«СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МОНИТОРИНГА ГОРОДСКИХ ЗЕМЕЛЬ НА ОСНОВЕ УЧЕТА ОСОБЕННОСТЕЙ РЕЛЬЕФА 1 ...»

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

(ФГБОУ ВПО «СГГА»)

На правах рукописи

Панов Дмитрий Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

МОНИТОРИНГА ГОРОДСКИХ ЗЕМЕЛЬ НА ОСНОВЕ УЧЕТА

ОСОБЕННОСТЕЙ РЕЛЬЕФА

1 25.00.26 – «Землеустройство, кадастр и мониторинг земель»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Трубина Людмила Константиновна Новосибирск –

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 ПОДХОДЫ К УЧЕТУ КАЧЕСТВЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЗЕМЕЛЬ

НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ

1.1 Основные положения и требования по организации землепользования............ 1.2 Факторы, определяющие экологическое состояние городских земель............. 1.3 Информационная основа управления землями населенных пунктов................ 1.3.1 Информационная основа кадастра недвижимости

1.3.2 Землеустройство как основа рационального использования земель.............. 1.3.3 Мониторинг земель

1.3.4 Градостроительная оценка городских земель

1.4 Анализ подходов к оценке экологического состояния городских земель........

2 НАУЧНО–МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО

АНАЛИЗА ФОРМ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

2.1 Инструментальные средства ГИС для анализа поверхностей

2.2 Морфометрические характеристики рельефа для выявления предпосылок аккумуляции загрязняющих веществ

2.3 Научно–методические основы анализа рельефа как фактора влияющего на формирование экологической обстановки

3 МОРФОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕРРИТОРИИ Г. НОВОСИБИРСКА И ЕГО

ОКРЕСТНОСТЕЙ

3.1 Формирование ЦМР на территорию г. Новосибирска и его окрестностей в среде ГИС Панорама

3.2 Оценка точности построения ЦМР

3.3 Морфометрический анализ территории г. Новосибирска и его окрестностей по ЦМР…….

3.4 Характеристика потоковых структур Новосибирска и его окрестностей.......

4 ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ

ОБСТАНОВКИ ФОРМИРУЕМОЙ ПОД ВЛИЯНИЕМ РЕЛЬЕФА, НА

ЗЕМЕЛЬНЫХ УЧАСТКАХ

Г.НОВОСИБИРСКА…………………………………. 4.1 Выявление земельных участков попадающих в экологически неблагоприятные зоны…………………………………………………………………………………… 4.2 Влияние рельефа на загрязнение почв

4.3 Влияние рельефа на загрязнение воздушной среды

4.4 Анализ пространственного расположения городских школ с точки зрения формирования благоприятной экологической обстановки

4.5 Влияние рельефа на развитие транспортных коммуникаций

4.6 Разработка рекомендаций по совершенствованию мониторинга земель населенных пунктов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………..……………… СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В современных условиях возрастает роль регулирования землепользования и охраны земель. Именно в городах наиболее остро стоят вопросы повышения качества окружающей природной среды, поскольку их социально-экономическое развитие, и как следствие, их экологическое состояние, напрямую связаны с увеличением техногенной нагрузки на окружающую среду. Процесс загрязнения, как основное проявление техногенного воздействия, в городских условиях имеет повсеместное распространение, протекает в течение всего времени освоения и использования территории и отражается на всех землях. Общие тенденции изменения характерными для него природной обстановкой, структурой застройки и техногенными источниками.

Основные аспекты свойств земель: градостроительный, инженерностроительный, правовой, экологический, санитарно-гигиенический в той или иной степени учитываются при регулировании землепользования, при земельнокадастровых работах, градостроительном проектировании и мониторинге земель.

Существующая система организации мониторинга земель не позволяет в полной мере учитывать всю специфику городских земель при оценке их экологического состояния. Сложившиеся методические подходы к оценке состояния земель базируются на фиксации данных о концентрации загрязняющих веществ в отдельных точках, которые характеризуют объемы и механизмы поступления загрязняющих веществ, но не позволяют судить о процессах распространения загрязнений, в значительной степени определяемых природной составляющей территории. При этом ведущая роль принадлежит рельефу.

Именно рельеф несет сложную функциональную нагрузку, являясь не только базисом для градостроительства, но и во многом определяет направления распространения загрязнений, пути миграции вещества, зоны его возможного накопления и смыва. При этом в нормативно-методических документах, регламентирующих оценочные работы, значимость рельефа отражена недостаточно.

';

В связи с этим актуальными являются исследования по анализу форм рельефа, обуславливающих закономерности миграции загрязняющих веществ и влияющих на формирование экологической обстановки на городских землях, для целей совершенствования их мониторинга.

Степень разработанности темы. Теоретические основы мониторинга окружающей среды заложены И. П. Герасимовым, Ю. А. Израэлем, В. А. Ковдой.

Исследованиям городских территорий в аспекте оценки состояния земель посвящены работы Т. В. Верещаки, В. В. Владимирова, В. Г.Заиканова, Н. С.

Касимова, Ф. В. Котлова, Г. М. Лаппо, Э. А. Лихачевой, Б. А. Новаковского, Б. Б.

Прохорова, М. Н. Строгановой, Ю. Г. Тютюнника и других авторов. В работах А.

Н. Ласточкина, Ю. Г. Симонова, А. И. Спиридонова, И. Н. Степанова, Д. А.

Тимофеева, Г. Ф. Уфимцева, Н. А. Флоренсова, П. А. Шарого представлены методологические подходы к анализу рельефа земной поверхности, а аспекты геоинформационного моделирования рельефа рассмотрены в работах Е. А.

Жалковского, И. Г. Журкина, А. П. Карпика, А. В. Кошкарева, Д. В Лисицкого, И.

К. Лурье, В. С. Тикунова.

Цель исследования заключалась в совершенствовании информационного обеспечения мониторинга городских земель на основе разработки научнометодических основ анализа рельефа городских территорий, как фактора формирования экологических условий.

Задачи исследования. Для достижения цели исследования необходимо было решить следующие задачи:

– выполнить анализ подходов к оценке состояния и качества земель населенных пунктов;

– определить возможности практического использования методов морфометрического анализа рельефа в информационном обеспечении мониторинга городских земель;

– разработать научно-методические основы анализа рельефа как фактора формирования экологической обстановки на земельных участках средствами ГИС-технологий;

– выполнить апробацию разработанных научно-методических подходов на примере анализа рельефа территории г. Новосибирска и его окрестностей;

– разработать рекомендации по совершенствованию организации мониторинга городских земель на основе учета особенностей рельефа.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является мониторинг земель населенных пунктов (на примере г.Новосибирска). Предметом исследования является информационное обеспечение мониторинга с учетом форм рельефа, влияющих на формирование экологической обстановки городских земель.

Научная новизна:

- разработаны научно-методические основы анализа рельефа средствами ГИС-технологий для учета влияния рельефа на формирование экологической обстановки городской среды с целью совершенствования организации мониторинга земель;

- выделен комплекс наиболее информативных показателей рельефа, позволяющих прогнозировать распространение негативных экологических факторов на городских землях;

- получен комплекс информационных материалов для территории г.

Новосибирска, подтверждающих эффективность предложенных подходов к оценке пространственных закономерностей распространения загрязняющих веществ;

предложено дополнить структуру информационного обеспечения мониторинга городских земель данными морфометрического анализа рельефа для выделения потенциально неблагоприятных с экологической точки зрения зон.

Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты диссертационной работы могут служить основой для совершенствования организации мониторинга городских земель за счет определения детальных характеристик пространственных свойств земной поверхности, определяемых ее рельефом. Возможность выделения потенциально неблагоприятных с экологической точки зрения зон позволит оптимизировать схемы проведения инструментального мониторинга, а также использовать эту информацию при формировании и реконструкции городских территорий, включая структуру землепользования.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы базовые понятия землеустройства, государственного кадастра недвижимости, геоинформатики, методы системного анализа и математической статистики, а также современное программное обеспечение по реализации цифрового моделирования рельефа.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанные научно-методические основы анализа влияния рельефа на формирование экологической обстановки городских территорий средствами ГИСтехнологий повышают надежность оценок экологического состояния многофункционально используемых земель.

2. Предложенный интегральный показатель экологической значимости рельефа обеспечивает количественную характеристику вклада рельефа в формирование экологических условий в зонах различного функционального назначения.

3. Результаты морфометрического анализа территории г. Новосибирска и его окрестностей обосновывают пространственное распределение природных и вещественно-энергетических потоков, способствующих распространению негативных экологических факторов на городских землях.

4. Использование предложеной структуры информационного обеспечения мониторинга городских земель с учетом данных морфометрического анализа рельефа позволяет повысить объективность экологической оценки состояния земель.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует паспорту научной специальности 25.00.26 - «Землеустройство, кадастр и мониторинг земель», разработанному экспертным советом ВАК Минобрнауки РФ, по соответствующим позициям:

23. Мониторинг земель как научное направление (концепция, методология, технология); системный подход.

24. Научные основы, цели, функции, содержание и организация мониторинга земель (федеральный, региональный и локальный уровни).

Степень достоверности и апробация результатов Основные положения диссертационной работы и результаты исследований доложены на Международных научных конгрессах «Интерэкспо ГЕО-Сибирь» (г.

Новосибирск, 2010, 2011, 2012, 2013), III Международной конференции «Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов» (г. Тюмень 2012).

Результаты исследований использовались при выполнении НИР «Разработка методологии исследований состояния и оценки ресурсоемкости экологических систем» номер государственной регистрации 5.2940.2011.

Публикации по теме диссертации. Основные научные положения и выводы диссертации опубликованы в 11 работах, в том числе 3 – в рецензируемых журналах, входящих в перечень изданий, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ.

Структура диссертации. Общий объем диссертации составляет 136 страниц.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованных источников, включающего 119 наименований, содержит 14 таблиц, 51 рисунок.

