Динамика таежных геосистем Предбайкалья моделирование и прогнозирование

Краткое описание

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ... 4

ГЛАВА 1. ГЕОСИСТЕМЫ -ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИРОДНЫЕ СИСТЕМЫ

... 12

•*[. 1. Основные понятия и методы исследования географических объектов

как динамических систем... 12

1.1.1. Основыне понятия... 12

1.1.2. Графы и модели... 22

1.2. Динамика и устойчивость геосистем... 24

1.3. Исследование и моделирование динамики компонентов геосистем... 27

1.3.1. Лесная растительность... 29

1.3.2. Динамика популяций животных... 36

1.3.3. Гидрологическая динамика... 38

1.3.4. Геохимические процессы__... 40

1.4. Система математических моделей таежных геосистем. Модели динамики биотических компонентов... 43

1.5. Учет изменения эколого-экономической ситуации при моделировании

и решении прогнозных задач... 47

ГЛАВА 2. ТЕРРИТОРИАЛЬНЫЕ И ГЕОСИСТЕМНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАЙОНА

ИССЛЕДОВАНИЯ... 50

2.1. Территориальные особенности Предбайкалья... 50

2.2. Динамика лесов Предбайкалья... 56

2.3. Описание ключевого участка и методика натурных 62 исследований...

2.3.1. Усть-11лимский район... 62

2.3.2. Общая характеристика используемой информации... 66

2.3.3. Методика наземных наблюдений и обработки результатов... 71

2.4. Ландшафтно-динамическая структура района исследования... 79

ГЛАВА 3. ГЕОИПФОРМАЦИОШЮЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ ГЕОСИСТЕМ... 86

3.1. Информационное обеспечение задач прогнозирования динамики растительного покрова... 86

3.2. Интегрированная многоуровневая геоинформационная система оценки состояния таежных геосистем предбайкалья... 89

3.2.1. П 1С состояния лесного фонда... 89

3.2.2. П 1С квартальных итогов... 92

3.2.3. ГИС иовыделыюй информации... 96

3.2.4. ГИС «Животные ресурсы Иркутской области»... 98

3.2.5. ГИС мониторинга лесных пожаров и прогнозирования динамики

лесных ресурсов... 100

3.3. Ландшафты Иркутской области... 104

ГЛАВА 4. МНОГОУРОВНЕВАЯ СИСТЕМА МАТЕМАТИЧЕСКИХ

МОДЕЛЕЙ: ОПИСАНИЕ, ПРОВЕРКА ГИПОТЕЗ И ОЦЕНКА КОЭФФИЦИЕНТОВ .. Ю7

3

4.1. Однозначность прогнозных динамических моделей... 107

4.2. Многоуровневая система моделей... 111

"V" 4.2.1. Модели локального уроння... 111

4.2.2. Модели субрегионального уровня... 112

4.2.3. Модели регионального уровня... 113

4.3. Прогноз динамики лесных ресурсов Иркутской области... 115

4.4. Проверка работоспособности моделей и правильности опенки коэффициентов базовых уравнении, связь с ландшафтной структурой территории... 117

4.5. Ландшафтная обусловленность направления и интенсивности биотических процессов в приангарской тайге... 127

ГЛАВА 5. АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ГЕОСИСТЕМ И ПРОГНОЗНОЕ

КАРТОГРАФИРОВАНИЕ... 135

5.1. Анализ антропогенной динамики геосистем по разновременным космическим снимкам... 135

5.2. Выделение природных границ но временной серии космических снимков 142

5.3. Математическое моделирование сезонной динамики геосистем по космическим геоизображениям... 148

5.4. Прогнозно-анимационное картографирование динамики растительного

ПОКРОВА... 156

5.5. Восстановительно-возрастная динамика лесного покрова в разных ландшафтных ситуациях (ландшафтная идентификация)... 163

5.5.1. Взаимосвязь классификационных лесотипологических и ландшафтно-географических единиц... 164

5.5.2. Восстановительно-возрастная динамика лесного покрова в Усть-

11л нмском районе... 167

ЗАКЛЮЧЕНИЕ... 184

ЛИТЕРАТУРА... 189

ПРИЛОЖЕНИЕ 1... 202

ПРИЛОЖЕНИЕ 2... 208

ПРИЛОЖЕНИЕ 3... 214

ПРИЛОЖЕНИЕ 4... 218
Введение

Введение

г^~ К числу основных задач учения о геосистемах В.Б. Сочава (1978) относил

моделирование геосистем с учетом их спонтанной и антропогенной динамики и соответствующих им природных режимов, поиск рациональных приемов количественной оценки геосистем и ландшафтообразующих процессов, познание пространственно-временных закономерностей и анализ состояний геосистем.

