V. ПРИКЛАДНЫЕ СЮЖЕТЫ ГИС-МОДЕЛИРОВАНИЯ В ГЕОЭКОЛОГИИ
21. ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УРБАНИЗАЦИИ И ОБОБЩЕННАЯ ОЦЕНКА ЭКОСИСТЕМНЫХ УСЛУГ
21.1. ATLAS of URBAN EXPANSION: опыт использования открытых данных для ГИС-моделирования процессов урбанизации
Формирование крупных агломераций - феномен, который в значительной степени реализуется "самопроизвольно" - вне прямого воздействия административных решений и девелоперских стратегий [Peri-urban futures, 2013]. Истинный характер «ползучей урбанизации» проявляется в трех одновременно протекающих процессах:
- расширении границ «регионального города», за счет образования «воронки» экономического влияния и формирования особой транспортной системы,
- изменении пространственной конфигурация «экологического следа» вследствие возрастания объема эксплуатации ресурсов окружающих территорий и сервисов природных и культурных ландшафтов,
- трансформации типов «городской ткани», характеризующихся различными параметрами (функциональными, морфологическими).
С одной стороны, все эти процессы уже по меньшей мере два десятилетия являются объектом ГИС-моделирования, что привело к созданию общепризнанных ресурсов, – например, таких как Atlas of Urban Expansion широко используемых для исследования истории формирования и типологии городских агломераций [Angel et al.,2016]], но до сих пор мало используемый урбанистами и планировщиками в РФ. Атлас содержит сведения о пространственном развитии 200 крупнейших городов мира и (Рис. 21.1), в том числе – Москвы. Мы продемонстрируем как использование этих данных позволяет осуществлять независимый анализ взаимодействия города с регионом, выявлять общий характер урбанизации и фиксировать очертания отдельных формирующихся агломераций.
Рис. 21.1 Общий вид веб-портала Atlas of Urban Expansion с пунсонами городов, для которых разработаны гис-модели и имеются сведения по различным параметрам урбанизации
Одна из интересных возможностей, предоставляемых Атласом - это оверлей векторных слоев. полученных в результате оцифровки исторических границ города по старым картографических источникам (картам, межевым и генеральным планам). Для Москвы мы имеем 8 таких слоев (с учетом последней конфигурации столицы до причленения к ее территории так называемой Новой Москвы) (Рис. 21.2).
Рис. 21.2 Стадии роста Старой Москвы для восьми исторически зафиксированных этапов: 1808, 1836, 1893, 1914, 1937, 1957, 1978 и 2000-е годы Таблица 21.1 Изменение площади Старой Москвы с 1808 по 2000 гг.
| № | Историческая дата |
Площадь города |
Рост в % к финальной площади 2000 г. |
|---|---|---|---|
| 1 | 1808 | 22,1 | 2,1 |
| 2 | 1836 | 35,8 | 3,4 |
| 3 | 1893 | 41,7 | 3,9 |
| 4 | 1914 | 58,2 | 5,5 |
| 5 | 1939 | 160,5 | 15,2 |
| 6 | 1957 | 332,9 | 31,5 |
| 7 | 1978 | 420,9 | 39,8 |
| 8 | 2000 | 1058 | 100,0 |
Использование оцифрованных исторических карт позволяет судить о том, как менялась конфигурация мегаполиса за последние два века - при приблизительно одинаковых интервалах в 20-25 лет зафиксированных старыми картами (Таблица 21.1), его площадь увеличивалась по экспоненте (Рис. 21.3).
Рис. 21.3 Кривая роста площади города в процентах относительно финальной территории Старой Москвы на рубеже тысячелетий
Atlas of Urban Expansion предоставляет растры обобщенных (генерализованных) типов «городской ткани» на три временных периода – 1991, 2001, 2014 гг., собранные в три функционально различные группы – Основное городское пространство, Субурбия (предместья), Сельская местность в границах «экологического следа». Дифференциация проводилась на основе снимков Landsat в зависимости от доли застроенных пикселей в пределах так называемой Walking Distance Circle|Окружности Прогулочной Дистанции), определенной как окружность площадью 1 км2 и радиусом 584 м, что грубо может быть оценено как расстояние 10-ти минутной неспешной прогулки [Angel et al.,2016, p. 23]. Более детально типология так называемой "городской ткани" (Urban Fabric), используемая в Atlas of Urban Expansion может быть представлена следующим образом (Таблица 21.2).
