2
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Современная градостроительная деятельность в
мегаполисах и пригородах развивается в направлении увеличения этажности
зданий и плотности застройки, характеризуется расширяющимся
строительством на новых территориях и размещением строительных объектов
при недостаточном экологическом обосновании. На застраиваемых
территориях могут располагаться как объекты хозяйственной и промышленной деятельности человека, так и особо охраняемые природные территории. В таких условиях на природные комплексы оказывается высокая антропогенная нагрузка, поэтому при градостроительном проектировании капитального строительства требуется разработка мероприятий по охране природы.
В свою очередь разработка эколого-градостроительных рекомендаций по застройке и планированию природоохранных мероприятий требует объективной информации о геоэкологической обстановке и её динамике в разных частях застройки, что невозможно без пространственно-временной оценки исходной информации, полученной современными средствами и методами обработки.
Данные, полученные в ходе инженерных изысканий из различных источников — результаты наземных геоэкологических маршрутных обследований, измерения физических воздействий, статистические данные, картографические материалы, материалы аэрокосмических съемок представляют значительный объем разнородной информации об исследуемой территории. В связи со сложностями ее обработки, анализа и хранения информации в геоэкологической оценке застраиваемых территорий повышается роль картографических баз данных и ГИС, создаваемых на базе высокоинформативных карт. Использование ГИС даёт возможность создать единую электронную базу пространственных и атрибутивных данных увеличить селективность, эффективность обработки, анализа информации, что позволит оперативно получать содержательные картографические документы, как в электронном виде, так и на бумажном носителе.
На сегодняшний день геоэкологическая оценка застраиваемых территорий (а следовательно и картографирование) переходит на локальный уровень исследований природно-антропогенных систем, требует разработок детальных картографических материалов, опирающихся на достоверные и оперативные методы получения экологической информации, включая полевые исследования и космические методы.
То есть, разработка методики создания картографической базы данных ГИС для геоэкологической оценки застраиваемых территорий является актуальной темой для исследований.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методики создания картографической базы данных ГИС для геоэкологической оценки застраиваемых территорий. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
провести анализ состояния проблемы геоэкологической оценки застраиваемых территорий и выявить основные направления исследований;
определить типы и содержание карт, актуальных для геоэкологической оценки;
разработать структуру и содержание базы пространственных данных ГИС застраиваемых территорий;
разработать методику создания картографической базы данных ГИС для геоэкологической оценки районов застройки;
выполнить экспериментальные исследования по реализации методики создания картографической базы ГИС данных на примере тестовой территории.
Объектом диссертационного исследования являются застраиваемые территории, компоненты ее природной и городской среды.
является разработка Предметом диссертационных исследований методики создания картографической базы данных ГИС для геоэкологической оценки застраиваемых территорий.
В основу исследований положены опыт и Методы исследования.
методы создания картографических произведений, достижения в области компьютерной техники, методы цифровой обработки космических изображений, разработки баз пространственных данных и систем спутникового навигационного позиционирования ГЛОНАСС/GPS.
Автор опирался также на труды известных ученых в области картографирования, геоинформатики и дистанционного зондирования:
У. Прэтта (1982), П. Кронберга (1988), В.И. Кравцовой (1995), Н.Н. Крупенио (2000), Т.В. Верещаки (2002), Б.А. Новаковского (2002), В.И. Стурмана (2003), Ю.Ф. Книжникова (2004), Т.А. Трифоновой (2005), Л.Г. Емельяновой (2006), В.К. Злобина (2006), Б.И. Кочурова (2009), В.А. Малинникова (2009), В.Я. Цветкова (2009), С.А. Сладкопевцева (2010) и многих других.
Достоверность результатов подтверждается полевыми и камеральными экспериментальными исследованиями и апробацией разработанной методики.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. Определены и обоснованы типы и содержание карт для локальной геоэкологической оценки застраиваемых территорий (масштабы исследования 1:10000 – 1:25000).
2. Разработана структура и содержание базы пространственных данных застраиваемых территорий с использованием ГИС-пакета MapInfo Professional 8.5, сформированная на основе серии авторских оригиналов карт, аэрокосмической информации и полевых исследований, привязанных с помощью глобальных систем навигационного позиционирования ГЛОНАСС/GPS.
Описаны качественные и количественные характеристики пространственных объектов застраиваемой территории.
3. Разработана методика создания картографической базы данных ГИС для геоэкологической оценки локальных застраиваемых территорий.
Практическая ценность работы. Практическая ценность результатов исследования состоит в использовании разработанной методики в процессе проведения детальной геоэкологической оценки застраиваемых территорий в предпроектный период строительства, с детальностью, отвечающей масштабам 1:10 000 – 1:25 000. Методика может рассматриваться также как дополнение к федеральному документу “Инженерно-экологические изыскания для строительства” (СП 11-102-97).
