транспортная сеть / С. Ф. Каменнов, Д. И. Шабанов, В. Н. Пекин // Проблемы региональной экологии. -- 2008. -- №1 -- С. 106-109.

2. Сальников, А.Л. К вопросу о влиянии зарегулирования стока р.Волга на геоэкологическую ситуацию в Астраханской области / А. Л. Сальников, Д. И. Шабанов, Б. И. Кочуров, А. Н. Бармин // Проблемы региональной экологии. -- 2008 -- №3. -- С.78-83.

Статьи, опубликованные в научных сборниках, журналах и материалах конференций:

3. Пекин, В.Н. Подходы к комплексному изучению территорий с использованием дистанционного зондирования Земли и ГИС-технологий / В. Н. Пекин, Д. И. Шабанов // Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря: Мат. VI Межд. Научн. конф.15-16 окт.2003г. -- Астрахань, 2003. -- С.260.

4. Каменнов, С.Ф. Применение геоинформационных технологий и данных дистанционного зондирования Земли для изучения экологического состояния территорий (на примере Лиманского района) / С. Ф. Каменнов, И. П.Левин, В. Н. Пекин, Д. И. Шабанов // Россия и Восток. Обучающееся общество и социально-устойчивое развитие Каспийского региона. Материалы III Международной конференции. Том III. Проблемы социально-устойчивого развития Каспийского региона. 21-22 апреля. - Астрахань, 2005. -- С.445-447.

5. Пекин, В.Н. Карта использования земель, построенная с использованием ГИС-технологий и космических снимков для оценки антропогенной нагрузки на территорию Астраханской области / В. Н. Пекин, Д. И. Шабанов // Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря: материалы IX Международной конференции. 10-11 октября 2006 года/ отв. Ред. В.Н. Пилипенко. - Астрахань: Издательский дом «Астраханский университет», 2006. -- С. 151-153.

6. Шабанов, Д.И. Плотность дорожной сети как индикатор антропогенной нагрузки на территорию Астраханской области / Д. И. Шабанов, С. Ф. Каменнов // Достижения фундаментальных наук в решении актуальных проблем медицины. (Материалы 5-й научно-практической конференции с международным участием). - Астрахань-Волгоград-Москва : Изд-во Астраханской государственной медицинской академии, 2006. -- С. 342-345.

7. Шабанов, Д.И. ГИС-анализ показателей выбросов в атмосферу загрязняющих веществ с применением кластерного анализа по административно-территориальным единицам Астраханской области / Д.И. Шабанов // Геоинформационное картографирование для сбалансированного территориального развития / Материалы VIII Научной конференции по тематической картографии (Иркутск, 21-24 ноября 2006 года).-- Иркутск : Изд-во Института географии им. В.Б.Сочавы СО РАН, 2006 -- Том 2. -- С.203-206.

8. Каменнов, С.Ф. Изучение антропогенного воздействия на ильменно-бугровой ландшафтный район с использованием ГИС-технологий и дистанционного зондирования Земли (в пределах Лиманского района Астраханской области) / С. Ф. Каменнов, А. Ю. Вдовин, Д. И. Шабанов, В. Н. Пекин // «Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования»: Материалы международной конференции, посвященной 75-летию Астраханского государственного университета. 20-25 августа 2007 г. / сост.: В.Н.Пилипенко, С.Р.Кособокова, Л.В.Яковлева. - Астрахань: Изд. Дом «Астраханский университет», 2007. -- Часть 1 -- С.90-92.

9. Каменнов С.Ф. Создание карты использования земель Лиманского района Астраханской области с применением ГИС и данных ДЗЗ / С. Ф. Каменнов, Д. И. Шабанов, В. Н. Пекин, А. Ю. Вдовин // «Геоэкология и рациональное природопользование: от науки к практике»: Материалы Всеросс. (с междунар. участием) науч.-практ. конф. молодых ученых (15-17 октября 2007 г.). -- Белгород: Изд-во БелГУ, 2007. - С. 83 - 86 .

Размещено на Allbest.ru

...