Таблица 21.2 Типология «городской ткани» Atlas of Urban expansion| № | ТИПЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ТКАНИ (англ.) | ТИПЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ТКАНИ (русск.) | СПОСОБ ДЕЛИМИТАЦИИ ПРИ ДЕШИФРИРОВАНИИ |
|---|---|---|---|
| 1 | urban built-up | плотная городская застройка | более 50% застроенной территории в радиусе 10 минутной пешеходной доступности |
| 2 | suburban built up | рыхлая городская застройка | условно-пригородная (по характеру освоения, а не по месту в окрестностях) 25-50% застроенной территории в радиусе 10 минутной пешеходной доступности |
| 3 | rural built-up | сельская застройка | условно-сельская (по характеру, а не по локализации) менее 25-% застроенной территории в радиусе 10 минутной пешеходной доступности |
| 4 | urbanized open space | урбанизированные открытые пространства | пиксели в пределах 100 м от городской или условно-пригородной застройки, включают открытые (любые) пространства окруженные этими двумя видами застройки, а также окраинные открытые пространства площадью менее 200 га |
| 5 | captured open land | замкнутые (окруженные) открытые пространства | открытые пространства окруженные застройкой, как правило -внутри застроенных кварталов | 6 | rural open space | открытые пространства сельской местности | открытые пространства, не отнесенные ни к внегородским открытым, ни к урбанизированным открытым территориям | 7 | water areas | водные объекты и акватории | акватории любого типа (реки, озера, чеки торфоразработок и затопленные карьеры) |
Наличие дешифрированных (на основе Landsat) растров для трех временных срезов, а также разработка простой (прозрачной и воспроизводимой средствами гис-моделирования) классификации позволяет выявить особенности процесса урбанизации за последние 20-30 лет (Рис. 21.4).
Рис. 21.4 Очертания реального "городского следа" Московской агломерации для трех исторических периодов с классификацией землепользования на 7 классов Atlas of Urban Expansion
Даже беглый просмотр конфигурации "городского следа" Москвы убеждает в том, что "органические" т.е., внутренние причины ее роста мало связаны с административными решениями, и в значительной степени диктовались "силовым полем", которое генерируется транспортными коммуникациями. Atlas of Urban Expansion предоставляет возможности изучения генеральной сети автомобильных дорог (векторный полилинейный слой Moscow_Master_AR_Medians), условно разделенных на "широкие" (Moscow_Master_AR_Medians_Wide) и "узкие" (Moscow_Master_AR_Medians_Narrow) (Рис. 21.5).
.
Рис. 21.5 Сеть градообразующих автомобильных дорог московской агломерации Atlas of Urban Expansion, Wide - сиреневые полилинии, Narrow - голубые
Полилинейные слои дорог состоят из отрезков между парой смежных перекрестков, но если рассчитать длину таких отрезков, то можно убедиться, что эта функция распределена по типу Head-and-Tail и следовательно не подчиняется простым закономерностям.(Рис. 21.6).
Рис. 21.6 Гистограмма распределения длин дорог слоя дорог Moscow_Master_AR_MediansAtlas of Urban Expansion
Данные Атласа могут быть использованы для исследования трансформации состава и композиции основных типов городской «ткани» для трех временных срезов (1991, 2001,2015) и в рамках четырех пространственных ареалов, составляющих действительную (не административно очерченную) московскую агломерацию: собственно территория московской агломерации в пределах экологического следа, территория Большой Москвы, территория Старой Москвы, территория Новой Москвы. ГИС-модель наглядно демонстрирует, что долго сдерживаемая кольцом городских границ территория Москвы «выстрелила» вовне, и, независимо от «флюсовой» конфигурации, каковую попытались придать столице посредством включения «Новой Москвы», урбанизация продолжает развиваться по классической звездно-лучевой модели Р.Т.Формана [Forman, 2008] и П.Холла [Hall, 2002].
Общая площадь экологического следа Москвы составила в 2015 г. 358 тыс. га, и увеличивался в среднем на 2,8% каждый год с 2001 г. (248 тыс. га) и соответственно 176 тыс г. в 1991 га (темпы роста 3,4%). Соответственно уменьшались плотность застроенной территории на душу населения с 80 до 68 чел./га. Показатели по всей Московской агломерации в ее естественных (не административных) границах представлены в таблице 21.3
Таблица 21.3 Баланс землепользования по трем периодам| № | Виды "городской ткани" | 1991 | 2001 | 2014 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Водные объекты | 1,28 | 1,22 | 1,06 |
| 2 | замкнутые открытые пространства | 0,21 | 0,31 | 0,49 |
| 3 | открытые пространства сельской местности | 81,32 | 75,41 | 68,91 |
| 4 | плотная городская застройка | 5,23 | 7,78 | 10,15 |
| 5 | рыхлая городская застройка | 2,97 | 4,04 | 5,42 |
| 6 | сельская застройка | 3,00 | 3,45 | 3,38 |
| 7 | урбанизированные открытые пространства | 5,99 | 7,79 | 10,60 |
Тренды трансформации соотношения типов городской ткани в пределах московской агломерации для трех временных срезов могут быть охарактеризованы следующим образом (Рис. 21.7). Наиболее радикальным образом сократились открытые пространства - более чем на 10% площади. Как ни странно, сокращались и акватории, хотя, казалось бы, их невозможно "застроить". Но, во-первых, так называемая инженерная подготовка территории неизбежно приводит к засыпанию части водотоков, выторфовке и осушению болот, во-вторых, известным примеры, когда застройка действительно захватывала площади искусственных водоемов (естественно - предварительно спущенных). Немногие сохраняющиеся открытые пространства попадают "в окружение", т.е., уже не сообщаются с другими открытыми пространствами - полями, лугами или лесными кварталами, а напротив - со всех сторон ограничены застройкой. Значительно - в два раза выросла площадь плотной городской застройки.
