Экологиялық зерттеулер кезінде сандық аспаптарды қолдану
Ғаламшар халқының жалпы санының қарқынды өсуі қоршаған ортаға техногендік әсерлердің күшеюімен бірге жердегі жаһандық табиғи процестердің барысын айтарлықтай өзгертеді. Қазіргі уақытта табиғи және антропогендік процестердің ауқымы салыстырмалы болды, ал олардың арасындағы арақатынас биосфераға антропогендік әсер ету қуатының өсуі жағына қарай өзгеруін жалғастыруда.
«Экология» термині 1866 жылы неміс жаратылыстанушысы Э. Геккельмен пайдалануға енгізілді. грек тілінен аударғанда үй туралы ғылымды білдіреді (ойкос – үй, тұрғын үй; логос — ілім). Қазіргі уақытта «экология» терминінің мағынасы айтарлықтай өзгерді: экология қоршаған ортаға ерекше ауқымды және ерекше әсер етуіне байланысты адамға неғұрлым бағдарланған болды. Қазіргі заманғы экологияны тірі организмдердің, соның ішінде адамның өмір сүруі мен өзара қарым-қатынасын зерттеумен, өмір сүру ортасымен, адам қоғамының ортаға әсерінің ауқымы мен рұқсат етілген шектерін, осы әсерлерді азайту немесе оларды толық бейтараптандыру мүмкіндіктерін анықтаумен айналысатын ғылым ретінде қарастыруға болады.
«Экология» терминінің мазмұны әлеуметтік-саяси, философиялық аспектіге ие болды. Бұл ретте Экология тек дербес пән ретінде ғана емес, барлық ғылымдарды, технологиялық үрдістерді және адамдардың іс-әрекетінің салаларын енуге арналған дүниетаным ретінде қарастырылады. Осылайша, техникалық прогресс пен адамдардың қызметі экологияға әсер етіп қана қоймай, сонымен қатар экология да адамдардың дүниетанымына және технологиялық процестердің одан әрі дамуына әсер ету үшін заманауи технологиялардың жетістіктерінің нәтижелерін пайдаланады.
Қолданбалы ғылым ретінде экология тұрғысынан техникалық прогрестің пайдасы неде екенін қарастырайық. Төменде суретте экожүйенің Биогеохимиялық циклдеріне жаһандық техногенді әсердің жалпы схемасы көрсетілген.
Күшейтілген антропогендік жүктеме жағдайында экологиялық проблемаларды шешуге жүйелік көзқарас ландшафтық-географиялық ортада өтетін процестерді кешенді зерттеуді көздейді. Бұл міндетті болжау әдістерін Тартпай да, экожүйе объектілерін тұрақты бақылаусыз да және көлемі берілген дәлдікпен ықтимал мәнді алуға мүмкіндік беретін іріктеме алу үшін ұзақ уақыт бойы статистикалық материалды жинамай да шешу мүмкін емес.
Осылайша қазіргі экологияда техникалық құралдар мен жабдықтарды пайдалану екі көзқарас тұрғысынан қарастырылуы мүмкін:
машиналық Имитациялық модельдерді құру және болжаудың математикалық әдістерін қолдану кезінде және мұнда математикалық моделдеу – бірқатар жағдайларда еңбекті көп қажет ететін және қымбат табиғи элементтерді болдырмауға мүмкіндік беретін жүйелік талдаудың негізгі құралдарының бірі;
қоршаған ортаның жекелеген объектілерінің жай-күйіне зерттеу жүргізу кезінде олардың ластану деңгейі туралы ақпарат алу, экологиялық факторлардың өзгеру мониторингі, тиісті деректер қорын толтыру мақсатында статистикалық материалдың жинақталуы, экожүйе объектілеріне антропогендік әсер ету деңгейін оңтайлы басқару жүйесін іске асыру.
А. экологияда Имитациялық модельдерді құру және математикалық модельдеу мақсатында аппараттық, техникалық және бағдарламалық құралдарды пайдалануды қарастырайық:
Болжамның барабарлығы мен дәлдігі проблемасы (экологияда да, басқа да ғылымдарда да) қазіргі уақытта бірінші орындардың біріне қойылады. ЭЕМ-нің дамуымен сипатталатын процестердің санын кеңейту және оларды неғұрлым егжей-тегжейлі сипаттау есебінен объектіні барынша барабар сипаттауға ұмтылатын математикалық модельдер кеңінен тарайды. Нақты қолданыстағы экожүйелерді басқаруға байланысты міндеттерді шешу үшін соңғы буындағы бағдарламалық-аппараттық құралдарды пайдалана отырып, машиналық (Имитациялық) модельдер құрылады. Мұндай модельдерді жасау кезінде қазіргі заманғы ЭЕМ-де модельдеудің есептерін шешуге арналмаған дискретті әрекетті есептеуіштер болып саналады. Сондықтан Имитациялық модельдерді жасау барысында олар үшін арнайы математикалық және бағдарламалық қамтамасыз етуді әзірлеуге тура келеді.
