Содержание к диссертации
Введение
1. Эколого-хозяйственная оценка приро дно-антропогенных ландшафтов. Проблема и цель исследования 11
1.1. Эколого-хозяйственное состояние земель как объект оценки и управления территориальными ресурсами 11
1.2. Методологические особенности интегральной оценки качества природно-антропогенных ландшафтов при комплексном мониторинге, контроле и управлении земельными ресурсами 14
1.3. Обоснование основной цели исследования 22
2. Теоретические и методические вопросы интегральной эколого-хозяйственной оценки земельных ресурсов 30
2.1. Концепция и принципы построения интегральных оценок качества геосистем с точки зрения теории измерения
2.1.1. Измерение показателей качества геообъектов 30
2.1.2. Основные принципы оценки качества геосистем в ранговой шкале
2.1.3. Нечеткие множества и проблема оценки качества земельных ресурсов
2.2. Нормативный подход к построению интегральных оценок качества природно-хозяйственных геосистем 46
2.2.1. Формирование частных эколого-хозяйственных оценок земельных ресурсов. Их геометрическая, вероятностная и информационная интерпретация 46
2.2.2. Основные априорные требования к виду конструируемых интегральных оценок 51
2.2.3. Нормативные модели интегральных оценок качества типа "минимальный обобщенный риск" 55
2.2.4. Выравнивание неравноценности частных оценок качества с помощью весовых коэффициентов 58
2.2.5. Дискретные интегральные оценки качества эколого-экономических решений
2.3. Методическое обеспечение задач построения интегральных оценок качества природно-хозяйственных геосистем 62
3. Математико-географические модели анализа и синтеза природно-хозяйственных геосистем 71
3.1. Иерархическая структуризация и ранжирование геоданных 71
3.1.1. Формирование перечня существенных показателей качества геообъектов на основе метода анализа иерархий 71
3.1.2. Определение весовых коэффициентов показателей качества методами парных сравнений 78
3.2. Многоальтернативный анализ эколого-экономических решений по рациональному использованию и охране земель 88
3.2.1. Морфологический анализ природно-хозяиственных геосистем 89
3.2.2. Генерирование возможных вариантов эколого-экономических решений с помощью метода ЛП-поиска 92
3.2.3. Пространственно-структурно-параметрический синтез природно-хозяиственных геосистем на основе метода морфологического ЛП-поиска 95
3.2.4. Многовариантный анализ планового расположения комплекса орошаемых участков 98
3.3. Формирование и многокритериальный анализ вариантов целевой программы рационального использования и охраны земель в регионе 102
3.3.1. Построение и анализ иерархии ("дерева") целей развития территории региона 103
3.3.2. Многокритериальный анализ оптимизационно-имитационных моделей развития региональных природно-хозяйственный геосистем 110
3.3.3. Выбор природоохранных мероприятий, компенсирующих воздействие на экологическую обстановку в зоне влияния Южно-Воронежского водозабора подземных вод 119
4. Геоинформационно-аналитические технологии комплексного природно-хозяйственного районирования территории региона 123
4.1. Геоинформационно-аналитический подход к построению эколого-хозяйственного "портрета" территории региона 123
4.2. Типологизация и многомерная классификация объектов районирования на основе методов анализа природно-хозяиственных данных 136
4.2.1. Семантическая модель и сбор исходных геоданных 136
4.2.2. Методы автоматизированной классификации и компьютерной визуализации объектов районирования 142
4.2.3. Содержательный анализ и интерпретация результатов многомерной классификации 152
4.3. Комплексное природно-хозяйственное районирование территории Центрально-Черноземного района по условиям регулирования местного стока 155
4.3.1. Природно-хозяйственные условия территории региона 156
4.3.2. Базовое типологическое районирование ЦЧР по характеру рельефообразующих пород 162
4.3.3. Многомерная классификация речных водосборов ЦЧР на основе методов анализа природно-хозяиственных данных 170
5. Интегральная оценка и управление эколого-хозяйственным состоянием земель в ЦЧР (на примере белгородской области) 177
5.1. Построение комплексных тематических карт интенсивности и условий развития эрозии земель в Белгородской области с помощью геоинформационно-аналитических технологий 177
5.1.1. Эрозионное состояние земельных ресурсов и базовое типологическое районирование территории региона 178
5.1.2. Комплексное районирование Белгородской районы по интенсивности почвенно-эрозионных процессов 181
5.1.3. Содержательный анализ и интерпретация результатов многомерной классификации речных водосборов 186
5.1.4. Построение карты-схемы Белгородской области по условиям процессов смыва почв и овражной эрозии 187
5.2. Построение интегральной оценки эрозионной опасности земель и эколого-экономическое обоснование комплекса противоэрозионных мероприятий на речных водосборах Белгородской области 190
5.3. Поиск наилучших вариантов структуры Шебекинской опытно-производственной оросительной системы при обосновании инвестиций в мелиорацию земель 201
