Лаборатория геоинформационных систем
Сайт лаборатории: http://www.baikalgis.com/
На рубеже веков на смену аналоговым методикам и операциям географических исследований пришли программно-управляемые механизмы преобразования пространственных и качественно-количественных параметров земной поверхности, базирующиеся на геоинформационной технологии (ГИС-технологии). В научно-исследовательской деятельности ведущее место занял информационный подход к изучению социоприродных объектов и процессов, основанный на познании окружающего мира как феномена проявления географической информации (геоинформации) – базовой категории описания действительности.
Решение о создании специального научного подразделения, реализующего новое информационное направление географических исследований, было принято руководством БИП СО РАН по итогам комплексной проверки института в феврале 2006 г. Комиссия СО РАН после оценки результатов деятельности работы ГИС-группы вынесла рекомендацию о целесообразности организации в институте тематической научной лаборатории. Таким образом, приказом № 66 от 28.02.2006 была организована Лаборатория геоинформационных систем БИП СО РАН (www.baikalgis.com), проблемно ориентированная на создание информационных систем и баз данных на основе ГИС и WEB технологий для обеспечения междисциплинарной интеграции фундаментальных и прикладных исследований в области наук о Земле.
ЦИФРОВОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ НА БАЙКАЛЬСКОМ МЕРИДИАНЕ
«…Маргарита наклонилась к глобусу и увидела, что квадратик земли расширился,
многокрасочно расписался и превратился как бы в рельефную карту.
А затем она увидела и ленточку реки, и какое-то селение возле нее.
Домик, который был размером в горошину, разросся и стал как спичечная коробка…»
М.А. Булгаков, «Мастер и Маргарита», 1929-1936 гг.
ЧТО БЫЛО
Особенностью периода становления и развития Байкальского института природопользования СО РАН является глобальная информатизация производственных и социальных отношений. Этот процесс характеризуется внедрением микропроцессорной техники во все области научно-исследовательской деятельности и сопровождается созданием и использованием информационных ресурсов, средств их хранения, обработки и передачи. В результате, на рубеже веков произошла модернизация традиционных приемов географических исследований. На смену аналоговым методикам и операциям пришли программно-управляемые механизмы преобразования пространственных и качественно-количественных параметров земной поверхности, базирующиеся на геоинформационной технологии (ГИС-технологии). В научно-исследовательской деятельности ведущее место занял информационный подход к изучению социоприродных объектов и процессов, основанный на изучении окружающего мира как феномена проявления географической информации (геоинформации) – базовой категории описания действительности.
Именно в эти годы происходит становление БИП СО РАН как ведущей научно-исследовательской организации Байкальского региона, аккумулирующей передовые интеллектуальные и технологические инновации. И поэтому, именно здесь получило развитие новейшее направление географических исследований, связанное с регистрацией, измерением и изучением земной поверхности и определяющее новый формат описания и познания окружающего мира.
В БИП СО РАН работы по информационно-картографическому обеспечению географических исследований Байкальского региона активно велись с 1991 г., когда под руководством А.К. Тулохонова был организован Отдел мониторинга и комплексного картографирования (рис. 1).
Рис.1. Обсуждение программы составления серии экологических карт Республики Бурятия (слева направо: Бешенцев А.Н., Иметхенов А.Б., Тулохонов А.К., 1992 г.).
Основными объектами исследований Отдела были природно-хозяйственные геосистемы разных ландшафтных зон региона. Особое внимание было уделено агроландшафтам, горнопромышленным районам, населенным пунктам. Основной целью исследований явилось осуществление мониторинговых наблюдений за состоянием и изменениями геосистем, изучение природных и социальных факторов природопользования и его особенностей в Байкальском регионе.
