Содержание к диссертации
Введение
Глава I. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ГЕОБОТАНИЧЕСКОГО РАЙОНИРОВАНИЯ 9
1.1. Геоботаническое районирование как региональная классификация растительного покрова 9
1.2. Карта растительности Среднего Приобья - основа пространственного анализа 14
Глава П. МЕТОД КОЛИЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА ФИТОЦЕНОТИЧЕСКИХ КАРТ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ВЫЯВЛЕНИЯ ТЕРРИТОРИАЛЬНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА 19
2.1. Классификационные методы количественного анализа растительного покрова (краткий обзор литературы)
2.2. Возможности применения количественных методов для пространственного анализа растительности с целью районирования (постановка задачи) 24
2.3. Составление матриц анализируемых данных. Выделение исходных единиц региональной классификации 27
2.4. Выделение иерархически соподчиненных региональных классов 46
2.5. Анализ уровней иерархии 57
2.6. Проведение границ регионов 65
2.7. Выделение регионов-аналогов 73
Глава Ш. РАСТИТЕЛЬНЫЙ ПОКРОВ СРЕДНЕГО ПРИОБЬЯ В СВЕТЕДАННЫХ АЛГОРИТМИЧЕСКОГО РАЙОНИРОВАНИЯ 78
3.1. Физико-географические условия района исследований 78
3.2. Общая характеристика растительного покрова Среднего Приобья 84
3.3. Геоботаническая интерпретация полученных данных по схеме алгоритмического районирования Среднего Приобья 92
Глава ІУ. НЕКОТОРЫЕ ПОДХОДЫ К МОДЕЖРОВАНИЮ И ПАСПОРТИЗАЦИИ РЕГИОНОВ 120
4.1. Логико-цифровая формула 122
4.2. Эколого-динамический граф 127
4.3. Паспорт региона 129
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 204
ЛИТЕРАТУРА 208
- Геоботаническое районирование как региональная классификация растительного покрова
- Классификационные методы количественного анализа растительного покрова (краткий обзор литературы)
- Физико-географические условия района исследований
- Логико-цифровая формула
Введение к работе
Преобразование природы Сибири неразрывно связано с изменениями в растительном покрове, который является одним из главных средообразующих факторов. Для целей рационального использования природных ресурсов практический интерес представляет решение вопроса о распределении лесных, луговых, болотных типов фитоценозов на территориях вновь осваиваемых нефтегазоносных районов Западной Сибири. В связи с выполнением Продовольственной программы важное практическое значение имеет определение площадей луговых пойменных угодий, которые могут быть использованы как сенокосы и пастбища.
Геоботаническое районирование - важное звено в изучении растительности, учете и оценке растительных ресурсов, планировании мероприятий по их охране и преобразованию окружающей среды в целом. Но недостаточно точное построение схем районирования, неоднозначность визуального способа проведения границ регионов разными авторами ставят задачу поиска более объективных методов регионального деления растительного покрова больших территорий.
Предлагаемый метод количественного анализа типологической геоботанической карты с целью районирования был разработан и применен для районирования растительности Среднего Приобья -одного из интенсивно развивающихся районов Западной Сибири. В этом плане проведенное исследование представляет самостоятельный научный и практический интерес. Оно явилось составной частью работы, выполненной Институтом географии СО АН СССР
5 по заданию ГКНТ СМ СССР на тему: "Географические аспекты хозяйственного освоения Обского Севера".
Проведение геоботанического районирования Среднего Приобья количественными методами преследовало две цели. С одной стороны - найти возможности получения однозначных результатов при анализе типологических карт природы. С другой - автоматизировать с помощью ЭВМ сам процесс геоботанического районирования - выделения регионов разного таксономического ранга.