В связи с этим актуальным остается решение задачи изучения и моделирования динамики таежных геосистем, в частности, района Предбайкалья, который характеризуется уникальными и контрастными природными условиями, с одной стороны, разнообразным и активным антропогенным воздействием на геосистемы, с другой.

Современное моделирование основано на совместном использовании натурных исследований, геоинформационных технологий, способствующих эффективному решению научных и прикладных задач оценки и контроля состояния геосистем, и математических моделей прогнозирования динамики геосистем, описывающих фундаментальные закономерности смены состояний таежных лесов с учетом местных особенностей природной среды. По причине продолжительности восстановительно-возрастной динамики геосистем математические модели стано--^- вятся необходимым и единственным инструментом для исследования естествен-

ной динамики геосистем и оценки последствий воздействия внешних антропогенных факторов.

Цели исследовании - системное изучение факторов, условий, закономерностей динамики таежных геосистем, их внутренних и внешних связей, совершенствование информационных основ и развитие математических методов моделирования геосистем с учетом особенностей их местоположения, разработка методов прогнозно-динамического картографирования таежных геосистем на различных уровнях организации.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи.

1. Провести анализ методов исследования и моделирования компонентов геосистем как динамических систем.

2. Разработать методы оценки параметров математических моделей прогнозирования динамики геосистем применительно к конкретным географическим ме-

¦* стоположениям.

3. Реализовать методику автоматизированного выделения границ геосистем но временным сериям космических снимков.

5

4. Создать геоинформационную систему оценки состояния и прогноза дина- мики таежных геосистем Предбайкалья.

5. Разработать методику прогнозно-динамического картографирования лесов на различных уровнях организации геосистем.

Объект исследования - таежные ландшафты Предбайкалья разной степени антропогенной нарушенности. Натурные работы проводились в Слюдянском, Иркутском, Ольхонском и Усть-Илимском районах Иркутской области. В качестве модельной территории выбраны ландшафты Усть-Илимского района. Предмет исследовании — структура и динамика геосистем.

Исходные материалы. Для территории Предбайкалья использовались космические снимки высокого (Ресурс-Ф2М (МК-4), Terra (Aster), Landsat (TM, ЕТМ+)) и низкого пространственного разрешения (NOAA/AVHRR), топографические карты М1:100 000, 1:200 000 (бумажный и электронный варианты), данные государственного учета лесного фонда лесхозов Иркутской области, лесотаксаци-онные материалы по Усть-Илимскому району, материалы маршрутных исследований, литературные источники и тематические карты различного содержания.

Методы исследовании. Исследования выполнены с использованием методов натурных физико-географических исследований, математического, компыо- терного и геоинформационного моделирования, статистического анализа данных, визуального и автоматизированного дешифрирования космических снимков.

Теоретической основой и руководящими принципами данной работы стали идеи, изложенные в учении о геосистемах В.Б. Сочавы и экспериментальном ландшафтоведении А.А. Крауклиса, теоретические представления о методах дистанционного зондирования Б.В. Виноградова, А.Д. Китова, А.К. Черкашина, методология полисистемного моделирования А.К. Черкашина, результаты Л.В. Попова но исследованию восстановительных рядов но генетическим типам леса, ландшафтный метод изучения лесов Д.М. Киреева, представления о роли пожаров в формирование лесов В.В. Фуряева.

Научная новизна.

1. Впервые разработана комплексная ГИС, отражающая ландшафты и состояние компонентов региональной системы Предбайкалья и их изменение под влиянием хозяйственной деятельности.

