Світличний О.О., Чорний С.Г.
Основи ерозієзнавства

Ерозієзнавство і геоінформаційні технології

Геоінформаційні технології як сукупність засобів і методів автоматизованого збору, зберігання, маніпулювання, аналізу і відображєння (подання) просторової інформації, що знайшли якнайповніше втілення в сучасних інструментальних ГІС, знаходять усе більш широке застосування в різних сферах людської діяльності (Светличный и др., 1997; Світличний, Плотницький, 2006). Ерозійні процеси мають просторовий розподіл як чинників, що їх обумовлюють, так і наслідків прояву і засобів боротьби з ними. У зв'язку з цим геоінформаційні технології надають ерозієзнавству ефективний інструмент досліджень, оцінки та прогнозу.

Напрямки застосування геоінформаційних технологій в ерозієзнавстві охоплюють практично весь спектр їх загальних функцій – моніторингу, інформаційно-довідкову, автоматизованого картографування, просторово-часового аналізу та моделювання і створення просторових систем підтримки прийняття рішень у плануванні, проектуванні та управлінні.

Функція геоінформаційних технологій з моніторингу процесів і явищ у природних і природно-господарських територіальних системах реалізується головним чином шляхом комп'ютерної обробки даних дистанційного зондування Землі (аеро- і космозйомки) і геоінформаційного польового картографування. Функції обробки даних дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) в наш час реалізується в багатьох комерційних ГІС-пакетах універсального призначення (таких як, наприклад, пакет ГІС і обробки зображень IDRISI) і в спеціалізованих пакетах обробки даних ДЗЗ, найвідомішими з яких є пакети ERDAS IMAGINE і ErMapper (США). Геоінформаційне польове картографування реалізується на основі можливостей, що надаються глобальними системами позиціонування (GPS – Global Positioning System, Глобальна система місцевизначення) – американською NAVSTAR або російською ГЛОНАСС – з використанням спеціальних GPS-приймачів і мобільних комп'ютерів із встановленими на них спеціалізованими ГІС-пакетами (такими, як, наприклад, пакет ArcPad компанії ESRI).

Інформаційно-довідкова функція геоінформаційних технологій реалізується в створенні і веденні автоматизованих банків просторово-розподілених (картографічних) даних, які характеризують природну і антропогенну компоненти ерозійної системи агроландшафтів території досліджень, моніторингу або проектування. З використанням геоінформаційних технологій просторові (картографічні) дані розчленовуються на однорідні шари (рельєф, генетичні різновиди грунту, гранулометричний склад грунтів, еродованість грунту, просторова структура землекористування, сівозміни, протиерозійні заходи та ін.) і вводяться до комп'ютера у вигляді електронних файлів з використанням растрової (як сукупності комірок, що суцільно покривають територію) або векторної (з формалізацією просторової інформації за допомогою набору елементарних графічних об'єктів – точки, лінії, сегмента та полігона) моделей просторових даних. Сучасні інструментальні ГІС (комерційні ГІС-пакети) дозволяють здійснювати редагування і оновлення інформації, формувати нові шари даних на основі комбінації або перетворення існуючих, а також їх відображення на екрані та (або) у вигляді твердої копії у дво- або тривимірному поданні.

Для управління масивами просторової інформації до складу сучасних інструментальних ГІС включені спеціалізовані модулі, що забезпечують залучення для роботи з просторовими даними комерційних систем керування базами даних (СКБД). Зокрема, до складу сімейства ГІС-пакетів ArcGIS фірми ESRI (США) входить пакет ArcSDE (Arc Spatial Database Engine), який забезпечує роботу з просторовою інформацією через комерційні реляційні системи керування базами даних, у тому числі Oracle8i, Огас1е9і, MS SQL Server, Informix і DB2.

Ще один перспективний напрямок застосування геоінформаційних технологій в ерозієзнавстві – забезпечення автоматизації ерозійного картографування, який передбачає підготовку і публікацію традиційних карт еродованості грунтового покриву, протиерозійних заходів тощо, що задовольняють сучасні вимоги до картографічної продукції, а також створення різноманітних тематичних картограм та картодіаграм.

Зазначимо, що в тематичному картографуванні геоінформаційні технології відкрили якісно нові можливості. Це, наприклад, створення електронних комп'ютерних карт з можливістю інтерактивного зчитування інформації з карти і зміни її як оформлення, так і змісту з використанням складних аналітичних алгоритмів (інтерактивність довідкова, оформлювальна і розрахунково-аналітична); створення за допомогою алгоритмів комп'ютерної графіки тематичних карт, які вручну виконати практично неможливо (наприклад, відображення на картограмі ступеня ерозійної небезпеки кількістю точок на одиниці площі); підключення до електронних тематичних карт звуку і відеозображення, використання анімації тощо (Світли- чний, Плотницький, 2006).

