Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Анализ структуры и экологического состояния групп водяных растений с использованиям дистанционного мониторинга и системных методов

ВАК РФ 03.00.18, Гидробиология

Автореферат диссертации по теме "Анализ структуры и экологического состояния групп водяных растений с использованиям дистанционного мониторинга и системных методов"

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ фд ІНСТИТУТ ГІДРОБІОЛОГІЇ

! З СЕЙ ^

. 1

ЗВЕНИГОРОДСЬКИМ Едуард Леонідович

\

УДК [(581.526.3:681.5):574.5](08)

АНАЛІЗ СТРУКТУРИ ТА ЕКОЛОГІЧНОГО СТАНУ УГРУПОВАНЬ ВОДЯНИХ РОСЛИН ІЗ ЗАСТОСУВАННЯМ ДИСТАНЦІЙНОГО МОНІТОРИНГУ ТА СИСТЕМНИХ МЕТОДІВ

03.00. 1 ^/гідробіологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук

Київ-2000

Дисертацією (■' рукопис.

Робота виконана в Інституті гідробіології НАН України

Науковий керівник:

Офіційні опоненти:

Провідна установа:

Захист відбудеться

доктор біологічних наук, професор Сіренко Лідія Якимівна. головний науковий співробітник Інституту гідробіології НАН України

доктор біологічних наук, професор Андрієнко Тетяна Леонідівна, зав. міжвідомчою лабораторією наукових основ заповідної справи НАН України та Мінекобезпеки України, Інститут ботаніки ім. М. Г. Холодного НАН України

доктор біологічних наук, професор Антомонов Михайло Юрійович зав. лабораторією математичних та інформаційних методів у гігієні Українського наукового гігієнічного центру МОЗ України Інститут біології південних морів ім. О.О.Ковалевського НАН України, м. Севастополь

-29»

ш 2000 р. о

/о

годині на за-

сіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.213.01 в Інституті гідробіології НАН України за адресою: 04210, м. Київ, пр. Героїв Сталінграду, 12

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту гідробіології НАН України за адресою: м. Київ, ир. Героїв Сталінграду, 12

Автореферат розісланий « ^ »СйІ?7?Н9 2000 р.

Вчений секретар л

спеціалізованої ради,

кандидат біологічних наук Гончаренко Н.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. В умовах загострення екологічної кризи внаслідок посилення впливу антропогенних факторів та гідротехнічного будівництва на водні об'єкти, разом із труднощами фінансування фундаментальних та прикладних проектів, постає оптимізаційна проблема зниження собівартості моніторингових екологічних досліджень в комплексі з підвищенням їх природоохоронної ефективності (Романенко, Оксіюк. та ін., 1990, 1998; КНД 211.4.010-94). Окреслена проблема є досить складною, а її вирішення, на перший погляд, може взагалі здаватися нереальним. Однак проведений нами багаторічний аналіз наявної інформації та методів дистанційного контролю поверхневих вод, підібрана і апробована на широкому загалі гідробіологічних завдань нова формальна теорія обробки дистанційної екологічної інформації дали змогу створити єдину методологічну концепцію та відповідні комп'ютерні засоби її автоматизації (Сіренко, Звенигородський, 1998). Цс сприяло значному підвищенню рівня інформативності та результативності процесу обробки даних дистанційного екологічного моніторингу на всіх його етапах разом із зниженням собівартості.

Обмеженість та неточність кінцевих результатів дистанційного екологічного моніторингу водних об'єктів на сьогоднішній день обумовлюються двома основними причинами:

- проблемою достовірної дешифровки зображень гідробіологічних об'єктів (наприклад, вищих водяних рослин та їх угруповань, що виконують важливу індикаційну функцію в навколишньому середовищі) при супутниковому фотографуванні акваторій (Кондратьев, Шумаков, 1990; Федоровский, Сиренкоидр., 1996,1998);

- відсутністю єдиної стандартизованої методологічної основи обробки й узагальнення інформації для потреб природоохоронної діяльності (Гродзинський, 1993; Лаврик и др., 1998).

Враховуючи зазначене вище, все більш актуальним стає питання ефективності обробки як вже наявної інформації, так і оперативної, що отримується при зондуванні Землі з космосу за рахунок удосконалення оптичних пристроїв, мікроелектроніки та комп'ютерної техніки.

Дана робота й спрямована на підвищення ефективності обробки інформації для оцінки екологічного стану водних об'єктів і вирішення природоохоронних завдань з використанням сучасних системних методів. ■

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота безпосередньо пов'язана із науковою тематикою відділу екологічної фізіології водяних рослин Інституту гідробіології НАН України (місце проходження заочної аспірантури дисертанта), де виконувалися теми: "Дослідити зв'язок функціональних та морфологічних характеристик фотосинтезуючих гідробіонтів з факторами формування якості води", 1995-96 рр.; "Дослідити фізіолого-біохімічні механізми впливу гідрофітів на зміну ряду показників якості води", 1997-99 рр.), а також кафедри хімії та екологічної безпеки Вінницького державного технічного університету (місце роботи дисертанта). Окремі дослідження виконувалися згідно угод про творчу співдружність з Центром аерокосмічних досліджень Землі Інституту геологічних наук НАН України.

Мета і завдання досліджень.

Мета: розробка, апробація та впровадження в галузь дистанційного моніторингу водяних рослин комплексу нових методів системного аналізу (на базі математичної теорії розмитих множин).

Завдання:

т на основі аналізу вітчизняних й закордонних робіт розробити та обгрунтувати базову схему екологічного дистанційного моніторингу з використанням фотозйомки угруповань водяних рослин в поєднанні з основними гідрохімічними показниками стану водних екосистем;

- провести типізацію структурних одиниць рослинності, виявлених на аеро- та космознімках ряду водних об'єктів України;

- розробити принципово новий для галузі дистанційного моніторингу водяних рослин комплекс формальних методів аналізу та синтезу даних й відповідні засоби його автоматизації на базі комп'ютерних експертних систем;

- верифікувати розроблений комплекс методів на матеріалах отрипії’-іч/ ^ашіх гг;-о сі рукту;. ні та функціокаіі:.иі особгииості угоуііо-и.-'їіі микрофітіь «ля :.-0/"і:ого сбр.чної о исшюго ооскг,.