Основные результаты диссертации, выносимые на защиту:
1. Оригиналы тематического содержания карт, отражающие особенности природы и антропогенных воздействий застраиваемых 2. Структура и содержание картографической базы пространственных данных застраиваемой территории.
3. Методика создания картографической базы данных ГИС для геоэкологической оценки застраиваемых территорий.
4. Рекомендации по режимам регулирования градостроительной деятельности и природоохранные мероприятия для застраиваемых Апробация работы. Основные результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались на: XI (2007 г.), XII (2008 г.), XIII (2009 г.) научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК по актуальным проблемам экологии и природопользования; на заседании регионального отделения РАЕН по экологическому мониторингу окружающей среды (2008 г.); на V международной научно-практической конференции аспирантов и молодых ученных МИИТ (2007); на 66-ой научнотехнической конференции аспирантов и молодых ученых МИИГАиК, посвященной 50-й годовщине первого полета человека в космос – летчикакосмонавта и героя СССР Ю.А. Гагарина (2011 г.).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 8 статьях, в том числе в 5 рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения и приложения. Материал работы изложен на странице машинописного текста, содержит 25 таблиц, 25 рисунков. Список использованной литературы состоит из 102 наименований, в числе которых иностранных.
Во Введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, рассмотрены цель и задачи, научная новизна, практическая ценность и основные результаты диссертации, представляемые на защиту.
Глава 1. Современное состояние проблемы картографического обеспечения геоэкологической оценки застраиваемых территорий Глава носит обзорный характер. В ней приведены сведения о нормативно-методической базе геоэкологической оценки застраиваемых территорий. Рассматривается роль картографирования в градостроительном проектировании. Анализируются возможности использования аэрокосмических систем дистанционного зондирования Земли, ГИС и систем спутникового навигационного позиционирования ГЛОНАСС/GPS в геоэкологических исследованиях.
В ходе обзора литературы по изучаемой проблеме был выявлен ряд нерешенных практических проблем. К ним, прежде всего, можно отнести недостаточную разработанность серий карт для геоэкологической оценки застраиваемых территорий и картографируемых объектов.
Недостаточно уделено внимание исследованиям в области разработок баз пространственных данных ГИС для геоэкологической оценки локальных застраиваемых территорий. Ряд работ посвящен применению современных геоинформационных систем в различных направлениях исследований городской среды. Но масштаб исследований характерен для уровня крупного города в целом, а не для конкретной застраиваемой территории. Разные масштабы исследований частей городских территорий требуют различных подходов формирования структуры и содержания базы пространственных данных ГИС.
Недостаточно внимания уделяется применению интегрированного исследований к карте. На сегодняшний день в условиях плотной многоэтажной городской застройки актуально использование комплекса двух систем производительного времени вдвое. Одна система не в состоянии обеспечить непрерывные измерения в течение длительного времени.
аэрокосмические данные как источник составления карт застраиваемых территорий. Это обусловливает необходимость разработки соответствующего информационного аэрокосмического обеспечения для картографирования застраиваемых территорий.
В целом обзор литературы позволил выявить актуальные направления научной работы, подтвердив необходимость создания картографической базы пространственных данных ГИС для геоэкологической оценки застраиваемых территорий.
Глава 2. Методика создания картографической базы данных ГИС для геоэкологической оценки застраиваемых территорий Разработанная автором методика создания картографической базы данных ГИС в целом представлена на рис. 1.
Пространственно - территориальная Сбор материалов о природно-хозяйственных Оценка состояния компонентов природной среды и факторов техногенного воздействия Планирование и проведение наземных исследований. Пространственная привязка данных Оценка компонентов природной среды Исследования физических воздействий 5. Камеральная обработка результатов измерений и обследований 8. Разработка природоохранных мероприятий и эколого-градостроительных рекомендаций Рис.1. Методика создания картографической базы данных ГИС для геоэкологической оценки застраиваемых территорий (основные этапы) глобальных систем позиционирования ГЛОНАСС/GPS и ГИС, материалов аэрокосмического зондирования Земли, наземных инструментальных методов описанием.
Создание географической основы карт исследуемой территории включает в себя анализ и оценку априорной информации, цифровую обработку космических снимков, их дешифрирование, создание и формирование единой территории (рис. 2).
Ввод космического снимка в программный пакет: преобразование в требуемый масштаб Координатная привязка геоизображения в Дешифрирование Рис. 2. Технологическая схема создания географической основы карт Для создания географической основы карт застраиваемой территории предложено использовать цифровые многозональные космические снимки с высоким и сверхвысоким пространственным разрешением от 0,5 до 4 м, отвечающим достаточно крупным масштабам. В табл. 1 представлен набор сверхвысокого пространственного разрешения.
