4210

наиболее адекватному математическому моделированию неустойчивых систем. Марковские цепи можно использовать в управлении динамикой экосистемы с целью регуляции её функционирования, что, несомненно, важно при решении проблемы эффективного природопользования.

На рис.8 представлены графики изменений четырёх классов экосистемы, полученные с помощью МЦ. Начало отсчёта - 1954 г., а единица измерения по временной шкале - шаг квантования в марковских цепях, равный интервалу между наблюдениями. Из рисунка отчётливо видно различие в характере изменения кривых. Обращает на себя внимание возникновение немонотонности в некоторые периоды наблюдений. Это отчётливо видно при сравнении, например, периодов 1954-1958гг. и 1958-1964гт. В начале наблюдений (1954-1958) динамика системы носит монотонный устойчивый характер, где каждый класс со временем стабилизируется и приходит к равновесному состоянию. Совершенно иная картина для периода 1958-1964 гг. Значительно возрастает интенсивность дефляции исходных несбитых и слабосбитых пастбищ, уменьшающихся к 1964 г. до катастрофически малых размеров, и образование дефляционных песков, составляющих около 40% к концу периода. Визуальный анализ марковских цепей позволяет изучать характер поведения экосистемы на качественном уровне. Ход кривых для периода 19701979 гг. явно констатирует критический распад пастбищ к 1979 г., если матрица переходов останется неизменной. Анализируя кривые хода марковского процесса для других периодов (рис. 8), можно отслеживать характер динамики системы и принимать оптимальные решения для управления.

Биологические системы с самоорганизацией на фоне хаоса флуктуирующих процессов обнаруживают регулярные и устойчивые структуры. Исследование таких явлений на макроскопическом уровне пока, насколько нам известно, не проводились (макроуровень означает здесь системы геологических масштабов). На языке неравновесных флуктуации И. Пригожиным показана макроскопическая неоднородность протекания процессов вблизи не-

29

равновесных состояний, приводящих в ряде случаев к промежуточной организации структуры системы.

Рис.8. Марковские цепи дефляционных процессов. Начальные векторы состояний приняты по данным космического мониторинга : 1 - несбитые и слабосбитые пастбища и сенокосы; 2 - среднесбитые пастбища; 3 - сильносбитые пастбища; 4 -полностью сбитые дефляционные пески, лишенные почв и растительности

Ожидание аналогичных проявлений свойств систем на уровне геоэкологии вполне оправдано. Если законы неравновесной динамики справедливы

30

для открытых систем на молекулярном уровне, вполне возможно их продолжение на макросистемы (экосистемы).

Моделирование с помощью МЦ позволило определить времена стабильного существования того или иного класса системы. Итогом главы является вывод о том, что математический аппарат марковских цепей позволяет создать простую математическую модель, с помощью которой представляется возможным определять условия устойчивого динамического равновесия систем геоэкологии и делать долгосрочные прогнозы. Использование МЦ возможно также в управлении динамикой системы с целью регулирования её функционирования и может оказаться эффективным при решении задач оптимальногоприродопользования.

Рассмотренные в диссертации процессы, протекающие в открытых нелинейных экосистемах геоэкологии, сравниваются с процессами в "неживых" системах, в средах неорганического происхождения. Оказалось, что исследованные ранее [А.Н. Салугин, В.А. Повицкий, 1976, 1977, 1978] процессы коррозии металлов в агрессивной воздушной среде, а также температурные превращения в окисных системах железа имеют качественное сходство по характеру своего поведения с динамикой систем в геоэкологии. Взрывной скачок скорости изменения процесса коррозии (температурного превращения) и затем постепенное его выравнивание качественно совпадают с явлениями на склонах или дефляционными процессами. В процессе зарождения продуктов коррозии, например, можно выделить начальную фазу, для которой окисные частицы, коррозируемая среда и атмосфера образуют открытую систему. Такой она будет оставаться до тех пор, пока не израсходуется весь коррозируемый материал и система прекращает своё существование. Аналогия с геоэкологическими процессами здесь очевидна. Следует отметить, что несмотря на сложность изучаемых систем они адекватно описываются нелинейными моделями и отражают один из основных законов природы - необратимость.