2. Проведен специальный анализ главных тенденций естественных и антропогенных изменений таежных лесов Иркутской области за 30-летний период, до-казана адекватность результатов расчета по региональной математической модели лесных ресурсов наблюдаемым за этот период изменениям в лесном фонде.

6

3. Созданы основные блоки интегрированной ГИС, объединяющей опера-^v. тивную космическую информацию, материалы текущей инвентаризации природных ресурсов, хозяйственные характеристики природопользования, ландшафтно-типологические карты разного масштаба и многоуровневую систему математических моделей.

4. Проведены расчеты показателей интенсивности динамических процессов в лесах Предбайкалья и доказано существование связи этих показателей с ландшафтной структурой территорий.

5. Проверена и обоснована адекватность моделей геосистемным процессам субрегионального и локального уровня и возможность их использования для решения задач прогнозирования динамики лесов.

6. Впервые разработана и реализована методика прогнозно-динамического картографирования лесов на различных уровнях организации геосистем на основе принципов геоинформационного моделирования и картографирования.

Практическое значение и внедрение.

Исследования выполнялись по следующим научным темам Института географии СО РАН.

2.-5.2.3. Развитие методов получения, преобразования и отображения гео-а, , графических данных и знаний о состоянии природной среды.

Раздел 2.1. Разработка принципов и методов картографирования и геоин-формашюнных технологий с целью создания комплексных и тематических ГИС для решения природно-хозяйственных проблем географического содержания.

Раздел 2.2. Геоиндикационные исследования природных и природно-хозяйственных систем юга Восточной Сибири.

1.3. Проблема 3. Современные методы получения, отображения и анализа данных.

Раздел 1.3.1. Разработка методов пространственно-временного анализа и картографирования структуры и динамики природных и природно-технических комплексов на основе космических геоизображений и новых информационных технологий.

Раздел 1.3.2. Теория и методы полигеосистемного моделирования географических объектов различной сложности.

Результаты работы вошли в отчеты и были применены в рамках следующих проектов.

1. "Системы географических знаний как основа эколого-географической экспертизы" (Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда

/ ' территории

7 фундаментальных исследований Проект 99-05-64075).

2. 'ТИС планирования политики землепользования Слюдянского района (Иркутской области)" (Проект ROLL 11 6GR3/ISC-9S).

3. "Оценка фактического и потенциального аккумулирования углерода в бо-реальных экосистемах Сибири" (Интеграционный проект №67-2000 Сибирского отделения РАН).

4. "Системный анализ динамики лесных ресурсов Иркутской области (моделирование естественной и антропогенной динамики)" (Проект РФФИ 01-05-06226мас, рук. И.Н. Владимиров).

5. "Компьютерная система прогнозирования и управления динамикой лесных ресурсов" (договор-контракт с Администрацией Иркутской области, совместно с центром космического мониторинга Институтом солнечно-земной физики СО РАН).

6. "Разработка и внедрение механизмов устойчивого природопользования в центральной зоне Байкальского региона" (Проект по программе "Местные инициативы" (ГЭФ) (IO10008-S3).

7. "Теория геосистем: основные понятия и законы" (Проект РФФИ JS» 02-05-65054).

Полученные результаты переданы для практического использования в сле-дующие организации:

- информационно-аналитический комитет администрации Иркутской области;

- Мэрия Слюдянского района Иркутской области;

- Иркутское управление лесами;

- Иркутский региональный Центр геоинформационных технологий;

- Центр космического мониторинга Института солнечно-земной физики СО РАН.

Защищаемые положения.

1. Геоинформационная система, объединяющая оперативную космическую информацию, материалы текущей инвентаризации природных ресурсов, хозяйственные характеристики природопользования, ландшафтно-типологические карты разного масштаба и систему математических моделей, становится информационной основой для проведения географических исследований, прогнозирования и планирования использования природных ресурсов на разных уровнях организации

8

2. Коэффициенты динамических моделей однозначно определяются гео- графическим местоположением, разновидностью условий среды, что позволяет иараметризировать расчетные уравнения и получать достоверные прогнозы динамики биотической составляющей таежных геосистем.

3. Математические модели динамики геосистем, реализующиеся в комплексе с геоинформационными системами и системами географических знаний, -эффективное средство обработки космической и наземной информации для выявления скрытых закономерностей и прогнозно-динамического картографирования ландшафтов.