В первые годы деятельности Отдела был создан и внедрен Банк ретроспективных картографических данных Байкальского региона, состоящий из баз разновременных топографических и тематических карт издания 1896-1960 гг. и автоматизированной картографической системы (рис. 2). Основу Банка составили два массива карт: листы (98 шт.) топографической карты масштаба 1:84 000, созданные Корпусом военных топографов в 1896-1912 гг. для передвижения войск и ориентировании на местности; листы (46 шт.) карты земельного учёта масштаба 1:50 000, созданные Народным комитетом по землеустройству БМАССР в 1933-34 гг. для инвентаризации землепользования. Материалы Банка явились надежными документами для геоинформационной оценки динамики геосистем и развития природопользования региона, они использовались во многих географических исследованиях. В частности, при детальном изучении отдельных процессов природопользования, почвенных, геоботанических, геоморфологических, ландшафтно-лексикологических исследованиях. Они стали метрической базой мониторинга природопользования территории, поскольку представляли результаты первых, наиболее точных, геодезических съёмок Байкальского региона. Большой объём содержательной информации этих карт позволил их использование при исследовании долговременных природных (опустынивание, заболачивание и др.) и социально-экономических процессов (миграция населения и др.).
Рис. 2. Ретроспективные карты.
Банк стал первым систематизированным картографическим произведением и явился информационной основой для последующего создания различных ГИС-проектов и баз данных, а также долгосрочного мониторинга природопользования и трансформации геосистем, его материалы позволили создавать карты-реконструкции системы адаптивного природопользования и выполнить оценку динамики хозяйственного освоения региона в XX веке. В дальнейшем, материалы Банка положили начало многим проектам, учебным программам, инициативным и диссертационным исследованиям.
Важным сегментом исследований Отдела была разработка научно-методических основ использования данных дистанционного зондирования в географических исследованиях. В этом направлении были разработаны методики дешифрирования космических снимков с учетом региональных особенностей территории и картографирования агроландшафтов на основе аэрокосмической информации. По результатам дешифрирования космических снимков масштаба 1:200000 были составлены карты территориальных структур природно-хозяйственных комплексов долин рек Баргузин, Хилок, Селенга, Тугнуй (рис. 3).
Рис. 3. Визуальное дешифрирование космических снимков с помощью стереокомпаратора (Борисова Т.А., 1993 г.), аналоговое картографирование с помощью прибора для черчения параллельных линий (Бешенцев А.Н., 1993 г.).
В эти годы в Отделе активно велась разработка научно-методических основ комплексного мониторинга антропогенного преобразования и экологического картографирования освоенных ландшафтов для выработки рекомендаций по оптимизации природопользования. Для сбора первичных геоданных проводились полевые работы в районах с высокой хозяйственной нагрузкой на природные ландшафты (рис. 4).
Рис. 4. Сотрудники отдела мониторинга и комплексного картографирования в экспедиции, долина р. Чикой, 1996 г. (слева направо: Бурлаков А.В., Бешенцев А.Н., Будаева Д.Г., Аюшеев Н.Д., Волошин А.Л.)
Первым научным мероприятием, посвящённом использованию и внедрению ГИС и геоинформационному картографированию природы и общества на территории Байкальского региона стала международная конференция 1996 г. в г. Иркутске «ИнтерКарто/ИнтерГИС. ГИС для изучения и картографирования окружающей среды», где представили свои доклады сотрудники БИП СО РАН (Тулохонов А.К. и Бешенцев А.Н.) (рис. 5).
Рис. 5. Участники конференции (слева направо: Снытко В.А., Батуев А.Р., Гармаева Т.Н., Бешенцев А.Н., Малтугуев А.А., Пяткин В.П.).
Первыми фундаментальными исследованиями отдела с использованием геоинформационной технологии стали гранты РФФИ (1997 г.): «Теория и практика ретроспективного подхода к картографическому мониторингу с использованием геоинформационных технологий» (рук. Бешенцев А.Н.); «Геохронологическая шкала развития системы Природа - Общество Байкальского региона с использованием ГИС-технологий» (рук. Тулохонов А.К.). В эти же годы, по заданию Министерства науки России, в рамках НИР «Проведение экологического районирования и разработка рекомендаций по размещению производства экологически чистых продуктов питания», была создана тематическая ГИС, выполнено эколого-геохимическое районирование Бурятии и разработаны рекомендации по размещению производства экологически чистых продуктов питания.
Первым международным проектом Отдела, связанным с картографированием и геоинформационной оценкой природопользования Байкальского региона стала учебная практика студентов Ганноверского и Кассельского университетов (Германия). В течение двух месяцев группа немецких студентов при помощи сотрудников Отдела выполняла комплексное обследование и крупномасштабное картографирование долины р. Акшанга (с. Галтай, Мухоршибирский р-н) (рис. 6)
Рис. 6. Составление карты растительности долины р. Акшанга, 1996 г. (слева направо: Бассов А., Лейнвебер Т., Бешенцев А.Н., Аненхонов О.А., Крюгер Д., Шульце Б.).