1 ПОДХОДЫ К УЧЕТУ КАЧЕСТВЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЗЕМЕЛЬ

НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ

1.1 Основные положения и требования по организации землепользования Особая группа земель населенных пунктов – городские земли, формируемые под воздействием всего многообразия факторов городской среды.

Городские территории являются значительным источником негативного воздействия на природную среду. От эффективного решения вопросов взаимодействия города и природы зависит состояние города и будущность окружающей среды, условия жизни человека в городе.

Основные требования к земельному фонду города дифференцируются следующим образом:

- земли городской застройки: обеспечение комфортабельного, удобного проживания населения, экологическая безопасность (допустимость), устойчивость к воздействиям, наличие условий для воспроизводства растительности и длительного существования материального и исторического наследия;

- земли общего пользования: устойчивость к воздействиям и экологическая допустимость, соответствие стандартным требованиям по параметрам;

- земли с особым режимом использования: сохранение условий для самовосстановления биоценозов, экологическая безопасность, наличие условий для длительного существования исторического наследия, соответствие стандартным требованиям по размерам.

Для прочих выделов земель рекомендуется учитывать экологическую допустимость показателей состояния.

Оценка качества городских земель основывается на комплексной характеристике земель, отражающей наличие соответствия существующего на данный момент состояния земель требованиям к их эксплуатации в пределах города, представленных нормативными документами. Под этим подразумевается разнообразие их характеристик, представленных правовыми, методическими и нормативно-техническими документами [91].

Количественные критерии к качеству земель отражены в нормативноправовых документах, это: Земельный кодекс РФ от 24.02.2014, Градостроительный кодекс РФ 2014, ГОСТ Р 22.1.02-95 ( безопасность в чрезвычайных ситуациях, мониторинг и прогнозирование термины и определения), СНиП 2.01.14-83 (определение расчетных гидрологических характеристик), СНиП 2.01.15-90 (инженерная защита территорий зданий и сооружений от опасных геологических процессов, основные положения проектирования) и др.

Основным инструментом регулирования землепользования в городах является зонирование (функциональное, административное и экономическое).

Территориальные зоны представляют собой отдельные территории, границы которых выделяются на основании решений органов государственной власти или местного самоуправления. Эти зоны выделяются для целей административнохозяйственного регулирования имущественных отношений в пределах каждой категории земель [25,53]. По выделенным зонам устанавливается правовой режим использования земель [4,17].

Для рационального использования земель требуется разнообразная информация, которая формируется в результате земельно-кадастровых и землеустроительных работ и градостроительного проектирования, а также при осуществлении мониторинга земель.

Сведения о состоянии и порядке использования земельных участков систематизируются в государственном кадастре недвижимости (ГКН). На основании материалов межевания, результатов проведения топографогеодезических, картографических, землеустроительных и прочих работ, формируются кадастровые дела и дежурные кадастровые карты (планы), базы земельно-кадастровых данных субъектов Российской Федерации и Российской Федерации. На уровне муниципального образования земельный кадастр может содержать дополнительные сведения и информацию характеризующую состояние земельных участков, их улучшений и определенные сведения для оценки земель.

При градостроительном проектировании учитываются характеристики земельных участков, соответствующие градостроительным требованиям, а именно геологическое строение, рельеф, глубина залегания грунтовых вод, наличие инженерных сетей и другие. Эти и другие характеристики должны обеспечивать удовлетворение жилищно-бытовых, культурных, производительных и других потребностей населения [41,53].

Наблюдения за состоянием земель осуществляются в процессе проведения мониторинга городских земель [20].

Основными задачами

мониторинга земель являются:

- систематическое выявление изменений в состоянии земельного фонда и обновление банка данных земельного кадастра;

- изучение и оценка негативных процессов;

- использование и анализ данных контроля за использованием и охраной земель.

Результаты мониторинга состояния земель могут дополнять информационное обеспечение кадастровой оценки земель и использоваться при градостроительном проектировании.

1.2 Факторы, определяющие экологическое состояние городских земель Экологическая обстановка городских территорий формируется структурнофункциональными особенностями природных компонентов городской территории, многочисленными факторами человеческой деятельности, а также самой архитектурно-планировочной композицией городского ландшафта.

В обобщенном виде все многообразие экологических факторов городской территории можно разделить на две группы: природные и антропогенные. К первой группе относятся природные факторы с их физическими, химическими и биологическими свойствами и процессами, структурированные системными связями в ландшафтные подразделения различных таксономических уровней.

Анализ экологических особенностей для городской территории выполняется по природным структурно-функциональным свойствам (процессам) - геологогеоморфологическим, климатическим, гидрологическим и т.д.

Вторая группа антропогенные факторы - это рукотворная составляющая городского ландшафта, композиционно упорядоченная архитектурнопланировочной структурой. Сюда относится все что создано социумом в процессе развития города.

В зависимости от научно-технических и экономических возможностей целенаправленного изменения характеристик экологических факторов их подразделяют на управляемые и неуправляемые. К управляемым факторам относят: уровень чистоты потребляемой воды, лесистость территории и разнообразие зеленых насаждений, режим увлажнения, оползневая опасность и т.п. К неуправляемым экологическим факторам, рассматриваемым как объективно сложившуюся природно-антропогенную среду объекта недвижимости, относят: тип почв, рельеф местности, ветровой режим, температурный режим, сейсмичность территории, загрязнение воздушного бассейна, шумовое, радиационное и другое антропогенное загрязнение и т.п.

Представленная классификация экологических факторов достаточно условна и в существенной мере зависит как от уровня развития научно-технического прогресса, так и от уровня социально-экономического развития конкретного региона [101].

Природная группа включает геолого-геоморфологические факторы. Чаще всего по особенностям строения рельефа городские территории города равнинные, при незначительной расчлененности с небольшими уклонами элементов мезо-микрорельефа, оцениваются как благоприятные в экологическом отношении. Поскольку этим обеспечиваются условия для строительства жилых и производственных объектов, а также движения пешеходов и транспортных средств. Однако при детальных исследованиях в городском ландшафте обнаруживается масса экологически негативных геолого-геоморфологических явлений, в частности таких как оползнеобразование, оврагообразование, и т.д [1].

Среди факторов антропогенной группы наиболее значимыми является загрязнение воздушного бассейна, рассматриваемого как воздушное пространство в пределах территории населенного пункта или промышленного предприятия.

Верхнюю границу воздушного бассейна условно принято считать проходящей над самым высоким зданием или сооружением [8]. Процессы формирования воздушных масс носят региональный характер и связаны, в первую очередь, с географическим положением изучаемой территории и ее климатическими особенностями. Перенос воздухом загрязнения также имеет региональный характер. В городских же условиях ведущими факторами в формировании воздушных потоков в приземном слое атмосферы являются продуваемость отдельных кварталов, этажность и плотность застройки, степень озелененности территории [17].

Для учета загрязнения атмосферного воздуха в оценке городских земель была принята схема загрязнения воздуха с учетом расчетных зон загрязнения от 100 наиболее крупных предприятий I, II, III категорий.

Основные источники загрязнения атмосферы: промышленность, бытовые котельные, транспорт [30].

Все больший вклад в загрязнение атмосферы вносит автотранспорт. Помимо собственных выбросов газов и создания дискомфортного шумового эффекта, он формирует еще и вторичное загрязнение на колесах которое разносится и подхватывается вихревыми потоками пыль в составе которой находятся накопленные за многие десятилетия вредные отходы промышленных предприятий.

Под влиянием антропогенных факторов происходит загрязнение почвенного покрова. Первичные источники загрязнения почвенного покрова:

а) жилые дома и бытовые предприятия. В числе загрязняющих веществ преобладает бытовой мусор, пищевые отходы, фекалии, строительный мусор, отходы отопительных систем, пришедшие в негодность предметы домашнего обихода; мусор общественный учреждений – больниц, столовых, гостиниц, магазинов и др.

б) промышленные предприятия. В твердых и жидких промышленных отходах постоянно присутствуют те или иные вещества, способные оказывать токсическое воздействие на живые организмы и их сообщества. Например, в отходах металлургической промышленности обычно присутствуют соли цветных и тяжелых металлов. Машиностроительная промышленность выводит в окружающую среду цианиды, соединения мышьяка, бериллия. При производстве пластмасс и искусственных волокон образуются отходы бензола и фенола.

Отходами целлюлозно-бумажной промышленности, как правило, являются фенолы, метанол, кубовые остатки.

в) теплоэнергетика. Помимо образования массы шлаков при сжигании каменного угля с теплоэнергетикой связано выделение в атмосферу сажи, несгоревших частиц, оксидов серы, в конце концов оказывающихся в почве.

г) транспорт. При работе двигателей внутреннего сгорания интенсивно выделяются оксиды азота, свинец, углеводороды и другие вещества, оседающие на поверхности почвы или поглощаемые растениями. Каждый автомобиль выбрасывает в атмосферу в среднем в год 1 кг свинца в виде аэрозоля. Свинец выбрасывается в выхлопными газами автомобилей, осаждается на растениях, проникает в почву, где он может оставаться довольно долго, поскольку слабо растворяется [34, 82, 33, 32, 86].

Водный бассейн так же как и почвенный покров с воздушным бассейном подвержен влиянию антропогенного фактора. Водный бассейн — это вода, которая предназначена для ежедневного неограниченного и безопасного потребления человеком и другими живыми существами [113].

Загрязнение водного бассейна – это любые изменения свойств воды в водоемах в связи с поступлением в них жидких, твердых и газообразных веществ, которые наносят или могут создать неудобства, делая воду данных водоемов опасной для использования и ограничивающие дальнейшее ее употребление [2, 60, 74].

Около одной третьей всей массы загрязняющих веществ вносится в водоисточники с поверхностным и ливневым стоком с территорий санитарно неблагоустроенных мест, сельскохозяйственных объектов и угодий, что влияет на сезонное, в период весеннего паводка, ухудшение качества питьевой воды, ежегодно отмечаемое в крупных городах [39, 113].