Личный вклад автора.

Основные результаты исследования получены автором лично. В совместных работах автор был ведущим специалистом в разработке геоинформационного обеспечения моделирования, анализа и прогнозирования динамики таежных лесов, структуры базы данных ГИС лесных ресурсов, методов определения параметров моделей динамики геосистем, в проведении расчетов и экспедиционных работ. На разных этапах исследований часть работ проводилась совместно с к.т.н. Е.А. Чер-капшным и Л.К. Чудненко (Институт динамики систем и теории управления СО РАН) при создании компьютерных программ для прогнозно-анимационного кар- тографирования динамики растительного покрова (раздел 5.4. - ими создано программное обеспечение); с С.А. Тащилиным, Н.А. Абушенко, А.В. Татарниковым и Д.А. Алтынцевым (Центр космического мониторинга Института солнечно-земной физики СО РАН) при разработке и создании ГИС мониторинга лесных пожаров на территории Иркутской области и прогнозирования динамики лесных ресурсов (раздел 3.2.5 - ими разработаны компьютерные программы и создана квартальная сеть для ГИС).

Апробации работы.

Основные положения и результаты исследования доложены и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: научно-практической конференции "Вопросы охраны и изучения горных экосистем Байкальского региона" (сентябрь 1999 г., п. Танхой, Республика Бурятия); XXXVIII международной научной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс" (март 2000 г., г. Новосибирск); геоэкологической школе-семинаре Института Географии СО РАН (апрель 2000 г., г. Иркутск); международной конференции "Интеркарто 6: ГИС для устойчивого развития территорий" (август 2000 г., г. Апатиты); всероссийской конференции "Экология ландшафта и планирование землепользования"

9 (сентябрь 2000 г., г. Иркутск); конференции "Дендрологические исследования в

чрс* Байкальской Сибири" (декабрь 2000 г., г. Иркутск); практической конференции "Региональная геоинформатика- 2001" (февраль 2001 г., г. Иркутск); презентации результатов ландшафтного планирования и экологического зонирования Байкальской природной территории в рамках Российско-германского сотрудничества по реализации Федерального закона "Об охране озера Байкал", заданий Администрации Иркутской области и Министерства природных ресурсов Российской Федерации (февраль 2001 г., г. Иркутск); XIV молодежной всероссийской научной конференции "Географические идеи и концепции как инструмент познания окружающего мира" (апрель 2001 г., г. Иркутск); студенческой конференции "Байкальский регион: состояние, ресурсы, экологические проблемы" (апрель 2001 г., г. Иркутск); VII научном совещании по прикладной географии (май 2001 г., г. Иркутск); международной конференции "Интеркарто 7: ГИС для устойчивого развития территорий" (июль 2001 г., г. Петропавловск-Камчатский); школе-семинаре "Математическое моделирование и информационные технологии: состояние и перспективы" (октябрь 2001 г., г. Иркутск и п. Лршан); XI научном совещании географов Сибири и Дальнего Востока (ноябрь 2001 г., г. Иркутск); всероссийской научно-методической конференции "Дистанционные исследования и картографи-'- рование структуры и динамики геосистем" (апрель 2002 г., г. Иркутск); всероссий-

ской конференции (с международным участием) "Информационные технологии в энергетике, экономике, экологии" (июль 2002 г., г. Иркутск); Сибирской региональной ГИС-конференции (июль-август 2002 г., г. Иркутск); XI Международной конференции IBFRA (International Boreal Forest Research Association) "Boreal Forests and Environment: Local, Regional and Global Scales" (август 2002 г., г. Красноярск); международной научной конференции "Природно-ресурсный потенциал Азиатской России и сопредельных стран: пути совершенствования использования" в рамках II Байкальского экономического форума (сентябрь 2002 г., г. Иркутск); VII научной конференции по тематической картографии: "Картографическое и геоинформационное обеспечение управления региональным развитием" (ноябрь 2002 г., г. Иркутск); XV конференции молодых географов Сибири и Дальнего Востока "География: новые методы и перспективы развития" (апрель 2003 г., г. Иркутск); Всероссийской конференции "Дистанционное зондирование поверхно-

