Интегральные геоэкологические модели

Дата: 2025-06-02; Просмотры: 12

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Моделью называется объект, замещающий исследуемый объект (оригинал) с целью получения о нем новой информации. Основным достоинством моделирования как метода познания окружающего мира является возможность получения данных о явлениях и процессах, которые недоступны для непосредственного изучения. Особенно это касается сложных природных геологических процессов и систем, проявляющихся в большом многообразии их типов и особенностей. Одна из задач моделирования заключается в выявлении закономерностей формирования природных систем и их взаимодействия с техническими системами для выработки общих принципов применения количественных оценок. Для достижения данной цели используется преимущественно математическое моделирование, так как человечество практически осознало, что не может понимать, прогнозировать и контролировать природу аналогично физической модели явления или процесса при лабораторном эксперименте.

Эколого-геологические системы как объект моделирования представляют очень сложные образования. Это связано с тем, что в основе их образования лежат совершенно разные процессы, одни из которых (геологические) подчиняются природным закономерностям, а другие (экологические) – общественным. Однако данные процессы развиваются на одной площади (регионе), действуют совместно и их результатом выступают крайне разнообразные и разноуровневые взаимодействия компонентов. При этом наибольшая трудность для экологической геологии заключается в организации и синтезе геологических знаний с данными, относящимися к сфере экологии и социологии, так как приходится анализировать и сопоставлять явления и процессы, развивающиеся с неодинаковыми скоростями. Учитывая неосуществимость в настоящее время долгосрочного прогноза последствий техногенеза на окружающую среду (непредсказуемость будущего), человек обязан более внимательно и осторожно относиться к процессам в геологическом пространстве. Это определяет дальнейшее сосуществование человека с природой и требует комплексного анализа разных уровней окружающего мира (Пригожин, 1985). Подобный анализ должен выделять наиболее существенные черты в изучаемых объектах, учитывать взаимосвязь природных, техногенных и природно–техногенных сфер и возможность создания моделей геологического пространства. Часто выделение существенных факторов позволяет перейти к более схематичному объекту (модели), который отражает основные закономерности явления и дает возможность узнать о нем нечто новое. Одной из главных задач экологической геологии является системный анализ исследования процессов взаимосвязи природных геологических и техногенно–преобразованных сред в пространственном аспекте с выявлением их наиболее существенных черт. Поэтому в последнее время в науках о Земле значительно возросла потребность в обобщениях и интегральных оценках геоэкологических и эколого-геологических процессов. Для решения подобных задач на региональном, территориальном и локальном уровнях возможно применение различных методических и методологических подходов, желательно с их верификацией на основе мониторинговых наблюдений.

Современный мир уже невозможно представить без достоверной, точной, постоянно дополняемой и обновляемой информации. Неоднородность геологического пространства не только способствуют созданию объемного изображения (3D модели), но также и исследованию закономерностей построения мозаик, образованных природно–техногенными объектами. Это, в свою очередь, позволяет проводить количественную оценку территорий, опираясь на статистические методы обработки разнообразной информации, представленной в виде пространственно распределенных характеристик-параметров. При этом формируются системы моделей, которые решают проблему достоверности оценок и быстрого перестраивания моделей при расширении информационной основы, определяя обоснованность геоэкологических прогнозов. В подобных системных моделях по сравнению с традиционными и электронными картами неизмеримо повышается адекватность информации реальному геологическому строению и степени техногенной нагрузки (табл. 12), так как модель сохраняет метрические (численные) характеристики изучаемых объектов. Поэтому, с технологической точки зрения, в экологической геологии представляется перспективным переход от описательного и субъективного картографирования к количественному объемному моделированию природных и техногенных процессов. Подобный подход предполагает замену парадигмы сообщения (характерной для современного картографирования) аналитической парадигмой (характерной для моделирования).

Таблица 12. Различия между картами и компьютерными моделями

По выражению Х. Рединга «Модели – это идеализированные упрощения, выдвинутые для того, чтобы облегчить наше понимание сложных природных (и техногенных – Р. С.) процессов». Отсюда, одной из важнейших задач экологической геологии становится создание соответствующих объективной реальности абстрактных математических моделей объектов, явлений и процессов. Отсутствие у подобных моделей индивидуальных особенностей, их формализованность и относительная простота позволяют описывать их математически. При анализе моделей получаются нетривиальные выводы, а результаты подобного моделирования применимы для познания гораздо более широкого класса природных и антропогенных явлений по сравнению со сложными всеобъемлющими моделями, разработанными для единичного объекта. Численная математическая модель 3D максимально полно реализует разнородные данные, позволяет донести до пользователя авторскую интерпретацию обработанной информации и существенно облегчает процесс исследования техногенно-преобразованного пространства. При этом 3D модель позволяет оперативно изменять ее по мере получения новых данных. Благодаря компьютерной модели, в практический оборот вовлекается колоссальное количество разноплановой, а иногда и противоречивой информации, полученной по результатам работ, проведенных в разные годы и имеющих различную направленность.

