WYKŁAD XI
SYSTEMY INFORMACJI PRZESTRZENNEJ I ICH WYKORZYSTANIE W OCHRONIE ŚRODOWISKA
Podstawowe pojęcia
Większość zjawisk zachodzących w środowisku jest ściśle związana z przestrzenią. Rozpatrywanie ich pod tym kątem nie zawsze ma miejsce, co powoduje szereg różnorodnych następstw. Z reguły są to efekty o charakterze negatywnym, dla których nierozpoznany, przestrzenny wymiar oddziaływań jest podstawową przyczyną występowania. Opis zjawisk pod kątem ich przestrzennego występowania pozwala między innymi na zapobieżenie tego typu skutkom. Przede wszystkim jednak umożliwia analizę i obserwację prowadzoną w sposób znacznie dokładniejszy, który umożliwia przewidywanie zachodzących zmian oraz wspomaga optymalizację decyzji.
Narzędziem, które jest wykorzystywane na szeroką skalę przy prowadzeniu tego typu obserwacji i analiz jest System Informacji Przestrzennej (SIP).
System Informacji Przestrzennej - SIP, zwany również Systemem Informacji Geograficznej (GIS, z ang. Geographic Information System) to komputerowy system informacyjny służący do wprowadzania, gromadzenia i przetwarzania oraz wizualizacji danych geograficznych. Technologia GIS łączy poszczególne rodzaje baz danych, opartych między innymi na analizach informacji statystycznych z metodami ich wizualizacji w postaci map.
Ostatecznym efektem zastosowania SIP jest wielowarstwowa mapa cyfrowa, która obrazuje obiekty, zjawiska bądź stosunki zachodzące na danym obszarze.
Nie jest to jednak prosta suma danych zawartych w bazie i ich przestrzennego obrazowania w postaci mapy.
Dane zawarte w SIP posiadają dwojaki charakter - przestrzenny lub atrybutowy.
Charakter przestrzenny pozwala określić lokalizację danego obiektu na wybranym obszarze, natomiast charakter atrybutowy pozwala na określenie jego cech, które nie są związane z faktem występowania w przestrzeni.
Przykładowo podczas przeprowadzania inwentaryzacji przyrodniczej obszaru możliwe jest zawarcie w bazie danych nie tylko informacji o lokalizacji danych obiektów, ale także ich opisu, cech charakterystycznych, informacji dodatkowej.
Tym samym zasadniczymi elementami składowymi SIP są:
mapa numeryczna, w której przechowywany jest zapis współrzędnych obiektów,
topologia, gdzie przechowywany jest zapis relacji przestrzennych obiektów geograficznych,
atrybuty, cechy jakościowe i ilościowe poszczególnych obiektów lub ich klas.
Głównym źródłem danych przestrzennych dla SIP są zdjęcia satelitarne i lotnicze oraz metody teledetekcyjne.
Teledetekcja to metoda pozyskiwania, zbieraniai opracowywania danych o zjawiskach i procesach, które zachodzą na powierzchni Ziemi i w atmosferze. Wykorzystuje ona zjawiska przepływu fal.
Wyróżnia się dwie podstawowe metody teledetekcyjne:
metodę pasywną,
metodę aktywną.
Metoda pasywna polega na analizie sygnału wysyłanego od obserwowanego obiektu, natomiast metoda aktywna polega na wysyłaniu sygnału z instrumentu, a następnie jego analizowaniu.
Przykładem teledetekcji pasywnej jest zdjęcie fotograficzne obrazujące własności danego obiektu, natomiast aktywnej - działanie radaru.
Obecnie terminu teledetekcja używa się w odniesieniu do pomiarów dokonywanych za pomocą satelitów bądź samolotów.
Dokonane metodą teledetekcji pomiary są źródłem bieżącej aktualizacji map topograficznych, tematycznych oraz SIP.
Ich zaletą jest możliwość obserwacji zmian zachodzących jednocześnie na dużych obszarach, w niewielkich odstępach czasu.
Możliwe jest także badanie za ich pomocą specyficznych własności powłoki ziemskiej, jak np. temperatura, prędkość wiatru, czy zawartość fitoplanktonu w wodach powierzchniowych.
Inne źródła danych dla SIP to:
pomiary terenowe,
skanowanie i digitalizacja istniejących materiałów kartograficznych,
tabele, wykresy, rysunki,
innego typu dane w postaci cyfrowej.
