Изучение растительности с использованием геоинформационных технологий (на примере Ставрополья)

О ЗЕНЯЕ

ИЗУЧЕНИЕ РАСТИТЕЛЬНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Е. А. Скрипчинская, Д. В. Олейникова

VEGETATION STUDY WITH USE OF GEO-INFORMATIONAL TECHNOLOGIES

Skripchinskay E. A., Oleynikova D. V.

The possibilities of using geo-informational technologies for the construction of an electronic atlas of rare and endangered kinds of plants in Stavropol Territory and the use of GIS-in resource-study investigations of medicinal herbs of the Stavropol Highland are considered in the article.

Key words: geographical information systems, geographical databases, an electronic atlas, re-source-study investigations, rare and endangered kinds of plants, kinds of medicinal herbs.

В статье рассмотрены возможности использования геоинформационных технологий для создания электронного атласа редких и исчезающих видов растений Ставропольского края, а также применения ГИС-технологий в ресурсовед-ческих исследованиях лекарственных видов растений Ставропольской возвышенности.

Ключевые слова: географические информационные системы, географические базы данных, электронный атлас, ресурсоведческие исследования, редкие и исчезающие виды растений, лекарственные виды растений.

УДК 502.758:912.44

Сохранение биологического разнообразия видов растений и животных - одна из актуальных задач современности. Данной проблематике отводится немало места в концепции перехода Российской Федерации на модель устойчивого развития. Сокращение биологического разнообразия представляет серьезную угрозу для жизни человеческой популяции. Одним из аспектов решения данного вопроса является создание баз данных не только по дикорастущим исчезающим видам растений, но и активно используемых в хозяйственной деятельности человека. Создание электронных банков данных для инвентаризации, мониторинга и пространственного анализа представляется возможным для решения вышеуказанной проблемы.

Территория Ставропольского края -уникальный природный комплекс, где встречается несколько природных зон: лесостепи, степи и полупустыни. Степень распа-ханности территории края составляет почти 70%, доля кормовых угодий - 30%. В связи с высокими показателями антропогенного освоения актуализируется вопрос о сохранении растительного покрова в целом и редких и исчезающих видов растений, в частности. Наиболее сохранные участки приурочены к неудобъям, но и они изменены неконтролируемым выпасом. Решение задач сохранности вызывает насущную потребность срочной инвентаризации нынешнего состояния местообитаний редких и исчезающих видов растений.

Современные геоинформационные технологии во всем мире, в том числе и России,

Е. А. Скрипчинская, Д. В. Олейникова Изучение растительности с использованием геоинформационных технологий.

разрабатываются, внедряются и используются в различных отраслях науки и практики. Геоинформационные технологии являются неотъемлемой частью географических информационных систем (ГИС). Географические информационные системы - это набор компьютерного оборудования, географических данных и программного обеспечения для сбора, обработки, хранения, моделирования, анализа и отображения всех видов пространственно привязанной информации. ГИС - это и среда, которая связывает географическую информацию с атрибутивной (описательной). Одним из преимуществ использования ГИС является создание электронных карт, представляющих для пользователя множество слоев разнообразной общегеографической и тематической информации.

Из всего разнообразия коммерческих ГИС выгодно отличается программный продукт фирмы Б8Ы. Это профессиональная ГИС, позволяющая проводить комплексный пространственный анализ и геообработку больших массивов данных. Наиболее важным преимуществом использованием данной ГИС является возможность публикации создаваемых электронных карт с использованием модуля АгсРиЬ^Ьег и просмотра их в бесплатном геовьювере ArcReader. Он обеспечивает удобные средства массового просмотра, анализа и распечатки файлов публикуемых карт. Однако средств создания и публикации файлов карт, а также инструментов их редактирования он не имеет. Таким образом, создание географических баз данных как хранилища атрибутивной информации, электронных карт на их основе и реализация с использованием бесплатного геовьювера является перспективным для целей исследования растительности.

Наиболее актуальная задача в геобота-нических и ресурсоведческих исследованиях - точное определение местоположений изучаемых сообществ или отдельных видов растений. Несмотря на то что к настоящему времени накоплен большой объем разнообразных данных, значительная часть из них представлена в виде текстовых описаний. Сами текстовые описания часто не отвечают

жестким требованиям пространственного анализа. Зачастую в описании указывается местоположение, характеризующее территории площадью в несколько сотен гектар, что не позволяет однозначно интерпретировать местонахождение исследуемого объекта. Для решения данной проблемы нами предлагается создание персональных географических баз данных, где в качестве топографической основы выступают не только векторные слои традиционных электронных карт, но и непосредственно сами топографические карты масштаба 1:100000, а также космические снимки Landsat 7 ETM+ и Landsat 5 TM. Подобное разнообразие материалов дистанционного зондирования необходимо для выявления особенностей территории, более точного определения местоположений. Немаловажным фактом является и дата получения подобных материалов. В работе сканера спутника Landsat ETM+ после 2003 года произошел сбой, из-за чего съемка осуществляется с пропусками участков местности. Несмотря на это, спутник продолжает работать и передавать информацию. Спутник Landsat 5 TM работает на орбите и по сей день, но вследствие особенностей сканера передает снимки с разрешением 30 м, что позволяет создавать карты масштаба 1:200000.