Отметим, что в традиционной («ручной») технологии создания картографического изображения нарушается основной принцип функционального устройства любых исследовательских систем - принцип обратной связи (см. табл. 12). Моделирование же основано на возможности влияния на создаваемую модель, так как последняя интегрирует воедино три базовые группы признаков: вещественную (состав природных и техногенных объектов), пространственную (древние геологические структуры, современный рельеф и техногенные поля) и временные (геологические эпохи, периоды и исторические этапы, события). Широкое внедрение в данную область технологии ГИС (географические информационные системы) позволяет на основе системного и интегративного подходов выполнять анализ многомерного признакового пространства, привязанного к географическим координатам. С развитием ГИС-технологий оперирование «цифрой» при создании компьютерных моделей в большинстве случаев оказывается эффективнее и поэтому предпочтительнее построения традиционных карт. Информационные системы не могут существовать без постоянного обновления и пополнения массивов данных, т. е. они работают в мониторинговом пространственно-временном режиме, что позволяет перейти к качественно новому продукту (эколого-геологической модели), который может создаваться, уточняться и пополняться в течение всего периода его использования. Принципиальное преимущество объемных цифровых моделей состоит именно в том, что при их создании наиболее полно реализуется вся информация, характеризующая объект исследований, что позволяет подойти к ее взаимоувязке и переосмыслению. Отсюда, следует важный практический вывод, что цельная характеристика объекта возможна только путем создания его цифровой компьютерной трехмерной модели.

Первоначально сложная картина может быть результатом очень простых процессов, подчиняющихся немногим правилам. Именно поэтому единство временных и площадных масштабов геосистем широкого диапазона позволяет выделить микро–, мезо– и макроуровни [37]. К микроуровню организации вещества относятся объекты атомного и минерального геологических уровней, к мезоуровню – объекты петрографического и фациального уровней, к макроуровню – объекты формационного и планетарного уровней. Выделенные уровни рассматриваются с точки зрения подобия геологических объектов в разных масштабах, формирования единой структуры поля и «одновременности» процессов.

Учет иерархической и таксономической принадлежности моделируемых объектов на разных уровнях организации вещества кардинально меняет стратегию создания моделей в геологии и экологической геологии. Все это позволяет говорить о существовании определенных масштабно-информационных уровней, в которых наилучшим образом сочетаются, сопоставляются и дополняются данные по разным объектам исследований. Отсюда, геологические и эколого-геологические модели, созданные по иерархическому принципу, становятся системами, накапливающими и хранящими информацию не только о случайных индивидуализированных объектах, а об объектах более высокого уровня, которые подчиняются общим закономерностям и со временем по мере получения новых знаний приближаются к реальному строению отдельных регионов и стран. При этом процесс геологического познания (появление новой информации) основан на открытии, изучении всë новых и новых материальных и идеальных моделей или функций их отдельных структурных элементов.

Для создания интегральной модели требуется определенный универсальный инструмент, который позволяет объединить отдельные параметры техногеосистемы. Таким универсальным инструментом выступает компьютерное моделирование. Процесс создания интегральной модели состоит из следующих последовательных операций [37]: а) формирование базы количественных и качественных данных по различным средам; б) построение по ГИС–технологии монокомпонентных моделей 3D; в) создание общего грида для отдельных сред, обладающих разной сетью опробования (рис. 27); г) статистический анализ (корреляционный, кластерный, факторный и другие методы) матрицы параметров и значений, полученной с помощью общего грида (грид-анализ); д) выбор «техногенного», «природного» и «природно–техногенного» факторов на основе геологических, экологических и иных представлений, с обязательным учетом кластерной группировки параметров и вклада каждого из них в факторные нагрузки; е) построение по полученным факторным коэффициентам новых синтезированных моделей 3D, во-первых, системно обобщающих всю информацию о геоэкологическом пространстве, во-вторых, обладающих новым качеством (эмерджентностью), свойственным только для техногеосистем; ж) создание интегральной модели 3D с переходом на моделирование 4D (3D + время).

Создание базы численных данных относится к наиболее емкому и ответственному элементу моделирования. Количественные определения признаются доминантными по сравнению с качественными показателями. Они предполагают, например, определения абсолютных содержаний химических элементов в пробах вод, осадков, пород, измерение физических параметров полей и др. Подобная база данных является необходимым условием для изучения процессов в отдельных средах, а также для долгопериодного мониторинга геологического пространства. После накопления значительного объема информации появляется возможность создания трехмерных моделей, достаточно корректно отражающих реальную эколого-геологическую ситуацию. Разработка математической модели и ее сохранение в базе данных существенно облегчают и сам процесс исследования, позволяя не только относительно просто оперировать ею, воссоздавая и визуализируя структуру поверхностей, но и оперативно корректировать или переинтерпретировать модель по мере получения новой информации.