Сонымен қатар экологиялық жүйелердің тұрақты емес және стохастикалық даму сипаты Үлгілеу кезінде елеулі қиындықтар туғызатын айтарлықтай априорлық белгісіздікке әкеледі.
Қазіргі уақытта экологиялық жүйелерді Имитациялық модельдеу дамуының екі бағытын атап өтуге болады, онда белгісіздікпен жұмыс істеу үшін жеткілікті конструктивтік құралдар ұсынылады.
Бірінші бағыт экологиялық модельдерді сәйкестендіру және верификациялау мәселелерін шешу әдістемесі ретінде ресімделген. Экологиялық модельді сәйкестендіру деп нақты экологиялық жағдайды зерттеу кезінде модель коэффициенттерінің сандық мәнін анықтау және нақтылау процесі түсініледі.
Биогенді элементтердің айналымайналымының модельдерін верификациялау үшін параметрлерге салынған байланыстарды бөлу көмегімен модельдің белгісіздігін айтарлықтай азайтатын байланыстылық әдістемесі қолданылады (модельдің бірнеше итерациясы үшін ерекше нүктелердің орнықтылығын сақтау шарттарынан).
Верификация модельдің белгісіздігін айтарлықтай азайтады,бірақ жүйенің барлық параметрлері үшін бірдей сандық мәндерді бермейді. Сондықтан белгісіз қалған модель коэффициенттерін нақты деректер бойынша сәйкестендіру қажет.
Екінші бағыт экожүйенің жасырын даму заңдылықтарын анықтау процесін және олардың математикалық модельге кірігуін үйлестіруге жеткілікті табысты әрекет етеді. Бұл әдіс үшін әдіснамалық негіз ретінде жүйелердің жалпы теориясы және статистикалық шешімдер теориясы қолданылады. Модель құрылымын нақтылау және нақтылау көптеген гипотезалардың тарылуы есебінен жүзеге асырылады. Бұл контекстегі модель құрылымы деп кірістегі айнымалы мәндер арқылы Шығыс айнымалы жүйенің есептелуін анықтайтын алгоритм түсініледі.
Имитациялық моделдеу туралы айтатын болсақ, экологиялық модельдердің сапалық талдауы аз өлшемдік модельдер үшін ғана өте терең дамитынын атап өтпеуге болмайды. Сондықтан да барлық мүмкін болатын артықшылықтарға ие Имитациялық модель болған жағдайда да 15-20 түрлі кесте бойынша экожүйенің жалпы жай-күйіне баға беру өте қиын.
Келесі мысалдарда ақпараттық жүйені және мониторингті қолдау жүйесін қарастырайық:
I. Солтүстік Еуразияның жер үсті экожүйелері мониторингінің географиялық деректер базасын жүйелендірілген сақтау мен жаңартуды жүзеге асыруға және интернет-технологиялар негізінде пайдаланушылардың ақпаратқа қашықтан қол жеткізуін қамтамасыз етуге арналған TerraNorte ақпараттық жүйесі.
TerraNorte жүйесі Солтүстік Еуразияның жер үсті экожүйелерінің спутниктік мониторингі жүйесінің негізгі құрылымдық элементтерінің бірі болып табылады, оның функционалдық схемасы жалпыланған түрде күріш ұсынылған. 1 және мынадай негізгі компоненттерді қамтиды:
1. Спутниктік деректерді жинау және алдын ала өңдеу кіші жүйесі;
2. Спутниктік деректерді тақырыптық талдаудың кіші жүйесі;
3. Деректерді талдау және модельдеу кіші жүйесі;
4. TerraNorte ақпараттық жүйесі.
Төменде Солтүстік Еуразияның жерүсті экожүйелерінің спутниктік мониторингі жүйесінің көрсетілген компоненттерінің мазмұны қарастырылған.
Жерсеріктік деректерді жинау және алдын ала өңдеу кіші жүйесі жерсеріктік бақылау деректерінің мұрағаттарын қалыптастыруға және жақсартылған, яғни оларды пайдалануды шектейтін факторлардың әсерінен тазартылған (бұлт, көлеңкелер, аппараттық кедергілер және т.б.), сондай-ақ қажет болған жағдайда атмосфераның, жарықтандыру мен бақылаудың бұрыштық жағдайларының, деректер өнімдерінің ықпалына түзетілген факторларды алуға арналған.
Қазіргі уақытта қол жетімді және Солтүстік Еуразияның жер үсті экожүйелерінің мониторингі үшін белсенді пайдаланылатын толқын ұзындығының оптикалық диапазонының спутниктік жүйелерін кеңістіктік рұқсат деңгейі бойынша жіктей отырып, келесі негізгі топтарды бөліп көрсетуге болады:
Әдетте, бақылаудың ең жоғары мерзімділігі бар және тәулік сайын Жердің жаһандық жабынын қамтамасыз етуге қабілетті (бореалды аймақта жергілікті жердің ендігіне байланысты 2-3 есеге дейін) кеңістіктік рұқсаттың төмен деректері (~1 км). Бұл рұқсат деңгейінің жерсеріктік құралдарына оптикалық спектр толқындарының кең ауқымында өлшеу деректерін алуды қамтамасыз ететін NOAA-AVHRR, SPOT-Vegetation және Terra/Aqua-MODIS жүйелері жатады.
