Use of Geographic Information System in Environmental Science

Mgr. Ondřej Sáňka, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Environmentální věda, jakožto mladá vědní disciplína, prochází v posledních desetiletích rychlým vývojem. Společně s populačním růstem a vznikem nových technologií roste rozmanitost a množství environmentálních problémů, což vede k diverzifikaci na více environmentálních disciplín. Jednou z nich je environmentální chemie, zabývající se chemickým znečištěním životního prostředí a jeho následky. Nicméně, problémy environmentální chemie, jako složitost chování znečišťujících látek a jejich osud, vyžadují zapojení nástrojů a technik jiných disciplín, než jen chemie, např. meteorologie, geologie, hydrologie, sociologie, geografie, a kartografie a geografické informační systémy (GIS). Tato disertační práce popisuje a demonstruje důležitost prostorové složky informace, která je součástí naprosté většiny dat environmentální chemie. Tato data disponují velkým potenciálem pro analýzu, a vizualizaci pomocí GIS, přičemž GIS může pomoci objasnit vztahy s jinými fyzikálními a socioekonomickými faktory. Tato práce zároveň popisuje širokou paletu přístupů, nástrojů a dat GIS, vhodných k použití v environmentální chemii, ale také problémy s tím spojené. Experimentální část této dizertační práce detailněji popisuje několik případů úspěšné aplikace GIS v případech environmentální chemie, s důrazem na využití GIS v environmentálním modelování. První oddíl experimentální části práce (kapitola 2) popisuje dvě případové studie použití GIS k přípravě vstupních dat pro modelování rozptylu polycyklických aromatických uhlovodíků (PAHs) v ovzduší, a pro vizualizaci výsledků modelování. V těchto studiích se GIS ukázal jako nenahraditelný díky své schopnosti zpracovat velké množství dat a jeho výsledky přispěly k identifikaci možných příčin diferencí mezi rozptylovým modelem a pasivním vzorkováním ovzduší. Druhý oddíl kapitoly 2 popisuje studii použití komplexního modelu, zahrnujícího více složek životního prostředí na povodí řeky Moravy k odhadu transportních procesů a osudu p’p-DDT v půdě a říční vodě. Také v této studii představuje GIS významnou roli v přípravě a zpracování vstupních dat o povodí pro model. Třetí oddíl stručně popisuje tři případy použití GIS k analýze a vizualizaci dat, podporující výsledky vědeckých studií.

Abstract:

Environmental science as a young scientific discipline is undergoing rapid development in recent decades. Together with population growth and the introduction of new technologies the variety and number of environmental issues is growing, resulting in diversification to more environmental disciplines. One of these is environmental chemistry, dealing with chemical pollution of the environment and its consequences. However, the challenges of environmental chemistry, such as complex pollutant behaviour and fate call for tools and techniques from scientific disciplines beyond only chemistry, such as meteorology, geology, hydrology, sociology, geography, and cartography and geographic information systems (GIS). This thesis describes and demonstrates the importance of the spatial component of information, which is a part of the absolute majority of environmental chemistry data. These data have a large potential to be processed, analysed and visualized by GIS, and GIS can help reveal possible relations with other physical and socioeconomic environmental descriptors. This thesis also describes the broad range of GIS approaches, tools and data available for use in environmental chemistry, as well as some challenges related to it. Several cases where GIS was successfully applied in environmental chemistry studies are described more in detail in the experimental part of the thesis, with particular emphasis on the use of GIS in environmental modelling. The first section of the experimental part of the thesis (Chapter 2) reports on two case studies where GIS was used to process input data for modelling polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) dispersion in air, as well as to visualize results of the modelling. GIS was an irreplaceable tool in these studies, through its ability to deal with large amounts of input data, and also contributed to understanding the reasons for differences between the dispersion model and passive air sampling results. The second section of Chapter 2 introduces the application of a complex multi-compartmental environmental model on a watershed of the Morava River to estimate the transport paths and fate of p’p-DDT in soils and river water. GIS also played a crucial role in this study in the preparation and processing of input data on the watershed. The third section briefly describes three cases where GIS analyses were used to produce and visualize information supporting the results of scientific studies.

Keywords

Environmentální věda, geografický informační systém, kartografická vizualizace, znečištění životního prostředí, prostorová analýza, environmentální modelování Environmental science, geographic information system, cartographic visualization, spatial data, environmental pollution, spatial analysis, environmental modelling

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 12. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 26. 1. 2016
• Supervisor: doc. RNDr. Pavel Čupr, Ph.D.
• Reader: prof. RNDr. Milan Konečný, CSc., doc. Ing. Branislav Vrana, PhD., doc. Ing. Miloš Zapletal, Dr.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry (4-years) / Environmental Chemistry