ОПЫТ СОЗДАНИЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСИЕМЫ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ЧИСЛЕННОСТИ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПТИЦ

Юдкин В.А.

Институт систематики и экологии животных СО РАН

630091, Новосибирск, ул. Фрунзе 11

e-mail: zm3@eco.nsc.ru

 

В последнее время аббревиатура «ГИС» стала весьма модной и используется в самых различных трактовках. Поэтому необходимо изначально определиться с этим термином. Анализ многочисленных упоминаний ГИС в литературе провели В.С.Тикунов и Д.А.Цапук (1999), А так же А.К. Черкашин с соавторами (Геоинформационная система…, 2002), и пришли к выводу о том, что существует более десятка определений, но общим для всех воззрений будет отражение ГИС, как средства, инструментария решения задач в территориальном разрезе. Таким образом, ГИС – это не компьютерная картография (ДеМерс, 1999), и тем более не пакет программ для построения карт. В данном случае под геоинформационной системой понимается база данных с координатной привязкой объектов, пакет программ для обработки этих данных, набор компьютерных средств для отображения ее результатов на картах и масштабируемая система связанных между собой электронных карт.

Такая ГИС создана для решения конкретных задач мониторинга численности и распределения птиц в 15-километровой зоне аэропорта «Толмачево». Система реализована в форматах MapInfo и ArcView. Территория, на которой отслеживается численность и распределение птиц, характеризуется значительным ландшафтным разнообразием, и в тоже время невелика и легко доступна. Последние факторы очень важны для разработки и проверки методов построения карт распределения животных, поскольку всегда можно выехать на местность и проверить адекватность картографиеской модели реальному состоянию объекта. В случае с самолетоопасными птицами такие оценки особенно важны. В данной работе они выполняются способом предварительных прогнозов на территорию будущих учетных трансектов и последующей оценки совпадения прогнозных и эмпирических показателей.

Созданная геоинформационная система состоит из серии карт, атрибутивных таблиц к ним, базы предметных данных, которая хранится в части атрибутивных таблиц и таких же по структуре текстовых таблицах DOS. Обработка данных выполняется не только средствами упомянутых картографиеских пакетов, но и с использованием пакета программ Банка данных лаборатории зоомониторинга ИСиЭЖ СО РАН. Эти программы существенно расширяют возможности получения новой предметной информации.

Специалисты, создающие различные ГИС, пришли к выводу, что для успешной работы такой системы все составляющее ее электронные карты должны быть выполнены на основе единого деления территории на наименьшие единицы рассмотрения (Китов, 2000; Картография…, 1994; Китов, Черкашин, 2004). Для орнитологических карт величина таких единиц обсуждалась ранее (Юдкин, 2002б). Таким образом, в данной системе все тематические карты построены на единой основе деления территории на минимальные единицы рассмотрения – растры со стороной 2 км ( рис. 1). Для удобства ориентирования под эту карту подкладываются слои с основными элементами топоосновы. Без них все карты в своей основе представляют набор квадратов с буквенно-цифровой маркировкой (рис. 2).

Даже на такой ограниченной территории невозможно обследовать все выделенные единицы, поэтому, как и в большинстве случаев зоологического картографирования, для построения карт распределения видов использован способ, основанный на выборочных данных по обилию и на использовании функциональных связей с факторами среды [Юдкин, 2000, 2002]. Проявление факторов считывается с дистанционных материалов (аэрофото- и космические снимки). Для этого их изображения «регистрируются» в системе географических координат и совмещаются с картой деления территории на наименьшие единицы рассмотрения ( рис. 3а, выделены зеленым цветом). Для каждого фактора создается свой слой, на котором оконтуривается площадь, на которой представлены определенные условия (выделены желтым цветом). После этого выделенные контуры дополнительно «разрезаются» по границам растров. В атрибутивной таблице этого слоя имеется поле, в котором для каждого объекта (фрагмента контура, полученного в результате «разрезания») указана принадлежность его к определенному растру основной карты. Таким образом, можно выбрать все фрагменты контуров определенного фактора, находящиеся в пределах одного растра и легко вычислить их площадь ( рис. 3б). После этого отдельным слоем создается растровая карта, в атрибутивной таблице которой каждому фактору отведено отдельное поле вещественного типа, где хранится количественная информация о его проявлении в целом для каждого растра ( рис. 4). Эту информацию по всем полям для любого растра можно увидеть в информационном окне, указав на этот растр курсором «идентификации» ( рис. 5). Такие карты строятся для каждого временного среза, поскольку проявления факторов меняются.

