Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геоинформационный анализ и прогнозирование изменчивости ландшафтов Предбайкалья

ВАК РФ 25.00.23, Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

Автореферат диссертации по теме "Геоинформационный анализ и прогнозирование изменчивости ландшафтов Предбайкалья"

На правах рукописи

ФРОЛОВ Александр Андреевич

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИЗМЕНЧИВОСТИ ЛАНДШАФТОВ ПРЕДБАЙКАЛЬЯ

Специальность 25.00.23 - физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Иркутск-2011

1 5 ДЕК 2011

005006175

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институт географии им. В.Б. Сочавы Сибирского отделения РАН

Научный руководитель:

доктор географических наук, профессор Черкашин Александр Константинович

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор

Тайсаев Трофим Табанович

кандидат географических наук Сороковой Андрей Анатольевич

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Институт леса им. В.Н. Сукачева Сибирского отделения РАН

Защита состоится 27 декабря 2011 г. в 14.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 003.010.01 по защите докторских диссертаций при Учреждении Российской академии наук Институт географии им. В.Б. Сочавы Сибирского отделения РАН по адресу: 664033, г. Иркутск, ул. Улан-Баторская, 1 Тел.: (3952) 42-69-20 Факс: (3952) 42-27-17 E-mail: postman@irigs.¡rk.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института географии им. В. Б. Сочавы СО РАН.

Автореферат разослан ноября 2011 г. Ученый секретарь

диссертационного совета, доктор географических наук

Актуальность работы обусловлена необходимостью исследования быстротекущих изменений в окружающей среде, вызванных как естественными, так и антропогенными факторами, нередко несущими негативные последствия для ландшафтов. По этой причине назревает потребность в разработке методов и алгоритмов прогнозного эволюционно-динамического геоинформационного моделирования и картографирования, а также прогнозирования возможных изменений в ландшафтах под влиянием естественных и антропогенных факторов с целью рационализации природопользования и охраны окружающей среды.

Основная цель работы - провести анализ состояния геосистем и его изменения под влиянием естественных и антропогенных факторов на освоенной территории Предбайкалья (южная часть Иркутской области). На основе ландшафтной карты юга Восточной Сибири [1977], материалов дистанционного зондирования, стационарных, маршрутных и теоретических исследований выявить закономерности пространственной и временной изменчивости геосистем, создать карту естественных и антропогенных трансформаций геосистем исследуемой территории, а также алгоритмы геоинформационного прогнозного моделирования и картографирования изменения ландшафтной структуры территории для решения прикладных задач.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) проанализировать существующие модели и методы изучения динамики и эволюции геосистем и построить модели для территории Южного Предбайкалья в терминах клеточных автоматов;

2) выделить естественные и антропогенные факторы изменчивости ландшафтов на территории исследования;

3) обосновать использование показателя абсолютной и относительной высоты в качестве характеристики состояния геосистем;

4) на основе материалов натурных исследований разработать ландшафтную ГИС исследуемого района с уточнением по космическим снимкам границ геосистемных вы-делов до уровня переменных состояний фаций (биогеоценозов);

5) провести полевую заверку результатов дешифрирования космических снимков с маршрутным описанием выделов и сформировать базу данных выделов ландшафтной ГИС;

6) создать серию аналитических карт показателей изменчивости геосистем;

7) разработать алгоритмы эволюционного геоинформационного моделирования и картографирования для создания прогнозных карт изменений геосистем;

8) осуществить количественную и качественную идентификацию модели сети клеточных автоматов на основе ГИС и провести прогнозные расчеты изменения состояния геосистем.

Объекты исследований - естественные и преобразованные ландшафты Предбайкалья.

Предмет исследования - пространственно-временная изменчивость геосистем.

Исходными материалами послужили разносезонные космические снимки различного пространственного и спектрального разрешения, электронная топографическая основа и цифровая модель рельефа М 1:200000, карта «Ландшафты Юга Восточной Сибири» М 1:1500000 [1977], карта «Ландшафты Верхнего Приангарья», М 1:500000 [2004], тематические карты различного содержания и литературные источники, а также

материалы полевых исследований горнотаежных и подтаежных ландшафтов территории Южного Предбайкалья в 2007-2010 гг.

Методы исследования. В процессе работы использованы методы комплексных физико-географических полевых исследований, методы оценивания нарушенности геосистем, математического и геоинформационного моделирования и картографирования, визуального и автоматизированного дешифрирования космических снимков, статистические методы.

Теоретической основой работы является учение о геосистемах В.Б. Сочавы. Анализ изменчивости геосистем основывается на идеях, освещенных в работах Ф.Н. Миль-кова, A.A. Крауклиса, В.В. Рюмина, В.М. Плюснина, Д.И. Назимовой, Т.И. Коноваловой, Э.Г. Коломыца, J1.B. Данько. В работе использованы принципы моделирования геосистем А.К.Черкашина.

Научная новизна:

- впервые статистически обосновано значение показателя относительной высоты местоположения как фактора состояния и индикатора изменчивости природного режима геосистем относительно геосистем ландшафтно-зональной нормы;

- выделено пять разных аспектов интерпретации высоты, которые положены в основу моделирования, прогнозирования и картографирования климатогенных изменений геосистем разных размерностей;

- построена и реализована модель ландшафтной структуры как нерегулярная сеть клеточных автоматов, контуры и клетки которых характеризуются высотным положением ландшафтных выделов и локально связаны друг с другом на фоне постоянного воздействия и направленного изменения климата;

- сформулированы гипотезы последовательности эволюционной смены геосистем, которые используются как правила работы модели клеточного автомата, на основе которой создан алгоритм геоинформационного моделирования и прогнозирования климатогенных изменений геосистем территории исследования.

Практическая значимость исследований состоит в разработке алгоритмов и методов прогнозного эволюционно-динамического геоинформационного моделирования и картографирования ландшафтов с целью составления прогнозов изменения ландшафтной структуры при естественных и антропогенных воздействиях. Создана карта-схема «Геосистемы Южного Предбайкалья, их естественные варианты и антропогенные модификации» для геоинформационного анализа изменчивости геосистем и принятия решений в области рационального природопользования на уровне муниципальных образований.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты исследований обсуждались на: VIII научной конференции с международным участием по тематической картографии «Геоинформационное картографирование для сбалансированного территориального развития» (Иркутск, ноябрь, 2006); Всероссийской научной конференции с международным участием «Синантропизация растений и животных» (Иркутск, май, 2007); Конференции ИНТЕРКАРТО «Устойчивое развитие территории: теория ГИС и практический опыт (Нижневартовск, 2007); XII Байкальской Всероссийской конференции с международным участием «Информационные и математические технологии в науке и управлении» (Иркутск, июль, 2007); XIII научном совещании географов Сибири и Дальнего Востока (Иркутск, ноябрь, 2007); IV Всероссийской научно-методической конференции на тему "Системы географических знаний" (Иркутск, но-

ябрь, 2008); Научно-практической конференции «Стратегия развития лесного комплекса Иркутской области» (Иркутск, июнь, 2010); Международной научной конференции «Динамика геосистем и оптимизация природопользования» (Иркутск, июнь, 2010); XVII конференции молодых географов Сибири и Дальнего Востока с элементами научной школы «Природа и общество: взгляд из прошлого в будущее» (Иркутск, апрель, 2011); XIV Совещании географов Сибири и Дальнего Востока (Владивосток, сентябрь, 2011); Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной 100-летию со дня рождения доктора географических наук, профессора Л.Н. Ивановского (Иркутск, октябрь, 2011 г.).

Автором опубликовано 15 научных работ, в том числе три статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, а также материалы вошли в содержание коллективной монографии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и трех приложений. Она имеет общий объем 182 страницы, содержит 48 рисунков, 6 таблиц. Список используемой литературы включает 194 источника.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Пространственно-временная многолетняя изменчивость геосистем одновременно проявляется в дискретных и непрерывных, сукцесснонных, естественных и антропогенных, эволюционных и динамических преобразованиях и оценивается по интенсивности и направленности динамических процессов, что определяет выбор сетей клеточных автоматов в качестве модели трансформации ландшафтов для осуществления прогноза изменения состояния геосистем.

Изменчивость -: сложное свойство географических систем, отражающее многообразие видов пространственно-временных изменений состояния геосистем. Устойчивость и изменчивость — взаимодополнительные качества геосистем. Устойчивость отражает способность системы сохранять свои структурно-функциональные особенности в изменяющихся условиях среды, а изменчивость - способность изменяться под влиянием различных факторов. Существование устойчивости и изменчивости определяется двойственной природой организации географической среды, выраженной в соотношении дискретного и непрерывного начал пространственно-временных вариаций геосистем.

Понимание динамики и эволюции как непрерывной и дискретной сторон изменчивости геосистем исходит из фундаментальной аксиомы учения о геосистемах В.Б.Сочавы [1974, 1978], в соответствии с которой геосистемы представлены разного рода коренными структурами и переменными состояниями, подчиненными определенному инварианту, изменение которого выражается в эволюции геосистемы. Изменения геосистемы с сохранением инварианта определяют динамику геосистем, т.е. движение ее переменных состояний, подчиненных одному инварианту в пределах множества возможных состояний - эпифации, эпиассоциации. Переменные состояния геосистем рассматриваются как различные модификации коренной структуры, которые в процессе естественной динамики ландшафта приходят к "эквифинальному" (коренному) состоянию, или инварианту. Исходя из этого положения, инвариант - неизменная при динамических преобразованиях сущность, формирующаяся под влиянием географического окружения, интегральный природный режим, комплексный фактор, под контролем которого все происходит в геосистеме данного типа. Инвариант геосистемы определяет ее таксономический тип и классификационную позицию.

Рис. I. Графические модели изменения (в ординационном пространстве характеристик Х-У) состояния геосистемы а) в границах существования одного инварианта, б) со сменой инварианта 1—>2, в) с обратимым динамическим (сплошные стрелки) и направленным эволюционным (штриховая

стрелка) изменениями.

Под непрерывной изменчивостью понимается постепенное, плавное изменение характеристик состояния геосистем (геомеров), обычно в рамках их качественной определенности, связанной с инвариантом. На рис. 1а область допустимых (пороговых) значений устойчивости характеристик геосистемы схематично представлена кругом с центральной точкой, соответствующей инвариантному (коренному) состоянию геосистемы (зональная, ландшафтная и фациальная норма). Прямая стрелка показывает направление вынужденных изменений состояния, т.е. переход к производному (переменному) состоянию, из которого геосистема и/или ее компоненты естественным (спонтанным) образом возвращаются в норму. К непрерывным изменениям относится естественная и антропогенная динамика геосистем, выраженная в последовательности стадий (переменных состояний - биогеоценозов) восстановления коренного биогеоценоза после воздействий разной силы, не превышающих допустимых значений. Изменчивость как степень измененное™ коренного состояния (серийности) измеряется по отклонению параметров переменного состояния от положения инварианта.

Дискретная изменчивость подразумевает смену инварианта (рис. 16), связанную с выходом состояния геосистемы за область допустимых значений, когда точкой притяжения становится новое коренное состояние со своей областью устойчивости. Смена инварианта происходит, если текущие характеристики превышают пороговые значения устойчивости геосистемы. Качественные дискретные преобразования одного вида геосистем в другой со сменой инварианта протекают на фоне быстрых или медленных изменений характеристик геосистем в пространстве или во времени. Пространственно-временные точки скачкообразных изменений характеристик соответствуют границам ареалов геосистем или их эволюционным стадиям развития. Выражением дискретной пространственно-временной изменчивости является типологическая дифференциация ландшафтного пространства и эволюция геосистем с изменением геолого-геоморфологической основы и без ее изменения, например при колебаниях климата и на фоне биологической эволюции.

При математическом моделировании изменчивости обычно создается модель смены состояний в виде графа, на основе которой строится система уравнений, отражающая изменение параметров геосистем, направленность и интенсивность изменений в результате разнокачественных воздействий. На рис. 1в представлен элемент такого графа, где состояния 1 и 2 упорядочены по градиенту влияния видоизменяющего фактора г и характеризуются их положением и г2 на оси г. Стрелками показаны обратимые динамические и необратимые эволюционные преобразования состояний геосистем.

Одновременное изменение динамических и эволюционных характеристик состояния геосистемы в окрестности инварианта описывается дифференциальным уравнением

^ = (1) ш т

, , ¿г,,

где —- непрерывное изменение характеристики 2,(/) во времени /; —-- изменение

<Я (¡1

характеристики инварианта 70,{/) (типа окружающей среды) во времени; «,{/) - внешнее управление, отражающее влияние естественных и антропогенных факторов; а1 -коэффициент интенсивности изменения характеристики г,(/), связывающий изменения г-,(г) с отклонением текущего состояния 2,(1) от коренного го,■(?), т.е. /Ц = г{ - г01 - мера серийности. При а,>О имеет место стабилизирующая динамика г{() -> 20;(0, при а,<О значение г,{/) отклоняется от коренного (система эволюционирует) согласно соотношению г, (/) = (?, — г01) ехр(-а,/) + г0((/) при постоянном значении а,- в отсутствии видоизменяющих воздействий и,(г)=О при начальных условиях г1(0) = ?/.

При превышении значения Дг, > Дгш критической величины Дг0( переменное состояние геосистемы г,(Г) при а,>0 будет стремиться к новому равновесному состоянию 2от =го/+Дгоо и переход г0(->гож осуществляется скачкообразно, дискретно. По этой причине уравнение (1) непрерывного процесса адаптации л,(г) должно быть до-

полнено логическим условием квантованной смены гт гом характеристик инварианта. Такие особенности изменения передаются в моделях клеточных автоматов.

