Новые подходы к геоэкологическому анализу и прогнозу антропогенной трансформации ландшафтов Крыма

Лычак А.И. (e-mail: lychak1@rambler.ru), Бобра Т.В. (e-mail: tvbobra@mail.ru); Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского, г. Симферополь

A new approach to geoecological analysis and prediction of anthropogenic transformation of the Crimean landscapes

Рассматривается новый подход к геоинформационному моделированию антропогенной трансформации ландшафтных комплексов на примере Крыма. В его основе лежат оверлейный анализ пространственной структуры картографических геоинформационных моделей современных ландшафтов, метод анализа информационных градиентов и концепция антропогенной экотонизации.

Современный этап развития географической оболочки характеризуется высокой степенью ее преобразованности вследствие человеческой деятельности. Практически все естественные ландшафтные системы или изменены, или находятся в определенной стадии антропогенной трансформации. Наблюдается повсеместное отклонение состояния современных ландшафтных геосистем от естественной нормы. Вертикальная структура и биоценотический состав большинства ландшафтных комплексов в настоящее время не соответствует природным физико-географическим условиям и параметрам, генетически определяющим их экологическую нишу и норму естественной экологической регуляции.

Антропогенное воздействие искажает ландшафтно-геофизические и ландшафтно-геохимические поля, смещая границы диапазонов естественных экологических условий существования и динамики ландшафтных систем. В связи с этим, становится все труднее и труднее определить естественные фоновые значения состояния окружающей человека среды.

Решение многих задачи территориального планирования, экологического мониторинга, территориального управления, охраны и использования природных ресурсов часто зависит не только от способов выбора элементарных операционных единиц, но и от системы методов их геоэкологического оценивания. Речь идет как об оценке их экологического состояния, так и о системах социально-экономического, в том числе и стоимостного оценивания, системах субъектных оценок пригодности для различных видов хозяйственного использования территории.

Традиционные методы морфогенетического ландшафтного картографирования территории в настоящее время не способны полностью удовлетворить растущие потребности в области информационного обеспечения всех вышеизложенных задач, поскольку опираются на довольно статичную парадигму. А состояние и условия окружающей среды изменяются быстрее темпов перестроения состава внутриландшафтных компонентов. Поэтому о закономерной структурно-функциональной связи и внутренней однородности многих ландшафтных комплексов говорить уже не приходится. В большинстве случаев мы имеем дело с разбалансированными (находящимися за пределами своих экологических диапазонов существования) геосистемами. По сути, мы имеем дело с полиструктурными, полиморфными, порой слабо связанными и неустойчивыми географическими образованиями, структура и функционирование которых во многом определяются деятельностью человека.

Одним из важнейших показателей антропогенной трансформации ландшафтов является их антропогенная экотонизация. Антропогенная экотонизация рассматривается нами как процесс дробления изначально относительно однородных (в генетико-морфологическом и структурно-функциональном отношении) ландшафтных комплексов на более мелкие сегменты-патерны антропогенного происхождения [1 – 4].

Целью данного исследования являлось построение карты современных ландшафтов Крыма с последующей оценкой антропогенной трансформации естественных ландшафтов на основе концепции антропогенной экотонизации.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• изучена структура землепользования и определены основные виды использования земель Крыма;
• построены карты современного использования территории Крыма и современных ландшафтов Крыма;
• выявлены и проанализированы факторы трансформации ландшафтов, осуществлена экспертная бальная оценка степени их влияния на территорию;
• проведено дешифрирование серии мультиспектральных космических снимков различного разрешения с последующим картографированием структуры землепользования;
• выполнено геоинформационное математико-картографическое моделирование территории Крыма с применением информационно-градиентного подхода и использованием компьютерного симулятора – SWAT-модели;
• построен ряд ландшафтно-геофизических и ландшафтно-геохимических карт, характеризующих современное состояние ландшафтов Крыма;
• построены карты естественной и антропогенной экотонизации методом расчета приращения информационных градиентов на единицу площади по регулярной сетке 5х5 км;
• проведена полевая верификация и калибровка рассчитанной модели антропогенной экотонизации;
• осуществлена оценка антропогенной трансформации ландшафтов Крыма.

Методология и методика проведенного исследования опиралась на теоретико-методологические положения, разработанные в отечественной географии, картографии, дистанционном зондировании, геоинформатике, ландшафтоведении и ландшафтной экологии. Для решения поставленных задач использовалось следующее информационно-географическое обеспечение и источники:

1. Фондовые материалы (схемы землеустройства сельскохозяйственных предприятий, расположенных на территории Автономной Республики Крым).
2. Данные социально-экономической статистики о
   • современном состоянии основных отраслей сельскохозяйственного производства (растениеводство, птицеводство, овцеводство, выращивание крупного рогатого скота и пр.);
   • современном состоянии основных отраслей промышленного производства региона;
   • состоянии поверхностных и подземных вод региона;
   • современном использовании региона в рекреационных целях;
   • характеристиках охотничьих хозяйств.
3. Материалы полевых исследований
   • контуры растительных сообществ, нанесенные на внутрихозяйственные схемы землеустройства сельскохозяйственных предприятий;
   • данные системы кадастровых точек (заложенные с помощью GPS-приемников) для создания геоинформационной базы данных;
   • геоботанические описания растительности, данные количественных и качественных учетов фауны.
4. Современное ГИС обеспечение и другие технологии
   • программные продукты Esri (ArcGIS 9.3; ArcView 3.2 a), предоставляющие широкие возможности по сбору, хранению и пространственно-временному анализу географических данных;
   • данные дистанционного зондирования Земли – космические снимки Landsat 7-ETM;
   • цифровые электронные карты Крыма;
   • прибор наземного позиционирования (eTrex Venture GARMIN).