- ПДОідіСТ'і и'--Г!:Ь ДииіІДХГЬИУ 20ДІ1ЧХ се'сктіі’ II-ОДО

пгііііоі о п-оооу лрі:т»;''!Їи ^окрема, відьосгіоїпр?,ї/о;;(!0,'ороні!ої їіічності макрофітних комплексів, стану водних екосистем, фігорізноманіття, рекреаційного потенціалу водних об'єктів та естетичної привабливості берегових ландшафтів);

- розробити систему автоматизованого прийняття рішень щодо відповідності даних дистанційного контролю водних екосистем наведеним вище критеріям і порівняти їх з висновками, зробленими на базі традиційних методів.

Наукова новизна роботи. Вперше для аналізу структури та екологічного стану комплексів рослинних асоціацій (на прикладі ділянок гирла Дунаю та дніпровських водосховищ) розроблено теоретичні основи, методи та алгоритми застосування фундаментальних положень теорії розмитих множин та нечіткої логіки, яка до цього часу не використовувалася в гідробіології. Це висвітлило нові аспекти концептуального бачення гідробіології як системної науки.

Удосконалено методи кластерного аналізу даних дистанційного контролю заростей вищої водяної рослинності, що дозволило підвищити інформативність обробки аеро- та космознімків. Розроблено оригінальні процедури перевірки достовірності кластерного аналізу угруповань водяних макрофітів.

Запропоновано оригінальні способи автоматизованого аналізу стану екосистем водних об'єктів за блоками "сольовий склад", "трофо-сапробіологічні показники" та "специфічні токсиканти".

Доведено придатність й високу надійність розроблених методів та алгоритмів автоматизованої обробки інформації для виконання робіт з оцінки рейтингів водних об'єктів за такими комплексними критеріями, як "природоохоронна цінність", "рекреаційний потенціал". Запропоновано оригінальні методи та алгоритми рейтингового аналізу динаміки екосистем, а також автоматизованої побудови таблиць парних порівнянь водних об'єктів в процесі формування критеріальних оцінок екологічного стану водойм.

Практична цінність роботи. Розроблена нова методика обробки результатів дистанційних гідробіологічних досліджень. Комплекс запропонованих методів дав змогу підвищити інформативність дистанційного контролю угруповань водяних рослин за рахунок об'єднання стадій підготовки, обробки, класифікації та комплексного аналізу даних в рамках єдиної математичної теорії.

Апробація розробленого комплексу методів дала важливі у практичному плані результати класифікації структури та екологічного стану рослинних угруповань ділянок гирла р.Дунай та водосховищ р. Дніпро.

Розроблені методи та алгоритми були інструментально реалізовані у вигляді 3-х нових комп'ютерних програмних комплексів: NYMPIIAEA (експертна система космічного моніторингу екосистем вищих водяних рослин); ВСОМРО (програма кластерного аналізу структурної ієрархії рослинних угруповань методом декомпозиції матриць схожості); МОМІТО (експертна система критеріальноїо узагальнення даних космічного моніторингу екосистем на базі методу парних порівнянь).

Результати досліджень та розробок впроваджені у формі методів, алгоритмів та комп'ютерних програм в наступних організаціях: Інститут гідробіології НАН України (Акт від 08.02.1999); Центр аерокосмічних досліджень Землі ІГН ПАН України (Акт від 03.02.1999); Вінницький державний технічний університет (Акт від 25.02.1999); Інститут біології південних морів НАІІ України у\кт від 29.12.1998).

Апробація роботи. Результати роботи ‘доповідалися та обговорювалися на міжнародному науково-технічному семінарі "Системи контролю довкілля" (Севастополь, 1998), пауково-практичній конференції "Творчість, духовність, гуманізм в просторі освіти" (Вінниця, 1998), 31 конференції ІпіепШіопаІе АгЬеіІ5§етеіп5сЬаЛ ОопаиґогзсЬиг^ (ІАБ) сіег Босіеіаз Іпіегпаїіопаїіз Ьітпо^іе (БІЬ) (м. Байя, Угорщина, 1996), науково-теоретичній конференції "Методологічні проблеми інженерної діяльності" (Вінниця, 1993), науково-методичних конференціях та семінарах професорсько-викладацького складу, аспірантів і студентів Вінницького державного технічного університету (1996-99 рр.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 12 наукових робіт, в тому числі 4 статті з матеріалами і тезами конференцій. Одержано 3 авторських свідоцтва.

Структура та об'єм роботи. Загальний об'єм рукопису (разом з додатками) складає 225 сторінок машинописного тексту. Робота складається з вступу, 5 розділів, висновків, 3 додатків, списку літератури (247 найменувань). Текст ілюстровано ЗО таблицями та 21 малюнком.

Декларація особистого внеску. Автором особисто був розроблений, апробований і впроваджений комплекс методів обробки даних моніторингу угруповань вищих водяних рослин. Всі одержані результати та комп'ютерні програми, їх обговорення і висновки викопані дисертантом.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. МОНІТОРИНГ УГРУПОВАНЬ ВИЩОЇ ВОДЯНОЇ РОСЛИННОСТІ ЯК ПОКАЗНИКА ЕКОЛОГІЧНОГО СТАНУ ВОДНИХ ОБ'ЄКТ ІВ (літературний огляд)

За літературними джерелами розкрито поняття структури угруповань вищих водяних рослин (ВВР). На підставі зв'язків ВВР з іншими групами гідробіонтів та абіотичними факторами водного середовища обгрунтована їх провідна трофічна, середовищеутворююча та індикаторна роль у гідробіоценозах. Проведено аналіз наявних методів обробки та узагальнення даних дистанційного моніторингу рослинних угруповань. Обгрунтовано висновок щодо необхідності та доцільності проведення досліджень у галузі розробки методології моніторингу угруповань водяних макрофітів в рамках єдиної математичної концепції.

2. МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Матеріалами, на яких була апробована розроблена система комплексного моніторингу, були карто-схеми заростей водяної рослинності української ділянки гирла р. Дунай (Звенигородский и др., 1994; Дьяченко, Иванова, Звенигородский и др., 1997) , а також водосховищ р. Дніпро (Зеров, 1976; Корелякова, 1972, 1977; Растительность и бактериальное население Днепра..., 1989). Карти були складені за результатами експедиційних виїздів з використанням даних контактного та експедиційного контролю. Обробка знімків полягала в їх дешифруванні, геоботанічному картографуванні, виділенні та класифікації одиниць рослинності методами кластерного аналізу.

Дешифровка аерофотознімків водяної рослинності р. Дунай та Київського водосховища традиційними методами проводилася на підставі польових досліджень к.б.п.ІКлоковим В. Мі, к.б.н. Дяченко Т.М. та інж. Івановою І.Ю. протягом 1990-1995 рр., а також під час експедиційних виїздів з нашою участю на науково-дослідному судні "Академік Вернадський" у 1995 р. (Дяченко, 1995; Звенигородский, Иванова, Дьяченко и др., 1997; Звенигородский и др., 1994).

Дешифровка космічних знімків Київського водосховища проводилася спільно із співробітниками Центру аерокосмічних досліджень Землі ІГН НАНУ чл.кор. НАНУ Фсдоровським О. Д., к.т.н. Якимчуком В. П та інж. Сухановим К. 10., а також співробітниками Інституту гідробіології ІІАНУ к.б.н. Дяченко Т. М. та інж. Івановою І. Ю. (Федоровский А. Д. и др.. 1996, 1998).

При дешифруванні знімків водяної рослинності були взяті за основу методичні рекомендації(Ачрометоды в природных исследованиях, 1960;

Виноградов, 1984) та роботи по дистанційному вивченню водяних макрофітів (Белавская, 1961,1979; Виноградов и др., 1962; Катанская, 1981; Распопов, 1965). Виділення одиниць рослинності та її класифікація проводилися на підставі сколого-фітоценотичного підходу (Шенников, 1964). Кластерний аналіз дешифрованих знімків водяної рослинності проводився методом декомпозиції матриць схожості (Кофман, 1982). Обробка гідрохімічних показників (Гидрология и гидрохимия Днепра ..., 1989; Денисова, 1979; Журавлева, 1998; Линннк, Журавлева и др., 1993; Линник и др., 1986; Руденко та ін., 1996) мала на меті оцінку та класифікацію екологічного стану відповідних водойм. При побудові алгоритму автоматизованої класифікації екологічного стану за основу була взята блокова 3-х рівнева система екологічних оцінок (Денісова та ін., 1996), а також методи нечітких логічних змінних та баз знань (Заде, 1976). Узагальнення комплексних даних проводилось методом парних порівнянь (Дэвид, 1978).

За основу нами була прийнята наступна схема процесу обробки моніторингової інформації (рис.1).

Рис. 1. Базова блок-схема обробки результа тів дистанційного моніторингу водно-ландшафтних комплексів з макрофітами-біоіндикаторами

Контроль біотичної компоненти рослинних угруповань передбачав виявлення під час дешифрування знімків та комп'ютерної обробки ієрархії комплексів рослинних асоціацій, тобто структури угруповань. Дані контролю гідрохімічних показників на ділянках дистанційного зондування дозволяли характеризувати ряд функціональних ознак угруповань. Отже, основною ідеєю запропонованої схеми обробки даних дистанційного контролю був моніторинг структурно-функціональних зв'язків в угрупованнях водяних рослин, які є однією з чутливих індикаторних систем гідросфери.

3. АНАЛІЗ СТРУКТУРИ УГРУПОВАНЬ ВОДЯНИХ РОСЛИН ГИРЛА ДУНАЮ ТА КИЇВСЬКОГО ВОДОСХОВИЩА

Формалізація дистанційних даиих про ділянки водяної рослинності проводилася нами шляхом їх представлення у вигляді матриць попарних коефіцієнтів схожості Константинова між рослинними ділянками:

К = Хтіп(ЗД.2) (1)

де 5,(,5,., -відносні площі асоціації і-го виду-рослин на ділянках 1 і 2; п - загальна кількість рослинних асоціацій на обох ділянках; ' тІП^рі»,,) означає, що вибирається мінімальне з цих двох площ;

- сума елементів від 1 до п.

Розроблений нами алгоритм виділення ієрархічних комплексів асоціацій водяних рослин на побудованій матриці попарних коефіцієнтів схожості Константинова (1) базувався на описаних в теорії розмитих множин процедурах транзитивного замикання та декомпозиції матриць схожості (Кофман, 1982).

Вихідною базою даних для кластерного аналізу були знімки вищої водяної рослинності водних об’єктів (тобто дунайської гирлової ділянки та Київського водосховища). На основі аналізу знімків гирла р. Дунай, було виділено 46 ділянок водяної рослинності, які об'єднують 58 рослинних асоціацій. Також було виділено 18 рослинних асоціацій на 51 рослинній ділянці Київського водосховища. В результаті кластерного аналізу на базі розробленого алгоритму, доповненого експертними оцінками, було виділено 13 комплексів рослинних асоціацій (КРА) для дунайського гирла та 9 ІСРА - для Київського водосховища.

Для перевірки адекватності автоматизованої класифікації була проведена аналогічна процедура традиційним неавтоматизованим методом (експертна таблиця). Кількісна оцінка адекватності збірки кластерів проводилася шляхом підрахунку коефіцієнтів включення (у %) таблиць кластерів, отриманих автоматизованим методом в експертну таблицю:

к = сів-т% (2)

де с -кількість спільних елементів для обох таблиць, в - кількість елементів експертної таблиці.

Коефіцієнт включення таблиці кластерів, отриманих автоматизованим способом для гирла р.Дунай у відповідну експертну таблицю дорівнював 84%, для Київського водосховища -82%. Отже, на підставі розроблених нами нових методологічних принципів та методичних підходів, було доведено узгодження результатів автоматизованої та еталонної збірок.