Клеточные (конечные) автоматы (КА) являются дискретными динамическими системами, поведение которых полностью определяется в терминах локальных зависимостей или взаимодействий ячеек (узлов) сети [Тоффоли, Марголус, 1991]. КА задается геометрической и топологической структурой дискретного пространства, элементами которого являются клетки, а связи определяются межклеточными взаимодействиями. Клеточные автоматы - перспективный инструмент для исследования дискретной пространственно-временной организации географического пространства, когда связи геосистем осуществляются через границы их выделов, на которых качественно изменяются

Рис. 2. Пространственная изменчивость на уровне групп фаций ландшафтов Южного Предбайкалья (фрагмент электронной карты ландшафтов Юга Восточной Сибири) (а) и граф смежности картографических контуров (б). Цифрами указаны порядковые номера контуров.

специфика межкомпонентных связей и природные режимы, обратимая и направленная динамика компонентов. Моделями географического пространства взаимодействующих геосистем являются ландшафтные карты (рис. 2), которые при реализации сетевых моделей КА рассматриваются в развитии. Преимущества таких моделей для эволюционного картографирования состоят в учете пространственно-временной дискретности геоизображения территории, пространственного взаимодействия выделов, изменения их индивидуальных характеристик и пороговых эффектов смены состояний.

По ландшафтно-типологической карте строится граф смежности (соседства) картографических контуров, обладающий всеми особенностями структуры КА: 1) представляет нерегулярную решетку картографических контуров, которые изменяются под влиянием внешнего фона; 2) на решетке определена окрестность каждого контура из примыкающих к нему контуров; 3) определено множество состояний каждого контура; 4) описаны правила пространственной и иерархической связности, обладающие свойством локальности, когда на каждую клетку влияют только клетки окрестности; 5) такой автомат работает итерационно (поэтапно), и результат каждой итерации выводится в виде новой карты состояния [Фролов, Черкашин, 2007; 2009].

Клеточный конечный автомат - математический объект, заданный пятеркой множеств КА-(Х, У.г.Г.й), где X - конечное множество входных сигналов х, еХ (/' - номер клетки (картографического контура), /=1,..,и); Г- конечное множество выходных сигналов у, еУ; 2- конечное множество состояний контуров карты г; е2\ Р: X х 2 —* 2 -функция перехода контуров карты 0/&Р). сопоставляющая каждому текущему сочетанию (лг„ г/) контура новое значение г;, в: X х 2 —► V- функция выходов карты (я, ей), преломляющая вход х, каждого контура через ее состояние в выходу.

Текущее изменение состояния геосистемы г,(1) итеративно определяется функцией действия/,: А г,<0 = г,(/+1) - г,(/) *,{/)], которое задается в форме:

= /(-„*,) = 1<>у,(2/ -*„,)+£>,,(*,-%)+/„,• (2) ! 1

Это соотношение - дискретный вариант уравнения (1). Здесь а0 и Ъц соответствуют весам воздействия окружающих геосистем (/) на ¡-ю геосистему, значение /„ учитывает влияние внешнего фона территориальной системы. Операция вида (•) моделирует логическую операцию дискретного порогового воздействия, например, (2,-гш) равно (г,-г0() в области существования г„ < г, < геосистемы в состоянии /-типа (г^ и 2в/ -нижняя и верхняя вертикальная граница существования ¡'-й геосистемы). При выходе за указанные границы она существует и воздействует как геосистема другого типа _-оч1). Таким образом, при прогнозировании изменчивости сочетаются дискретные

и непрерывные преобразования геосистем.

Смена состояний реализуется для геосистем разного иерархического (таксономического) уровня, и изменения на нижнем уровне трактуются как динамика по отношению к геосистемам верхнего уровня, что следует учесть при моделировании в виде следующих гипотез последовательности эволюционной смены геосистем, которые используются как правила работы модели КА: 1) изменения частных характеристик геосистемы первичны по отношению к преобразованию ее инварианта (надпороговые изменения характеристик приводят к изменению инварианта); 2) характеристики инварианта геосистемы определяют изменение характеристик ее компонентов (изменяется природный режим, а затем в новых условиях меняются частные параметры); 3) преобразова-

ние инварианта геосистемы верхнего уровня первично по отношению к преобразованию инвариантов нижнего уровня (изменение зональных условий приводит к изменению зональной нормы всех подчиненных ландшафтов); 4) последовательность смены состояний геосистемы определяется типом (классификационной позицией) геосистемы; 5) при климатической эволюции геосистем сохраняется их геолого-геоморфологическая основа (рельеф и породный состав сохраняется на временном интервале прогнозирования); 6) географическое положение (пространственное соседство) отражается во временной последовательности смены состояний.

При извлечении конкретных правил работы КА из пространственной информации используются топографические, палеогеографические и ландшафтные данные и геоинформационные технологии. На основе электронной ландшафтной карты для территории Предбайкалья построены графы соседства таксонов разных уровней. Детальная структура контакта гольцовых, таежных и степных геосистем восстанавливается на уровне геомов с использованием ландшафтной ГИС. Геомы, соединенные очень сильными связями, образуют ядро территориальной организации и в классификации занимают центральное место. В графе (рис. 3) для территории Предбайкалья помимо пространственных связей геомов одного класса большой вес имеют связи геомов разных классов: высокогорные подгольцовые (4) и Байкало-Джугджурские горно-таежные (6), горнотаежные южносибирские (15) и равнинно-плоскогорные среднесибирские (30). Межгеомные пространственные связи определяют допустимые направления временных

Рис. 3. Граф степени соседства геомов (I) и классов геомов (II) разной значимости, а - показатель смежности не ниже 3,5 %; б - не ниже 2,6 %; в - не ниже 1 %.

Североазиатские гольцовые и таежные геосистемы. А1. Гольцовые (горно-тундровые) и подгольцовые Байка-ло-Джугджурские и Восточно-Саянские. Геомы: 2 - гольцовые тундровые; 3 - подгольцовые кустарниковые; 4 - подгольцовые лиственнично-редколесные и каменноберезовые. А2. Горнотаежные Байкало-Джугджурские: 6 - горнотаежные лиственничные редуцированного развития; 9 - горнотаежные лиственничные ограниченного развития. АЪ.Горнотаежные южносибирские-. 15 - горнотаежные темнохвойные ограниченного развитая; 21 - подгорные подтаежные сосновые. А5. Равнинно-плоскогорные среднесибирские: 26 - северотаежные лиственничные на равнинах; 28 -среднетаежные лиственничные на равнинах; 29 - южнотаежные темнохвойные возвышенностей; 30 - южнотаежные темнохвойные на равнинах.

Таким образом, граф смежности является моделью, показывающей связи между геомами в пространстве, во времени и в структуре классификации. Используя такой граф, появляется возможность конкретизировать в модели КА переходы геосистем из одного геома в другой при изменении внешних условий. Для идентификации уравнения (2) и расчетов помимо знания структуры (решетки) смен необходимо определить количественные значения состояния геосистем

2. Абсолютная и относительная высоты - это показатели, в разных аспектах характеризующие воздействие факторов среды, местоположение геосистемы, ее инвариант, серийность и текущее изменение под влиянием разнообразных факторов, что позволяет оценивать конкурентные качества (характер и направление изменчивости) геосистем на фоне климатических изменений.

Фактор нами определяется как явление или условие, влияющее на географический объект и определяющее его общие (состояние) и частные характеристики (параметры или показатели). Показатель - это функция свойств географических объектов или воздействующих факторов. Для анализа степени и дальнейшего прогнозирования изменчивости геосистем необходимо в модели и алгоритмы расчетов вводить количественные показатели изменчивости и факторы, определяющие данную изменчивость. В качестве таковых нами выбраны абсолютная и относительная высоты расположения геосистем. На территории Предбайкалья, где горные области контактируют с подгорно-равнинными территориями, высота местоположения является одним из ведущих факторов изменчивости ландшафтов. Климатические трансформации здесь приводят к изменению ландшафтной обстановки, что проявляется в смещении вертикальных границ высотных поясов горных областей, в изменениях высоты положения фаций геомов. Вследствие этого высота является не только фактором, но и характеристикой современного состояния геосистем разного типа, а также показателем изменчивости этого состояния.

Высота как фактор и показатель изменчивости в моделях КА рассматривается в пяти аспектах: 1) абсолютная высота местоположения геосистемы; 2) фактор, определяющий условия воздействия среды; 3) видовая характеристика геомера; 4) текущее состояние геосистем определенного геомера в разных местоположениях; 5) показатель серийности геосистем ландшафтного уровня.

Первый аспект характеризует фиксированное рельефом высотное положение конкретной геосистемы, поэтому изменчивость геосистем определяется пространственно-временными трансформациями рельефа. Во втором факторном смысле с градиентами высоты связаны значения и амплитуды колебания климатических условий и высотная дифференциация ландшафтов. Третий выражается в особенностях высотного распределения геомера в современный период. Данный показатель при климатогенных трансформациях остается постоянным, а изменяется только при эволюции самого геомера, происходящей на фоне биологической эволюции. Четвертый аспект определяется переменной характеристикой локального комплекса условий среды, варьирующей под влиянием фоновых климатических факторов, что выражается в климатогенных смещениях ландшафтных границ (снеговая линия, верхняя граница леса). Пятый характеризует отклонение состояния конкретной топогеосистемы от геосистем ландшафтной нормы [Фролов, 2011].

Для моделирования и прогнозирования важно знать характерную высоту распространения геомеров. С этой целью с помощью ГИС путем совмещения контуров электронной ландшафтной карты и цифровой модели рельефа строятся частотные распределения Р,(г) площадей групп фаций и геомов г по градиентам высоты (рис. 4а). Получаются своеобразные кривые - модели географической ниши (потенциалов изменения) с положением оптимума условий (мода распределения) для существования г'-го типа геосистемы - значение, которое характеризует ее инвариант. Остальные значения г,- отражают конкретные условия местоположения, состояние геосистемы и отклонение их

от нормы Лг = г, -г0,., при увеличении которого интенсивность геосистемных процессов /-го типа снижается и геосистема переходит в область угнетенного существования, так что при одинаковой высоте г геосистемы разного типа имеют отличающиеся потенциа-

Рис. 4. Географический потенциал фаций гольцового альпинотипного геома (1) и гольцового тундрового геома (2) по градиентам высоты на территории Предбайкалья (а) и разность потенциалов, определяющая конкурентные качества геомов разных местоположений (б).

Конкурентные отношения двух геомеров выражаются в перемещении границ между ними и изменении их площади 5,(г) по высоте г и времени в соответствии с уравнениями динамики:

^- = йг21 А-агр51,-^- = «1,51 (3)

Ж Л ' '

где Й12, о-2\ - интенсивности смены состояний участков ландшафта 2 со временем при взаимодействии геомеров. Эти величины связаны со скоростью перемещения V переменных состояний вдоль координаты г: а = К/ Аг, где Аг - различие характерных высот распространения геомеров. Скорость V определяется потенциалом геомера на разных высотах Р(г), отсюда а0 =КР1(г)/йг, где К - коэффициент пропорциональности. Согласно (3) в условиях равновесия Р,(г)/Р1(г) = 81(г)/52(г), т.е. распределения площадей геомеров пропорциональны их потенциалу. В отсутствие равновесия границы геосистем смещаются на величину А:[/'2(г)52(г)-/|(2)5,1(2)]/Дг в соответствие с распределением площадей и потенциалов, при равенстве 5, (г) = 5, (г) конкуренция определяется разностью географических потенциалов (рис. 46):

Д/>,(2) = Р2 (2)-/{(г). (4)

При изменении климата происходит смещение факторной высоты, т.е. прежние режимы формируются на другой высоте, и баланс потенциалов геомеров нарушается в пользу одного из них, что влечет за собой перемещение границ геосистем и иное распределение площадей геомера по высоте (со смещением модального значения ¿о,).

Статистически доказывается, что относительная высота является не только характеристикой местоположения в структуре вертикальной поясности, но и показателем состояния геосистем топологического (внутриландшафтного) уровня. Для обоснования систематизированы данные, полученные методом комплексной ординации в ходе стационарных работ, выполненных в районе Нижнего Приангарья на трансекте Приангар-ского южнотаежного стационара Института географии СО РАН в 1968 - 1975 гг., и полустационарных описаний ландшафтного профиля в августе 2000 г. на Олхинском плато Южного Предбайкалья. При изучении геосистем Приангарской тайги оценивались признаки (26 признаков) биогеоценозов методами визуальных и инструментальных на-

блюдений на 39 пробных площадях полигон-трансекта (23 20 х 100 м) с перепадом высот 60 м (материалы А.А.Крауклиса, А.К.Черкашина и др.). Полигон включает равнинные водоразделы (плакоры 400 - 450 м над ур.м., площади 1-7, 36-39) и склоны (пл.23-35), выпуклые трапповые поверхности (пл. 8-15), водосборные понижения (пл. 16, 19-22) и днище долины ручья (пл. 17-18). Они образуют систему местного водно-эрозионного рельефа, осложненного геологическими факторами и мерзлотными проявлениями. Ландшафтная структура исследуемого участка состоит из различающихся по устойчивости и динамичности фаций. Она представлена коренной фацией, формирующейся на плакорах, которой противостоят серийные фации, приуроченные к динамичным местоположениям: к пойме ручья (аллювиально-гидроморфная фация, пл. 18), водосборные понижения (гидроморфная, пл. 17), подножья придолинных склонов (криогидроморф-ная, пл. 16), на траппах (литоморфная, пл.8). В зависимости от интенсивности влияния факторов местоположения выделяются факторально-динамические ряды, отражающие связи между коренной плакорной и серийными фациями.

Таежные геосистемы Предбайкалья изучались на трансекте, расположенном в бассейнах pp. Каторжанка и Мал. Шумиха (юг западного побережья оз. Байкал). Рельеф территории исследования - среднегорный (750 - 800 м над. ур. м.). Склоны расчленены падями и небольшими ложбинами. Горный характер рельефа обусловил ландшафтную структуру района с высокой степенью контрастности. Преобладают фации сублито-морфного факторально-динамического ряда, на характеристики которых накладываются факторы дополнительного и избыточного увлажнения на склонах и в заболоченных долинах.