-^ сти земли и атмосферы" (июнь 2003 г., г. Иркутск); международной конференции

"Интеркарто 9: ГИС для устойчивого развития территорий" (июнь 2003 г., гг.. Новороссийск, Севастополь); Всероссийской конференции "Математические и ин-

10

формационные технологии в энергетике, экономике, экологии" (июль 2003 г., г. Иркутск); международной конференции "Закон Российской Федерации "Об охране озера Байкал» как фактор устойчивого развития Байкальского региона"" (сентябрь 2003 г., г. Иркутске); международной конференции "ИнтерКарто/ИнтерГИС 10: устойчивое развитие территорий: геоинформационное обеспечение и практический опыт" (июнь 2004 г., г. Владивосток (Россия), г. Чаньчунь (КНР)).

Основное содержание исследований изложено в 27 публикациях, в том числе в 20 работах по теме диссертации.

Структура и объем работы.

Па рисунке В.1. представлена блок-схема диссертационной работы, графически показывающая основные этапы исследования и их технологическую последовательность.

Космическая информация

Методы аналша космической информации

1'азноеременные данные

дистанционного зонди-.

рования Земти

Методы выделение

границ ландшафтно-

тилоготических единии

Автоматизированное выделение ландшафтно-типологических единии

Динамика геосистем

Моделирование сезонной динамики

Векторизация ландшафтной карты «Ландшафты юга Восточной СиОири»

Создание ландшафтной

карты на модельную

территорию

Методы исследования и моделирования геосистем как динамических

_____систем_____

Системные исследования факторов, условий, закономерностей динамики таежных геосистем, ее внутренних и внешних связей

Опенка начальных состояний и расчет коэффициентов моделей

Параметризация математической модели с учетом лзндшафтно-типологической принадлежности выделоа

Создание компьютерной программы моделирования биотической компоненты геосистем

Рис. В.1. Блок-схема диссертационной работы

Данные накмныч исследований

Данные лесоустройа-

ва, лесотаксационные

описания

т

I еоинфорчационная

система, включающая

базы данных рапичной

статистической инфор-

мз

Ыц\у

Прогнозные динамические карш

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и четырех приложений, имеет общий объем 221 страницу, содержит 56 рисунков, 16 таблиц. Список литературы включает 194 наименования.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы основная цель работы и решаемые в ней задачи, показаны ее научная новизна и практическая

11

значимость, приведены сведения об исходных материалах, объектах и методах ис- следования, результатах апробации работы и публикациях.

В первой главе раскрываются основные теоретические и методические положения, которые явились основой работы.

Во второй главе проанализированы физико-географические и хозяйственные условия формирования геосистем Предбайкалья и ключевого участка в Усть-Илимском районе Иркутской области.

Третья глава посвящена геоинформационному обеспечению задач прогнозирования динамики геосистем, дано описание интегрированной многоуровневой геоинформационной системы оценки состояния таежных геосистем Предбайкалья.

В четвертой главе описывается многоуровневая система математических моделей, проводится проверка работоспособности моделей и правильности оценки коэффициентов базовых уравнений, рассматривается ландшафтная обусловленность направления и интенсивности биотических процессов в тайге Предбайкалья.

В пятой главе представлены результаты приложения математических моделей, геоинформационных систем, космической информации и методов ее обработки к анализу динамики геосистем и анимационному картографированию; рассмотрена восстановительно-возрастная динамика лесного покрова в разных ландшафтных ситуациях.

В заключении подводятся итоги проведенного исследования, приводятся основные выводы.

Автор выражает свою искреннюю признательность к.т.н. Е.А. Черкашину и Л.К. Чудненко за помощь в создании программы моделирования динамики лесных экосистем, к.г.н. Т.Н. Коноваловой за полезные советы при ландшафтном картографировании ключевого участка, к.т.н. Л.Д. Китову за полезные советы при использовании программного обеспечения ГИС, научным сотрудникам ЦКМ ИЗСФ СО РАН С.Л. Тащилину и Н.А. Абушенко за предоставленные материалы дистанционного зондирования Земли.

Автор благодарит д.г.н. А.К. Черкашина за научное руководство диссертационной работой.