4. АНАЛІЗ СТАНУ ЕКОСИСТЕМ ДНІПРОВСЬКИХ ВОДОСХОВИЩ НА ОСНОВІ РОЗРОБЛЕНОГО КОМПЛЕКСУ МЕТОДІВ

Нехай хг х,хп - гідрохімічні показники в місцях вегетації водяних рослин (вхідні параметри); £> - вихідний параметр, що характеризує набір певних екологічних оцінок. Вхідні параметри впливають на еколої ічну оцінку, тобто

В = /ІІ(х1,х2,...,хіг) (3)

де/й-певна функція, яка пов’язує параметри л'; та £).

Формальна постановка задачі класифікації екологічного стану полягала в тому, щоб на підставі інформації про вхідні параметри, визначити деяку вихідну екологічну оцінку £>. Основою при формальному описі стану макрофітних угруповань була нечітка база знань. Вона являла собою формалізовані набори апріорних тверджень про відповідність певних груп гідрохімічних даних в місцях вегетації макрофітів визначеним класам стану екосистем.

Метод класифікації екологічного стану угруповань вищих водяних рослин базувався на процедурі інтерполяції з використанням бази знань. Інтерполяція полягала у підрахунку відповідності (у %) вхідного набору гідрохімічних показників наявним класам стану екосистем.

Алгоритм екологічної оцінки складався з наступних кроків: фіксувався експериментально заміряний набір гідрохімічних показників стану екосистеми; проводилася інтерполяція з використанням бази знань; з отриманих значень належності до екологічних оцінок бралося найбільше.

Апробація розробленого комплексу методів у частині класифікації стану екосистем проводилася на матеріалах замірів показників якості води дніпровських водосховищ (Гидрология и гидрохимия Днепра ..., 1989; Денисова, 1979; Журавлева, 1998; Линник, Журавлева и др., 1993;Линник и др., 1986; Руденко та ін., 1996; ). Нами була обрана 3-ступенева оціночна шкала («норма», «перехід», «криза») у відповідності з блоковою класифікаційною системою (Денісова та ін., 1996). Класифікація проводилася як окремо за блоками «сольовий склад», «трофо-сапробіологічні показники» та «специфічні токсиканти», так і з урахуванням їх спільної дії (комплексна оцінка). Результати класифікації приведено на рис. 2-7.

Як можна бачити з приведених результатів, сольовий склад у всіх водосховищах відносно сталий та знаходиться у межах норми. Трофо-сапробіологічні показники зберігають нормальний рівень у Київському, Кременчуцькому та Каховському водосховищах. У Канівському, Дніпродзержинському та Дніпровському водосховищах за цим показником фіксується становище перехідне до кризового. У Каховському водосховищі рівень біогенних показників наближається до норми, але його біологічна продуктивність за первинним автотрофним ланцюгом в багаторічному аспекті проявляє чітку тенденцію до

СОЛЬОВИЙ СКЛАД ТРОФО-САПРОБ. ПОКАЗНИКИ СПЕЦИФІЧНІ ТОКСИКАНТИ КОМПЛЕКСНА ОЦІНКА .

□Нормальний стан 92,00% 71,20% 33,50% 51,40%

0 Перехідний стан 7,80% 26,40% 02,30% - ; 44,ЙГА ' -

ГЧ Криза екосистеми 0,20% 2,40% , 3,-:о%- : .*4.

Рис. 2. Стан екосистем Київського водосховища

Рис. 3. Стан екосистем Канівського водосховища

ООР4- сольовий СКЛАД ТРОФО-САПРОБ. ПОКАЗНИКИ СПЕЦИФІЧНІ ТОКСИКАНТИ КОМПЛЕКСНА ОЦІНКА

□ Нормальний стан 91,20% 84,30% 22,90% 33,40%

□ Перехідний стан 8,Б0% 15,20% 65,00% ■13,50%-/

□ Криза екосистеми 0,30% 0,50% . $,$Ь% * ‘ / ;

Рис. 4. Стан екосистем Кременчуцького водосховища

СОЛЬОВИЙ СКЛАД ТРОФО-САПРОБ. ПОКАЗНИКИ СПЕЦИФІЧНІ ТОКСИКАНТИ КОМПЛЕКСНА ОЦІНКА

□ Нормальний стан 92,40% 35,00% 6,00% 12,30%

О Перехідний стан 7,50% 60,90% 90,20%

□ Криза екосистеми 0,10% 4,10% 2,80%. ■ : ' ді '.У * 'о

Рис. 5. Стан екосистем Дніпродзержинського водосховища

Рис. 6. Стан екосистем Дніпровського водосховища

і 1

^ ріш

І ■

0.00% • СОЛЬОВИЙ СКЛАД ТРОФО-САПРОБ. ПОКАЗНИКИ СПЕЦИФІЧНІ ТОКСИКАНТИ КОМПЛЕКСНА ОЦІНКА

Р Нормальний стан 84,40% 69,40% 10,90% 10,20%

0 Перехідний стан 15,30% 23,70% 85,80% , ТлМ% .

□ Криза екосистеми 0,30% 1,90% з,зо% ..': , , ,■

Рис. 7. Стан екосистем Каховського водосховища

зниження. На відміну від попередньої групи, ризик іа блоком «специфічні токсиканти» проявляє виразну тенденцію до зростання по мірі наближення до ділянки гирла Дніпра. Це може свідчити про домінування антропогенного фактору, який призводить до надходження в річку важких металів, над факторами седиментації та сорбції, які обумовлюють виведення металів з водних екосистем. Це підтверджується наявними фактичними даними (Кораблева, 1983, 1987; Скорик и др., 1986).

Отримані дані (рис. 2-7) виявили кореляцію із проведеними нами оцінками стану екосистем водосховищ на основі класифікаційної шкали із 7 категорій (Романенко, Жукинський, Оксіюк та ін. , 1998).

5. КОМПЛЕКСНИЙ АНАЛІЗ РЕЗУЛЬТАТІВ ДИСТАНЦІЙНОГО МОНІТОРИНГУ УГРУПОВАНЬ МАКРОФІТІВ ГИРЛА ДУНАЮ ТА ДНІПРОВСЬКИХ ВОДОСХОВИЩ

Модель комплексного аналізу даних про структуру та екологічний стан угруповань водяних рослин гирла р. Дунай та дніпровських водосховищ описувалася матрицею парних порівнянь (Рк):

АР»і

АВ> (4)

АД,

де р.. -бальна експертна оцінка переваги об’єкта А В. над об’єктом АВ.. При складанні матриці парних порівнянь у першому прикладі (визначення природоохоронної цінності) в якості об’єктів АВ, АВ, ... АВп були обрані ділянки гирла Дунаю з характерними для них комплексами асоціацій водяних рослин. При оцінці рекреаційного потенціалу дніпровських водосховищ в якості об’єктів АВ, ЛВ2 ... АВп бралися відповідні водосховища.

Порівняння проводилося за певним наперед заданим критерієм. Порівнювались між собою водні об’єкти з характерними для них угрупованнями водяних рослин та гідрохімічними показниками. При цьому структура угруповань аналізувалася методами проведеного нами кластерного аналізу, а гідрохімічні показники -на підставі отриманих результатів (рис. 2.7). Теорія розмитих множин дає наступне значення рейтингу кожного окремого об’єкту АВ.:

АВі АВ2 АВз ... АВЛ

1 Рі2 Різ — Р Ііі

Р21 1 Р23 — Раї

... ... ... ... ...

Рпі Рп2 РпЗ - 1

ц(/1і?,)= у- , (5)

(Рп+Р„+Р*+- + Рь,) ^

Метод критеріальних оцінок передбачав виявлення рейтингів кожного об’єкту за обраним критерієм і ранжування об’єктів у порядку зменшення значень їх рейтингів. Алгоритм включав наступні кроки: визначення сукупності водних об’єктів АВ,-АВп; формування критерію, за яким буде проведено комплексний аналіз і побудована матриця парних порівнянь; обчислення рейтингів та ранжування об'єктів АВ,-АВп з використанням формули (5).

Окремим випадком рейтингового ранжування слід вважати запропонований нами оригінальний метод аналізу динаміки змін стану екосистем. Ідея даного методу полягала в тому, що для парних порівнянь беруться не окремі об’єкти АВ., а один і той же об’єкт у різні моменти часу. В результаті є можливість отримувати картину розвитку у часі відповідності водного об’єкту різноманітним критеріям. На нашу думку, внаслідок більшої адекватності опису природних явищ засобами теорії розмитих множин у порівнянні з традиційними методами, запропонований нами метод аналізу динаміки екосистем є більш інформативним, ніж традиційні методи (часових рядів, матриць Маркова та ін.).

Таким чином, було вирішено завдання поєднання окремих ланок дистанційного моніторингу в рамках єдиної математичної теорії розмитих множин, згідно з схемою на рис. 1.

Комплексним критерієм для дунайської гирлової ділянки була обрана природоохоронна цінність територіальних одиниць водяної рослинності, яка, згідно з наявною класифікацією (Дубына Д.В., Гейны С. и др., 1993), складалася з 3-х ознак (у порядку важливості): 1) кількість асоціацій видів макрофітів на ділянці, що занесені у Червону книгу України; 2) кількість асоціацій декоративних видів; 3) загальне число асоціацій. Територіальні одиниці рослинності були нами виділені на попередніх етапах роботи шляхом кластерного аналізу з використанням матриці схожості Константинова. Відповідні рейтинги приведено в таблиці 1.

В ході проведеного нами рейтингового критеріального аналізу у відповідності із розробленим алгоритмом було виявлено, що найціннішими виявилися ділянки заток Делюков, Рыбачий, Анапькін, Циганка та у ГІотаповому рукаві. Це обумовлено наявністю в цих місцях видів ТгарапаїапБ Ь., Ыутр1шеаа1Ьа Ь., Иирїіаг Іиіеа (Ь.) Бтіїїі. та ін., а також високою загальною кількістю рослинних асоціацій на означених ділянках. Тобто, оптимальне поєднання таких факторів, як кількість асоціацій рідкісних та декоративних видів, загальна кількість асоціацій обумовили найбільшу цінність вказаних ділянок. Угрупо-

Таблиця 1. Рейтинги природоохоронної цінності виділених нами в результаті кластерного аналізу комплексів рослинних асоціації! гирла р Лупай (послідовність комплексів відповідає зменшенню їх природоохоронної пшносіі)

Ком плекс Гсографічн і діляи ки У С ЙТИ НІ

1. ЇЖАЧА ГОЛІВКА/ГОРІХ ДЕЛЮ КО В, РИБАЧ И Й , АНАНЬКІН, ЦИГАНКА, ПОТАПОВ РУКАВ 0,444

2. 3. ЛАТАТТЯ/ ВОДОПЕРИЦЯ РОГОЗОВИЙ РЯД* ДЕЛЮКОВ, АНАНЬКІН СОЛОНИЙ, ТАРАНОВ, ДЕЛЮКОВ, РИБАЧИЙ, ПОТАПОВСЬКИЙ, АНАНЬКІН, ЦИГАНКА, ЛАЗОРКІН 0,140 0,072

А. ГОРІХ/ПЛАВУН АНАНЬКІН, ЦИГАНКА 0,032

5. комишовий* СОЛОНИЙ,ШАБОШ, ПЕРЕБОЇНА, ТАРАНОВ, АНАНЬКІН 0,023

6. ЛАГАТТЯ/ГОРІХ/ КУШИР ЛАЗОРКІН 0,017

7. ОЧЕРЕТ/КУШИР АНАНЬКІН, ЛАЗОРКІН (НИЖНІЙ) 0,017

8. ДОМІНУВАННЯ РДЕСНИКА ПРОНИЗА- нопистого* СОЛОНИЙ. ТАРАНОВ, Д ЕЛ Ю КОВ, П ОТАПО В РУК АЭ 0,013

9. ОЧЕРЕТ/РОГІЗ ПЕРЕБОРНА, ТАРАНОВ 0,012

10. ВОДОПЕРИЦЯ/ХАРА** ПЕРЕБОЇНА, ЛАЗОРКІН (ЦЕНТР) 0,008

11. ВОДОПЕРИЦЯ/ РДЕСНИК СОЛОНИН (ЦЕНТР), ШАБОШ (ЦЕНТР), ТАРАНОВ, ДЕЛЮКОВ 0,003

12. РІЗУХОВИЙ* РИБАЧИЙ, ПОТАПОВСЬКИЙ (ЦЕНТР) 0,007

13. РДЕСНИК/КАМКА/ ЦАШКЕЛІЯ СОЛОНИЙ (УЗБЕРЕЖЖЯ), ШАБОШ (УЗБЕРЕЖЖЯ) 0,006

*-монодомінантні зарості; **-макроскопічна зелена водорость з класу СЬаторІїусеае, яка розвивається на літоралі в заростях вищих водяних рослин.

вання, що відносяться переважно до комплексу «їжача голівка/водяний горіх», складають основу домінуючого тут килимового типу заростання.

Загалом, результати проведеного нами ранжування природоохоронної цінності ділянок гирла р.Дунай, одержані на підставі нетрадиційних для гідробіології підходів на основі нечіткої логіки, збігаються з експертними оцінками, викопаними традиційними методами, й можуть бути використані при природоохоронному районуванні та інвентаризації природних ресурсів. Справа в тому, ідо на їх одержання було витрачено на порядок менше часу при збільшені достовірності отриманих показників.

Наступним прикладом апробації розроблених методів була задача рейтингового аналізу дніпровських водосховищ за комплексним критерієм «рекреаційний потенціал» (рис. 8-11). Аналіз проводився з урахуванням: 1) естетики берегових ландшафтів (ознаки: комплексний індекс стану ландшафту (Гриб, 1993), загальна кількість видів, кількість

декоративних видів): 2) сгаиу екосистем (ознаки: комплексна оцінка, специфічні токсиканти, трофо-санробіологічні показники), 3) фіторізноманіття (ознаки: загальна кількість виявлених видів водяних рослин, індекс різноманіття життєвих форм, кількість комплексів рослинних асоціацій). Згідно з отриманими результатами, найперспективнішим за всіма ознаками виявилося Кременчуцьке водосховище. У відповідності з наявними даними (Растительность и бактериальное население Днепра..., 1989), Кременчуцьке водосховище мас досить багато рідкісних та зникаючих видів. Його рослинність характеризується високою продуктивністю та великими запасами фітомаси. Присутність значного різноманіття видів повітряно-водяних макрофітів, серед яких багато декоративних, підвищує естетичну привабливість його берегів. Стан екосистем у даному водному об’єкті можна вважати також непоганим, особливо в його верхів’ях. Київське водосховище, яке зайняло після підрахунків 2 місце, має відносно непорушені ландшафти й, в цілому, задовільний стан екосистем та, за даними багатьох авторів, теж відрізняється значним видовим різноманіттям рослинності. Найгіршу оцінку програмний пакет дав Дніпровському та Дніпродзержинському водосховищам. Екосистеми даних водойм знаходяться під впливом промисловості сходу України. Отримані автоматизовані результати можуть бути використані при ресурсному районуванні та плануванні інвестицій в сфері туризму та природоохоронної діяльності.

Рис. 8. Рейтингові оцінки водосховищ за критерієм 'ЕСТ1ЇТИКА ЛАНДШАФТІВ”

Рис. 9. Рейтингові оцінки водосховищ за критерієм “СТАН ЕКОСИСТЕМ”

Рис. 10. Рейтингові оцінки Рис. 11. Рейтингові оцінки

водосховищ за критерієм водосховищ за комплексним

“ФІТОРІЗНОМАНІТТЯ” критерієм “РЕКРЕАЦІЙНИЙ

. ПОТЕНЦІАЛ”

В цілому, проведена апробація розробленого комплексу методів та комп'ютерних засобів їх автоматизації показали високу ефективність та надійність їх роботи, а також виявили цілком прийнятну ступінь узгодженості з результатами попередніх експертних оцінок. Це свідчить про принципово нову можливість використання розробленого комплексу програм у високоінформативних швидкісних системах обробки даних дистанційного моніторингу угруповань водяних рослин.

ВИСНОВКИ

1. Вищі водяні рослини (ВВР), як важлива трофічна, середовищеутворюгоча та індикаторна ланка гідробіоцснозів, є інформативним об’єктом для визначення екологічного стану ділянок акваторій при застосуванні аерокосмічних методів моніторингу. Приймаючи це до уваги, в рамках єдиної математичної теорії розмитих множин вперше розроблено та математично обгрунтовано метод аналізу ієрархічних структур комплексів асоціацій ВВР на базі матриць схожості між об'єктами класифікації. Теорію та розроблений метод адаптовано до специфіки аналізу даних моніторингу рослинних угруповань з використанням коефіцієнтів Константинова як міри схожості між

ділянками водяної рослинності. На підставі створених комп’ютерних програм запропоновано класифікаційний алгоритм аналізу ієрархічних структур типу: рослинна асоціація -> рослинна ділянка -> комплекс

рослинних асоціацій.

2. Вперше запропоновано новий принцип, що об’єднав окремі етапи процесу дистанційного моніторингу у рамках єдиної методологічної схеми. Остання складалася з трьох частин: виявлення та аналіз структури угруповань водяних макрофітів; класифікаційна оцінка показників стану водних екосистем за окремими блоками; комплексний аналіз отриманих даних згідно з певними наперед заданими критеріями.

3. Важливими перевагами розробленої процедури класифікації перед традиційними є: зняття труднощів, пов’язаних з врахуванням синергічної дії досліджуваних факторів (наприклад, наборів токсикантів) для визначення стану водних екосистем; визначення ступенів належності (у %) до кожного з класів обраної шкали; незалежність від кількості класів класифікаційної системи.

4. Створено нові для галузі моніторингу водних об’єктів методи автоматизованої побудови матриць парних порівнянь та дослідження динаміки процесів у водному об’єкті шляхом побудови траєкторії поведінки останнього у часі на базі рейтингів його стану.

5. Структурний аналіз угруповань водяноїрослинності дунайського гирла дозволив виділити 13 комплексів рослинних асоціацій (КРА). Результати автоматизованого виділення кластерів в цілому співпали з результатами, отриманими традиційними контактними методами із залученням експертів. При обробці результатів дистанційного контролю угруповань ВВР Київського водосховища було виділено 9 КРА. Дані автоматизованої збірки також співпали з експертними оцінками з аналогічним зменшенням часу обробки. Витрати часу на обробку одержаної інформації запропонованим методом зменшились майже на порядок в порівнянні з традиційними.

6. Запропонована базова схема екологічного моніторингу апробована також на прикладі аналізу гідрохімічних показників водосховищ дніпровського каскаду. Для цього, з урахуванням принципів і методів науки про штучний інтелект, була побудована база знань про відповідність гідрохімічних показників 3-м категоріям стану екосистем: «норма», «перехід» та «криза». Шляхом застосування нечіткої логічної інтерполяції були визначені належності (у %) наборів усереднених гідрохімічних показників всіх 6-ти водосховищ каскаду до визначених вище категорій за блоками «мінералізація та сольовий склад», «трофо-сапробіологічпі показники» та «специфічні токсиканти». Одержані гістограми вказують на 2 основні тенденції: 1) географічна-наростання

кризових явиш в екосистемах водосховищ вниз по каскаду; 2) типологічна- наростання кризових явиш від блоку «сольовий склад» до блоку «специфічні токсиканти». Перехідний до кризового стан (комплексна оцінка) виявився характерним для всіх водосховищ, крім Київського та Кременчуцького.

7. Розроблений комплекс методів був апробований також при визначенні природоохоронної цінності ділянок водяних рослин дунайської гирлової області на підставі відмін видового складу асоціацій (наявність рідкісних та декоративних видів). Визначена природоохоронна цінність ряду заток та рукавів (Делюков, Ананькін, Рибачий, Циганка, Потапов та ін.).

8. Доведена придатність нової методології для рейтингової оцінки дніпровських водосховищ за комплексним критерієм «рекреаційний потенціал». До складу останнього входило визначення естетики ландшафтів (ознаки: комплексний індекс стану ландшафту, загальна кількість видів, кількість декоративних видів), стану екосистем (ознаки: комплексна оцінка, специфічні токсиканти, трофо-сапробіологічні показники), фіторізноманіття (ознаки: загальна кількість виявлених видів водяних рослин, індекс різноманіття життєвих форм, кількість комплексів рослинних асоціацій). За сукупністю описаних критеріїв найбільший рейтинг отримало Кременчуцьке водосховище. Друге та трете місця -Київське та Канівське водосховища.

9. Для практичного використання розробок створено програмний комп’ютерний продукт (на мові ТиЯВО РАБСАЬ для персональних ЕОМ). Розроблений програмний пакет НУМРНАЕА складається з блоків ОЕКВІІО (кластерний аналіз), ОІАОГЧО (база знань, інтерполятор), МОШТО (рейтингове ранжування). Таким чином, створений набір алгоритмів та експертна система є завершеним продуктом готовим для використання у практиці моніторингу водяних рослин.

СПИСОК ПРАЦЬ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Звенигородский Э.Л. Использование методов теории нечетких множеств для оценки экологического статуса водохранилищ // Гидробиол. журн.-1999.-Т.35, №6.-С.90-99.

2. Звенигородский Э.Л. Методика экологической оценки качества поверхностных вод на основе нечеткой логики // Гидробиол. журн.-1999.-Т.35, №1.-С. 102-109.

3. Звенигородський Е.Л. Оцінка стану водних об’єктів з використанням експертної системи на базі нечіткої логіки (на прикладі водосховищ дніпровського каскаду)//Укр. геогр.журн.-1998.-№4.-С.34-37.

4. Звенигородский Э.Л., Ротштейн А.П.,Иванова И.Ю., Дьяченко Т.Н. Кластерный анализ иерархии структур пространственных единиц водных макрофитов // Гидробиол.журн.-1997.-ТЗЗ, №2.-С.94-103.

5. Федоровский А.Д., Сиренко Л.А., Звенигородский Э.Л., Иванова

И.Ю., Суханов К.Ю., Якимчук В.Г. Оценка экологического состояния водоемов с использованием космической информации // Космічна наука і технологія.-1996.-Т.2,№5-6. -С.103-106. ,

6. Звенигородський Е.Л., Ткаченко С.И., Ларюшкін Є.П., Клоков В.М. Апробація комп’ютерної версії класичного методу дендрограми на матеріалі гідроботанічних описів гирла Дунаю // Вісник ВПІ. -1995.-№1.-С. 23-26.

7. Звенигородський Е.Л, Клоков В.М., Ларюшкін С.П. Адаптація методу дендроірами для комп’ютерної обробки аерофотознімків заростей вищої водяної рослинності // Вісник ВПІ.-1994.-№2.-С.39-43.

8. Ткаченко С.Й., Ларюшкін Є.П., Звенигородський Е.Л. Застосуван-

ня природних процесів для очищення промислових скидів та забруднених водойм від важких металів та радіонуклідів за допомогою екосистем з вищими водяними рослинами (ВВР) /Інформаційний каталог завершених наукових розробок, виконаних у вищих навчальних закладах та наукових установах Міністерства освіти України.-Дніпропетровськ: Вид-во ДГУ, 1996.-С. 116-11.7. '

9. Fedorowski A.D., Sirenko L.A., Zvenyhorodskyy E.L. Erfahrungen dei dcr Anwendung von aerokosmischen Informationen. 31 Konferenz der fur die bewertung des okologischen Zustandes von Wasserraumen. IAD, Baja-Ungam, 1996. Wissenschaftliche Referate.-P.475-479.

