Основания системного подхода при изучении геосиситем и их компонентов.

Приложение системного анализа к экологии известно под названием системной экологии(СЭ).

Системный анализ [СА] представляет собой дисциплину, разрабатывающую способы исследования разнообразных сложных систем или ситуаций при нечетко поставленных целях (критериях). [Пэнтл Р, 1979] СА - упорядоченная и логическая организация данных и информации в виде моделей, сопровождающаяся строгой проверкой и анализом самих моделей, необходимыми для их верификации и последующего улучшения [Джефферс Дж., 1981]. Модели - формальные описания основных элементов естественнонаучной проблемы в физических или математических терминах.

Что такое СА? Вопреки представлениям многих экологов, СА не есть какой-то математический метод и даже не группа математических методов. Это широкая стратегия научного поиска, которая, конечно, использует математический аппарат и математические концепции, но в рамках систематизированного научного подхода к решению сложных проблем. По существу СА организует наши знания об объекте таким образом, чтобы помочь выбрать нужную стратегию или предсказать результаты одной или нескольких стратегий, которые представляются целесообразными тем, кто должен принимать решения.

Существует очевидное противоречие между огромным объемом фактических материалов, накопленных географическими науками по отдельным компонентам природы, и ограниченными методологическими и методическими возможностями их обобщения и осмысления. В процессе решения методических задач возникают следующие методологические вопросы, ответы на которые имеют принципиальное значение.

1. Как и какими методами осуществить анализ фактического материала, чтобы результаты отражали не только простейшие закономерности, получаемые при сопоставлении обобщенных средних значений, а максимально полно отображали бы многообразие существующих отношений?

2. С помощью какого метода можно осуществить не только анализ предмета исследования, но и синтез такой его модели, которая давала бы возможность предсказывать состояния изучаемого объекта в заданных условиях среды?

3. Каковы условия сопоставимости при анализе характеристик различных компонентов природных систем и внешних условий среды?

4. На основе каких методологических приемов можно не только констатировать факт тех или иных отношений между изучаемыми явлениями, но и исследовать причины, порождающие эти отношения?

5. Для каких реальных природных условий справедливы результаты конкретного анализа реального объекта и построенная на основе такого анализа математическая модель этого объекта?

2. Понятие сложной системы, характеристики сложных систем. Для решения этих вопросов, пришлось обратиться к общей теории систем, особенно к тем ее разделам, которые прямо связаны с проблемами отображения реальных систем в конкретных исследованиях.

Истоки системного анализа, как общенаучного подхода ориентированного на проведение междисциплинарных (комплексных) исследований в различных областях человеческого знания, восходят к началу XX века. Его основы, как теоретической дисциплины, были заложены А.А.Богдановым. Л. Берталанфи.

Понятие системы всегда было атрибутом географии и экологии. Так, еще в 1922 г. Л.С. Берг в работе по теории эволюции рассматривал особенности живого с чисто системных позиций. " Система есть агрегат, приведенный в порядок. В каждой системе можно наблюдать известное закономерное отношение одних элементов к другим" [Л.С. Берг, 1922; цит. по изд. 1977, с. 46]. Агрегат понимается Бергом как " беспорядочное скопление материи, где расположения одних элементов в отношении других подчинено закону случайности".

Как бы ни была определена система, всегда мыслится некоторое множество элементов и какое-то системообразующее отношение. Все различия сводятся лишь к использованию различных системообразующих отношений.

Для систем, образованных из чрезвычайно большого числа компонентов, взаимодействие, взятое в его общем виде, не может сформировать систему из " множества компонентов" [Анохин, 1973, с. 28]. В таких случаях целесообразно определять систему через системообразующий фактор, который в конечном итоге выражает результат ее функционирования. " Системой можно назвать только такой комплекс избирательно вовлеченных компонентов, у которых взаимодействия и взаимоотношения приобретают характер взаимосодействия компонентов на получение фокусированного полезного результата".

Это определение по смыслу почти полностью совпадает с " машиной" Л.С. Берга, под которой он понимал определенный класс систем " Машина есть такая система тел, в которой отдельные элементы образуют единое целое, т.е. являются органами, служащими для выполнения известной цели. Одним из видов машин является организм".