ГЛАВА 1

.v-

ГЕОСИСТЕМЫ -ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИРОДНЫЕ СИСТЕМЫ

"Динамическая трактовка таежных геосистем — не только важное условие для их классификации на всех ее уровнях. Она необходима для установления возможных путей трансформации таежного ландшафта и разработки географических прогнозов для таежных районов. Динамика геосистем, как известно, определяется взаимоотношениями между их компонентами, которые устанавливаются в процессе интеграции природных режимов... В тайге при этом большое значение имеет средообразующая роль растительного покрова..." (Сочава, 1967, с. 19).

Центральным теоретическим смыслом учения о геосистемах является выяснение принципов взаимоотношений между компонентами геосистемы и установление закономерностей, которые лежат в основе интеграции природных факторов и их режимов (Сочава, 1978). Именно в учении о геосистемах В.Б.Сочавы и в дальнейших работах сотрудников Института географии СО РАН а наиболее полно проявились принципы исследования динамических процессов в

природных объектах.

Изучение динамики геосистем с использованием математических моделей, данных дистанционного зондирования и ГИС-технолопш требует разработки общих принципов и подходов к исследованию и моделированию геосистем как динамических систем, создание на их основе многоуровневой системы моделей динамики геосистем с учетом ландшафтных особенностей территории. Для решения поставленных задач необходимо провести сравнение и анализ основных понятий и методов исследований геосистем как динамических систем на основе общей теории динамических систем и учения о геосистемах, рассмотреть различные методы моделирования динамических систем и отдельных компонентов геосистем.

1.1. Основные понятия и методы исследования географических объектов как динамических систем

Исследование географических объектов как динамических систем осно-' ' вано на представлении о системе как множестве элементов, переходящих из од-

ного состояния в другое под непосредственным воздействием (без иоследейст-

13

вия) внешних и внутренних факторов среды (Черкашин, 1997; Владимиров, Чи 2001 в).

1.1.1. Основные понятии. Динамическая система — система взаимодействующих элементов, находящихся в различных состояниях и переходящих из состояния в состояние. Наличие элементов и их дифференциация по состояниям является принципиальным свойством динамических систем, отличающих их от других систем, изменяющихся во времени и часто также называемых динамическими, например механических систем движения иод воздействием различных сил. Динамические изменения - другая интерпретация движения в форме смены состояний, которая задает характер взаимодействия элементов через их потоки из состояния в состояние.

Под элементом системы в теории динамических систем понимается индивидуальный объект, который во всех преобразованиях рассматривается как неизменный и неделимый: изменяется только его состояние.

Учение о геосистемах, главнейшие положения которого сформулированы В.Б. Сочавой (Сочава, 1963; 1967; 1974; 1978), развивается на основе динамического понимания географической целостности, систем. Геосистема - земное пространство "всех размерностей, где отдельные компоненты природы находят-i ся в системной связи друг с другом и как определенная целостность взаимодей-

ствуют с космической сферой и человеческим обществом" (Сочава, 1978, с. 292), или геосистема - "(независимо От размерности) - это целое, состоящее из взаимосвязанных компонентов природы, подчиняющихся закономерностям, действующим в географической оболочке или ландшафтной сфере" (Сочава, 1974, с. 4). В учении о геосистемах, элемент геосистемы определяется как "та или иная составная часть геосистемы, точнее составная часть какого-либо из ее компонентов, которая представляет собой сложное целое" (Сочава, 1978, с.300). В качестве примера элементов геосистемы приводится механический состав почвы, отдельный ярус, например древесный, растительного покрова, снежный покров, карстовые формы рельефа и т.д. Каждый элемент геосистемы здесь имеет параметрическую структурно-функциональную определенность - состояние. Компоненты геосистем - «слагаемые, представляющие естественно-исторические тела, качественно особые виды материи (вода, почва, растительность, животное население и проч.). Каждый компонент характеризуется своей формой движения материи (по отношению к географической форме движения *' менее сложной, нередко низшей и побочной). Компонент геосистемы в той или

иной мере автономен и может иметь свой возраст" (Сочава, 1978, с.294).