5.3.1. Краткая характеристика природно-хозяйственных условий района проектирования 201
5.3.2. Структурно-параметрическая оптимизация природно-мелиоративной системы на предпроектной стадии 204
5.3.3. Выбор и содержательная интерпретация наиболее предпочтительного варианта структуры Шебекинской оросительной системы 212
Заключение (выводы) 215
Перечень основных терминов и определений 219
Литература 222
Приложения 244
- Методологические особенности интегральной оценки качества природно-антропогенных ландшафтов при комплексном мониторинге, контроле и управлении земельными ресурсами
- Нормативные модели интегральных оценок качества типа "минимальный обобщенный риск"
- Генерирование возможных вариантов эколого-экономических решений с помощью метода ЛП-поиска
- Методы автоматизированной классификации и компьютерной визуализации объектов районирования
Введение к работе
з
Актуальность проблемы, В настоящее время экологическая обстановка в большинстве регионов России является весьма напряженной, что значительно усложняет реализацию стратегии устойчивого развития с учетом принципов охраны окружающей среды. В связи с возрастанием антропогенной нагрузки на земельные ресурсы, усиливаются негативные последствия принятия нерациональных эколого-хозяйственных решений по использованию земель в регионе,
В Центрально-Черноземном районе (ЦЧР) России особенно интенсивно развиваются процессы деградации и загрязнения природно-антропогенных ландшафтов (водная эрозия почв, их засоление и заболачивание, уменьшение запасов гумуса и др.), приводящие к ухудшению эколого-хозяйственного состояния земель, снижению почвенного плодородия, урожайности и качества сельскохозяйственной продукции.
Для создания информационно-аналитического обеспечения экологически безопасного и сбалансированного развития региона требуется комплексный мониторинг, контроль и управление земельными ресурсами в сложных природно-хозяйственных геосистемах. Этим системам присущи иерархичность структуры, нечеткость границ, многокритсриальность управления и другие трулноформализуемые свойсгва.: Их важнейшей составляющей является интенсивное землепользование как особый вид хозяйственной и природоохранной деятельности человека. Ограниченные возможности проведения натурных наблюдений, имеющаяся неполнота и неопределенность природно-хозяйственных данных, противоречивость экологических и экономических требований при обосновании управленческих решений по землеустройству, актуализируют разработку теоретических и методических основ математико-географического моделирования проблемы интегральной эколого-хозяйственной оценки и оптимального управления земельными ресурсами.
Диссертационная работа выполнена в 1955 - 2001 годах в рамках следующих
важнейших' Российских и международных научно-технических программ;
Государственной программы мониторинга земель РФ; Государственной программы
повышения плодородия почв России; Государственной программы "Экологическая
безопасность России"; Федеральной целевой программы "Создание
автоматизированной системы ведения государственного земельного кадастра"; Международной программы ЮНЕСКО "Биосфера и человек".
Цель и задачи работы. Целью исследования является разработка методологии интегральной эколого-хозяйственной оценки и управления земельными ресурсами на основе современных математико-географических моделей и геоинформационно - аналитических технологий (на примере ЦЧР),
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
1, Обосновать основные методологические принципы интегральной оценки
эколого-хозяйственного состояния земельных ресурсов.
ІАз-z.;, CSЛЬНИ
Ичз. №
2. Создать базовый теоретический аппарат и методическое обеспечение
интегральной эколого-хозяйственной оценки .-качества -т.земелБнда—ресурсов,
позволяющей измерять экологическую опаенре^^^^природно-антропрп ;нных
ландшафтов.
:.imm&
3. Разработать математико-географические модели анализа и синтеза
природно-хозяйственных геосистем при обосновании инвестиций в рациональное
использование и охрану земель.
-
Разработать геоинформационно-аиалитические технологии комплексного природно-хозяйственного районирования территории региона.
-
Применить разработанные теоретические и методические подходы к моделированию а оптимизации природно-антропогенных ландшафтов ЦЧР для; комплексного эколого-географического районирования территории региона; построения комплексных тематических карт и интегральной эколого-хозяйственной оценки состояния земельных ресурсов; эколого-экономического обоснования инвестиций в землеустройство.
Объект исследования. Эколого-хозяйственное состояние природно-антропогенных ландшафтов в процессе комплексного мониторинга, контроля и управления земельными ресурсами в регионе.
Предмет исследования. Теоретические и методические вопросы интегральной эколого-хозяйственной оценки качества земель и оптимального управления земельными ресурсами с целью реализации стратегии устойчивого развития региона.