Проведен анализ данных методом главных компонент (МГК) по корреляционной матрице без учета высоты, чтобы исключить ее влияние на результат статистической обработки. По результатам использования МГК первый ГК (34,6% учтенной вариации) определяется связанными с рельефом абиотическими факторами: ночной температурой воздуха (г=0,929), температурой верхнего слоя почвы (0,930) и суточным максимумом влажности воздуха (-0,920) (г - коэффициент корреляции ГК с признаком). Второй ГК (17,0%) коррелирует с суточным минимумом влажности воздуха (0,750) и с обилием пихты (0,728). Третий ГК (13,0%) связан с влажностью (0,742) и кислотностью (0,798) почвы. Четвертый ГК (6,4%) зависит от количества всходов кедра (0,789). Компоненты с 5 по 8 (16,0%) определяются (г>0,5) характеристиками наземного покрова: количеством живого подроста пихты, всходов ели и биомассой травянистого покрова. По этим результатам подавляющее влияние на пространственные особенности геосистем оказывают абиотические факторы, связанные с рельефом, а временные аспекты передаются различием обилия пихты в подросте и древостое, идентифицирующим разные стадии сукцессии и влияющим на состояние других компонентов геосистем.

Рис. 5. Изменение вдоль полигона-трансекта значений: а - относительной высоты, Ъ - коэффициента аш, с - коэффициента корреляции Гц. Цифры на графике высоты соответствуют точкам положения пробных площадей.

Поиск корреляции rki между БГЦ основывается на гипотезе существования линейной зависимости признаков

= (5)

где (/,,г,), - относительные значения/-го признака на пробных площадях / и

¿-го биогеоценозов, находящихся на высотах и возрастных стадиях соответственно; аи,Ьы - коэффициенты линейного уравнения. Все БГЦ сравниваются с базовым БГЦ на пл.1 (к=\): ((/,.,^.) = аи/ц((<,,г,) + &,,. Это БГЦ коренной плакорной фации пихтовой тайги, расположенный на высоте ^=36 м и находящийся на стадии /| = 1 «подроста - перестойности». Коэффициент я,,, уравнения (5) и коэффициент корреляции г|( изменяются сходным образом (рис. 5) а1( = 0,99^ + 0,015, /- = 0,96 параллельно изменению высоты (рис. 6). На графике явно выделяются группы придолинных (пл. 14-28) и цриводораздельных (пл. 1-13, 29-39) БГЦ. Первые слабо коррелированны с базовым БГЦ (пл.1), вторые - имеют прочную связь с показателями пл. 1. Зависимость ги от экс-пертно оцениваемого показателя серийности 5,- близка к линейной 5, = -4,15ги + 4,98, г = 0,70.

Рис. 6. Соответствие изменений относительной высоты (в долях от 1) и коэффициента корреляции связи характеристик БГЦ. Сплошная линия отражает пространственную последовательность БГЦ (пл. 1-39), пунктирная - тренд линейной зависимости, уравнение которой представлено на графике.

При сравнении коэффициента ги для всех признаков (кроме высоты) с аналогич-

Относительная высоте, отн. ед. НЫМ коэффициентом только по части при-

знаков получается, что признаки приземного воздуха и почвы на 78,7% повторяют г„ при г=0,70 для зависимости от высоты. Характеристики древостоя и наземного покрова дают 96,0% сходства при г=0,64, а без древостоя - 95,7% при г=0,65. В итоге признаки наземного покрова хорошо индицируют высоту и серийность на уровне значимости не ниже 95%.

Важность информации о наземном покрове для идентификации серийности подтверждается и на данных по Южному Предбайкалью (рис. 7). Коэффициент корреляции между показателями ги, рассчитанными по всей совокупности данных и по параметрам наземного покрова, равен 0,84. Кривая высот коррелированна (г=0,74) с изменением коэффициента корреляции г|( связи показателей разных БГЦ, полученных по всем признакам, кроме высоты. За основу сравнения приняты БГЦ на приводораздельной поверхности А. С этими БГЦ связаны БГЦ на склонах высотной зоны А, и степень этой связи в основном повторяет кривую высот. Однако в зоне Б реализуются другие закономерности, что интерпретируется как переход на нижележащий плакорный уровень.

Разность высотных уровней соответствует примерно 130-150 м. Проявляющаяся склоновая микрозональность реализуется в высотном слое такой мощности.

Рис. 7. Соответствие изменений относительной высоты (1) и коэффициента корреляции (2) связи БГЦ для Южного Предбайкалья. А, Б - высотные зоны.

1

; 0.8 |о.в

! 0.4 -[ 0.2 о

2000 Расстояние, м

Гпавный компонент 1

Структура микрозональности уточняется с помощью МГК - в пространстве первых ГК выделяется три группы БГЦ (рис. 8): А - приводораздельная, В - склоновая (расстояние 450-1450 м), С - нижнесклоновая (0-450 м). Последняя соответствует переходу на новый плакорный уровень высотной зональности. Хотя перепад высот составляет 141 м, между группами Л и С просматриваются множественные связи (см. рис. 8).

Рис. 8. Расположение БГЦ в пространстве первого и второго собственных векторов. Точки соответствуют БГЦ, линии - их последовательности на трансекте. Группы БГЦ: А - приводораздельная, В - склоновая, С -нижнесклоновая.

Ведущими из учтенных признаками, определяющими сходство БГЦ с БГЦ коренных фаций являются: первый ГК - доли в древостое пихты (г=0,76) и мелколиственных пород (0,78), участие в подросте пихты (0,71), проективное покрытие и состав травянистого (0,66) и мохового покрова (0,68); второй ГК - текущий верхушечный прирост подроста пихты (-0,52), почвенные характеристики (-0,40). Поскольку между значениями первого ГК и коэффициентом ги связи БГЦ существует высокая корреляция (г=0,94), то совокупное изменение признаков, отраженное в ги, связано с высотой местоположения.

Проведенный статистический анализ показывает, что даже без учета высоты и явно коррелированных с ней ландшафтных признаков, степень корреляционного подобия конкретных БГЦ серийных фаций биогеоценозам коренных фаций изменяется с относительной высотой местоположения.

Для изучения конкретных тенденций пространственной и временной изменчивости геосистем проведены натурные исследования и геоинформационный анализ территории Южного Предбайкалья.

3. Естественные и антропогенно-нарушенные горнотаежные и подтаежные ландшафты Южного Предбайкалья характеризуются большим разнообразием переменных состояний фаций со сложной структурой динамических переходов и пространственного соседства, что обусловлено совместным влиянием разных естественных (местоположение) и антропогенных факторов.

Структурно-динамический подход к исследованию изменчивости геосистем топологического уровня заключается в изучении эпифации, т.е. в выявлении коренных структур и переменных состояний фации, подчиненных одному материнскому ядру (инварианту). Эпифация (пространственно-временная система динамически взаимосвязанных геосистем топологического уровня) объединяет по факторально-динамическому признаку коренные, мнимокоренные и серийные фации. В динамике таежных фаций, выраженной в смене переменных состояний (биогеоценозов), A.A. Крауклис (1979) выделил три стадии: активизация, стагнация и нормализация.

Для создания ГИС ландшафтов и ландшафтной карты Южного Предбайкалья проведены комплексные маршрутные исследования ландшафтов, камеральная обработка полученных данных в сочетании с использованием данных ДЗЗ. Это позволило сформировать представление о структуре коренных и переменных состояний фаций, отражающих изменчивость горнотаежных и подтаежных геосистем территории (рис. 9). На ландшафтно-типологической карте представлены гомогенные выделы природных и

антропогенных геосистем - биогеоценозы и участки геотехнических систем. В легенде карты и в базе данных ГИС последовательно отображены: таксономическая принадлежность геосистем, факторально-динамические свойства, степень серийности, переменные состояния, степень и виды антропогенной нарушенности геосистем.

11 19 37

м 2 ВИ 20 1—1 3S

з 21 □ 39

...... 4 22 40

5 §§§§ 23 41

б Г7'"- 24 1 1«

В 7 8 25 26 □Е «

:, .1, 10 , 27 2S l-ts 46

12 1 г | 29 47

1=1 1 13

14

15 | 33 1 и

16 | 17 | 351 I1I1III ИМ

HI 18 |

А/ Ж/Д

авто дорога водные объекты

Рис. 9. Геосистемы Южного Предбайкалья, их естественные варианты и антропогенные модификации. Степень нарушенности геосистем

[ - условно ненарушенные, II - слабо нарушенные, III - средне нарушенные, IV - сильно нарушенные, V - разрушенные, VI - разрушенные и искусственно преобразованные, VII - полностью разрушенные невосстановимые естественным путем. Антропогенно-нарушенные геосистемы: а) селитебные территории (населенные пункты, садоводства) (VI); б) промышленная зона, свалки, карьеры (VII); в) земли сельскохозяйственного назначения (сенокосы, пастбища, поля) (IV, V); г) вырубки (возобновление древостоя после рубок через мелколиственные породы) (IV); д) вырубки (возобновление древостоя после рубки через коренные хвойные породы (III); е) гари с возобновлением древостоя через мелколиственные породы (IV); ж) гари с возобновлением древостоя через коренные хвойные породы (III); з) гари с сильным прогоранием и эрозией почв (V); и) средне и сильно нарушенные геосистемы за счет техногенного загрязнения компонентов ландшафта (III, IV); к) свежие гари.

Переменные состояния геосистем: А - активизация; С - стагнация; Н - нормализация.

Естественные варианты геосистем: К - коренные; М - мнимокоренные; С - серийные.

1-49 - фации и их переменные состояния.

Относительно ненарушенные геосистемы и их антропогенные модификации. Свита северных внетропиче-ских континентальных типов природной среды. Класс североазиатских континентальных типов природной среды. Группа арктобореальных типов природной среды (арктоборсальныс ссвероазиатские). Таежный тип природной среды. Класс южносибирских южнотаежных геомов. Группа южносибирских горнотаежных геомов.

Геом подгорных подтаежных территорий сосновых лесов. Класс субгидроморфных долинных луговых фаций. Группа фаций транзитных речных террас и пойм злаково-разнотравных лугов с дерново-луговыми почвами (К): Антропогенно-нарушенные: 1 - суходольные разнотравно-злаковые луга с дерново-луговыми почвами (и, с) (А); 2 -лугово-болотные участки со злаково-осоковыми лугами на дерново-луговых заболоченных почвах (и, е) (А); 3 - Сосновые злаково-разнотравные леса с дерново-лесными и дерново-подзолистыми почвами на речных террасах (и, с) (А). Группа фаций террас, днищ и склонов водосборных понижений местной гидрологической сети кустарниковых осоково-разнотравных лесов на дерново-карбонатных заболоченных почвах (С): Антропогенно-нарушенные: 4 - со-сново-бсрсзовыс злаково-разнотравно-моховыс леса с кустарником (ива, черемуха, ольха) на заболоченных территориях (и) (С); 5 - лугово-болотные участки с кустарниковым (ива, черемуха, красная смородина) осоково-разнотравным лугом (и) (А). Класс сублипгоморфиых склоновых фаций. Группа фаций пологосклоновых и средней крутизны склонов травяных сосновых лесов с редким подлеском из рододендрона даурского на дерново-лесных, серых лесных и дерново-подзолистых почвах (М): 6 - сосновые злаково-высокотравные леса с кустарником (спирея, шиповник) на склонах; Антропогенно-нарушенные: 7 - еосново-березовые злаково-высокотравно-папоротниковые леса с кустарником (спирея, шиповник, душския) на склонах (и, с) (Н); 8 - Сосново-берсзовые злаково-разнотравные леса с кустарником (спирея, рододендрон, шиповник) на склонах (и, е) (С). Группа фаций крутых склонов сосново-березовых травяных злаково-высокотравных лесов с кустарником (спирея, шиповник) на дерново-лесных почвах (С): Антропогенно-измененные: 9 - березовый злаково-разнотравный лес с примесью сосны на крутых склонах (и, е) (А); Антропогенно-нарушенные: 10 - сосновый злаково-разнотравный лес с кустарником (спирея, багульник, шиповник) и

березой на крутых склонах (и, е) (Н). Класс субгидролитоморфных фаций вершин водоразделов. Группа фаций вы положенных поверхностей сосновых травяных лесов на серых лесных и дерново-лесных почвах (К):- Антропогенно-нарушенные: 11 - сосновый злаково-высокотравно-папоротниковый лес с березой, осиной и кустарником (спирея, шиповник, душекия) на выположенных поверхностях (Н) (и, г, е); Антропогенно-измененные: 12 - березово-осиновый злаково-разнотравный лес с примесью сосны и кустарника (спирея, рододендрон, шиповник) на выположенных поверхностях (С) (и, г, е).

