- прогнозируемая по сценарию
нарушающего воздействия оценка состояния
экосистемы на шкале "норма-патология";
- перечень значимых для экологического
неблагополучия факторов, ранжированный
по величине вклада фактора в степень
неблагополучия (с указанием критериев
значимости);
- нормативы экологически допустимых
уровней для каждого значимого фактора;
- нормативы экологически безопасных
границ для незначимых факторов;
- сценарии факторов среды, приводящие к экологическому неблагополучию, перечень факторов, изменение которых необходимо для возврата экосистемы в область нормального функционирования, и оптимальные для такого возврата диапазоны изменения указанных факторов;
- сценарии, приводящие к благополучным состояниям экосистем, указывается "близость" факторов сценария к границе благополучия.
Результаты работы могут быть
использованы специалистами по охране
природы; экологами-экспертами; научными
работниками; специалистами по экологическому
обоснованию в проектной деятельности;
специалистами по мониторингу и контролю
среды; лицами, принимающими решения.
1.3. Геоинформационные
системы
Географические информационные
системы (ГИС) появились в 60-х годах XX век
как инструменты для отображения географии
Земли и расположенных на ее поверхности
объектов. Сейчас ГИС представляют собой
сложные и многофункциональные инструменты
для работы с данными о Земле. Фрагмент
пользовательского интерфейса ГИС представлен
на рисуне 3.
Рисунок 3 – Фрагмент пользовательского
интерфейса ГИС
Преимущества
геоинформационных систем
- удобное для пользователя
отображение пространственных данных
Картографирование пространственных
данных, в том числе в трехмерном измерении,
наиболее удобно для восприятия, что упрощает
построение запросов и их последующий
анализ.
интеграция данных
внутри организации
Геоинформационные системы
объединяют данные, накопленные в различных
подразделениях компании или даже в разных
областях деятельности организаций целого
региона. Коллективное использование
накопленных данных и их интеграция в
единый информационный массив дает существенные
конкурентные преимущества и повышает
эффективность эксплуатации геоинформационных
систем.
принятие обоснованных
решений
Автоматизация процесса анализа
и построения отчетов о любых явлениях,
связанных с пространственными данными,
помогает ускорить и повысить эффективность
процедуры принятия решений.
удобное средство
для создания карт
Геоинформационные системы
оптимизируют процесс расшифровки данных
космических и аэросъемок и используют
уже созданные планы местности, схемы,
чертежи. ГИС существенно экономят временные
ресурсы, автоматизируя процесс работы
с картами, и создают трехмерные модели
местности.
Так, с помощью ГИС специалисты
могут оперативно спрогнозировать возможные
места разрывов трубопроводы, проследить
на карте пути распространения загрязнений
и оценить вероятный ущерб для природной
среды, вычислить объем средств, необходимых
для устранения последствий аварии. С
помощью ГИС можно отобрать промышленные
предприятия, осуществляющие выбросы
вредных веществ, отобразить розу ветров
и грунтовые воды в окружающей их местности
и смоделировать распространение выбросов
в окружающей среде.
Безусловным лидером в создании
локальных баз данных является ESRI (Environmental
Systems Research Institute, Inc., США) Сервер ArcAtlas “Our
Earth” содержит более 40 тематических покрытий,
которые широко используются во всем мире.
Практически все картографические проекты
масштаба 1:10 000 000 и более мелких масштабов
создаются с его использованием.
Наиболее серьезным проектом
по созданию распределенной базы данных
является «Цифровая Земля» (Digital Earth). Этот
проект был предложен вице-президентом
США Гором в 1998г., основным исполнителем
является NASA. В проекте участвуют министерства
и государственные ведомства США, университеты,
частные организации, Канада, Китай, Израиль
и Европейский союз. Все проекты распределенных
баз данных испытывают серьезные трудности
в вопросах стандартизации метаданных
и совместимости отдельных ГИС и проектов,
созданных разными организациями с применением
разного программного обеспечения.
2. Моделирование
математических моделей
Моделирование – это один из
основных методов познания. Оно широко
применяется во всех отраслях науки, в
том числе и в экологии. В ней часто требуется
спрогнозировать изменения, которые могут
происходить в окружающей среде вследствие
воздействия каких-нибудь факторов. Одной
из задач экологии является также установление
взаимосвязей между организмами и окружающей
средой, описание законов, по которым протекают
процессы в живой природе. В классической
экологии рассматриваются взаимодействия
нескольких типов:
- взаимодействие организма и
окружающей среды;
- взаимодействие особей внутри
популяции;
- взаимодействие между особями
разных видов (между популяциями).
Математические модели в экологии
используются практически с момента возникновения
этой науки. И, хотя поведение организмов
в живой природе гораздо труднее адекватно
описать средствами математики, чем самые
сложные физические процессы, модели помогают
установить некоторые закономерности
и общие тенденции развития отдельных
популяций, а также сообществ. Кажется
удивительным, что люди, занимающиеся
живой природой, воссоздают ее в искусственной
математической форме, но есть веские
причины, которые стимулируют эти занятия.
Вот некоторые цели создания математических
моделей в экологии:
1. Модели помогают выделить
суть или объединить и выразить
с помощью нескольких параметров
важные разрозненные свойства
большого числа уникальных наблюдений,
что облегчает экологу анализ
рассматриваемого процесса или
проблемы.
2. Модели выступают в
качестве «общего языка», с помощью
которого может быть описано
каждое уникальное явление, и
относительные свойства таких
явлений становятся более понятными.
