Содержание к диссертации
Введение
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
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 исследований 62
2.3.1. Устьлимский район 62
2.3.2. Обшая характеристика используемой информации 66
2.3.3. Методика наземных наблюдений и обработки результатов 71
2.4. Ландшафтно-динамическая структура района исследования 79
3. Геоинформационное 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. П 1С 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
4. Многоуровневая система математических моделей: описание, проверка гипотез и оценка коэффициентов ю7
4.1. Однозначность прогнозных динамических моделей 107
4.2. Многоуровневая система моделей 111
4.2.1. Модели локального уровня 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 оценки коэффициентов базовых уравнений, связь с ландшафтной структурой территории 1 17
4.5. Ландшафтная обусловленность направления и интенсивности биотических процессов в приангарской тайге 127
5. Анализ динамики геосистем и прогнозное картографирование 135
5.1. Анализ антропогенной динамики геосистем по разновременным космическим снимкам 135
5.2. Выделение природных границ по 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 Устьлимском районе 167
Заключение 184
- Исследование и моделирование динамики компонентов геосистем
- описание ключевого участка и методика натурных исследований
- Интегрированная многоуровневая геоинформационная система оценки состояния таежных геосистем предбайкалья
- Многоуровневая система моделей
Введение к работе
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 становятся необходимым и единственным инструментом для исследования естественной 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 местоположениям.
3. Реализовать методику автоматизированного выделения границ геосистем по временным сериям космических снимков.
4. Создать геоинформационную систему оценки состояния и прогноза динамики 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 исследования - структура и динамика геосистем.
Исходные материалы. Для территории Предбайкалья использовались космические снимки высокого (Ресурс-Ф2М (МК-4), Terra (Aster), Landsat (ТМ, ЕТМ+)) и низкого пространственного разрешения (NOAA/AVHRR), топографические карты Ml: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 исследования. Исследования выполнены с использованием методов натурных физико-географических исследований, математического, компьютерного 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 ландшафтоведешш А.А. Крауклиса, теоретические представления о методах дистанционного зондирования Б.В. Виноградова, А.Д. Китова, А.К. Черкашина, методология иолисистемного моделирования А.К. Черкашина, результаты Л.В. Попова но исследованию восстановительных рядов по 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, доказана адекватность результатов расчета по региональной математической модели лесных ресурсов наблюдаемым за этот период изменениям в лесном фонде.
3. Созданы основные блоки интегрированной ГИС, объединяющей оперативную космическую информацию, материалы текущей инвентаризации природных ресурсов, хозяйственные характеристики природопользования, ландшафтно-тииологические 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 географических данных и знаний о состоянии природной среды.
Раздел 2.1. Разработка принципов и методов картографирования и геоинформационных 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 фундаментальных исследований Проект 99-05-64075).
2. "ГИС планирования политики землепользования Слюдянского района (Иркутской области)" (Проект ROLL 116GR3/ISC-98).
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 J\» 02-05-65054).
Полученные результаты переданы для практического использования в следующие 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 территории.
2. Коэффициенты динамических моделей однозначно определяются географическим местоположением, разновидностью условий среды, что позволяет параметризировать 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-каншным и Л.К. Чудненко (Институт динамики систем и теории управления СО РАН) при создании компьютерных программ для прогнозно-анимационного картографирования 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 сентябрь 2000 г., г. Иркутск); конференции "Дендрологические исследования в 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 картографирование структуры и динамики геосистем" (апрель 2002 г., г. Иркутск); всероссийской 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 но 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 поверхности 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 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: геоинформациошюе 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.
На рисунке В.1. представлена блок-схема диссертационной работы, графически показывающая основные этапы исследования и их технологическую последовательность.
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 значимость, приведены сведения об исходных материалах, объектах и методах исследования, 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. Черкащину 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. А.Д. Китову за полезные советы при использовании программного обеспечения ГИС, научным сотрудникам ЦКМ ИЗСФ СО РАИ С.Л. Тащшшну и Н.Л. Абушенко за предоставленные материалы дистанционного зондирования Земли.
Автор благодарит д.г.н. Л.К. Черкащина за научное руководство диссертационной работой.