Точно такие же по структуре таблицы хранятся и в текстовом формате DOS. Информация этих таблиц является факторной основой для прогнозирования обилия птиц на необследованную территорию. Основой прогнозирования послужила концептуальная модель неоднородности обилия птиц, сущность которой неоднократно излагалась в литературе (Юдкин, 2000, 2002а, 2002б, рис. 6). Для моделирования распределения определенного вида необходима оценка двух групп параметров: имманентной характеристики вида в данный год – уровня численности его популяции, и внешних характеристик, отражающих состояния его среды обитания. В модели первая характеристика в значительной степени отображается имманентной плотностью вида ( рис. 6, выделено красным), которая рассчитывается на основе выборочных данных. Состояние среды обитания в модели отображено серией переменных, каждая из которых характеризует проявление определенного фактора, отображенного в упомянутой таблице.

Расчеты по этому уравнению проводятся с использованием пакета программ банка данных лаборатории зоомониторинга ИСиЭЖ СО РАН. Для расчетов, хотя и с меньшим удобством, можно использовать и традиционные пакеты (например, Excel). Результаты расчетов проверяются на соответствие реальному обилию по выборочным эмпирическим даны. В отдельной таблице собраны показатели такого соответствия по каждому виду в отдельности.

В результате расчетов для каждого вида получается показатель обилия в каждой наименьшей единице. Результаты таких расчетов по всем видам для определенного временного среза сводятся в единую таблицу (рис. 7). В такой таблице для каждого вида определено отдельное поле вещественного типа, а набор и маркировка строк соответствуют таковому атрибутивной таблицы единой растровой карты. Полученная таблица из DOS переносится в формат картографического пакета (MapInfo или ArcView). При этом ее колонки добавляются в уже имеющуюся атрибутивную таблицу растровой карты, порядок строк определяется соответствующими строками атрибутивной таблицы. В результате получается новая растровая карта, атрибутами которой является обилие каждого вида в каждой наименьшей единице (рис. 8).

Эта карта является исходной орнитологической картой, на основе которой строятся серии тематических карт. В частности, по каждому полю атрибутивной таблицы средствами картографического пакета легко построить тематическую кату, отображающую неоднородность распределения соответствующего вида ( рис. 9). Под собственно тематический слой (розовым цветом) подложены основные элементы топоосновы, раскрашенные не сплошной заливкой, а легкой штриховкой. При визуальном анализе такой карты это позволяет в первую очередь отчетливо видеть предметную нагрузку. В тоже время на такой карте легко ориентироваться пользователю, поскольку одновременно хорошо просматриваются наиболее привычные для пользователя элементы топографических карт (леса, водоемы, дороги, поселки). Для определенного временного среза такие карты быстро строятся для любого интересующего вида (рис. 10).

Условия обитания птиц по годам меняются, причем некоторые факторы весьма существенно. Этому способствуют долгосрочные направленные изменения климата, межгодовые колебания погод, циклические изменения влажности на юге Западно-Сибирской равнины, а также деятельность человека. Все это приводит к изменению, и нередко существенному, пространственного распределения птиц. Кроме этого, зачастую велики и межгодовые изменения численности популяций отдельных видов, обусловленные как внутрипопуляционными причинами, так и внешними факторами вне района картирования (на путях миграций, зимовках и т.д.). Поэтому для каждого года весь процесс построения карты необходимо повторять.