Методы исследования. Методологической основой исследования является ландшафтно-экологический подход к анализу и синтезу природно-хозяйственных геосистем. Теоретические и практические разработки базируются на комплексном применении качественных и количественных процедур математико-географического моделирования: методов системного анализа, районирования территории, экспертных оценок, теории принятия решений, теории измерения, теории нечетких множеств, теории вероятности, анализа данных (распознавания образов, кластер-анализа многомерного шкалирования, и др.), а также на использовании геоинформационно-аналитических технологий и проведении компьютерных экспериментов.
Положения, выносимые на зашиту,
J. Методология, нормативные модели и методика интегральной эколого-хозяйственной оценки состояния земель при комплексном мониторинге, контроле и управлении земельными ресурсами.
2. Геоинформационно-зналитический подход и технологии комплексного
природно-хозяйственного районирования территории региона.
-
Комплекс математико-географических моделей анализа и синтеза природно-хозяйственных геосистем при обосновании инвестиций в рациональное использование и охрану земель,
-
Методика и результаты практического применения разработанных математико-географических подходов, моделей и методов для: комплексного природно-хозяйственного районирования территории ЦЧР; построения комплексных тематических карт и интегральной эколого-хозяйственной оценки состояния земельных ресурсов Белгородской области; эколого-экономического обоснования комплекса почвозащитных природоохранных мероприятий.
Научная новизна работы.
1. Впервые поставлена и решена важная научно-методическая проблема
интегральной оценки и оптимального управления эколо го-хозяйственным
состоянием земель при комплексном мониторинге, контроле и управлении
земельными ресурсами. Создан оригинальный базовый теоретический аппарат
интегральной оценки качества земель типа " риск невыполнения нормативных
требований к эколого-хозяйственному состоянию земельных ресурсов". Данная
оценка позволяет ранжировать состояния (варианты развития) природио-
хозяйственных геосистем по степени выполнения нормативных требований к
качеству земель и измерять экологический риск планируемой антропогенной
деятельности.
2. Созданы геоинформационно-аналитические технологии («ГИАС-
технологии»), расширяющие возможности существующих ГИС при построении
комплексных тематических карт эколого-хозяйственного состояния земель Б
регионе, когорые базируются на совместном использовании неформальных и
математико-географических моделей районирования, автомагизированной
классификации геообъектов и компьютерной визуализации природи о-
хозяйственных данных.
3. Разработаны математико-географические модели многовариантного анализа
и многокритериальной оптимизации управленческих решений по рациональному
использованию и охране земель. Для пространственно-структурно-
параметрического синтеза природно-хозяйственных геосистем предложен
оригинальный метод морфологического ЛП-поиска репрезентативных вариантов
решений. Для выбора наилучших вариантов используются ГИАС-технологии
комплексного «районирования» области компромиссных решений и нормативные
модели интегральной оценки качества земельных ресурсов.
4. В результате апробации и практической реализации подтверждена
эффективность разработанных математико-географических моделей комплексного
районирования, интегральной оценки и многокритериальной оптимизации
эколого-хозяйственного состояния территории на бассейновом уровне в процессе
мониторинга, контроля и управления земельными ресурсами - построены
комплексные тематические карты-схемы интенсивности и условий развития
почвенно-эрозирнных процессов, обобщенные оценки эрозионной опасности земель
Белгородской области и произведено эколого-экономическое обоснование
комплекса водорегулирующих противоэрозионгых мероприятий на водосборе
р.Черная Калитва,
Практическая значимость и реализация результатов работы. Полученные в работе научные результаты имеют конкретную прикладную направленность, связаіпгуїо с практической реализацией разработанных автором математико-географических моделей и методов комплексного районирования территории региона, интегральной оценки качества и оптимального управления природно-хозяйственными геосистемами.
Материалы проведенного исследования рекомендовано использовать в качестве инструктивно-методического обеспечения законов Воронежской области "О мониторинге земель" и "Экологической безопасности инвестиционной деятельности". Методическая и профаммно-аналитическая реализация результатов диссертации осуществлены в организациях Росземкадастра, ряде научно-
исследовательских и проектных институтов и вузах г. Воронежа, что подтверждено соответствующими актами о внедрении.
Проведенный патентный анализ методов оценки качества земель показал мировую новизну предлагаемых нормативных моделей частной и интегральной эколого-хозяйственных оценок состояния земельных ресурсов. В настоящее время подготовлена заявка в ФИПС на получение патента.