По современным представлениям районирование сводится к классификации территории по признакам анализируемого объекта (растительности, почвы и т.п.). В этом случае районирование может рассматриваться как региональная классификация (Бунге, 1967; Грейг-Смит, 1967; Сочава, 1978). Такая классификация подчиняется основным логическим правилам (Арманд, 1964). Из этого следует, что районирование как классификационный процесс можно представить в виде последовательности логико-формализованных операций, переведя информацию анализируемого объекта в количественные показатели. Тогда границы регионов будут выявляться через построение региональных классов, а класс может строиться из территориально смежных объектов на основе их сходства между собой по определенному параметру. Выбор параметров классификации зависит от цели исследования (Григ, 1971). Геоботаническое районирование сводится к классификации территории по признакам растительного покрова. Оно подразумевает выделение территориальных единиц растительного покрова, представляющих собой пространственные сочетания подразделений растительности, имеющие определенную степень однородности.
В настоящее время районирование растительности проводится на основе типологической геоботанической карты. Этот метод считается наиболее обоснованным (Сочава, 1966; Карамышева, Рачков-ская, 1973). И хотя сама по себе карта растительности является продуктом интерпретации и генерализации многих, подчас очень разнородных источников (литературных, картографических, материалов полевых съемок и т.п.), при районировании больших территорий она является единственно реальной и объективной основой.
В проведенном нами опыте районирования растительности с помощью количественных методов была использована обобщенная сред-немасштабная геоботаническая карта Среднего Приобья, составленная в Институте географии СО АН СССР по материалам экспедиционных исследований авторов путем полевого и камерального дешифрирования аэрофотоснимков, а также интерпретации лесоустроительных и других специальных картографических данных (Ильина, 1968; Богоявленский, Ильина, 1970).
Количественный анализ геоботанической карты Среднего Приобья преследовал цель выявить пространственные гомогенности растительного покрова, отображенные на карте и представляющие собой территориальные сочетания различных типологических единиц растительности. Мы проводили районирование по среднемасштабной геоботанической карте, что позволило достаточно обоснованно выделить единицы среднего таксономического ранга-округа и районы.
В процессе разработки метода количественного анализа типологической карты были решены следующие конкретные задачи. I.Найдены размеры исходных объектов анализа картографического рисунка. 2. Определены аналитические выражения для установления величин пространственных связей, степени контрастности границ, конфигурации контуров. 3. Найдены пространственные однородности растительного покрова разного таксономического уровня.
7 4. Обосновано проведение границ между регионами. 5. Разработаны количественные критерии для характеристики пространственных закономерностей растительного покрова. 6. Предложен способ паспортизации регионов и представления картографического материала в банк фитоценотических данных.
Разработанный классификационно-иерархический метод пространственного анализа типологической геоботанической карты может быть применен для анализа любых карт природы с целью выделения пространственных гомогенностей по заданным признакам. Б частности, он найдет широкое применение при различных видах специализированного районирования. Алгоритм может быть применен для анализа космических и аэрофотоснимков, материалов лесоустройства и землеустройства.
В настоящее время результаты геоботанического районирования Среднего Приобья используются при организации охотничье-промыс-лового хозяйства в пределах Тюменской области, при ресурсной оценке пойменных угодий Оби и Иртыша (ЛГУ и "Союзгипроводхоз"). Автоматический метод классификации был применен Западно-Сибирским лесоустроительным предприятием В/О "Леспроект" при планировании лесоустроительных работ.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на У,У1,УШ научных конференциях молодых географов Сибири и Дальнего Востока (Иркутск, 1972, 1975, 1978), в Иркутском отделении Всесоюзного ботанического общества (Иркутск, 1974,1980), ІУ, УІ Всесоюзных совещаниях по количественным методам анализа растительности (Уфа, 1974; Новосибирск, 1982), Ш Всесоюзном межведомственном совещании "Математические методы в географии" (Тарту, 1974), на симпозиуме "Моделирование элементарных геосистем" (Иркутск, 1975), Всесоюзной конференции по тематическо- му картографированию (Москва, 1978), школах-семинарах по исследованию биогеоценозов, геосистем, теории классификации (Звенигород Московской обл., 1979, 1982; Борок, 1979).
Изложенные выше цели и задачи исследования, а также соображения относительно теоретических предпосылок и методики выполнения работы позволяют выдвинуть в качестве предмета защиты следующие четыре положения.
I. Предложенный метод количественного анализа фитоценотиче-ских карт является эффективным приемом выявления иерархически соподчиненных таксонов геоботанического районирования.