Первой практической разработкой Отдела, востребованной на республиканском уровне, явилась ГИС «Природопользование Республики Бурятия», которая в 1999 г. была успешно внедрена в Государственном Комитете по экологии Республики Бурятия. В 2006 г. сотрудники Лаборатории (Будаева Д.Г., Лубсанов А.А., Бешенцев А.Н.) совместно с компанией «Экопроект» по заданию Агентства по туризму РБ выполняли геоинформационное обеспечение и картографирование для разработки «Генеральной схемы размещения объектов и инфраструктуры туризма на территории Республики Бурятия», которая определила границы действующих и перспективных для развития туризма территорий, подготовила обоснование для перевода земель туризма и отдыха в категорию рекреационных и явилась основным проектным документом для участия Бурятии в федеральном конкурсе на создание особой экономической зоны туристско-рекреационного типа.
Решение о создании специального структурного подразделения, реализующего новое информационное направление географических исследований, было принято руководством по итогам комплексной проверки БИП СО РАН в феврале 2006 г. Комиссия по комплексной проверке института во главе с чл.-корр. РАН Румянцевым В.А. после оценки результатов деятельности работы тематической группы и научного доклада руководителя группы, вынесла рекомендацию о целесообразности организации в институте такого подразделения (рис. 7). Таким образом, приказом № 66 от 28.02.2006 была организована Лаборатория геоинформационных систем БИП СО РАН (www.baikalgis.com, https://www.binm.ru/ru/structure/labs/gis/), проблемно ориентированная на создание информационных систем и баз геоданных, обеспечивающих междисциплинарную интеграцию фундаментальных и прикладных исследований в области наук о Земле.
Рис. 7. Комиссия по комплексной проверке института знакомится с результатами деятельности ГИС-группы (сидят слева направо: Корытный Л.М., Румянцев В.А., Клисторин В.И., Андреев С.Г., Бешенцев А.Н.).
За прошедшие годы в Лаборатории успешно осуществлена интеграция предыдущего опыта географических исследований и современных технических и технологических инноваций. На протяжении двадцати лет сотрудники Лаборатории выполняют разработку и внедрение информационных систем и баз данных на основе ГИС и ВЕБ технологий для междисциплинарных географических исследований. Технологические разработки Лаборатории успешно внедрены и используются в органах управления и планирования России: Агентство по туризму Республики Бурятия, Территориальный отдел водных ресурсов по Республике Бурятии Енисейского бассейнового водного управления и Монголии (Водный комитет Монголии). Проект Лаборатории «Создание телекоммуникационного атласа ретроспективных карт трансграничного Забайкалья» стал победителем конкурса 2007 г. «Информационно-телекоммуникационные ресурсы СО РАН». За прошедшие годы сотрудники Лаборатории являлись руководителями и ответственными исполнителями значительного числа интеграционных проектов, с институтами СО РАН (ИВТ, ИДСТУ, ИГ им. В.Б. Сочавы, ИОЭБ) проектов РФФИ и РГНФ, международных проектов с организациями Монголии и Китая.
В 2014 г. в рамках проекта ПРООН-ГЭФ «Комплексное управление природными ресурсами трансграничной экосистемы бассейна Байкала» совместными усилиями сотрудников Лаборатории и Водного Комитета правительства Монголии был создан международный «Байкальский информационный центр». На организационном этапе были сформированы команды высококвалифицированных специалистов обеих стран, разработана концепция трансграничного информационного сотрудничества, составлена дорожная карта проекта, проведён ряд научно-практических семинаров в городах Улан-Удэ и Улан-Батор и Skype-конференций (рис. 8).
Рис. 8. Семинары с монгольскими коллегами (слева направо: Бешенцев А.Н., Палицына С.С., Лубсанов А.А.), структура Портала Байкальского информационного центра.