Апробация результатов работы. Основные научные положення, теоретические и практические результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались более чем на 25 конференциях, симпозиумах и школах-семинарах, В том числе: школах-семинарах Северо-кавказского научного-центра Высшей школы "Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования" (Новороссийск - Ростов-на-Дону, 1978 - 1995 гг.); Всесоюзном совещании "Научное обеспечение повышения эффективности использования мелиорируемых земель (Москва, 1987 г.); Всесоюзного семинара "Моделирование развития региональной экономики" (Ташкент, 1988 г.); 3-й Всесоюзной школе "Прикладные проблемы управления макросистемами" (Апатиты, 1989 г.); IV Всесоюзной конференции "Применение многомерного статистического анализа в экономике и оценке качества продукции" (Тарту, 1989 г.); Всесоюзной конференции "Методология экологического нормирования" (Харьков, 1990 г.); Международном симпозиуме "Природные н социально-экономические последствия разработки и управления водными проектами" (Москва, 1995 г.); Международной научной конференции "Биологические проблемы устойчивого развития природных экосистем" (Воронеж, 1996 г.); Республиканской конференции "Региональное природопользование и экологический мониторинг" (Барнаул, 1996); VI Всероссийской научно-практической конференции "Экологическая безопасность и здоровье людей в XXI веке" (г, Белгород, 2000 г.).
В полном объеме научные результаты работы, их апробация и практическая реализация обсуждены и одобрены на расширенном заседании Ученого совета ФГУП "Черноземный институт мониторинга земель и экосистем", в котором выполнялась работа.
Публикация результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 40 печатных работ, в том числе 2 монографии и глава в монографии.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, перечня основных терминов и определений, списка литературы и 7 приложений. Основная часть диссертации содержит: 243 страницы машинописного текста, 15 рисунков и 12 таблиц.
Библиографический список включает 325 наименований, в том числе 25 иностранных источника и 45 работ автора диссертации.
Методологические особенности интегральной оценки качества природно-антропогенных ландшафтов при комплексном мониторинге, контроле и управлении земельными ресурсами
Земля, как незаменимый и ограниченный по качеству природный ресурс, является важнейшим элементом биосферы, с которым связана любая хозяйственная деятельность человека. Ухудшение качества почв в результате деградации и загрязнения земель, с одной стороны, и необходимость экономического роста страны, с другой, образуют основное противоречие устойчивого [54] (допустимого по Н.Н. Моисееву [150]) развития регионов с интенсивным использованием земель. Данная ситуация требует решения проблемы интегральной оценки и улучшения эколого-хозяйственного состояния природно-антропогенных ландшафтов в процессе комплексного мониторинга, контроля и управления земельными ресурсами.
Геосистемная концепция мониторинга окружающей среды обоснована академиками И.П.Герасимовым [33-35] и Ю.А.Израэлем [88-89]. Она характеризуется целеустремленностью, взаимосвязанностью и эффективностью наблюдения, оценки, контроля, прогноза и управления состоянием природных ресурсов и является основой создания ЕГСЭМ. В работе И.П.Герасимова [34, с. 195] мониторинг определяется комплексно как "... система наблюдения, контроля и управления состоянием окружающей среды, осуществлемая в различных масштабах, в том числе и в глобальном. При этом "наблюдение", "контроль" и "управление" должны быть целеустремленны, взаимосвязаны и эффективны (полноценны) и, как указывает Ю.А.Израэль, необходима оценка, прогноз и управление состоянием природных ресурсов.
Методологическим проблемам мониторинга земель посвящены работы Л.Н.Кулешова, Ш.И.Литвака [120], П.Ф.Лойко, П.Р.Поповича [177], Ю.А.Полякова , В.В.Тишкина [259], а в ЦЧР - В.Н.Жердева , Н.А.Кузнецова, В.Д.Постолова, П.С.Русинова [67,69-71,73,79] и других ученых.
Для решения основных проблем комплексного мониторинга, контроля и управления земельными ресурсами в регионе (районирования территории региона, оценки качества и оптимизации природно-антропогенных ландшафтов) целесообразно использовать бассейновую концепцию. Ее родоначальником принято считать Р.Е.Хортона, который одним из первых обратил внимание на общегеографическую роль речных водосборов[285]. Позднее были установлены главные преимущества такого подхода: наличие иерархии в структуре и процессах, четкая выраженность границ и зон взаимодействия природных факторов, возможность использования геофизических, геохимических и математических методов, применение балансовых соотношений, что является ключом к оптимальному управлению земельными ресурсами. Корытным Л.М. [106, с.ПО] речной бассейн рассматривается как особый объект биосферы, как геоэкологическая система, перспективная "для различных видов природопользования в качестве основной пространственной ячейки, в том числе в сфере управления; он подлежит многоаспектному изучению". При этом выделяются гидрологические, геоморфологические, геологические, эколого-биосферные, геосистемные, историко-этнические, социально - экономические, водохозяйственные и геополитические основы бассейновой концепции. С гидрологической точки зрения "под бассейном реки понимается ограниченная водораздельная часть земной поверхности с учетом толщи почвогрунтов, откуда происходит сток вод в отдельную реку, речную систему, озеро, водохранилище или море" [106, с.ПО], которая рассматривается как сложная, иерархически устроенная, в определенном смысле саморегулирующаяся, динамическая водно-балансовая система, имеющая два функциональных уровня: склоны и гидрографическую сеть. При геологическом обосновании бассейновой концепции подчеркивается, что структура речных водосборов неразрывно связана с гидрогеологическими структурами.