Таким образом, материалами, позволяющими наиболее точно определить местоположение исследуемого объекта, являются топографические карты и космические снимки. Весьма важным параметром выступает пространственная регистрация вышеуказанных материалов. Территория Ставропольского края располагается на стыке картографических зон проекций Гаусса-Крюгера Пулково 1942 и WGS84 - 37 и 38. Так как большая часть края располагается в 38 зоне, было принято решение о «привязке» всех картматериалов в проекции WGS 84, zona 38. Именно эта проекция отвечает космоснимкам, часть из которых конвертировалась из 37 зоны в 38.

Рассмотрим использование географических баз данных при изучении редких, исчезающих и лекарственных видов растений Ставрополья. Информационной базой для

создаваемого атласа выступает Красная книга Ставропольского края (2), Альбом ареалов редких и исчезающих видов растений, а также литературные источники. На первом этапе были выбраны карты, явившиеся цифровой картографической основой, о чем было сказано ранее. Особую сложность вызвал подбор геоботанической карты, так как зачастую они представляют из себя картосхемы. В итоге для электронного атласа были выбраны: карта растительности (1) и карта-схема В. Г. Танфильева (3).

На втором этапе осуществлялся перевод в электронную форму данных Альбома ареалов редких и исчезающих видов растений. Предпочтение было отдано именно этому источнику в связи с приемлемым уровнем точности данных, тогда как из Красной книги Ставропольского края выбирались преимущественно текстовые описания местонахождений видов. Из многочисленных литературных источников нами использовались в основном текстовые описания. Для каждого вида растений создавался отдельный векторный слой в программе Лг-cGIS 9.1, на который геометрическими примитивами (точками) наносились местообитания. Создание отдельных слоев необходимо для повышения качества принимаемых решений по их охране. Подобный подход позволил дифференцированно подойти к рассмотрению лимитирующих факторов для каждого вида и выработке принятия решений по его сохранению. Для повышения эффективности анализа распространения видов растений, были подготовлены тематические карты, отражающие степень распаханности Ставропольского края, транспортное освоение, туристические маршруты, построение буферных зон вокруг населенных пунктов, а также карты особо охраняемых территорий разного ранга.

Основным ядром атласа является персональная база геоданных, созданная в среде MS Access, формат *.mdb. Данный формат позволил создать не только базу данных на основании материалов Красной книги Ставропольского края, но впоследствии загрузить туда пространственную информацию.

Подробнее остановимся на атрибутивной составляющей формируемой базы геоданных.

Центральной таблицей созданной базы данных выступает таблица «Вид», структура которой соответствует описанию редкого вида растения в Красной книге. Это результирующая таблица, связывающая каждый вид растения с его характеристиками. Основной единицей информации в базе данных выступает именно вид растения. Такие его характеристики, как отдел, семейство, род, название вида (латинское), русское название, синонимы, статус, охранная категория, меры охраны, автор вида, составитель статьи о виде в Красной книге, лимитирующие факторы и источники информации нами были положены в основу созданных классификаторов. В таблице «Вид» большинство полей имеют числовой тип и связаны с классификаторами на основе их идентификаторов. Поля типа МЕМО характеризуют краткое описание вида, его экологию и биологию, а также распространение.

Нами на основании исходных данных были разработаны классификаторы, играющие важную роль при работе с базой данных как на стадии ее заполнения, так и в процессе работы с ней. Разработанные классификаторы можно разделить на три категории: с двуязычными именами объектов (отдел, семейство), что необходимо для точной идентификации вида растения. К этой же группе можно отнести и классификаторы, описывающие статус и охранную категорию (см. рис.). Данные характеристики видов растений легко классифицируются, так как имеют по 5 типов. Вторую категорию образуют классификаторы, характеризующие синонимы названий вида и рода (латинские), русское название и авторство описания вида. В данной категории можно выделить простую структуру классификатора: ГО и его описание. К третьей группе классификаторов можно отнести так называемые таблицы связи. Они были созданы для таких показателей, как: лимитирующие факторы, источники информации и меры охраны. Данные характеристики в Красной книге представлены весьма разнообразно, поэтому на основании анализа была проведена их классифи-

м

ШЕ. А. Скрипчинская, Д. В. Олейникова

Изучение растительности с использованием геоинформационных технологий.