31

6. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ КОМПЬЮТЕРНОГО ДЕШИФРИРОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ДЕГРАДАЦИИ ЭКОСИСТЕМ

Изучение проблемы устойчивости окружающей среды в антропогенных условиях требует отслеживания состояния экосистемы (мониторинга). В данной главе отражены основные концепции информационных технологий обработки данных аэрокосмического мониторинга в виде разновременных АКФ. Компьютерные технологии позволяют объединить профессиональный опыт учёных в определённой предметной области, интеллектуальные способности геоинформационных систем (ГИС) и вычислительные возможности ЭВМ. Вместе с тем существуют трудности, обусловленные качеством видеоинформации, её репрезентативностью, проблемами неопределённости при дешифровке и т.д.

С помощью картографического и математического моделирования дефляции растительного покрова - основного экзогенного процесса в регионах с повышенной аридностью были выявлены причины возникновения и рассчитан прогноз его развития в зависимости от климатических и антропогенных факторов [Б. В. Виноградов, К. Н. Кулик, А.Н. Салугин, 1993]. Полученные материалы дали возможность осуществлять оперативную, экономичную и достоверную оценку экологического потенциала аридных территорий [А.Н. Салугин, К. Н. Кулик, 2000].

В главе описываются методы дешифрирования АКФ с целью получения априорной информации из данных мониторинга. Сделана попытка объединения нескольких приёмов и технологий в одну интегрированную систему дешифрирования (ИСКД), позволяющую осуществлять распознавание объектов с помощью разработанного алфавита классов и словаря признаков. Алгоритмы программ графической обработки снимков служили задачам класси-

32

фикации объектов и их выделению на фоне генеральной совокупности, составляющей изображение.

Методика предусматривает предварительную подготовку данных с использованием алгоритмов цифровой обработки изображений: фильтрация, расслоение, векторизация, идентификация и т.п. . Полученная информация являлась исходным материалом для аналитического и интеллектуального блоков. Аналитический блок содержит обработку исходных цифровых данных с учётом пространственного распределения и временной динамики, процедуры статистической обработки, определения скорости и ускорения процессов дефляции, построение карт динамики, распознавания образов и т.д.). Интеллектуальный блок позволяет получать оценку и давать прогноз деградации экосистем, включает экспертную систему для распознавания, математическое моделирование и рациональное использование природных ресурсов с учётом ограничений, обеспечивающих устойчивое функционирование системы.

Применение цветовых фильтров позволило перейти к наиболее прогрессивному методу локализации классов при решении задачи распознавания. Фильтры с различной полосой пропускания, векторизация и расслоение позволили детализировать изображения, выделять на панхромных фотоснимках объекты, неразличимые для глаза, избавляться от шумов. ИСКД предоставила возможность осуществить послойную визуализацию для предварительного анализа подстилающей поверхности, качественной оценки временного тренда или просто для экспресс-анализа. Использование слоев позволило получить количественную информацию в виде гистограмм, кривых распределения, таблиц и т.д.

Для компьютерной идентификации АКФ в работе использовались общие концептуальные методы распознавания, предусматривающие поэтапную идентификацию с обучением. После вербальной классификации в форме алфавита классов определялись признаки, описывающие выделенные классы.

33

Из словаря признаков выделялись признаки, которые могут быть реально идентифицированы (форма, рисунок, яркость, контрастность и т.д.). Затем на основе априорных данных с помощью словаря признаков осуществлялась идентификация классов.

Критерии опустынивания были разбиты на несколько ступеней. Уровень опустынивания определялся соответствующим признаком из составленного словаря. При расшифровке АКФ классификация объектов, принадлежащих различным степеням деградации, включала четыре уровня: фоновый (I), умеренный (II), сильный (III), очень сильный (IV), отражающих зоны экологических состояний: норма, риск, кризис и бедствие.

Основным прямым признаком, по которому производилась классификация, был тон фотоизображения. Следуя классификации степеней деградации земель, признаки объектов АКФ были определены по фону следующим образом: фоновый уровень — темно-серый и темный; умеренный уровень - серый и светло-серый; сильный - светло-серый и светлый; очень сильный - светлый или почти белый. Этим признакам соответствуют коэффициенты оптических плотностей: 1; 1-0,8; 0,8-0,4; 0,4-0,2; менее 0,2 [К.Н. Кулик, В.И. Петров, И.П.Свинцов, А.С. Рулёв, А.Н. Салугин, 2003].