Безусловно, очень важными являются геосистемные основы бассейнового подхода к рациональному использованию и охране земель при комплексном мониторинге, контроле и управлении земельными ресурсами. Особый интерес представляют системные исследования природно-антропогенных ландшафтов речных бассейнов. Мильков Ф.Н. [136, с. 13] рассматривает речной бассейн как парагенетическую систему, включающую две подсистемы - долинно-речную и водораздельную, природные компоненты которых взаимосвязаны общностью происхождения - заложением реки, формированием ее долины и бассейна. Таким образом, под парагенетической системой понимается русло реки и прилегающая к нему территория, с которой русло собирает поверхностный и подземный сток, и в ландшафтном плане они образуют сложный природный комплекс. Ее элементы имеют иерархическую организацию (упорядоченность). Именно это свойство парагенетической ландшафтной системы лежит в основе трактовки Р.Е.Хортоном [285] и А.А.Вирским [27] речного бассейна как единого эрозионного комплекса.
При использовании бассейнового подхода основное внимание уделяется комплексному использованию земель в границах речных водосборов. При этом целесообразно рассматривать бассейны рек как природно-хозяйственные геосистемы, в рамках которых наиболее удобно производить регулирование антропогенного воздействия человека на земельные ресурсы [147,213, 228,238,291,292,296]. Эти геосистемы легко выделяются на карте, космическом снимке и на местности.
Как показано в работах [67,69-71,73,222,245], речные водосборы являются естественными "ячейками" (объектами) комплексного мониторинга, контроля и управления земельными ресурсами в ЦЧР, в границах которых формируется естественный водный режим и почвенно-растительный покров территории, развиваются процессы деградации и загрязнения земель. Одновременно они являются объектами районирования, оценки и управления эколого-хозяйственным состоянием природно-антропогенных ландшафтов [269]. Актуальность и важность исследования проблемы эколого-хозяйственной оценки качества земельных ресурсов возрастает в соответствии с ростом негативных экологических последствий антропогенной деятельности в системе "общество-природа". По своему методологическому статусу эта проблема относится к числу слабоструктуризованных проблем системного анализа, в которых качественные стороны и неопределенность играют решающую роль [40,48,49,153,170,182,251,277,281,282]. Ужесточение экологических требований к состоянию природно-хозяйственных геосистем заложены в новую редакцию закона "Об охране окружающей среды" (ФЗ РФ №7ФЗ от 12 января 2002 г.). В нем в качестве основных принципов указаны "презумпция экологической опасности и обязательность оценки воздействия на окружающую среду при принятии решений об осуществлении хозяйственной и иной деятельности". Поэтому, необходима разработка соответствующего инструктивно-методического обеспечения для интегральной оценки экологической опасности природно-антропогенных ландшафтов и экологического риска планируемой антропогенной деятельности, связанной с интенсивным воздействием на земельные ресурсы.
Нормативные модели интегральных оценок качества типа "минимальный обобщенный риск"
Здесь агрегированные критерии конструируются с помощью многократного последовательного применения бинарных (попарных) коммутативных операций (в первом случае - сложения, во втором -умножения). В связи с этим формирование интегральных оценок качества можно представить как процедуру последовательного попарного объединения КК с заменой их частных оценок качества на оценку пары как комплекса (агрегата). Можно предположить, что бинарные операции сложения и умножения не исчерпывают всей совокупности операций, допустимых для конструирования интегральных оценок качества ПХГС.
Предположим вначале, что качество ПХГС характеризуется только двумя критериями (абсолютными оценками) - yi и у2. Пусть d, и d2 -некоторые частные относительные оценки качества ПХГС по этим КК, а d(di,d2) - интегральная оценка. Функция d(dbd2) может рассматриваться как результат некоторой операции над частными оценками качества. В простейшем случае данная операция считается бинарной. Сформулируем набор основных априорных требований (аксиом) к виду функции d(dbd2), зависящей от частных оценок качества [97,99]. Эту функцию естественно трактовать как оценку совместного действия (агрегата) нескольких частных критериев, объединенных в один комплексный (агрегированный) критерий. Причем, в многокритериальных задачах принятия эколого-экономических решений уровень агрегирования возрастает с ростом сложности и неопределенности априорной информации. Из всей совокупности различных (иногда очень частных) требований к виду интегральной оценки качества ПХГС выделим следующие.