Загрязнение поверхностных и подземных вод можно распределить на такие типы:

б) химическое - наличие в воде органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия;

в) радиоактивное - присутствие радиоактивных веществ в поверхностных или подземных водах;

г) тепловое - выпуск в водоемы подогретых вод тепловых и атомных ЭС.

Источниками загрязнения признаются объекты, с которых осуществляется сброс или иное поступление в водные объекты вредных веществ, ухудшающее качество поверхностных вод, ограничивающих их использование, а также негативно влияющих на состояние дна и береговых водных объектов [9, 11, 64, 87].

Все более значимым антропогенным фактором становится загрязнение твердыми бытовыми отходами (ТБО).

Твердо бытовые отходы подразделяются на отбросы биологического происхождения и собственно мусор небиологического искусственного или естественного происхождения. Каждый год объемы мусора возрастают приблизительно на 3 % по объёму [24, 88]. Состав ТБО отличается в разных странах, городах. Он зависит от многих факторов, включая благосостояние населения, климат и благоустройство. Основными методами обезвреживания месторасположение которых должно учитывать рельеф территории и розу ветров [88].

Для городов характерен такой тип физического загрязнения как шумовое загрязнение, характеризующееся превышением естественного уровня шумового фона [89]. Основными источниками шума на территории города помимо авто транспорта являются железнодорожный транспорт, наземные линии метро, промышленные предприятия, строительные и ремонтные работы, шумы «бытового происхождения» [14, 23].

1.3 Информационная основа управления землями населенных пунктов 1.3.1 Информационная основа кадастра недвижимости Государственные мероприятия по изучению природного и хозяйственного положения городских земель проводятся в системе государственный кадастр недвижимости [3, 20].

Система государственного кадастра недвижимости (ГКН) включает ряд подсистем, каждая из которых имеет свою предметную область. Как минимум рассматриваются следующие подсистемы:

а) кадастр городских земель (регистрация землепользователей, учет земель, экономическая оценка земель);

назначение, характеристика состояния);

в) кадастр коммуникаций (улично-дорожная сеть, подземные и наземные коммуникации);

г) кадастр геологический (геологические и гидрологические условия, характеристики грунтов);

водопотребление, водосток и водоотвод);

е) кадастр зеленых насаждений (виды и назначение, характеристика состояния);

ж) кадастр экологический (состояние воздушной среды, загрязненность вод и земель, зашумленность);

з) кадастр социально-экономический (население, медицина, образование и культура, сфера обслуживания, промышленность) [53].

Объекты, сведения о которых формирует ГКН можно представить следующим образом рисунок 1.

Для связи объектов различных подсистем ГКН при сборе, обработке, хранении и выдаче информации используется координатная привязка и указание определенной территориально-административной единицы.

В процессе своей деятельности ГКН обеспечивает информацией об объектах недвижимости и территориальных зонах органы государственной власти и местного самоуправления с целью:

- учета, оценки, контроля, планирования и регулирования использования земельных ресурсов и прочно связанной с землей недвижимости на территории города;

- установления обоснованной с точки зрения эффективного использования территориальных ресурсов величины платы за землю и прочно связанную с землей недвижимость посредством сбора налогов и взимания арендной платы;

- обеспечения необходимых условий осуществления государственной регистрации прав на недвижимое имущество и гарантий прав правообладателей на объекты недвижимости [80, 109].

В системе государственной кадастровой оценки земель городских территорий должны учитываться все основные факторы, влияющие на оценку с точки зрения различных видов функционального использования:

а) локализационные факторы, связанные с удорожанием строительства в зависимости от физико-географических и инженерно-геологических характеристик территории: рельефа, несущей способности грунтов, гидрогеологии, карстовых явлений, сейсмики и т.д.;

зависимости от загрязненности окружающей среды по воздуху, шуму, магнитным излучениям, загрязненности почв;

в) факторы стоимости отчуждения из-под существующего использования;

г) коммуникационные факторы, связанные с затратами времени людей на передвижения в городе и затратами на пассажиро- и грузоперевозки;

д) инфраструктурные факторы, связанные с проблемно-ориентированным учетом предшествующих вложений в общегородскую транспортную, инженерную и социальную инфраструктуры;

е) факторы престижа и репутации районов города с точки зрения различных функций;

ж) список факторов, в основном единый для всех крупных городов, может быть расширен с учетом рельефа конкретной городской территории [56].

В системе государственной кадастровой оценки городских земель должны учитываться все основные факторы, влияющие на оценку с точки зрения различных видов функционального использования [65, 97].

Данные государственного земельного кадастра подлежат обязательному применению при государственной регистрации прав на недвижимое имущество и сделок с ним, при решении земельных споров, изъятии и предоставлении земель, оценке земель, определении размера платы за землю, налогообложении земли и иных объектов недвижимости, планировании использования (зонировании) земель, проведении землеустройства, осуществлении государственного контроля за использованием и охраной земель, принятии управленческих и иных решений.

Единство и сопоставимость кадастровых данных обеспечивается единством принципов, методов и технологий ведения государственного земельного кадастра, а также унификацией кадастровых документов [119].

Сведения о правовом режиме земельных участков и иных объектов недвижимости формируются на основе данных Единого государственного реестра прав на недвижимое имущество и сделок с ним. Важным моментом создания полноценной базы для подобных сведений является профессионально выполненное правовое зонирование территории города, на базе которого разрабатывается и утверждается местный нормативный акт «Правила застройки и землепользования».

Сведения об оценочных характеристиках объектов учета формируются на основе сведений, получаемых от лиц, уполномоченных на проведение оценки, либо на основании нормативных правовых актов органов государственной власти и местного самоуправления.

государственного земельного кадастра делится на кадастровые кварталы, границы и номера которых устанавливаются на основе нормативных правовых актов муниципальных образований по представлению уполномоченного территориального органа в муниципальном образовании. Для удобства работы с большим количеством кварталов допускается объединение кадастровых кварталов в блоки и массивы. В свою очередь кадастровый квартал делится на земельные участки, кадастровые номера которых устанавливаются уполномоченным территориальным органом в муниципальном образовании.

Земельный участок может располагаться только в одном кадастровом квартале.

Таким образом получается система дробного зонирования территории города для постановки отдельных земельных участков на учет [27].

Кадастровая оценка земель должна удовлетворять следующим требованиям.

Полнота учета существенных факторов. Так, при оценке земель в городе с пересеченным рельефом учет величины уклона рельефа на оцениваемом участке является обязательным, поскольку существенно определяет распространение загрязняющих веществ и отражается на стоимости строительства. То же относится к оценке земель в городе, находящемся в сейсмической зоне, на территориях с просадочными грунтами и т.д.

Адекватность учета существенных факторов. Учет существенных факторов должен осуществляться методами, обеспечивающими адекватность получаемого результата оценки реальной ситуации и должную меру влияния каждого из факторов на результат оценки.

Прозрачность методов оценки и наглядность результатов. Необходимые методы оценки не вынуждающие пользователя или аудитора обращаться к другим источникам или производить выборочную оценку самостоятельно.

Внутренняя непротиворечивость результатов оценки. Результатами оценки является выборочная проверка и сопоставление локальных оценок в различных местах города.

Адресность. Безадресная оценка чаще всего лишена смысла, и такая работа не может быть признана удовлетворительной. Исключение составляют некоторые специальные случаи, такие как оценка в рамках процедуры банкротства и ликвидации предприятия [56].

Объекты государственной кадастровой оценки земель поселений являются территория поселения в целом, кадастровый квартал в границах поселения, отдельный земельный участок (рисунок 2) [53].

Результатом кадастровой оценки является кадастровая стоимость земли, определяемая как рыночная стоимость собственно земельных участков, по которым сформировался достаточно интенсивный рынок и наиболее вероятная цена продажи на открытом конкурентном рынке собственно земельных участков, по которым рынок еще находится в стадии становления [44, 54].

На основе кадастровой системы получается зонирование территории города, которое часто используется для целей оценки земель, так как определенная информация по земельным участкам уже сосредоточены в информационной системе кадастра. Однако, следует отметить, что используемое зонирование создавалось для целей регистрации землепользователей и упрощения процесса ведения кадастровых дел по отдельным земельным участкам, а не для операций оценки и не учитывает градостроительных особенностей города и социальноэкономических процессов [42, 79, 100].

Таким образом, информационная основа кадастра недвижимости не содержит экологической составляющей в объеме, обеспечивающем объективную экологическую оценку состояния городских земель. Показатели и характеристики объекта недвижимости представляются в виде ограниченного набора метеорологических, физико-химических, медико-биологических характеристик.

1.3.2 Землеустройство как основа рационального использования земель Землеустройство как система многообразных мероприятий решает проблемы рационализации землепользования применительно к уровням административнотерриториального деления территории, к конкретным условиям хозяйственной деятельности.

Объектами землеустройства являются территории субъектов Российской Федерации, территории муниципальных образований, территории населенных пунктов, территориальные зоны, зоны с особыми условиями использования территорий, а также части указанных территорий и зон [34].

К числу основных принципов, которые должны соблюдаться при проведении землеустройства, относятся следующие:

– обеспечение законных интересов субъектов права на землю и граждан, проживающих на территории, на которой проводится землеустройство;

целесообразностью использования земель;

– создание равных организационных и территориальных условий для различных форм хозяйствования и развития всех отраслей экономики;

– учёт перспектив и комплексного развития территории муниципальных образований и других административно-территориальных образований;

– сохранение и рациональное использование земельных ресурсов и природных ландшафтов;

– обеспечение компактного размещения земельных участков при их предоставлении и формировании землепользований, оптимальности их по площади и конфигурации, удобного доступа к ним;

– обеспечение стабильности землепользования и предотвращение чрезмерного дробления земельных участков, если их использование в соответствии с целевым использованием будет затруднено или невозможно [111].