Для этого имманентную плотность приходится оценивать, проводя серию выборочных учетов, а изменения условий обитания птиц – проводя сравнение результатов ДЗТ в предыдущий и анализируемый годы. При этом в начале мониторинга исходное состояние среды анализируется по результатам аэрофотосъемки высокого разрешения, что весьма дорого. Оценки же последующих изменений можно проводить на основе анализа космических снимков меньшего разрешения (рис. 11). Их приобретение требует меньших материальных затрат. В результате повторения изложенных операций с параметрами нового временного среза, получаются временные серии карт (рис. 12). На рисунке отображены карты распределения черного коршуна, вида, численность которого заметно увеличилась в 2003 году по сравнению с 2001 годом.

В атрибутивной таблице исходной орнитологической каты присутствует информация по каждому встреченному на картируемой территории видусм. рис. 7 ). Это значит, что имеется информация в целом по орнитокомплексам каждой наименьшей единицы растровой карты. Таким образом, исходная орнитологическая карта позволяет быстро получать не только карты, характеризующие отдельные виды, но и карты, отображающие интегральные характеристики орнитокомплексов. В частности, в Европе за основную величину, характеризующую степень орнитологической опасности над той или иной территорией, принята суммарная биомасса птиц. Мы же считаем, что данная характеристика не совсем корректна. Значительное количество видов средних и крупных размеров в течение большей части лета не представляют опасности из-за особенностей своего образа жизни (рябчик, глухарь, камышница, погоныш и др.). Опасны в первую очередь много летающие виды. Поэтому в качестве характеристики опасности нами принята не биомасса всех птиц, а лишь суммарная масса особей, одномоментно находящихся в полете. Для картирования этой характеристики орнитокомплексов использована исходная карта в совокупности со знаниями о средней сырой массе одной особи каждого вида и информацией, полученной в результате специальных исследований полетной активности видов. Результат этого картирования отображен в приложении на рисунке 13.

Кроме этого, все модельные варианты населения растров средствами пакета программ Банка данных классифицированы по сходству. Для проверки информативности этой классификации использованы результаты выборочных учетов птиц, которые проводились для выявления их имманентной плотности. Матрица сходства этих эмпирических вариантов населения очень близка к матрице, рассчитанной для соответствующих модельных орнитокомплексов. Последняя снимает чуть меньше 90% дисперсии коэффициентов эмпирической матрицы. Это означает, что классификация модельных вариантов населения всех растров ничем не будет отличаться от той, которая может быть получена, если в каждом растре будут проведены учеты птиц. Результат этой классификации сопоставлен с представлениями о типах населения для Западно-Сибирской Равнины (Равкин и др., 1994, 1995а,б, 2001, 2002). В результате идеализации данная классификация послужила основой для легенды карты населения птиц (рис. 14).

Следует иметь ввиду, что электронные карты в большинстве случаев отличаются от бумажных как по своему внешнему оформлению, так и по назначению. Первые могут выполнять больше функций и значительно быстрее трансформироваться. Не всегда электронная карта выполняет визуальные иллюстративные функции. В частности исходная орнитологическая карта, внешне представляющая собой лишь некую сетку (совокупность растров), совершенно не служит для иллюстраций, а является информационной основой для построения множества других карт. Производные от нее карты распределения птиц более наглядны, но тоже с затруднениями воспринимаются предметниками-биологами. Эти карты выполнены в максимально возможном крупном масштабе и в свою очередь могут быть основой для построения иллюстративных карт. В частности, их генерализация и отображение ее результатов более мелком масштабе не растровым способом, а способом количественных ареалов, делает их вид более привычным и понятным для широкого круга пользователей. На рис. 15 и 16 показан процесс генерализации  перехода от исходного масштаба 1:200000 к масштабу 1:500000 карты распределения пустельги и карты неоднородности суммарной биомассы всех птиц, одномоментно находящихся в воздухе. Последние карты целесообразнее делать и в форме твердых копий. В тоже время, они могут лишь генерализовываться и ни каким иным трансформациям не поддаются. Кроме того, любые расчеты эффективнее производить на электронных картах, причем быстрее и легче это делать на исходных растровых. Только электронные карты на единой растровой основе позволяют выполнить комплексные количественные оценки степени межгодовых изменений распределения вида.