Итогом совместной работы явилось создание Байкальского информационного центра – совокупности информационных ресурсов и технологий по сбору, обработке и распространению данных о состоянии окружающей среды трансграничного бассейна оз. Байкал на основе интеграции информационных потоков единого информационного пространства России и Монголии (рис. 9). Основной задачей Центра является обеспечение информационного взаимодействия населения, бизнеса, органов управления соседствующих стран для устойчивого социально-экономического развития трансграничного бассейна оз. Байкал (www.bic.iwlearn.org).
В 2016 г. коллектив БИП СО РАН стал Лауреатом Национальной премии РФ «Хрустальный компас» в номинации «Издание» за создание Экологического атласа бассейна оз. Байкал на русском, монгольском и английском языках. Основная цель Атласа – территориальная организация, накопление, обработка и представление в картографической форме разнообразной информации, обеспечивающей наглядное отражение природных условий и экологической обстановки, состояния процессов возникновения природно-антропогенных экологических ситуаций и оценку их напряженности в бассейне Байкала. Комплексное систематическое и системное изучение широкого круга эколого-географических явлений и процессов, ранее рассматривавшихся изолированно друг от друга, поставило перед составителями карт Атласа ряд принципиально новых и сложных задач, решение которых потребовало значительных теоретико-методических и технологических инноваций (рис. 9).
Рис. 9. Хрустальный компас и Почётный диплом Национальной премии.
При создании Атласа использованы новейшие достижения тематического атласного картографирования, ГИС-технологии, методы дистанционного зондирования, а также постоянно дополняемая и обновляемая база данных, имеющаяся в научных институтах Сибирского отделения РАН — Институте географии им. В. Б. Сочавы, Лимнологическом институте, Институте земной коры, Институте природных ресурсов, экологии и криологии, а также в Иркутском государственном университете и Институте географии АН Монголии.
В 2019 г. в рамках реализации государственного контракта с Министерством туризма Республики Бурятия в БИП СО РАН выполнена научно-исследовательская работа по теме: «Разработка правил организации туризма и отдыха, обеспечивающих соблюдение предельно допустимых норм нагрузок на окружающую природную среду в ЦЭЗ БПТ РБ». Разработка настоящих Правил осуществлена в пять этапов. На первом этапе выполнена оценка современного состояния природных условий и туристско-рекреационных ресурсов. Выполнен аналитический обзор смежных с туризмом видов хозяйственной и иной деятельности по муниципальным образованиям. На втором этапе установлены перспективные виды туризма, определены потребности в земельных ресурсах и инфраструктуре и сформулированы предложения по их развитию (рис. 10).
Рис. 10. Постановление Правительства РБ об утверждении Правил туризма и отдыха в ЦЭЗ БПТ, экспедиция в ЦЭЗ БПТ по научно-методическому обоснованию Правил , 2019 г. (слева направо: Жарникова М.А., Будаева Д.Г., Санжеев Э.Д., Батоцыренов Э.А.), работа в администрациях МО ЦЭЗ (Санжеев Э.Д., Будаева Д.Г.).
На третьем этапе выполнена оценка воздействия туристско-рекреационной деятельности на окружающую среду. Проведён анализ методических подходов к оценке допустимого воздействия на природные ландшафты при рекреационном использовании экосистем территории. На четвёртом этапе разработаны теоретико-методологические основы туристско-рекреационного зонирования ЦЭЗ БПТ РБ и выделено 16 туристско-рекреационных зон. На пятом этапе разработан проект Правил организации туризма и отдыха в ЦЭЗ БПТ РБ и методические рекомендации по их применению.
За прошедшие годы сотрудниками Лаборатории защищено три кандидатских и одна докторская диссертации в диссертационных советах при МГУ им. Ломоносова М.В., ИГ им. Сочавы В.Б. СО РАН и БГУ им. Доржи Банзарова. В рамках диссертационного исследования Батоцыреновым Э.А. были установлены географические особенности активного туризма в Республике Бурятия и предложены научно-практические рекомендации по его развитию. Будаева Д.Г. разработала научно-методическое обеспечение организации рекреационных территорий в Республике Бурятия на основе ГИС-технологии (рис. 11).
Рис. 11. Защита диссертации Будаевой Д.Г. (слева направо: председатель диссертационного совета Тулохонов А.К., Борисова Т.А., Будаева Д.Г.).