Рис. 21.7 Тренды трансформации типов "городской ткани" для трех временных периодов
Отдельный (и главный) для определения трендов трансформации ареалов, в потенциале способных оказывать экосервисные услуги представляет исследование характера переходов, т.е., ответ на вопрос какие типы городской ткани в какие превращаются в процессе урбанизации. Для выявления характера переходов были построены комбинированные разновременные растры трансформации отдельно по двум фазам урбанизации. Результаты анализа представлены в таблице 21.4.
Таблица 21.4 Трансформация типов городской ткани московской агломерации для трех временных срезов| № | РЕГИОН | АГЛОМЕРАЦИЯ | БОЛЬШАЯ МОСКВА |
СТАРАЯ МОСКВА |
НОВАЯ МОСКВА |
||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | ВРЕМЕННЫЕ СРЕЗЫ ТИПЫ ГОРОДСКОЙ "ТКАНИ" |
1991 | 2001 | 2014 | 1991 | 2001 | 2014 | 1991 | 2001 | 2014 | 1991 | 2001 | 2014 |
| 2 | плотная городская застройка |
5,23 | 7,78 | 10,15 | 18,90 | 24,88 | 29,03 | 43,75 | 56,22 | 61,58 | 0,60 | 1,84 | 4,77 |
| 3 | рыхлая городская застройка |
2,97 | 4,04 | 5,42 | 4,29 | 4,37 | 5,29 | 7,60 | 5,17 | 4,38 | 1,88 | 3,84 | 6,07 |
| 4 | сельская застройка |
3,00 | 3,45 | 3,38 | 2,49 | 2,77 | 2,47 | 1,42 | 0,94 | 0,64 | 3,32 | 4,17 | 3,86 |
| 5 | урбанизированные открытые пространства |
5,99 | 7,79 | 10,60 | 11,54 | 11,54 | 13,74 | 23,17 | 18,71 | 17,70 | 3,03 | 6,37 | 10,93 |
| 6 | замкнутые открытые пространства |
0,21 | 0,31 | 0,49 | 0,58 | 0,78 | 1,24 | 1,28 | 1,41 | 2,10 | 0,07 | 0,32 | 0,60 | 7 | открытые пространства сельской местности |
81,32 | 75,41 | 68,91 | 60,85 | 54,43 | 47,22 | 20,16 | 15,18 | 11,57 | 90,68 | 83,09 | 73,51 |
| 8 | водные объекты |
1,28 | 1,22 | 1,06 | 1,36 | 1,24 | 1,02 | 2,61 | 2,37 | 2,03 | 0,41 | 0,38 | 0,26 |
Вполне определенные различия наблюдаются в урбанизации четырех разных по охвату частей нынешней Москвы - собственно агломерации (Рис. 21.8a) (в ее естественных границах), "Большой Москвы" (Рис. 21.8b), "Старой Москвы"(Рис. 21.8c), и "Новой Москвы" (Рис. 21.8d). Так очевидно, что прирост плотной городской застройки в Московской агломерации в целом обеспечен высокими показателями Старой Москвы, темпы прироста этого вида "городской ткани" выше всего в Новой Москве. При этом в Старой Москве еще до начала программы инновации доля рыхлой городской застройки неумолимо снижалась, вероятно за счет многочисленных вторжений отдельных строений в старые кварталы - так называемой "точечной застройки". При этом в Новой Москве рыхлая городская застройка также увеличилась в 4 раза - вероятно за счет широкого распространения многочисленных коттеджных поселков.
Рис. 21.8 Диаграммы трендов трансформации типов "городской ткани" для Московской агломерации (a), Большой Москвы (b), Старой Москвы (c) и Новой Москвы (d)
Открытые урбанизированные пространство планомерно сокращались в Старой Москве и увеличивались в Новой (в три раза) за счет создания новых общественных ареалов, многочисленных площадок при моллах, игровых и рекреационных площадок. Открытые пространства сельской местности вдвое сократились в Старой Москве. Основная разница между агломерацией и Большой Москвой заключается в сохраняющемся соотношении плотной городской застройки (в Большой Москве она втрое больше) для всех трех временных срезов. При этом урбанизированные открытые пространства в рамках агломерации "подрастают" в вдвое большими темпами.
Отдельный интерес представляет исследование характера переходов, т.е. ответ на вопрос какие типы «городской ткани» в какие превращаются в процессе урбанизации. Это позволяет выявить основные тренды трансформации землепользования, в свою очередь оказывающие влияние на общую экологическую ситуацию в городах и потенциал экосервисных услуг. Для определения характера переходов были построены комбинированные разновременные растры трансформации - отдельно по двум фазам урбанизации в границах агломерации, Большой Москвы, Старой и Новой Москвы. Результаты анализа представлены в Таблице 21.5 и Таблице 21.6 и на диаграммах.