Вище вже було визначено, що всі фактори ерозійних процесів, мають просторово-розподілений характер, тому геоінформаційні технології нині є в ерозієзнавстві найбільш адекватним інструментом просторового аналізу і просторово-часового моделювання. У першу чергу це стосується моделювання ерозійних процесів або їх наслідків як інструмента оцінки ерозійної небезпеки, прогнозу темпів ерозійного руйнування грунту і протиерозійного проектування. Інструментом просторово-часового моделювання в ГІС-пакетах з розвиненими аналітичними можливостями (IDRISI, PCRaster, ARC/INFO, ArcGIS, MGE, GRASS та ін.) є так звана картографічна алгебра (Map Algebra), розроблена Ч.Д. Томліном (1983). Вона дозволяє виконувати арифметичні, алгебраїчні, логічні та комбіновані операції з просторовою інформацією, формалізованою з використанням растрової моделі даних і, таким чином, просторово реалізовувати обчислювальні алгоритми практично будь-якої складності.

Прикладами просторово-розподілених ерозійних моделей, реалізованих з використанням геоінформаційних технологій, є, зокрема, Лімбурзька модель водної ерозії грунту (Limburg Soil Erosion Model – LISEM), розроблена в Університеті м. Утрехту (Нідерланди) з використанням можливостей пакета просторового моделювання PCRaster (De Roo et al., 1994), просторова реалізація модифікованого варіанта логіко-математичної моделі змиву грунту Г.І. Швебса, виконана з використанням пакета PCRaster в Одеському державному університеті ім. 1.1. Мечникова (Світличний, 1995), просторова реалізація Модифікованого універсального рівняння втрат грунту (RUSLE), виконана у Львівському національному університеті ім. Івана Франка з використанням пакетів Arc View 3.2 та ArcGIS 8.0 (Ямелинець, 2003).

Найширше можливості геоінформаційних технологій в ерозієзнавстві можуть бути реалізовані при розробці й експлуатації просторових систем підтримки рішень у протиерозійному проектуванні або управлінні. Під системами підтримки рішень (СПР, в англомовній літературі DSS – Decision Support Systems) звичайно розуміють комп'ютерні системи, що забезпечують функції аналізу, оцінки, прогнозу явищ і (або) процесів та ухвалення рішень у деякій наочній сфері.

Проте зазначимо, що в багатьох випадках на практиці, у тому числі в ерозієзнавстві, як системи підтримки рішень розглядаються інтегровані комп'ютерні системи, що містять систему програмно-реалізованих моделей, банк довідкової інформації і банк даних. Аналіз же і оцінка результатів імітаційного або оптимізаційного моделювання виконуються поза системою кваліфікованим експертом або групою експертів.

Геоінформаційні технології дозволяють на всіх етапах розробки систем підтримки рішень – від моніторингу і створення банків даних до методів аналізу, моделей прогнозу і процедур формально-логічного ухвалення рішень – перейти від операції з усередненими по території характеристиками природних і антропогенних компонентів ерозійної системи агроландшафту до розгляду всієї їх складної просторової диференціації з можливістю ухвалення рішення по кожному елементу території з урахуванням його унікальних особливостей, тобто перейти до просторових систем підтримки рішень – ПСПР (SDSS – Spatial Decision Support Systems в англомовній літературі).

Питання і завдання для самоконтролю

  1. Дайте загальну характеристику методів досліджень в ерозієзнавстві.
  2. У чому полягає суть ландшафтного підходу як методологічного фундаменту ерозієзнавства?
  3. Що являє собою моделювання як метод дослідження складних систем? Яка роль моделювання в ерозієзнавстві?
  4. Охарактеризуйте особливості використання фізичного, математичного та імітаційного моделювання в ерозієзнавстві.
  5. Дайте характеристику польових методів ерозіознавчих досліджень, які пов'язані з дослідженням результатів ерозійного процесу.
  6. Опишіть польові методи ерозіознавчих досліджень, що пов'язані з безпосереднім вимірюванням твердого стоку.
  7. Які лабораторні методи використовуються для вивчення ерозії грунтів?
  8. У чому полягає методологія та головні методи вивчення еродованих грунтів?
  9. Дайте характеристику дистанційних методів досліджень та моніторингу еродованих грунтів.
  10. Яку роль відіграють в ерозієзнавстві геоінформаційні технології?