14. ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ИНВЕНТАРИЗАЦИИ ЛЕСОВ

14.1. Значение ГИС в лесном комплексе

Стремительное проникновение современных информационных технологий во все отрасли экономики, в том числе и в лесное хозяйство, обусловлено быстрым ростом первичной информации и появлением персональных компьютеров, компьютерных сетей и информационных систем. В этой связи особое значение приобрели геоинформационные системы (ГИС).

ГИС – это автоматизированная информационная система, предназначенная для обработки пространственно-временных данных, основой интеграции которых служит географическая информация.

В литературе содержатся и иные определения рассматриваемого термина.

Возможности современных ГИС-технологий в лесном хозяйстве и особенно в лесоустройстве значительно шире отраслевых автоматизированных систем управления производством (ОАСУ-лесхоз). ГИСтехнологии автоматизируют процесс изучения, анализа и прогноза объектов лесных сообществ. Актуальными их направлениями являются:

а) поиск и рациональное использование лесных ресурсов; б) обеспечение устойчивого управления лесами, территориальное и

отраслевое планирование и ведение лесного хозяйства и других отраслей экономики, связанных с лесными ресурсами;

в) мониторинг экологического состояния лесных территорий, оценка техногенных и антропогенных воздействий на природную среду и их последствий;

г) ведение лесного кадастра, сертификация лесопользования; д) научные исследования в лесном хозяйстве и др.

Разработки ГИС в нашей стране начались более 30 лет назад, но бурное развитие их произошло за последние 10 лет.

Рассмотрим на отдельных примерах применение ГИС-технологий в современном лесном хозяйстве.

Планово-картографические материалы лесоустройства. Вслед-

ствие приведения многих лесов России в известность из года в год сокращаются объемы геодезических работ, все шире в качестве основы используются планшеты и картографические материалы прошлых лесоустройств на бумажных носителях. Практика показывает, насколько резко теряются показатели точности бумажных карт со временем. Тех-

369

нология работы с аэрофотоснимками остается на уровне 50-х годов прошлого столетия. Применение традиционной технологии не обеспечивает точность планово-картографических материалов лесоустройства. В то же время средства современных ГИС позволяют автоматизировать методы построения цифровых лесных карт с использованием стереофотограмметрического дешифрирования аэрокосмических изображений и геодезических измерений, совмещать их с любыми картографическими материалами, резко увеличивать производительность геодезических работ с использованием методов геопозиционирования и электронной тахеометрии, вводящих данные непосредственно в ГИС, и т.д., не говоря уже о возможностях полиграфических комплексов на ПК в соединении с ГИС.

Непрерывная инвентаризация лесов. Как уже отмечалось ранее,

лесоустройство создает в настоящее время повыдельный банк данных по лесному фонду лесничества на ЭВМ, в котором совмещены картографическая и таксационная информация по каждому выделу.

Наличие специальных программных комплексов позволяет использовать ГИС-технологии для решения ряда задач по актуализации базы данных лесного фонда по направлениям:

а) учет текущих изменений в лесном фонде по категориям земель; б) корректировка данных учета лесного фонда лесничества;

в) обновление таксационной характеристики выделов под влиянием естественного роста леса и с учетом проведенных лесохозяйственных мероприятий;

г) текущее и перспективное планирование мероприятий по лесовосстановлению, рубкам ухода, охране и защите леса, лесопользованию;

д) актуализация лесоучетных данных по передаваемым в аренду и концессии территориям лесного фонда и контроль за выполнением арендаторами условий договора.

В зоне интенсивного ведения лесного хозяйства и лесопользования отмеченная выше работа проводится ежегодно. Учет текущих изменений в лесном фонде в зоне экстенсивных форм ведения хозяйства осуществляется на основе дистанционного зондирования через 5…10 лет.

Управление лесным хозяйством. Регулярная работа с бумажными картами и пространственный анализ лесного фонда в лесхозе затруднены не только вследствие ограниченной информации, находящейся на планшетах и планах лесонасаждений, но и их физического старения. Обычная карта отступает на второй план перед познавательной и кон- структивно-аналитической деятельностью в компьютерной системе, в которой пространственная визуализация данных (тем или иным спосо-

370

бом отобранных в базе данных в результате запросов) служит посредником в диалоге между пользователем и ЭВМ. «ЭВМ-карты» сохраняют заложенную при их создании информативность, точность и могут многократно репродуцироваться (в том числе и на бумажные носители) без потери качества, отличаются от традиционных картографических произведений отсутствием избыточности, неопределенности, наличием возможности корректного перехода к другим плановокартографическим материалам, а также аэрофотоснимкам, другим изображениям и т.п. Они являются инструментом пространственноструктурного анализа не только данных по лесному фонду, но и ряда других признаков (наличия и удаленности от дорог населенных пунктов, рельефа местности и проходимости, наличия речной и болотной систем, почв и сельскохозяйственных угодий и т.д.). Наличие функций материально-денежной оценки лесосек, банков данных материальнотехнических ресурсов, комплекса программ планирования – отчетности хозяйственной деятельности, работающих на единой совмещенной базе данных ресурсов лесного фонда, позволит автоматизировать документооборот. Таким образом, применение ГИС обеспечит специалистам лесного хозяйства не только выполнение анализа пространственных таксационных данных, но и объективную поддержку принимаемых решений по проведению и оптимизации практических лесохозяйственных мероприятий, а также и контроль их качества.