Исследование и моделирование динамики компонентов геосистем
В настоящее время в моделировании динамики геосистем, различных ее компонентов, существует, пожалуй, больше вопросов, чем ответов. Неудивительно, что на различных конференциях, посвященных проблемам моделирования геосистем, возникают дискуссии о правомерности использования тех или иных математических моделей, о соответствии теоретических и экспериментальных данных и, наконец, о самой природе моделей. Источником динамизма геосистем являются взаимоотношения между их компонентами, возникающие в процессе метаболизма, а так же в результате различного рода сукцессии (Сочава, 1980). При изучении динамики геосистем, подобно всем комплексам, охватывают меньшее или большее (вплоть до полного) число компонентов (Арманд, 1975). Геосистемам приходится придавать функциональное значение, ограничивая их рассмотрением какого-либо процесса или группы процессов (Ретеюм, 1971). Одним из способов исследования и моделирования геосистем является исследование одного компонента геосистемы в среде геосистемы (на фоне остальных компонентов). II.С. Арзамасцев и Б.В. Виноградов выделяли два подхода к изучению геосистем: полицентрический и биоцентрический. Отличие состоит в том, что в первом случае взгляд исследователя полицентричен, он с одинаковым вниманием устремлен как на биотические, так и на абиотические компоненты геосистем. Во втором случае взгляд исследователя биоцентричен, он устремлен прежде всего на биоту, а остальные компоненты рассматриваются им только как среда протекания динамических процессов, биотоп и т.д. (Петров, 2001).
Необходимо уточнить, что "...биота - сложный блок (или несколько блоков) геосистемы, во многих случаях ее критический компонент. Одновременно биота в пределах геосистемы образует и особую совокупность связей (биологически наиболее значимую), заключающую главнейшие факторы, воздействующие на ее структуру... По разным причинам - объективным и субъективным, говоря о биоте, мы часто имеем в виду преимущественно ее растительный ингредиент" (Сочава, 1980, с. 134). Большинство компонентов геосистем, в том числе и растительность, представляют собой подчиненные (по отношению ко всей геосистеме) открытые системы. Точнее, геосистема - это своеобразная комбинированная система с обратной связью, в которую биота входит на правах особого блока. Если представить себе взаимоотношения и функции блоков внутри геосистемы, имея в виду и обратные связи, то следует признать, что функциональная самостоятельность растительности по отношению ко всем другим компонентам проявляется с достаточной очевидностью. Растительность представляет едва ли не лучший индикатор флуктуации природных режимов и в этом отношении может использоваться в познавательных и практических целях (Сочава, 1980). Наряду с этим динамические процессы, свойственные растительному сообществу, играют стабилизирующую роль по отношению к самому сообществу и к вмещающей их геосистеме. Опыт показывает, что растительность играет очень большую и разностороннюю роль в динамике геосистем. (Крауклис, 1979; Сочава, 1980). Тем самым подтверждается обоснованность применения подхода к моделированию динамики геосистем, когда основное внимание уделяется биоте, в частности, растительности, а остальные компоненты геосистемы рассматриваются как среда протекания динамических процессов в геосистемепротекания динамических процессов в геосистеме. Данное положение применимо н для других компонентов геосистем (рис. 1.4).
Динамические процессы направляются ныне действующими факторами; они нередко ритмичны. К сожалению, до сих пор не всегда проводят четкую грань между динамикой природной среды и ее развитием в процессе исторической трансформации (эволюцией). Кроме того, часто упускается из виду, что любая природная система, (в особенности это касается растительного сообщества) всегда находится в определенном динамическом состоянии. Вне этого состояния не существует структуры ни геосистемы, ни вмещенной в нее растительности (Сочава, 1980). При этом динамики растительного сообщества и всей системы тесно сопряжены (Сочава, 1978). Изменение состава растительности в известной мере управляет геосистемой, влияя на почвообразовательный процесс, круговорот влаги, микроклимат и другие компоненты природы. Растительность является движущей силой динамики геосистемы (Крауклис, 1979; Сочава, 1980). 1.3.1. Лесная растительность. Хорошо известно, что практически все модели, используемые в современной географии, биологии, экологии базируются на классических моделях Т. Мальтуса, П. Ферхюльста, Л. Лотки и В. Воль-терра (Уатт, 1971; Пианка, 1981; Вольтера, 1976). Развитие моделирования в данных наук, по большей части, было связано с модификацией и обобщением классических моделей - с учетом действия тех или иных эффектов или факторов, наличия запаздывания в действии каких-либо регуляторных механизмов, с. учетом неоднородности распределения особей по ареалу и т.д. Математическое моделирование динамики леса имеет длительную историю. Первыми моделями считаются таблицы хода роста лесонасаждений, которые и в настоящее время широко используются в лесоводственной практике. При построении этих таблиц применяются математико-статистические методы обработки данных. Материалы таблиц легли в основу многих математических моделей, среди которых наиболее известны модели Г.Ф. Хильми, описывающие непосредственно динамику запаса одновозрастного древостоя (Хильми, 1966; 1976).