Modele i integracja danych
Dane zawarte w SIP oprócz charakteru atrybutowego i przestrzennego posiadają szereg innych właściwości.
Podczas tworzenia SIP stosuje się zazwyczaj jeden z dwóch tzw. modeli danych:
model wektorowy;
model rastrowy.
Konstrukcja modelu wektorowego zakłada opisywanie położenia obiektów za pomocą współrzędnych przypisanych kolejnym punktom.
Efektem tego jest możliwość otrzymania trojakiego rodzaju obiektów - punktów, połączonych punktów czyli linii lub poligonów - pól.
Dane w modelu wektorowym mogą opisywać także wzajemne położenie obiektów w przestrzeni.
Model rastrowy natomiast zakłada podział przestrzeni na regularne elementy, które wypełniają ją w całości (tzw. rastry lub piksele).
Z reguły mają one postać kwadratów. W zależności od charakteru i przeznaczenia mapy ich rzeczywista powierzchnia może być bardzo różna.
Począwszy od wartości mierzonych w centymetrach, na setkach kilometrów skończywszy.
Każdy z powyższych modeli znajduje w praktyce różne zastosowania. Dobierany jest w zależności od przeznaczenia tworzonego za jego pomocą SIP.
Bez względu na wybór modelu danych ogólny proces tworzenia SIP przebiega w bardzo podobny sposób.
Pierwszym elementem jest wprowadzenie danych do bazy, następnie ma miejsce ich przetwarzanie i organizacja.
Zaletą SIP jest fakt, iż poszczególne rodzaje danych przybierają postać warstw tematycznych.
Warstwa zawiera tylko jeden rodzaj danych. Dopiero nakładanie na siebie kolejnych warstw w różnych kombinacjach pozwala uzyskać pożądany obraz terenu.
Taki sposób operowania danymi stwarza możliwość tworzenia mapy za każdym razem na nowo, w zależności od potrzeb i preferencji.
Kolejne warstwy mogą się uzupełniać tematycznie bądź dotyczyć zupełnie innych dziedzin.
Mapa nie jest jednak jedyną formą wizualizacji danych zawartych w SIP. Cyfrowy charakter danych wejściowych, specjalistyczne oprogramowanie oraz znajomość podstawowych procesów zachodzących w danej dziedzinie pozwalają na modelowanie procesów i zjawisk zachodzących w rzeczywistości.
Efektem takiego działania może być animacja, widok perspektywiczny, czy wirtualna wędrówka po terenie.
Możliwe jest także generowanie danych w wersji tabelarycznej, w formie wykresów, rysunków oraz zestawień.
Bardzo ciekawym zabiegiem jest stosowanie nakładek w postaci zdjęć lotniczych danego terenu (tzw. ortofotomap).
Istnieje wówczas możliwość zbadania rzeczywistego kształtu, sposobu zagospodarowania bądź formy użytkowania terenu.
Integralność baz danych pozwala na nanoszenie na zdjęcie lotnicze terenu innych nakładek.
Tym samym możliwe jest uzyskanie faktycznego obrazu terenu z dodatkowym odznaczeniem np. ciągów komunikacyjnych, budynków, granic działek czy obszarów chronionych.
Charakterystyka Systemów Informacji Przestrzennej
SIP (SIG) jest jednym z elementów ogółu systemów informacji, spośród których jedynie część odnosi się do przestrzeni ziemskiej.
Takie umieszczenie SIP (SIG) pośród innych metod gromadzenia i przetwarzani informacji w formie systemowej pozwala na jasne określenie ich roli i sposobu ich wykorzystania, a także na zależności jakie występują pomiędzy SIP a innymi systemami informacyjnymi.
Warto przy tym wskazać na różnicę, jaka dzieli SIG od SIT (systemów informacji terenowej) - jest nią skala opracowania.
System Informacji Geograficznej tworzony jest w skali powyżej 1:5000, natomiast System Informacji o Terenie w skali poniżej 1:5000.
Zasadniczo przyjęto także, że SIP jest kategorią nadrzędną w stosunku do SIG i SIT, a rozróżnienie między dwoma ostatnimi dokonane zostało dla potrzeb centralnych urzędów państwowych, jednak, zgodnie z zaproponowaną na wstępie definicją, SIP i SIG są traktowane jako pojęcia synonimiczne.