Для составления схемы современного использования территории, карт биотопического деления, современного растительного покрова, распределения различных видов животных и их отдельных таксономических групп, для выявления территорий, перспективных для различных видов деятельности (в том числе и для организации объектов ПЗФ), использовался следующий алгоритм.

1. В процессе экспедиционных исследований на внутрихозяйственные схемы землепользования наносились контуры растительных сообществ, включающие основные типы растительности: степные, луговые, солончаки, гидрофильные и т.д. С помощью GPS-приемника уточнялись границы различных биотопов, закладывались площадки или кадастровые точки, координаты которых также определялись с помощью GPS. Одной из составляющих полевых исследований являлось составление полного флористического и фаунистического списка.
2. Камеральная обработка. Для анализа территории Крыма были обработаны космические снимки Landsat 7 – ETM и выполнено их дешифрирование. С учетом особенностей территории и на основе Земельного Кодекса разрабатывался классификатор типов современного использования территории. С использованием космического снимка и схем внутрихозяйственного землеустройства создавалась схема современного использования территории. С этой схемой увязывались контуры растительных сообществ, полученные при экспедиционных исследованиях и нанесенные на космические снимки. На основании классификатора ландшафтных выделов для кадастровых точек был разработан бланк учета, в котором отражались их характеристики по ряду параметров: рельеф, почвы, биотопическая изученность, тип растительности, степень нарушенности и т.д. Затем, опираясь на ландшафтную карту Крыма (Гришанков, 1974), путем оверлейного совмещения карты современного использования территории была построена карта «Современных ландшафтов Крыма» (рис. 1).

Рис. 1. Карта современных ландшафтов Крыма.

После этого, на основе расчёта количества ландшафтных выделов на единицу площади (по сетке 5х5 км) по карте восстановленных ландшафтов и по карте современных ландшафтов, были построены карты естественной и антропогенной экотонизации. В основе построения этих карт лежит метод расчета максимального приращения информационных градиентов на единицу площади.

Карта антропогенной экотонизации отражает степень антропогенной трансформации ландшафтов Крыма (рис. 2). По сути, эта карта является геоинформационной моделью, хотя и требует дальнейшей калибровки и повышения точности. Но уже на этом этапе моделирования можно констатировать, что она является хорошей основой для дальнейшего прогнозного моделирования трансформации ландшафтных комплексов путем компьютерной симуляции геоэкологических ситуаций и изменений в структуре землепользования. Такие изменения, в свою очередь, во многом определяются гидроклиматическими параметрами среды.

Рис. 2. Карта антропогенной трансформации ландшафтов Крыма.

Задача прогнозного моделирования геоэкологических ситуаций требует разработки и внедрения новых интегрированных систем динамического моделирования. Наиболее разработанной и апробированной в настоящее время системой комплексного прогнозного моделирования является симулятор возможных состояний бассейновой системы – SWAT(Soil and Water Assessment Tool). Эта модель получила признание во всем мире как наиболее эффективный и научно-обоснованный инструмент описания, прогноза и оценки состояния почвенной и гидрологической составляющей в состоянии современных ландшафтных бассейновых систем. Для построения SWAT-модели нами была рассчитана в первом приближении прогностическая модель состояния ландшафтных комплексов на территорию Крыма. Результаты расчетов представлены в виде пространственной базы данных (более 100 параметров) и могут быть визуализированы средствами ArcGIS. Примеры визуализации данных прогноза приведены на рис. 3.

Рис. 3. Примеры визуализации данных прогноза различных показателей, характеризующих состояние современных ландшафтов Крыма в условиях их антропогенной трансформации.

Таким образом, результаты симуляционного прогнозирования ландшафтных параметров позволяют нам перейти от качественных оценок (установление экспертным путем баллов оценки) к количественным показателям состояния ландшафтных комплексов с учетом их антропогенной трансформации. Предложенный подход является лишь первым шагом на пути геоинформационной формализации критериев и параметров геоэкологического оценивания и прогноза трансформации структуры ландшафтных комплексов.

Литература

1. Бобра Т.В. К вопросу о сущности экотонов и экотонизации геопространства. // Материалы конференции «Ландшафты и геоэкологические проблемы Днестровско-Прутского региона», 15-18 декабря, Черновцы, 2005, С. 95-99.
2. Бобра Т.В., Лычак А.И. Единая ГИС Черного моря. Проект EnviroGRIDS 7 рамочной программы Европейского союза в Черноморском бассейне и современные тенденции ГИС-технологий. // Компьютерное проектирование и технический документооборот. 2010, №3, С. 16-19.
3. Бойчук В.В., Марченко А.С. Фон и вариации элементов физико-географической среды. М. Наука, 1968. – 64 с.
4. Лычак А.И., Глущенко И.В. Теоретико-методологические основы геоинформационного моделирования экологических состояний геосистем (на примере анализа лесорастительных условий в горном Крыму). // Ученые записки ТНУ. Серия География. 2003, Т 16 (55), С. 96-100.