В словарь признаков входили также форма, рисунок и площадь объекта. Было установлено, что форма и площадь очагов дефляции могут служить индикаторами уровней опустынивания. Умеренный уровень разрушения определялся объектами концентрической формы и рассеянному точечному рисунку. Сильная деградация сопровождается очагами в форме полос, которые образуются слиянием мелких очагов в направлении господствующих ветров. Пятнистая и неправильная форма соответствуют очень сильному уровню деградации. Эти объекты образованы слиянием очагов дефляции, образовавшихся от интенсивного выпаса скота и распашки почв. Площадь отдельных объектов при этом достигает 120 км2, а общая площадь объектов пятнистой формы при сильной степени деградации составляет порядка 90% площади

34

всех очагов. Было замечено, что скорость дефляции зависит не только от количества очагов дефляции, но и от их величины. Это объясняется физикой процесса выветривания, протекающего по контуру разрушаемого класса: чем больше развита поверхность, тем выше скорость разрушения. Была составлена шкала количественных и качественных признаков деградации, определяющая процедуру распознавания.

Район Чёрных земель, исследуемый в диссертации, является эталонным для полупустынных зон. Полученные в работе материалы по дешифрированию могут быть распространены на другие аридные территории геосистем как в нашей стране, так и за рубежом. Методология и ЭВМ-технология обработки аэрокосмических фотоизображений земной поверхности, разработанные нами для исследования динамики функционирования пастбищных систем, позволяют определять условия их адаптивного существования и самовосстановления. Предельные нагрузки, полученные при моделировании, служат основой для стратегии рационального природопользования. Применение ЭВМ для обработки АКФ раскрывает новые качественные и количественные характеристики изображений, ранее используемыми исследователями без компьютерной обработки. Изучение проблемы устойчивости систем геоэкологии в антропогенных условиях требует значительных затрат при проведении натурных экспериментов и наблюдений. Отмеченные проблемы в значительной степени устраняются с помощью аэрокосмического мониторинга и внедрения компьютерных технологий. Полученные результаты, на наш взгляд, стимулируют развитие нового направления в экологии аридных геосистем - динамическое картографирование.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Склоновые системы и системы биотического происхождения на подстилающей поверхности за счет обратной связи стремятся к самосохранению.

35

Динамические аспекты поведения систем в геоэкологии определяют их способность к самоорганизации. Это является важным обстоятельством при планировании использования природных ресурсов, рациональном природопользовании. Математическое моделирование применяется как основа для принятия оптимальныхрешений.

2. Изученные методы решения и разработанные математиче-

ские модели указывают на новые возможности в познании сложных систем. Современная технология компьютерных методов позволяет подойти к исследованию процессов с точки зрения идентификации систем, составляя соответствующую математическую модель и исследуя её свойства, а не оригинальныйобъект.

3. Значительное увеличение скорости выполнения арифметических операций современными ЭВМ и оперативной памяти явились причиной изменения концепций математического моделирования. Вместо явных формул используются вычислительные методы. Стоимость сложных численных расчетов существенно понизилась, в то время как число арифметических операций, необходимых для получения отдельного технического или научного проекта, значительно возросло. Не менее важным достижением является значительный прорыв в разработках математических пакетов научного направления, грамотное использование возможностей которых привело к успешному результату при реализации моделей различной природы.

4. Применение математического моделирования в геоэкологии особенно эффективно из-за больших пространственно-временных размеров экосистем. Разработанные математические модели динамики склонов показали, что все они применимы для описания соответствующих им типов склонов. Универсальность и общность математического моделирования при этом сохраняется.

5. С помощью балансовых и диффузионных моделей получена эволюция пространственной формы склонов. Исследование физической природы

36

процесса смыва послужило основой для создания нелинейной модели. Динамическое равновесие рельефа, связанное с устойчивостью склоновых систем, определяется краевыми и начальными условиями задачи. Численный эксперимент позволяет выявить условия эволюции без бифуркаций.