Коммутативность (равноценность). От интегральной оценки d требуется выполнение условия:
Здесь символ d определяет бинарную операцию, производимую над выравненными и согласованными частными оценками d! и d2. Аксиома коммутативности является одной из наиболее часто встречающихся аксиом теории принятия решений [174,175] и требует равноценности или одинаковой важности частных однородных оценок dt и d2. Отметим, что изменение одной из них на некоторую величину изменяет интегральную оценку точно также, как и изменение другой из них на ту же самую величину. Таким образом, аксиома коммутативности интегрального критерия говорит о том, что комплексная оценка зависит от всего набора частных оценок, т.е. не зависит от порядка, в котором производится их свертка.
Ассоциативность (иерархическая одноуровненностъ). Это чрезвычайно важное свойство интегральных оценок, формулируется в виде: Смысл ассоциативности состоит в том, что в интегральном критерии, удовлетворяющем этой аксиоме, афегируются ("свертываются") лишь частные оценки одноуровневых КК. Другими словами, ассоциативность есть "антииерархическое" свойство интефальной оценки, означающее отсутствие иерархии среди афегируемых частных оценок. Следовательно, если частные оценки принадлежат одному уровню иерархической структуры качества ІТХГС и являются равноценными, то интегральная оценка с необходимостью удовлетворяет требованиям ассоциативности и коммутативности. Гладкость. Естественным является предположение о непрерывной зависимости интегральной оценки от частных, т.к. в реальных ситуациях малым изменениям частных критериев качества должно соответствовать малое изменение комплексного критерия. К резкому снижению разнообразия форм интегральных оценок приводит условие, что свертка d(dbd2) является многочленом. Кроме того, "многочленная" форма интегральной оценки наиболее проста для практических приложений. Ограниченность. На практике задаются или предполагаются известными границы диапазоны изменения аргументов (частных оценок) и функции (интегральной оценки). Ниже будет показана роль этого требования на примере, когда аргументы и функция принимают значения из интервала [0,1]. Данное требование позволяет получить вероятностную интерпретацию конструируемых частных и интегральных оценок качества ПХГС. Нейтральность. Данная аксиома названа так условно. Это просто требование к интегральной оценке d(dbd2) типа d(di,d2mm)—di, где d2min -минимальное значение частной оценки d2. Она трактуется следующим образом: при рассмотрении взаимодействия двух частных оценок di и d2 общий эффект совпадает с действием лишь первой, когда вторая не действует вовсе (имеет минимальное значение). В обычном сложении при d2min=0 это аналог записи di+0=d]. Именно таким образом полезно отличать действие сложения (агрегирования эффектов) от умножения с аннулирующим нулем: dix0=0. Из приведенных выше четырех априорных требований (коммутативности, гладкости, ограниченности и нейтральности) к свойствам интегральной оценки можно составить 16 различных наборов аксиом (условие ассоциативности выполняется везде). Исключение из рассмотрения неассоциативных интегральных оценок вызвано, в частности, следующими причинами. Во-первых, слишком широким является класс всех неассоциативных и коммутативных функций. Во-вторых, на практике обычно не сворачивают оценки, принадлежащие разным уровням иерархической структуры "качество ПХГС". Ниже будут показаны преимущества приведенных аксиом: 1) разнообразие классов получаемых интегральных оценок качества; 2) возможность интерпретации аксиом на естественном для экспертов языке; 3) указание места часто применяемых на практике интегральных оценок качества в предлагаемой системе аксиом (в частности, аддитивных и мультипликативных сверток); 4) тесные связи получаемых интегральных оценок с вероятностными (риск, опасность) и иформационными (энтропия) [290,299] характеристиками, что позволяет использовать их в оптимизационно имитационном моделировании развития региональных ПХГС [99].
Генерирование возможных вариантов эколого-экономических решений с помощью метода ЛП-поиска
Таким образом, предложенная нормативная модель агрегированного критерия качества ПХГС типа "минимальный обобщенный риск" позволяет упорядочить (ранжировать) сравниваемые варианты по значениям интегральных оценок качества.
В проблемах комплексного мониторинга и управления земельными ресурсами важное место принадлежит сравнению интегральных оценок текущих состояний (вариантов) ПХГС на фоне их предыдущих ранжирований для выявления изменений эколого-хозяйственного состояния земель, происходящих под влиянием интенсивного антропогенного воздействия. В связи с этим, рассмотрим метод "пересчета" интегральных оценок качества, инвариантный к получению дополнительной информации о "новых" вариантах ПХГС [203]. Инвариантность по отношению к изменению множества вариантов ПХГС означает, что новые варианты получают свою оценку в шкале, выработанной для их первоначального множества. Тем самым исключается пересчет всех интегральных оценок при расширении множества ранжируемых вариантов ПХГС, что придает этой оценке свойство адаптивности.