Opisane wcześniej zagadnienia związane z metodami tworzenia SIP, rodzajem danych wejściowych oraz wyjściowych pozwalają na określenie cech charakterystycznych systemu i modelowy opis jego zastosowań.
Zasadniczo charakterystykę SIP można sprowadzić do trzech grup zagadnień. Pierwsza z nich wiąże się ze specyfiką danych wejściowych.
SIP nie tylko pozwala na ich wprowadzanie, gromadzenie i przechowywanie, ale także, poprzez udostępnianie mechanizmów wykonywania tych czynności, umożliwia zarządzanie nimi, zapewnia integralność danych, ich spójność oraz pozwala na wstępną weryfikację.
Druga grupa związana jest z możliwością analizowania danych w specyficzny sposób. Opisane rodzaje modeli oraz ich podwójny (atrybutowy i przestrzenny) charakter pozwalają na tworzenie analiz pod kątem relacji przestrzennych między obiektami.
Możliwe jest więc nie tylko określanie konkretnej lokalizacji ale także położenia danego obiektu względem innego - innych.
Tym samym punktowy charakter odzwierciedlenia nabiera faktycznie przestrzennego wymiaru, w którym możliwe jest określanie odległości, kierunków, zależności, czy nawet obszaru i siły oddziaływań.
Ostatnia z charakterystycznych cech SIP to wcześniej opisana wariantywność sposobów przedstawiania wyników analiz.
Tak rozbudowana konstrukcja SIP pozwala na dokonywanie w ich ramach szeregu działań mogących znaleźć konkretne zastosowanie w danych dziedzinach. Najważniejsze z tych działań, to:
modelowanie,
symulacja,
optymalizacja.
Modelowanie polega na odzwierciedlaniu w środowisku SIP faktycznych procesów zachodzących w świecie. W zależności od dziedziny, na potrzeby której jest ono dokonywane może polegać na m.in. wprowadzaniu faktycznych zależności pomiędzy poszczególnymi elementami wraz z możliwymi efektami tych zależności, wskazywaniu faktycznych preferencji i działań, jakie powodują bądź na określaniu procesów, jakie mogą na danym terenie zachodzić.
Symulacja natomiast polega na prowadzeniu eksperymentów na modelu rzeczywistego systemu. Modelowe środowisko SIP powinno stanowić jak najdokładniejsze odzwierciedlenie rzeczywistości. Wówczas prowadzenie w nim danych działań pozwala na określenie z mniejszą lub większą dokładnością ich możliwych skutków. Przykładowo dla terenów
o nieuregulowanych stosunkach wodnych, dla których możliwe jest zastosowanie kilku rodzajów działań, symulacja w SIP pozwala na określenie możliwych efektów każdego z nich. Warto przy tym zwrócić uwagę jak kompleksowe muszą być dane zawarte w systemie, aby efekty symulacji mogły odpowiadać możliwym efektom rzeczywistym, przy uwzględnieniu wszelkich zależności i reakcji.
Integralnie związane z powyższymi działaniami jest stosowanie metod optymalizacji. Polega ono na poszukiwaniu najlepszego możliwego rozwiązania spośród wszystkich zaproponowanych.
Często nie ogranicza się ono do wyboru działania ze względu na jedno kryterium. Konieczne jest zastosowanie metod wielokryterialnych.
Przykładem symulacji, która wymaga podjęcia optymalnej decyzji jest np. określanie lokalizacji elektrowni. Wielość kryteriów przy podejmowaniu tego typu decyzji polega na:
- określeniu rodzaju elektrowni, jak ma być wykorzystana, to zaś
zależy m.in. od:
zapotrzebowania na energię,
ewentualnej bliskości złóż, bądź zjawisk możliwych do wykorzystania alternatywnego źródła energii np. silne wiatry,
możliwego oddziaływania na otoczenie.
- określeniu konkretnej lokalizacji elektrowni, która uwarunkowana będzie m.in.:
odległością od siedzib ludzkich,
odległością od źródła zasobów,
ewentualnym sąsiedztwem obszarów cennych przyrodniczo,
odległością od zbiorników wodnych.