В геоинформационных системах приняты специфические термины и понятия.

Карта – это набор информационных слоев с определенными сведениями (первый слой – границы объекта; второй – гидрография; третий слой – преобладающие породы и т.д.).

Слой – совокупность данных, отражающая определенные характеристики, свойства и особенности объекта. Слои подразделяются на векторные, представляющие объект на местности в виде геометрических единиц (точка, линия, полигон), и растровые – электронные изображения местности (например, информация на аэрофотоснимках о лесном фонде).

Объект – совокупность векторного слоя и информации, занесенной в базу данных. Последние классифицируются на пространственные (координаты, их типы, способы отображения) и атрибутивные (например, таксационная характеристика выдела).

371

14.2. Основные принципы создания ГИС для лесного хозяйства

Задачи сбора, хранения и использования данных о состоянии лесных ресурсов, их рационального использования всегда связаны с интеграцией и синтезом разнородной картографической и фактографической информации. Источником первой из них могут быть топокарты, аэрокосмические снимки, сканерные изображения. Вторую группу сведений представляют банки данных о лесном фонде (БД), отчеты о полевых и научных работах, научные публикации и т.п. При наполнении ГИС всю эту разнородную информацию нужно перевести в цифровую форму (или получить ее тем или иным способом в цифровой форме) и объединить на основе общей пространственно идентифицирующей информации.

Цифровые карты часто изготавливаются независимо от их дальнейшего использования в ГИС. С другой стороны, фактографический материал накапливается в различных базах данных (в различных вычислительных средах и компьютерах) также без учета использования в ГИС, что может существенно затруднять создание ГИС.

Именно такое положение характерно для лесного хозяйства. При изготовлении лесоустроительных планшетов, планов лесонасаждений, картосхем лесонасаждений в лесоустроительных предприятиях и в других подразделениях отрасли создаются цифровые карты с использованием самых разнообразных программно-аппаратных средств. Независимо от этого здесь же накапливаются банки данных на каждый пространственный выдел, причем в других программных средах. Поэтому реальные трудности возникают при связывании существующих картографических и лесотаксационных БД. Эти вопросы можно решать несколькими путями, в зависимости от того, какой подход выбирается при организации совместного хранения и использования картографических и тематических баз данных в ГИС.

Наиболее очевидный подход – это хранение картографических и атрибутных данных в виде единого набора данных, управляемого одной специализированной системой управления базами данных (СУБД). Однако это накладывает ряд особых требований на специализированную СУБД, которые не удается учесть сразу, а ряд из них в полном объеме выполнить в одной разработке вообще невозможно. Этот подход требует также наличия конверторов для передачи данных в ГИС из ранее созданных и поддерживающихся банков данных. В результате приходится разрабатывать их для передачи картографических материалов (поскольку оцифровка, как правило, также выполняется в совершенно разных

372

графических средах и ГИС), а также для передачи атрибутных данных из коммерческих СУБД.

Другой подход основан на раздельном хранении картографических и фактографических данных в двух независимых информационных системах и разработке программных средств динамического обмена данными между ними. Несмотря на возникающие трудности с быстродействием, применение таких систем оправдано тем, что к моменту начала создания ГИС тематические базы данных уже функционируют, и стоит задача добавления картографической подсистемы к уже существующей информационной базе. Вследствие этого в настоящее время практически все серьезные ГИС, разработанные даже на платформах графических рабочих станций, имеют интерфейсы связи с различными коммерческими СУБД.

Таким образом, программное обеспечение ГИС не может и не должно заменять широкие возможности создания прикладных информационных систем, которые предоставляют современные универсальные СУБД. Наиболее перспективный путь – гибкая интеграция систем управления картографическими и фактографическими базами данных. Для этого необходимо гарантировать взаимодействие между подсистемами (не на уровне примитивного форматного импорта-экспорта данных, как это делают обычно), используя управление на языковом уровне таким образом, чтобы расширить лингвистическое обеспечение СУБД для картографической базы данных. При создании проблемноориентированного приложения наиболее целесообразно использовать универсальный картографический интерфейс, не зависящий от конкретной СУБД. В этом случае БД выполняют основную роль по формированию и обработке запросов, ведению, поддержанию тематических баз данных. Создание, редактирование, хранение и обработка базовых карт в этом случае может проводиться также во внешних независимых специализированных графических редакторах, наиболее подходящих для того или иного конкретного случая.