Соблюдение приоритета экологических требований над экономической целесообразностью использования земель при проведении землеустройства должно исходить из условий, обеспечивающих реализацию этого принципа, а именно:

– первоочередное решение природоохранных задач, что требует исключения из рассмотрения любого варианта перераспределения земель и организации территории, наносящего ущерб окружающей среде;

– соблюдение требований земельного, водного, лесного законодательства и законодательства по охране окружающей среды;

– приоритет природоохранного землепользования, установление территорий с особыми природоохранными, заповедными и рекреационными режимами;

– обеспечение сохранения устойчивых и агроэкологически правильно расположенных элементов организации территории (дорог, лесополос, мелиоративных систем и т.д.);

– максимальный учёт природных, эколого-хозяйственных свойств территорий и экологической устойчивости отдельных их частей при реорганизации сельскохозяйственных предприятий;

– обеспечение оптимального состава, соотношения и размещения угодий, уровня интенсивности использования земли;

агроэкологическая оценка территории и эколого-технологический принцип зонирования территорий;

– экологические требования определяются исходя из учёта действующих экологических факторов и обеспечиваются на основе соответствующих стандартов, норм и нормативов [111].

Обеспечение реализации экологических требований возможно при условии, что землеустройство носит государственный характер и проводится комплексно с использованием эколого-ландшафтного подхода.

исполнительных органов государственной власти, органов местного самоуправления, собственников земельных участков, землепользователей, землевладельцев или по решению суда. Землеустройство проводится в обязательном порядке в случаях:

– изменения границ объектов землеустройства;

– предоставления и изъятия земельных участков;

– определения границ ограниченных в использовании частей объектов землеустройства;

– перераспределения используемых гражданами и юридическими лицами земельных участков для осуществления сельскохозяйственного производства;

– выявления нарушенных земель, а также земель, подверженных водной и ветровой эрозии, селям, подтоплению, заболачиванию, вторичному засолению, иссушению, уплотнению, загрязнению отходами производства и потребления, радиоактивными и химическими веществами, заражению и другим негативным воздействиям;

– проведения мероприятий по восстановлению и консервации земель, рекультивации нарушенных земель, защите земель от эрозии, селей, подтопления, заболачивания, вторичного засоления, иссушения, уплотнения, загрязнения отходами производства и потребления, радиоактивными и химическими веществами, заражения и других негативных воздействий [115].

Проведение землеустройства включает в себя изучение состояния земель, которое осуществляется для получения количественной и качественной информации, включающая в себя разные виды работ, а именно геодезические и картографические, инвентаризации земель, оценки качества земель, планирования и рационального использования земель. Для получения информации о состоянии земель проводятся следующие обследования: почвенные, геоботанические и другие. Инвентаризация земель проводится для уточнения или установления местоположения объектов землеустройства, их границ, без закрепления на местности, выявления неиспользованных, нерационально использованных или использованных не по целевому назначению и не в соответствии с разрешенным использованием земельных участков [110, 12, 59].

В процессе принятия решения о рациональном использовании земли большое значение имеет практика и теория землеустройства, которые находятся в тесном взаимодействии. Основная задача взаимодействия практики и теории землеустройства - изучение объективных закономерностей функционирования земли как средства производства и природного ресурса, в разработке и осуществлении на практике эффективных методов организации территории в соответствии с потребностями общества и законами природопользования, в регулировании земельных отношений [95].

Существует два вида землеустройства:

а) внутрихозяйственное землеустройство;

б) межхозяйственное (территориальное) землеустройство.

Разграничение земель по формам собственности, по категориям земель, образование и изменение землевладений и землепользовании, их размещение на территории, распределение и перераспределение земель внутри отраслей и между отдельными землевладениями и землепользователями осуществляются посредством межхозяйственного землеустройства. Оно включает землеустроительные действия по использованию и охране земель на территории нескольких предприятий, организаций, учреждений и граждан, но и всех отраслей народного хозяйства, а также размежеванию земель по формам собственности.

Межхозяйственное землеустройство — это комплекс мероприятий по образованию, упорядочению и совершенствованию землепользования, отводу земель и размещению специальных территорий особого хозяйственного и территориального назначения и перераспределению земель между собственниками, отраслями народного хозяйства, предприятиями, организациями, учреждениями и гражданами внутри отраслей при помощи юридических и технических действий [115].

Для решения вопросов планирования и рационального использования и охраны земель составляются:

– генеральная схема землеустройства РФ;

– схемы землеустройства территорий субъектов РФ;

муниципальных образований;

– схемы использования и охраны земель.

В свою очередь, в состав схем использования и охраны земель входят:

– схемы размещения и установления границ особо охраняемых природных территорий;

огороднических и данных коммерческих объединений граждан;

– схемы формирования целевых фондов земель (земельных фондов);

определением земель, отнесенных к категориям и видам, установленным законодательством РФ [111].

Таким образом, система землеустройства предлагает большой набор мероприятий по охране земель и окружающей среды.

1.3.3 Мониторинг земель Мониторинг городских земель (МГЗ), является системой мероприятий по наблюдению за состоянием городского земельного фонда для своевременного предупреждения и устранения последствий негативных процессов в городской среде. К МГЗ относят систематические наблюдения за всеми процессами в городской среде, которые оказывают влияние на стоимость городских земель [45].

Данные мониторинга городских земель учитываются при проведении мероприятий по рациональному использованию и охране земель.

Особенность МГЗ по отношению к мониторингу земель определяется функциональным назначением городских земель, незначительными размерами городских землепользований и землевладений, высокими требованиями к точности определения их границ и площадей, более крупными масштабами картографирования результатов мониторинга, разнообразной наполненостью территории объектами недвижимости.

По своему направлению показатели государственного мониторинга земель можно разделить: на показатели государственного мониторинга использования земель и показатели государственного мониторинга состояния земель.

Показатели ГМЗ предназначены для сбора информации о фактическом использовании земель, выявления резервных земельных площадей, потенциально пригодных для хозяйственного использования, сельскохозяйственного производства, а также установления фактов присутствия нарушения земельного законодательства РФ.

В городе земля должна рассматриваться не только как плоскость, но и как сумма некоторых подземных и надземных территорий. Поэтому здесь неизмеримо выше степень техногенного и антропогенного воздействия на все категории земель. Если земли города рассматривать как объект управления, то конечной целью мониторинга земель является сбор и постоянная актуализация информации для принятия управленческого решения. Воздействие на объект управления осуществляется при помощи обратной связи, посредством службы сбора земельных платежей с помощью государственной земельной инспекции или других территориальных органов земельного комитета [2].

Для ведения мониторинга земель основным регламентирующим документом служит постановление правительства РФ, согласно которому проведение мониторинга осуществляется организациями ряда ведомств и министерств. Это обусловливает необходимость разработки нормативно-правовой базы, определяющей порядок взаимодействия, обмена данными, финансирования организаций работающих в области мониторинга городских земель [30].

В городских условиях большое значение отводится мероприятиям по целесообразному использованию земель для предотвращения их нецелевого использования.

Контроль за использованием и охраной земель в городе осуществляется на основе нормативно-правовой базы, включающей указы Президента РФ, относящиеся к государственному контролю за использованием и охраной земель при проведении земельной реформы, функционирующего Земельного кодекса, постановления Правительства РФ, регламентирующие порядок осуществления государственного контроля за использованием и охраной земель в Российской Федерации. Контроль за использованием и охраной земель в городе выполняет Государственная земельная инспекция (ГЗИ) и отдел госконтроля Горкомзема, которые обеспечивают контроль за соблюдением норм земельного законодательства юридическими и физическими лицами на территории города.

При этом экологически обусловленные процессы и факторы, влияющие на качество городских земель, не учитываются в полной мере [7].

1.3.4 Градостроительная оценка городских земель Градостроительная оценка территории имеет динамический характер, изменяясь по мере территориального развития города, насыщения территории различными функциями, изменения их параметров [78].

Градостроительная оценка может использоваться самостоятельно для различных целей управления городскими территориями, а в совокупности с экономической, экологической оценкой давать комплексную картину реальной ценности городской территории.

В составе градостроительной оценки рассматриваются вопросы, связанные с чисто градостроительными (планировочными, строительными, архитектурными, эстетическими и т.д.), природными, культурными и антропогенными факторами ценности городской территории. В зависимости от особенностей города, сложившейся ситуации, происходящих процессов городского переустройства, набор факторов ценности территории может изменяться.

Перечень учитываемых факторов градостроительной ценности территории для крупных городов [111, 112]:

– композиционная ценность (архитектурно-планировочная) участков территории;

– санитарно-экологическое состояние городской среды;

– природно-ландшафтные условия;

– уровень озеленения и рекреационная ценность;

– инженерно-геологические условия;

– уровень благоустройства территории;

– уровень развития сферы культурно-бытового обслуживания населения;

– архитектурно-эстетические качества;

– охранные зоны и культурные ценности;

– престижность территории для жилых объектов.

Указанные факторы важны как фиксация определенного состояния городской территории и городской среды, как материал, объясняющий наиболее рациональные способы освоения городской среды, как составляющие непосредственной ценности конкретных участков городской территории.

По каждому такому фактору, принимаемому в расчет оценки, выполняются отдельные аналитические работы [18].

При архитектурно – планировочной оценке территории рассматриваются вопросы взаимосвязи различных селитебных участков территории, наличие центров, системы набережных, бульваров, парков на всем протяжении города. На формирование индивидуального архитектурно-художественного облика территории значительное влияние оказывает рельеф местности, создавая благоприятные условия для раскрытия глубинных панорам, построения выразительного силуэта и отдельных высотных доминант в наиболее важных общественно-транспортных узлах или на замыкании дальних перспектив.

Территория города по рельефу оценивается по следующим признакам:

– участки возвышенные относительно других и предназначенные для различных высотных акцентов жилой и общественной застройки;

– участки с уклоном от 5 % до 15 %, благоприятные для жилищногражданского строительства;

– участки, обзор которых соответствует принципам формирования многоплановых панорам или силуэтного решения застройки;

– участки со сложным рельефом (более 15 %), оврагами, карьерами и равнинным бессточным рельефом, благоприятным для застройки;

– прочие участки, участки.