кация. Так для лимитирующих факторов составлен классификатор из 46 записей, для источников информации из 104 записей, для мер охраны из 41 записи. Таблицы связи взаимоувязывают данные из таблицы «Рус-ские_названия» и одну из вышеназванных таблиц, при этом тип связи характеризуется как «многие-ко-многим». Таким образом, нами была подготовлена база данных, содержащая все атрибутивные характеристики из Красной книги, необходимые для отражения на картах.

На третьем, заключительном, этапе была произведена конвертация отдельных слоев в общую пространственную географическую базу данных. Впоследствии в созданную геобазу вводилась дополнительная информация в виде растровых (фотографии видов растений и их местообитаний) и текстовых (разнообразные описания вида) данных. Подобный подход позволил сделать

созданную базу данных универсальной для пользователей, не обладающих навыками работы с геоинформационными системами, и повысить ее информативность.

В настоящее время подготовлена информация (картографические, фотографические и текстовые материалы) по 43 видам таких родов, как Astragalus, Galanthus, Iris, Tulipa и др. Создаваемый электронный атлас позволяет объединить данные, хранящиеся в различных форматах в единое целое, т. е. наиболее полно отобразить информацию о каждом биологическом виде. В дальнейшем предполагается расширение базы данных -включение в атлас всех видов растений, подлежащих охране в Ставропольском крае. Их 309, в том числе 284 - покрытосеменные. Это позволит расширить спектр тематических карт, создаваемых с использованием геоинформационных технологий.

Рисунок. Физическая схема базы данных

Для изучения ресурсов лекарственных растений создана географическая база данных, включающая 170 участков, где возможна промышленная заготовка для таких видов, как душица, зверобой, девясил, подорожник, тысячелистник и чабрец. В качестве атрибутивной информации выступили данные об учетах надземной и подземной биомассы вышеуказанных видов. Полученные сведения послужили основой для создания электронной карты запасов сырья лекарственных растений. Путем формирования точечного слоя местонахождения лекарственных видов растений был создан векторный слой, отражающий пространственное положение исследуемых объектов. Методом интерполяции были созданы тематические карты, отражающие биологический и эксплуатационный запасы, а также объемы ежегодных заготовок в пределах Ставропольской возвышенности. Аппарат запросов позволил рассчитать значения вышеуказанных показателей по ландшафтам Ставропольской возвышенности. На основании космических снимков и тематических карт (1) были выделены участки сенокосов и пастбищ, именно в пределах которых возмож-

ЛИТЕРАТУРА

1. Атлас земель Ставропольского края / Комитет по земельным ресурсам и землеустройству Ставропольского края. - Ставрополь, 2000.

2. Красная книга Ставропольского края. Т. 1: Растения / под ред. А. Л. Иванова. - Ставрополь: Полиграфсервис, 2002.

3. Танфильев В. Г. Растительность Ставропольского края // Известия СевероКавказского научного центра высшей школы. Сер. Естественные науки. - 1973. -№ 3. - С. 38-43.

на промышленная заготовка лекарственных растений. Пространственные данные послужили основой для расчета средневзвешенных по площади значений ежегодных заготовок и построения методом «градуированных цветов» тематических карт.

Таким образом, образованная единая картографическая основа позволила сформировать географические базы данных редких и исчезающих видов растений Ставропольского края, а также электронную базу данных для видов лекарственных растений ландшафтов Ставропольской возвышенности. Все созданные электронные карты и базы данных опубликованы нами для просмотра и работы в бесплатном геовьювере ArcReader, что достаточно важно для многих бюджетных и некоммерческих организаций. Сформированные базы данных могут явиться основой для мониторинга популяций лекарственных, редких и исчезающих видов растений. Методика использованных ГИС-технологий может быть применима в любом регионе для различных практически значимых растений, в том числе подлежащих охране.

Об авторах

Скрипчинская Евгения Андреевна, ГОУ ВПО

«Ставропольский государственный университет», кандидат географических наук, доцент кафедры физической географии. Сфера научных интересов - биотика ландшафтов, геоботаника, растительные ресурсы, географические информационные системы.

Ron1975@list.ru

Олейникова Дина Вячеславовна, ГОУ ВПО

«Ставропольский государственный университет», кандидат географических наук, доцент кафедры физической географии. Сфера научных интересов - ландшафтоведение, биотика ландшафта, геоботаника, травянистая растительность высокогорий.

О dina@mail.ru