170113 (Применение цифровых приборов при экологических исследованиях)

«ТЕХНИКА И ПРОГРАММИРОВАНИЕ В ЭКОЛОГИИ»

Стремительный рост общей численности населения планеты совместно с усилением техногенных воздействий на окружающую среду существенно меняют ход глобальных природных процессов на Земле. В настоящее время масштабы естественных и антропогенных процессов стали сопоставимыми, а соотношение между ними продолжает изменяться в сторону возрастания мощности антропогенного воздействия на биосферу.

Термин «экология» был введен в употребление немецким естествоиспытателем Э.Геккелем в 1866г. и в дословном переводе с греческого обозначает науку о доме (ойкос – дом, жилище; логос - учение). В настоящее время смысл термина «экология» существенно трансформировался: экология стала более ориентированной на человека в связи с его исключительно масштабным и специфическим влиянием на среду. Современную экологию можно рассматривать как науку, занимающуюся изучением существования и взаимоотношений живых организмов, в том числе и человека, со средой обитания, определением масштабов и допустимых пределов воздействия человеческого общества на среду, возможностей уменьшения этих воздействий или их полной нейтрализации.

Содержание термина «экология», таким образом, приобрело социально-политический, философский аспект. Экология при этом рассматривается не только как самостоятельная дисциплина, а как мировоззрение, призванное пронизывать все науки, технологические процессы и сферы деятельности людей. Таким образом, не только технический прогресс и деятельность людей влияют на экологию, но и экология в свою очередь использует результаты достижений современных технологий для влияния на мировоззрение людей и дальнейшее развитие технологических процессов.

Рассмотрим, чем может быть полезен технический прогресс с точки зрения экологии, как прикладной науки. На рисунке ниже представлена общая схема глобального техногенного воздействия на биогеохимические циклы экосистемы.

Системный подход к решению экологических проблем в условиях усиленных антропогенных нагрузок предполагает комплексное изучение протекающих в ландшафтно-географической среде процессов. Решение данной задачи невозможно как без привлечения методов прогнозирования, так и без регулярных наблюдений за объектами экосистемы и сбора статистического материала на протяжении длительного периода времени для получения выборки, объем которой позволяется получать вероятностные значения с заданной точностью.

Таким образом в современной экологии использование технических средств и оборудования может рассматриваться с двух точек зрения:

1. при построении машинных имитационных моделей и применении математических методов прогнозирования, и математическое моделирование здесь – один из основных инструментов системного анализа, позволяющий в ряде случаев избежать трудоемких и дорогостоящих натурных элементов;

2. при проведении исследований состояния отдельных объектов окружающее среды для получения информации об уровне их загрязнения, мониторинга изменений экологических факторов, накопления статистического материала в целях наполнения соответствующих баз данных, реализации системы оптимального управления уровнем антропогенного воздействия на объекты экосистемы.

А. Рассмотрим использование аппаратных, технических и программных средств в целях математического моделирования и построения имитационных моделей в экологии:

Проблема адекватности и точности прогноза (как в экологии, так и в других науках) выдвигается в настоящее время на одно из первых мест. С развитием ЭВМ все большее распространение получают математические модели, стремящиеся к максимально адекватному описанию объекта за счет расширения количества описываемых процессов и более детального их описания. Для решения задач, связанных с управлением реально существующими экосистемами строятся машинные (имитационные) модели с использованием программно-аппаратных средств последнего поколения. При разработке таких моделей приходится считаться с тем фактом, что современные ЭВМ являются вычислителями дискретного действия, изначально не предназначенными для решения задач моделирования. Поэтому в процессе создания имитационных моделей приходится разрабатывать для них специальное математическое и программное обеспечение.

В то же время нестационарный и стохастический характер развития экологических систем приводит к значительной априорной неопределенности, которая вызывает серьезные трудности при моделировании.

В настоящее время можно отметить два направления развития имитационного моделирования экологических систем, где предлагаются достаточно конструктивные средства для работы с неопределенностью.