Итак, предложенная ГИС обладает возможностью сравнительно легко выполнять периодические построения серий тематических карт при минимальных затратах на наземные полевые работы, а также создавать прогнозные карты. Подобная ГИС без существенных затрат может использоваться для мониторинга ресурсов птиц и в более мелком масштабе. Наиболее оптимальным с точки зрения отношения материальных затрат к изучаемой площади может быть отслеживание изменений численности видов на уровне субъектов федерации. Накопление подобных тематических карт, выполненных для различных участков, их сшивание и последующая генерализация позволит получить не только карты, но и новые знания о пространственных закономерностях населения животных.

 

Литература

 

Геоинформационная система управления территорией / А.К.Черкашин, А.Д.Китов, И.В.Бычков и др. –Иркутск: Издательство института географии СО РАН, 2002. -151 с.

ДеМерс М.Н. Географические Информационные Системы. Основы.: Пер. с англ. – М.: Дата+, 1999. –489 с.

Картография. Геоинформационные системы / Под ред. Берлянт А.М., Тикунов В.С. – М.: Картгеоцентр-Геодезиздат, 1994, Вып. 4. -350 с.

Китов А.Д. Компьютерный анализ и синтез геоизображений. –Новосибирск, Изд-во СО РАН, 2000. -220 с.

Китов А.Д., Черкашин А.К. Грид-структуры как инвариантная основа реализации геоинформационных систем / ИнтерГИС-10: устойчивое развитие територий: геоинформационное обеспечение и практический опыт. Материалы Международной конференции, Владивосток, Чаньчунь (КНР), 12-19 июля 2004 г. –Владивосток-Чаньчунь, 2004.  -С. 17-24.

Равкин Ю.С., Вартапетов Л.Г., Юдкин В.А. и др. Пространственно-типологическая структура и организация летнего населения птиц западносибирской равнины // Сиб. экол. журн. - 1994, Т. 1, N 4, C.   303-320.

Равкин Ю.С., Вартапетов Л.Г., Юдкин В.А. и др. Пространственно-типологическая структура и организация населения наземных позвоночных Западной Сибири (земноводные, птицы и мелкие млекопитающие) // Сибирский экологический журнал, №6, 2002. –С.735–755.

Равкин Ю.С., Вартапетов Л.Г., Юдкин В.А. и др. Территориальная неоднородность населения земноводных западносибирской равнины // Сиб. экол. журн. - 1995, Т. 2, N 2, C. 110-124.

Равкин Ю.С., Вартапетов Л.Г., Юдкин В.А. и др. Классификация летнего населения птиц Западно-Сибирской равнины // Известия АН, Серия Биологическая, май-июнь 2001, № 3. – С. 362-371.

Тикунов В.С., Цапук Д.А. Устойчивое развитие территорий: картографо-геоинформационное обеспечение. –Москва – Смоленск, Изд-во СГУ, 1999. -176 с.

Ravkin Yu. S., Vartapetov L.G., Yudkin V.A. et. al. Spatial Structure of the Amphibian Assemblages of the West Siberian Plain // Amphibian Populations in the Commonwealth of Independent States: Current Status and Declines (Editors: S.L.Kuzmin, C.D.Dodd Jr. & M.M.Pikulik). - Moscow: Pensoft, 1995. - p. 74-87.