3. Модель может служить
образцом «идеального объекта»
или идеализированного поведения,
при сравнении с которым можно
оценивать и измерять реальные
объекты и процессы.
4. Модели действительно
могут пролить свет на реальный
мир, несовершенными имитациями
которого они являются.
При построении моделей в "математической
экологии" используется опыт математического
моделирования механических и физических
систем, однако с учетом специфических
особенностей биологических систем:
- сложности внутреннего строения
каждой особи;
- зависимости условий жизнедеятельности
организмов от многих факторов внешней
среды;
- незамкнутости экологических систем;
- огромного диапазона внешних
характеристик, при которых сохраняется
жизнеспособность систем.
Привлечение компьютеров существенно
раздвинуло границы моделирования экологических
процессов. С одной стороны, появилась
возможность всесторонней реализации
сложных математических моделей, не допускающих
аналитического исследования, с другой
– возникли принципиально новые направления,
и прежде всего - имитационное моделирование.
3. Техническое
обеспечение
В настоящее время термин "информационная
технология" чаще всего употребляется
в связи с использованием компьютеров
для обработки информации. Информационные
технологии охватывают всю вычислительную
технику и технику связи и, отчасти, —
бытовую электронику, телевидение и радиовещание.
3.1. Вычислительные
системы
В научных исследованиях компьютер
нередко выступает как необходимый инструмент
экспериментальной работы.
Компьютерный эксперимент чаще
всего связан:
- с проведением сложных математических
расчетов;
- с построением и исследованием
наглядных и динамических моделей.
Таким образом, компьютер необходим
прежде всего для того, чтобы реализовать
информационные системы и модели, о которых
говорилось ранее.
Информационные системы, созданные
на базе использования возможностей компьютера,
как правило являются автоматизированными
информационными системами (АИС). При этом
следует различать понятия «автоматизированная»
и «автоматическая». В автоматизированном
процессе человек может по мере необходимости
вмешиваться, регулировать и направлять
ход процесса, а автоматической процесс
протекает без его участия вплоть до завершения.
Автоматизированные информационные
системы развиваются в настоящее время
быстрыми темпами, повышается объем их
хранилищ, совершенствуются механизмы,
расширяется перечень услуг, предоставляемых
пользователю.
Компьютерное моделирование позволяет
решать довольно сложные задачи на основе
компьютерной модели исследуемого явления.
Преимущества компьютерного моделирования
заключаются в том, что оно:
- дает возможность рассчитать параметры
и смоделировать явления, процессы и эффекты,
изучение которых в реальных условиях
невозможно либо очень затруднительно;
- позволяет не только пронаблюдать, но
и предсказать результат эксперимента
при каких-либо условиях;
- позволяет изучать явления, предсказываемые
любыми теориями;
- является экологически чистым и не представляет
опасности для природы и человека;
- обеспечивает наглядность;
- доступно в использовании.
Однако важно помнить, что на компьютере
моделируется не объективная реальность,
а наши теоретические представления о
ней. Объектом компьютерного моделирования
являются математические и другие модели,
а не реальные объекты, процессы или явления.
3.2. Системы
получения данных
Созданные за последние десятилетия
спутниковые средства наблюдения за Землей
охватывают практически все значимые
сферы функционирования системы «природа–общество».
В настоящее время спутниковые системы
поставляют данные о следующих параметрах:
- взаимодействия в системе Земля-Солнце;
- динамика атмосферы;
- динамика океанов и прибрежных регионов;
- процессы в литосфере;
- функционирование биосферы;
- динамика климатической среды.
Данные дистанционного зондирования
являются основным источником оперативной
информации для систем контроля глобальной
экологической, биогеохимической, гидрофизической,
эпидемиологической, геофизической и
демографической обстановки на Земле.
К настоящему времени дистанционный
геоинформационный мониторинг объектов
и процессов окружающей среды поставляет
огромные объемы данных, чтобы можно было
решать многие задачи контроля системы
«природа общества». Эти данные часто
используются в геоинформационных системах,
так как хранятся в удобном для ГИС формате.
4. Объединение различных
информационных технологий
Методы локальной диагностики
окружающей среды не могут дать комплексную
оценку состояния природного объекта
или процесса, особенно в случае, когда
этот элемент окружающей среды занимает
обширные пространства. Любые технические
средства сбора данных об окружающей среде
позволяют получить лишь отрывочную во
времени и фрагментарную в пространстве
информацию.
Для решения комплексной задачи
диагностики окружающей среды важен синтез
системы, объединяющей такие функции,
как сбор данных с помощью дистанционных
и контактных методов, их анализ и накопление
с последующей тематической обработкой.
Такая система способна обеспечить систематическое
наблюдение и оценку состояния окружающей
среды, предопределять прогнозную диагностику
изменений элементов окружающей среды
под влиянием хозяйственной деятельности
и при необходимости анализировать развитие
процессов в окружающей среде при реализации
сценариев антропогенного характера с
выдачей предупреждений о нежелательных
изменениях характеристик природных подсистем.
Реализация таких функций мониторинга
окружающей среды возможна при использовании
методов имитационного моделирования,
обеспечивающих синтез модели изучаемой
природной системы.
4.1. ГИМС-технология
Развитие моделей биохимических,
биоценотических, гидрофизических, климатических
и социально-экономических процессов
в окружающей среде, обеспечивающих синтез
образов ее подсистем неизбежно требует
формирования систем автоматизации обработки
данных мониторинга и создания соответствующих
баз данных. Как показали многочисленные
исследования в этом направлении, существуют
сбалансированные критерии отбора информации,
учитывающие иерархию причинно-следственных
связей в биосфере.