Первое направление оформилось как методика решения задач идентификации и верификации экологических моделей. Под идентификацией экологической модели понимается процесс определения и уточнения численных значений коэффициентов модели при исследовании конкретной экологической ситуации.

Для верификации моделей круговорота биогенных элементов используется методика связности, существенно уменьшающая неопределенность модели с помощью выделения связей, наложенных на параметры (из условий сохранения устойчивости особых точек для нескольких итераций модели).

Верификация существенно уменьшает неопределенность модели, но все же не дает однозначных численных значений для всех параметров системы. Поэтому коэффициенты модели, оставшиеся неопределенными, необходимо идентифицировать по реальным данным.

Второе направление представляет достаточно успешную попытку совместить процесс обнаружения скрытых закономерностей развития экосистемы и их интеграцию в математическую модель. В качестве методологической основы для данного подхода используется общая теория систем и теория статистических решений. Уточнение и конкретизация структуры модели осуществляется за счет сужения множества гипотез. Под структурой модели в данном контексте понимается алгоритм, определяющий вычисление выходных переменных системы через значения переменных на входе.

Говоря об имитационном моделировании, нельзя не отметить тот факт, что качественный анализ экологических моделей развит достаточно глубоко только для моделей малой размерности. Поэтому даже при наличии имитационной модели, обладающей всеми возможными достоинствами, дать оценку общего состояния экосистемы по 15-20 различным графиком представляется весьма затруднительно.

Рассмотрим информационную систему и систему поддержки мониторинга на следующих примерах:

I. Информационная система TerraNorte, призванная осуществлять систематизированное хранение и обновление географических баз данных мониторинга наземных экосистем Северной Евразии и обеспечивать удаленный доступ пользователей к информации на основе Интернет-технологий.

Система TerraNorte является одним из ключевых структурных элементов системы спутникового мониторинга наземных экосистем Северной Евразии, функциональная схема которого в обобщенном виде представлена на рис. 1 и включает в себя следующие основные компоненты:

1. Подсистема сбора и предварительной обработки спутниковых данных;

2. Подсистема тематического анализа спутниковых данных;

3. Подсистема анализа данных и моделирования;

4. Информационная система TerraNorte.

Ниже рассмотрено содержание указанных компонентов системы спутникового мониторинга наземных экосистем Северной Евразии.

Подсистема сбора и предварительной обработки спутниковых данных предназначена для формирования архивов данных спутниковых наблюдений и получения улучшенных, т.е. очищенных от влияния факторов, ограничивающих их использование (облака, тени, аппаратные помехи и т.д.), а также при необходимости скорректированных за влияние атмосферы, угловых условий освещения и наблюдения, продуктов данных.

Классифицируя доступные в настоящее время и активно используемые для мониторинга наземных экосистем Северной Евразии спутниковые системы оптического диапазона длин волн по уровню пространственного разрешения, можно выделить следующие основные группы:

Данные низкого пространственного разрешения (~ 1 км), имеющие, как правило, наиболее высокую периодичность наблюдений и способные не реже чем ежесуточно обеспечивать глобальное покрытие Земли (в бореальной зоне до 2-3 раз в зависимости от широты местности). К спутниковым инструментам этого уровня разрешения относятся системы NOAA-AVHRR, SPOT-Vegetation и Terra/Aqua-MODIS, обеспечивающие получение данных измерений в широком диапазоне длин волн оптического спектра.

Данные среднего пространственного разрешения (~ 250-500 м), к числу которых относятся наблюдения, проводимые спутниковыми системами Terra/Aqua-MODIS и Envisat-MERIS. Эти системы, как правило, способны обеспечить глобальное покрытие в течение 1-3 дней и также проводят измерения в широком диапазоне длин волн.

Данные высокого пространственного разрешения (~ 20-50 м), обеспечивающие, как правило, частоту наблюдений одной территории не чаще чем один раз в две недели. К спутниковым системам этого класса, в частности относятся Landsat-TM/ETM+, SPOT-HRV/HRVIR, Terra-ASTER, Метеор-3М/МСУ-Э.

