С. Кривоногов, О. Лебедева, В. Дементьев, Е. Вишневская, А. Девятова
Новосибирский региональный центр геоинформационных технологий (НРЦГИТ СО РАН), Эл. почта: carpos@uiggm.nsc.ru
Начавшееся в 1970-х годах усыхание Аральского озера-моря привело к разрушению его экосистемы и катастрофически ухудшило жизнь местного населения. Арал признан зоной экологического бедствия.
На поиск путей решения ландшафтно-экологических, экономических, социальных и медико-биологических аспектов проблемы Арала нацелены большие научные силы, общественные и правительственные программы. Все они рассматривают ситуацию в этом регионе как уникальное, кризисное событие. Многие считают, что понижение уровня связано с неумеренным изъятием воды рек Сырдарьи и Амударьи на орошение. В то же время, геологические данные свидетельствуют о неоднократных колебаниях уровня Аральского моря в прошлом. То есть, у колебаний уровня Арала есть природная составляющая, хотя, возможно, она совпадала с пиками развития земледелия, вызывала экологические кризисы и на других этапах развития среднеазиатской цивилизации.
Проект ИНТАС (CLIMAN)
Проект «Голоценовые изменения климата и эволюция расселения человека в бассейне Аральского моря» (CLIMAN, 2002-2004 гг.) нацелен на выяснение естественноисторических закономерностей развития Аральского региона: изменений климата и экосистемы озера, их влияния на расселение и миграцию населения. В этом проекте принимают участие геологи, палеоклиматологи, лимнологи и археологи из Германии, Англии, Швейцарии, России, Казахстана и Узбекистана.
ГИС-группа проекта представлена сотрудниками НРЦГИТ СО РАН. Группа состоит из 5 человек — специалистов в цифровой картографии, моделировании рельефа, дистанционном зондировании, управлении данными. Рассматриваемое далее геоинформационное обеспечение проекта включает в себя:
- Создание базы пространственных данных;
- Построение цифровой модели рельефа (ЦМР);
- Моделирование изменений уровня Арала;
- Создание базы тематических данных;
- Интернет-сервис данных;
- Веб-сайт проекта.
База пространственных данных создана в течение первого полугодия проекта и содержит следующие виды картографической и космической информации:
- Слои Цифровой карты мира масштаба 1:1 000 000 в формате ArcView. Данные могут использоваться как обзорная карта, топооснова для составления отчетов, карт фактического материала и т.п. Слои могут совмещаться с другими видами информации, тематических данных и данных дистанционного зондирования (ДДЗ) для получения картографических композиций.
- Топографические карты в масштабе 1:200 000. Пятьдесят четыре листа карт, оригиналы которых хранятся в публичной библиотеке г. Берлина, были отсканированы немецкими партнерами по проекту (GFZ, Potsdam). Геометрическая коррекция и привязка к системе координат Гаусса-Крюгера выполнены в Новосибирске. Карты являются базовыми для геоморфологических и археологических исследований региона, проведения экспедиционных работ.
- Лоцманские карты Аральского моря масштаба 1:200 000 получены в отсканированном виде от ЦКП ВМФ РФ, Санкт-Петербург. Нашей задачей является перевод батиметрической информации с цифровых копий архивных экземпляров оригиналов в векторный формат для дальнейшего ее использования при построении ЦМР.
- Космоснимки MODIS с пространственным разрешением 250 м дают обзорное изображение Аральского региона. Поскольку в проекте мы не работаем с многозональными данными, для наших целей подошли синтезированные RGB-изображения с псевдореальной цветопередачей земной поверхности, размещенные на сайте http://visibleearth.nasa.gov. В коллекции 10 снимков 2001-2002 гг. Изображения были подвергнуты геометрической коррекции и приведены к проекции Поперечная Меркатора.