- określeniu mocy i technologii wytwarzania energii, zależące m.in. od:
zapotrzebowania na energię,
możliwości sieci przesyłowej,
dostępności terenu.
Przedstawione wyżej możliwe kryteria, to jedynie fragment faktycznie występujących uwarunkowań. Konieczne jest ich uporządkowanie, hierarchizacja oraz waloryzacja. Dopiero wtedy możliwe jest faktyczne optymalizowanie symulowanej decyzji.
Praktyczne zastosowania Systemów Informacji Przestrzennej
SIP znajdują wielorakie zastosowanie na polu wielu dziedzin. Nie są immanentnie związane ani z nauką, ani z działalnością praktyczną. Ich duża elastyczność oraz możliwość tworzenia indywidualnych aplikacji pozwalają na zastosowanie przez szeroki krąg odbiorców. Z reguły jedyną barierą uniemożliwiającą ich wykorzystanie jest dostępność oprogramowania oraz umiejętność jego obsługi.
Przykładami dziedzin, w których możliwe jest zastosowanie SIP są:
- geografia i kartografia, - hydrologia, - wojskowość, - górnictwo, - archeologia, - modelowanie infrastruktury, - usługi, - nieruchomości,
|
- ochrona środowiska, - transport i logistyka, - leśnictw, - rolnictwo, - monitoring, - administracja, - handel, - zarządzanie, etc.
Wskazane obszary, to jedynie część dziedzin, w których narzędzia SIP są lub mogą być wykorzystywane.
Ze względu na elastyczność samego systemu oraz rozwój poszczególnych obszarów nauki, czy praktyki powyższy zbiór właściwie nie jest zamknięty, a jego potencjał pozostaje bardzo szeroki.
Dla każdego ze wskazanych obszarów wyróżnić można szereg konkretnych zastosowań. Przykładowo dla górnictwa mogą to być: precyzyjne określanie lokalizacji i zasobności złóż, monitorowanie funkcjonowania infrastruktury kopalni, monitorowanie oddziaływania na środowisko i symulowanie sposobów jego minimalizacji, projektowanie rekultywacji terenów pokopalnianych.
W rolnictwie narzędzia SIP mogą być wykorzystywane do: doboru odpowiednich upraw i prognozowania plonów, monitorowania powierzchni i stanu upraw, określania możliwych zagrożeń i symulowania ich ekspansji, precyzyjnego wykonywania zabiegów agrotechnicznych (nawadnianie, nawożenie, eliminacja szkodników i chorób), obserwacji erozji gleb i zanieczyszczenia wód powierzchniowych.
Natomiast w działaniach związanych z modelowaniem infrastruktury SIP wykorzystuje się do: optymalizacji przebiegu elementów infrastruktury, lokalizacji obiektów związanych z jej obsługą, symulowania ewentualnych skutków oddziaływań, określania możliwych zagrożeń i sposobów minimalizowania ich.
|
Dziedzinami, w których SIP mogą znaleźć szczególne zastosowanie są ochrona środowiska oraz zarządzanie środowiskowe.
Podstawowymi obszarami, w jakich narzędzia SIP mogą być pomocne są w tym zakresie: kompleksowe badanie stanu i zmian środowiska przyrodniczego, waloryzacja środowiska oraz jego ochrona i rekonstrukcja.
Możliwy jest więc do zaprogramowania każdy zakres działań, począwszy od obserwacji istniejących uwarunkowań, poprzez modelowanie i optymalizację oparte na analizach i tworzeniu scenariuszy działania, na rzeczywistym wdrożeniu skończywszy.
Praktyczne zastosowanie SIP może mieć miejsce w konkretnych działaniach związanych z ochroną środowiska. Podstawowym z nich jest obserwacja i zarządzanie ekosystemami.
Szczegółowość informacji dostarczanych do baz danych umożliwia kompleksową obserwację ekosystemów.
Zdjęcia satelitarne o rozdzielczości nawet 1 metra stanowią narzędzie pozwalające na obrazowanie środowiska w różnych skalach, zakresach promieniowania i porach sezonu wegetacyjnego.
Poszczególne obszary mogą być skalowane w dowolny sposób. Dodatkowe zastosowanie innych metod teledetekcyjnych dostarcza niemal kompletnych informacji o stanie środowiska na danym terenie.