Лесная растительность описывается математическим языком на различных уровнях ее организации: локальном - модели отдельного дерева и древосто-ев (Connor et al., 1971; Horn, 1975, 1981; Черкашин, 1979; Москаленко, Черка-шин, 1981; Urban et al., 1993; Fischlin et al., 1995; Bugmann, 1996; Беньков, Рыжкова, 2001), субрегиональном - описание изменения распределения лесных площадей по породам и классам возраста, стадиям восстановительной динамики (Shugart et al. 1973; Shugart, 1984; Черкашин, 1981; Черкашин, 1984), региональном - уравнения перераспределение запасов биомассы по породам (Черкашин, 1986; Mladenoff et al., 1996; Mladenoff and He, 1999) и глобальном - отражение роли и места лесных экосистем в кругообороте вещества и энергии (Моисеев, 1979). Разнообразен также математический аппарат моделирования. Помимо ма-тематико-статистических методов анализа изменения структуры лесонасаждений большое распространение при моделировании динамики леса получили элементы теории случайных марковских процессов (Rudra, 1968; Peden, Williams, Frayer, 1973; van Hulst, 1979; Binkley, 1980; Джефферс, 1981), используются системы простых дифференциальных уравнений (Botkin, Janak, Wallis, 1972; Shugart, 1984; Черкашин, 1984; Корзухин, Семеневский, 1992; Карев, 1999; Недорезов, Щедрина, 1999;) и дифференциальных уравнений в частных производных (Рагозин, Черкашин, 1984; Черкашин, 1988). Нашли применение в моделировании лесов и матричные модели (Usher, 1966; 1969). Современное математическое моделирование лесной растительности состоит из трех научных направлений. В теоретической экологии сформировалась ярусно-мозаичная концепция пространственно-возрастного строения лесных экосистем. В математической биологии развита теория структурных моделей популяций, связывающая поведение популяции в целом с динамикой и взаимодействием составляющих ее особей; на основе этой теории построены и исследованы аналитические модели древесных популяций и сообществ (Карев, 1999). В компьютерном моделировании лесных экосистем разработаны и получили широкое распространение имитационные гэп-модели. Ярусио-.мозаичная концепция. Ярусно-мозаичная концепция является альтернативой традиционным представлениям о лесном ценозе как однородном образовании.
описание ключевого участка и методика натурных исследований
В качестве ключевого участка для рассмотрения закономерности структуры и динамики геосистем Предбайкалья выбран Усть-Илимский район. 2.3.1. Усть-Или.чскии район. Усть-Илимский район расположен на северо-западе Иркутской области, в бассейнах среднего течения Ангары и верхнего течения Подкаменной Тунгуски, в южной половине Средней Сибири. Крайние точки территории района - 59 18 и 5642 ели., 10035 и 10456 в.д. Абсолютные высоты в пределах района изменяются от 185 до 946 м, что отражается на климате, характере почв, растительности и речного стока. Усть-Илимский район значительно удален от морей и океанов. Такое географическое положение обусловило господство на его территории сурового резко континентального климата умеренного пояса, который характеризуется резкими контрастами между коротким, но сравнительно теплым летом и продолжительным и суровым зимним периодом. Недостаточная теплообеспеченность, отрицательные среднегодовые температуры, наличие островной многолетней мерзлоты и глубокого сезонного промерзания почв и грунтов явились основными факторами, обеспечившими безраздельное господство на территории Усть-Илимского района таежных геосистем, которые характеризуются недостаточной устойчивостью к техногенному прессингу и дискомфортными условиями жизнедеятельности населения.