Оценка рекреационных территорий производится в соответствии с радиусами пешеходной доступности мест отдыха, например, 1500 м для тех условий, где имеется беспрепятственный выход к прибрежной зоне.

Наиболее благоприятными территориями города по озеленению, природно ландшафтным и микроклиматическим условиями являются участки, приближенные к лесным массивам, рощам, паркам, водоемам, рельефу, способствующему созданию архитектурно художественной выразительности застройки.

Уровень развития сферы культурно-бытового обслуживания населения в городах пока еще отстает от нормативных требований. В основном это относится к таким предприятиям обслуживания как гостиницы, предприятия бытового обслуживания, прачечные и т.п.

Размещение предприятий культурно-бытового назначения отличается неравномерностью по территории города. Центральная часть почти всегда имеет большую плотность социального потенциала, в то же время в периферийных районах, в новостройках, в индивидуальной застройке их в основном недостаточно. Объекты общественного обслуживания по всем районам сосредоточены на основных улицах и магистралях.

При оценке территории по уровню развития сферы культурно-бытового обслуживания важно учитывать различную значимость учреждений в рамках города (городской, районный или микрорайонный объект), а также степень связанности с жилищем и степень жизненной необходимости в наличии данных учреждений в пределах минимальной доступности [90].

При выполнении оценки уровня благоустройства объектом анализа и оценки служат внутриквартальные территории города. Понятие «благоустройство»

операционализируется на ряд конкретных показателей:

– наличие газона, мощения, дорожной одежды и отсутствие «открытой»

(необработанной архитектурными средствами) земли;

– наличие оборудованных площадок для реализации разных форм хозяйственно-бытовой деятельности по месту жительства (в соответствии со строительными нормами времени застройки кварталов и микрорайонов);

– наличие искусственного озеленения и его достаточность в соответствии с нормами;

– наличие (отсутствие) освещения улиц и проездов;

– наличие отвода поверхностного стока воды и отсутствие луж и грязи.

Вместе с тем, для различных участков города этот необходимый минимум имеет различную значимость [68]. Поэтому для проведения оценки выбираются конкретные элементы, по ним собирается информация и по наличию этих элементов и их характеристикам выполняется оценка. При наличии нескольких элементов оценка возрастает, а также на нее влияет состояние (характеристика) принимаемого в расчет элемента.

Инженерно-геологические условия определяют требования к подготовке территорий для целей городского освоения, строительства и эксплуатации сооружений [19].

специализированными организациями, занимающимися инженерными изысканиями. Дополнительно рассматривается характеристика рельефа с инженерной позиции, карты гидрологических режимов и уровня паводковых вод, а также последствия техногенного воздействия на территорию (подработки и просадочные явления).

В самостоятельную группу типов участков в крупных городах выделяются участки золоотвалов, отходов производства ТЭЦ и участки городских свалок для отсыпки производственных, строительных и бытовых отходов. Предпринятые в последние десятилетия мероприятия по инженерной подготовке территории привели к появлению нового типа участков : участки замыва долин мелких рек и природных разломов.

Каждый из выделенных типов участков по своим характеристикам требует принятия инженерно-технических мер и специальных инженерных мероприятий по снижению отрицательного влияния геологических факторов в процессе эксплуатации зданий и сооружений, что выражается в соответствующих затратах.

Бонитирование территории города с точки зрения влияния инженерногеологических условий производится в зависимости от трудоемкости освоения площадок и устройства оснований под здания и сооружения.

При составлении оценки по инженерно-геологическим условиям описанные выше типы участков территории бывают укрупнены в группы участков, в которых сочетание природных и техногенных факторов образует определенное качество ранг с точки зрения затрат на строительное освоение территории (ранг участка). В свою очередь, в зависимости от ранга каждый участок имеет свою оценку по принимаемой экспертами (специалистами оценщиками) шкале.

1.4 Анализ подходов к оценке экологического состояния городских земель Специфика городских земель обусловлена высокой пространственной концентрацией объектов недвижимости, высокой степенью антропогенного воздействия и системной взаимозависимостью состояния земельных участков друг от друга.

Основные аспекты свойств земель: градостроительный, инженерностроительный, правовая, экологическая и санитарно – гигиеническая в той или иной степени учитываются при регулировании землепользования, при земельнокадастровых работах, градостроительном проектировании и мониторинге земель.

Перечень факторов, влияющий на экологическое состояние городских территорий в основном единый для всех крупных городов.

Для оценки суммарного загрязнения осуществляется покомпонентная оценка поверхностных и грунтовых вод, растительности, других компонентов природной среды, учитываются особенности антропогенной нагрузки, загрязнение твердыми отходами и физические загрязнения. При этом в большинстве случаев руководствуются сведениями о степени загрязнения, полученными в конкретной точке пространства. Следовательно, система оценок воздействия ориентирована, в конкретного техногенного объекта (или группы объектов), но не обеспечивают системного подхода в исследовании и анализе экологической обстановки, сложившейся на всей территории [5].

Сложившиеся методические подходы к сбору и обобщению информации зачастую не позволяют воссоздать целостную картину ее состояния. Информация о загрязнении отдельных природных компонентов рассматривается изолированно, информация об источниках загрязнения и эмиссиях отдельных загрязняющих веществах плохо согласована с информацией об уровнях загрязнения тех компонентов, на которые они могут воздействовать. Данные о загрязнении разных природных сред обеспечиваются, как правило, стационарными постами наблюдений, распределенными на исследуемой территории, либо «выборкой» на ключевых ее участках. Показатель загрязнения конкретным веществом одного компонента получается непосредственно в результате наблюдений или измерений конкретной точки пространства. При обобщении показателей переход от распределения влияния того или иного показателя, чаще всего, осуществляется методами интерполяции и экстраполяции. Иногда используют матрицы, которые определения суммарного значения на основе тех или иных аналитических зависимостей. Во всех случаях интегральные показатели получают в результате преобразования первичных данных, измеренных в дискретных точках пространства. При отображении результатов, чаще всего, в виде статистических поверхностей изолиниями равных значений, не учитывается пространственная неоднородность территории. Следовательно, изолинейная поверхность (либо ее послойная раскраска, типа гипсометрической) отображает практически равномерное распределение влияния фактора по условной поверхности. В то время как, распределение загрязнений урбанизированной территории характеризуется пространственной неоднородностью, связанной с локальными природными условиями, точечным антропогенными воздействиями и сформировавшейся структурой жилой застройки. Так, например, на уровень метеорологических факторов, но и изменения состояния воздушного бассейна, определяемого особенностями рельефа. В частности, возможен сток воздушных загрязнений по склону при неблагоприятной метеорологической обстановке, накопление выбросов в замкнутых понижениях рельефа и др [108].

Учитывая, что процессы распространения загрязнений в значительной части определяются природной составляющей территории, среди которых ведущая роль принадлежит рельефу, целесообразно совершенствовать подходы к проведению мониторинга городских земель на основе учета рельефа, как фактора формирования экологических условий. Он обеспечивает определенный тип взаимодействия объектов природной и антропогенной среды, следовательно, влияет на экологическое состояние системы в целом. Перемещение вещества и энергии контролируется именно рельефом. Так ход большинства экологогеохимических процессов зависит от поступления в каждую точку территории влаги и солнечной энергии, их распределение регулируется углами наклона и экспозицией склонов. Направление распространения загрязнений, пути миграции вещества, зоны его возможного накопления и смыва определяют типы морфоэлементов рельефа.

Такой подход для конкретных территорий позволит реализовать полное и, вместе с тем, детальное представление структуры его геоэкологического пространства. А это может послужить основанием для дифференциации городской территории на участки с принципиально разной инсоляционной экспозицией, обеспечивающей различную освещенность, конкретной величиной физиологически активной радиации, а также направленность распределения потоков по уровням, соответствующим разной степени их циркуляционной и гравитационной составляющей, с включенными в них техногенными компонентами [108].

Основные выводы первого раздела:

Специфика городских земель обусловлена высокой пространственной концентрацией объектов недвижимости, интенсивным антропогенным воздействием, зависимостью состояния земельных участков от природных условий и взаимозависимостью земельных участков друг от друга.

Анализ подходов к оценке состояния городских земель показал, что основные аспекты свойств земель: правовой, градостроительный, экологический и санитарно – гигиенический в той или иной степени учитываются при земельнокадастровых, землеустроительных работах, градостроительном проектировании и мониторинге городских земель.

В тоже время существующая система организации мониторинга городских земель не позволяет в полной мере учитывать всю специфику городских земель при оценке их экологического состояния. Сложившиеся методические подходы к оценке состояния земель базируются на фиксации данных о накоплении загрязняющих веществ в отдельных точках, что позволяет судить об источниках, объемах и механизмах поступления загрязняющих веществ, но не позволяют судить о процессах распространения загрязнений. Последнее в значительной степени определяется природной составляющей территории, при этом ведущая роль принадлежит рельефу. Он обеспечивает определенный тип взаимодействия объектов природной и антропогенной среды, следовательно, влияет на экологическое состояние системы в целом. Перемещение вещества и энергии контролируется именно рельефом, что ставит его на ведущее место среди всех экологических факторов. Так, ход большинства эколого-геохимических процессов зависит от поступления в каждую точку территории влаги и солнечного тепла, их распределение регулируется углами наклона и экспозицией склонов. Направления распространения загрязнений, пути миграции вещества, зоны его возможного накопления и смыва определяют типы морфоэлементов рельефа.

Для исследования экологической ситуации и оценки состояния земель нужен специальный подход, позволяющий выявлять закономерности миграций загрязняющих веществ, отраженных в особенностях распределения морфоэлементов рельефа.