Если пренебречь спецификой конструкции этого определения, то его можно свести к общему случаю: имеется множество компонентов (элементов) и имеются отношения " взаимодействия" и " фокусирования" на множестве возможных результатов. Следовательно, все множество, на котором задана система этого класса, включает не только множество компонентов самой системы, но и некоторое множество компонентов внешней среды, на котором оценивается конкретный результат.

Конкретные системы образуются не только через конкретизацию вида отношений, но и через определение свойств элементов. Свойство – то, что присуще предметам, что отличает их от других предметов или делает их похожими на другие предметы. Каждый предмет обладает бесконечным множеством свойств. Таким образом, предмет нельзя исчерпывающе описать через его свойства. Два предмета, описываемые двумя различными конечными подмножествами свойств, могут быть в одном случае различны, в другом тождественны. Вместе с тем свойства есть объективный атрибут любого предмета.

Итак, существуют реальные объекты, реальные системы, обладающие бесконечным множеством свойств. Предмет исследования как формальная система выделяется на основе лишь ограниченного, конечного множества свойств. Выбор этого конечного множества определяется целью исследования и техническими возможностями. Различные цели - делают необходимым рассмотрение различных свойств, а значит соответственно делают необходимым и выделение различных формальных систем, описывающих с различных позиций одну и ту же реальную систему.

Следовательно, во всех случаях, реализуя системный подход, прежде всего необходимо сформулировать цель конкретного исследования; далее необходимо, исходя из этой цели и возможностей наблюдения, определить множество свойств, потенциально описывающих каждый элемент множества наблюдаемых объектов или явлений; далее, необходимо определить элемент и множество и ввести или определить существующее между ними отношение.

Если на множестве элементов не осуществляется выделение подмножеств, то может быть введено отношение частичного или полного упорядочивания элементов по некоторым свойствам. Введение отношения порядка очевидным образом вводит структуру.

Обобщая пути выделения систем в географии, Н.А. Гвоздецкий называет два основных: " Первый путь – выделение геосистем как особых физико-географических комплексов, объединяемых в функционально-целостные системы односторонне направленными потоками вещества и энергии. Второй путь — рассмотрение в качестве геосистем традиционно выделяемых в физической географии типологических и региональных единиц" [1977, с. 62-64]. Для первого пути основным системообразующим отношением служит некоторая функция, определяющая соответствие между элементами в пространстве (например, трансформация энергии или вещества). При втором пути геосистемы выделяются на основе объединения территориально соседствующих элементов отношением подобия.

При выделении конкретных систем ведущее значение приобретает цель исследования, и в конечном итоге именно она определяет избираемые системообразующие отношения, свойства элементов и объем рассматриваемого множества.

Общая цель исследования формальных систем как некоторых абстрактных отображений реальной природы заключается, во-первых, в описании их функций и структуры и, во-вторых, в установлении связи структуры с качеством и особенностями реализации каждой из конкретных функций. Совокупность таких действий приводит к созданию некоторой модели реальной системы, т.е. к формулировке представлений, достаточных для предсказания поведения реального объекта. Предсказание поведения создает возможность управления объектом.

Оставаясь в рамках системного подхода, можно реализовать два пути: вo-пepвыx, пoльзyяcь некоторыми априорными прeдстaвлeниями об отношениях, построить некоторую систему-модель и осуществить проверку ее соответствия реальному объекту, выделенному на тождественном множестве свойств, и во вторых определив некоторое множество элементов и их свойств, попытаться, отказавшись первоначально от априорных представлений, построить модель, непосредственно исследуя поведение системы.

Свойство управлять чем-то или своим собственным состоянием – обязательный атрибут любой системы. Управляет ли система внешним по отношению к ней объектом или управляет сама собой, зависит как от ее типа, так и от условий ее определения. Понятие " управляющая" акцентирует внимание в первую очередь на изучение наиболее существенных свойств системы.