Геологическое строение. Особенности геологического строения и истории развития территории Усть-Илимского района обусловлены строением и развитием тектонических структур юго-западной части Сибирской платформы, именуемой в научной литературе Иркутским амфитеатром. Конкретно же территория района расположена в зоне сочленения нижнепалеозоиских структур Иркутского амфитеатра с юго-восточной окраиной Тунгусской синеклизы (Усть-Илимское..., 1975). Как часть Сибирской плиты, Иркутский амфитеатр имеет двухъярусное строение. В основании его лежит складчатый фундамент, сложенный магматическими и метаморфическими породами архея и протерозоя. Складчатый кристаллический фундамент перекрыт осадочными породами, представляющими сложное сочетание разновозрастных структурно-седиментационных этажей, наложенных один на другой, преимущественно палеозойского (кембрий-силур, карбон-нермь) и мезозойского (триас-юра) возраста, образующий верхний этаж - осадочный чехол. Осадочный чехол сгладил неровности складчатого фундамента и определил формирование геоморфологических особенностей в пределах Среднесибирского плоскогорья. В большинстве случаев мощность осадочного чехла коррелирует с глубиной залегания поверхности складчатого фундамента, который определяет особенности тектонических структур Сибирского кратона. На территории Сибирской платформы в пределах Усть-Илнмского района выделяются две главные тектонические структуры: Тунгусская синеклиза и Илимское поднятие (или Среднеангарская антеклиза). Тунгусская синеклиза - обширный пологий прогиб фундамента Сибирского кратона, формирование которого относится к карбону - нижнему триасу. Нижний подъярус осадочного чехла выполнен морскими отложениями нижнего палеозоя (кембрий-силур), верхний подъярус - мощными пластами так называемой тунгусской серии, состоящие из континентальных отложений карбона-триаса. Образование пород тунгусской серии происходило в условиях медленного погружения фундамента и установления озерно-болотного режима. Нижняя часть Тунгусской серии составляют песчаники, алевролиты, аргиллиты, глинистые и углистые сланцы, вмещающие мощные толщи каменного угля, имеющие промышленное значение, накопившиеся в течение карбона и первой половины перми в условиях озерно-болотного режима. Мощность этой так называемой продуктивной толщи достигает 1,5 км (Раковская. Давыдова, 2001).
Отложения верхней части тунгусской серии связаны с интенсивным проявлением платформенного трещинного магматизма в конце перми - первой половине триаса. По этой причине отложения нижней части тунгусской серии пронизаны многочисленными интрузиями основных магматических пород, представленных диабазами, долеритами, толщей эффузивных горных пород, состоящих из туфов, лавовых покровов с прослоями осадочных пород. Илимское поднятие - область неглубокого залегания фундамента Сибирской платформы, перекрытая осадочными толщами нижнеиалеозойского возраста мощностью более 2000 м, состоящие из песчаников, алевролитов, аргиллитов, известняков и т. д. Илимское поднятие имеет северо-восточное простирание. Оно также характеризуется сильным развитием трапповых интрузий перми и триаса, внедрившихся в осадочные породы. На протяжении платформенного этапа развития территория Усть-Илимского района испытывала колебательные движения общего или дифференцированного характера разной интенсивности и направленности. Колебательные движения проявлялись в виде слабых или умеренных поднятий и опусканий. В целом направленность и интенсивность колебательных движений (особенно поднятий) совпадают с активизацией орогенных процессов в соседних с платформой складчатых зонах.