НАУЧНО–МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО

ПОДХОДА К АНАЛИЗУ ФОРМ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

2.1 Инструментальные средства ГИС для анализа поверхностей В современных ГИС для отображения и анализа земной поверхности применяют цифровые модели рельефа (ЦМР).

ЦМР может отображать как высоты рельефа, так и другие пространственно распределенные явления, например концентрацию загрязнения, количество осадков, уровень радиации. Большинство ЦМР являются математическими моделями, сформированными в виде дискретных матриц высот. Исходными данными для создания ЦМР могут быть объекты векторной карты или информация из базы данных [37].

Для получения исходных данных о рельефе могут быть использованы следующие методы: геодезический, картографический, фотограмметрический, воздушное лазерное сканирование, наземное лазерное сканирование.

Формирование цифровых моделей рельефа (ЦМР), процедуры их анализа и визуализации результатов реализованы во многих ГИС-пакетах.

Средства ГИС повышают эффективность методов исследования земной поверхности, во многом благодаря трехмерному моделированию.

возможностям и цене. Модули мощных полнофункциональных дорогостоящих ГИС- пакетов имеют самые широкие возможности по моделированию поверхностей, в основном за счет наличия мощных модулей расширения. В качестве примеров можно привести модули Spatial Analyst, 3D Analyst, Geostatistical Analyst ГИС- пакета ArcGIS (ESRI Inc.), Vertical Mapper программы MapInfo (MapInfo Corp.), Autodesk Map 3D системы AutoCAD (Autodesk Inc.), Terrain пакета GeoMedia (Intergraph Corp.) [114]. Достаточно широкий набор функций для создания модели поверхности и решения задач пространственного анализа имеет ГИС «Карта» (ЗАО «Панорама»). Ее комплекс 3D анализа включает более 50 задач. Для формирования информации о рельефе в ГИС «Карта» существует несколько режимов, позволяющих получать как поверхности рельефа - матрицы высот, так и векторные модели - горизонтали. Математические методы, реализованные в процедурах создания моделей рельефа, обеспечивают преобразование одного типа данных в другой, тем самым позволяют комбинировать различные способы получения информации о рельефе и достигать необходимой точности моделирования.

Основные алгоритмы построения ЦМР заключаются в формировании данных в виде GRID или TIN моделей.

В зависимости от методов сбора топографических данных, существует три формы их представления для формирования ЦМР:

– с регулярным расположением точек на прямоугольных, треугольных гексагональных сетках (GRID);

– с нерегулярным представлением точек по структурным линиям, профилям, центрам площадей (TIN);

– с изолинейным заданием точек, расположенным равномерно, либо с учетом кривизны горизонталей исходной топографической карты (TGRID) [38, 62, 114].

TIN (Triangulated Irregular Network) – линейная нерегулярная сеть, система не перекрывающихся треугольников (рисунок 3), соответствующая триангуляции Делоне. Вершинами треугольников являются исходные опорные точки. Рельеф в этом случае представляется многогранной поверхностью, каждая грань которой описывается либо линейной функцией (полиэдральная модель), либо полиномиальной поверхностью, коэффициенты которой определяются по значениям в вершинах граней-треугольников [38, 114].

Рисунок 3 – Трехмерная модель рельефа, построенная на основе нерегулярной – модель (регулярная сеточная модель) представляет собой регулярную матрицу измеренных значений высот либо матрицу, полученную при интерполяции хаотически расположенных экспериментальных точек данных, представленных на рисунке 4.

Рисунок 4 – Трехмерная модель рельефа, построенная на основе регулярной сети Для каждой ячейки матрицы высота определяется на основе вычисленной по интерполяционной функции. Фактически это сетка, размеры которой задаются в соответствии с требованиями точности конкретной решаемой задачи, в ее узлах поверхности, а не изображению [38, 62, 114].

TGRID (triangulated grid) – модель, сочетающая в себе элементы моделей TIN и GRID. Такие модели имеют свои преимущества, например, позволяют использовать дополнительные данные для описания сложных форм рельефа (обрывы, скальные выступы) [38].

реализуется на основе интерполяции исходных данных.

Интерполяция - восстановление функции на заданном интервале по известным ее значениям конечного множества точек, принадлежащих этому интервалу [114].

В настоящее время известны десятки методов интерполяции поверхностей, взвешенных расстояний, кригинг; сплайн-интерполяция; тренд-интерполяция.

Кригинг. Метод интерполяции, который основан на использовании методов регионализированной переменной, т.е. переменной, которая изменяется от места к месту с некоторой видимой непрерывностью, поэтому не может моделироваться только одним математическим уравнением. Поверхность рассматривается в виде трех независимых величин (рисунок 5). Первая - тренд, характеризует изменение поверхности в определенном направлении. Далее предполагается, что имеются небольшие отклонения от общей тенденции, вроде маленьких пиков и впадин, которые являются случайными, но все же связанными друг с другом пространственно [38, 114].

Наконец, имеется случайный шум (например, валуны). С каждой из трех представляет общее изменение поверхности, во многом подобно поверхности тренда.

1 – тренд; 2 - случайные, но пространственно связанные высотные колебания; 3 случайный шум.

Ожидаемое изменение высоты измеряется по вариограмме, на которой по вертикальной – полудисперсия. Полудисперсия определяется как половина дисперсии между значениями высоты исходных точек и высот соседних точек.

Затем через точки данных проводится кривая наилучшего приближения.

Дисперсия в какой-то момент достигает максимума и остается постоянной (выявляется предельный радиус корреляции).

Интерполяция методом кригинга в большинстве случаев дает хорошие результаты, даже когда плотность исходных точек не велика. Однако, при некотором расположении точек возможно появление резких пиков и впадин [51].

предположении, что чем ближе друг к другу находятся исходные точки, тем ближе их значения. Для точного описания топографии набор точек, по которым будет осуществляться интерполяция, необходимо выбирать в некоторой окрестности определяемой точки, так как они оказывают наибольшее влияние на ее высоту. Это достигается следующим образом. Вводится максимальный радиус поиска или количество точек, ближайших по расстоянию от начальной (определяемой) точки. Затем значению высоты в каждой выбранной точке задается вес, вычисляемый в зависимости от квадрата расстояния до определяемой точки. Этим достигается, чтобы более близкие точки вносили больший вклад в определение интерполируемой высоты по сравнению с более удаленными точками [51, 62, 114].

Тренд интерполяция. В некоторых случаях исследователя интересуют общие тенденции поверхности, которые характеризуются поверхностью тренда.

Аналогично методу обратных взвешенных расстояний для поверхности тренда используется набор точек в пределах заданной окрестности. В пределах каждой окрестности строится поверхность наилучшего приближения на основе математических уравнений, таких как полиномы или сплайны.

Поверхности тренда могут быть плоскими, показывая общую тенденцию или более сложными. Тип используемого уравнения или степень полинома определяет величину волнистости поверхности. Например, поверхность тренда первого порядка будет выглядеть как плоскость, пересекающая под некоторым углом всю поверхность. Если поверхность имеет один изгиб, то такую поверхность называют поверхностью тренда второго порядка [38, 51].

Сплайн интерполяция. Возможность описания сложных поверхностей с помощью полиномов невысоких степеней определяется тем, что при сплайн интерполяции вся территория разбивается на небольшие непересекающиеся участки. Аппроксимация полиномами осуществляется раздельно для каждого участка. Обычно используют полином третьей степени - кубический сплайн.

Затем строится общая функция «склейки» на всю область, с заданием условия непрерывности на границах участков и непрерывности первых и вторых частных производных, т.е. обеспечивается гладкость склеивания полиномов [51, 62].

Сглаживание сплайн-функциями особенно удобно при моделировании поверхностей, осложненных разрывными нарушениями, и позволяет избежать искажения типа «краевых эффектов» [51].

поверхности, однотонно градуированной, цветной градуированной, горизонталей, сетке геометрических фигур. Современные ГИС позволяют осуществлять виртуальное 3D моделирование поверхностей.

Профессиональная ГИС «Карта» ЗАО «Панорама» это универсальная клиент-серверная геоинформационная система, имеющая средства создания и редактирования электронных карт, выполнения различных измерений и расчетов, оверлейных операций, построения 3D моделей, обработки растровых данных, средства подготовки графических документов в электронном и печатном виде, а также инструментальные средства для работы с базами данных [37].

В ГИС «Карта» матрица высот может быть построена на район, на заданный в районе участок местности или на заданные листы района. В качестве результирующего рельефа матрица высот может содержать абсолютный или суммарный рельеф.

Модели поверхностей используются для формирования трёхмерной карты местности, а также при решении задач оценки рельефа: вычисление расстояний, расчёт площадей и объёмов, профилирование, построение зон видимости, определение направлений склонов. Комплекс 3D анализа использует модели поверхностей в задачах построения изолиний, формирования координаты Н (высота) объектов карты, при построении зон затопления и для моделирования аварийных ситуаций. Комплекс 3D анализа также включает в себя задачи прогнозирования зоны аварийного разлива нефтепродуктов и расчёта объёмов земляных работ [37].

Комплекс 3D анализа позволяет создавать регулярные GRID модели (матрица высот рельефа MTW, матрица качеств заданной характеристики МТQ, матрица геологических слоёв МТL) и нерегулярные модели (ТIN модель, точечная МТD-модель). ТIN-модель представляет собой нерегулярную сеть треугольников, вершинами которых являются исходные опорные точки. МТDмодель содержит результаты точечных измерений данные воздушного лазерного сканирования, дистанционного зондирования Земли (ДЭЗ) и других.

Комплекс 3D анализа использует модели поверхностей в задачах построения изолиний, формирования координаты H (высота) объектов карты, при построении зон затопления и для моделирования аварийных ситуаций.

ГИС «Панорама» позволяет создавать тематические карты двух типов:

картограммы и картодиограммы. Основное их отличие заключается в том что картограмма показывает распределение одной характеристики между указанными объектами карты, а по картодиаграммам можно оценить соотношение нескольких характеристик для каждого из объектов.