Таблица 21.5 Типы переходов на первом этапе урбанизации с 1991 по 2001 г. (один процент (1%) составляет 174 кв км территории| № | Типы переходов t1-t2 | Индексы переходов | Агломерация | Большая Москва | Старая Москва | Новая Москва |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | открытая сельская местность - открытое урбанизированное пространство |
64 | 3,62 | 3,34 | 3,07 | 4,09 |
| 2 | открытая сельская местность - условно сельская застройка |
63 | 1,46 | 1,21 | 0,28 | 1,92 |
| 3 | условно пригородная застройка - городская застройка |
21 | 1,27 | 2,39 | 4,69 | 0,71 |
| 4 | открытые урбанизированные территории – городская застройка |
41 | 1,13 | 3,24 | 7,11 | 0,40 |
| 5 | сельская застройка - пригородная застройка |
32 | 0,99 | 0,89 | 0,70 | 1,05 |
| 6 | открытая сельская местность - пригородная застройка |
62 | 0,85 | 1,00 | 0,71 | 1,23 |
| 7 | открытые урбанизированные территории – пригородная застройка |
42 | 0,49 | 0,57 | 0,83 | 0,38 |
| 8 | открытая сельская местность - окруженные застройкой территории | 65 | 0,17 | 0,36 | 0,48 | 0,28 |
| 9 | открытая сельская местность - плотная городская застройка |
61 | 0,11 | 0,28 | 0,53 | 0,10 |
Таблица 21.6 Типы переходов на втором этапе урбанизации с 2001 по 2014 г). (один процент (1%) составляет 174 км2 территории)
| № | Типы переходов t2-t3 | Индексы переходов | Агломерация | Большая Москва | Старая Москва | Новая Москва |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | открытая сельская местность - открытое урбанизированное пространство |
64 | 4,01 | 4,05 | 1,74 | 5,85 |
| 2 | открытая сельская местность - условно сельская застройка |
63 | 1,03 | 0,77 | 0,08 | 1,29 |
| 3 | открытая сельская местность - пригородная застройка |
62 | 0,95 | 1,03 | 0,51 | 1,45 |
| 4 | открытая сельская местность - окруженные застройкой территории |
65 | 0,29 | 0,64 | 0,9 | 0,46 |
| 5 | открытая селькая местность - плотная городская застройка | 61 | 0,26 | 0,47 | 0,51 | 0,45 |
| 6 | условно пригородная застройка - городская застройка |
21 | 1,19 | 1,66 | 1,93 | 1,49 |
| 7 | сельская застройка - пригородная застройка |
32 | 1,07 | 0,98 | 0,3 | 1,51 |
| 8 | открытые урбанизированные территории – городская застройка |
41 | 0,82 | 1,62 | 2,69 | 0,83 |
| 9 | открытые урбанизированные территории – пригородная застройка |
42 | 0,51 | 0,51 | 0,29 | 0,69 |
Анализ позволяет говорить о двух качественно различающихся этапах урбанизации московского региона - первого с 1991 по 2001 г., и второго – с 2001 по 2015 г., что, вероятно, определено спецификой социально-экономических условий. Максимально «съедаемым» урбанизацией типом ткани является открытая сельская местность, которая фрагментируется и переходит во внутренний городской ареал, теряя сущностно важные связи с экосистемами городских предместий. На первом этапе значительна доля перехода открытых урбанизированных территорий в городскую застройку (более 3%), на втором этапе этот ресурс в значительной степени уже исчерпан. Опять-таки, на первом этапе велика доля трансформации (это в реальности – застройка с предварительным сносом) пригородной застройки в плотную городскую (почти 4,7%), на втором этапе – показатель вдвое ниже.
Показатели второй фазы урбанизации значимы поскольку они (при сохранении характера освоения) могут служить выражением изменения соотношения типов структур, в различной степени влияющих на городской климат, а также - изменения площади ареалов, потенциально способных выполнять экосервисные функции. В этом смысле важными являются следующие выводы.
- Конфигурация административных границ в весьма слабой степени повлияла на характер урбанизации московского региона в пределах «экологического следа» столицы, каковая продолжает сохранять «звездно-лучевой» характер.
- Москве свойственны все известные типы «захвата» окружающих территорий (включение, окружение, приращение), но в отношении потенциала экосервисных функций наиболее неблагоприятным следует считать "leapfrog" - перепрыгивание с включением в городскую ткань обширных сельских ареалов и их последующим отрывом от элементов ЗИ.
- Добавление территории Новой Москвы не сказалось существенно на характере урбанизации, поскольку на обеих ее фазах преобладает захват и фрагментация сельских территорий с последующим размещением плотной городской застройки.
- Неблагоприятным трендом с позиций адаптации к изменениям глобального климата следует считать трансформацию сельской и пригородной застройки в плотную городскую застройку.