Особенности геологического строения и геологического развития территории Усть-Илимского района обусловлены его положением в южной части Сибирской плиты в юго-восточной части Тунгусской синеклизы. Эта особенность предопределена постепенным погружением древних осадочных пород иод более молодые в северо-западном направлении, а также ориентировкой геологических структур на северо-восток и северо-запад. Продолжительный континентальный этап развития Сибирской платформы отразился на геоморфологическом строении и формировании речной сети в пределах Усть-Илимского района, основы которых были заложены еще в юре, а интенсивное развитие произошло в неоген-четвертичное время в связи с усилением неотектонических движений. Рельеф. Общие черты современного рельефа Усть-Илимского района, в первую очередь предопределены тектоникой, принадлежностью его территории к структурам южной оконечности древней докембрийской Сибирской платформы. Сибирская платформа, как крупная геоструктурная категория, геологические структуры которой были жестко спаяны трапповым магматизмом, в мезозое и кайнозое испытывала устойчивые поднятия и в морфоструктурном отношении сложилась как единая орографическая единица высшего порядка (морфоструктура высшего порядка), представленная Среднесибирским плоскогорьем. Таким образом, Среднесибирское плоскогорье однородно не только в морфоструктурном, но и геоструктурном отношении. Как единая орографическая единица, Среднесибирское плоскогорье прошло длительный путь континентальной денудации и в целом представляет собой сочетание преимущественно плоского или пологоволнистого ступенчатого рельефа междуречий с глубоко врезанными крутосклонными долинами рек. Преобладание в его пределах однонаправленных (положительных) движений, особенно интенсивных в четвертичное время, привело к значительному обновлению древних платформенных структур более низкого ранга, при этом подвижки блоков в основном развивались по унаследованным структурам (Морфоструктура..., 1986).
Усть-Илимский район располагается в пределах южной половины Среднесибирского плоскогорья. В пределах района абсолютные отметки рельефа постепенно снижаются в северном и северо-западном направлении, что также подтверждается наклоном долин и направлением течения наиболее крупных рек (Ангары, Ковы, Катанги). Гипсометрические уровни в пределах района колеблются от 185 м (долина Ангары на границе с Красноярским краем) до 946 м (г. Иринья на северо-востоке района). В целом рельеф района достаточно разнообразен. Его основные черты определяются тектоникой, неотектоникой, литологическим составом пород, выходами траппов и эрозионными процессами. Климат. Основные особенности климата Усть-Илимского района определяются его географическим положением в северной половине умеренного пояса и внутренней части Северной Азии в пределах Средней Сибири. В целом макроклимат.
Интегрированная многоуровневая геоинформационная система оценки состояния таежных геосистем предбайкалья
ГИС представляет собой картографическую базу данных, состоящую из записей, соответствующих конкретному графическому образу (координаты пространственного объекта) территории. Записи снабжены атрибутивными характеристиками, которые позволяют получить дополнительные данные об объекте. Возможности современных ГИС-технологий позволяют на единой основе интегрировать накопленные эколого-географические знания, разработанные ранее математические модели и методы решения задач дешифрирования космических снимков для прогнозирования динамики таежных геосистем (Владимиров, 2001а; Vladimirov, Cherkashin, 2001). Особенностью созданной интегрированной ГИС (ИнтГИС) является многоуровневой подход, учитывающий иерархию геосистем, и индивидуальная привязка моделей к конкретным географическим условиям. ИнтГИС включает собственно многоуровневую ГИС, комплекс программ моделирования динамики таежных лесов, базу знаний, отражающую классификацию геосистем и лесорастительных условий. ИнтГИС обеспечивает хранение эколого-географической и лесоустроительной информации, преобразовывает ее в картографический вид, проводит прогнозные расчеты разного масштаба с учетом лесозаготовок, пожаров и других факторов воздействия на таежные геосистемы
Пред-байкалья. Основные ГИС-составляющие представлены ниже. 3.2.1. ГИС состояния лесного фонда. Основная часть информации о состоянии лесного фонда пока не обладает временной и пространственной согласованностью. Следовательно, для достижения однозначности в представлении информации необходимо иметь систему данных, показывающую текущее состояние лесного фонда в пространственно-картографическом ее представлении (Владимиров, 20016). Решение этой проблемы начинается с создания ГИС состояния лесного фонда (ГИС СЛФ) Иркутской области, основанного на данных учета лесного фонда области. ГИС СЛФ Иркутской области предназначена для отражения на экране монитора и печати в различных страничных форматах карт разнообразных характеристик лесного фонда, получаемых из данных учета лесного фонда и дифференцируемых по установленным диапазонам значений отражаемых показателей в разрезе полигональных площадей лесхозов или районов Иркутской области. Геоинформационная система состояния лесного фонда создавалась на основе исходной картографической информации (цифровая топографическая основа масштаба 1:1000000) и карт-схем лесхозов Иркутской области, предоставленных Иркутским управлением лесами. Из цифровой топографической основы оставлены границы области, необходимые элементы гидрографии с дополнениями, дорожная сеть и основные населенные пункты.