- Космоснимки РЕСУРС МСУ-СК с разрешением около 160 м приобретены в ИТЦ СканЭкс. При геометрической коррекции этих снимков по уже скорректированному изображению MODIS возникли трудности. В ряде мест не удалось обеспечить полное совмещение объектов: полиномиальные преобразования не справлялись с геометрическими искажениями космоснимков. В базе данных имеется три фрагмента на разные территории.
- Космоснимки ASTER Level 1B. Девяносто одна сцена снимков 2001 г. бесплатно получена по запросу в базу данных NASA. Данные отличаются чрезвычайно высоким качеством и не требуют дополнительной подготовки. Картографические композиции снимков ASTER использовались во время экспедиций 2002 г. для наземных геоморфологических и археологических исследований. Для целей геоморфологии предполагается также использовать стереоканалы космоснимков.
- Космоснимки Landsat 7. В базах данных Геологической службы США найдено 106 изображений на нужную территорию. Хотя необходимость в закупке отпала, в базу данных проекта помещена метаинформация об этих материалов, а из уменьшенных изображений (разрешение около 180 м) сделаны мозаики, показывающих состояние Аральского региона в 1999-2001 гг.
База данных занимает 10 лазерных дисков и 19 CD с данными ASTER. Данные в основном представлены растровыми изображениями (карты и спутниковая информация). Векторные файлы хранятся в shape-формате. Для подготовки растровых данных использовалась программа ENVI 3.5. Затем данные конвертировались в формат TIF, поддерживаемый многими программными продуктами. Информация о проекции хранится в файле-заголовке ENVI, а TFW-файл обеспечивает геопривязку карт в системах типа ArcView. Помимо геокодированных карт и снимков, в базе данных хранятся подготовленные для печати варианты в формате JPG.
Рис. 1. Бассейн Аральского моря. Рельеф с отмывкой, данные ESRI Data & Maps CD.
Рис. 2. Картографическая композиция из космоснимка MODIS (14.06.2001) и слоев DCW.
Доступ к метаинформации организован через стандартный Интернет-браузер. HTML-страницы описывают структуру каждого типа данных и позволяют выйти на их свойства (метаданные и изображения) через связанные документы. Кроме того, обеспечена картографическая поддержка системы метаинформации с использованием Java-апплета jMapper (разработка НРЦГИТ). Выбранная форма организации базы метаданных позволяет обеспечить к ней как локальный (с CD), так и удаленный (через Интернет) доступ.
Построение ЦМР является одним из ключевых моментов выполнения проекта. Цифровая модель рельефа позволяет, исходя из установленного или предполагаемого уровня воды, моделировать любые состояния озера, определять положение береговой линии, площадь, объем воды. Эти материалы предполагается связать с результатами реконструкции состояний озера по данным анализа его отложений. Также появится возможность проверить геоморфологические и археологические гипотезы. Фактически мы сможем воссоздавать размеры Аральского моря прошлых эпох по единичным (точечным) указаниям о его уровне.
В отличие от проектов прошлых лет (например, http://giserv.karelia.ru/aral/index.htm), в которых строилась ЦМР самого моря (по навигационной карте масштаба 1:500 000), нам необходима модель как дна моря, так и обширной окружающей территории, включая дельты Амударьи и Сырдарьи. ЦМР создается на основе информации о рельефе с топографических карт и батиметрии с лоцманских карт масштаба 1:200 000. В настоящее время ведется оцифровка этих данных и подготовка их для использования в ArcInfo.
Моделирование изменений уровня Арала с использованием построенной ЦМР будет проводиться по мере накопления участниками проекта картографической, исторической, геологической и археологической информации.
Нами собраны сведения об изменениях размеров Аральского моря за последние 150 лет. Первая карта Аральского моря, составленная на основе геодезических измерений, относится к 1848-1849 гг. (экспедиция А.И. Бутакова). Последующие уточнения делались во время съемок и экспедиций Тифлисского (1875 г.) и Оренбургского (1880-е) военных штабов. Академик Л.С. Берг длительное время собирал информацию об изменениях уровня Арала, ее анализ опубликован в нескольких трудах. Имеется также ряд публикаций ученых советского периода. Метастабильное состояние Аральского моря в середине XX века показано на лоцманских картах (1960 г.), а после появления ДДЗ изменения состояния стали регистрироваться и публиковаться практически ежегодно. Собранные материалы свидетельствуют о неуклонном снижении уровня Арала в последние 150 лет.