Борисова Т.А. определила природные и антропогенные факторы, ведущие к возникновению опасных природных процессов, систематизировала источники опасности и выполнила геоэкологическую оценку природно-антропогенного риска в бассейне р. Селенги. Бешенцевым А.Н. разработана информационная концепция картографического мониторинга геосистем как методологический комплекс теоретических положений и практических действий по моделированию освоенных геосистем на основе феномена геоинформации и закономерностей её преобразования.
Важным подразделением БИП СО РАН является информационно-библиотечный центр, аккумулирующий научную периодическую литературу и обеспечивающий сотрудников новинками мировой научной мысли. Эту ответственную работу выполняет Волокитина Н.Г., она ведёт каталогизацию поступающей литературы, а также переписку с отечественными и международными библиографическими базами данных, решет задачи информационно-библиографического обеспечения многочисленных тем по приоритетным направлениям БИП СО РАН (рис. 12).
Рис. 12. Работа с фондами информационно-библиотечного центра (Волокитина Н.Г.), работа с документами института (Тукачёва Л.С.), решение организационных вопросов научного руководителя Института (Фёдорова А.Ю.).
В современных условиях непрерывного реформирования РАН, важной задачей деятельности БИП СО РАН является организация учёта, комплектования и хранения нормативных и административных документов института и его подразделений. Долгие годы эту задачу успешно решает секретарь-референт Тукачёва Л.С. Она разрабатывает номенклатуру дел и документов для подразделений и ведёт архив документов Института. На протяжении многих лет Федорова А.Ю. занимается вопросами систематизации и организации научно-исследовательской, общественной и политической деятельности научного руководителя Института академика РАН А.К. Тулохонова.
Все эти годы сотрудники Лаборатории принимали активное участие в международных и всероссийских научных и научно-практических конференциях (рис. 13).
Рис. 13. Всероссийская конференция «Атласное картографирование: традиции и инновации», Иркутск, 2015 г. (Пахахинова З.З., Батуев А.Р., Бешенцев А.Н.). XII Сибирское совещание по климату и экологическому мониторингу, Томск, 2017 г. (Батоцыренов Э.А.)., X международная конференция «Окружающая среда и устойчивое развитие на Монгольском плато и прилегающих регионах», Хух-Хото, 2014 г. (Иметхенов О.А., Будаева Д.Г., Борисова Т.А., Санжеев Э.Д.)
Сотрудники Лаборатории принимали активное участие в организации и проведении летних экологических школ, ежегодно проводимых на стационарах БИП СО РАН – Международный эколого-образовательный центр «Истомино» и стационар «Гусиное Озеро», а также в региональных образовательных и просветительских мероприятиях (рис. 14).
Рис. 14. Летние экологические школы на стационарах БИП СО РАН (МЭОЦ «Истомино», Батоцыренов Э.А., «Гусиное Озеро», Бешенцев А.Н., Серкина Д., Павлов И.А., Жарникова М.А.), Первая республиканская ГИС-олимпиада, 2018 г., БГУ (Бешенцев А.Н.).
Коллектив Лаборатории постоянный участник ежегодных Спартакиад БИП СО РАН и отмечен не только участием, но и победами (рис. 15).
Рис. 15. Соревнование по стрельбе (Бешенцев А.Н., Пахахинова З.З., Батоцыренов Э.А.), Почётная грамота за первое место в плавании, соревнование по шахматам (Пахахинова З.З.), перетягивание каната (Лубсанов А.А.).
ЧТО ЕСТЬ
В настоящее время сотрудники Лаборатории осуществляют фундаментальные исследования и практическую геоинформационную оценку территории Байкальского региона и Центральной Азии по различных научно-исследовательским направлениям. В целях долгосрочного мониторинга хозяйственного освоения и оценки негативных экологических последствий для геосистем бассейна оз. Байкал в Институте действует корпоративная ГИС мониторинга природопользования (ГИСМП) на основе пакета Arc GIS (рис. 16). Система представляет собой программно-управляемый комплекс непрерывной картографической регистрации объектов и процессов природопользования, позволяющий в интерактивном режиме оценивать долговременную динамику хозяйственного использования территории и изменения природной среды региона.