Границы лесхозов, отражаемые на карте, являются цифровыми объектами, позволяющими оперативно изменить их при необходимости. Векторизация границ лесхозов проводилась по уже имеющимся элементам гидрографии, границам административных районов и области, рельефа, дорожной сети. Концепция создания ГИС СЛФ обсуждалась со специалистами отдела лесопользования и воспроизводства лесов Комитета природных ресурсов по Иркутской области. Результаты работы корректировались с их участием при совершенствования форм картографического отображения информации для практического использования. ГИС СЛФ имеет следующие тематические слои общегеографического содержания. 1. Гидрография: 1) реки (линейные обекты); 2) крупные реки (полигоны); 3) озера и водохранилища (полигоны); 4) оз.Байкал (полигоны); 5) острова (полигоны). 2. Антропогенная инфраструктура: 1) населенные пункты (полигоны); 2) железные дороги (линейные обекты). 3. Административное деления Иркутской области (полигоны): 1) административные районы Иркутской области; 2) граница Усть-Ордынского бурятского автономного округа (линейные обекты); 3) граница Иркутской области (линейные обекты). 4. Лесоустроительная информация: 1) лесхозы (полигоны); 2) земли Министерства обороны (полигоны); 3) особо охраняемые природные территории (полигоны). На основе этих тематических слоев создаются карты разного информационного содержания при подключении базы данных учета лесного фонда. Активными элементами отражаемой информации состояния лесного фонда в среде ГИС являются полигональные объекты площадей лесхозов и административных районов, изменяющие свою цветовую характеристику в зависимости от численного значения показателя в базе данных. Тип и диапазоны раскраски были разработаны при участии специалистов отдела лесопользования и воспроизводства лесов
Комитета природных ресурсов но Иркутской области. Тематические слои административных районов и лесхозов связаны с таблицами (базами данных), в которых отображаются характеристики лесного фонда (табл. 3.1 и табл. 3.2). Средним уровнем геоинформационного обеспечения моделей являются данные квартальных итогов и соответствующие им планы лесонасаждений. Элементарной ячейкой управления здесь становится квартал, который считается однородным но природным характеристикам участком лесной территории. Основными переменными становятся плошали и запасы лесонасаждений с учетом их распределения по группам возраста. Квартальная сеть задает естественную систему координат, с помощью которой все природные явления и лесохозяйственные мероприятия привязываются к местности, что позволяет организовывать мониторинг и управление лесопользованием. Система кварталов определяет пространственную дифференциацию лесных ресурсов, что лежит в основе планирования размещения лесосек и картографирования состояния лесов по агрегированным показателем как на текущий момент, так и с помощью моделей -на перспективу. Информация такого рода формируется по результатам лесоустроительной инвентаризации лесов и содержится в ведомостях поквартальных итогов разного содержания. Уровень пространственного разрешения этих данных соответствует размеру кварталов, что равно по разным категориям лесоустройства прямоугольникам 2x4 км2 или 1x2 км2. Количество кварталов в лесхозах исчисляется сотнями, что дает возможность анализировать лесную территорию как пространственно-распределенную систему, решать задачи различной сложности. К числу проблем, которые могут обсуждаться на этом уровне генерализации данных можно отнести следующие.1. Координация природных явлений и хозяйственных мероприятий по квартальной сети.
Многоуровневая система моделей
При моделировании развития лесонасаждений необходимо учитывать, что отдельные участки леса — это открытые системы, динамика которых определяется как состоянием физико-географических условий среды, так и влиянием соседних массивов леса. Поэтому для математического описания подобных процессов и связей необходима модель с распределенными параметрами, в которой главные характеристики леса являются функциями пространственных координат и зависят от влияния окружающих элементов исследуемой системы. Такая модель, условно названная "Вырубка", была разработана и применялась для ориентировочных расчетов динамика лесных площадей (Модели..., 1981; Рагозин, Черкашин, 1984; Москаленко, Черкашин, 1984). Для практического применения этой модели требуется дальнейшее совершенствование ее структуры в соответствии с особенностями пространственно-временной динамики лесов, уточнение значений коэффициентов и оценка начальных и граничных условий в конкретной ситуации.