Горнотяежный геом сосновых лесов. Класс субгидролитоморфных фаций выположенных поверхностей. Группа фаций выположенных участков водоразделов сосновых лесов с кустарниковым подлеском на дерново-карбонатных оподзоленных, дерново-подзолистых и дерною-песных почвах (К): 13 — сосновый лес с подлеском из душекии кустарниковой на плоских водораздельных поверхностях; 14 - сосновый багульниково-разнотравный лес с елью со мхом на плоско-вогнутых поверхностях; 15 - сосновый багульниково-разнотравный лес с кедром со мхом на плоских водораздельных поверхностях; Антропогенно-измененные: 16 - березовый разнотравный лес с сосной, осиной и ивой на плоских водораздельных поверхностях и пологих склонах (С) (г, е); 17 - осиновый разнотравно-злаховый лес с сосной на плоских водораздельных поверхностях (Н) (г, е). Класс сублитоморфных склоновых фаций. Группа фаций пологосклоновых и средней крутизны склонов лиственнично-сосновых травяных лесов на дерново-лесных почвах (М): 18 - сосновый разнотравно-злаковый лес с кустарником (спирея, багульник) на склонах; 19 - ли-ственнично-сосновый бруснично-травяной лес со мхом на склонах; Антропогенно-измененные: 20 - сосново-березовый разнотравно-вейниковых лес с кустарником (рябина, спирея, жимолость, шиповник) на склонах (Н) (ж); 21 - березовый лес с лиственницей на склонах (С) (г, е). Класс ксеролитоморфных склоновых фаций преимущественно южных экспозиций. Группа фаций склоновых преимущественно южной экспозиции сосновых редхостойных лесов на дериово-лесных каменистых почвах (С): 22 - сосновый редкостойный разнотравно-злаковый лес с редким подлеском на горно-каменистых маломощных почвах на крутых склонах; 23 - сосново-лиственничный редкостойный злаково-разнотравный лес на склонах средней крутизны; Антропогенно-нарушенные: 24 - сосново-березовый редкостойный разнотравный лес с лиственницей на склонах средней крутизны (А) (е). Класс гидроморфных долинных фаций. Группа фаций террас и пойм осоково-разнотравных заболоченных лесов на лугово-болотных гидроаккумулятивных почвах (С): 25 - еловый разнотравно-осоковый лес пойменно-долинных заболоченных территорий; Антропогенно-измененные: 26 - березовый смешанно-кустарниковый травяной лес с участием сосны пойменно-долинных заболоченных территорий (е) (С); Антропогенно-нарушенные: 27 - елово-березовый кустарниковый (ольха, ива) разнотравно-осоковый лес пойменно-долинных заболоченных территорий (е) (Н).

Подгорно-долинный геом лугово-болотных территорий. Класс гидроморфных фаций болот внутренних дельт с елыо кедром и лиственницей. Группа фаций подгорно-долинных территорий кустарничково-осоково-моховых болот на аллювиальных болотных почвах (М): 28 — кустарничково-осоково-моховые болота с елью, кедром и лиственницей в долинах ручьев. Класс субгидроморфных фаций лугов. Группа фаций предгорных территорий травяных лугов на дерново-луговых суглинистых почвах (К): 29 - разнотравно-злаковый луг на выположенных предгорных поверхностях; 30 - разнотравный луг на пологих придолинных склонах.

Горнотаежный геом темнохвойных лесов условий ограниченного развития. Класс субгидролитоморфных фаций вершин водоразделов. Группа фаций водоразделов и пологих привершинных склонов пихтово-кедровых с сосной и лиственницей кустарничково-травяно-зеленомошных лесов на дерново-лесных и дерново-подзолистых почвах (К): 31 - кедровый травяно-зеленомошный лес с елью, сосной и лиственницей на водоразделах и пологих склонах преимущественно северной экспозиции; 32 - пихтовый травяно-зеленомошный лес с примесью ели и кедра на водоразделах и пологих склонах преимущественно северной экспозиции; Антропогенно-нарушенные: 33 - кедровый тра-вяно-зеленомошиый лес с примесью сосны с вкраплениями кедрово-еловых с пихтой стагнирующих пятен на водоразделах и пологих склонах (д, ж) (С, Н); 34 - лиственнично-сосновый кустарниковый (багульник) разнотравный лес с кедром на водоразделах и пологих склонах (д) (Н); Антропогенно-измененные: 35 - сосново-лиственнично-березовый кустарниковый (ольха, рябина, багульник) травяной лес с кедром в подросте на выположенных водоразделах (Н); 36 -осиновый кустарниковый (ива, рябина, спирея) разнотравно-вейниковый лес с примесью сосны и березы на выположенных водоразделах (г, е) (А). Класс сублитоморфных склоновых фаций. Группа фаций пологих и средней крутизны склонов пихтово-кедровых разнотравно-зеленомошных лесов на дерново-лесных и дерново-подзолистых почвах (М): 37 - кедровый кустарничковый травяно-зеленомошный лес с лиственницей на склонах средней крутизны преимущественно северных экспозиций; 38 - кедровый мелкотравно-кустарничкоао-зеленомошный лес на пологих южных склонах; 39 - пихтовый разнотравно-зеленомошный лес с елью и кедром на склонах. Группа фаций крутых склонов темнохвойных разнотравных и зеленомошно-разнотравных лесов с лиственницей с редким подлеском на дерново-лесных каменистых и дерново-подзолистых маломощных почвах (С): 40 - кедровый мелкотравно-кустарничково-зеленомошный лес с лиственницей с баданом на крутых склонах преимущественно северных экспозиций; 41 - пихтовый травяно-зеленомошный лес на крутых склонах; Антропогенно-измененные: 42 - березовый травяной лес с сосной со мхом на крутых склонах (е) (А); 43 - березовый кустарниковый лес с сосной и лиственницей на крутых склонах (е) (Н). Класс субгидроморфных долинных фаций. Группа фаций долин, пойм рек и ручьев лиственнично-елово-кедровых травяно-зеленомошных лесов на дерново-подзолистых почвах (К): 44 - кедрово-еловый кустарниковый (смородина, ива, спирея) злаково-разнотравный лес с примесью березы с осокой и мхом в долинах, поймах рек и ручьев, на дренируемых днищах падей. Группа фаций широких заболоченных долин с разреженным древостоем на заболоченных гид-роаккуму дативных почвах (С): 45 - закустаренное кустарничково (багульник, голубика)-осоково-сфагновое болото; Антропогенно-измененные: 46 - березовый кустарниковый (ива) трав я но-ос оковы й заболоченный разреженный лес в долинах, в поймах рек и ручьев (е) (С).

Класс Байкало-Джугджурских горнотаежных геомов.

Горнотаежный геом лиственничных лесов оптимального развития. Класс субгидропитоморфных фаций вершин водоразделов. Группа фаций плоских и куполообразных поверхностей лиственничных зеленомошно-травяных лесов с примесью сосны на дериово-подзолистых и дерново-лесных почвах (К): 47 - лиственничный кустарничково-травяной лес на гребнях водоразделов; 43 - лиственничный травяно-брусничный лес с сосной на плоских поверхностях. Класс ксчролитоморфных склоновых фации. Группа фаций склонов преимущественно южных экспозиций со-сново-листаенничных травяных лесов с редким подлеском на дерново-лесных почвах (М): 49 - сосново-лиственничкый бруснично-травяной лес на пологих склонах и склонах средней крутизны.

На карте показано 2302 выдела, относящихся к 49 типам биогеоценозов и 4 типам антропогенно-трансформированных территорий: а - селитебные; б - промышленные (производства, свалки, карьеры); в - сельскохозяйственные; к - пирогенные (свежие гари). На основе карты и базы данных ГИС проведен геоинформационный анализ территории с созданием серии аналитических карт показателей, отражающих пространственную дискретную и непрерывную изменчивость геосистем (рис. 10).

Территория исследования (рис. 10а) представлена 5 геомами - местными вариациями таежно-зональной нормы - и отражает мозаичное распределение соответствующих ландшафтных инвариантов (коренных геосистем) и их серийных вариантов фаций (эпифацию геома). Антропогенная нарушенность геосистем (рис. 106) на территории исследования представлена 7-ю категориями: условно ненарушенные, слабо нарушенные, средне нарушенные, сильно нарушенные, разрушенные, разрушенные и искусственно преобразованные, полностью разрушенные, невосстановимые естественным путем. Карта потенциальной растительности (рис. Юв) демонстрирует восстановленные состояния фаций - коренные биогеоценозы. Преобладает горнотаежная растительность темнохвойных и светлохвойных лесов.

На территории Южного Предбайкалья выделяются геосистемы нескольких классов фаций (рис. Юг), относящихся к следующим факторально-динамическим рядам: субгидроморфный (по долинам рек, ручьев и межгорным и водосборным понижениям, на заболоченных участках), сублитоморфный (на склонах с близким залеганием горных пород), субгидролитоморфный (приводораздельные местоположения), субксеролито-морфный (склоны южных экспозиций с выходами горных пород). По степени серийности (рис. 10д) геосистемы подразделяются на коренные, расположенные на плакорах и приводораздельных поверхностях ландшафта, мнимокоренные, приуроченные к пологим склонам и склонам средней крутизны, и серийные, которые располагаются на крутых обрывистых склонах с выходами горных пород, а также в местоположениях с избыточным увлажнением (в долинах рек и ручьев, в межгорных впадинах и др.).

Территория Южного Предбайкалья подвержена значительному антропогенному воздействию, поэтому для нее характерно большое разнообразие геосистем, находящихся в различных динамических состояниях (рис. 10е). В районе с минимальным антропогенным воздействием (территория Прибайкальского национального парка) распространены геосистемы, находящиеся в коренном неизмененном состоянии с естественно сформировавшимися почвами и биоценозами, отвечающими местным природным режимам. На свежих вырубках и гарях распространены биогеоценозы, находящиеся в стадии активизации, причем на склонах с маломощными почвами и участках с избыточным увлажнением сначала появляется березовый молодняк или кустарниковые сообщества, а на плакорах и склонах малой крутизны с относительно мощным суглинистым покровом - осина. На речных террасах и выположенных поверхностях подтаежных и горнотаежных геосистем, где распространены легкие суглинки, стадия активи-

Геомная структура

Степень нарушенное™ геосистем

Потенциальная растительность

Серийность геосистем

Д е

Рис. 10. Пространственная вариация показателей изменчивости геосистем Южного Предбайкалья: а) Геомная структура: 1 - геом подгорных подтаежных территорий сосновых лесов; 2 - горнотаежный геом сосновых лесов; 3 - подгорно-долинный геом лугово-болотных территорий; 4 - горнотаежный геом

□ г т 3

03. Байкал

темнохвойных лесов условий ограниченного развития; 5 - горнотаежный геом лиственничных лесов оптимального развития.

б) Степень нарушенное™ геосистем: 1- условно ненарушенные; 2 - слабо нарушенные; 3 - средне нарушенные; 4 — сильно нарушенные; 5 - разрушенные; 6 - разрушенные и искусственно преобразованные; 7 - полностью разрушенные, невосстановимые естественным путем.

в) Потенциальная растительность: 1 - болотная; 2 - луговая; 3 - горнотаежная; 4 - подтаежная; 5 -степная.

г) Факторалыю-динамические ряды фаций: I - субгидроморфный; 2 - сублитоморфный; 3 - субгнд-ролитоморфный; 4 - субксеролитоморфный.

д) Серийность геосистем: 1 — коренная; 2 - мннмокоренная; 3 - серийная.

е) Динамические состояния геосистем: 0 - коренное состояние; 1 - активизация; 2 - стагнация; 3 -нормализация; 4 - стагнация и нормализация.

Антропогенно-трансформированные территории: а - селитебные территории; б - промышленная зона, свалки, карьеры; в - земли с/к назначения; к - свежие гари.

зации представлена возобновлением сосны. Наиболее распространены биогеоценозы в стадиях стагнации и нормализации. В районах хозяйственного воздействия формируется сложная пространственно-временная структура различных переменных состояний геосистем, как следствие влияния разных естественных и антропогенных факторов, например, на плакорах в горнотаежных геосистемах стадия стагнации представлена тремя видами сомкнутых биогеоценозов среднего возраста древостоя: темнохвойное мелколесье, тонкомерный сосновый лес, густой лиственный лес. Стадия нормализации представлена изреженными спелыми хвойными и лиственными древостоями с возобновлением коренных пород под пологом леса (стабилизирующая динамика).

На территории исследования широкое распространение получили устойчиво длительнопроизводные, или антропогенно-измененные биогеоценозы, которые в результате постоянного антропогенного воздействия не восстанавливаются до естественного коренного состояния. К таким биогеоценозам отнесены косимые луга в поймах и на террасах подтаежных геосистем, ослабленные техногенными выбросами и угнетаемые постоянными пожарами изреженные сосново-березовые леса на склонах разной экспозиции и др.

Геоинформационные карты современного состояния и изменчивости геосистем и математические модели позволяют перейти к созданию прогнозных карт динамики и эволюции ландшафтов разного масштаба.

4. Использование модели клеточного автомата позволяет разработать и реализовать алгоритмы геоинформационного анимационного картографирования для создания прогнозных карт изменчивости ландшафтной структуры территории на разных масштабных уровнях.

С использованием математических моделей и ГИС-технологий проведено исследование и прогнозное картографирование климатогенных изменений геосистем с разной степенью детальности [Фролов, Черкашин, 2007; Фролов, 2010; 2011].

Региональный уровень. Для прогнозирования климатогенных изменений геомной структуры территории Предбайкалья использовались кривые потенциалов существования геосистем (см. рис. 4а). Прогнозное картографирование проведено по следующему алгоритму: 1) на основе ГИС ландшафтной карты строятся частотные распределения Р,(г) площади геомов / по градиентам высоты г (см. рис. 4а); 2) выделяется характерная (модальная) высота геома 3) строится граф смежности геомов для территории Предбайкалья (см. рис. 3); 4) по графу и матрице смежности выделяется главный сосед геома, имеющий меньшую характерную высоту и в сторону которого будет направлена

Рис. 11. Модель возможных переходов геомов при потеплении климата а -степень соседства не ниже 1,3 %; б - от 1,2 % и ниже; в - геомы. Числа соответствуют номерам геомов (см, рис. 12).

смена геомов (состояний) при потеплении климата (рис. 11); 5) из множества возможных направлений переходов (см. рис. 11) выбираются те, что соседствуют в схеме легенды ландшафтно-типологической карты; 6) по кривым Р,(г) по формуле (4) для каждой пары соседних геомов рассчитывается разность потенциалов, что позволяет установить, в пользу какого геома происходят изменения на конкретной высоте г в новых условиях; 7) оценивается возможное изменение температурного фона (ЛГ= 3°С) и связанного с ним изменение положения вертикальных границ Аг0~АТ/Аг= 518 м, где Лт=-0,58°С/100 м - региональный высотный градиент температуры на высотах 1-2 км; 8) на основе наиболее изменчивых в регионе высокогорных гольцовых геосистем рассчитывается

трансформационный коэффициент

&=(г0+Дго)/го= 1,288, где в качестве г0 используется характерная высота гольцовых альпинотипных геосистем (геом 1); 9) с использованием трансформационного коэффициента определяется измененное потеплением значение характерной высоты каждого геома 10) по

формуле (4) при АРи(г) = 0 на графике разности потенциалов (рис. 46) находится критическое значение г]2 для каждой пары (1 и 2) соседних геомов; 11) в том случае, если >г{2 (ожидаемое значение превышает критическое), осуществляется смена геомов 1—>2, в противном случае геосистема сохраняет прежнее состояние 1—>1; 12) составляется схема возможных переходов, в соответствие с которой в базе данных ГИС изменяется код геома для каждой ячейки (выдела); 13) в ГИС автоматически создается прогнозная карта вероятных изменений ландшафтной структуры территории при возможном повышении температурного фона (рис. 12).