14

Всякая динамическая система как сложное целое может рассматриваться -ч, как элемент системы более высокого порядка, когда динамика первой системы превращается в функционирование второй. Объективная иерархия динамических систем позволяет также каждый элемент рассматривать как более дробную динамическую систему, в чем проявляется относительность и двойственность понятий теории динамических систем: каждое понятие по-разному интерпретируется в конкретной системе представления знаний (объект - элемент и система, состояние - элемента и пространства, изменение - функционирование и динамика), что является необходимым условием точного описания динамических взаимодействий.

Необходимой предпосылкой для правильного понимания геосистем как динамических систем служит представление об их инвариантном и преобразуемом началах. Инвариантное начало сохраняется неизменным при всех динамических преобразованиях. Преобразуемая часть геосистем находится в динамике. В.Б. Сочава считал, что понятие о динамике геосистем "целесообразно ограничить представлением о движении ее переменных состояний^, подчиненных одному инварианту в пределах эпифации" (1978, с. 293). Инвариант геосистемы - "в основе этого понятия лежит представления о совокупности присущих * „ геосистеме свойств, которые сохраняются неизменными при преобразовании той или иной категории геосистем. Инвариант геосистемы оказывается общим для составляющих ее более дробных подразделений (пример: признаки геома, сохраняющиеся во всех классах фаций). Инвариантными являются свойства геосистемы (любого ранга), остающиеся практически неизменными в процессе трансформации под влиянием внешних воздействий. Каждый из инвариантов в конце концов подвергается преобразованиям, но не в порядке динамики, а в процессе эволюционного развития природной среды" (Сочава, 1978, с.293). Структура - это и есть инвариантный аспект системы, выражающий основные черты их внутренней организации, остающиеся неизменными при преобразованиях (Сочава, 1967, 1969). В таком понимании структура отображает внутреннюю организацию предметов и явлений, обусловливающую объединение в одну динамическую систему внешне не сходных, но организационно связанных образований.

Состояния геосистем в целом подразделяются на два вида (Сочава, 1978): эквифинальные и переменные. К эквифинальным геосистемам относятся корен-

1 Переменные состояния геосистем - различные модификации коренной фашшыюй стрктры геоме-ров, которые в процессе спонтанной динамики приходят к эквифиналыюму состоянию (Сочава, 1978, с. 296).

15

ные, условнокоренные и квазикоренные. Коренные геосистемы - это устойчивые геомеры и геохоры с прочно установившимися внутрисистемными и внешними связями. Условнокоренные геосистемы обычно близки к коренным и отличаются от последних лишь тем, что за недостатком времени еще не пришли в равновесие. Квазикоренные геосистемы по сравнению с коренными видоизменены в результате гипертрофии или гипотрофии одного из компонентов геосистемы.

Под структурой геосистемы в общем случае понимается взаимное расположение (порядок) компонентов, элементов (вертикальное строение) или территориальных частей (горизонтальное строение) и способ (закон) связи (организации) ее элементов (Сочава, 1978). Структура геосистемы как динамической системы задается распределением элементов по состояниям, включая разность вертикального и горизонтального размещения, например, по растительным и почвенным горизонтам, и закономерностями перехода элементов из состояния в состояние (миграция веществ, восстановительно-возрастная динамика и др.). Последовательность смены состояний определяет временную структуру геосистемы, которая часто совпадает с пространственной, когда изучается пространственно-временная динамика геосистем.

Этих определений вполне достаточно, чтобы понять, что геосистемы - это динамические системы, состоящие из подсистем-компонентов и элементов природной среды (физико-географической оболочки Земли). Каких-то специальных ограничений на понимание элементов геосистем не существует, кроме одного: элементами геосистем могут быть лишь объекты географического пространства.

Компоненты геосистем, имеющие качественную определенность, должны рассматриваться как подсистемы геосистем, т.е. как состояния динамической системы, обменивающиеся между собой элементами особого свойства - материальными частицами разного состава (твердыми, жидкими, газообразными). Этот обмен выражает процессы смены состояний. Совокупность этих процессов формирует единый физико-географический процесс (Григорьев, 1966).