Использованный набор спектральных зон современных космических снимков высокого и сверхвысокого пространственного разрешения № Спектральная п.п. зона Возможно применение снимков и с большим набором спектральных зон в Оптимальное радиометрическое разрешение исходных снимков должно быть не менее 64 бит. Набор снимков одного и того же участка местности, полученных синхронно в разных спектральных зонах электромагнитного спектра, дает комплексную характеристику местности и позволяет получить достоверную и детальную информацию о природной среде.
На основе ГИС-пакета Maplnfo Professional 8.5 разработана единая содержательная основа пространственных данных застраиваемой территории (табл. 2). Она состоит из описания состава информационных слоев и ключевого имени, которое необходимо использовать при формировании того или иного слоя. Состав базы пространственных данных и значения атрибутов объектов разработаны с учетом требований ГОСТ Р 52439-2005 "Модели местности цифровые. Каталог объектов местности. Требования к составу", ГОСТ Р 52571Географические информационные системы. Совместимость пространственных данных. Общие требования".
Набор пространственных данных ГИС застраиваемой территории Математическая Линии меридианов и параллелей; широта; долгота;
2 Гидрография HP Озера; реки; ручьи; источники, ключи, родники.
Гидротехнические сооружения Растительный покров растительность; камышовая и тростниковая растительность;
5 (естественный, VG луговая растительность; парники, теплицы, оранжереи; лесные искусственный) кварталы; заболоченность; вырубки; ветровалы; лесопосадки;
Грунты (свободные от покрова) Поселения, отдельные Отдельные дворы; отдельные строения разрушенные;
Культовые, Монастыри; церкви, костелы, кирхи, мечети; кладбища;
10 социальные, памятники, монументы, туры, могилы; рынки; спортивные спортивные объекты сооружения; стадионы; дворцы культуры, школы, больницы.
Промышленные, сельскохозяйственные, энергетические, коммунальные Дополнительный слой:
антропогенного воздействия Транспорт и автодороги без покрытия; грунтовые проселочные дороги;
14 инструментальных ТерриториальноTZ функциональные зоны 16 Подписи SR Пояснительные подписи, географические названия объектов.
В соответствии с поставленной задачей исследования определены типы и содержание карт, характеризующие современные природные и экологические условия застраиваемых территорий для масштабов исследований 1:10 000 – 1:25 000. При разработке серии карт и их содержания учтены требования к составу графической документации согласно СНиП 11-02-96 “Инженерные изыскания для строительства. Основные положения”. На территорию тестового полигона разработаны следующие по тематике оригиналы карт (масштаб 1: 000).
Обзорная карта тестовой территории. На карте показаны дорожная сеть, здания и сооружения, гидрография и гидротехнические сооружения, рельеф, промышленные, сельскохозяйственные и социально-культурные объекты, растительный покров и грунты, границы и ограждения, подписи.
антропогенной нагрузки, границы зон проявления негативных геологогидрогеологических процессов.
кварталов, кустарниковая, луговая растительность, культурные насаждения, отдельные группы древесных насаждений; места несанкционированных и промышленных вырубок, гарей; территории сельскохозяйственных угодий.
Рекреационный потенциал лесов. Показаны границы геоботанических выделов и номер класса рекреационной ценности естественных насаждений (в соответствии с «Инструкцией по проведению инженерно-экологических изысканий для подготовки проектной документации строительства, реконструкции объектов», представленной в библиографии к диссертации).
Карта животного населения определяет границы современных группировок животных и их номера в легенде; места встреч редких видов животных. Отражается видовой и численный состав животных, статус пребывания вида на территории.
Комфортность проживания населения. Характеризует экологическое качество существующей градостроительной ситуации и составляется на основе интегральной оценки факторов, обусловливающих формирование опасных для здоровья условий проживания по эколого-градостроительным показателям. К подобным факторам, относятся: зоны расчетного превышения ПДК загрязняющих веществ от автотранспорта и предприятий; загрязнение почв по суммарному показателю (Zс); степень загрязнения вод в поверхностных водоемах по интегральному гидрохимическому индексу загрязнения вод;
площадь озеленения, количество и качество зеленых насаждений; проявление неблагоприятных физико-геологических процессов (оползни, обвалы, карст, суффозия и др.); наличие физических факторов воздействия (шум, радиация, электромагнитное излучение и т.д.).
Зоны современного функционального использования территории.
Отображаются современные территориально-функциональные зоны и их границы: жилые; зоны сельскохозяйственного использования; специального назначения; планируемой застройки; зоны неблагоприятных экологических условий (шумового дискомфорта, потенциально негативного воздействия электромагнитного излучения, повышенной плотности транспортного потока, несанкционированные свалки, отвалы грунта); границы водоохранной, санитарно-защитной зон и особо охраняемых территорий.