Для создания информационной системы федерального уровня на базе данных Государственного учета лесного фонда (ГУЛФ) должны использоваться идентификационные коды «субъект Федерации – лесхоз».

Идентифицирующая информация может принимать различные формы, и часто ее несогласованность приводит к невозможности автоматически связывать объекты цифровой карты и баз данных. Ручная коррекция ошибок может быть достаточно сложной при большом количестве сведений. Это характерно для материалов и баз данных, имеющихся в лесном хозяйстве, поскольку все они создаются независимо и несвязно

373

друг с другом. Так, кодирование субъектов Российской Федерации в системе ГУЛФ выполнено в алфавитном порядке с использованием четырехразрядного кода, а при цифровании границ административных единиц (областей, краев, республик и т.д.) принят двухразрядный код с использованием другой нумерации. Причем оба кода не имеют ничего общего с государственной кодировкой административного деления бывшей РСФСР. Еще более сложно откорректировать идентификацию для лесхозов. Они имеют различную кодировку в базах данных ГУЛФ, системе обработки лесоустроительной информации СОЛИ-2, СОЛИ-3, картографических базах границ лесхозов и различающиеся названия в разных базах. Их списки не совпадают практически ни по одному региону. Но, самое главное, границы между лесничествами не являются постоянными и могут достаточно быстро изменяться. Для оперативного учета этого необходимо проведение специальной работы по отслеживанию изменений границ и названий.

При создании лесных карт и изучении состояния лесных ресурсов приходится пользоваться различными материалами: от крупномасштабных топографических и сложных тематических карт до примитивных картосхем и карт обзорных масштабов, аэрокосмическими фотоснимками различных масштабов, сканерными изображениями в разных диапазонах и т.д. К этому добавляются материалы геодезических работ, проводящихся при лесоустроительных и землеустроительных работах. Для получения корректных результатов необходимо, чтобы все пространственные данные были приведены к единой системе координат с учетом проекций, искажений и уровня генерализации.

Перечень масштабов лесных карт, способы и порядок их составления регламентируются утвержденными отраслевыми документами.

В современных ГИС имеется возможность достаточно просто переходить от одного масштаба к другим с помощью различных средств. Практически во всех графических редакторах имеются средства увели- чения-уменьшения масштаба картографического изображения на экране дисплея: это так называемая «лупа» («zoom»), действующая с преобразованием по выбранной рамке, по заданному цифровым способом масштабу изменения изображения либо с автоматизированной генерализацией изображения. Карты в близких (по градации) масштабах легко привести в единый масштаб. Это относится даже к картам в разных проекциях – в различных ГИС имеются средства для пересчета из одной проекции в другие. Но в любом случае эти средства дают только ту информацию и с той точностью, которая была обеспечена при введении карты.

374

Кроме того, в некоторых системах реализованы возможности перехода из одного масштаба в другой, как это, например, делается в гипертекстовых справочных системах. На карте более мелкого масштаба выбирается интересующий объект, и по запросу происходит загрузка карты более крупного масштаба на этот объект, как правило, полигон. В нашем случае можно последовательно опускаться на все более крупный и детальный масштаб: карта лесов России – область – лесхоз – лесничество – планшет.

При разработке ГИС управления лесным хозяйством наиболее перспективно выделение средств визуализации в настраиваемый интерфейс, обеспечивающий разработку различных стилей графического представления независимых от организации картографических и фактографических баз данных.

Основные задачи картографического интерфейса как компонента ГИС – построение картографического изображения по информации, поступающей из картографической и повыдельной БД, т.е. пространственная визуализация информации, а также обеспечение доступа к объектам этих БД, т.е. пространственные запросы. Такой запрос должен обеспечить возможность указывать, отбирать и получать доступ к данным, манипулируя непосредственно графическими образами на экране дисплея.

Для того чтобы пользователь-эксперт мог сам свободно разрабатывать свой язык карты как знаковую систему, необходимо методы изображения картографических данных сделать независимыми от пространственных данных.

Это позволяет одно и то же содержание пространственных данных многократно использовать для построения разных картографических произведений в соответствии с поставленными задачами. В графическом интерфейсе это достигается за счет возможностей произвольного составления легенды и ее палитры, возможностей цветового (и тонового) отображения, наложения различных штриховок, применения различных типов линий, а также внемасштабных знаков и текста (семантики) и некоторых других приемов. Причем перестройка правил визуализации данных производится самим экспертом-пользователем с помощью простой системы меню.