Проведенный геоинформационный анализ показывает, что при потеплении климата смена геомов будет преимущественно идти в следующих направлениях: 1) гольцовые —> подгольцовые -» горнотаежные редуцированного —> горнотаежные ограниченного —> горнотаежные оптимального развития (для макросклонов горнотаежных областей с выраженной высотной поясностью); 2) подгорные, межгорных понижений и долин редуцированного —► подгорные, межгорных понижений и долин ограниченного —> подгорные, межгорных понижений и долин оптимального развития (для подгорных и межгорных понижений горнотаежных областей); 3) северотаежные —> среднетаежные —> южнотаежные —» подтаежные (для равнин и плато среднесибирской физико-географической области (подкласс равнинно-плоскогорных среднесибирских геомов)).

Локальный уровень прогнозирования. Геоинформационное картографирование и моделирование изменений состояния выделов групп фаций с использованием КА проводилось на примере северных макросклонов хр. Хамар-Дабан на основе уравнения (2). Начальное состояние клетки-контура ландшафтной карты определялось по абсолютной высоте г1 конкретного выдела, так что колебание климатического фона выражается

Рис. 12. Исходная (а) и прогнозируемая (б) геомная структура территории Предбайкалья. Контуры - границы групп фаций.

Ссвероазиатские гольцовые и таежные геосистемы. А1. Гольцовые (горио-тундровые) и подгольцовые Байка-ло-Джугджурские и Восточно-Саянские: 1 - гольцовые альпинотипные; 2 - гольцовые тундровые; 3 - подгольцовые кустарниковые; 4 - подгольцовые лиственнично-редколесные и каменноберезовые; 5 - подгольцовые темнохвойно-) редколесные. А2. Горнотаежные Байкало-Джугджурские: 6 горнотаежные лиственничные редуцированного развития; 7 - межгорных понижений и долин таежные лиственничные редуцированного развития; 8 - межгорных пониже-I ний и долин таежные темнохвойные редуцированного развития; 9 - горнотаежные лиственничные ограниченного раз, вития; 10 - меж горных понижений и долин таежные лиственничные ограниченного развития; 11 - горнотаежные ли-I ственничные оптимального развития; 12 - подгорные и межгорных понижений лиственнично-таежные оптимального развития; 13 - подгорные подтаежные лиственничные. АЗ .Горнотаежные южносибирские: 14 - горнотаежные тем-I нохвойные редуцированного развития; 15 - горнотаежные темнохвойные ограниченного развития; 16 - подгорные и

межгорных понижений таежные темнохвойные ограниченного развития; 17 - подгорные и межгорных понижений таежные кедрово-лиственничные ограниченного развития; 18 - горнотаежные темнохвойные оптимального развития; 19 - подгорные и межгорных понижений таежные темнохвойные оптимального развития; 20 - горнотаежные сосновые; 21 - подгорные подтаежные сосновые. А5. Равнинно-плоскогорные среднесибирские-. 26 - северотаежные лиственничные на равнинах; 27 - среднетаежные лиственничные останцово-денудационных плато и возвышенностей; 28 -среднетаежные лиственничные на равнинах 29 - южнотаежные темнохвойные возвышенностей; 30 - южнотаежные темнохвойные на равнинах; 31 - сосновые боровые равнин и долин олиготрофно-ксеро-мезофитного режима; 32 -подтаежные (на приподнятых равнинах и плато) лиственничные и сосновые. Североазиатскис степные геосистемы. 33 - североазиатские степные подгорных равнин лугово-степные разнотравно-крупнозлаковые и подчиненные им степи (Канская островная степь и Ангарская «лесостепь»), Центральноазиатские степные геосистемы. 34 - центральноа-зиатские степные горные забайкальские даурского типа; 35 - горные западнозабайкальские днищ котловин (подгорные); 36 - центральноазиатские степные высоких равнин и денудационных останцов Онон-Аргунскис гемикриофиль-ные высоких денудационных поверхностей травяно-степныс пижмовые; 37 - центральноазиатские степные высоких равнин и денудационных останцов Онон-Аргунские гемикриофильные плакорные разнотравно-тырсовыс.

в изменении этой величины до уровня, свойственного качественно другим состояниям. Учитывалось только взаимодействие смежных геосистем а неконтролируемое

влияние на входах клеток игнорировалось (Ьу= 0). Реализуется следующий алгоритм геоинформационного моделирования изменения состояния выделов: 1) в ГИС при совмещении контуров ландшафтной карты и цифровой карты рельефа определяются высотные характеристики выделов - средняя высота каждого контура и модальное значение распределения площади геосистем 1-й группы фаций в регионе 20/ по высоте местоположения г; 2) по формуле а^а,=1/х1 рассчитывается коэффициент влияния, отражающий процесс саморегуляции геосистемы /-го типа, где т,- - характерное время самовосстановления, значение которого определяется по скорости смещения высоты положения снеговой линии Д/г/Д/ относительно ее современного уровня (для хр. Хамар-Дабан - /7=1630 м, примерно АЬ = 650 м за Ы= 1,5 тыс. лет, или г = М//Л/?=3761 лет);

21

3) по формуле ) рассчитывается коэффициент взаимодействия ар, где 5,-, ^

- площади взаимодействующих картографируемых выделов ] и ¿, Ру, - доля длины общей границы у и / относительно общей протяженности границы выдела ¡' (Р„=1); 4) оценивается влияние внешнего фона территориальной системы ^¿=Дй/Дг=0,43 м/год, что при региональном температурном высотном градиенте ДГ=0,6°С /100 м соответствует Г потеплению на 0,26°С за сто лет; 5) по полученным коэффициентам уравнения (2) рас- 1 считываются значения изменений состояния геосистем Аг,- для каждого контура и соз- ' даются прогнозные карты тенденций возможных изменений ландшафтной структуры I при разной скорости роста регионального и глобального температурного фона.

Расчеты показывают (рис. 13), что каждый геосистемный выдел индивидуально реагирует на окружение и фоновое влияние. Гольцовые и подгольцовые геосистемы уступают место таежным. Различие скорости изменения состояний от местоположения наглядно прослеживается на выделах ареала склоновых альпинотипных геосистем (контуры 1, 11, 16, 18). Отмечается существенное отрицательное влияние на результаты расчета площади этих выделов (Дг,- = -0,00285/+1,026, Д=-0,99). Отсюда следует существование критической площади 5,кр=366,4 км2, при которой наблюдается динамическое равновесие Дг, =0. Влияние текущего состояния геосистем на изменение состояния менее значимо (Дг, = -0,00044г,-+1,487, Л=-0,73,2,^=3380 м).

Рис. 13. Эволюционная карта тенденций изменения состояния контуров (Аг,-, м/год) групп фаций участка северного макросклона хр. Хамар-Дабан при потеплении климата на 0,5°С.

!Щ 0,6-0.72

|_| 0,73-0,81

I 10.82-0.89

'I '| от СЗ и 5сле%

Клеточный автомат как математико-картографическая модель эволюции ландшафтов методически оправдывает себя, отображая пространственное распределение и связи контуров друг с другом и с изменениями климатического фона. Это инструмент для анализа локальных особенностей взаимодействия геосистем, корректировки параметров модели с учетом провинциальных особенностей. Такой подход позволяет перейти к эволюционному картографированию, когда карта-геоизображение заменяется клеточным автоматом, моделирующим природные взаимосвязи. Клеточная модель дает возможность формализовать дискретное геоизображение, рассматривая его как объект математических преобразований при переходе от карты к карте.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Изменчивость - сложное свойство географических систем, отражающее многообразие видов пространственно-временных преобразований состояния геосистем. Она проявляется как в дискретных (со сменой инварианта), так и в непрерывных (без смены инварианта) пространственно-временных изменениях, что определяет использование графов и клеточных автоматов (КА) в качестве моделей для исследования пространственно-временной изменчивости геосистем.

2. Высота как фактор и показатель в модели КА для территории Предбайкалья должна рассматриваться в пяти аспектах: 1) абсолютная высота местоположения гео-

системы; 2) фактор, определяющий условия воздействия среды; 3) видовая характеристика геомера; 4) текущее состояние геосистем определенного геомера в разных местоположениях; 5) показатель серийности геосистем ландшафтного уровня.

3. Частотные распределения площадей геомеров по градиентам высоты отражают потенциалы существования геосистем. Разность потенциалов показывает конкурентные отношения между взаимодействующими геомерами, что в сочетании с графами соседства геомеров и моделями КА используется при прогнозировании климатогенных изменений таксономической позиции геосистем.

4. С использованием метода главных компонент показано, что относительная высота в субрегиональной геосистеме (геом или ландшафт) является показателем серийности топогеосистем, отражающим не только частные географические признаки, но некоторую систему сопряжения участков ландшафта и силу пространственных и типологических связей, отклоняющую конкретные фации от зональной нормы.

5. Исследование естественных и антропогенных факторов изменчивости геосистем, геоинформационный анализ структуры биогеоценозов территории Южного Пред-байкалья выявили значительную степень пространственно-временной дискретной и непрерывной изменчивости топогеосистем, выраженной в существовании сложной территориальной структуры переменных состояний фаций, обусловленной комплексным воздействием разных антропогенных и естественных (влияние условий местоположения биогеоценозов) факторов.

6. На основе температурного градиента высоты с использованием моделей КА и графов в ГИС-среде показан пример реализации созданных алгоритмов прогнозирования климатогенных изменений геомеров на региональном (геом) и локальном (группа фаций) уровне. При ожидаемых климатических изменениях в структуре ландшафтов Предбайкалья возможно закономерное замещение неустойчивых даже в современных условиях гольцовых геосистем на подгольцовые. На Лено-Ангарском плато и в горах Восточного Саяна при потеплении климата вероятно ожидать смену фаций горнотаежных темнохвойных геомов ограниченного развития и лиственничных геомов оптимального развития на фации горнотаежных темнохвойных геомов оптимального развития.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК:"

1. Фролов A.A., Черкашин А.К. Эволюционное геоинформационное моделирование и картографирование // Геодезия и картография. - 2009. — № 6. - С. 40 - 45.

2. Фролов A.A. Прогнозное картографирование изменений ландшафтной структуры Прибайкалья при потеплении климата // Геодезия и картография.-2010. - № 9. -С. 27 - 32.

3. Фролов A.A. Принципы прогнозирования геомной структуры Предбайкалья при изменении климата// География и природ, ресурсы. - 2011, — № 3. - С. 133 - 141.

Разделы в монографиях:

1. Фролов A.A. Гомология в моделировании эволюции геосистем / Гомология и гомотопия географических систем. - Новосибирск: Изд-во ГЕО, 2009. - С. 250 - 260.

Материалы конференций:

1. Фролов A.A. Применение экономических механизмов охраны окружающей среды и выявление путей их совершенствования (на примере Шелеховского района) // Материалы VIII научной конференции по тематической картографии «Геоинформаци-

онное картографирование для сбалансированного территориального развития». Том II. - Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2006. - С. 200 - 203.

2. Фролов A.A., Черкашин А.К. Клеточные автоматы - модели эволюционного картографирования ландшафтов юга Восточной Сибири // Информационные и математические технологии в науке и управлении. Часть I.-Иркутск: ИСЭ СО РАН, 2007.-С. 23-239.

3. Фролов A.A., Черкашин А.К. Эволюционное картографирование изменчивости геосистем Предбайкалья // Устойчивое развитие территории: теория ГИС и практический опыт. Том II. - Ханты-Мансийск: Полиграфист, 2007. - С. 177 - 184.

4. Фролов A.A., Черкашин А.К. Эволюционное картографирование изменчивости ландшафтов Юга Восточной Сибири И XIII научное совещание географов Сибири и Дальнего Востока. Том II. - Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2007. — С. 134 — 135.

5. Фролов A.A. Биогеоценозы зоны влияния промышленных предприятий и моделирование механизмов адаптации комплексов адвентивных растений и животных к городскому окружению // Материалы Всероссийской конференции с международным участием «Синантропизация растений и животных». - Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2007. - С. 43 - 46.

6. Фролов A.A. Моделирование локального взаимодействия геосистем с использованием клеточного автомата // Системы географических знаний. - Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2008. - С. 103 - 104.

7. Фролов A.A. Прогнозирование изменений ландшафтной структуры Предбайкалья при потеплении климата // Динамика геосистем и оптимизация природопользования. - Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2010. - С. 221 - 224.

8. Фролов A.A. Влияние предприятий Шелеховского промышленного узла на лесные биогеоценозы // Природа и общество: взгляд из прошлого в будущее. - Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2011. - С. 176 - 178.

9. Фролов A.A. Методологические принципы прогнозирования геомной структуры территории Предбайкалья при климатических изменениях // Природа и общество: взгляд из прошлого в будущее. - Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2011. - С. 56-57.

10. Фролов A.A. Абсолютная высота - комплексный фактор изменчивости ландшафтов // Материалы XIV Совещания географов Сибири и Дальнего Востока. - Владивосток: Дальнаука, 2011. - С.274 - 276.

11. Фролов A.A., Черкашин А.К. Высотный индикатор склоновой микрозональности при исследовании изменчивости геосистем // Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной 100-летию со дня рождения доктора географических наук, профессора JI.H. Ивановского. - Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2011. - С. 203 - 204.