Инженерно-геологические условия. Они обязательно учитываются при планировании, проектировании и строительстве, так как определяют характер рельефа, состав и состояние горных пород, условия их залегания и свойства, подземных вод, динамических геологических процессов (оползни, обвалы, карст, суффозия и др.). В качестве источника информации рекомендуется использовать карту инжерно-геологических условий: инженерно-геологическая карта района исследования масштаба 1:200 000 (Государственная геологическая карта России, 2001 г.).
Режимы регулирования градостроительной деятельности территорий Выделено семь режимов регулирования градостроительной деятельности, которые подробно отображены в легенде карты (рис. 5).
Все карты составлены на основе данных полевых геоэкологических обследований, космической информации, наземных инструментальных измерений физических воздействий.
Глава 3. Экспериментальные исследования. Апробация методики создания картографической базы данных ГИС Практическая реализация разработанной методики осуществлена на примере тестовой территории, которая находится в Московской области и расположена к югу от МКАД в пяти километрах по Варшавскому шоссе (55 32с.ш., 3735 в.д.). Территория относится к Московской области Ленинского муниципального района с административным центром в городе Видное. Общая площадь территории составляет 5,72 км2. Протяженность с запада на восток — 1,915 км, с севера на юг — 2,791 км.
Здесь расположены: три населенных пункта — поселок городского типа Новодрожжино, деревни Дрожжино и Бутово, сельскохозяйственные поля совхоза "Им. ХХI съезда КПСС", лесные массивы с разным составом пород и растительных сообществ, Бутовский лесопитомник, садовые участки, протекает речка Гвоздянка с каскадом прудов. В окрестностях деревни Дрожжино расположен памятник истории регионального значения "Бутовский полигон".
Проектируется участок многоэтажной общественно-жилой застройки жилищного комплекса "Бутово Парк".
Для создания географической основы карт тестовой территории использованы космический снимок со спутника Quick Bird, с пространственным разрешением 2,4 м (съемка: апрель 2008 года). Снимок получен в 4-х спектральных зонах электромагнитного спектра: 450-520 нм, 520нм, 760-900 нм (рис. 3) и стереопара со спутника Alos Prism (съемка: июнь 2008 года, разрешение 2,4 м). Снимок первоначально геометрически привязан к UTM-проекции Меркатора (WGS-84) 37 зоны Северного полушария и ориентирован в направлении север-юг.
Многозональный космический снимок подвергнут цифровой обработке с помощью программного продукта ENVI 4.4. Далее снимок импортирован в ГИС-пакет MapInfo Professional 8.5, где выполнено дешифрирование и сформирована географическая основа карт. Одновременно с этим формировалась единая база пространственных и атрибутивных данных ГИС застраиваемой территории.
Рис. 3. Космический снимок исследуемой территории техногенного воздействия. Оценка проводилась по стандартам, изложенным в нормативно-технической литературе в области охраны окружающей среды (представлены в библиографии диссертации).
В ходе полевых геоэкологических изысканий обследованы зеленые насаждения, поверхностные водоемы, водотоки и взяты пробы воды для химико-бактериологического анализа, проведен учет современных территориальных группировок животных. Химико-бактериологический анализ проб воды проводился в лаборатории Научно-исследовательского института экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина РАМН.
Проведены радиационно-экологические исследования поверхности почв с помощью дозиметра-радиометра ИРД-02. Измерения проводились на высоте 1 м от поверхности земли согласно методике, изложенной в библиографии диссертации. При этом фиксировалась мощность эквивалентной дозы в мЗв/ч.
Для этого тестовая территория была подвергнута сплошному прослушиванию по прямолинейным маршрутам, которые образуют сетку с шагом равным 200 м.
Всего получено около 600 отсчетов мощности эквивалентной дозы.
Исследован акустический режим территории от трех главных источников шума (Варшавское, Расторгуевское и Симферопольское шоссе). Измерения интенсивности акустических шумов проводились путем ряда трассовых измерений от контрольных точек автодорог вглубь территории, с помощью шумомера I класса точности. Выявлены зоны шумового дискомфорта, акустический режим которых не соответствует санитарным нормам.
В ходе полевых изысканий использовались географическая основа карт и картографический GPS навигационный приемник серии GPSMAP 60 Csx для записи координат мест измерений и отбора проб.
После проведения полевых изысканий выполнена обработка натурных инструментальных измерений и обследований. Результаты расчетов и наблюдений экспортировались в базу пространственных данных ГИС (табл. 2).
В итоге составлено восемь авторских оригиналов карт, которые характеризуют природные эколого-градостроительные условия тестовой территории. Оригиналы разработаны в масштабе 1:15 000 на единой географической и математической основе (поперечная цилиндрическая проекция Гаусса-Крюгера).
«