Таким образом, требования к изображению картографических образов как знаковой модели для представления конечных результатов могут быть совсем другие, чем для создания, хранения и обработки цифровых карт в ГИС.

375

Для представления породного состава выдела можно использовать комбинирование цвета и узоров заполнения (заливки) полигонов (выделов). Картографический интерфейс должен не только обеспечивать построение изображения картографических объектов в соответствии с их характеристиками из фактографической БД. Он должен иметь доступ к данным обеих баз, взаимодействуя с объектами с помощью пространственных запросов. Так, задавая произвольный замкнутый контур на изображении планшета лесоустройства, выделяем (высвечиваем) те выделы, которые он охватывает, например, решая задачи отвода лесосек в рубку. Коды, соответствующие этим выделам, поступают в систему управления фактографической БД, где производятся расчеты запасов древесины, материально-денежной оценки лесосеки и любых других интегральных характеристик, основанных на лесотаксационных материалах интересующего участка территории. Кроме того, средствами ГИС можно получить разнообразную информацию о географических особенностях расположения данной территории: удаленность от населенных пунктов (людских ресурсов, перевалочных баз и техники), дорог и коммуникаций; характер местности; особенности почвенного покрова (рельеф, заболоченность и пр.) и др. Статистический анализ свойств данного участка по отношению ко всей территории лесничества позволяет оперативно оценить возможность проведения различных хозяйственных мероприятий. Еще более важна оперативность и доступность широкого спектра информации при разработке мероприятий, направленных на смягчение или ликвидацию последствий негативных стихийных природных и антропогенных воздействий на лесные насаждения (пожары, вредители и болезни, ветровалы, самовольные рубки и т.д.).

Обеспечение доступа одновременно к обеим базам данных очень важно также с точки зрения актуализации картографической и таксационной информации, внесения синхронных изменений в них.

ГИС-технологии обеспечивают представление информации как для оформления картографического документа, так и для картографического анализа и моделирования.

Для реализации информационной поддержки управленческих решений необходимо обеспечить прогнозирование ситуации на разных уровнях агрегации данных в соответствии с уровнями управления лесным хозяйством. Поэтому информационные комплексы должны включать прогнозные модули на основе методов математического моделирования, экспертных систем, систем поддержки принятия решений. Иерархия моделей динамики лесных насаждений должна включать, как минимум, три уровня: а) расчет динамики пространственного распределения

376

сложных по составу и разных возрастов древостоев на выделах с учетом лесохозяйственной деятельности; б) расчет динамики лесного фонда лесничества с поквартальной агрегацией данных; в) региональная модель с уровнем агрегации данных по лесничествам, учитывающая многолетнюю динамику эколого-эдафических условий. Главные требования

– модели должны использовать для своей работы в качестве исходных данных стандартную информацию, получаемую в лесном хозяйстве, быть легко настраиваемыми на конкретные физико-географические условия и иметь дружественный интерфейс.

Базовую информацию в лесном хозяйстве России создают лесоустроительные предприятия, которые на основе дешифрирования аэрофотоснимков, полевых экспедиционных работ, материалов геодезической съемки и топографических карт изготавливают планшеты и другие лесные карты, а также лесотаксационные базы данных. На основе этих материалов лесоустроительные предприятия разрабатывают проект ведения лесного хозяйства конкретной территории. В лесхозе выполняются все запроектированные мероприятия по рубкам различного пользования, лесовосстановлению и т.п., при производстве которых меняются характеристики лесного фонда. Для практической реализации лесохозяйственной деятельности на этом уровне необходимо иметь систему, позволяющую: во-первых, осуществлять всевозможные запросы и их визуализацию с выдачей картографических и других документов для производства работ; во-вторых, вносить текущие изменения в ГИС; в-третьих, готовить отчетные документы как по атрибутным, так и картографическим данным. Лесхоз собственными силами проводит актуализацию баз таксационных и картографических данных на основе существующей ГИС конечного пользователя. По мере развития материальнотехнической и методологической базы лесхозов производится переход на автоматизированные методы актуализации совмещенных информационных систем и лесных карт с использованием средств геопозиционирования.

Одновременно полный программный комплекс по каждому лесхозу вводится в соответствующее региональное управление лесным хозяйством. В связи с этим понятным становится необходимость жестко стандартизировать входные-выходные форматы баз данных и ГИС – без этого создать единую информационную систему управления лесами субъекта Федерации будет чрезвычайно сложно. На уровне региональных управлений лесами осуществляется планирование стратегии развития и управления лесными ресурсами, а также контроль (мониторинг) происходящих изменений лесного фонда. Таким образом, в дополнение

377