Орташа кеңістіктік рұқсат деректері (~ 250-500 м), олардың қатарына Terra/Aqua-MODIS және Envisat-MERIS жерсеріктік жүйелерімен жүргізілетін бақылау жатады. Бұл жүйелер, әдетте, 1-3 күн ішінде жаһандық жабынды қамтамасыз етуге қабілетті және сондай-ақ толқын ұзындығы кең ауқымда өлшеуді жүргізеді.
Әдетте, екі аптада бір реттен жиі емес бір аумақты бақылау жиілігін қамтамасыз ететін жоғары кеңістіктік рұқсаттың деректері (~ 20-50 м). Осы кластағы спутниктік жүйелерге, атап айтқанда Landsat-TM/ETM+, SPOT-HRV/HRVIR, Terra-ASTER, Метеор-3М/МСУ-Э жатады.
Тұрақты емес негізде іріктеп бақылау үшін қолданылатын аса жоғары кеңістіктік рұқсат деректері (~ 1-3 м). Олардың қатарына, атап айтқанда, ikоnos, Quick Bird және SPOT-HRG спутниктік жүйелері жатады.
Жоғарыда көрсетілген топтардың жерсеріктік деректерін құрамдастырылған пайдалану деректерді талдаудың тиісті алгоритмдері мен кеңістіктік үлгілеу әдістерінің жиынтығында аумақты субконтиненттік қамту және бірқатар жағдайларда Негізгі объектілер мен құбылыстардың егжей-тегжейлі сипаттамаларын алу кезінде бақылаулардың квазинезережіздігін қамтамасыз ететін Солтүстік Еуразияның жер үсті экожүйелерінің мониторингі жүйесін жобалауға мүмкіндік береді.
Қазіргі уақытта спутниктік деректер және оларды өңдеу нәтижелері РҒА ИКИ қабылдау орталығынан және түрлі ресейлік институттардың (РҒА СБЖСЖ, РҒА СБЖСЖ, РҒА СБЖСЖСЖ, РҒА СБЖСЖСЖСЖ) деректерді жинау және өңдеу орталықтарынан жүйеге келіп түседі. Жүйеге сондай-ақ спутниктік деректерді қабылдайтын, өңдейтін және тарататын мамандандырылған ресейлік және халықаралық орталықтардан деректер келіп түседі. Бұл ретте TerraNorte құру жөніндегі жұмыстар кешені спутниктік деректерді жинау мен алдын ала өңдеудің жаңа техникалық және бағдарламалық құралдарын әзірлеуді көздемейді, ал тиісті кіші жүйені іске асыру ТКЖ-да әзірленген жерсеріктік деректердің түрлі типтерін өңдеудің автоматты технологиялар кешенімен TerraNorte тығыз интеграциясына негізделеді.
Жер үсті экожүйелерінде деректерді талдау және процестерді үлгілеудің кіші жүйесі Тақырыптық талдаудың арнайы алгоритмдерін және математикалық модельдерді пайдалана отырып, TerraNorte деректер банкі негізінде жоғары деңгейдегі туынды ақпараттық өнімдерді жасауға арналған және атап айтқанда, модельдердің келесі түрлерін қамтиды:
1. жер үсті экожүйесіндегі өнім процестерінің модельдері;
2. өсімдік сукцессон динамикасының модельдері;
3. жер бетіндегі экожүйелер мен климаттың өзара іс-қимыл үлгілері;
4. көміртегі циклінің және басқа да Биогеохимиялық циклдардың компоненттерін бағалау үлгілері;
5. энергия және су циклдерінің модельдері.
TerraNorte ақпараттық жүйесінің құрылымы төменде қарастырылған бірқатар компоненттерді қамтиды, атап айтқанда:
1. Деректер банкі
2. Геоақпараттық жүйе
3. Деректерге қашықтан қатынаудың ішкі жүйесі
Деректер банкі TerraNorte ақпараттық жүйесінің өзегі болып табылады. Геоақпараттық жүйе екі негізгі функцияларды жүзеге асыру үшін, атап айтқанда жергілікті пайдаланушылардың TerraNorte деректер банкіне қол жеткізуін қамтамасыз ету үшін, сондай-ақ әртүрлі кеңістіктік деректер негізінде екінші және одан да жоғары деңгейдегі туынды ақпараттық өнімдерді алу мақсатында кеңістіктік талдау және модельдеу жүргізу үшін арналған. Интернет-технологиялар негізіндегі деректерге қашықтықтан қол жеткізудің кіші жүйесі пайдаланушыларға деректер банкінен ақпараттық өнімдерді, сондай-ақ пайдаланушылардың сұраныстарына сәйкес синтезделген кестелік және графикалық құжаттар түріндегі деректерді алу мүмкіндігін қамтамасыз етеді.