- Открытая сельская местность с ее наиболее высоким средостабилизирующим потенциалом оказалась наиболее востребованным территориальным ресурсом нынешней фазы урбанизации. Она поглощается всеми видами застройки, и кроме того, переходит в открытую урбанизированное и окруженную урбанизированное пространство, что в первом случае полностью сводит на нет ее экосервисные функции, во втором – существенно их ограничивает.
21.2. URBAN ATLAS как геоинформационная модель городского землепользования и метод обобщенной оценки дифференциации экосервисных услуг
В европейской практике оценки экосистемных услуг как на уровне города, так и урбанизированного региона широко используются данные о характеристиках земельного покрова, получаемые на основе данных дистанционного зондирования. Модельным с точки зрения лучших практик может быть Urban Atlas, разработка которого осуществлена в рамках работы Центра мониторинга земель Коперникус. Этот источник содержит материалы для двух временных периодов - 2006 и 2012 гг., а также данные об изменении земельного покрова/землепользования за этот же период. Данные доступны для 319 городов с численностью населения более 100 тыс. чел., стран, входящих в Европейский Союз (2006) и 785 городских территорий стран Европейского Союза, ЕАСТ, Западных Балкан и Турции (2012). Наряду с основными слоями также доступны для скачивания данные об уличном озеленении и высоте зданий.
По технологии исполнения карты Атласа представляют собой комбинацию классифицированных изображений и визуальную интерпретацию спутниковых снимков высокого разрешения [Mapping Guide, 2011]. В качестве исходных данных использовались мультиспектральные снимки SPOT-5 и 6 и Formosat-2 с разрешением 2 и 2,5 м. Классы городской застройки были получены в результате интеграции данных об уровне запечатанности и типе городской ткани. На последнем этапе карты были дополнены данными о функциональных зонах городов, для чего были использованы данные карт городов и онлайн-сервисов. Геопространственные данные могут быть загружены вместе с картой и отчетом о метаданных
Итоговая классификация земельного покрова совершенствовалась по мере улучшения технологий дешифрирования и в общем виде представлена в таблице 21.7
Таблица 21.7 Коды Urban Atlas и соответствующие категории землепользования| Code | Urban Atlas Land Use/ Land Cover item |
Типы землепользования и ландшафтов Урбан Атласа |
Составляющие типа "городской ткани" |
|---|---|---|---|
| 11100 | Continuous urban fabric (S.L. > 80%) | Сплошная застройка высокой плотности (запечатанность > 80%) | Застроенные ареалы исторических и деловых центров городов при практическом отсутствии незапечатанных поверхностей и зеленых насаждений (за исключением линейных и точечных уличных) |
| 11210 | Discontinuous dense urban fabric (S.L. 50% - 80%) | Сплошная застройка средней плотности с включениями открытых пространств (запечатанность 50%-80%) | Застроенные ареалы с включением немагистральных дорог и линейных насаждений, а также фрагментов парков |
| 11220 | Discontinuous medium density urban fabric (S.L. 30% - 50%) | Фрагментированная застройка средней плотности (запечатанность 30%-50%) | Преимущественно жилая застройка с примыкающими дорогами, перфорированная и разделенная открытыми пространствами и насаждениями |
| 11230 | Discontinuous low density urban fabric (S.L. 10% - 30%) | Фрагментированная застройка низкой плотности (запечатанность 10%-30%) | Преимущественно жилая застройка, разделенная значительными по площади открытыми пространствами и насаждениями |
| 11240 | Discontinuous very low density urban fabric (S.L. < 10%) | Изолированные фрагменты застройки низкой плотности (запечатанность <10%) | Изолированные кварталы и микрорайоны жилой застройки с высокой долей зеленых насаждений и открытых пространств |
| 12100 | Industrial, commercial, public, military and private units | Промзоны, общественно-деловые и коммерческие, частные и милитаризованные зоны | Промышленные здания и сооружения, заводские цеха, ТЭЦ и энергоустановки всех типов, заводы по очистке воды, очистные сооружения, вышки мобильной связи, фермы, искусственные покрытия и инфраструктура, парковки, торговые центры и моллы, офисные здания, автозаправки и сервисы, социальные учреждения, детские сады и школы, вузы и университеты, администрации, культовые сооружения, гаражи, дамбы и плотины, воинские части |
| 12210 | Fast transit roads and associated land | Магистральные транзитные автодороги и примыкающие зоны отчуждения | Магистральные автодороги вместе с зонами отчуждения, развязками, парковками, заправочными станциями, шумовыми барьерами и иной инфраструктурой, а также полосными зелеными насаждениями |
| 12220 | Other roads and associated land | Прочие дороги и примыкающие зоны отчуждения | Прочие (не скоростные) дороги с инфраструктурой и зонами отчуждения |