Stwarza to możliwość dowolnego wykorzystania posiadanych informacji. Mogą one posłużyć jako źródło opracowań inwentaryzacyjnych, tworzenia strategii środowiskowych, wreszcie możliwy sposób oceniania potencjalnego wpływu konkretnych działań na środowisko (oceny oddziaływania, prognozy środowiskowe, programy ochrony środowiska).
Stworzone na tej podstawie bazy danych spełniają wymagania w zakresie zarządzania zasobami przyrodniczymi w parkach narodowych, dyrekcjach lasów państwowych czy regionalnych zarządach gospodarki wodnej.
Inny obszar zastosowań SIP to badania rozmieszczenia poszczególnych elementów i zasobów środowiskowych w przestrzeni.
Podobnej ocenie mogą być poddawane wpływy antropogeniczne na środowisko przyrodnicze. Poprzez implementację do bazy danych informacji na temat źródeł zanieczyszczeń, rodzaju i zasięgu ich oddziaływania możliwe jest stworzenie mapy obrazującej natężenie i charakter zanieczyszczeń występujących na danym obszarze.
Pozwala to na prowadzenie obserwacji dotyczących ich wpływu na zasoby przyrodnicze, a także modelowanie opisanego wcześniej scenariusza lokalizacyjnego nowej inwestycji.
Zastosowanie metod analizy danych SIP umożliwia ograniczenia ryzyka lokalizacyjnego w przypadku inwestycji szczególnie istotnych z punktu widzenia oddziaływania na środowisko oraz pozwala na optymalizację rozmieszczenia.
Szczególnie ważna jest przy tym możliwość kompleksowej oceny znaczenia poszczególnych czynników bez konieczności tworzenia odrębnych, szczegółowych analiz.
Działanie takie znajduje zastosowanie zarówno w przypadku zanieczyszczeń pyłowo-gazowych wprowadzanych do powietrza, jak i zanieczyszczenia gleby oraz wód powierzchniowych.
Podobny scenariusz zastosowań może mieć miejsce dla analizy źródeł pochodzenia odpadów. Dzięki informacjom z tym związanym możliwe jest optymalizowanie tras ich przewożenia oraz lokalizacji miejsc ich składowania.
Kolejne możliwe zastosowanie technologii SIP to monitoring występowania i liczebności populacji zwierząt na danym obszarze.
W tym wypadku najlepsze rezultaty osiągane są dzięki łączeniu metod pozyskiwania danych dla SIP z metodą echolokacji.
Uzyskane w ten sposób informacje są często dokładniejsze od pochodzących z tradycyjnych metod obserwacji.
Dzięki temu możliwe jest dokładne modelowanie populacji danego gatunku na obserwowanym terenie oraz przewidywanie jego ewentualnej ekspansji.
W przypadku zagrożenia występowania gatunku możliwe jest także symulowanie różnych rodzajów działań, które mogą zapobiegać jej zanikowi.
Tym samym wykorzystywane są zarówno narzędzia związane z modelowaniem i optymalizacją jak i symulacją, a następnie wybieraniem najlepszego ze wskazanych rozwiązań.
Przykładem szczególnego zastosowania SIP jest przykładowo określanie ryzyka wystąpienia powodzi na danym obszarze. Stworzona do tego celu specjalna analiza zawiera takie elementy, jak:
przekrój podłużny i poprzeczny dolin rzecznych wraz z dopływami,
mapy zalewowe opierające się na analizie średniorocznych stanów wód z minionych okresów,
symulowany model zasięgu zalania powodziowego.
Powyższe informacje znajdują się na cyfrowej mapie terenu, przez co można z dużą dokładnością określić prawdopodobieństwo wystąpienia powodzi w danym miejscu przy istniejących uwarunkowaniach.
Podobnie szczegółowe zastosowanie może mieć miejsce dla określania zagrożenia pożarowego w lasach. Analiza tworzona pod tym kątem zawiera następujące składowe:
ukształtowanie terenu,
gatunki roślinności występujące na danym obszarze,
ogół stosunków wodnych,
mapy pożarowe oparte na wcześniejszych zdarzeniach wraz z określeniem prawdopodobieństwa ich wystąpienia,
symulowane modele zasięgu pożaru.
W zależności od stopnia szczegółowości posiadanych informacji oraz możliwości ich przetwarzania doskonałość stworzonego systemu może być różna.