Лаборатория имеет собственное современное оборудование и использует оборудование Центра коллективного пользования БИП СО РАН (рис.16). Имеются лицензии на программное обеспечение ArcGIS, ГИС-Панорама, а также лицензия на осуществление картографической деятельности № ЗАГ-00432К.
Рис. 16. Технологическая структура корпоративной ГИСМП, лазерное сканирование железнодорожной эстакады (Бешенцев А.Н., Пахахинова З.З.), подготовка квадокоптера к съемке, обследование дельты Селенги (Батоцыренов Э.А.).
Важным направлением исследований Лаборатории является регистрация и изучение опасных природных процессов и явлений, мониторинг и прогнозирование их возникновения и развития. Для этого создана проблемно-ориентированная ГИС, разработано методическое обеспечение картографирования опасных природных процессов и геоинформационной оценки частных и интегральных рисков. Разработана система запросов для интерактивной работы с ГИС. Созданы базы данных опасностей и Банк данных гидроэкологической безопасности РБ. Выполнено картографирование рисков от наводнений и лесных пожаров в бассейне оз. Байкал.
Важными прикладными разработками Лаборатории являются базы географических данных. Для оценки объектов туризма и рекреации созданы и зарегистрированы картографические базы данных «Памятники природы Республики Бурятия» и «Объекты культурного наследия Забайкалья» (рис. 17).
Рис. 17. Создание баз географических данных (Лубсанов А.А.), сбор первичных данных (Борисова Т.А.).
Реализация результатов мониторинга осуществляется посредством составления инвентаризационных, синтетических, аналитических карт природопользования, зонирования и районирования территории во взаимосвязи с экологическими последствиями хозяйственного освоения, прогнозных карт сценариев развития природопользования, систем запросов, карт-анимаций, цифровых моделей местности (рис. 18).
Рис 18. Примеры геоинформационных продуктов: цифровая модель местности дельты р. Верхняя Ангара, ледовый режим оз. Гусиного в районе спускового канала Гусиноозёрской ГЭС, карта природопользования бассейна р. Селенги, карта риска наводнений в бассейне оз. Байкал, карта движения населения Центральной Азии, цифровая модель рельефа Селенгинского среднегорья.
Доступ мирового сообщества к результатам мониторинга и картографическим ресурсам, а также их оперативная публикация организован посредством картографических сервисов (рис. 19). Информационно-картографический сервис Байкальского региона содержит картографические материалы по природопользованию и социально-экономическим процессам Центральной Азии (www.baikalgis.com).
Рис. 19. Картографические сервисы Лаборатории.
Атлас ретроспективных картографических данных Забайкалья (www.baikalgis.ru) позволяет получить полное представление о состоянии территории на рубеже XIX-XX вв., и служит метрическим инструментом при исследовании динамики географической среды новейшего времени.
Важное значение в экосистеме оз. Байкал имеют дельтовые участки наиболее крупных рек, впадающих в озеро. Фактор изменения уровня озера определяет высокую динамичность прибрежных геосистем и способствует формированию экологического риска для хозяйственной деятельности. Для инвентаризации дельтовых территорий озера создан картографический сервис Атлас «Дельты рек побережья озера Байкал» (www.deltagis.info), представляющий совокупность массивов картографических и спутниковых ресурсов. Каждый массив описывает отдельную дельтовую территорию (всего 21) и структурирован по рубрикам: картографический проект масштаба 1:100 000; векторные слои и таблицы атрибутов; электронная карта масштаба 1:100 000; трехмерная модель территории на базе сцены Landsat; описания и фото.
Картографический сервис «Бассейн озера Байкал» функционирует на открытой платформе для управления и публикации геопространственных данных GeoNode (www.geonode.iwlearn.org) . Тематический контент сервиса составляют материалы Экологического атласа бассейна озера Байкал: слои по природе, экономике, природопользованию, социальной сфере. Цифровая версия карты представляет собой совокупность векторных слоёв ( shp ) и таблиц атрибутов ( dbf ). Функциональный интерфейс позволяет любому клиенту оперативно создавать и публиковать собственные карты.
Развитие геоинформационной технологии в географических исследованиях за период деятельности Лаборатории позволило радикально изменить представления о познавательных и коммуникативных возможностях географии, и тем самым усилить её методологические позиции в познании мира.