| 12230 | Railways and associated land | Железные дороги и зоны отчуждения | Железные дороги, включая станции, платформы, депо, сортировочные и сервисные объекты |
| 12400 | Airports | Аэропорты | Взлетно-посадочные полосы, аэровокзалы. аэропорты, башни и инфраструктура, а также военные аэродромы |
| 13100 | Mineral extraction and dump sites | Карьеры и свалки | Карьеры открытой добычи, в том числе обводненные, защитные дамбы и посадки, карты намыва и складирования, полигоны твердых и жидких отходов, сервисные зоны и защитные насаждения | 13300 | Construction sites | Территории строительства и реконструкции | Территории текущей застройки или реконструкции, котлованы различного назначения, пустыри | 13400 | Land without current use | Неиспользуемые земли | Территории, незанятые в настоящее время, но "ожидающие" использования, в том числе гринфилды, браунфилды, бедленды, а также земли размеченные под застройку, но без зданий и сооружений | 14100 | Green urban areas | Озелененные городские территории | Озелененные территории общего (преимущественно рекреационного) использования, в том числе парки, сады, зоопарки, парки замков, усадеб, а также некрополи и пригородные территории, предназначенные для отдыха, в том числе лесопарки, при условии примыкания к застройке по крайней мере двумя сторонами участка | 14200 | Sports and leisure facilities | Территории спорта и отдыха | Любые ареалы спорта и отдыха включая окружающие зеленые насаждения, поля для гольфа, спортивные поля и площадки в том числе внутри застройки, беговые, велосипедные и конные трассы, пляжи, дачные сады (не включаются сады ИЖЗ), спортивные аэродромы без твердого покрытия ВПП |
| 21000 | Arable land (annual crops) | Пахотные земли | Пашни, севообороты, земли под паром |
| 22000 | Permanent crops | Постоянные культуры | Фруктовые сады в том числе фруктовые деревья в сочетании с пастбищами, виноградники, плантации роз, поля олив, ягодные и хмелевые плантации |
| 23000 | Pastures | Пастбища и сенокосные луга | |
| 25000 | Orchards | Сады и виноградники | Сады на окраине городской застройки площадью более 1 га |
| 31000 | Forest | Леса | Леса (смешанные, хвойные, широколиственные), кустарники, вырубки, плантации, сгоревшие и поврежденные леса, посадки |
| 32000 | Herbaceous vegetation associations | Луговая травянистая растительность | Луговые пространства с биогруппами и куртинами, ксерофитные группировки, маквис, гаррига, зарастающие пастбища, деградировавшие леса (лесоповалы, поврежденные насекомыми), просеки под ЛЭП, горелые леса, крутые закустаренные склоны, заросшие долины ручьев, луга и карликовые леса альпийской или береговой зоны, естественные луга |
| 33000 | Open spaces with little or no vegetation | Открытые пространства с редким растительным покровом, либо без растительности | Открытые пространства без растительности, пески, дюны, побережья, аллювиальные формы и скелетные поймы, уступы, скалы и скальные стенки, участки степей, тундры, ледники и вечные снега |
| 40000 | Wetlands | Ветленды | Внутренние ветленды: территории затапливаемые или подтапливаемые большую часть года пресными, стоячими или солоноватыми водами со специфическим растительным покровом из кустарниковых, лиственных или травянистых видов; прибрежные растительные сообщества, тростниковые озерные или речные заросли, низинные осоковые болота, торфяники, в том числе места торфодобычи, торфяные чеки, мелководья с влаголюбивой растительностью, непостоянно действующие (сезонные) водотоки; прибрежные ветленды - территории затапливаемые большую часть года стоячей или соленой водой, подверженные затоплению морем, колонизируемые галофитными видами, аллювиальные равнины, болота и маршевые (ваттовые) берега, солончаки |
| 50000 | Water | Акватории | Внутренние моря, озера, рыбохозяйственные пруды, реки, (включая каналы), водохранилища, водоемы с непостоянной береговой линией |
Данные, представленные в Атласе, составляют надежную базу, как для исследований городской среды, в том числе и зеленой инфраструктуры, так и принятия решений в части ее планирования и развития. В отличие от данных о состоянии зеленых насаждений, получаемых на основе расчета вегетационных индексов они дают представление о городе как совокупности разноплановых взаимосвязанных ареалов земельного покрова. Эта совокупность учитывает не только наличие либо отсутствие зеленых насаждений, но и указывает на их функции, что немаловажно при расчете экосистемных услуг, а также их роль в обеспечении равного доступа горожан к комфортной городской среде.
Вслед за появлением Атласа в рамках работ европейской комиссии по охране окружающей среды были разработаны методики расчета экосистемных услуг в целях пространственного и городского планирования. В частности, в работе [Green infrastructure and territorial cohesion, 2012] представлены следующие соответствия для типов экосистемных услуг и категорий городского землепользования из Атласа городов Таблица 21.8.