Каждый компонент геосистемы автономен в том смысле, что представляет определенный слой-состояние существования элементов. Состояние компонента как подсистемы задается состояниями элементов, а состояние геосистемы - распределением элементов по компонентам (структурой геосистемы). Помимо этого каждый компонент может рассматриваться как элемент геосистемы, изменяющейся в целом. В этом смысле возраст компонента - характеристика его состояния. Кроме элементарно-вещественного представления динамики геосистем

16

существуют другие описания динамических изменений, например, изменение ¦ V- форм рельефа, когда разные участки местности в результате геоморфологических процессов меняют свой облик - переходят из одного состояния рельефа в другое. В этом процессе изменяется и состояние геосистем в целом - идет эволюция ландшафтной структуры - динамической системы более высокого уровня.

Таким образом, мы можем перейти к более подробному рассмотрению основных понятий и моделей теории динамических систем, а затем применить их к учению о геосистемах, исследованию и моделированию динамики геосистем. Также стоит упомянуть о совместном применении теории графов как в теории динамических систем, так и в учении о геосистемах. Графы играют очень важную вспомогательную роль при абстрагировании географических процессов, для получения синтетического представления об объектах, их динамики (Соча-ва, 1978). Правильно построенные графы отражают структурные, динамические и функциональные характеристики описываемой системы. Граф динамики графически изображает переходы элементов из состояния в состояния, где вершины графа соответствуют состояниям, а ребра (стрелки) - направлениям перехода элементов из одного состояния в другое. Более подробно применение графов к 1 , моделям динамики будет рассмотрено далее (раздел 1.1.2).

Набор качественных и количественных характеристик динамической системы и ее элементов х - \х' }= \x],x2,xi,...}(j = 0,1,2,...т) образует многомерное (//;-мерное) пространство состояний X с координатами У, в котором каждый элемент характеризуется ограниченной областью значений характеристик системы — состоянием. Все состояния дифференцированы, расслоены, т.е. нет ни одного элемента, который бы принадлежал одновременно разным состояниям. В общем случае, состояние - это то, что позволяет отличать одни элементы от других по их характеристикам и свойствам.

Состояние элементов является основным понятием теории динамических систем и определяется в момент времени t устойчивым, набором показателей y(t) = \x'(t)}={xl(t),x2(О,*3(/),••} j = 0,1,2,...»z, y(t)eX, не выходящих за пределы граничных значений (рис.1.1)

*Хк, (1.1)

17

Дх- Л*/ Д-V/ti

w w

-V/.l

-V;

Рис. 1.1. Модель расслоения одномерного пространства по состояниям

Определенность и устойчивость состояния элементов означают, что значения их показателей j(/) находятся в области (xi,xk). Здесь граничные условия xt и Xk характеризуют (/, к)-с состояние элементов динамической системы, многомерную область их существования в данном состоянии. Условие x{t) xk означает выход из (/, к)-го состояния и переход в какие-то другие состояния. Каждый элемент переходит в одно из возможных состояний, а все множество элементов могут изменяться в разных направлениях.

Отличие у от* заключается в том, что состояние элементов параметризуется как их собственным, индивидуальным переменным значением у, так и обобщенным значением состояния элементов системы х. Это отражает свойство двойственности характеристик состояния элементов. Например, дерево имеет индивидуальную высоту у(/), изменяющуюся со временем и наступает момент, когда оно достигает высоты x=xt в /-м классе высоты. До этой высоты, если не погибнет, может дорасти любое дерево: случай y(t) =x= х,- - фрагмент жизни дерева. Значение ,т, - точка независимой координаты высоты х, по отношению к которой можно определить состояние любого дерева, спроецировав его характеристику y(t) на ось значений х. Также различаются, например, возраст / конкретного дерева и возраст г как точка временной оси г измерения возраста деревьев.

Набор координат х задает пространство состояний X динамических систем. Таким образом, состояние - это область пространства хеХ, удовлетворяющая условию (1.1), где наборы {х(} и {хк}образуют решетку границ (см. рис. 1.1) между различными состояниями так, что к= /+1. Разность

Дх, =*,¦,-.y, (1.2)

называется градиентом или областью определения /-го состояния. Градиенты разбивают пространства состояний на непересекающиеся области, образующие

Список литературы