Пусть к заданному множеству из N "первоначальных" вариантов ПХГС, состояние которых характеризуется М критериями качества, добавилось некоторое число L "новых" вариантов с тем же набором ЮС (по наименованиям и количеству). При этом, возможно, установлены новые нижняя a j и верхняя b j границы диапазона изменения j-го КК и новые нормативные уровни уj . Будем считать, что для всех j: a j aj и bj bj, т.е. диапазоны изменения КК не уменьшились. В дальнейшем также предполагается, что весовые коэффициенты A,j частных оценок качества не изменились. Требуется проранжировать совокупность всех N+L вариантов ПХГС, учитывая первоначальное упорядочение N исходных вариантов на основе интегральной оценки качества d1, определяемой по формуле (2.13).
Таким образом, необходимо откорректировать (пересчитать) все значения величин д./, s,, dj1 для новых границ диапазона изменения и новых нормативных уровней по каждому КК, чтобы "включить" добавленные варианты в первоначальное ранжирование. При этом алгоритм пересчета должен обеспечивать переход от ранжирования вариантов, полученного в условиях изменившейся исходной информации, к первоначальному ранжированию вариантов.
Сформулируем согласно [203] правила пересчета: ц/—»ц, Д 8j sj dj - d j1, где штрихованные величины рассчитываются для новых интервала [a j,b j] и требований y j к качеству j-ro КК. Эти правила заключаются в следующем: если в первоначальном ранжировании і-й вариант лучше 1-го варианта (или они эквивалентны), т.е. d d , то добавление любого числа новых вариантов (лучших или худших, чем сравниваемые і и 1) не должно изменить уже полученное отношение предпочтительности (эквивалентности), т.е. d" d . При этом важнейшую роль играют величины у j . При пересчете оценок d возможны следующие случаи: 1) Случаи (2.3.1) и (2.3.2) практического интереса не представляют, т.к. здесь оба или один вариант из сравнения выпадают: они становятся неприемлемыми по j-му КК (можно считать, что ранжирование не меняется). Поэтому рассмотрим случай (2.3.3), когда добавились "худшие" варианты и величина y j такова, что выполняются нормативные требования к качеству по j-му КК для вариантов і и 1. Можно показать [203], что в этом случае, первоначальное ранжирование вариантов ПХГС сохраняется. Более того, т.к. это ранжирование основано на вычислениях оценок dj1, то в их пересчете нет необходимости. Вновь добавленные варианты со значениями КК, удовлетворяющими нормативным ограничениям a j y j y j b j, ранжируются обычным образом, т.е. на основе вычисления значений величин \х)\ s d /n d", где j=l,2,...,M; i=N+l, N+2,...,N+L. Наконец, по величине d" - чем меньше ее значение, тем выше интегральное качество ПХГС, производится ранжирование вновь добавленных вариантов, т.е. они расставляются среди первоначальных вариантов ПХГС по значениям интегральной оценки d1. Это объясняется тем, что пересчет выполняется так, что частные оценки качества dj1 остаются неизменными для исходного множества вариантов, а, значит, не изменяется и их интегральная оценка d1. Подчеркнем, что конструируемые интегральные оценки качества дают лишь относительное ранжирование для вариантов, значения КК которых заключены в определенные диапазоны изменения и не больше некоторых нормативных уровней. При этом, конечно, может возникнуть кажущийся парадокс, состоящий в том, что вариант с худшими значениями КК (в своем диапазоне и со своим нормативным уровнем) может быть относительно предпочтительнее (лучше), чем другой вариант, абсолютные оценки качества которого лучше (в своем интервале). То есть данная интегральная оценка измеряет приспособленность к достижению поставленной цели развития ПХГС. Еще раз отметим, что полученное в итоге ранжирование вариантов имеет порядковый характер, т.е. от полученных значений d1 интегральной оценки качества ПХГС некорректно требовать ответа на вопрос, на сколько или во сколько раз изменилась данная оценка. На основе проведенных теоретических исследований и методических разработок создана автоматизированная система экспертного оценивания (АСЭО) [204,206,265,266], предназначенная для построения интегральных оценок качества ПХГС и эколого-экономических решений по рациональному использованию и охране земель в регионе. Ее "ядром" является автоматизированная технология построения интегральной оценки качества вариантов ПХГС (см. рис.2.3.).
Методы автоматизированной классификации и компьютерной визуализации объектов районирования
В каждой конкретной ситуации анализа природно-хозяйственных данных показатели качества ГГХГС имеют различную относительную важность (предпочтительность). В связи с этим возникает необходимость определения их весовых коэффициентов, которые позволяют осуществить ранжирование ПК - их упорядочение по мере убывания предпочтительности.