10. Звенигородський Е.Л. Розробка, апробація та впровадження у навчальний процес нової методології аналізу даних гідроекологічного моніторингу // Матеріали наук.-практ. конф. «Творчість, духовність, гуманізм в просторі освіти».-Т.2,- Вінниця: Вид-во ВДТУ.-1998.-С.92-96.

11. Сиренко Л.А., Звенигородский Э.Л. Усовершенствование обработки информации дистанционного мониторинга водных объектов с помощью методов и алгоритмов нечеткой логики // Системы контроля окружающей среды. Сб.научн. трудов. -Севастополь: МЕИ НАН Украины.-1998.-С.174-177.

12. Ларюшкін її.П., Звенигородський Е.Л. Нетрадиційні підходи до проблеми оздоровлення довкілля// Тези доповідей наукової конф. «Методологічні проблеми інженерної діяльності». -Вінниця: Вид-во ВДТУ,-1993.-С.212.

13. А.с. ПА №1671. Комп’ютерна програма кластерного аналізу

ієрархії рослинних угруповань методом декомпозиції матриць схожості (ЕЮОМРО 1.1) / Звенигородський Е.Л. (Україна).-2с.; Зареєстровано 4.02.99. '

14. А.с. ПА №1633. Комп’ютерна експертна сйстема космічного моніторингу екосистем вищих водяних рослин (КУМРНАЕА 1.0) / Звенигородський Е.Л. (Україна). - 2 с.; Зареєстровано 24.12.98.

15. А.с. ПА №1640. Комп’ютерна експертна система критеріального узагальнення даних космічного моніторингу екосистем на базі методу парних порівнянь (МОШТО 1.0)/ЗвенигородськийЕ.Л., Звенигородський В.Л. (Україна).- 2 с.; Зареєстровано 24.12.98.

АНОТАЦІЯ

Звенигородський Едуард Леонідович. Аналіз структури та екологічного стану угруповань водяних рослин із застосуванням дистанційного моніторингу та системних методів.-Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.17- гідробіологія.-Інститут гідробіології НАН України, Київ, 2000.

Розроблено та апробовано новий комплекс методів обробки даних дистанційного моніторингу угруповань водяних рослин на базі теорії розмитих множин та нечіткої логіки. '

За допомогою методів кластерного аналізу проведено типізацію структурних одиниць угруповань водяної рослинності української ділянки гирла Дунаю та Київського водосховища. В ході типізації виявлено 13 комплексів рослинних асоціацій (КРА) та 58 рослинних асоціацій на 46 ділянках гирла Дунаю, а також 9 КРА та 18 рослинних асоціацій на 51 ділянці Київського водосховища.

Проведено класифікацію екологічного стану дніпровських водосховищ за гідрохімічними показниками. В ході класифікації дгїно дечінусп:-!:!.'! перпідної “> стаі;у єігссіістр?] тг. з-.ост.чпчя ;;низо;;:!Х г 'Лїос^стргь'.л "ог'осчозтц пкгз "О ;с=:.сл;:;'у.

З ігі’ксрчгт'іг'ї; і: ; :'од/ ;; ^п:::..ч ;.;ноч;г::

: ітт і': і і . і і г’і,.;-..’,з 1 і: !^' о-; гі лі/іЛіи:'.'

' !ірл.! ]і.Дуіи*й. гс..;>хк рслрсаці’іноїс потенціалу дптроисы.::.-. водосховищ.

Ключові слова: вищі водяні рослини, дистанційний екологічний моніторинг, кластерний аналіз, комплекси рослинних асоціацій, теорія розмитих множин, нечітка логіка.

Звенигородский Эдуард Леонидович. Анализ структуры и экологического состояния группировок водных растений с применением дистанционного мониторинга и системных методов,- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.17-гидробиология. - Институт гидробиологии НАН Украины, Киев, 2000.

Разработан и апробирован новый комплекс методов обработки данных дистанционного мониторинга группировок водных растений на базе теории размытых множеств и нечеткой логики.

При помощи методов кластерного анализа проведена типизация структурных единиц группировок водной растительности украинского участка дельты Дуная и Киевского водохранилища. В ходе типизации было выявлено 13 комплексов растительных ассоциаций (КРА) и 58 растительных ассоциаций на 46 участках растительности дельты р. Дунай, а также 9 КРА и 18 растительных ассоциаций на 51 участке Киевского водохранилища.

Проведено классификацию экологического состояния днепровских водохранилищ на основе гидрохимических показателей. В ходе класификации выявлено доминирование переходного состояния экосистем и нарастание кризисных тенденций в экосистемах водохранилищ вниз по каскаду.

С использованием метода парных сравнений теории размытых множеств проведен сравнительный анализ природоохранной ценности участков растительности дельты р.Дунай, а также рекреационного потенциала днепровских водохранилищ.

Ключевые слова: высшие водные растения, дистанционный экологический мониторинг, кластерный анализ, комплексы растительных асоциаций, теория размытых множеств, нечеткая логика. ‘

Zvenyhorodskyy Eduard Leonidovych. The analysis of the aquatic plants units structure and ecological state using the remote monitoring and the system methods.-Manuscript.

Thesis for Doctor of philosophy degree by speciality 03.00.17-hydrobiology.-Institute of Hydrobiology, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2000.

The new remote monitoring aquatic plant units data treatment methods based on the fuzzy sets theory and fuzzy logics are worked out and approbated.

By the means of the cluster analysis methods the Ukrainian Danube delta region and Kyiv reservoir’s structural landscape units typization was carried out. During typization the 13 plant complexes units and the 58 plant association on the 46 plant regions in the Danube delta as well as the 9 plant complexes units and the 18 plant association on the 51 plant regions in the Kyiv reservoir were described.

The Dnipro reservoirs ecological state hydrochemical classification was carried out. During classification the unstable ecological state and the ecological crisis increasing from upper reservoirs to lower were obtained. By the means of the fuzzy sets theory pairs compare method the Danube aquatic plant units environmental protection value as well as the Dnipro reservoirs recreation potential comparative analysis was carried out.

Key words: higher aquatic plants, remote ecological monitoring, cluster analysis, plant complexes units, fuzzy sets theory, fuzzy logics. ___ K