Управляющая система задаётся элементами, схемой и координатами. Как было показано выше, элементы определяются через их свойства. Схема показывает характер соединения между элементами, а координаты – относительное положение этих элементов. Применительно к геосистемам совокупность элементов, схемы и координат определяет структуру системы. Какого типа будет рассматриваемая структура, зависит от способа, каким будут заданы координаты. Например, функционально-трофическая структура экосистемы подразумевает выделение элементов по свойству питания и определенную последовательность их соединения. Схемой в этом случае являются ребра графа, соединяющие элементы по трофическим связям, в координатой может быть, например, порядок поступления вещества и энергии к элементам системы. Но могут быть введены другие координаты, например вторая определит место каждого элемента по количеству трансформированной энергии, третья – вещества, четвертая – приращению энергии за единицу времени и т.д.

Любая управляющая система не мыслится без понятия функции. В наиболее общем случае функция есть отображение одного множества в другом. Применительно к реальным объектам это определение в принципе сохраняет свою силу. Так, если на множестве свойств каких-либо элементов задано множество их состояний, то функция устанавливает соответствие (не обязательно однозначное) между состояниями этих элементов. В качестве функции управляющей системы в целом может рассматриваться отображение множества состояний входов на множество состояний выходов. Такое отображение дает представление о поведении системы.

Система может обладать многими функциями, каждая из которых дает отображение состояний входов на множество состояний одного из выходов. Функция, которая обеспечивает постоянство (инвариантность) некоторого состояния или конечного множества состояний на выходе системы при всем разнообразии комбинаций состояний на входах, может быть определена как целевая. Иными словами, целевая функция это та функция, которая в самых разнообразных условиях среды обеспечивает сохранение определенного состояния системы или переход в это состояние.

Цель технических управляющих систем формулируется заранее перед их созданием, и в конечном итоге именно она и определяет структуру самой системы. Что касается природных систем, то, во-первых, они могут иметь несколько целей, а во-вторых, эти цели часто не явны и исследователю не известны. При изучении таких объектов основная задача и заключается в установлении их целевой функции. Однако достаточно часто для таких систем, так же как и для технических, целевая функция, исходя из общих соображений, вводится до начала исследований. Так, считается, что цель фитоценоза – максимизация продуктивности, но с других позиций цель этой же системы может быть определена как максимизация инвариантности к возмущениям внешней среды, или максимизация устойчивости.

Введение цели в управляющую систему обязательно и потому, что только цель дает возможность оптимизировать систему для реализации заданной цели. Именно с таких позиций подходит, например, к логическому построению пространственной и временной структуры геосистемы В.Н. Солнцев [1976]. В качестве целевой функции геосистемы им в неявном виде вводится " целостность" системы и устойчивость ее свойств и процессов в природных взаимодействиях. Действительно, если бы этого не было, то выделение геосистемы как относительно замкнутого образования было бы невозможно.

Из наиболее существенных черт системы отметим следующие:

1) система состоит из отдельных частей (элементов), между которыми устанавливаются определенные взаимоотношения (связи);

2) наборы элементов образуют подсистемы;

3) система обладает определенной структурой, под которой понимается набор элементов системы и характер связи между ними;

4) каждая система может рассматриваться как часть системы более высокого порядка (принцип иерархичности);

5)система имеет определенные границы, характеризующие ее обособленность от окружающей среды:

6) по степени " прозрачности" границ системы разделяются на открытые и закрытые:

7) связи классифицируются на внутрисистемные и межсистемные. положительные и отрицательные, прямые и обратные:

8) система характеризуется устойчивостью, степенью самоорганизации и саморегуляции.

Новые идеи самоорганизации систем были предложены в 70-е годы нашего столетия И. Пригожиным. Среди них важным было положение не о статическом, а динамическом характере многих систем, с особой силой проявляющееся в системах открытого типа. Самоорганизацию системы И. Пригожин рассматривает как результат неравновесных состояний. Теория самоорганизации систем называется синергетикой. В отличие от кибернетики, в которой основное внимание уделяется изучению процессов управления и обмена информацией, синергетика изучает математическими методами процессы самоорганизации различных систем (физических, экологических и т.д.).

Центральное место в СА занимает моделирование. Модель – это объект (материальный. идеальный), который воспроизводит наиболее существенные черты и свойства рассматриваемого явления или процесса. Целью построения модели является получение и/или расширение знаний об исследуемом объекте.

3. Этапы системного анализа. При использовании системного анализа в решении практических задач экологии выделяется семь этапов. Эти этапы и их взаимосвязь схематически представлены на рис. 1.1 и вкратце описаны ниже.