Таблица 21.8 Обобщенные группы экосистемных услуг и виды землепользования потенциально способные кооптировать необходимые ландшафтно-экологические функции| № | ГРУППА ЭКОСИСТЕМНЫХ УСЛУГ | КОДЫ | ВИДЫ ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЯ И ЛАНДШАФТОВ |
|---|---|---|---|
| 1 | Biodiversity/species protection Сохранение биоразнообразия и защита популяций |
31000, 32000, 33000, 40000, 50000 |
Леса, Луговая травянистая растительность, Открытые пространства, Ветленды, Акватории |
| 2 | Climate change adaptation Адаптация к климатическим изменениям |
21000, 22000, 23000, 25000, 31000, 32000, 33000 |
Пахотные земли, Постоянные культуры, Пастбища, Сады и виноградники, Леса, Луговая травянистая растительность, Открытые пространства |
| 3 | Climate change mitigation Предотвращение изменения климата |
14100, 14200, 21000, 22000, 23000, 25000, 31000, 32000, 33000 |
Территории спорта и отдыха, Пахотные земли, Постоянные культуры, Пастбища, Сады и виноградники, Леса, Луговая травянистая растительность, Открытые пространства |
| 4 | Water management Управление стоком |
21000, 22000, 23000, 25000, 31000, 32000, 33000, 40000, 50000 |
Пахотные земли, Постоянные культуры, Пастбища, Сады и виноградники, Леса, Луговая травянистая растительность, Открытые пространства, Ветленды, Акватории |
| 5 | Food production and security product harvesting Обеспечение продовольственной безопасности |
21000, 22000, 23000, 25000 |
Пахотные земли, Постоянные культуры, Пастбища, Сады и виноградники |
| 6 | Recreation, wellbeing and health Рекреация, благополучие и здоровье |
14100, 14200, 31000, 32000, 33000, 50000 |
Озелененные городские территории, Территории спорта и отдыха, Леса, Луговая травянистая растительность, Открытые пространства, Акватории |
| 7 | Land values Капитализация (природная) стоимость земли |
14100, 14200, 31000, 50000 |
Озелененные городские территории, Территории спорта и отдыха, Леса, Акватории |
| 8 | Culture and communities Обеспечение культурной идентичности |
14100, 14200 |
Озелененные городские территории, Территории спорта и отдыха |
Ресурс Urban Atlas создается силами крупного исследовательского агентства на основе разноплановых материалов высокого пространственного разрешения. На города Российской Федерации его действие, по понятным причинам, не распространяется, однако подобный подход может быть реализован и на основе других данных, хотя и обладающих меньшей точностью.
Для получения данных о структуре городского землепользования могут быть использованы материалы открытого ресурса Open Street Map (OSM), что открывает новые возможности для лучшего понимания весьма сложных закономерностей трансформации городской ткани и связанных с этим меняющихся качеств городской среды и городских ландшафтов [Fonte et al.,2017],[Климанова, Колбовский, Илларионова, 2020].
Процедуры предварительной подготовки данных заключаются в разборке стандартных слоев OSM - извлечении данных c помощью специальных запросов для объединения их в новые слои, соответствующие классам, кодируемым в Urban Atlas.
Обработка данных заключается в буферизации предварительно выбранных линейных объектов (дорог и русел рек), пересечении слоев, осуществлении вычислений над полями и зональной статистике.
Первый шаг моделирования – дифференциация городской ткани по пяти принятым в Urban Atlas классам плотности (от Continuous high density до Discontinuous very low density) зон застройки. Жилые – residential, промышленные - industrial и деловые - commercial кварталы извлекаются из слоя Landuse OSM запросом «выбрать по атрибуту» в новый отдельный слой «кварталы». В полигональном слое building подсчитываются площади каждого строения, затем этот слой конвертируется в растр и пересекается со слоем «кварталы» инструментом Tabulate area. Результат пересечения присоединяется к исходному слою кварталов и ранжируется по интервалам плотности Urban Atlas.
Второй шаг моделирования – получение класса земель 12210 выборкой запросом из полилинейного слоя highway главных дорог и последующей буферизацией в соответствии с шириной проезжей части и примыкающей полосы отчуждения. Пример запроса:
Третий шаг моделирования – получение остальных классов покрытий посредством выборки необходимых объектов и объединения их в новых слоях. Наиболее сложные выборки связаны с такими категориями землепользования как 14100, 14200 и 32000, объекты которых могут быть распределены в 3-4 стандартных слоях OSM. Эти же слои, как правило, содержат ошибки, допущенные оцифровщиками, которые требует обнаружения и корректировки. Например, городские газоны могут быть отнесены к grassland слоя surface, или цветочные клумбы могут значиться как garden в слое POI-polygon и так далее.
Четвертый шаг моделирования - пересечение вновь полученных слоев (классифицированных согласно земельным категориям Urban Atlas) с целью получения единого слоя покрытия, затем – корректировка геометрии слоя и подсчет площадей, занимаемых каждым классом в абсолютных значениях и процентах.