В основу математической модели положена система дифференциальных уравнений первого порядка в частных производных (Модели..., 1981), описывающих изменение во времени распределения деревьев /-и породы по характерному размеру р (в данном случае диаметру) в единичной окрестности точки Со с координатами (х,у): + -[v (t,pA;N)n ]=-a 0(t,p,t0-,N)n -u ,i = \j, (4.7) at op дп о —+ — ct dp где / — число лесообразующих пород в пределах рассматриваемого участка; n {t,p,%Q) — число деревьев /-й породы, приходящихся на единичную окрестность точки с координатами Q\\ р; коэффициенты л ( ) и v ( ) соответствуют интенсивности отмирания и скорости роста деревьев; N— общая густота древостоя; u (t, р;о) — число вырубленных или посаженных за единицу времени деревьев диаметром р в момент t в окрестностях точки Неподобная модель работает с информацией уровня невыделенных данных. Ее можно использовать для создания местных таблиц хода роста, планирования выборочных рубок, например для реконструкции лесонасаждений. 4.2.2. Модели субрегионального уровня. Модели этого уровня имеют в современных условиях наибольшее прикладное значение, поскольку описывают динамику лесов в терминах изменения распределения их площадей и запасов во времени и в пространстве. В этих терминах можно описать изменение структуры лесов от уровня области в целом до динамики внутреннего площадного строения лесонасаждений отдельного лесного квартала.
Схему моделирования рассмотрим на примере модели "Лесные ресурсы" (Черкашин, 1984). В модели отражена динамика лесного фонда лесосырьевой базы по категориям земель и группам возраста: нелесной площади ( //), не покрытой лесом площади (So), покрытой лесом площади, в том числе молодняком и средневозрастным лесом (S\), приспевающими (). спелыми и перестойными лесами (ST,). Характеристики площади St{t \) пространственно распределены и изменяются во времени. Динамика этих показателей описывается формулами Это модель упрощенной динамики, где не учитывается процесс смены пород, а вместо классов возраста рассматриваются возрастные группы. Упрощения позволяют анализировать перспективы использования лесных ресурсов на больших территориях с учетом их хозяйственного освоения. Процесс освоения обеспечивает связь отдельных участков в единый эколого-экономический пространственно-распределенный комплекс. 4.2.3. Модели регионального уровни. Ежегодно (с 1998 г.)1, в лесном хозяйстве страны проводится учет лесного фонда: определяется распределение площади лесного фонда по категориям земель, площадей и запасов лесов по породам и группам возраста.
Эти данные существуют для каждого лесхоза, административного района и областей, краев, республик в целом. Они удобны для анализа динамики лесных ресурсов своей частой повторяемостью и достаточной детальностью, необходимой для решения теоретических и практических задач прогнозирования с учетом последствий различного вида хозяйственной деятельности и катастрофических смен. Для решения таких задач разработана математическая модель динамики лесных ресурсов но породам и группам возраста (Черкашин, 1984). Модель предназначена для расчета временной динамики лесных ресурсов территории с детальностью стандартных форм учета лесного фонда. Для лесонасаждений различного породного состава также характерна естественная смена пород. При этом подразумевается, что преимущественно спелые и перестойные леса лиственных пород заменяются средневозрастными лесами хвойных пород в сочетаниях, отражающих экологическую ситуацию на территории. В итоге естественная, пирогенная и антропогенная динамика лесов может быть представлена в виде трех суграфов-схем, наложение которых дает представление о всех возможных переходах. Во внимание принимаются также рубки, пожары и изъятие лесов лесного фонда в результате капитального строительства.
Учитывается процесс создания 1 В период 1961-1998 гг. учет лесного фонда проводился каждые 5 лет лесных культур и их перевод в молодняки. Общая схема перехода лесных и нелесных площадей для лесов с преобладанием одной породы показана на рис. 4.2. В модели используются следующие переменные: общая нелесная площадь (5„) территории, общая не покрытая лесом площадь (5,о), покрытая лесом площадь с преобладанием /-й породы, в том числе молодняками первого (S,\) и второго (.5/2) класса возраста, средневозрастными лесами (Sn), приспевающими (5,4), спелыми (S,s) и перестойными (S ) лесонасаждениями. Все эти переменные зависят от времени. Динамика этих показателей отображается схемой и описывается формулами:
