Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

ИНТЕГРАЛЬНАЯ ЭКОЛОГО-ХОЗЯЙСТВЕННАЯ ОЦЕНКА И УПРАВЛЕНИЕ ЗЕМЕЛЬНЫМИ РЕСУРСАМИ В РЕГИОНЕ (НА ПРИМЕРЕ ЦЕНТРАЛЬНО-ЧЕРНОЗЕМНОГО РАЙОНА)

ВАК РФ 25.00.26, Землеустройство, кадастр и мониторинг земель

Автореферат диссертации по теме "ИНТЕГРАЛЬНАЯ ЭКОЛОГО-ХОЗЯЙСТВЕННАЯ ОЦЕНКА И УПРАВЛЕНИЕ ЗЕМЕЛЬНЫМИ РЕСУРСАМИ В РЕГИОНЕ (НА ПРИМЕРЕ ЦЕНТРАЛЬНО-ЧЕРНОЗЕМНОГО РАЙОНА)"



На правах рукописи

УМЫВАКИН Василий Мнтрофанович

ИНТЕГРАЛЬНАЯ ЭКО ЛОГО-ХОЗЯЙСТВЕННАЯ ОЦЕНКА И УПРАВЛЕНИЕ ЗЕМЕЛЬНЫМИ РЕСУРСАМИ В РЕГИОНЕ {на примере Центрально-Черноземного района)

Специальность: 25.00.26 - землеустройство, кадастр

и мониторинг земель

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Воронеж - 2002

Работа выполнена в ФГУП "Черноземный институт мониторинга земель и экосистем" (г. Воронеж).

Научные консультанты: доктор географических наук, доцент,

П.С, Русинов;

доктор географических наук, профессор В,М. Смольянинов.

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор,

Б,И. Кочуров;

доктор технических наук, профессор, Ф.И. Ерсшко;

доктор географических наук, доцент, С.А, Куролап,

Ведущая организация: Государственный университет землеустройства

(г, Москва).

Защита состоится "30" июля 2№2 г. в 10.00 часов на заседании

Диссертационного Совета Д'.' ^ "^"дарственном

педагогическом универг ^ Ленина, 86, 4-этаж, ауд. 408,

С диссертаци а и отеке ВГГ1У,

Авторе^

Ученый секретарь Диссергационного Совета, кандидат географических наук

Шмыкон В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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-хозяйствениых 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, многокритериальность управления и другие трудноформализуемые свойства. 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-географнческого моделирования проблемы интегральной эколого-хозяйственной оценки и оптимального управления земельными ресурсами.

Диссертационная работа выполнена в 1995 - 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 reo информационно - 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.

2. Создать базовый теоретический аппарат и методическое обеспечение интегральной эколого-хозяйственной оценки -качества позволяющей измерять экологическую опаг---— v-ландшафтов.

рсов,

;нрот1>природно-днтрдпрп ;н ны х

Мэс.;, cs^iSvKo«-".; им, К. А.

Ичв. ^

3. Разработать математико-географические модели анализа и синтеза природнохозяйственных геосистем при обосновании инвестиций в рациональное использование и охрану земель.

4. Разработать геоинформационно-аналигические технологии комплексного природно-хозяйственного районирования территории региона.

5. Применить разработанные теоретические и методические подходы к моделированию и 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-хозяйетвенное 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 ландшафтао-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 защиту,

1. Методология, нормативные модели и методика интегральной эколого-хозяйственной оценки состояния земель при комплексном мониторинге, контроле и управлении земельными ресурсами.

2. Геоинформационно-аналитический подход и технологии комплексного природно-хозяйственного районирования территории региона.

3. Комплекс математико-географических моделей анализа и синтеза природно-хозяйственных геосистем при обосновании инвестиций в рациональное использование и охрану земель,

4. 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 новюня 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) природно-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 эксшого-хозяйсгвенного состояния земель в регионе, которые базируются на совместном использовании неформальных и математико-географических моделей районирования, автоматизированной классификации геообъектов и компьютерной визуализации прнродно-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 интенсивносги и условий развития почвенно-эрозионных процессов, обобщенные оценки эрозионной опасности земель Белгородской области и произведено зколого-зкономическое 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, связанную 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 программно-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 положения, теоретические и практические результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались более нем на 25 конференциях, симпозиумах и школах-семинарах, В том числе: шкалах-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 и 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные научные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Эко лого-хозяйственна я оценка природно-антропогенных ландшафтов.

Проблема и цель исследования

В современной России земля становится основным объектом оценки и управления территорией. При этом главную роль в оценке качества, а, значит, и цены земельных ресурсов, играет их эколого-хозяйственное состояние. 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 (допустимого по Н.Н.Моисееву) развития регионов. Данная ситуация требует решения проблемы интегральной оценки и улучшения эколого-хозяйстве иного состояния природно-антропогенных ландшафтов в процессе комплексного мониторинга, контроля и управления земельными ресурсами.

Геосистемная концепция мониторинга окружающей среды обоснована академиками И.П.Герасимовым и Ю.А.Израэлем. Она характеризуется целеустремленностью, взаимосвязанностью и эффективностью наблюдения, оценки, ко1Проля, прогноза и управления состоянием природных ресурсов и является основой создания ЕГСЭМ.

Методологическим и тематическим проблемам мониторинга и управления земельными ресурсами посвящены работы В.Р. Беленького, А.Б .Бели ков а, В.Е.Буданова, С.Л.Громова, А,А.Жирова, В.Я.Заплетина, В.С.Кислова, Н.В.Комова, Л.Н.Кулешова, Ш.ИЛитвака, П.ФЛойко, Ю.А.Полякова, И.И.Пономаренко, П.Р.Поповича, А.З.Родина, У.Д.Самратова, С.ИСая, В.В.Тишккна, Э.М.Трахова, М.И.Хмельницкой. В ЦЧР эти исследования проводятся В.Н.Жердевым, Н.А.Кузнецовым, М.И.Лопыревым, Н.П.Покидько, В.Д.Постоловым, П.С.Русиновым, В,М,Смольяниновым и другими учеными.

В настоящее время при районировании, оценке и оптимизации природно-антропогенных ландшафтов общепризнанна эффективность бассейновой концепции, которая разработана в трудах Р.Хортона, А.А,Вирского, Л.М.Корытного, Н.А.Ржаницына, Ю.Г.Симонова, а на региональном уровне -В.К.Рязанцева, В.М.Смодьянинова, В.И.Шмыкова и других авторов. Ландшафта о-экологическнй подход к оценке и рациональной организации территории предложен в работах А.А.Варламова, В.Г.Заиканова, Ю.ГИванова, Б.И.Кочурова, Н.ФЛисецкого, Н.Ф.Милькова, В.Б.Михно, И.Е.Тимашева, В.И.Федотова, А.В.Хабарова, В.М.Чупахина и др.

Важное значение в проблеме оценки и управления состоянием окружающей среды (особенно, земельных ресурсов) принадлежит вопросам экологической опасности территории и экологического риска намечаемой хозяйственной

деятельности. Различные подходы к ее решению разрабатываются Б.И, Кочуровым, С.А.Куролапом, С.ПМиронюком, С.М.Мягковым, Р.А.Перелетом и многими другими учеными.

Особую роль в условиях дефицита и неопределенности природно-хозяйственных данных играет математико-географическое моделирование проблем комплексного районирования, интегральной оценки качества и оптимального управления сложными эколого-экономическими системами. Разработке этих проблем посвящены работы А.М.Берлянта, Д.Грига,

Ф.И.Ерешко, А.В .Логова, Г. Л. Мельниковой, Н.Н.Моисеева, С.А.Пегова, Ю.А-Ростопшина, И.Б,Руссмана, В.С.Тикунова, А.М.Трофимова, ИХаггета, П.М.Хомякова, Р.Г.Хузеева и др.

В настоящее время актуальна проблема интегральной экологической оценки, которая включает оценку воздействия намечаемой антропогенной деятельности на окружающую природную среду (ОВОС) и экологическую экспертизу (контроль выполнения природоохранных требований при обосновании инвестиций в землеустройство). В ФЗ РФ Ж7-ФЗ "Об охране окружающей среды" ведущими принципами установлены презумпция экологической опасности и обязательность ОВОС для ■ всех видов намечаемой хозяйственной деятельности. Согласно "Инструкции по экологическому обоснованию хозяйственной и иной деятельности" (утв. приказом Минприроды России от 29 декабря 1995 г, №539), это обоснование "осуществляется для оценки экологической опасности намечаемых мероприятий, своевременного учета экологических, социальных и экономических последствий воздействия планируемых объектов на окружающую среду".

Все вышесказанное требует создания информационно-аналитического обеспечения комплексного мониторинга, контроля и управления земельными ресурсами в регионе. Его "ядром" является интегральная эколого-хозяйственноЙ оценка качества природно-антропогенных ландшафтов, обеспечивающая принятие рациональных управленческих решений по использованию и охране земель. Укажем основные методологические особенности данной оценки.

Одним из первых на необходимость построения интегральной (сводной) ^формулы сравнительной оценки" проектных решений сложных систем указал в 1908 году русский ученый А.Н.Крылов. Датшая формула предназначена для агрегирования (свертывания) информации о значениях большого числа разнотипных частных показателей качества (ПК) и информации об относительной значимости этих ПК с целью ранжирования всех рассматриваемых решений по степени их общей предпочтительности. Как показывает обзор литературных источников, эти принципы построения интегральных оценок качества являются основными и сегодня. Однако, используемые подходы к конструированию "формул сравнительной оценки" подход не предусматривают непосредственный учет нормативных требований к качеству сложных геосистем. В ГОСТ Р ИСО 9000-2001 ' качество системы определяется как степень соответствия присущих системе характеристик требованиям.

На практике, в основном, используются два вида интегральных (комплексных) оценок качества, которые отражают общее состояние геосистемы:

'' '"' М А/

аддитивная и мультипликативная = ,

Здесь У] - _|-й ПК геосистемы, а - его весовой коэффициент^ = 1, 2,...1М. Однако, эти оценки обладают определенными недостатками, а именно: 1) отсутствует возможность содержательной интерпретации - чаще всего линейная свертка Р] частных ПК не имеет никакого конкретного системного (эколого-географического) смысла, когда ПК являются неоднородными (разноименными) и/или имеют различную размерность; 2) отсутствует возможность вероятностной интерпретации, что необходимо для формализации определенных понятий экологического законодательства и эколого-географических исследований. Например, в "Инструкции по экологическому обоснованию хозяйственной и иной деятельности" используется определение "Риск экологический - вероятность возникновения неблагоприятных для природной среды и человека последствий осуществления хозяйственной и иной деятельности"; 3) не учитывают экологических требований (нормативов) к качеству геосистем и, следовательно, не выполняют основной функции экологической экспертизы - кошроля выполнения природоохранных требований к результату намечаемой хозяйственной деятельности; 4) не могут быть не пользованы для сравнения различных эколого -хозяйственных состояний геосистем. Например, для оценки изменений качества земель (одной из основных целей мониторинга земель, определенных в Земельном кодексе РФ - ФЗ РФ №136-Ф3); 5) не являются корректными в случае, когда агрегированию подлежат частные ПК, измеренные в нечисловых и количественных шкалах. В этом случае при конструировании интегральной оценки все ПК должны быть приведены к одной шкале - ранговой или балльной.

Все вышесказанное требует поиска нового «нормативного» подхода к построению интегральной эколого-хозяйственной оценке земельных ресурсов, который позволяет ответить на ряд принципиальных методологических вопросов.

1, Если, качество такого сложного геообъекта как природно-антропогенный ландшафт есть многоаспектное иерархическое понятие, то почему при его измерении все сводится к числу (значению интегральной оценки качества)? Здесь нет никакого противоречия, т.к. при нормативном подходе интегральная оценка качества всегда выступает как целевая функция в процессе принятия управленческих решений по рациональному использованию и охране земель, и может быть изменена, если изменяются цели управления. С ее помощью ранжируются частные цели планируемой антропогенной деятельности и альтернативные варианты ее реализации, что позволяет перейти от общих соображений к конкретным практическим действиям,

2. Зачем так усложнять задачу формирования интегральной оценки качества и переходить к нелинейным зависимостям, а не использовать простую линейную форму свертки Р|, в которой суммируются произведения весовых коэффициентов на числовые значения частных ПК или некоторых функций от них? Во-первых, вектор весовых коэффициентов определяет направление изменения линейной функции, для которого характерно максимальное изменение значений аддитивной интегральной оценки. Отсюда следует, что из всех возможных видов сверток именно линейная наиболее чувствительна к значениям весов частных ПК, Во-вторых, с точки зрения теории измерений, использование аддитивных сверток предполагает, что все частные ПК являются количественными и, поэтому, такие интегральные оценки неприемлемы для широкого класса задач принятия эколого-хозяйственных решений

с нечисловыми критериями качества. И, наконец, в-третьих, линейные свертки (и большинство предлагаемых нелинейных) не удовлетворяют существенному свойству "ограниченной компенсации", т.е. условию невозможности улучшения значений некоторых частных ПК, за счет компенсации сколь угодно большого снижения качества по другим частным критериям. Действительно, за счет увеличения оросительной нормы в засушливые годы можно, в некоторой степени, скомпенсировать потерю урожайности и качества сельскохозяйственных культур в результате недостатка минеральных удобрений в почве. Но такая компенсация всегда осуществляется в достаточно узком диапазоне изменений, что необходимо учитывать при конструировании интегральных оценок качества земель.

Все это затрудняет интегральную оценку и ранжирование различных состояний и/или вариантов реализации природно-хозяйственных геосистем с учетом экологических и экономических нормативов. Следовательно, необходимо проведение теоретического исследования и обоснование целесообразности практического применения интегральной эколого-хозяйствеиной оценки качества земель, имеющей содержательный смысл "общего риска невыполнения нормативных требований к состоянию земельных ресурсов", допускающей вероятностную интерпретацию в виде обобщенной экологической опасности природно-антропогенных ландшафтов и позволяющей принимать компромиссные эколого-экопомические решения по рациональному использованию и охране земель,

2. Теоретические и методические вопросы интегральной эколого-хозяйствеиной оценки качества земельных ресурсов

В главе обосновывается концепция и разрабатываются нормативные модели и методы интегральной оценки качества природно-хозяйственных геосистем (ГТХГС),

Рассмотрим вопросы измерения (шкалирования) показателей качества (ПК) геообъектов, которым уделяется недостаточно внимания в математико-географическом моделировании. Анализируемые количественные и нечисловые эколого-хозяйственные данные представляют собой результат измерения свойств ПХГС, К основным количественным шкалам относятся интервальная и относительная шкалы, к нечисловым - номинальная и ранговая. Необходимо учитывать, что для нечисловых шкал не применимы обычные арифметические и статистические операции (например, сложение и вычисление среднего).

Номинальные ПК (например, "морфогенетический тип почвы") позволяют только классифицировать анализируемые геообъекты, т.е. разбивать их на однородные группы (районы, типы, классы). Их значениями являются названия групп (например, "черноземы обыкновенные").

г Ранговая шкала и балльные оценки играют существенную роль при построении эколого-хозяйственных оценок качества земельных ресурсов, т.к. позволяют произвести ранжирование различных состояний и/или вариантов развития ПХГС. Ранговые ПК (например, "степень засоления почв") дают возможность выделять группы геообъектов, упорядоченные по рангам - значениям ПК, отражающим степень проявления оцениваемого свойства (например, ранг I -"незаселенные почвы", ранг 2 - "слабозасоленные почвы" и т.д.). Баллы - ранговые

оценки полезности (ценности) геообъектов, позволяют изображать пропущенные ранговые позиции (например, "бонитет почв", измеряемый в баллах от 0 до 100).

В количественных шкалах измеряют степень проявления свойств ПХГС с помощью действительных чисел. Показатели, измеримые в шкале интервалов (например, ПК "температура почвы"), дают возможность более точно описать отличие свойств одних гсообъектов от других в результате определения интервала между соответствующими значениями этих ПК. В этой шкале нельзя корректно применять ни одно из основных арифметических действий. Показатели, измеримые в шкале отношений (например, ПК "уровень грунтовых вод") отличаются тем, что для них можно указать абсолютный нуль. Это позволяет определить во сколько раз одно значение ПК геообъектов больше (меньше) другого значения. Только в данной шкале разрешены все арифметические и статистические операции,

В отличие от количественных шкал, ранговая шкала не позволяет сравнивать варианты ПХГС квалифицированно, т.е. отвечать на вопросы: во сколько раз одно состояние "лучше" другого или на сколько одно из них "превосходит" другое. В то же время, эта шкала дает возможность линейно упорядочить варианты ПХГС -произвести их ранжирование по качеству. Данный принцип построения интегральной оценки качества многокритериальных ПХГС формулируется как принцип "ранжирования".

Опишем проблему оценки качества ПХГС в ранговой шкале на языке теории нечетких множеств. Рассмотрим две величины: 1) абсолютную оценку качества ПХГС ц=(1р(ш), где цг(со) - функция принадлежности состояния а к нечеткому множеству Р, принимающая значения из интервала [0,1]; 2) е - характеристику нечеткости, с помощью которой можно оценить возможность достижения определенного качества ПХГС, когда щ,{со)>Б(0<е£1). Можно однозначно выделить класс Р(е) состояний ПХГС, абсолютная оценка качества которых превышает заданный нормативный уровень е.

Рассмотрим нормативный подход к интегральной оценке качества ПХГС типа "риск недостижения целевого эколого-хозяйственного состояния земель". Будем считать, что качество ПХГС описывается фиксированным набором частных показателей у|, уг,..., ум. При этом предполагается, что чем меньше значение частного .¡-го ПК, тем выше качество ПХГС. В противном случае берется отрицательная или : обратная величина ПК. Введем частные абсолютные и относительные оценки качества ПХГС, обладающие следующими свойствами:

1) абсолютная оценка качества ^ по .¡-му ПК является безразмерной величиной -функцией ^ = ц,(у;), 3 = 1, 2,..., М. Функция ц, является функцией принадлежности нечеткому множеству наилучших вариантов ПХГС по >му ПК. Данная функция может иметь следующий вид: ц, = - к™") / (у/""1 - у,™"). Здесь у™а и у/114 -соответственно минимальное и максимальное возможные значения .¡-го ПК;

2) относительная оценка качества ^ = £]) является функцией двух переменных -абсолютной оценки ^ и нормативного требования ц к качеству ПХГС по .¡-му ПК. Она имеет содержательный смысл риска недостижения требуемого качества ПХГС;

3) нормативный уровень е^ может быть определен по формуле:

где У*г предельно-допустимое значение ^го ПК, Требования к качеству ПХГС: выполняются при ^ > т.е. при у) й у**; 4) при выполнении требований 0<(1)()^, е3)<1 . Риск ^ минимален; а) при отсутствии всяких

требований (с^=0 при е^-О и Ц]>0); б) при предельно возможном качестве независимо от требований при ^¡=1 и мр^). Риск максимален при предельно низком допустимом качестве (<¡¡=1 при

Таким образом, частный риск ^ является относительной оценкой некачественности ПХГС по ]-му ПК и может быть интерпретирован как мера несоответствия достигнутого качества и предъявляемого к качеству требования -нормативного уровня е^ Такое определение качества ПХГС соответствует "ГОСТ Р-ИСО 9000-2001. Системы менеджмента качества. Основные положения и словарь". На основе использования геометрического и вероятностного языков описания оценок качества ПХГС показано, что при ^ й 6] вышеуказанным условиям 1) - 4) удовлетворяет единственная функция ^ вида:

4= "£])]• (2.1)

Приведем вероятностную интерпретацию величин ^ - частных оценок качества ПХГС по ]-му ПК. Будем считать, что, если частная оценка эд хотя бы по одному ПК ниже соответствующего нормативного уровня е^ то удовлетворить требование к интегральному качеству ПХГС невозможно. Пусть Л - событие, состоящее в том, что не выполнено требование к интегральному качеству ПХГС, а В) - событие, состоящее в том, что не выполнено требование к качеству ПХГС по _)-му ПК. Тогда условная вероятность Р{А]р1) невыполнения требований к качеству ПХГС при условии, что требования к качеству ПХГС ло .¡-му ПК выполнены, определяется следующим образом;

(2.2)

Здесь через обозначено событие, противоположное событию В^ Введем

следующие обозначения: -Р(А\В1), ^=Р(В|) - вероятность некачественности всех

вариантов ПХГС по .¡-му ПК, ^ = Рф I А) - вероятность некачественности вариантов по ^¡-му ПК при условии, что требования к качеству ПХГС не выполнены. Таким образом, формула (2.2) совпадает с формулой (2,1).

Сформулируем основные априорные требования, лежащие в основе нормативного подхода к интегральной оценке качества ПХГС. Она конструируется на основе частных относительных оценок ^ типа "минимальный риск". Предположим, что качество ПХГС характеризуется только двумя ПК - у] й у^. Пусть и ¿2 - соответствующие частные оценки вида (2,1), а (1 = с5(с1|, сЬ) - интегральная оценка качества. Приведем основные требования к виду функции с1.

1. Коммутативность (равноценность). Ог интегральной оценки й требуется выполнение условия: ¿(<1|, сЬ) = с^сЬ, (11). Данное свойство интегральной оценки требует равноценности или одинаковой важности частных оценок с1х и с^,

2. Ассоциативность (иерархическая одноуровн гиность). Это свойство интегральных оценок формулируется в виде: й(<1(<1|, с)2), <Ь) = с)^, ¿(с^, (13)). Его смысл состоит в том, что в интегральной оценке агрегируются лишь частные оценки сЬ, принадлежащие одному уровню иерархической структуры "качество ПХГС".

3. Гладкость. Это требование непрерывной зависимости интегральной оценки от частных. В дальнейшем считается, что функция (ЦсЬ.сЬ)'является многочленом.

С практической точки зрения важно, чтобы выполнялись следующие дополнительные требования на значения частных и интегральной оценок.

4. Ограниченность: 0 Й<1(с1|, сУ й 1 при 0 < с1[, ёз <; 1.

5. Нейтральность: (¡(^.О)»^, ¿(ОД)=а2; <1(0,0)=0, (3(1,1)=]. Данное требование трактуется следующим образом: при рассмотрении взаимодействия двух частных оценок с!| и сЬ общий «эффект» совпадает с действием лишь первой оценки, когда вторая имеет минимальное значение.

Проведенное в работе теоретико-математическое обоснование показывает, что требованиям 1. - 5. удовлетворяет единственная нормативная модель интегральной оценки качества ПХГС вида:

+ -(1-^X1-40. (2.3)

Формула (2.3) совпадает с формулой вероятности суммы двух независимых событий. Это позволяет использовать ее для агрегирования частных оценок качества вида (2.1), имеющих вероятностный смысл. В общем случае для М>2 неравноценных частных оценок ^ интегральная оценка качества ПХГС по формуле (2,3) принимает вид:

где г 0 - весовые коэффициенты частных оценок играющие выравнивающую и согласовывающую роль. Нормативная модель (2.4) интегральной эколого-хозяйственной оценки качества ПХГС, позволяет измерять "риск невыполнения противоречивых природоохранных и экономических требований к состоянию земельных ресурсов" на основе сопоставления значений отдельных ПК и соответствующих нормативных уровней. Именно поэтому их можно использовать для интегральной оценки экологической опасности природно-антро по генных ландшафтов и экологического риска планируемого землепользования.

Приведем краткое описание автоматизированной методики расчета нормативных интегральных оценок качества ПХГС. Рассмотрим множество из N ранжируемых состояний (вариантов) ПХГС, информация о качестве которых представлена в виде матрицы исходных данных У=||у/|| с N строками и М столбцами. Здесь элемент матрицы у/ является значением ]-го частного ПК 1-го состояния (варианта) ПХГС, ]=1,2,..,,М; 1=1,2,.. .,Н Для расчета частных оценок с!,' качества по ^му ПК ¡-го варианта ПХГС по формуле (2.1) необходимо иметь значения безразмерных величин и Е;, являющихся соответственно абсолютной оценкой качества и нормативным уровнем. Пусть для каждого .¡-го частного ПК заданы: 1) а; и Ц - нижняя и верхняя граница диапазона изменения; 2) у/ и 5/>0 -нормативный уровень и допустимое отклонение, позволяющее учитывать противоречивость и нечеткость требований к качеству ПХГС; 3) весовые коэффициенты частных оценок. Тогда можно вычислить значения величии М|'=(У]'-адУ(Ьга]) и Очевидно, что при всех ] и ¡, а 0йЕ]<1

при а,<у/+3,'йЬ,, _М,2,...,М; ¡=1,2,Кроме того, если выполняются нормативные требования (т.е. у/£у/+о/), то ц'г^. После вычисления частных оценок <1/ по формуле (2.1) производится расчет интегральной оценки с!1 качества для ¡-го варианта ПХГС по формуле (2.4). Подчеркнем, что вариантам ПХГС с минимальными значениями (1' соответствует наиболее высокая степень выполнения требований к качеству. Данная интегральная оценка обладает простым и естественным свойством Парето - доминирования, т.е. если 1 и ! - номера вариантов ПХГС таких, что у/ < у/ для всех j = 1,2,..., М и хотя бы для одного к-го ПК ук1 < уД то с!' <с!1,к<М.

В проблемах комплексного мониторинга и управления земельными ресурсами важное место принадлежит сравнению интегральных оценок текущих состояний (альтернативных вариантов) ГГХГС на фоне их предыдущих ранжирований для выявления изменений эколого-хозяйственного состояния земель, происходящих в результате антропогенного воздействия. Для этих целей предложен метод "пересчета" интегральных оценок качества, инвариантный к получению дополнительной информации о "новых" состояниях (вариантах) ПХГС. Инвариантность по отношению к изменению множества вариантов ПХГС означает, что новые варианты получают свои оценки в шкале, выработанной для первоначального множества вариантов. Тем самым исключается пересчет всех интегральных оценок при расширении множества ранжируемых вариантов ПХГС, что придает этим оценкам свойство адаптивности,

В работе также приведено обобщение нормативной модели интегральной оценки качества ПХГС типа "минимальный риск" на случай частных ПК, измеримых в ранговой и балльных шкалах.

На основе проведенных теоретических исследований и методических разработок создана автоматизированная система экспертного оценивания эколого-хозяйственного состояния земельных ресурсов по интегральному критерию (2.4) типа "минимальный обобщенный риск". Вопросы практической реализаций разработанных нормативных моделей и методов интегральной оценки экологической опасности природно-антропогенных ландшафтов рассмотрены в главе 5 работы. ; '

3. М а гематико-географические модели анализа и синтеза природно-хозяйственных геосистем

При математико-географическом моделировании проблем комплексного мониторинга и управления земельными ресурсами большое значение имеют вопросы выделения существенных (релевантных) частных показателей качества (ПК) природно-хозяйственных геосистем (ПХГС) землепользования. Определение релевантных ПК на этапе семантического моделирования задач комплексного районирования, интегральной оценки и многокритериальной оптимизации эколого-хозяйственного состояния земель предлагается осуществлять на основе иерархической структуризации и ранжировании свойств геообъектов.

Автоматизированная методика анализа иерархических структур качества ПХГС базируется на методе анализа иерархий Т. Саати. Она включает следующие основные этапы; 1) построение понятийной иерархической структуры ПХГС типа "дерева целей"; 2) расчет числовых оценок приоритета и ранжирование элементов, нижнего уровня иерархии (ПК); 3) формирование перечня существенных ПК.

. Иерархическая структура качества ПХГС может включать следующие уровни: 1) эколого-хозяйственное состояние земель; 2) природно-хозяйственные условия; 3) факторы; 4) показатели. Числовые оценки приоритета показывают долю вклада каждого элемента иерархии в эколого-хозяйственное состояние земель ПХГС. В работе приведен пример построения и анализа иерархической структуры водно-солевого баланса орошаемых земель. Кроме того, автоматизированная методика построения и анализа дерева целей развития региональной ПХГС с помощью

оптимизационных моделей имитационного типа использовалась для выбора комплекса мероприятий, компенсирующих антропогенное воздействие на экологическую обстановку в зоне влияния Южно-воронежского водозабора подземных вод.

При большом числе ранжируемых ПК определение их весовых коэффициентов предлагается осуществлять на основе специальных экспертных процедур - методов парных сравнений. Они основаны на построении количественных шкал для измерения относительной важности ПК, В результате анкетного опроса экспертов заполняются матрицы парных сравнений, после обработки которых определяют веса ПК, Экспертные оценки могут задаваться в различных шкалах. Например, в ранговой шкале элементы матриц парных сравнений отражают предпочтительность >го ПК над к-м и имеют значение: «2», если ПК предпочтительнее к-го ПК; «1», если >й и к-й ПК равноценны; «О», если к-й ПК предпочтительнее ]-го ПК, Отметим основные преимущества метода 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; 2) имеет место большое число парных сравнений каждого ПК с другими, благодаря чему повышается точность оценки; 3) экспертные оценки не должны быть транзитивными. Это значит, чго если ]-й ПК важнее к-го ПК, к-й важнее т-го и, то 111-й может быть важнее ,)-го,

В работе предложен метод определения весовых коэффициентов ПК, позволяющий эффективно работать с "разложимыми" матрицами парных сравнений. Их разложимость обычно связана с непоследовательностью экспертных суждений. Данный метод использует оригинальный способ определения групповой матрицы предпочтений, инвариантный к типу экспертных оценок. В табл. 1 приведена матрица парных сравнений и веса природно-хозяйственных показателей (ПХП).

Таблица 1

Матрица парных сравнений и веса природно-хозяйственных показателей

Номер и название показателя Номера и экспертные оценки предпочтительности показателей Бес ПХП

1 1 4 3 б 7 8 9 ¡0 и

]. Уклоны поверхности земли 1 2 2 2 0 0 0 2 0 0 0 0.086

2 Сложность микрорельефа 0 1 2 2 2 2 0 0 2 0 0 0 103

3. Просадочность грунтов 0 0 1 г 2 2 2 2 2 0 0 0.105

4. Глубина залегания грунтовых вод 0 0 0 I 2 2 0 0 2 0 2 0,066

5. Глубина залегания водоупора г 0 0 0 1 2 . 2 2 2 0 2 0 104

6. Коэффициент фильтрации грунтов 2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0.021

7. Возможность подвода воды . . 2 2 0 2 0 2. 1 2 2 0 0 0.102

8. Наличие коммуникаций, мешающих орошению 0 2 0 2 0 ■2 0 1 0 0 2 0068

9. Дальность транспортировки продукции 2 0 0 0 0 2 0 г 1 0 2 0.06

10, Возможность полтопления населенных пунктов 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 0.198

11. Возможность объединения с другими участками 2 0 2 0 0 2 2 0 0 0 1 0.078

Обоснование инвестиций в землеустройство требует много вариантной проработки и многокритериального анализа управленческих решений по рациональному использованию и охране земель. Каждый альтернативный (возможный) 1-й вариант Г1ХГС <а'=(х1У) описывается двумя наборами показателей: набором х1=(х1',х2\—>Х1,1) параметров - управляющих воздействий на эколого-хозяйственное состояние земельных ресурсов и набором управляемых частных критериев качества у-(у11>уг',--,ум')> отражающих экологические, социальные и экономические последствия ее реализации. Рассмотрим два способа формализованного представления дискретного множества из N возможных вариантов ПХГС - соответственно с помощью метода морфологического анализа Ф.Цвикки и метода ЛП-поиска И.М, Соболя.

Морфологический анализ сложных геосистем позволяет получить многоаспектное описание различных в качественном отношении эколого-хозяйственных решений. Он основан на выделении существенных структурных комгтоненгов (в частности, инженерных объектов) ПХГС. Поставим в соответствие к-му объекту номинальный параметр х^ значениями которого являются определенные альтернативные способы его реатизации (географической и/или конС1руктивно-технологической), В данном случае возможные варианты структуры ПХГС полностью характеризуются набором номинальных параметров х'=(х/, хг',...,х1,') и могут быть представлены в наглядно - обозримом виде с помощью морфологических таблиц (МТ). Условное изображение фрагмента МТ проектируемой ПХГС дано на рис. 1.

.X]1 X,2 X/

0.515

б)

Рис, 1. Условное изображение множества допустимых вариантов ПХГС .

а) в виде допустимых комбинаций элементов морфологической таблице ПХГС,

б) в виде заштрихованных частей непрерывной области поиска вариантов ПХГС. * - пробные ЛПг-точки

Каждому к-му уровню МТ (параметру х*) сопоставляется определенное число Ык ее элементов (значений Хк этого параметра), ¡=1,2,.,.,И*; к=1,2„..,Ь. Составляя различные комбинации (сочетания) элементов всех уровней МТ, получают многоаспектную характеристику возможных вариантов структуры ПХГС. Общее число этих вариантов определяется по формуле; Ы=М]хЫгх...хМ|,.

Допустимым (географически и технологически) сочетаниям элементов МТ соответствует множество допустимых вариантов структуры ПХГС. (см. рис. 1.),

Опишем процедуру получения заданного числа репрезентативных возможных вариантов ПХГС с помощью метода ЛП-поиска (детерминированного анализа метода Монте-Карло), В этом случае все оптимизируемые параметры ПХГС должны быть количественными. Множество возможных вариантов ПХГС задается в виде К-мерного параллелепипеда: Х=*| х.[хкп™^<хь,па\ к=1,2,...Х(\ Здссь хкр"п и хкП1ач -соответственно минимальное и максимальное значения параметра х*. Метод ЛП-поиска позволяет осуществить дискретизацию непрерывной области поиска X в результате генерирования заданного числа возможных вариантов ПХГС в пространстве параметров - пробных ЛПт-точек х\ наиболее равномерно заполняющих Ь-мерный параллелепипед X (см. рис. 1.). Обозначим через Чь' координаты ЛПт-точек ч1^/^1,..^1), принадлежащих К-мерному единичному кубу т.е. О £ чк' < 1, к=1,2,...,Ь; ¡=1,2,...,14. Значения к-го параметра ¡-го варианта определяются по формуле: х^'—х^п,п+4к1(х^гпа,1-хкт1и). Метод ЛП-поиска позволяет получать пробные точки х* с номерами 0<1<220=1048576 в пространстве размерности К < 51. Число генерируемых ЛПт-точек рекомендуется выбирать в виде N-2*, где V -натуральное целое число.

Рассмотрим разработанную автором процедуру пространственно - структурно - параметрического синтеза ПХГ С на основе метода морфологического ЛП-поиска. Она базируется на комплексировании методов морфологического анализа и ЛП-поиска и позволяет получать репрезентативные возможные варианты ПХГС. Их репрезентативность означает, что среди ограниченного числа вариантов эколого-хозяйственных решений, включаемых в многокритериальный анализ, должны содержаться варианты с наибольшим разнообразием оцениваемых свойств ПХГС. Значениям номинальных параметров х^ ставятся в соответствие непересекающиеся интервалы изменения, некоторых числовых оценок х^. Причем, величина этих интервалов выбирается таким образом, чтобы' уменьшить включение "некачественных" (в определенном смысле) значений параметра хк в репрезентативные варианты. Для построения оценок х^ предложены ргпличные процедуры "оцифровки" номинальных параметров. Например, в качестве х^ может быть принята оценка .относительной, важности (вес) значений номинального параметра х^, которая отражает степень соответствия альтернативных способов реализации структурных компонентов ПХГС эколого-хозяйственному состоянию территории. На рис, 1. схематично (в виде заштрихованных прямоугольников) представлена _ область допустимых вариантов ПХГС на плоскости числовых оценок Х| и хт. Данная область является "плохой", в частности, невыпуклой. В связи с этим для получения заданного числа репрезентативных возможных вариантов ПХГС в К-мерном пространстве оценок х^ применяется метод ЛП-поиска, Попадание координат 1-й ЛПт-точки в определенные интервалы диапазона изменения оценок х^ дает возможность однозначно восстановить соответствующие значения номинальных параметров х^ для ¡-го возможного варианта (см. рис. 1.) и, следовательно, осуществлять пространственно-структурно-параметрический синтез ПХГС.

Рассмотрим пример практического применения метода морфологического ЛП-поиска для рационального размещения орошаемых земель в зоне 4-й очереди

Большого Ставропольского канала (БСК-4), Экспертами были выделены 34 потенциальных участков орошения и назначены 2-3 альтернативных способа их расположения в плане. Для • эколого-хозяйственной характеристики участков орошения использовались 11 покупателей, перечень которых имеется в табл. 1. Определенные орошаемые участки должны быть "увязаны" в единый комплекс для более рационального использования мелиорируемых земель и поливной техники. В данном случае множество возможных вариантов "структуры" природно-мслиоративной геосистемы представляется в виде МТ. Ее уровням соответствуют участки орошения, а элементам уровней - альтернативные способы их расположения в плане. Ограничения на "стыковку" соседних орошаемых участков в единую ПХГС задают допустимые комбинации элементов смежных уровней МТ, При этом общее число N возможных вариантов структуры ПХГС является достаточно большим (для комплекса из десяти участков орошения N » 25 х 3! = 8000). В такой ситуации целесообразно использовать метод морфологического ЛП-поиска. Для наглядности рассмотрим фрагмент МТ, приведенный на рис. 1,, которому соответствуют альтернативные способы расположения в плане 1-го, 2-го и 3-го орошаемых участков. Обобщенные оценки х\ соответствия элементов МТ природно-хозяйственным условиям мелиорируемой территории приведены в табл. 2.

Таблица 2

Числовые оценки вариантов планового расположения участков

Участки орошения 1 2 3

Варианты размещения 1 2 3 1 ■ 2 1 2

Обобщенные оценки 0.402 0.323 0.275 0,515 0,485 0.501 0.499

С помощью метода морфологического ЛП-поиска были получены репрезентативные варианты планового расположения комплекса орошаемых участков. На рис, 1. показаны первые пять ЛПт-точек в двумерном единичном кубе. Они имеют следующие координаты: (0,0); (0,5,0.5); (0.25,0.75); (0.75,0.25); (0.125,0.625). Из пяти возможных вариантов три принадлежат допустимому множеству (допустимые комбинации элементов МТ показаны линиями на рис, 1,),

Многокритериальный анализ эко лого-хозяйственных решений по рациональному использованию и охране земель осуществляется на основе нормативных моделей интегральной оценки качества земельных ресурсов, рассмотренных в главе 2, и геоинформационно-аналигических технологий комплексного «районирования» области поиска Парето-оптимальных (компромиссных) вариантов ПХГС, которые описаны в главе 4, Результаты практической реализации автоматизированной методики многовариантного анализа и многокритериальной оптимизации природно-мелиоративных геосистем приведены в главе 5.

4. Геоинформационно-аналитические технологии комплексного прнродно-хозяйственного районирования территории региона

Настоящая глава посвящена разработке геоинформационно-аналитического подхода и технологий построения комплексных тематических карт эколого-хозяйственного состояния земель в регионе. Данный подход реализует бассейновую концепцию и принцип комплексности ландщафтно-экологического районирования. Основным методологическим приемом является представление районирования через типологизацию и классификацию геообъектов.

Отличительной особенностью рассматриваемых задач районирования является необходимость одновременного учета при выделении классов объектов районирования (ОР) комплекса взаимосвязанных, неравноценных и измеренных в различных шкалах природо-хозяйствеиных показателей (ПХП). Причем, объекты, образующие один класс (район), могут не иметь смежных границ. Результаты районирования позволяют рассматривать ОР, попавшие в один класс, с единой точки зрения и проводить в их отношении одинаковую стратегию мониторинга, контроля и управления земельными ресурсами в регионе. Для решения задач комплексного районирования совместно используются неформальные процедуры типологизации (метод ведущего фактора, метод наложения и др.) и методы анализа природно-хозяйственных данных (методы распознавания образов, кластер-анализа и многомерного шкалирования), которые реализуются с помощью геоинформационно-апалитических технологий (ГИАС-технологиЙ),

Рассмотрим основные этапы ГИАС-технологий на примере построения комплексных тематических карт эродированности почв на территории Белгородской области ЦЧР (рис. 2.). Основной целью данного районирования является анализ интенсивности и условий развития почвенно-эрозионных процессов для интегральной оценки эрозионной опасности земель и эколого-экономического обоснования комплекса водорегулирующих противоэрозионных мероприятий на уровне бассейнового водосбора. Построение комплексной тематической карты Белгородской области по интенсивности водной эрозии на основе ГИАС-тех пологи и осуществлялось в два этапа.

1, Базовое типологическое геолого-геоморфологическое районирование региона. При изучении факторов, влияющих на развитие эрозионных процессов, было установлено, что интенсивность овражной эрозии и смыва почв в значительной степени определяются особенностями рельефообразующих пород и почвенного покрова, глубиной местных базисов эрозии и расчлененностью территории долинно-балочной сетью. При этом на территории Белгородской области выделено три района: 1, Район верхнсмсловых рельефообразующих пород. Он характеризуется значительным развитием плоскостного смыва и, особенно, линейной эрозии; II. Район четвертично-палеогеновых песчано-глинистых и верхнемеловых мело-мергельных рельефообразующих пород. Здесь процессы смыва почв развиты сильно, а овражная эрозия менее распространена, что связано с небольшими местными базисами эрозии и относительно высокой облесенностью территории (16%); III. Район четвертичных ледниковых глинисто-суглинистых, палеогеновых песчано-глинистых и мело-мергелистых верхнемеловых рельефообразующих пород. Он отличается большой интенсивностью овражной эрозии и плоскостного смыва.

[1. Разработка семантической модели природно-хозяйственных данных

2. Тнпологизация и построение многомерной классификации ОР

2.1. Сбор исходных природно-хозяйетвенньпс данных

2.1.1. Задание совокупности ОР

2.1.2. Выбор перечня ПХП, характеризующнх ОР

2.1.3. Формирование матрицы исходных данных

2.2. Определение весовых коэффициентов ПХП

2.3. Выбор способа нормировки исходных геоданных

2.4. Выбор вида меры сходства/различия между ОР 2.3. Программная реализация методов анализа данных 2.2 2. Выделение классов ОР

2 2.3. Получение визуального представления совокупности ОР

3. Содержательный анализ и интерпретация результатов многомерной классификации

3.1. Уточнение состава и границ классов ОР

3.2.* Описание классов на языке исходных показателей ОР

3.3. Интерпретация обобщенных показателей ОР и описание классов на их языке

3.4. Образование и формулировка названий классов ОР

3.5. Образование районов (подрайонов) н составление легенды комплексной

' тематической карты состояния земель в регионе_

[4. Построение электронной комплексной тематической карты ' |

Рис, 2. Основные этапы комплексного природно-хозяйствеиного районирования территории региона

Этому способствует большая глубина местных базисов эрозии и незначительная облесенность (8%) территории. Па данном этапе комплексного районирования применяются ГИС-технологии для выполнения операций оверлейного покрытия соответствующих тематических слоев (карт) и построения электронной "базовой" тематической карты.

2. Многомерная классификация объектов районирования по набору существенных ПХП, В соответствии с бассейновой концепцией в качестве ОР приняты водосборы малых и средних рек Белгородской области (рис, 3,). На ■территории региона имеется 24 водосбора площадью от 0.8 до 3.6 ты с, км2: 1-Илек, 2-Пена, З-Ворскла, 4-Лопань, 5-И в н я, 6-Псел, 7-Сеймица, 8-Харьков, 9-Северский Донец, 10-СеЙм, 11-Осколец, 12-Короча, 13-Нежеголь, 14-Волчья, 15-Козинка, 16-Оскол, 17-Усердец, 18-Потудань, 19-Камышенка, 20-Тихая Сосна, 21-Валуй, 22-Черная Калитва, 23-Ураева, 24-Айдар.

Рис З: Водосборы рек и карта-схема комплексного районирования Белгородской области по интенсивности почвеш го-эрозионных процессов

Районы:

1 - интенсивность сильная, преобладает овражная эрозия П - интенсивность сильная, преобладает плоскостной смыв

Ш - интенсивность сильная, овражная эрозия и плоскостной смыв развиты в равной степени

IY - интенсивность средняя, овражная эрозия и плоскостной смыв развиты в равной степени

V - интенсивность слабая, преобладает плоскостной смыв.

Бассейновые водосборы представляют собой естественные "ячейки" комплексного мониторинга, контроля и управления эколого-хозяйственным состоянием земельных ресурсов в регионе, в пределах которых формируется водный режим территории и почвенно-растителышй покров и развиваются процессы плоскостного смыва и овражной эрозии. В перечень существенных ПХП включены: У1 • "смытость почв с площади с.-х. угодий, %"; уг - "густота оврагов, км/км2"; Уз - "плотность действующих вершин оврагов, шт./км

На втором этапе внутри каждого района (типа) выделяются подрайоны (классы) на основе количественной меры сходства/различия ОР сразу по всем ПХП, Здесь применяются ГИАС-технологии, реализующие методы автоматизированной классификации и компьютерной визуализации, что позволяет более эффективно анализировать внутреннюю структуру природно-хозяйственных данных и проводить содержательную интерпретацию результатов математико-географического моделирования задач комплексного районирования.

Матрица исходных данных районирования приведена в табл. 3. Ее нормировка осуществлялась следующим способом: % =04-уф'УЬуТ-уТ)- Здесь % и >■} -нормированное и исходное значения з-го ПХП »-го ОР; уТ и уГ'- минимальное и максимальное значение ]-го ПХП для всей совокупности ОР, j=l,2,3; ¡=1,2,...,24,

Таблица 3

Матрица исходных данных и значения обобщенных показателей интенсивности эрозионных процессов в Белгородской области

Номер Смытость Густота Плотность Плоскостная Овражная Эрозионная

объекта почв оврагов оврагов эрозия эрозия опасность

№ У) VJ Уз . Ф3 d

J 48.27 0,35 1,12 0.577Í 0.3389 0.185

2 37,53 0.55 0.54 0.4654 0.4868 0.129

3 42.30 0.48 1.13 0.5442 0.4418 0.176

4 40,75 0.48 0.80 0.5133 0,4315 0.134

5 34,80 0.27 0.55 0.4488 0.2920 0.073

6 34.80 0.10 1.10 0.5015 0.1518 0.099

1 21.97 0.38 0.58 0,3726 0.3715 0.058

8 8.68 0.11 0.92 0,3255 0.1586 0,027

9 33.34 0.67 1.28 0,4930 0.6074 0,277

10 33.15 0.25 0.72 0.4596 0.2680 0.072

11 51,00 0.10 0.96 0.5900 0.1658 0.161

12 37.46 0.60 1.12 0.5178 0.5411 0,186

13 39.82 0.39 0,50 0.4675 0.3714 0104

14 8 17 0.17 0.64 0,3003 02142 0 015

15 54.80 0,47 0,98 0.6173 0,4258 0.239

16 41.82 0.73 1.15' 0.5439 0.6313 0.265

17 38.19 0.50 0.90 0,5040 0.4547 0.135

IS 49.90 0.54 1.20 0.5961 0.4911 0.249

19 23.80 0.90 0,80 0,3992 0.7385 0.466

20 19,45 0.10 1.00 0,3971 0,1478 0.049

21 67,60 0,37 0.95 0.6916 0,3568 0.824

22 49,79 0.59 0,77 0,5740 0,5184 0.208

23 64.13 0,37 0.98 0,6701 0,3553 0.430

24 28.34 061 0.80 0.4285 0.5355 0,132

В качестве комплексной меры сходства/различия ("расстояния") между i-м и 1-м ОР использовалась взвешенная "городская" метрика ("city-block"):

A*¿A|2-4 i, 1 = 1, 2,..., 24,

где (i, = 0,35, pj = 0.55, Рз = 0.10 - экспертные оценки весов ПХП.

Сначала для разбиения речных водосборов Белгородской области на однородные классы ОР применялся оригинальный метод классификации в нечетких множествах (рис. 4.). Укажем номера водосборов в каждом из трех выделенных классов (нечетких множеств) и соответствующие значения функций принадлежности этим классам: 1-й класс - №17-1,000, №4-0.963, №3-0.821, №22-0.715, №2-0.660, '№16-0.606, №9-0,603, №7-0.473, №5-0.432, №19-0.321, №12-0.660, №1-0.112, №24-0,110, №10-0,100, №13-0,100; 2-й класс - №21-1.000,

№23-1.000, №15-0.100; 3-й класс - №20-1.000, №8-0.881, №6-0.612, №14-0.477, №11-0,100. Типичными представителями классов являются водосборы с номерами 17,21 и 23,20,

Отметим, что водосборы рек, отнесенные к первому классу, имеют значительный разброс значений функции принадлежности. В связи с этим для углубленного анализа внутренней структуры эколого-хозяйственных данных использовался метод кластер-анализа, основанный на построении дерева (графа) кратчайших расстояний. В результате расчетов выделено пять классов - нрчвенно-эрозионных районов Белгородской области (табл.4, рис.3.,4:). Графическое представление водосборов, полученное с помощью средств компьютерной визуализации, имеется на рис. 4. При этом качество отображения 24 точек (ОР) из трехмерного пространства исходных ПХП на плоскость, образованную обобщенными ПХП (ведущими факторами), оценивалось с помощью критерия вида: = > гДе - расстояние между ¡-й и 1-й точками (ОР) в

пространстве ведущих факторов, .■.<••■■■■

Таблица 4

Районы Белгородской "области с различной интенсивностью эрозионных процессов

Район Площадь, тыс, км1 Смытость почв, % Густота оврагов, км/км Плотность оврагов, шт./км*

'Г 13.20 23.80-41,82 0.39-0.90 0.50-1.28

' 34.10 0,65 0.94

11 -2.04 64.13-67.60 0.37-0,37 0.95-0.98

65.87 0.37 097

III 7.60 38.19-54.80 ■ 0.35-0,59 0,54-1,20

45.79 . 0.49 093

IV 1,05 21.97-35,15 0,25-0.38 0.55-0 72'

30.64 0.30 0.62

V 3.36 , 8.17-51.00'' 0.10-0.17 0.63-5,10

24.42 0.11 0.92

Примечание: вверху приведены экстремальные, внизу - средние значения ПХП.

Визуальное представление структуры многомерных данных позволило построить ведущие факторы Ф| и Фз интенсивности эрозионных процессов на водосборах Белгородской области (см. рис. 4,), Их значения имеются в табл. 3. Анализ результатов автоматизированной классификации и компьютерной визуализации ОР позволил уточнить состав районов (водосбор №13 перенесен из первого района в третий) и дать их содержательную интерпретацию.

Рис. 4. Автоматизированная классификация и компьютерная визуализация речных водосборов Белгородской области Ф| - обобщенный показатель плоскостной эрозии Ф] - обобщенный показатель овражной эрозии

--граница класса при классификации в нечетких мкожесгвах

——граница класса при классификации по дереву кратчайших расстояний

В связи с тем, что распределение точек по оси Ф] определяется в основном смытостью почв, а по оси Ф; - преимущественно густотой и плотностью оврагов, фактор Ф1 является обобщенным ПХП плоскостной эрозии, а фактор Фз -обобщенным ПХП овражной эрозии. Все районы отличаются величиной фактора Фз. В первом районе этот обобщенный ПХП достигает наибольшего значения, а в пятом - минимального. Таким образом, при комплексном районировании Белгородской области по интенсивности эрозионных процессов ведущую роль играет обобщенный ПХП овражной эрозии.

Аналогичным образом с помощью ГИАС-технологай было проведено районирование Белгородской области по условиям развития процессов смыва почв и овражной эрозии. Основными ПХП, влияющими на интенсивное развитие почвенно-эрозионных процессов в Белгородской области, приняты: Х| -облесениостъ территории (%); XI - глубина местных базисов эрозии (м); х^ - густота балочного расчленения км/км3); Х4 - распаханносгь территории (%); - количество воды в снеге к периоду формирования весеннего стока (мм). Сравнение картосхем районирования Белгородской области по интенсивности и условиям развитии эрозионных процессов показало их хорошую сопряженность, что говорит об адекватности построенной .математико-географической классификационной модели эродированности почв в регионе.

Кроме того, с помощью ГИАС-технологий проведено комплексное районирование территории (типологизация и многомерная классификация 96 речных водосборов) ЦЧР по условиям регулирования местного стока для развития мелиорации земель в регионе. Построенная комплексная тематическая карта-схема позволила существенно уточнить результаты ранее проведенного базового районирования ЦЧР по характеру рельефообразующих пород - уточнить число, границы и состав геолого-геоморфологических районов и, тем самым, повысить качество обоснования планируемой мелиоративной деятельности.

5. Интегральная оценка и управление эколого-хозяйсгоенным состоянием земель в ЦЧР (на примере Белгородской области)

В главе рассматриваются методика и результаты практической реализации разработанных математи ко-географических моделей интегральной эколого-хозяйственной оценки земельных ресурсов и оптимизации природно-хозяйственных геосистем, а также геоинформационно-аналитических технологий для многокритериальной классификации и визуализации компромиссных управленческих решений по рациональному использованию и охране земель в ЦЧР.

В связи с усиливающейся деградацией почв в ЦЧР возникает необходимость интегральной оценки эрозионной опасности природно-антропогенных ландшафтов и выбора комплекса мероприятий по борьбе с негативным воздействием хозяйственной деятельности на земельные ресурсы.

Борьба с водной эрозией земель в ЦЧР является важнейшей составляющей почвозащитных природоохранных мероприятий. При этом основная цель заключается в снижении интенсивности плоскостной и овражной эрозии на бассейновом водосборе при приемлемых затратах на проведение КВПМ, Данный комплекс включает: 1) агротехнические приемы; 2) лесомелиоративные мероприятия; 3) залуженис склонов; 4) простейшие гидротехнические сооружения; 5) каскад водоудерживаюших и фильтрующих водоемов в овражно-балочной сети. Для определения структуры (состава) комплекса мероприятий по борьбе с негативными последствиями антропогенного воздействия на земельные ресурсы водосбора рекомендуется использовать методы ^анализа дерева целей и морфологического анализа, рассмотренные в главе 3.

Для многокритериального оценивания эрозионной опасности территории региона предлагается использовать интегральную эколого-хозяйственная оценку состояния земельных ресурсов. Теоретические и методические вопросы ее построения рассмотрены в главе 2, Рассмотрим пример практического применения нормативной модели интегральной оценки эрозионной опасности земель Белгородской области для эколого-экономического обоснования комплекса водорегулирующих противоэрозионных мероприятий (КВПМ) на бассейновом уровне.

При выработке обоснованных управленческих решений по рациональному использованию и охране земель в регионе необходимо использовать следующий методологический принцип: наблюдаемые и контролируемые показатели состояния природно-антропогенных ландшафтов должны быть управляемыми, т.е. выступать в роли критериев качества при выборе наилучших вариантов КВПМ. Поэтому в набор частных критериев включены ГГХП; у; - "смытосгь почв с площади с.-х. угодий, %"; Уг - "густота оврагов, км/кмг"; уз - "плотность действующих вершин оврагов, шт./км1", а также критерий у* - "затраты на проведение КВПМ, ты с.ру б/км2". Основными параметрами КВПМ (управляющими воздействиями) являются: Х| - "облесенность территории водосбора, %" и х; - "глубина местного базиса эрозии, м". Согласно теории неформальных процедур, на уровне геосистемы в целом (на уровне речного водосбора) перечень управляющих воздействий должен содержать небольшое число "основных" параметров, от которых главным образом зависят критерии качества. Значения этих параметров должны быть известны до определения оптимальных значений более элементарных параметров планируемого

КВПМ (например, объемов агролесомелиоративных мероприятий и гидротехнического строительства на конкретном балочном водосборе). Для расчета интегральной оценки <11 типа "обобщенный риск недостижения требуемого эколого-хозяйственного состояния земель" для 1-го водосбора по формуле (2.4) использовалась исходная информация, указанная в табл. 3 и табл. 5 (| = 1, 2,..., 24). Ее значения даны в табл. 3.

Таблица 5

Экспертная информация для построения интегральной оценки эрозионной опасности земель Белгородской области •

Номер ПХП 1 Нижняя граница Верхняя граница »5 Нормативный уровень У*] Допустимое отклонение 6*1 Вес . V

\ 8.10 82.80 67.60 0.10 0.35

2 0.05 1,07 0.90 0,05 0.55

3 0.45 1.57 1,28 0.05 0.10

Рассмотрим типичный для юга ЦЧР водосбор р.Черная Калитва (Белгородская область). Здесь смытые почвы занимают 49.79% площади с.-х. угодий, густота оврагов достигает 0.59 км/км1, а плотность действующих вершин оврагов -0.77 шт./км2. Облесенность данного водосбора составляет всего лишь 3% территории, глубина местного базиса эрозии - 148 м, что и предопределяет здесь интенсивное развитие почвенно-эрозионных процессов.

Приведем постановку задачи многокритериального выбора наилучших вариантов КВПМ на речном водосборе. Значения критериев у( - у4 необходимо сделать как можно меньшими. Другими словами, при выборе наилучших вариантов КВПМ основными целями являются максимальное снижение интенсивности плоскостной и линейной эрозии при наименьших затратах па реализацию планируемой природоохранной . деятельности. Решение данной задачи обеспечивается достижением разумного компромисса мевду противоречивыми критериями качества, которые характеризуют эрозионную опасность земель, связанную со смывом почв и ростом оврагов, и экономическую эффект, определяемый стоимостью КВПМ.

Для установления достоверных регрессионных зависимостей у^(Х[,хг), между критериями качества и параметрами КВПМ использовался оригинальный метод построения дискретно-непрерывных моделей показателей геообъектов (¡=1,2,3), Матрицы исходных природно-хозяйственных данных содержат значения критериев качества уь у:, уз и параметров Х[, х2 на 96 водосборах рек ЦЧР. В результате расчетов получены следующие модели статистических взаимосвязей показателей для водосбора р.Черная Калитва;

у, = -16,24 - 0.64х[ + 0.42х3; у2= -0.19 - 0.01x1 + 0.05x2; у3 = -0,04 - 0.004х, + 0.003x2.

Эти модели имеют более высокое качество (в смысле величины коэффициента множественной корреляции и отношения Фишера), чем регрессионные уравнения, построенные на основе всей совокупности речных водосборов ЦЧР. Они являются адекватными по критерию Фишера при уровне значимости а = 0.01 и, главное, они отвечают физическому смыслу изучаемых почвенно-эрозионных процессов. Все это

позволяет прогнозировать изменение критериев при варьировании параметров в некоторой окрестности исходного состояния земельных ресурсов на водосборе р.Черная Калитва - точки с координатами х° = 3.0%, Х20 = 148.0 м. Затраты на реализацию КВПМ оценивались с помощью критерия у^ = к1(Х| - 3) + кг(148 - х2), где к[- удельная стоимость лесомелиоративных мероприятий, тыс.руб/км3; к2 - удельная стоимость противоэрозионных прудов, тыс.руб/км2.

Подчеркнем, что на водосборе р.Черная Калитва влияние параметра х2 на показатели интенсивности процессов плоскостного смыва и линейной эрозии более существенно, особенно на критерии уг и уз, В данном случае для многовариантного анализа КВПМ целесообразно использовать метод ЛП-поиска, который позволяет систематически исследовать множество возможных вариантов КВПМ, задаваемых параметрическими ограничениями (см, главу 3), Для водосбора р.Черная Калитва они имеют вид: 3<х]£12, 1285X1^148, С помощью метода ЛП-поиска было получено 256 = 28 репрезентативных вариантов КВПМ, из которых выделено 92 Парето-оптимальных (компромиссных) варианта (рис. 5.). Эти варианты объективно лучше остальных сразу по всем четырем критериям и именно из множества Парето необходимо выбирать наилучшие варианты.

ф

0,6 5

••1

Зон» .

Н111ЛУЧШЙ1

ДКрНИИТйЬ

КВПМ

0,61

Рис. 5. Многокритериальная классификация и визуальное представление компромиссных вариантов комплекса противоэрозионных мероприятий на водосборе р.Черная Калитва

Однако, компромиссные варианты КВПМ характеризуются значительным разнообразием экологических и социально-экономических последствий их реализации. Поэтому поиск наилучших вариантов предлагается осуществлять на основе автоматизированной многокритериальной классификации и компьютерной визуализации (ГИАС-технологий комплексного "районирования") множества Парето, а также с помощью интегральной оценки качества наилучших вариантов, позволяющей измерить обобщенный риск невыполнения экологических и экономических нормативных требований. Объектами многокритериальной классификации («районирования») и интегральной оценки являются объекты принятия решений - Парето-оптимальные варианты КВПМ, которые

характеризуются тремя контролируемыми ПХП - критериями качества У|,Уг,Уз. Результаты применения ГИАС-техналогнй приведены на рис. 6. При этом весовые коэффициенты критериев совпадали с весами соответствующих ПХП. В множестве Парето выделено 22 однородных класса .вариантов (в смысле эколгических последствий их реализации). Полученная агрегированная информация позволяет свести дальнейший целенаправленный анализ эколо го-экономических решений к изучению отдельных классов компромиссных вариантов КВПМ,

Для дальнейшего многокритериального анализа Парето-оптимальных вариантов КВПМ использовалась нормативная модель интегральной оценки качества эколого-хозяйсгвенных решений. Укажем необходимую исходную экспертную информацию - нормативный уровень у,* и допустимое отклонение 5*, по]-му критерию: у,* = 33.00, 6*,= 1.00; у2* - 0,35, 6*2= 0.01; у3* = 0.36, 5*,= 0.01; у/-13200.00,8*4 = 99.00; веса критериев: >., = 0.35, Х2 = 0,35, Х3 = 0.1, *4 = 0.1.

В результате расчета интегральной оценки типа "обобщенный риск" по формуле (2.4) выделено четыре наилучших варианта КВПМ (см. рис. 5.), удовлетворяющих нормативным требованиям. Им соответствуют следующие оценки: 0.753, 0.831, 0,8549 и 0,8596. Визуальное представление множества Парегго позволило провести анализ наилучших вариантов КВПМ на языке обобщенных критериев (факторов) Ф[ и Ф2. Его результаты говорят о том, что всем четырем наилучшим вариантам КВПМ соответствуют близкие значения фактора Ф]. С другой стороны, вариант №1 выделяется среди остальных трех большим значением фактора Ф2. Увеличение значений фактора Ф3 соответствует уменьшению значений критериев у2 и уз, а фактора Ф| - критерия у|. Вместе с тем, с ростом значений обобщенных критериев Ф[ и Фг увеличиваются затраты на реализацию соответствующих вариантов КВПМ. На основе содержательного анализа и интерпретации результатов математико-географнческого моделирования экспертами выбран вариант №1, который позволяет значительно снизить интенсивность эрозии земель с приемлемыми затратами на проведение КВПМ на водосборе р. Черная Калитва. Ему соответствуют следующие оптимальные значения параметров: XI = 11.65 ("облесенкость территории водосбора, %") и х2 = 137.22 ("глубина местного базиса эрозии, м"). Общие затраты на проведение КВПМ в бассейне р.Черная Калитва при этом составляют 13.12 млн.руб. (в ценах 1990 года). Распределение средств произведено следующим образом: на агролесомелиоративные мероприятия - 6.01 млн.руб,, на строительство противоэрозионных прудов и простейших гидротехнических сооружений - 7.11 млп.руб. За счет создания полезащитных и прибалочных лесополос, сплошного облесения балок, берегов прудов и рек, а также дополнения существующих лесополос облесенность водосборов необходимо увеличить на 8,65%. Следует, кроме того, построить 70 противоэрозионных прудов и водорегулирующие валы, осуществить залужение склонов балок. Объем гидротехнического строительства и агролесо-мелиоративных мероприятий на конкретной балке (процент увеличения облссснности, площадь залужения склонов, высота плотины противоэрозионного водоема и т.д.) должны определяться исходя из общего объема противоэрозионных мероприятий на водосборе (доведения облесениосги водосбора до 11,85% и повышения глубины местного базиса эрозии до абсолютной отметки 137 м)!

Кроме того, в данной главе рассмотрен пример эколого-экономического обоснования инвестиций в мелиорацию земель для Шебекинской опытно-производственной оросительной системы Белгородской области.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Обоснованы методологические принципы и разработаны нормативная модель и автоматизированная методика расчета интегральной э коло го-хозяйственной оценки земель различного назначения в процессе комплексного мониторинга, контроля и управления территорией. Данная оценка отличается от аналогов тем, что: 1) позволяет измерять: степень соответствия состояния земельных ресурсов нормативным требованиям к их качеству; экологическую опасность природно-антропогенных ландшафтов и экологический риск планируемого землепользования; степень антропогенного воздействия на земельные ресурсы; 2) при ее построении непосредственно учитываются: нормативные требования в виде предельно-допустимых значений (нормативных уровней) по каждому частному показателю качества (ПК) в отдельности; нечеткость и противоречивость ■ нормативных требований на основе задания допустимых отклонений от нормативных уровней; неравноценность частных ПК на основе определения их весовых коэффициентов; 3) агрегируемые частные ПК могут быть измерены как в количественных, так и в нечисловых шкалах и др.

2, Создана геоинформационно-аналнтическия технология (ГИАС-технология) -«расширение» ГИС-технологий дня комплексного природно-хозяйствепного районирования территории региона, которая' отличается совместным использованием неформальных процедур типологизации районов, реализуемых с помощью ГИС, и количественных методов автоматизированной классификации (распознавания образов и кластер-анализа) и компьютерной визуализации (многомерного шкалирования) геообъектов, реализуемых с помошью стандартных и оригинальных программных, систем анализа многомерных данных, а также наличием методических средств содержательного анализа и интерпретации результатов математико-географического моделирования.

3, Разработан комплекс технологически взаимосвязанных математико-географических моделей . подготовки и принятия оптимальных эколого-экономических решений по использованию и охране земель, обеспечивающий: 1) пространственно-структурно-параметрический синтез природно-хозяйственных геосистем (ПХГС) с помощью оригинального метода морфологического ЛП-поиска репрезентативных вариантов нх реализации. Он характеризуется агрегированием метода морфологического анализа сложных систем и метода ЛН-поиска на основе опенки соответствия вариантов ПХГС конкретным природно-хозяйственным условиям территории; 2) многокритериальный анализ управленческих решений на «математико-географи ческом » языке с помощью ГИАС-технологий комплексного «районирования» (автоматизированной классификации и компьютерной визуализации) области компромиссных вариантов ПХГС и их ранжирования на основе нормативных моделей интегральной оценки качества земельных ресурсов.

4. Проведена апробация и практическая реализация результатов работы:

1) показана эффективность концепции комплексного мониторинга, контроля и управления земельными ресурсами в ЦЧР, основанной на бассейновом подходе, ландшафтно-экологических принципах и мате м ати ко-reo графическом моделировании взаимосвязанных проблем эколого-хозяйственного районирования, оценки и управления территорией. Для Белгородской области ЦЧР проведено комплексное районирование территории по интенсивности почвенно-эрозионных

процессов, построена интегральная оценка эрозионной опасности земель и обоснован выбор оптимального комплекса водорегулирующих противоэрозионных мероприятий на речных водосборах. При этом реализован методологический принцип единства списков наблюдаемых, контролируемых и управляемых показателей качества земельных ресурсов. Многокритериальный анализ управленческих решений по рациональному использованию и охране земель базируется на результатах и математик о-географических моделях природно-хозяйственного районирования и интегральной эколого-хозяйственной оценки состояния территории региона.

5. С помощью разработанных ГИАС-технологиЙ построены комплексные тематические карты: 1) эколого-географического районирования территории (тнпологизации и многомерной классификации 96 водосборов малых и средних рек) ЦЧР по условиям регулирования местного стока для мелиорации земель. При этом существенно уточнены результаты (число, границы и состав районов) базового геолого-геоморфологического районирования ЦЧР, выделены классы водосборов (подрайоны) и их типичные представители, для которых рекомендованы определенные комплексы мелиоративных мероприятий. Проведенное районирование позволяет сделать следующие выводы: формирование земельных и водных ресурсов региона происходит на бассейновых водосборах, являющихся естественными геообъектами наблюдения, контроля и управления эколого-хозяйственным состоянием территории; на большей части региона распространены водопроницаемые рельефообразующие породы - трещиноватые известняки, мела и пески; наиболее существенными последствиями антропогенного воздействия на земельные ресурсы являются нарушение естественного водного режима территории, интенсивное развитие почвеино-эрозионных процессов и ухудшение качества земель; 2) ландшафтно-экологического районирования территории Белгородской области по интенсивности и условиям развития эрозионных процессов, результаты которого позволили повысить качество комплексной карты-схемы эродированиости почв (за счет уточнения состава районов), построить обобщенные показатели плоскостного смыва и овражной эрозии и создать, таким образом, адекватную информационную основу для интегральной оценки эрозионной опасности земель и обоснованного выбора оптимального комплекса противоэрозионных мероприятий на бассейновом водосборе,

6. На базе проведенного исследования разработаны автоматизированные методики, позволяющие: 1) формировать списки существенных ПК геообъеюов для комплексного природно-хозяйствешюго районирования территории региона и интегральной оценки качества земельных ресурсов; 2) составлять комплексные тематические карты эколого-хозяйственного состояния земель; 3) конструировать интегральные оценки экологической опасности земель и экологического риска планируемого землепользования; 4) осуществлять многовариантную проработку и многокритериальную оптимизацию эколого-хозяйственных . решений при обосновании инвестиций в землеустройство. Результаты диссертационной работы составляют методологическую базу автоматизированной системы экспертного оценивания качества земельных ресурсов и системы поддержки принятия управленческих решений по рациональному использованию и охране земель.

Публикации по теме диссертационной работы Монографии

1. Умывакин В.М. Интегральная эколо го-хозяйстве)шая оценка и управление земельными ресурсами в регионе. - Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2002. - 178 с.

2. Каплипский А.Й., Руссман И,Б,, Умывакин В.М. Моделирование и алгоритмизация слабоформализованных задач выбора наилучших вариантов систем. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 1991. - 168 с.

3. Рекс Л.М., Руссман И.Б., Умывакин В.М. и др. Глава 9. Начальные стадии проектирования мероприятий / В кн.: Рекс Л,М. Системные исследования мелиоративных процессов и систем. - М,: Изд-во "Аслан", 1995. - С. 136-181.

Статьи и тезисы докладов

1. Системный анализ и математические методы при управлении водными ресурсами (на примере Центрально-Черноземных областей) / Ред.журн. "Изв.вузов, Геология и разведка". - М.,1976. - 9с. - Дел, в ВИНИТИ 3.06.76, № 1976-76 Деп. (в соавторстве).

2, Применение методов классификации для систематизации природно-хшяйсггвенных данных по водосборам Центрально-Черноземных областей. -М,,1977. - 7 с. - Ред.журн, "Изв.вузов . Геология и разведка". Деп. В ВИНИТИ 21.03.77, № 1073-77 Деп. (в соавторстве).

• 3. Автоматизированный анализ данных при проектировании мелиоративных систем,// Проектирование мелиоративных систем и влияние хозяйственной деятельности на природную среду в черноземной зоне; Южный науч.- исслед. ин-т гидротех, и мелиорации. - Новочеркасск, 1978. - С.30-43.(в соавторстве).

4. Принятие решений при автоматизации проектирования водохозяйственных систем/ Ред.журн. "Изв. вузов. Геология и разведка"- М,, 1978. - 70 с. -Деп. в ВИНИТИ 19 сентября 1977 г., № 3679-77 Деп. (в соавторстве).

5. Методика и алгоритмы принятия решений в изменяющихся условиях при выборе комплекса мероприятий по охране и рациональному использованию земельных и водных ресурсов/ Ред.журн. "Изв.вузов, Геология и разведка" . - М., 1978. - 22 с. - Деп. в ВИНИТИ 29 июня 1978г., № 21S0-7S Деп. (в соавторстве).

6. О методологии выбора и оценки вариантов проекта мелиоративной системы на стадии предпроехтных работ/ Всесоюз. науч.-исслед, ин-т гидротехн. и мелиорации. - М., 1980. - 39 с. - Деп. во ВНИИТЭИСХ 7 августа 1980 г., №62-80 Деп. (в соавторстве),

7. Формирование дискретного множества возможных вариантов мелиоративной системы на стадии предпроектных работ // Моделирование и оптимизация сложных систем: Межвуз.сб. науч.тр. ; Воронеж, политех.ии-т. - Воронеж, 1982. - С. 86-90 (в coainopcTBe).

8. Нормативный метод построения обобщенной оценки качества мелиоративной системы на предпроекгной стадии / Всесоюз.науч.-исслед. инт гидротехн, и мелиорации. - М., 1980. - 20 с. - Деп. во ВНИИТЭИСХ 17 мая 1984г., № 203- 84. Деп. (в соавторстве).

9. Применение техники таблиц решений и методов распознавания образов в задачах природно-мелиоратиивного районирования / Воронеж.гос.ун-т. - Воронеж, 1984. - 4 с. - Деп. в ВИНИТИ 7 июня 1984 г. № 6765- 84 Деп. (в соавторстве).