Принципиальный алгоритм перехода от объектов слоев OSM к типам использования земель Urban Atlas приведены в Таблице 21.9
Таблица 21.9 Объекты слоев OSM, используемые для синтеза элементов Urban Atlas| ТИПЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗЕМЕЛЬ ПО URBAN ATLAS | КОД ПО URBAN ATLAS | ОБЪЕКТЫ, ИЗВЛЕКАЕМЫЕ ПО ЗАПРОСУ В OSM | СЛОИ OSM |
|---|---|---|---|
| 5 urban fabric types (of different density) | 11100-11240 | residential, allotments | landuse-polygon, building-polygon |
| Industrial, commercial, public, military and private units | 12100 | industrial, commercial, military, brownfield; school, hospital | landuse-polygon; poi-polygon |
| Fast transit roads and associated land | 12210 | primary, secondary, tertiary, motorway, trunk | highway-line |
| Railways and associated land | 12230 | railway | railway -line |
| Green urban areas | 14100 | garden, park, theme-park, zoo, water-park; nature-reserve, cemetery | poi-polygon; landuse-polygon |
| Sports and leisure facilities | 14200 | recreation-ground; playground, pitch-sport, horse-riding, golf-course, dog-park, stadium | landuse-polygon; poi-polygon |
| Herbaceous vegetation associations | 32000 | meadow; grassland, heath; fell; reedbed | vegetation-polygon;surface-polygon; poi-polygonwater-polygon |
| Open spaces with little or no vegetation | 33000 | beaches, dunes, sand | poi-polygon |
| Wetlands | 40000 | wetland, bog, marsh, swamp; | water-polygon |
Использование данной методики позволяет получить модель Urban Atlas для территории Старой Москвы и Новой Москвы и данные о типовых категориях земельного покрова Urban Atlas для Москвы
Рис. 21.9 модель Urban Atlas для территории Старой и Новой Москвы
Распределение различных типов землепользования и ландшафтов в границах так называемой "Большой Москвы" на 2016 г. показано в Таблице 21.10
Таблица 21.10 Коды Urban Atlas и соответствующие категории землепользования| Code | Urban Atlas Land Use/ Land Cover item |
Типы землепользования и ландшафтов Урбан Атласа |
Площадь в гектарах | Доля (%) от общей площади |
|---|---|---|---|---|
| 11100 | Continuous urban fabric (S.L. > 80%) | Сплошная застройка высокой плотности (запечатанность > 80%) | 85 | 0,03 |
| 11210 | Discontinuous dense urban fabric (S.L. 50% - 80%) | Сплошная застройка средней плотности с включениями открытых пространств (запечатанность 50%-80%) | 1300 | 0,51 |
| 11220 | Discontinuous medium density urban fabric (S.L. 30% - 50%) | Фрагментированная застройка средней плотности (запечатанность 30%-50%) | 5452 | 2,12 |
| 11230 | Discontinuous low density urban fabric (S.L. 10% - 30%) | Фрагментированная застройка низкой плотности (запечатанность 10%-30%) | 34343 | 13,38 |
| 11240 | Discontinuous very low density urban fabric (S.L. < 10%) | Изолированные фрагменты застройки низкой плотности (запечатанность <10%) | 34499 | 13,43 |
| 12100 | Industrial, commercial, public, military and private units | Промзоны, общественно-деловые и коммерческие, частные и милитаризованные зоны | 16090 | 6,27 |
| 12210 | Fast transit roads and associated land | Магистральные транзитные автодороги и примыкающие зоны отчуждения | 7772 | 3,03 |
| 12220 | Other roads and associated land | Прочие дороги и примыкающие зоны отчуждения | 8831 | 3,44 |
| 12230 | Railways and associated land | Железные дороги и зоны отчуждения | 3412 | 1,33 |
| 12400 | Airports | Аэропорты | 179 | 0,07 |
| 13100 | Mineral extraction and dump sites | Карьеры и свалки | 52 | 0,02 | 13300 | Construction sites | Территории строительства и реконструкции | 3450 | 1,34 | 13400 | Land without current use | Неиспользуемые земли | 234 | 0,09 | 14100 | Green urban areas | Озелененные городские территории | 7414 | 2,89 | 14200 | Sports and leisure facilities | Территории спорта и отдыха | 1020 | 0,40 |
| 21000 | Arable land (annual crops) | Пахотные земли | 31918 | 12,43 |
| 22000 | Permanent crops | Постоянные культуры | 1422 | 0,55 |
| 23000 | Pastures | 321 | 0,13 | |
| 25000 | Orchards | Сады и виноградники | 8 | 0,0 |
| 31000 | Forest | Леса | 86149 | 33,55 |
| 32000 | Herbaceous vegetation associations | Луговая травянистая растительность | 2312 | 0,90 |
| 33000 | Open spaces with little or no vegetation | Открытые пространства с редким растительным покровом, либо без растительности | 5112 | 1,99 |
| 40000 | Wetlands | Ветленды | 834 | 0,32 |
| 50000 | Water | Акватории | 4543 | 1,77 |
Следует подчеркнуть, что OSM - данные, создаваемые усилиями волонтеров, поэтому для разных городов их точность может быть различной, однако, как правило, для крупных городов России (и Москва в их числе) уровень корректности данных достаточно высок. В то же время, при условии достаточной корректности уровень детальности и достоверности этих данных выше, чем у генеральных планов городов либо схем функционального зонирования. Кроме того, доступность их в цифровом виде облегчает процедуру их использование в ходе геоинформационного моделирования.