6. Предложен концептуально новый подход к проблеме разработки математических моделей систем геоэкологии и методов их реализации. Математическое обеспечение в виде предметно-ориентированных пакетов используется в процессе разработки математических моделей. Сочетание аналитического и численного решений позволило расширить круг решаемых задач и обеспечить большую наглядность за счёт цифровых методов визуализации решений вплоть до анимационных эффектов, необходимых для наблюдения за динамикой процессов развития систем.

7. Методология обработки картографической информации с применением современных аппаратных и программных средств с целью получения данных для математического моделирования процессов смыва почв основана на последовательно-параллельной схеме. Разработанная технология может быть использована при решении задач более общего плана: математического моделирования процессов оврагообразования и формирования склонов, решения проблемы генезиса водосборов и размещения противоэрозионных рубежей. Полученные геофизические параметры используются при расчёте смыва почв и построения тематических карт по признакам геоморфологии, степени эродируемости и т.п.

8. С помощью математического моделирования было выявлено нелинейное поведение пастбищной системы Чёрных земель Калмыкии, выявлены точки неустойчивого состояния (точки бифуркации), которые определили режимы рационального использования. Исследования показали, что эксплуатация экосистемы требует регулирования нагрузки в зависимости от её состояния в текущий момент и проведения восстановительных работ.

37

резонансной спектроскопии: Автореферат дис. ... канд.физ.-мат.наук. - Москва, ИХФ АН СССР, 1978.-189с.

12.Spin reorientation on hematite (а-Fe2Оз) with Al inpurity //Phys. Stat. Sol (b). - 1978. -T.87. - P. 101 - 104 (соавт. V. A. Povitskii, Yu. V. Baldokhin, N. V. Elistratov).

13.Анализ вариантов математической модели эволюции склона в результате эрозионно-аккумулятивного процесса // Методы исследования водной эрозии в противоэрозионной мелиорации. - Волгоград, 1989. -С. 145 - 158 (соавт. Е. А. Гаршинев).

14.Интеллектуальный интерфейс в компьютерном курсе по системному анализу. Экспертные системы // Тезисы докладов конференции "Компьютер в преподавании строит. мех. и строит. конструкций".— Пенза, 1992. - С.9 - 10 (соавт. Ю. И. Усков).

15.Методика полевого моделирования эрозии и расчета смыва // - Москва : ВАСХНИЛ, 1991. - 42 с (соавт. Гаршинев Е. А. и др.).

16.Прогнозирование процессов опустынивания пастбищ Западного Прикаспия на основе аэрокосмической фотоинформации // Лесомелиорация и ландшафт. - Волгоград, 1993.- С. 67-82 (соавт. Б. В. Виноградов, К. Н. Кулик).

17.Использование математических пакетов для обработки картографической информации в целях проектирования противоэрозионных мероприятий // Материалы Российской научной конф. - Саратов, 1998. - С. 139140 (соавт.

Е.А. Гаршинев, Н.Н. Овечко, А.В. Филиппов).

18.Математическое и картографическое моделирование противоэрозионных мероприятий с использованием геоинформационных систем // Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Волгоград, 1998. - С.7576 (соавт. Е. А. Гаршинев, Н.Н. Овечко, А.В. Филиппов).

19.Разработка интегрированной системы картографического моделирования деградации ландшафтов // Тезисы Всероссийской научно-практической конференции. — Волгоград, 1998. - С. 7981(соавт. И.А. Салугин, К.Н. Кулик,

А.С. Рулёв).

20.Математическое моделирование динамических переходов в экосистемах // Вестник Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии. - Волгоград, 1999. - вып. 2. - С. 42 - 47.

21.Динамическое программирование для обеспечения рационального использования пастбищ // Проблемы природопользования и сохранения биоразнообразия в условиях опустынивания. / Материалы межрегиональной на- учно-практической конференции. - Волгоград, 2000. - С. 223 - 225.

22. Управление к прогноз в экологии почвенного покрова // Проблемы рационального природопользования аридных зон Евразии. / Составление и редакция В. П. Зволинского и Д. И. Хомякова. Под общей редакцией акад.

40