П. Разработанные процедуры обеспечивают объективизацию проведения границ геоботанических регионов разного таксономического уровня.
Ш. Составленная формализованным методом схема дробного районирования отражает основные закономерности пространственной структуры растительного покрова Среднего Приобья. ІУ. Характеристика (паспортизация) регионов при геоботаническом районировании может осуществляться с помощью графических моделей.
Геоботаническое районирование как региональная классификация растительного покрова
По современным представлениям районирование рассматривается как классификационный процесс, классификация территории по определенным признакам.
Согласно определению Д.Л.Арманда "районирование есть расчленение целого на части, где имеем дело с отдельными объектами, индивидуумами, находящимися в пространственном соотношении" (Арманд, 1964, с.46). В то же время "районирование - метод установления сходства и различия территории" (Арманд, 1952, с.58).
Формальное логическое обоснование положения о том, что районирование является классификационным процессом,было сделано В.Бунге (Бунге, 1967). Использование математических, в частности логических и статистических,приемов при районировании дало возможность подтвердить это положение ( Lankford, Semple, 1973; Кобелева, 1976).
Районирование, или региональная классификация - это логическая операция, так как "правила классификации и статистические методы в конечном счете опираются на формальную логику" (Григ, 197I, с.191). Из этого следует, что при районировании должны выполняться основные логические правила: I - сумма выделенных классов должна быть равна объему классифицируемого родо-/ вого понятия, 2-в пределах одной ступени данной классификации должен выдерживаться только один классификационный признак, 3 -в классификации нельзя пропускать логические ступени, 4 - нельзя смешивать типологическое районирование с индивидуальным, т.е. понятий деления с расчленением целого на части (Арманд, 1964).
Сказанное имеет принципиальное значение для обоснования математического подхода к процессу районирования, ибо логические законы и правила могут быть внесены в алгоритм (последовательность математических операций) программы ЭВМ. В таком случае они позволят объединить объекты исходной информации в классы, выявить отличие этих объектов от объектов других классов, а также выявить соподчиненность классов и определить ступени иерархии исследуемых объектов.
Выбор исходных классификационных характеристик зависит от цели классификации (Григ, 1971). Классификационные характеристики районирования должны отвечать цели группировки исходных объектов в регионы, т.е. соответствовать принципам районирования. Вследствие того что "классификация любой группы исходных объектов должна опираться на свойства самих объектов", следует, что признаки, положенные в основу классификации, должны обладать свойствами самих классифицируемых объектов (Григ, 1971). Но последние обладают большим количеством свойств. Деление объектов районирования на классы в процессе проведения классификации должно быть подчинено либо одному признаку, либо совокупности признаков. Во втором случае необходимо обосновать правильность последовательности их анализа.
Итак, в процессе классификации исследуемый ряд объектов группируют на основе их сходства (Григ, 1971). С этой точки зрения при региональной классификации класс определяют как группу территориально смежных исходных (единичных) объектов, тесно связанных между собой на определенном уровне величин мер сходства (Кобелева, 1976). Под исходными (единичными) объектами понимается наименьшая территория, с которой проводятся операции районирования. По определению Д.Грига,"чтобы группа единичных объектов образовала район, они должны быть сходными, смежными и отличаться от других объектов или районов" (Григ, 1971, с.204), Такие представления о классе накладывают отпечаток на особенность применения алгоритма классификации. При использовании классификационных построений применительно к региональной задаче классифицируемые объекты фиксируются в пространстве согласно данным специальной матрицы - треугольной матрицы смежности (Кобелева, 1976). Далее выявленные региональные классы группируют как одноуровневым (Сонечкин, 1968; Углов, 1971; Куприянова, 1971; Баранова, Миняев, Шмидт, 1971), так и иерархически соподчиненным порядком (Кобелева, 1974; Ильина, Кобелева, 1976).