10. Об одном подходе к оценке технического уровня и качества инженерных решений на предпроектной стадии разработки мелиоративных систем И Оптимизация и имитационное моделирование сложных систем: Межвуз. сб.; Воро-кеж.политсх.ин-т. - Воронеж, 1984. - С. 67-70 (в соавторстве).

11. Формирование и целенаправленный анализ вариантов программных решений при разработке схем развития и размещения мелиорации // Модели и алгоритмы оптимизации сложных систем: {Сб.науч.тр.); Воронеж.политех.ин-т, - Воронеж, 1985.-С. 136-139.

12. Автоматизированный анализ данных при разработке схем развития и размещения мелиорации и водного хозяйства/ "Математика - народному хозяйст-ву":Материалы науч.конф. Вороиеж.гос. ун-та, - Воронеж, 1986,- 2-4 с. - Дел, в ВИНИТИ 3 марта 1986 г., № 1401-86 (в соавторстве).

13. О некоторых методических принципах математического моделирования задач ресурсного обеспечения перспективного развития и размещения мелиорации/ Всесоюз, науч.-исслед.ин-т гндротехн. и мелиорации, - М., 1986. - 40 с. - Деп. во ВНИИТЭИ Агропром 11 июля 1986 г., № 306 ВС-86 (в соавторстве).

14. Об одном подходе к природно-мелиоративиом у районированию// Научное обеспечение повышения эффективности использования мелиорируемых земель (Москва, 22-24 апреля 1987 года): Тез.докл. Всесоюз.совещания, - М., 1987. - С. 128-129 (в соавторстве).

15. Моделирование процесса согласования решений по стимулирующему развитию источников ресурсов мелиорации на основе интегральных оценок// Моделирование процессов экологического развития: Сб.тр. ВНИИ системных исследований. - Вып. 12, - М., 1987. - С, 55-65 (в соавторстве).

16. Модели распределения капиталовложений при планировании развития мелиорации // Моделирование развития региональной экономики: 1-3 ноября 1988, Тез.Всесоюз.семинара. - Ташкент, 1988. - С. 65 (в соавторстве).

17. Моделирование задач, ресурсной оптимизации макросистем на основе адаптивного выбора коэффициентов целевой функции типа обобщенных затрат// Третья Всесоюз.шкода "Прикладные проблемы управления макросистемами", г. Апатиты, 4-13 мая 1989г: Тез.докл. - М., 1989. - С. 37-39 (в соавторстве).

18. Анализ данных и интегральные оценки качества при проектировании сложных систем// IV. Всесоюз.науч.-техн.конф. "Применение многомерного статистического анализа в экономике и оценке качества продукции": Тез.докл II часть. 5-7 сентября 1989г., г.Таргу (Эстонская ССР), - Тарту, 1989. - С.331 (в соавторстве).

19. Адаптивные методы построения интегральных оценок качества в задачах ресурсной оптимизации //.Модели и алгоритмы оптимизации в автоматизированных системах: Межвуз.сб.науч.тр.; Вороиеж,политех,ин-т. - Воронеж, 1989. - С. 10-23 (в соавторстве).

20. Автоматизированная технология природио-хозяйственного районирования //

■ Воронеж, Межотраслевой территориальный центр науч.-тсхн.информации и

пропаганды. - Инф.листок. № 257-89. - Воронеж, 1989. - 4 с. (в соавторстве).

21. Основы автоматизированной технологии распределения ограниченных капитальных вложений на развитие мелиорации в регионе// Предупреждение и ликвидация заболачивания и засоления орошаемых земель: Сб.науч.тр.; ВНИИ гидротехн, и мелиорации - М.,1989. - С.3-25 (в соавторстве).

22. Использование оптимизационных моделей имитационного типа при разработке схем развития и размещения мелиорации (на примере Белорусской ССР) / ВНИИ гидротсхн, и мелиорации. - М., 1989, - 37 с, - Деп, во ВНИИТЭИ Arpo-пром 30 июня 1989 г., № 374 ВС-89 (в соавторстве).

23. Методические аспекты природ о-хозяйствешгого районирования и классификация мелиоративного фонда/ Воронеж.гос,ун-т. - Воронеж, 1989. - 29 с. - Деп, в ЦБНТИ Мииводхоза СССР 30 июня 1989 г., № 653 (в соавторстве).

24. Автоматизированная оценка технического уровня и выбор наилучших вариантов мелиоративных систем на предпроектной стадии/ Воронеж.гос.ун -т. - Воронеж, 1989. - 20 с. - Деп. в ЦБНТИ Минводхоза СССР 30 июня 1989 г., № 657 (в соавторстве).

25. Математическое моделирование слабоформализованных задач принятия эколо-го-э кон омических решений// Моделирование процессов экологического развития. Сблр. ВНИИ системных исследований, - М., 1989, - Вып. 7, - С.72-81 (в соавторстве).

26. Графо-аналитичсский подход к экологическому картированию (районированию) и его программная реализация // Методология экологического нормирования: Тез.докл.Всесоюз.конф. 16-21 апреля 1990г. - Харьков, 1990, - С. 185186.

27. Об одном методе выделения существенных показателей в задачах природно-хозяйственного районирования// Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования: Сб.тез. XIV школы-семинара. - Ростов-на-Дону, Новороссийск, 1990, - С.43-44 (в соавторстве).

28. Автоматизированная методика выделения ведущих природно-хозяйс гвеппых факторов на основе анализа иерархических структур / Воронеж, гос.ун-т. -Воронеж, 1993. - 27с. - Деп. в ВИНИТИ 20 августа 1993 г., №2300-В93 (в соавторстве),

29. Моделирование слабоформализованных задач ресурсной оптимизации водохозяйственных проектов // Международный симпозиум "Природные и социально-экономические последствия разработки и управления водными проектами"; Москва, Российская Федерация (РФ), Май 15-20, 1995: Программа и тезисы докладов. - М., 1995,- С.91.

30. Построение Интегральных критериев экологической безопасности объектов мониторинга земель на основе автоматизированной системы экспертного оценивания // Биологические проблемы устойчивого развития природных экосистем: Тез.докл, Международной науч. конф.; Воронеж, 11-13 сентября 1996 года. Часть II.-Воронеж, 1996.-С. 127-128.

31. Построение интегральных критериев экологической безопасности объектов мониторинга земель на основе автоматизированной системы экспертного оценн-

> вания. // Региональное природопользование н экологический мониторинг Тез.: докл, Республ. конф. 27-29 сентября 1996 года; Барнаул. - Барнаул, 1996. -С .201-203.

32. Геоинформационный метод комплексного картирования при мониторинге земель/Современные проблемы землепользования Центрального Черноземья России (Землеустройство,кадастр и мониторинг земель): Научное издание; ВГАУ, ЧерноземИМЗ. - Воронеж, 1997. - С,58-65.(в соавторстве).

■ 1 34 ;

33. Рекомендации по многомерной классификации и визуальному представлению геообъектов //Современные проблемы землепользования Центрального Черноземья России (Землеустройство , кадастр и мониторинг земель): Научное издание; ВГАУ, ЧерноземИМЗ. - Воронеж, 1997. - С.65-69. (в соавторстве).

34. Интегральные оценки экологической безопасности в проблемах рационального природообустройетва в регионе; Препринт / Ин-т Системного анализа РАН. -M., 1999. - 48 с. (в соавторстве).

35. Геоинформационно-аналитические технологии построения комплексных тематических карт территории для целей мониторинга и управления земельными ресурсами в ЦЧР // Вестник Воронеж. Отдела Русского географ, общества. Воронеж, гос.псд. ун-т. - Воронеж, 1999. - Том 1. - Вып.2. - С.25-28.(в соавторстве).

36. Автоматизированная методика формирования перечня существенных показателей геообъектов на основе анализа иерархической структуры природно-хозяйственных условий территории региона: Препринт / Черноземный ин-т мониторинга земель и экосистем. - Воронеж, 1999. - 21с. (в соавторстве).

37. Автоматизированная методика комплексного природпо-хозяйствеппого районирования территории для целей мониторинга и управления земельными ресурсами в ЦЧР: Препринт / Черноземный ин-т мониторинга земель и экосистем.

- Воронеж, 1999. - 32 с. (в соавторстве).

38. Интегральные оценки экологического риска антропогенной деятельности в проблемах мониторинга и управления земельными ресурсами в ЦЧР // Вестник Воронежского отдела Русского географического общества; Воронеж, гос.пед. ун-т. - Том 2, - Вып. 1. - Воронеж, 2000. - С.63-65. (в соавторстве).

39. Комплексная оценка экологической безопасности обьёктов мониторинга и управления земельными ресурсами в ЦЧР // Экологическая безопасность и здоровье людей в XXI веке: Материалы (статьи, краткие сообщ. и тез. докл.) VI Всеросс. науч.-практ. конф., г. Белгород, 10-12 октября 2000г. - Белгород, 2000.

- С.123. (в соавторстве).

40. Адаптивная рационализация природообусзройства в регионе на основе эколого-экономического принципа самоограничения. // Экологическая безопасность и здоровье людей в XXI веке: Материалы (статьи, краткие сообщ. и тез. докл.) VI Всеросс. науч.-практ. конф,, г. Белгород, 10-12 октября 2000г. - Белгород, 2000.

- С,140.

В совместных публикациях автор диссертации принимал личное участие в проведении исследований, разработке научных положений и выводов, интерпретации полученных результатов, проведении компьютерных экспериментов и расчетов, написании текстов.

Научный вклад Умывакина В.М. в публикации, где число авторов равно двум, составляет 50-70%; в публикациях, где число авторов равно трем и более - 30-50%.

Научное издание

Умывакин Василий Мигрофанович

ИНТЕГРАЛЬНАЯ ЭКОЛ О ГО-ХОЗЯЙСТВЕННАЯ ОЦЕНКА И УПРАВЛЕНИЕ ЗЕМЕЛЬНЫМИ РЕСУРСАМИ В РЕГИОНЕ (на примере Центрально-Черноземного района)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

ЛицензияЛР№400324 от 14.01.98г.

Подписано в печать 00.00,02 г. Формат 60 х 84 Бумага офсетная, Печать трафаретная. Усл.печ.л. 2,2, Уч. -иэял. 2,0. Заказ 266. Тираж 100 экз.

Государственное образовательное учреждение «Воронежский государственный педагогический университет». 394043, г, Воронеж, ул, Ленина, 86,

Отпечатано в государственном образовательном учреждении «Воронежский государственный педагогический университет». 394043, г. Воронеж, ул. Ленина, 86.