Существуют также узкоспециализированные программные продукты для работы с ЦМР, среди которых наиболее известны пакеты программ Surfer (Golden Software Inc.) и MicroDEM / Terra Base (U.S. Naval Academy). К этому классу программных продуктов относится и аналитическая ГИС ECO, разработанная Шарым П.А. из института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, которая позволяет получать около двадцати морфометрических параметров местности.

пространственного распределения свойств ландшафта.

Главная особенность этой программы в том, что она позволяет использовать расширенный набор характеристик земной поверхности, или морфометрических величин. Для этой цели предпочтительны крупномасштабные ЦМР в большинстве приложений программы.

Имеется три вида пространственных данных, которые используются программой: вектора (файлы. VBC), матрицы (файлы. REG) и точечные карты (файлы. TIN). Программа позволяет преобразовывать почти все эти виды данных один в другой, но в результате некоторых из этих преобразований может происходить частичная потеря информации.

ГИС ЕСО позволяет просматривать значения всех морфометрических величин в любой точке изображения карты, просто щелкнув мышью в этой точке в режиме матриц. В режиме векторов можно увидеть информацию о любом векторном объекте (т.e. точке, ломаной или полигоне), который в это время показан на экране.

В нашем случае для выполнения исследований выбран программный продукт ГИС «Карта» (ЗАО «Панорама»), который как отмечалось обеспечивает практически весь комплекс задач по формированию ЦМР по разным географическим источникам, ее отображению в различных форматах и реализацию задач анализа поверхности. Учитывалась так же доступность по цене и совместимость с иными цифровыми наборами данных о территории, благодаря использованию принятых в России проекций и систем координат. Для расширенного морфометрического анализа применялась аналитическая ГИС ECO.

2.2 Морфометрические характеристики рельефа для выявления предпосылок аккумуляции загрязняющих веществ Для анализа земной поверхности наряду со стандартными приемами геоинформатики, находят применение и специализированные, направленные на выделение так называемых потоковых структур, определяемых системой «земная поверхность + векторное поле». Теория и алгоритмы такого представления поверхности изложены в работах российских ученых А. Н. Ласточкина, Ю. Г.

Симонова, А. И. Спиридонова, И. Н. Степанова, Д. А. Тимофеева, Г. Ф.

Уфимцева, И. В. Флоринского, П. А. Шарого.

Земная поверхность находится под воздействием нескольких геофизических векторных полей таких как электрическое, магнитное, гравитационное, радиационное. Векторное поле имеет направление в каждой точке пространства и оказывает влияние на формирование физической земной поверхности [116].

Поэтому изучение экологического состояния территории должен предшествовать анализ морфологии рельефа, как совокупности упорядоченных форм, возникших под воздействием геофизических полей.

Воздействие векторных полей проявляется в виде потоков почвенногеологического вещества. Эти потоки, в свою очередь, задают направление движения жидких, газообразных и техногенных веществ, образующихся в результате действия тех или иных природных и техногенных источников загрязнения. Это могут быть водные (ливневые потоки, потоки от снеготаяния), пылевые и насыщенные канцерогенами воздушные массы, которые транспортируют и аккумулируют в зонах депрессии максимальное количество загрязняющих веществ.

Одним из способов выявления формы и направления потоковых структур является метод «пластики рельефа», основанный на отыскании геометрического места на горизонталях топографических карт в виде точек нулевой кривизны, объединенных в морфоизографы - изолинии нулевой плановой (горизонтальной) кривизны. Они выделяют на карте дискретные выпуклости - потоки почвенногеологического вещества на фоне вогнутостей, образующих фон или подложку, по которой подчеркивает движение почвенного вещества и в том числе загрязняющих. Иллюстрация этого способа показана на рисунке 6. Выделены основные структурные элементы и точки. Наивысшая точка в структуре всего бассейнового водосбора - R «репеллер», от которой как бы «истекает» поток, и движется в нижнюю точку - А «аттрактор», потоки дивергируют при kh>0 и конвергируют при kh 0 и конвергируют при kh 0 дивергенция Зоны депрессий D (м) Поскольку показатели имеют разные размерности и диапазоны значений, то производится их нормирование. Сочетание показателей горизонтальной и вертикальной кривизны определяет формы рельефа, которые влияют на скорость и направление потоков, поэтому они нормируются совместно. Согласно графика приведенного на рисунке 15, первой четверти соответствует относительный снос (дивергентно-ускоряющие потоки), т.е происходит рассеяние вещества.

Соотношения Кv и Кh, показанные во второй и четвертой четверти, соответствуют транзиту вещества. При этом во второй четверти по сравнению с третьей - формы рельефа способствуют большему распределению потоков вещества, соответствовенно меньшему накоплению загрязняющих веществ. В третьей четверти - потоки являются дивергентно - замедляющимися. В четвертой четверти - потоки замедляющиеся, что будет создавать предпосылки для аккумуляции загрязняющих веществ.

Рисунок 15 – Соотношение показателей Kh и Kv для их нормирования Учет соотношения горизонтальной и вертикальной кривизны для вычисления нормированного Кv и Кh значения Р1,2 предлагается осуществлять по следующее формуле :

где Кvi, Кhi - горизонтальная и вертикальная кривизна в конкретной ячейки Grid модели;

Кh max, Кv – максимальное значение горизонтальной и вертикальной кривизны;

Кh min, Кv – минимальное значение горизонтальной и вертикальной кривизны.

нормирующего показателя Р1 = 1, а в точке минимальному значению А - Р1 = 0.

Для зон депрессий нормированный показатель предлагается вычислять по формуле 1 а для зон дисперсий по формуле 2.

где Dmax – максимальное значение депрессии;

Dmin – минимальное значение депрессии.

где Smax – максимальное значение зоны дисперсии;

Smin – минимальное значение зоны дисперсии.

показатель определяется для каждого элемента Grid – модели. Для вычисления интегрального показателя Иэзр предлагается следующая формула:

где Pi – нормированные показатели;

n – количество анализируемых показателей.

Значения интегрального показателя получаются в диапазоне значений 0 Иэзр 1, при этом большее значение индекса соответствует менее диапазоны градаций показаны в таблице 2.

Таблица Анализ пространственного распределения и количественных соотношений этих характеристик обеспечивает необходимые и достаточные сведения для выделения и идентификации проблемных зон с точки зрения формирования экологической обстановки.

Технологическая цепочка применения программных средств для выполнения морфометрического анализа рельефа представлена на рисунке 16.

Проведен обзор наиболее распространенных геоинформационных систем с позиций возможностей реализации предложенных положений по анализу рельефа. Сделан вывод, что полный набор необходимых инструментальных средств имеется в Arc GIS. Но с учетом других параметров, в частности, ее высокой цены и недоступности многим бюджетным организациям, для проведения исследований выбрана ГИС «Карта» (ЗАО «Панорама») и ГИС ЭКО, разработанная Шарым П.А.

Для реализации каждого этапа требуется выбор технологических решений, заключающийся в определении параметров и процедур обработки конкретных данных.

Для формирования ЦМР на начальном этапе определяются источники и форма представления исходных данных о рельефе, а также способ восстановления ЦМР. Исходя из специфики задач анализа территориального комплекса и функциональных особенностей выбранных ГИС, установлено, что целесообразно применять математические модели, дискретные матрицы высот которых формируются на основе топографических данных в виде Grid-модели. В качестве альтернативы в отдельных случаях могут применяться и радарные высотные данные SRTM.

Для повышения адекватности модели поверхности при использовании топографических карт рекомендуется осуществлять сбор данных не только путем оцифровки горизонталей, но и по заранее намеченным структурным линиям тальвегов, водоразделов, линиям максимальной и нулевой кривизны склонов и обрывов.

Рисунок 16 – Технологическая цепочка применения программных средств для выполнения морфометрического анализа рельефа Такой набор исходных точек позволяет построить ЦМР, морфологически согласованную с гидрографической сетью. Кроме того отметки, набранные по линиям кривизн склонов, позволяют при восстановлении поверхности избежать нежелательного «эффекта террас», т.е. искажения геоморфологической ситуации, возникающей за счет более плотного расположения дискретных точек по линиям горизонталей в сравнении с расстоянием между ними.

Следующим этапом после сбора данных является восстановление модели поверхности. В ГИС реализованы различные способы решения этой задачи, среди них: интерполяция на основе триангуляции Делоне; средневзвешенная интерполяция; кригинг и др. Выбор способа определяется с учетом специфики форм рельефа исследуемой территории Важным параметром является разрешение GRID-модели рекомендовать шаг сетки, соответствующий среднему расстоянию между горизонталями на исходной карте.

На следующем этапе проверяется точность построенной модели. На точность влияют три основных фактора: выбор интерполяционной функции, вид используемых исходных данных и шаг сетки ЦМР.

трудоемкости получение больших массивов информации о рельефе, в тоже время это не всегда гарантирует необходимое качество и адекватность построенной модели. Поэтому, кроме стандартных приемов оценки точности, предлагается использовать построенную вспомогательную векторную карту потоков (морфоизографов). Ее изображение, совмещенное с 3D-моделью рельефа, позволяет выявлять неоднозначные места отображения поверхности и для корректировки модели набирать дополнительные точки. Оценка осуществляется по разностям, показывающим отклонение значений высот полученной модели от исходных снятых с топокарты.

Зачастую требования по точности ЦМР можно удовлетворить, создавая модели на основе цифровых топографических карт соответствующего масштаба, содержащих информацию о рельефе в виде изолиний, отметок высот, отметок урезов воды и т.п. Процесс создания модели рельефа (в триангуляционном или матричном виде) по цифровым данным такого типа в настоящее время хорошо изучен, реализован во многих ГИС-пакетах [38, 62, 114]. Однако очевидно, что качество и точность получаемой модели определяется качеством, точностью и особенностями представления исходных цифровых данных – изолиний, отметок высот и т.п.