Методы определения весовых коэффициентов [21,38,129] основаны на обработке экспертной информации для построения количественных шкал, позволяющих измерять относительную важность ПК. Они предусматривают организацию и проведение экспертиз для оценки различных свойств геообъектов. Здесь под экспертизой понимается процедура оценки важности некоторых ПК одним или несколькими экспертами. Экспертиза включает три основных этапа. Первый этап - подготовительный. На этом этапе формулируются задачи экспертизы, определяется способ получения информации от экспертов и метод её обработки, подбирается состав экспертов. На втором этапе эксперты заполняют анкеты, отвечая на заранее поставленные вопросы или высказывая свои суждения по поводу важности анализируемых ПК. На третьем этапе проводится обработка экспертной информации. Точность весовых коэффициентов в значительной мере зависит от характера процедур получения экспертных данных и от компетентности экспертов. Экспертные оценки степени важности ПК можно получить в порядковой шкале (в виде рангов), в промежуточных шкалах (в виде баллов), в шкале отношений (в виде точек на вещественной оси) и т.д.
Для повышения точности экспертного оценивания создают экспертную группу. Суждение группы специалистов считается более надежным, чем суждение одного эксперта. Однако при проведении групповой экспертизы возникает ряд проблем. Укажем три основных вопроса: 1) как на основе индивидуальных экспертных оценок построить групповую оценку, наилучшим образом отражающую мнение всех экспертов?; 2) как оценить величину расхождения между индивидуальными экспертными оценками? и 3) как обоснованно сблизить индивидуальные экспертные оценки, если они существенно различаются?
Использование в качестве групповой оценки среднего арифметического индивидуальных оценок можно считать обоснованным только в том случае, когда суждения экспертов являются достаточно близкими. В противном случае групповая оценка ничуть не лучше индивидуальных оценок произвольно выбранного эксперта группы. Значительные различия в экспертных суждениях, чаще всего, имеют место по следующим причинам. Во-первых, эксперты могут по-разному понимать цель экспертизы. Во-вторых, эксперты могут различаться уровнем профессиональной подготовки и опытом участия в экспертизе. В первом случае следует попытаться более четко сформулировать цель экспертного оценивания. Если это не приводит к уменьшению различий между оценками экспертов при повторной экспертизе, рекомендуется применение процедур сближения экспертных суждений. Простейшим способом является обсуждение полученных результатов на совещании экспертов, а в более сложной ситуации - применение процедур типа метода Дел фи [130,293]. Во втором случае перед обработкой полученных экспертных оценок необходимо определить для каждого из экспертов коэффициент компетентности [21].
Пусть задача ранжирования геоданных состоит в определении весовых коэффициентов М показателей качества. В дальнейшем будем считать, что веса показателей (3j удовлетворяют условию нормировки. Для каждого типа экспертных оценок существуют различные методы определения весовых коэффициентов [21,129]. На практике удобными и надежными методами определения весовых коэффициентов являются методы, основанные на парных сравнениях всех ПК по степени важности [58]. В результате анкетного опроса экспертов заполняются матрицы парных сравнений, после обработки которых определяют веса ПК. В данном методе исходная экспертная информация получается на основе М(М-1)/2 парных сравнений М ранжируемых ПК по степени важности и записывается в специальные таблицы (матрицы парных сравнений А"). Элементами матриц А" являются оценки aikn предпочтительности j-ro ПК по отношению к к-му ПК, данные п-м экспертом (j,k=l,2,...,M; n=l,2,...,L). Они могут задаваться в различных шкалах [141,142]. Так, в порядковой шкале элементы матриц парных сравнений отражают только факт предпочтительности одного ПК по отношению к другому. При задании экспертной информации в шкале отношений используются различные градации степеней предпочтительности сравниваемых ПК. Отметим основные преимущества представления исходной экспертной информации о предпочтительности ПК в виде матриц парных сравнений: 1) эксперты концентрируют свое внимание не на всех ПК сразу, а только на двух. Это облегчает экспертизу и, следовательно, способствует повышению ее качества (надежности); 2) имеет место большое число сравнений каждого ПК с другими, благодаря чему повышается точность оценки; 3) каждая последующая оценка не связана с предыдущей; 4) экспертные оценки не обязаны быть транзитивными. Это значит, что если j-й ПК важнее k-го ПК, к-й важнее т-го и, то m-й может быть важнее j-ro; 5) имеется возможность применения аппарата статистических критериев для оценки степени согласованности экспертных суждений. При задании экспертных оценок в шкале отношений для элементов матрицы парных сравнений должно выполняться соотношение: ajkn х akjn=l, ajjn=l. В качестве предварительного шага для получения экспертных оценок вводится градация важности ПК на основе задания точек шкалы отношений и их содержательной интерпретации. В этом случае целесообразно использовать табл.3.2, предложенную Т.Саати в работах [229-231,317].
Похожие диссертации на Интегральная эколого-хозяйственная оценка и управление земельными ресурсами в регионе : На примере Центрально-Черноземного района