Рис. 1.1 – Этапы системного анализа и их взаимосвязь

1. Выбор проблемы.Осознание того, что существует некая проблема (или совокупность взаимосвязанных проблем), которую можно исследовать с помощью СА и которая достаточно важна для детального изучения, не всегда оказывается тривиальным шагом. Как показывает горький опыт, удивительно легко просмотреть какие-то практические аспекты экологии, которые необходимо было учесть, и не менее легко поверить, что общепринятые представления об экологических процессах и системах истинны уже потому, что они широко распространены. Однако осознание того, что исследование действительно необходимо, столь же важно, как и выбор правильного метода исследования. С одной стороны, можно взяться, за решение проблемы, не поддающейся СА, а с другой — выбрать проблему, которая не требует для своего решения всей мощи СА и изучать которую данным методом было бы неэкономично. Такая двойственность первого этапа делает его критическим для успеха или неудачи всего исследования.

2. Постановка задачи и ограничение степени ее сложности.Коль скоро существование проблемы осознано, требуется упростить задачу настолько, чтобы она скорее всего имела аналитическое решение, сохраняя в то же время все те элементы, которые делают проблему достаточно интересной для практического изучения. Здесь мы вновь имеем дело с критическим этапом любого системного исследования. Вывод о том, стоит ли рассматривать тот или иной аспект данной проблемы, а также результаты сопоставления значимости конкретного аспекта для аналитического отражения ситуации с его ролью в усложнении задачи, которое вполне может сделать ее неразрешимой, часто зависит от накопленного опыта в применении СА. Именно на этом этапе опытный специалист по СА может внести наиболее весомый вклад в решение проблемы. Успех или неудача всего исследования во многом зависят от тонкого равновесии между упрощением и усложнением — равновесия, при котором сохранены все связи с исходной проблемой, достаточные для того, чтобы аналитическое решение поддавалось интерпретации. Не один заманчивый проект оказывался в конце концов неосуществленным из-за того, что принятый уровень сложности затруднял последующее моделирование, не позволяя получить решение. И напротив, в результате многих системных исследований, выполненных в самых разных областях экологии, были получены тривиальные решения задач, которые на самом деле составляли лишь подмножества исходных проблем.

На этапе постановка задачи необходимо, как правило, перейти от достаточно общей формулировки задачи к осмысливанию имеющихся данных и возможностей, к познанию того, чем можно управлять, а чем нельзя, к качественному представлению о компонентах системы и их взаимосвязи.

3. Установление иерархии целей и задач. После постановки задачи и ограничения степени ее сложности можно приступать к установлению целей и задач исследования. Обычно эти цели и задачи образуют некую иерархию, причем основные задачи последовательно подразделяются на ряд второстепенных. В такой иерархии необходимо определить приоритеты различных стадий и соотнести их с теми усилиями, которые необходимо приложить для достижения поставленных целей. Таким образом, в сложном исследовании специалист по СА может присвоить сравнительно малый приоритет тем целям и задачам, которые, хотя и важны с точки зрения получения научной информации, довольно слабо влияют на вид решений, принимаемых относительно воздействий на экосистему и управления ею. В иной ситуации, когда данная задача составляет часть программы какого-то фундаментального исследования, исследователь заведомо ограничен определенными формами управления и концентрирует максимум усилий на задачах, которые непосредственно связаны с самими экологическими процессами. Во всяком случае, для плодотворного применения СА очень важно, чтобы приоритеты, присвоенные различным задачам, были четко определены.

4. Выбор путей решения задачи.На данном этапе исследователь обычно может выбрать несколько путей решения проблемы. Как правило, опытному специалисту СА сразу видны семейства возможных решений конкретных задач. В общем случае он будет искать наиболее общее аналитическое решение, поскольку это позволит максимально использовать результаты исследования аналогичных задач и соответствующий математический аппарат. Каждая конкретная задача обычно может быть решена более чем одним способом. И вновь выбор семейства, в рамках которого следует искать аналитическое решение, зависит от опыта специалиста по СА. Неопытный исследователь может затратить много времени и денег в бесплодных попытках применить решение из какого-то семейства, не сознавая, что это решение получено при допущениях, не справедливых для того частного случая, с которым он имеет дело. Аналитик же часто, разрабатывает несколько альтернативных решений и только позже останавливается на том из них, которое лучше подходит для его задачи.

5. Моделирование.После того как проанализированы подходящие альтернативы, можно приступать к важному этапу моделирования сложных динамических взаимосвязей между различными аспектами проблемы. При этом необходимо помнить, что моделируемым процессам, а также механизмам обратной связи присуща внутренняя неопределенность, а это может значительно усложнить как понимание системы, так и ее управляемость. Кроме того, в самом процессе моделирования нужно учитывать сложный ряд правил, которые необходимо будет соблюдать при выработке решения о подходящей стратегии.

На этапе моделирования и анализа необходимо от качественного описания системы перейти к количественному.

6. Оценка возможных стратегий.На этапе оценки возможных вариантов решения должна быть дана оценка возможных вариантов решения по степени их предпочтительности.

Как только моделирование доведено до стадии, на которой модель можно (по крайней мере, предварительно) использовать, начинается этап оценки потенциальных стратегий, полученных из модели. В ходе этой оценки исследуется чувствительность результатов к допущениям, сделанным при построении модели, поскольку правомочность этих допущений можно проверить лишь в процессе использования модели. Если окажется, что основные допущения некорректны, возможно, придется вернуться к этапу моделирования, но часто удается улучшить модель, незначительно модифицировав исходный вариант. Обычно необходимо также исследовать «чувствительность» модели к тем аспектам проблемы, которые были исключены из формального анализа на втором этапе, т. е. когда ставилась задача и ограничивалась степень ее сложности.

7. Внедрение результатов. Заключительный этап СА представляет собой применение на практике результатов, которые были получены на предыдущих этапах. Если исследование проводилось по вышеописанной схеме, то шаги, которые необходимо для этого предпринять, будут достаточно очевидны. Тем не менее СА нельзя считать завершенным, пока исследование не дойдет до стадии практического применения, и именно в этом отношении многие выполненные ранее работы оказывались неполными. В то же время как раз на последнем этапе может выявиться неполнота тех или иных стадий или необходимость их пересмотра, в результате чего понадобится еще раз пройти какие-то из уже завершенных этапов.

Поскольку СА представляет собой скорее способ мышления, нежели определенный набор рецептов, приведенный выше перечень должен рассматриваться только как руководство к действию. При решении конкретных задач некоторые из этапов могут быть исключены или изменен порядок их следования; иногда придется повторить эти этапы в различных комбинациях. Например, может оказаться необходимым пересмотреть роль исключенных из рассмотрения факторов, что потребует пройти несколько раз стадии моделирования и оценки возможных стратегий.

Цель описанного выше многоэтапного системного анализа состоит в том, чтобы помочь выбрать правильную стратегию при решении практических задач, в данном случае в области экологии. Структура этого анализа направлена на то, чтобы сосредоточить главные усилия на сложных и, как правило, крупномасштабных проблемах, не поддающихся решению более простыми методами исследования, например наблюдением и прямым экспериментированием. Из-за сложности проблем, для решения которых обычно применяется СА, последний часто предполагает использование ЭВМ для обработки и анализа данных, а также сложного математического аппарата для проведения выбора между альтернативными решениями. Однако ни использование ЭВМ, ни привлечение математического аппарата, ни то и другое, вместе взятое, не является основной особенностью СА, как такового.

Особый вклад системного анализа в решение различных проблем обусловлен тем, что он позволяет выявить те факторы и взаимосвязи, которые впоследствии могут оказаться весьма существенными, что он дает возможность так видоизменять методику наблюдений и эксперимент, чтобы включить эти факторы в рассмотрение, и освещает слабые места гипотез и допущений. Как научный метод СА с его акцентом на проверку гипотез через эксперименты и строгие выборочные процедуры создает мощные инструменты познания физического мира и объединяет эти инструменты в систему гибкого, но строгого исследования сложных явлений.

Определив в общих чертах, что такое СА, выясним, почему мы вынуждены использовать его в экологии. Отчасти дело здесь в относительной сложности экологии как науки, имеющей дело с разнообразными взаимодействиями между огромным множеством организмов. Почти все эти взаимодействия динамические в том смысле, что они зависят от времени и постоянно изменяются. Более того, взаимодействия часто имеют ту особенность, которую в технике называют «обратной связью», т. е. характеризуются тем, что некоторые эффекты процесса возвращаются к своему источнику или к предыдущей стадии, в результате чего эти эффекты усиливаются или видоизменяются. Обратные связи бывают положительными (усиление эффекта) и отрицательными (ослабление эффекта). Сама обратная связь может быть достаточно сложной, включая в себя ряд положительных и отрицательных эффектов, а последствия могут зависеть от факторов внешней среды.

Есть, однако, и еще одно основание для применения СА в экологии. По самой своей природе экологическое исследование часто требует больших масштабов времени.

Включая в себя самые различные аспекты системного подхода и допуская применение самого различного математического аппарата, такая схема упорядочивает весь процесс исследования от начальных этапов, когда существует лишь некоторая общая цель и самые общие представления об объектах, до формулировки конкретных гипотез и теории и их практической проверки. Следует отметить, что эта схема не содержит в принципе ничего нового для естествоиспытателя, однако, постулируя последовательность решения задач и определяя основные подходы к их решению, она делает весь путь исследования более ясным и определенным.

Абстрактный математический подход к изучению географических явлений дает огромные преимущества, так как позволяет увидеть не только часть проблемы или частный прием, а всю проблему в целом, весь возможный арсенал взаимосвязанных и взаимодополняющих приемов.

Если какое-то природное явление хорошо интерпретируется в рамках какого-либо формального языка, то есть все основания полагать, что множество частных результатов, вытекающих из аксиом и логической структуры этого формального языка, будет обнаружено и в самом этом природном явлении. Абстрактный математический подход в отличие от конкретного подхода например такого, каким пользуются сейчас география и экология, позволяет при достаточно простых общих логико-математических основаниях получить разнообразные частные следствия, сделать явным, контролируемым и конструктивным весь процесс исследования. Но достижимо это лишь в том случае, если идеи математики и ее конкретные методы имеют глубокие аналогии с мышлением естествоиспытателя и предметом исследования.

4. Системный анализ и моделирование в физической географии. Системный подход в физической географии органично вписался в существовавшие представления о взаимодействии природных компонентов в рамках природных территориальных комплексов. Большая заслуга в развитии системной методологии в географических исследованиях принадлежит таким отечественным географам, как В.Б.Сочава. В.С. Преображенский. А.Д. Арманд. К.Н. Дьяконов. Ю.Г. Пузаченко, А.О. Ретеюм. Ю.Г.Симонов, В.Н. Солнцев и другие Из зарубежных исследований по системному анализу наиболее известны работы Р.Чорли и В. Кеннеди. И. Крхо. Я. Дерека.

Методология системного анализа используется для изучения функционирования геосистем. Функционирование геосистем происходит в условиях обмена вещества, энергии и информации с окружающей средой. Благодаря наличию обратных связей, геосистемы являются саморегулируемыми системами.

Существенное значение для географических систем приобретает такой важнейший постулат системного анализа, как принцип иерархичности систем и эмерджентности (каждая система благодаря взаимодействию отдельных элементов системы есть нечто большее, чем набор ее частей).

Для систем, геосистем в особенности, характерно наличие как детерминированных, так и случайных факторов в развитии системы.

В настоящее время наблюдается наиболее активный период в развитии системного анализа, что связано с использованием ЭВМ для организации банков данных, обработки информации методами компьютерного моделирования. Методы системного анализа востребованы прежде всего там, где требуется всесторонний анализ изучаемого явления или процесса для выбора наиболее оптимальной стратегии управления.

Подробный анализ различных моделей и принципов их конструирования применительно к географическим объектам осуществлен А.Д. Армандом, О.Г. Симоновым, В.С. Преображенским и др.

Наибольшее развитие в географии нашли методы статистического моделирования (корреляционный, регрессионный, факторный анализ), вызванные необходимостью обработки экспериментальных данных, полученных на географических стационарах. Эти методы позволили выполнить работы, связанные с оценкой межкомпонентных связей ПТК различных рангов, анализом пространственно-временных состояний вещества в геосистемах.

Благодаря исследованиям Ю.Г. Пузаченко и А.Д. Арманда большую популярность получил метод информационного анализа, используемый для изучения структуры ПТК.

Географическое прогнозирование выдвинуло в число первоочередных задач создание методологии географического моделирования как основы прогнозных оценок, разработку теории принятия решений в географических экспертизах и определение их роли в географическом прогнозе.

Важной частью прогнозных исследований явилось построение графически представленных моделей функционирования геосистем (моносистемных по терминологии В.С. Преображенского) с выделением прямых и обратных связей и оценкой этих связей (коэффициент корреляции, информационный коэффициент связи).

Получили развитие различные динамические модели – начиная от простых балансовых и заканчивая моделями, основанными на регрессионных зависимостях или дифференциальных уравнениях. Необходимо отметить, что модели процессов массоэнергообмена на уровне отдельных элементов геосистемы создаются прежде всего различными отраслевыми дисциплинами (физика почв, геоморфология, гидрология и т.д.). Что касается ландшафтного моделирования, оно заимствует конкретные модели, разработанные в этих дисциплинах (миграция в почвах, поверхностный смыв и т.д.) и интегрирует их в обобщенную систему моделирования и анализа ландшафтных структур.

В настоящее время значительное развитие получает физико-математические модели массоэнергообмена в ландшафте, использующие аппарат математической физики. Вместе с тем все большую роль приобретают географические принципы построения моделей, использующие геоинформационную технологию.

В середине 80-ых годов начинается новый этап а географическом моделировании как следствие появления персональных электронно-вычислительных машин (ПЭВМ), обладавших дружественным интерфейсом пользователя, широко развитыми средствами математического анализа, включающими электронные таблицы, различные пакеты по обработке данных и моделированию. От пользователя уже не требуется специальных знаний по компьютерному моделированию, но при этом повышается роль географа как постановщика задач моделирования и интерпретатора получаемых результатов

Создание геоинформационных систем позволило проводить географическое моделирование в привычном для географа виде – картографическом. Геоинформационная технология обеспечивает наиболее привычный для географа инструментарий исследования, так как моделирование выполняется на картографической основе.

Это создало принципиально новую ситуацию и возможности географического моделирования. При традиционном экологическом подходе моделирование выполняется для каждого контура в отдельности, исходя из понимания его как однородной по условиям функционирования среды. Ландшафтный подход исходит из признания реально существующей сложности географического пространства, в котором происходят процессы миграции. Поэтому при моделировании миграции веществ на базе ландшафтного подхода главным становится выбор в качестве операционных единиц не отдельных контуров, а того гетерогенного набора взаимодействующих морфологических частей ландшафта, между которыми происходит перераспределение мигрирующих элементов в результате действия таких факторов, как ветровая и водная эрозия, биогенный перенос, техногенная деятельность.

При таком подходе принципиальное значение приобретает изучение не только " функционирования" элементарных природных систем, но и " геометрия" потоков мигрирующих веществ. Такое моделирование возможно только на картографической основе, использующей различные модели организации природных систем (морфологии ландшафта, каскадных систем и т.д.).

Использование компьютеров в географических исследованиях коренным образом меняет технологию сбора, подготовки и обработки информации. Географическое моделирование начинается уже с планирования полевых исследований, выбора репрезентативной сети измеряемых параметров в зависимости от решаемой задачи, т.е. сбор данных выполняется " под модель".

Существенное значение в информационном обеспечении географических моделей имеет представительность и точность измерений параметров геосистем. С внедрением компыотеров, в особенности персональных, резко повышаются требования к качеству географической информации заносимой в ГИС с целью дальнейшей обработки.

Кроме того, если ранее географ отдавал предпочтение какому-либо одному методу (одна модель), что часто отражалось в приверженности к конкретной научной школе, то использование компьютеров создает условия проведения анализа на основе нескольких моделей (многовариантность моделирования). Этим объясняется необходимость планирования компьютерных экспериментов для получения знаний о свойствах и характере поведения исследуемого объекта на основе различных моделей.

Использование ЭВМ позволяет изучить на модели такие процессы, которые невозможно воспроизвести в натуре, например. последствия " ядерной зимы", вызванные атомной войной. Компьютерное моделирование глобального ядерного конфликта показало бесперспективность гонки ядерных вооружений, грозящей превратить Землю в безжизненную ядерную пустыню, в том числе и для стран, не участвующих в конфликте.

Лекция № 2

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