Археологические и геологические данные позволят получить свидетельства о более древних эпохах. Так, существуют карты расположения археологических находок разных возрастов, которые будут уточнены работами наших специалистов. ГИС поможет выполнить пространственный и временной анализ этого массива данных. Увязав их с геологическими свидетельствами, мы получим информацию о вероятном уровне озера в ту или иную историческую эпоху.
Сведения о более древних этапах развития Арала дают геоморфологические исследования и результаты анализа отложений озера. Очевидно, что по мере удаления в геологическое прошлое точность реконструкции уровней моря падает.
Рис. 3. Стадии отступания берега Аральского моря на снимке ASTER, 2001 год.
Рис. 4. Признаки более высоких уровней Аральского моря в голоцене видны на снимке MODIS (12.06.2002): 1- береговая линия 1960 г.; 2- береговая линия 2000 г.; 3- дельты Амударьи и Сырдарьи; 4- следы древних береговых линий; 5- области прибрежных дюн в полосе осушки.
Рис. 5. Метаданные по космоснимкам ASTER, интерфейс программы сетевого картографического сервиса jMapper.
Создание базы тематических данных, накапливаемых в ходе выполнения проекта, требует разработки стандартов хранения данных и структуры самой базы. Поскольку полученные данные будут передаваться в международные банки данных, такие как PANGAEA и Word Data Bank A for Paleoclimatology, целесообразно в наиболее полной мере использовать стандарты и структуры, предлагаемые этими хранилищами. Однако это не исключает разработки собственных стандартов, если того потребуют принципы организации и сервиса нашей базы данных.
База данных Аральского проекта будет состоять из разнородных и по-разному формализуемых данных. Поэтому на первом этапе мы формируем многодокументную иерархически структурированную базу данных с гипертекстовыми связями между ее частями. Для этого оптимально подходит html-протокол, расширенный возможностями Java-скриптов и других языков программирования для Интернета.
Собранный в экспедициях большой геологический и археологический материал сейчас обрабатывается тематическими специалистами. В августе 2002 г. исследователями из Казани и Потсдама в разных частях Аральского моря из пробуренных скважин были получены непрерывные колонки морских осадков длиной до 12 м. Их анализ позволит получить информацию о палеообстановках Арала и изменениях климата.
Сетевой сервис геологических данных является одной из задач проекта. Он включает в себя сервис картографических данных, данных дистанционного зондирования и тематических (атрибутивных) данных. Для публикации в Интернете картографических данных предполагается использовать разработку НРЦГИТ (автор И.И. Болдырев) — jMapper. Эта программа разработана с использованием архитектуры «толстый клиент» и представляет собой Java-апплет. Картографические данные передаются на клиентскую машину в виде zip архивов. Программа работает с файлами dbf- и shp-форматов, то есть непосредственно использует данные, подготовленные в ArcView. Программа позволяет обращаться к атрибутам показанных на карте объектов и, используя «гиперссылки», переходить к другим документам, связанным с этими объектами. Реализация этой функции позволяет легко встроить сетевой картографический сервис в описанную выше структуру базы данных.
Web-сайт проекта (www.giscenter.ru/carpos/climan) создан в феврале 2002 г. Участники проекта, понимая его важность как хранилища информации по проекту, серьезно отнеслись к вопросам Интернет-сервиса данных и информационной безопасности. Также возникла потребность в зеркальном сайте, он будет размещен на сервере GFZ в Потсдаме. В настоящее время сайт существенно переработан.
Таким образом, реализация проекта CLIMAN в значительной степени зависит от успешной работы ГИС-группы, осуществляющей не только сервисные, но и аналитические, исследовательские функции.