Исходная пространственная информация о результатах геологических и экологических исследований обычно представляется в виде координат точек нерегулярной сети по разным средам (см. рис. 27). Разнородность существующей геологической и экологической информации связана с неравномерной плотностью опробуемых сред; различными способами получения первичной информации; различных методах интерпретации первичных данных; наличие дискретных данных, описывающих непрерывные процессы, объекты и их свойств и др. Интеграция данных возможна, если эти результаты будут получены на регулярной наблюдательной сети, что доступно сегодня практически только для дистанционного спутникового зондирования. Для преодоления сложностей, возникающих при интеграции экологических и геологических данных, может быть предложен метод общей сетки (грида). Размер ячеек грида выбирается таким образом, чтобы имеющейся информации было достаточно для оценки отдельных элементов-сред. Затем сетка преобразуется в матрицу значений, которая подвергается статистическому анализу.

Существо применения математических методов для построения эколого-геологических моделей заключается в получении некоторых обобщенных комплексных факторов, которые агрегируют большое количество частных параметров и отражают наиболее существенные черты суперпозиции влияющих процессов. При использовании ГИС-технологий такое обобщение разнородных параметров и создание на его основе генерализованных моделей и количественной интегральной оценки требует, чтобы каждый параметр в пределах элементарной ячейки являлся постоянным для определенного временного периода, а частные параметры отображались в виде дискретной шкалы количественных значений или формализованных баллов. Однако необходимо отметить, что не всегда математические методы позволяют получать адекватные результаты при анализе объектов в техногеосистеме. Это связано как с некоторыми ограничениями самих статистических методов, так и, в большей степени, с недостаточной формализованностью сложных процессов в техногенно-преобразованном геологическом пространстве. Поэтому математическая обработка данных при эколого-геологических исследованиях может рассматриваться как научная операция, если ее целью является поиск более устойчивых величин, чем исходные, и на базе которых могут быть получены универсальные зависимости.

Результаты математической обработки материалов будут успешными, если удается дать содержательную интерпретацию выявленных кластеров и факторов. Данная стадия работы и далее создание на их основе интегральных моделей требует от исследователя четкого представления об информативном потенциале показателей, которые привлечены для статистического анализа. Поэтому при отборе кластеров и факторов следует руководствоваться их содержанием, а не стремлением к включению в анализ как можно большего их числа. Выявление геологически и экологически значимых показателей позволяет создать на их основе интегральные объемные модели 3D. Наряду с хорошей сопоставимостью с традиционными однокомпонентными геополями, интегральные модели при создании топографии любой поверхности учитывают весь комплекс пространственной информации по геосредам и являются универсальным инструментом описания природных, техногенных объектов и явлений, которые помогают вскрыть сущность процессов в геологическом пространстве и особенно для техногенно-преобразованных территорий.

Таким образом, методика создания интегральных моделей объединяет различные среды путем систематизации количественных и качественных признаков. Переориентирование традиционного геоэкологического картографирования на компьютерное моделирование с соответствующей заменой парадигмы сообщения аналитической парадигмой значительно расширяет ресурсность информационных баз данных, способствует оперативному изменению моделей и объективизирует процесс изучения техногеосистем. При проведении компьютерного моделирования геологических и техногенных объектов, в первую очередь, встает вопрос определения изначальных (входящих) и получаемых (выходящих) параметров модели, которые определяются целями и задачами, для решения которых будет использоваться модель. Методика составления системных моделей предполагает включение в них максимального числа факторов (многофакторный подход) и может применяться для всех уровней организации пространства (см. рис. 27), что позволит приблизиться к интегральной картине окружающего нас мира. При этом создание интегральной модели 3D способствует постижению процессов в техногеосистемах путем создания постоянно действующих моделей. Автор надеется, что реализация подобного подхода позволит перейти в будущем к объемному геоэкологическому моделированию, которое направлено на получение нового многофункционального знания о земных недрах и техносфере на основе изучения количественных оценок взаимосвязи отдельных сред, т. е. к «количественной революции» в геологии. Подобное моделирование может выступить ядром системного знания о Земле, объединяющего пространственно–временные аспекты разных природных и техногенных объектов с целью гармонизации окружающей среды (см. раздел 7). Вслед за [24], автор считает, что все основные мировые проблемы неразрывно связаны друг с другом, однако пока еще не открыт метод, который позволял бы эффективно изучать единое целое. Предлагаемый подход количественного моделирования может оказаться исключительно полезным для определения отношений, которые должны существовать между человеческим обществом и геологической средой с возможностью наблюдения тех последствия, к которым приведет нарушение таких соотношений.

Моделирование может выступить основой системного знания о геологическом пространстве, объединяющего пространственно–временные аспекты разных природных и техногенных объектов с целью создания гармоничных отношений человека, общества и природы [37]. Интегральное моделирование геологических и техногенных процессов позволяет анализировать и находить решение очень сложных и запутанных проблем в науках о Земле, как, например, неопределённость и риск при принятии управленческих решений. Комбинирование достижений в аналитических методах, моделировании и информационных технологиях сегодня является мощным инструментом в научных изысканиях. В конце раздела приведeм слова В. И. Вернадского: «Нельзя заботиться о развитии одних научных дисциплин и оставлять другие без внимания. Нельзя обращать внимание только на те, приложение к жизни которых сделалось ясным, и оставлять без внимания те, значение которых не осознано и не понимается человечеством».