Подписано к печати 16.11.2011 г. Формат 60*84/16. Объем 1,4 п л. Тираж 120 экз. Заказ № 533. Издательство Инсппута географии им. В.Б. Сочавы СО РАН. 664033 г. Иркутск, ул. Улан-Баторская, I.

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Фролов, Александр Андреевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЧИВОСТИ КАК СЛОЖНОГО СВОЙСТВА ГЕОГРАФИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

1.1. Понятие «изменчивость» в науке.

1.2. Понятие изменчивости в географии.

1.3. Динамика и эволюция геосистем.

1.4. Полисистемная интерпретация изменчивости геосистем.

1.5. Математические модели изменения ландшафтов.

1.6. Методология исследования изменчивости геосистем.

1.6.1. Методы ландшафтно-экологического прогнозирования.

1.6.2. Применение моделей клеточных автоматов для исследования изменчивости геосистем.

1.6.2.1. Клеточные автоматы - дискретные динамические системы.

1.6.2.2. Исследование трансформации геосистем с использованием клеточных автоматов.

ГЛАВА 2. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ И АНТРОПОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ ИЗМЕНЧИВОСТИ ЛАНДШАФТОВ

ПРЕДБАЙКАЛЬЯ.

2.1. Краткий палеогеографический аспект формирования ландшафтной структуры Предбайкалья.

2.2. Физико-географические особенности Предбайкалья.

2.2.1. Географическое положение.

2.2.2. Геологическое строение и рельеф.

2.2.3. Климатические особенности территории.

2.2.4. Природные воды.

2.2.5. Почвенные покров.

2.2.6. Растительность.

2.2.7. Ландшафтная структура Предбайкалья.

2.2.8. Физико-географические условия развития ландшафтов Южного Предбайкалья на ключевом участке.

2.3. Характер антропогенной нагрузки на территории исследования.

2.3.1. Влияние хозяйственной деятельности на ландшафты Предбайкалья в прошлом.

2.3.2. Характер антропогенного влияния на ландшафты в настоящее время.

2.4. Изменение климата как фактор изменчивости ландшафтов.

2.4.1. Глобальное изменение климата.

2.4.2. Изменение климата в Предбайкалье.

ГЛАВА 3. ПЕРЕМЕННЫЕ СОСТОЯНИЯ ГЕОСИСТЕМ ЮЖНОГО ПРЕДБАЙКАЛЬЯ.

3.1. Общая характеристика используемой информации.

3.2. Методика наземных исследований и обработки результатов.

3.3. Переменные состояния геосистем территории исследования.

3.3.1. Смена породного и возрастного состава древостоя таежных геосистем.

3.3.2. Антропогенная динамика геосистем.-.-.-.923.3.3. Синантропизация биогеоценозов.

3.3.4. Анализ переменных состояний геосистем территории Южного Предбайкалья.

ГЛАВА 4. АБСОЛЮТНАЯ И ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ВЫСОТЫ КАК ФАКТОРЫ (ПОКАЗАТЕЛИ) ИЗМЕНЧИВОСТИ

ЛАНДШАФТОВ.

4.1. Абсолютная высота как фактор изменчивости геосистем.

4.2. Относительная высота - фактор формирования микрозональности ландшафтов и серийности геосистем.

4.2.1. Связь относительной высоты с микрозональностью и серийностью геосистем.

4.2.2. Таежные ландшафты Предбайкалья как объект исследования.

4.2.3. Количественный анализ данных.

4.2.4. Результаты исследования.

ГЛАВА 5. ПРОГНОЗНОЕ ЭВОЛЮЦИОННО-ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И КАРТОГРАФИРОВАНИЕ

ЛАНДШАФТОВ.

5.1. Прогнозное эволюционное картографирование ландшафтов.

5.2. Прогнозные исследования климатогенных изменений геомной структуры территории Предбайкалья.

5.2.1. Пространственное соседство геомов.

5.2.2. Высотные характеристики геомов.

5.2.3. Анализ классификации геомов.

5.2.4. Геоинформационная технология прогнозирования.

5.3. Моделирование изменений геосистем локального уровня с использованием моделей клеточных автоматов.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геоинформационный анализ и прогнозирование изменчивости ландшафтов Предбайкалья"

Изменчивость — одно из важнейших сложных свойств географических систем, обусловленное воздействием на них разнообразных внутренних и внешних, естественных и антропогенных факторов [Коновалова, 2004]. Антропогенные воздействия и природные явления катастрофического характера обычно отрицательно сказываются на потенциале природных систем, поэтому анализ и прогноз разного рода изменений становится основой для разработки и реализации мероприятий по минимизации негативных последствий.

Актуальность работы обусловлена необходимостью исследования изменений в окружающей среде, вызванных как естественными, так и антропогенными факторами, нередко несущими негативные последствия для ландшафтов. По этой причине назревает потребность в разработке методов I и алгоритмов прогнозного эволюционно-динамического геоинформационного моделирования и картографирования, а также прогнозирования возможных изменений в ландшафтах под влиянием естественных и антропогенных факторов с целью рационализации природопользования и охраны окружающей среды.

Основная цель работы — провести анализ состояния геосистем и его изменения под влиянием естественных и антропогенных факторов на освоенной территории Предбайкалья (южная часть Иркутской области). На основе ландшафтной карты юга Восточной Сибири [1977], материалов дистанционного зондирования, стационарных, маршрутных и теоретических исследований выявить закономерности пространственной и временной изменчивости геосистем, создать карту естественных и антропогенных трансформаций геосистем исследуемой территории, а также алгоритмы геоинформационного прогнозного моделирования и картографирования изменения ландшафтной структуры территории для решения прикладных задач.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) проанализировать существующие модели и методы изучения динамики и эволюции геосистем и построить модели для территории Южного Предбайкалья в терминах клеточных автоматов;

2) выделить естественные и антропогенные факторы изменчивости ландшафтов на территории исследования;

3) обосновать использование показателя абсолютной и относительной высоты в качестве характеристики состояния геосистем;

4) на основе материалов натурных исследований разработать ландшафтную ГИС исследуемого района с уточнением по космическим снимкам границ геосистемных выделов до уровня переменных состояний фаций (биогеоценозов);

5) провести полевую заверку результатов дешифрирования космических снимков с маршрутным описанием выделов и созданием базы данных выделов ландшафтной ГИС;

6) создать серию аналитических карт показателей изменчивости геосистем;

7) разработать алгоритмы эволюционного геоинформационного моделирования и картографирования для создания прогнозных карт изменений геосистем;

8) осуществить количественную и качественную идентификацию модели сети клеточных автоматов на основе ГИС и провести прогнозные расчеты изменения состояния геосистем.

Технология решения задач заключается в реализации нескольких этапов геоинформационного анализа — сбор, предварительная обработка и статистический анализ данных, формулировка и проверка гипотез, моделирование, идентификация моделей, верификация, прогноз, анализ результатов прогнозирования.

Объекты исследований — естественные и преобразованные ланд-шафтыПредбайкалья.

Предмет исследования — пространственно-временная изменчивость геосистем.

Исходными материалами послужили разносезонные космические снимки различного пространственного и спектрального разрешения, электронная топографическая основа и цифровая модель рельефа М 1:200000, карта «Ландшафты Юга Восточной Сибири» М 1:1500000 [1977], карта «Ландшафты Верхнего Приангарья» М 1:500000 [2004], тематические карты различного содержания и литературные источники, а также материалы полевых исследований горнотаежных и подтаежных ландшафтов территории Южного Предбайкалья в 2007-2010 гг.

Методы исследования. В процессе работы использованы методы комплексных физико-географических полевых исследований, методы оценивания нарушенности геосистем, математического и геоинформационного моделирования и картографирования, визуального и автоматизированного дешифрирования космических снимков, статистические методы.

Теоретической основой работы является учение о геосистемах В.Б. Сочавы. Анализ изменчивости геосистем основывается на идеях, освещенных в работах Ф.Н. Милькова, A.A. Крауклиса, В.В. Рюмина, В.М. Плюс-нина, Д.И. Назимовой, Т.И. Коноваловой, Э.Г. Коломыца, Л.В. Данько. В работе использованы принципы моделирования геосистем А.К.Черкашина.

Научная новизна.

- впервые статистически обосновано значение показателя относительной высоты местоположения как фактора состояния и индикатора изменчивости природного режима геосистем относительно геосистем ланд-шафтно-зональной нормы;

- выделено пять разных аспектов интерпретации высоты, которые положены в основу моделирования, прогнозирования и картографирования климатогенных изменений геосистем разных размерностей;

- построена и реализована модель ландшафтной структуры как нерегулярная сеть клеточных автоматов, контуры и клетки которых характеризуются высотным положением ландшафтных выделов и локально связаны друг с другом на фоне постоянного воздействия и направленного изменения климата;

- сформулированы гипотезы последовательности эволюционной смены геосистем, которые используются как правила работы модели клеточного автомата, на основе которой создан алгоритм геоинформационного моделирования и прогнозирования климатогенных изменений геосистем территории исследования.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, содержащихся в диссертационном исследовании, обеспечиваются корректным использованием математических и статистических методов, геоинформационных технологий, картографических материалов и пространственных данных ДЗЗ для территории Предбайкалья, а также подтверждается результатами стационарных и маршрутных исследований с их привязкой с помощью СРБ-приемника к электронной топооснове и космическим снимкам.

Положения защиты.

1. Пространственно-временная многолетняя изменчивость геосистем одновременно проявляется в дискретных и непрерывных, сукцессионных, естественных и антропогенных, эволюционных и динамических преобразованиях и оценивается по интенсивности и направленности динамических процессов, что определяет выбор сетей клеточных автоматов в качестве модели трансформации ландшафтов для осуществления прогноза изменения состояния геосистем.

2. Абсолютная и относительная высоты — это показатели, в разных аспектах характеризующие воздействие факторов среды, местоположение геосистемы, ее инвариант, серийность и текущее изменение под влиянием разнообразных факторов, что позволяет оценивать конкурентные качества (характер и направление изменчивости) геосистем на фоне климатических изменений.

3. Естественные и антропогенно-нарушенные горнотаежные и подтаежные ландшафты Южного Предбайкалья характеризуются большим разнообразием переменных состояний фаций со сложной структурой динамических переходов и пространственного соседства, что обусловлено совместным влиянием разных естественных (местоположение) и антропогенных факторов.

4. Использование модели клеточного автомата позволяет разработать и реализовать алгоритмы геоинформационного анимационного картографирования для создания прогнозных карт изменчивости ландшафтной структуры территории на разных масштабных уровнях.

Практическая значимость исследований состоит в разработке алгоритмов и методов прогнозного эволюционно-динамического геоинформационного моделирования и картографирования ландшафтов с целью составления прогнозов изменения ландшафтной структуры при естественных и антропогенных воздействиях. Создана карта-схема «Геосистемы Южного Предбайкалья, их естественные варианты и антропогенные модификации» для геоинформационного анализа изменчивости геосистем и принятия решений в области рационального природопользования на уровне муниципальных образований.

Личный вклад автора. Автором проанализированы факторы изменчивости геосистем, изучены степень и характер антропогенных трансформаций геосистем, построена карта-схема «Геосистемы Южного Предбайкалья, их естественные варианты и антропогенные модификации», а также проведены анализ высотного распределения, пространственно-временного соседства геосистем и прогнозирование климатогенных изменений ландшафтной структуры территории Предбайкалья.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты исследований обсуждались на: VIII научной конференции с международным участием по тематической картографии «Геоинформационное картографирование для сбалансированного территориального развития» (Иркутск, ноябрь, 2006); Всероссийской научной конференции с международным участием «Синантропизация растений и животных» (Иркутск, май, 2007); Конференции ИНТЕРКАРТО «Устойчивое развитие территории: теория ГИС и практический опыт (Нижневартовск, 2007); XII Байкальской Всероссийской конференции с международным участием «Информационные и математические технологии в науке и управлении» (Иркутск, июль,

2007); XIII научном совещании географов Сибири и Дальнего Востока (Иркутск, ноябрь, 2007); IV Всероссийской научно-методической конференции на тему "Системы географических знаний" (Иркутск, ноябрь,

2008); Научно-практической конференции «Стратегия развития лесного комплекса Иркутской области» (Иркутск, июнь, 2010); Международной научной конференции «Динамика геосистем и оптимизация природопользования» (Иркутск, июнь, 2010); XVII конференции молодых географов Сибири и Дальнего Востока с элементами научной школы «Природа и общество: взгляд из прошлого в будущее» (Иркутск, апрель, 2011); XIV Совещании географов Сибири и Дальнего Востока (Владивосток, сентябрь, 2011); Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной 100-летию со дня рождения доктора географических наук, профессора Л.Н. Ивановского (Иркутск, октябрь, 2011 г.).

Автором опубликовано 16 научных работ, в том числе три статьи* в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, а также материалы вошли в содержание коллективной монографии.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и трех приложений. Она имеет общий объем 182 страницы, содержит 48 рисунков, 6 таблиц. Список используемой литературы включает 194 источника.

Заключение Диссертация по теме "Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов", Фролов, Александр Андреевич

4.2.4. Результаты исследования

Склоновая микрозональность рассматривается в качестве одной из основных закономерностей пространственной дифференциации в географии, проявляющей и определяющей разнообразие свойств компонентов геосистем — минерального субстрата, водных масс, почвы, растительности [Мильков, 1990]. По этой причине в ходе продолжающихся отраслевых исследований ландшафтов полученные результаты, прежде всего, объясняются гипсометрическими уровнями положения изучаемых объектов в рельефе, их топогенной определенностью [Шамшаева и др., 2000; Каллас, 2002; Русанов, Милякова, 2005; Русанов, Коваль, 2006; Бондарь, 2007]. Это важное основание для сравнительно-географического анализа участков территорий и объяснения своеобразия их покомпонентных признаков.

В работе А.А.Крауклиса и В.Н.Евдокимовой [1975] методами корреляционного анализа и выделения главных компонент сравниваются отдельно ряды географических признаков и ряды биогеоценозов. Полученные результаты позволяют типизировать по корреляционному сходству признаки и БГЦ. Однако авторы не были удовлетворены результатами статистического анализа в силу недостаточного варьирования значений выбранных признаков и слабой контрастности местных условий, что выразилось в демонстрации главной закономерности изменения БГЦ от водоразделов к долине, т.е. в зависимости от изменения формы местного рельефа и относительной высоты его поверхности. Для преодоления этого недостатка потребовалось совместить материалы стационарных исследований со специальными работами на обширных ключевых участках, усовершенствовав список учитываемых признаков и методы их предварительной обработки.

Проведенный статистический анализ показывает, что даже без учета высоты и явно коррелированных с ней ландшафтных признаков степень корреляционного подобия конкретных БГЦ биогеоценозам коренных фаций изменяется с относительной высотой местоположения. Это значит, что высотный градиент в субрегиональной геосистеме (геоме или ландшафте) отражает не только собственно географические признаки, а выражает некоторую систему сопряжения участков ландшафта и силу пространственных и типологических связей, отклоняющую конкретные фации от зональной нормы. Это показатель серийности, связанный с ландшафтным микрозонированием [Исаченко, 1967]. Поскольку серийность развертывается по факторальным рядам фаций, соответствующим классам фаций, то локальной типологической системой проявления градиента высоты является геом, объединяющий фации разных классов (рядов). За границами геома и соответствующего ему ландшафта прослеживается уже высотная поясность. В приангарской тайге перепады высот незначительны и геомно-фациальная структура изменяется только в горизонтальных направлениях, тогда как в Южном Предбайкалье с глубоко расчлененным рельефом прослеживается вертикальная дифференциация, градиент которой равен 130150 м. Это значение примерно соответствует температурному градиенту 1°С, что можно считать амплитудой устойчивости геосистем уровня геома при анализе пространственных последовательностей и прогнозировании изменений природных режимов при изменении климата.

Предложенный А.А.Крауклисом и В.Н.Евдокимовой [1975] метод сравнения БГЦ по всей совокупности нормированных признаков весьма эффективен, если высоту считать фактором, идентифицирующим сходство коренных и факторно-измененных геосистем, а значит — индексом, отражающим отличие набора ландшафтных признаков конкретной геосистемы от признаков коренной геосистемы в геоме. В приангарской тайге выделяется две группы серийности и соответствующих микрозон -приводораздельная и придолинная, соответственно объединяющие коренные и полукоренные, серийные и полусерийные фации. На территории Олхинского плато прослеживается третья самостоятельная склоновая микрозона группы мнимокоренных фаций.

Итак, явление серийности геосистем имеет смысл рассматривать с позиций степени их функционального подобия коренным геосистемам и друг другу в пределах ареала соответствующего геома. Тогда система участков (БГЦ) ландшафта становится геокомплексом, выразителем которого является функциональная зависимость набора признаков БГЦ и относительная высота местоположения, лежащая в основе сходства и различия геосистем и отражающая их разные связи с помощью комплексных показателей — главных компонент, коэффициентов корреляции и регрессии, которые рассчитываются по этим наборам признаков.

Высота как фактор и показатель в моделях расчета изменчивости геосистем для территории Предбайкалья должна рассматриваться в пяти аспектах: 1) абсолютная высота местоположения геосистемы; 2) фактор, определяющий условия воздействия среды; 3) видовая характеристика геомера; 4) текущее состояние геосистем определенного геомера в разных местоположениях; 5) показатель серийности геосистем ландшафтного уровня.

Первый аспект характеризует фиксированное рельефом высотное положение конкретной геосистемы, поэтому изменчивость геосистем определяется пространственно-временными трансформациями рельефа. Во втором факторном смысле с градиентами высоты связаны значения и амплитуды колебания климатических условий и высотная дифференциация ландшафтов. Третий выражается в особенностях высотного распределения геомера в современный период. Данный показатель при климатогенных трансформациях остается постоянным, а изменяется только при эволюции самого геомера, происходящей на фоне биологической эволюции. Четвертый аспект определяется переменной характеристикой локального комплекса условий среды, варьирующей под влиянием фоновых климатических факторов, что выражается в климатогенных смещениях ландшафтных границ. Пятый характеризует отклонение состояния конкретной топогеосистемы от геосистем ландшафтной нормы.

С использованием метода главных компонент показано, что относительная высота в субрегиональной геосистеме (геом или ландшафт) является показателем серийности топогеосистем, отражающим не только частные географические признаки, но некоторую систему сопряжения участков ландшафта и силу пространственных и типологических связей, отклоняющую конкретные фации от зональной нормы.

ГЛАВА 5

ПРОГНОЗНОЕ ЭВОЛЮЦИОННО-ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И КАРТОГРАФИРОВАНИЕ ЛАНДШАФТОВ

Изменения в ландшафтах могут нести как положительные, так и отрицательные последствия для потенциала геосистем. Например, существенное изменение глобального климатического фона неизбежно повлечет за собой перестройку структуры и функционирования региональных и местных природных систем, со смещением природных режимов в благоприятную или неблагоприятную сторону с позиций их хозяйственного использования и охраны. Ожидаемые изменения требуют заблаговременной оценки последствий в разных аспектах, что, в свою очередь, предполагает подготовку долгосрочного прогноза ожидаемых изменений и оценку возможного ущерба или выгоды для экономического или экологического воспроизводства географической среды.

В главе 4 показана роль абсолютной высоты как ландшафтообра-зующего фактора, определяющего различные формы изменчивости геосистем. Здесь используем этот показатель в целях прогнозирования клима-тогенных изменений геосистем на территории Предбайкалья.

5.1. Прогнозное эволюционное картографирование ландшафтов

Прогноз ожидаемых изменений состояния географических систем обсуждается в основном в связи с перемещением зональных границ или природных рубежей в структуре высотной поясности. На локальном уровне, на местности такие изменения проявляются в виде наступления леса на тундру, продвижения верхней границы леса в горах, в преобразовании характера возобновления растительного покрова. Естественно предположить, что аналогичные процессы в скрытой (латентной) форме происходят в каждой географической фации, и их необходимо заранее предвидеть. Для этого требуется рассматривать географические системы разного масштаба в иерархическом взаимодействии, сквозным образом от локального до глобального уровня. Необходимо также учесть общие закономерности изменений и их региональную специфику. Только в этом случае имеет смысл говорить о возможности прогнозного картографирования, т.е. создании прогнозных карт изменений элементов географической оболочки Земли.

Для учета закономерностей изменения состояния геосистем необходимо ввести некоторые гипотетические предположения, которые закладываются в прогнозные модели: 1) изменения частных характеристик геосистемы первичны по отношению к преобразованию ее инварианта (надпоро-говые изменения характеристик приводят к изменению инварианта); 2) характеристики инварианта геосистемы определяют изменение характеристик ее компонентов (изменяется природный режим, а затем в новых условиях меняются частные параметры); 3) преобразование инварианта геосистемы верхнего уровня первично по отношению к преобразованию инвариантов нижнего уровня (изменение зональных условий приводит к изменению зональной нормы всех подчиненных ландшафтов); 4) последовательность смены состояний геосистемы однозначно определяется типом (классификационной позицией) геосистемы; 5) при климатической эволюции геосистем сохраняется их геолого-геоморфологическая основа (рельеф и породный состав сохраняется на временном интервале прогнозирования);

6) географическое положение (пространственное соседство) отражается во временной последовательности смены состояний.

Построение прогнозных карт ожидаемых изменений в ландшафтах реализуется методами эволюционного картографирования. В эволюционном картографировании выделяется два основных способа преобразования карт: 1) когда преобразуется лишь типологическое содержание каждого контура без искажения сетки ландшафтных границ, что проявляется, в частности, в результате колебаний характеристик зонального и глобального фона; 2) когда варьируют границы геосистем в результате эндо- и экзогенной трансформации рельефа, видоизменения коренных пород и почв, появления или исчезновения географических барьеров и др. В обоих случаях обычно происходит изменение типологического, а, следовательно, и классификационного содержания ландшафтных выделов, т.е. образ объекта перемещается в системе классификации геосистем и в легенде карты на одну или несколько позиций. Нами использовался первый способ эволюционного картографирования ожидаемых изменений на фоне колебаний климатических характеристик [Фролов, Черкашин, 20076, 2007в 2009; Фролов, 2008, Фролов, 2009].

Процессы преобразования геосистем можно исследовать и картографировать с разной степенью детальности.

1. Исследование возможных изменений в геомной структуре территории при колебании климатического фона.

2. Проведение геоинформационно-картографического анализа изменений геосистем с учетом их локального окружения и латерального взаимодействия.

5.2. Прогнозные исследования климатогенных изменений геомной — -------структуры территории Предбайкалья

Моделирование и прогноз изменений ландшафтно-климатической обстановки на территории бывшего СССР осуществляется активно. В работах Э.Г. Коломыца [1985, 1999, 2003, 2008] предлагается метод прогнозирования изменения ландшафтной структуры на фоне колебания климата. Метод основан на представлении об «экологических нишах» [Одум, 1985; Свирежев, 1982] - кривых состояния ландшафта в пространстве климатических показателей (факторов), информационно-статистическом анализе [Пузаченко, Мошкин, 1969; Коломыц, 1984], оценках климатических изменений, ориентированных графах [Харари, 2003] и цепях Маркова [Кеме-ни, Снелл, 1970]. Такой набор средств реализует функционально-динамический подход к формированию прогноза.

В работе Д.И. Назимовой и Н.И. Поликарпова [2001] прогноз состояния лесного покрова Сибири основан на использовании биоклиматических ординационных моделей (см. главу 1).

В этом разделе рассматриваются некоторые методологические принципы прогноза изменений геомной1 [Сочава, 1978] структуры территории Предбайкалья в границах Иркутской области при потеплении климата. При этом необходимо учитывать, что сначала преобразуется интегральный природный режим геосистемы, а затем трансформируются все ее компоненты, приобретая форму и связи в соответствии с новыми ландшафтно-экологическими условиями.

Э.Г. Коломыц [1985] утверждает, что «предполагаемые ландшафтные сдвиги характеризуют не столько сами будущие ландшафты, сколько ландшафтно-экологические условия и соответственно тот предел экологического равновесия, к которому будут стремиться реальные геосистемы в своих изменениях» (с. 23). Действительно, процесс видоизменения таких компонентов ландшафта, как почва и тем более нижележащей коры выветривания занимает несколько столетий. Даже трансформация структуры лесного фитоценоза порой требует сотен лет, поэтому геосистема не успеi вает в полной мере отреагировать на незначительные по времени климатические сдвиги, т.е. прийти в состояние равновесия в соответствии с ними.

При прогнозе изменений геомной структуры Предбайкалья нами учитывались следующие предположения [Фролов, 2010а, 20106]:

1) закономерности изменений геосистем должны отображать связи классификационной смежности, которая проявляется в пространственном и временном соседстве геосистем: смежные в пространстве геосистемы должны быть смежны во времени и в структуре классификации [Филипп-ская, Черкашин, 2001; Черкашин, 2005а];

2) абсолютная высота как фактор или показатель характеризует пространственное положение геосистемы, ее инвариантное состояние и текущее изменение под влиянием разнообразных факторов, что позволяет рас

1 Геом - типологическая единица геосистемы; ранг гомогенных ареалов (геомеров), стоящих на грани между подразделениями природной среды региональной и топологической размерности. считать конкурентные качества геосистем на фоне климатических изменений [Фролов, Черкашин, 2009];

3) изменения на уровне геома меняют облик ландшафта за счет смещения всего классификационного кластера сопряженной факторально-динамической системы на разных уровнях геомеров.

5.2.1. Пространственное соседство геомов Для исследования и картографирования изменений геосистем необходимо в первую очередь с помощью геоинформационных технологий выделить систему пространственного соседства геомов как модель закономерностей временных изменений.

Юг - Север

Запад - Восток

-►

Рис. 5.1. Основные отношения пространственной и временной смежности геосистем региональной размерности юга Восточной Сибири

Исследования проводились на примере территории Предбайкалья (в границах Иркутской области) с использованием ГИС, созданной на основе карты ландшафтов юга Восточной Сибири [1977]. Было показано [Черкашин, Истомина, 2005], что коэффициенты ранговых распределений элементов ландшафтных структур линейно зависят от номера позиции группы фаций в легенде карты [Ландшафты., 1977] в зоне контакта гольцовых и подгольцовых геосистем с горнотаежными южносибирскими геосистемами. По этой причине номер позиции является индикатором значения показателя факторного влияния вдоль макросклонов горных физико-географических областей. Здесь проявляется региональная специфика географического соседства геосистем (рис. 5.1.). В структуре территории сочетаются зональные и азональные, широтно- и высотнопоясные факторы ландшафтообразования. Центрально-континентальное положение обусловливает формирование бореальных и аридных территориальных комплексов, осложненных горным рельефом. Проявляются оппозиции глобальных и региональных факторов влияния: север-юг, запад-восток, равнины и горы. Для Восточной Сибири все эти факторы главным образом сопряжены с ростом относительных высот положения на местности. На юге Восточной Сибири выделяются ядра и полюса эволюционной изменчивости. Ядро изменчивости составляют наиболее изменчивые высокогорные гольцовые геосистемы как варианты северных внетропических альпи-нотипных геосистем. На другом «полюсе» (периферии изменчивости) находятся равнинные геосистемы зонального типа.

Детально структуру контакта гольцовых, таежных и степных геосистем можно восстановить на уровне геомов с использованием ландшафтной ГИС. Строились матрицы и графы смежности геосистем на уровне геомов. С этой целью векторная ландшафтная карта переводилась в растровое изображение. Автоматически с помощью компьютерной обработки для каждого пиксела этого изображения определялись соседние пикселы, на основе чего строилась матрица смежности, каждый элемент которой Щ- показывает, сколько раз геом /-го вида является на изображении соседом геома у'-го из общего числа случаев N.