После оценки качества построенной ЦМР приступают к морфометрическому анализу, в результате которого получается ряд геоинформационных слоев, отражающих особенности территории. Анализ поверхности проходит в два этапа.

На первом осуществляется обобщенный анализ территории, определяются основные морфометрические характеристики, которые могут быть получены непосредственно по ЦМР, в частности, высоты поверхности в каждой точке, статистические показатели распределения высоты, распределение крутизны склонов. Статистический анализ этих данных позволяет выделять участки, схожие по морфометрическим показателям.

Оценить особенности и охарактеризовать рельеф позволяет построение трехмерных изображений.

Трехмерное моделирование позволяет с одной стороны оценивать качество построенной модели и выполнять ее коррекцию, с другой – повысить информативность, за счет наличия третьего измерения, и наглядность.

Традиционные топокарты тоже содержат информацию о третьем измерении (о высоте) в виде горизонталей, подписанных отметок характерных точек местности и отдельных элементов ситуации, но форма затрудняет ее интерпретацию.

Например, при анализе информации с двумерных карт мозг должен сначала построить концептуальную модель рельефа и местности, прежде чем принять какое-либо решение. Эта задача может оказаться довольно сложной, даже для тренированного человека, например, при работе с картографическими материалами на сложные территории.

Трехмерное отображение симулирует пространственную реальность, позволяя наблюдателю более быстро оценивать и понимать ситуацию. В каждой точке 3D – модели можно определить количественные показатели высоту и др [120].

информация о функциональной структуре города. Для этого используются прежде всего имеющуюся информацию о территориальном планировании, об источниках загрязнения, а также ДДЗ, тематические слои, отражающие особенности сложившейся инфраструктуры города. Анализ тематических слоев с учетом И эзр, позволяет оценивать экологические условия формируемые техногенным воздействиями, распространению которых способствуют особенности рельефа.

технологические решения для реализации морфометрического анализа позволяют учитывать особенности рельефа городской территории для оценки его влияния на формирования экологических условий земельных участков.

Новые методические подходы заключаются в следующем:

рациональным сочетанием возможностей различных программных средств;

– обобщенный анализ морфометрических показателей позволяет учесть влияние рельефа путем вычисления индекса экологической значимости рельефа;

– интеграция тематической информации о структуре города и особенностей морфометрических характеристик рельефа позволяет оценить влияние рельефа на формирование экологических условий городских земель для последующего совершенствования организации мониторинга городских земель.

Основные выводы второго раздела:

информационном обеспечении мониторинга городских земель.

городской территории как фактора формирования экологической обстановки и организации мониторинга земель средствами ГИС.

Они включают базовые научно-методические принципы морфометрического разработанных подходов.

Предложен индекс экологической значимости рельефа, вычисляемый по морфометрическим показателям.

Реализации технологических решений средствами ГИС обеспечивает:

– комплексный морфометрический анализ территории за счет рационального сочетания разных программных средств;

– построение карты морфоизогипс и трехмерной визуализации ЦМР и ее производных моделей обеспечивает объективность анализа рельефа;

– возможность интеграции тематической информации о городской среде с геоинформационными моделями, отражающими особенности рельефа.

3 МОРФОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕРРИТОРИИ Г. НОВОСИБИРСКА И

ЕГО ОКРЕСТНОСТЕЙ

3.1 Формирование ЦМР на территорию г. Новосибирска и его окрестностей в среде ГИС Панорама Границы исследуемой территории выбирались исходя из следующих географических предпосылок. Город Новосибирск расположен на Приобском плато в долине реки Обь и Иня, включая малые реки: Каменка, Ельцовка - 1, Ельцовка - 2, Плющиха, Камышенка, Иня, Тула, Нижняя Ельцовка [81].

В пределах водосборов малых рек действует ряд факторов способствующих формированию негативной экологической ситуации в городе, это:

– сильная расчлененность территории города руслами врезанных малых рек и сетью оврагов;

– высокий уровень водной эрозии по берегам рек и оврагов;

– залегание под городской территорией палеозойских гранитоидов, обусловило высокую радоноопасность территории и высокий радиационный фон;

– исторически сложившаяся нерациональность функционального зонирования городской территории;

– высокий уровень загрязнения атмосферы выбросами автомобильного транспорта и ТЭЦ;

– сток в сторону жилых кварталов от свалок и сельскохозяйственных предприятий расположенных за чертой города на положительных уклонах.

Поэтому анализировалась не только территория города, но и его окрестности, включающие водосборные бассейны малых рек.

Исходя из возможностей цифрового моделирования рельефа и его анализа для экспериментальных исследований, выбраны ГИС «Карта» ЗАО «Панорама» и ГИС «ЭКО», разработанная Шарым П. А.

Рисунок 17 - Основные этапы технологии формирования и анализа ЦМР Основные этапы технологии создания ЦМР и анализа рельефа представлены на рисунке 17.

Основные этапы технологии:

1. Подготовка растровых карт в границах рамок номенклатурных листов масштаба 1: 25 000 в формате МАР на всю территорию (сканирование бумажных литооттисков карт и последующая привязка к системе координат).

В качестве исходных данных использовались литооттиски топографических карт масштаба 1:25 000 в черте города с отображением рельефа горизонталями с высотой сечения рельефа через 2,5 м. Окрестности оцифровывались по картам масштаба 1:100 000. Общая площадь оцифрованной территории составила порядка 20 тыс.км2.

2. Привязка и исключение деформации растровых карт.

Привязка растра включает создание заготовок «пустых» листов карт по координатам углов рамок трапеций с километровой сеткой координат. Далее на пустой лист карты загружался отсканированный растр и привязывался по рамкам номенклатурного листа и узлам координатной сетки, с целью исключения влияния нелинейной деформации бумажной основы, учета погрешности сканирующего устройства и ошибок, возникающих при объединении растров малого формата (например АЗ) в общий файл, использовались измерения по узлам координатной километровой сетки.

3. Оцифровка горизонталей выполнялась в соответствии требованиями инструкции по сбору информации ГИС «Карта» [37].

4. Построение матрицы высот рельефа.

После оцифровки горизонталей и характерных участков рельефа формируется матрица высот. Матрица высот имеет регулярную структуру и содержит элементы, значениями которых являются высоты рельефа местности.

Матрица высот содержит значения абсолютных отметок местности.

ГИС «Панорама» предлагает широкий спектр способов построения матрицы формировалась методом средневзвешенной интерполяции по 8 направлениям с шагом сетки 20 метров.

Размер шага определялся результатом визуального и количественного анализа среднего расстояния между горизонталями на исходных картах.

В общей сложности матрица содержит 5034811 точек с абсолютными отметками.

5. Автоматический и визуальный контроль и редактирование матрицы высот по 3D – модели.

После построения матрицы высот производится визуальный контроль при этом используется 3D режим. Просматриваются объекты гидрографии и оценивается их положение в рельефе и т.д. В случае обнаружения неточности возможно внесение корректировок в матрицу высот для достижения требуемой точности.

6. Корректировка ЦМР с учетом потоковой структуры.

После формирования матрицы высот и визуальной оценки модели, отображенной в виде трехмерной поверхности, на топооснову в интерактивном режиме наносились морфоизографы, подчеркивающие систему сети тальвегов и направление скатов по главным уклонам водоразделов. Кроме того дополнительно набирались топологически согласованные высотные отметки в характерных точках рельефа.

7. Окончательная матрица высот строилась с учетом всех данных, что обеспечило построение адекватной цифровой модели поверхности. Выполнение этих процессов позволило сформировать ЦМР рельефа территории и его окрестностей.

3.2 Оценка точности построения ЦМР Точность элементов матрицы высот — одна из характеристик качества построения ЦМР, отражающая близость к нулю погрешности результатов измерения и апроксимации. Следует отметить, что о повышении качества измерений всегда говорят термином «увеличить точность» — притом, что величина, характеризующая точность, при этом должна уменьшиться [50].

Окончательная оценка точности построения ЦМР осуществлялась по разности абсолютных высот точек ( Z Z К ), выбираемых практически случайно из расчета 3-4 точки на квадратный километр площади. Общий объем выборки элементов Z составил 1843 точек. В качестве контрольных точек использовались подписанные на карте отметки.

Руководствуясь методикой обработки статистических данных для построения функции распределения, проверки согласия и т.д, [29, 96] данные выборки были упорядочены в вариационный ряд и по формуле Стерджесса сгруппированы по 12 интервалам (смотри таблицу 3).

где m – число интервалов;

Рассчитана групповая частота элементов распределения выборки по интервалам, а также относительная частота.

По значениям относительной частоты построен график плотности вероятности распределения, показанный на рисунке 18, 19.

Анализ частотного распределения элементов выборки показал соответствие закону нормального распределения рисунок 18, а следовательно данные выборки репрезентативны и можно надеяться с вероятностью 0,95, что вычисляемые статистические параметры объективно характеризуют точность результатов построения ЦМР на город Новосибирск.

Значение средней арифметической величины составило 0,5 м, дисперсия 0, Суммарная ошибка с учетом погрешностей составления исходных карт, составила 1,8 м.

Рисунок 18 - График плотности вероятности распределения Таблица Рисунок 19 - Эмпирическая функция распределения 3.3 Морфометрический анализ территории г. Новосибирска и его окрестностей по ЦМР По ЦМР на территорию города и его окрестностей получены производные модели, отображающие морфометрические показатели и проведен их совместный пространственный анализ. Гипсометрическое отображение рельефа показано на рисунке 20.

Результатом статистического анализа ЦМР является гистограмма распределения высот (рисунок 20. б) в пределах города и его окрестностей. Она позволила выделить в рельефе три основных высотных интервала от уреза воды в р. Обь от 90 до 150 м; от 150 до 220 м и от 220 до 280 м. Максимальная отметка находится за пределами города и равна 278 м (Сокурская возвышенность), а минимальная высота 89,5 м (урез реки Обь). Средняя высота составляет 152 м.