Данные сверхвысокого пространственного разрешения (~ 1-3 м), применяемые, как правило, для выборочных наблюдений на нерегулярной основе. К их числу, в частности, относятся спутниковые системы IKОNOS, Quick Bird и SPOT-HRG.

Комбинированное использование спутниковых данных указанных выше групп, в совокупности с наличием соответствующих алгоритмов анализа данных и методов пространственного моделирования, позволяет спроектировать систему мониторинга наземных экосистем Северной Евразии, обеспечивающую квазинепрерывность наблюдений при субконтинентальном охвате территории и получении в ряде случаев детальных характеристик ключевых объектов и явлений.

В настоящее время спутниковые данные и результаты их обработки поступают в систему из центра приема ИКИ РАН и центров сбора и обработки данных различных российских институтов (ИСЗФ СО РАН, ИОА СО РАН, ИКФИА СО РАН и др.). В систему также поступают данные из специализированных Российских и международных центров приема, обработки и распространения спутниковых данных. При этом комплекс работ по созданию TerraNorte не предусматривает разработки новых технических и программных средств сбора и предварительной обработки спутниковых данных, а реализация соответствующей подсистемы основывается на тесной интеграции TerraNorte с комплексом разработанных в ИКИ РАН автоматических технологий обработки различных типов спутниковых данных.

Подсистема анализа данных и моделирования процессов в наземных экосистемах предназначена для создания производных информационных продуктов высокого уровня на основе банка данных TerraNorte с использованием специализированных алгоритмов тематического анализа и математических моделей и включает в себя, в частности, следующие типы моделей:

1. модели продукционных процессов в наземных экосистемах;

2. модели сукцессонной динамики растительности;

3. модели взаимодействия наземных экосистем и климата;

4. модели оценки компонентов цикла углерода и других биогеохимических циклов;

5. модели циклов энергии и воды.

Структура информационной системы TerraNorte включает в себя ряд рассмотренных ниже компонентов, а именно:

1. Банк данных

2. Геоинформационная система

3. Подсистема удаленного доступа к данным

Банк данных является ядром информационной системы TerraNorte. Геоинформационная система предназначена для осуществления двух основных функций, а именно для обеспечения доступа локальных пользователей к банку данных TerraNorte, а также для проведения пространственного анализа и моделирования с целью получения производных информационных продуктов второго и более высокого уровней на основе различных пространственных данных. Подсистема удаленного доступа к данным на основе Интернет-технологий обеспечивает пользователям возможность получения как собственно информационных продуктов из банка данных, так и данных в виде табличных и графических документов, синтезируемых в соответствии с запросами пользователей. В настоящее время пользователи могут получить доступ к информационной системе TerraNorte через web-сайт по адресу http://terranorte.iki.rssi.ru.

Особенности программно-аппаратной реализации системы TerraNorte

Техническая реализация информационной системы TerraNorte основана на объединенном использовании нескольких файл-серверов, обеспечивающих хранение содержимого банка данных. При этом данные распределены между серверами в соответствии с их статусом (входные, промежуточные, выходные), типом (спутниковые, картографические, табличные) и форматом хранения (СУБД, бинарные файлы, файлы в формате ГИС-пакетов и др.)

Доступ конечных пользователей к данным системы обеспечивается web-сервером.

Разработка информационной системы поддержана Российским Фондом Фундаментальных Исследований (проект № 04-07-90263-в).

II. Система АРМ ЭКОМ (автоматизированное рабочее место экологического мониторинга).

Программная система АРМ ЭКОМ является многофункциональной информационной системой, построенной на базе ГИС МарInfo. Назначение системы состоит в хранении, обработке и представлении цифровой картографической, экологической и других видов информации. Система позволяет:

- осуществлять сбор, классификацию и упорядочивание экологической информации;