Классификационные методы количественного анализа растительного покрова (краткий обзор литературы)
Остановимся кратко на использовании математических приемов в конкретных исследованиях для объективизации классификационного множества признаков в биологических и географических дисциплинах. Они применяются сравнительно недавно, хотя уже в начале века делались попытки ввести их в практику. И.Чекановским в 1909 г. был предложен метод выделения однородных групп, который нашел довольно широкое применение в геоботанике (Gzekanoyts-ki, 1909; Василевич, 1969). Сущность этого метода заключается в том, что матрица сходства описаний приводится к диагональному виду путем перестановки строк и столбцов. Метод И.Чекановского в настоящее время широко используется в работах советских исследователей (Волкова, 1969; Макаревич, 1971; Норин, 1971; Мир-кин,Мухаметшина и др., 1973; Айвазян, Бежаева и др., 1974).
Для выявления корреляционных связей между различными признаками П.В.Терентьевым в 1959 году был разработан метод корреляционных плеяд (Терентьев, 1959,1960). Он нашел отражение в фи-тоценотических работах выявления связей между видами растений в сообществах и классификационными построениями на их основе (Авена, Поспелова, 1969; Нешатаев, 1969,1971; Баранова, Ииняев и др., 1971; Лавренко, Кобелева, 1973). В сочетании с методом "максимального корреляционного пути" (Выханду, 1964) корреляционные плеяды использовались при орцинации растительности (Волкова, 1969), для классификации конкретных флор (Ребристая, Шмидт, 1970), для снижения размерности (Айвазян, Бежаева и др., 1974), для изучения монотонных систем (Выханду, 1964).
Большее распространение получил в экологии метод классификации под названием "вроцлавской таксономии". Сущность его в следующем: строится оптимальный дендрит, представляющий собой взвешенный граф. Вершины его отображают анализируемые описания, сумма связей между которыми максимальна. Граф разделяется на подграфы по ребрам,соответствующим наименьшим значениям связи (Басилевич, 1969).
Первая обобщающая работа по числовой таксономии посвящена в основном классификации организмов в зоологии (Sokal, Sneath, 1963). Авторы четко показали, что методы числовой таксономии позволяют не только подвести "объективную основу" под традиционные методы классификации, но и дают возможность использовать для обработки больших массивов численных данных электрон 21 но-вычислительную технику.
Эстонские экологи предложили индуктивный метод анализа скоплений. Наиболее существенным преимуществом этого метода является то, что в нем основное внимание уделяется структуре массива объектов в целом. Это позволяет выделять естественные единицы классификации и превращает метод классификации в способ логического обобщения информации. Т.Э.-А.Фрей впервые в нашей стране предложил использовать метод анализа скоплений с применением "критерия К" (завершенности скопления) для иерархической классификации растительности (Фрей, 1967,1969,1971,1972). Возможность применения соотношения скорости прироста средней межгрупповой и средней внутригрупповой дистанций была использована и другими советскими учеными (Никонова, амелис и др., 1969; Ребассоо, 1969).
Физико-географические условия района исследований
Территория Среднего Приобья расположена в пределах Западно-Сибирской равнины между 60-64 с.ш. и 66-75 в.д. Абсолютные высоты над уровнем моря составляют 30-150 м (рис.25) (Варламов, Гогин и др., в кн.: Геоморфология Западно-Сибирской равнины , 1972).
По структурно-геоморфологическим особенностям рельефа Среднее Приобье относится к Западно-Сибирской провинции и делится на три геоморфологические области: Северную, Сибирско-Уваль-скую, Средне-Обскую. В пределах перечисленных областей выделяются Казымско-Нижнеобский, Полуй-Куноватский, Надымский, Севе-ро-Сосьвинско-Обский, Белогорский, Казымско-Пуровский, Ханты-Мансийский, Юганский, Сургутско-Колпашевский геоморфологические районы (рис.26) (Варламов, Кузин и др., в кн.: Геоморфология Западно-Сибирской равнины , 1972).
Логико-цифровая формула
Представление о структуре региона по вышеперечисленным математизированным характеристикам регионов: величины площади региона, площадного соотношения подразделение растительности в регионе, формы геометрического рисунка и размеры площадия выявления, коэффициента гомогенности внутри региона, показателей величины и конфигурации контуров, мозаики рисунка-мы предлагаем давать в виде логико-цифровой формулы (модели) следующей формы и содержания.