Степень соседства рассчитывалась по известной методике [Методология., 2002]. Выбирались все пары геомов с наибольшим весом соседства, и строился граф их смежности, вершины которого соответствуют гео-мам, а ребра — показателям соседства. Выделяется три степени соседства: слабые, сильные и очень сильные. Фации геомов, соединенных очень сильными связями, образуют ядро территориальной организации и в классификации они занимают центральное место. Чем меньше степень связи, тем ближе к периферии классификации расположен геом. В графе для территории Предбайкалья (рис. 5.2.) помимо пространственных связей фаций геомов одного класса большой вес имеют связи фаций геомов разных классов: высокогорных подгольцовых (4) и Байкало-Джугджурских горнотаежных (6), горнотаежных южносибирских (15) и равнинно-плоскогорных среднесибирских (30). Другие направления переходов существуют, но менее значимы.

Рис. 5.2. Граф степени соседства фаций геомов (I) и классов геомов (II) разной значимости а- показатель смежности не ниже 3,5 %; б - не ниже 2,6 %; в - не ниже 1 %.

Североазиатские гольцовые и таежные геосистемы. А1. Гольцовые (горно-тундровые) и подголь-цовые Байкало-Джугджурские и Восточно-Саянские. Геомы: 2 - гольцовые тундровые; 3 - подгольцовые кустарниковые; 4 - подгольцовые лиственнично-редколесные и каменноберезовые. А2. Горнотаежные Байкало-Джугджурские. Геомы: 6 - горнотаежные лиственничные редуцированного развития; 9 - горнотаежные лиственничные ограниченного развития. АЗ .Горнотаежные южносибирские. Геомы: 15 - горнотаежные темнохвойные ограниченного развития; 21 - подгорные подтаежные сосновые. А5. Равнинно-плоскогорные среднесибирские. Геомы: 26 - северотаежные лиственничные на равнинах; 28 - среднета-ежные лиственничные на равнинах; 29 - южнотаежные темнохвойные возвышенностей; 30 - южнотаежные темнохвойные на равнинах.

Таким образом, граф смежности является моделью, показывающей связи между геомами в пространстве, во времени и в структуре классификации. Используя такой граф, появляется возможность конкретизировать в прогнозной модели переходы геосистем из одного геома в другой при изменении внешних условий. Для прогнозных расчетов помимо знания структуры (решетки) смен необходимо определить количественные показатели состояния геосистем г,(?) (см. п. 4.1.).

5.2.2. Высотные характеристики геомов

В главе 4 показана роль абсолютной высоты как фактора и показателя, определяющего изменчивость геосистем. В данном разделе рассматривается применение этого показателя в целях прогнозирования. Для моделирования и прогнозирования важно знать характерную высоту распространения фаций геомов. С этой целью строятся частотные распределения площадей фаций геома / по градиентам высоты (рис. 5.3.а). Получаются своеобразные кривые — модели географической ниши с положением оптимума условий го, (мода распределения) для существования г-го геома — значение, которое характеризует его инвариант. Остальные значения z отражают конкретные условия местоположения, состояние геосистемы и отклонение их от нормы ¿Ц = г, - 2й1, при увеличении которого интенсивность геосистемных процессов /-го типа снижается и геосистема переходит в область угнетенного существования, так что при одинаковой высоте г геосистемы разного геома имеют отличающиеся потенциалы существования.

Рис. 5.3. Географический потенциал геосистем гольцового альпинотипного геома (1) и гольцового тундрового геома (2) по градиентам высоты на территории Предбайкалья (а) и разность потенциалов, определяющая конкурентные качества геомов разных местоположений (б)

Конкурентные отношения фаций двух геомов выражаются в перемещении границ между ними и изменении их площади Б^г) по высоте г и времени в соответствии с уравнениями динамики:

О)

Л " ' " 1 л где а.\ъ а2\ - интенсивности смены состояний участков ландшафта г со временем при взаимодействии геомеров. Эти величины связаны со скоростью перемещения V переменных состояний вдоль координаты г: а = У / Дг, где Аг — различие характерных высот распространения геомеров. Скорость V определяется потенциалом геомера на разных высотах отсюда аи =КРХг)/Аг, где К — коэффициент пропорциональности. Согласно (1) в условиях равновесия /|(г)/Р2(г) = 51(г)/5,2(г), т.е. распределения площадей геомов пропорциональны их потенциалу. В отсутствие равновесия границы геосистем смещаются на величину к\Р1{2)82{г)-Р1{г)81{г)\1 Аг в соответствие с распределением площадей и потенциалов, при равенстве 81(г) = 82(г) конкурентные качества определяются разностью географических потенциалов (рис.5.3. б):

ДР12(г) = Р2(г)~ад. (2)

При изменении климата происходит смещение факторной высоты, т.е. прежние режимы формируются на другой высоте, и баланс потенциалов геомеров нарушается в пользу одного из них,- что влечет за собой, перемещение границ геосистем и иное распределение площадей геомера по высоте (со смещением модального значения г0,).

Прогнозное картографирование климатогенных изменений должно учитывать пространственную смежность фаций геомов, характерную высоту размещения каждого геома и структуру размещения выделов геосистем геомов по высоте. Разность структур (см. формулу 2 и рис. 5.3.6) показывает, в пользу какого геома происходят изменения на высоте г(/) и что произойдет, если эта высота измениться в к раз. В силу логарифмического масштаба шкалы высот наиболее сильные изменения произойдут в гольцовой сфере, а наименьшие - в подгорных областях, поэтому процессы в ядре изменчивости можно использовать для оценки значений к, как по палеогеографическим, так и по текущим данным мониторинга снеговой линии.

Для прогноза изменений геомной структуры необходимо на основе модального значения высоты и графа смежности геомов выделить главного «соседа» геома, имеющего меньшую характерную высоту, в направлении которого вероятнее всего будет направлена смена геомов (состояний) при потеплении климата (рис. 5.4.). Из схемы видно, что по фациям некоторых геомов наблюдается дублирование связей, т.е. определенный геом может иметь схожий показатель смежности не с одним, а с двумя и более геомами, имеющими меньшую характерную высоту. Так, показатели смежности фаций горнотаежного геома лиственничных лесов ограниченного развития (9) схожи сразу с четырьмя различными геомами: с горнотаежным лиственничным оптимального развития (11), с подгорным и межгорных понижений лиственнично-таежным оптимального развития (12), с подгорным подтаежным лиственничным (13), а также с подгорным и межгорных понижений таежным кедрово-лиственничным ограниченного развития (17). Возникает вопрос, в какой же тип перейдет геосистема при заданном климатическом сценарии? Решая эту задачу, необходимо проанализировать классификацию геомов изучаемой территории с целью выявления общих особенностей взаимосвязанных геосистем.

5.2.3. Анализ классификации геомов

При прогнозе изменений ландшафтной структуры учитывается, что геосистемы одного геома переходят в аналогичные геосистемы другого. При отсутствии деформации рельефа коренные геосистемы выположенных плакорных положений замещаются на коренные геосистемы другого геома.

Анализ классификации геомов, приведенной к легенде ландшафтно-типологической карты [1977] (см. главу 2, с.52) показывает, что при потеплении климата смена геомов будет преимущественно идти в следующих направлениях:

1) гольцовые —> подгольцовые —» горнотаежные редуцированного —> горнотаежные ограниченного —» горнотаежные оптимального развития (для макросклонов горнотаежных областей с выраженной высотной поясностью);

Рис. 5.4. Модель возможных переходов геомов при потеплении климата, а -степень соседства не ниже 1,3 %; б - от 1,2 % и ниже; в - геомы.

Североазиатские гольцовые и таежные геосистемы. А1. Гольцовые (горно-тундровые) и подголь-цовые Байкало-Джугджурские и Восточно-Саянские. Геомы: 1 - гольцовые альпинотипные; 2 - гольцовые тундровые; 3 - подгольцовые кустарниковые; 4 - подгольцовые лиственнично-редколесные и камен-ноберезовые; 5 - подгольцовые темнохвойно-редколесные. А2. Горнотаежные Байкало-Джугджурские. Геомы: 6 - горнотаежные лиственничные редуцированного развития; 7 - межгорных понижений и долин таежные лиственничные редуцированного развития; 8 - межгорных понижений и долин таежные темно-хвойные редуцированного развития; 9 - горнотаежные лиственничные ограниченного развития; 10 - межгорных понижений и долин таежные лиственничные ограниченного развития; 11 - горнотаежные лиственничные оптимального развития; 12 - подгорные и межгорных понижений лиственнично-таежные оптимального развития; 13 - подгорные подтаежные лиственничные. АЗ .Горнотаежные южносибирские. Геомы: 14 - горнотаежные темнохвойные редуцированного развития; 15 - горнотаежные темнохвойные ограниченного развития; 16 - подгорные и межгорных понижений таежные темнохвойные ограниченного развития; 17 - подгорные и межгорных понижений таежные кедрово-лиственничные ограниченного развития; 18 - горнотаежные темнохвойные оптимального развития; 19 - подгорные и межгорных понижений таежные темнохвойные оптимального развития; 20 - горнотаежные сосновые; 21 - подгорные подтаежные сосновые. А5. Равнинно-плоскогорные среднесибирские. Геомы: 26 - северотаежные лиственничные на равнинах; 27 - среднетаежные лиственничные останцово-денудационных плато и возвышенностей; 28 - среднетаежные лиственничные на равнинах; 29 - южнотаежные темнохвойные возвышенностей; 30 - южнотаежные темнохвойные на равнинах; 31 - сосновые боровые равнин и долин олиготроф-но-ксеро-мезофитного режима; 32 - подтаежные (на приподнятых равнинах и плато) лиственничные и сосновые. Североазиатские степные геосистемы. 33 - североазиатские степные подгорных равнин луго-во-степные разнотравно-крупнозлаковые и подчиненные им степи (Канская островная степь и Ангарская «лесостепь»),

2) подгорные, межгорных понижений и долин редуцированного —> подгорные, межгорных понижений и долин ограниченного подгорные, межгорных понижений и долин оптимального развития (для подгорных и межгорных понижений горнотаежных областей);

3) северотаежные —> среднетаежные —> южнотаежные —> подтаежные (для равнин и плато среднесибирской физико-географической области (подкласс равнинно-плоскогорных среднесибирских геомов)).

5.2.4. Геоинформационная технология прогнозирования

Для прогнозирования климатогенных изменений геомной структуры территории Предбайкалья использовались кривые потенциалов существования геосистем (см. рис. 5.3. а). Прогнозное картографирование проведено по следующему алгоритму: 1) на основе ГИС ландшафтной карты строятся частотные распределения площади геомов г по градиентам высоты г (см. рис. 5.3. а); 2) выделяется характерная (модальная) высота геома г0/; 3) строится граф смежности фаций геомов для территории Предбайкалья (см. рис. 5.2.); 4) по графу и матрице смежности выделяется главный сосед геома, имеющий меньшую характерную высоту и в сторону которого будет направлена смена геомов (состояний) при потеплении климата (рис. 5.4.); 5) из множества возможных направлений переходов (см. рис. 5.4.) выбираются те, что соседствуют в схеме легенды ландшафтно-типологической карты; 6) по кривым Р,(г) по формуле (2) для каждой пары соседних геомов рассчитывается разность потенциалов, что позволяет установить, в пользу какого геома происходят изменения на конкретной высоте г в новых условиях; 7) оценивается возможное изменение температурного фона (АТ= 3°С) и связанного с ним изменение положения вертикальных границ А20=-А77Ат=518 м, где Лт=-0,58°С/100 м — региональный высотный градиент температуры на высотах 1-2 км; 8) на основе наиболее изменчивых в регионе высокогорных гольцовых геосистем рассчитывается трансформационный коэффициент А:=(г0+Аго)/го=1,288, где в качестве г0 используется характерная высота гольцовых альпинотипных геосистем (геом 1); 9) с использованием трансформационного коэффициента определяется измененное потеплением значение характерной высоты каждого геома z*=kz; 10) по формуле (2) при APl2(z) = 0 на графике разности потенциалов (рис. 5.3. б) находится критическое значение z]2 для каждой пары (1 и 2) соседних геомов; 11) в том случае, если z\ Л=kz\>z\2 (ожидаемое значение превышает критическое), осуществляется смена геомов 1—>2, в противном случае геосистема сохраняет прежнее состояние 1—>1; 12) составляется схема возможных переходов, в соответствие с которой в базе данных ГИС изменяется код геома для каждой ячейки (выдела); 13) в ГИС автоматически создается прогнозная карта вероятных изменений геомной структуры территории при возможном повышении температурного фона (рис. 5.5.).

Пример прогноза возможных изменений геомной структуры территории Предбайка-лья при гумидном потеплении климата (повышение температуры на 3°С)

Рис. 5.5. Исходная (а) и прогнозируемая (б) геомная структура территории Предбайка-лья в границах Иркутской области. Контуры - границы групп фаций.

Легенда

Североазиатские гольцовые и таежные геосистемы. AI. Гольцовые (горнотундровые) и подгольцовые Байкало-Джугджурские и Восточно-Саянские: 1 - гольцовые альпинотипные; 2 - гольцовые тундровые; 3 - подгольцовые кустарниковые; 4 -подгольцовые лиственнично-редколесные и каменноберезовые; 5 - подгольцовые тем-нохвойно-редколесные. А2. Горнотаежные Байкало-Джугджурские: 6 - горнотаежные лиственничные редуцированного развития; 7 - межгорных понижений и долин таежные лиственничные редуцированного развития; 8 - межгорных понижений и долин таежные темнохвойные редуцированного развития; 9 - горнотаежные лиственничные ограниченного развития; 10 - межгорных понижений и долин таежные лиственничные ограниченного развития; 11 - горнотаежные лиственничные оптимального развития; 12 -подгорные и межгорных понижений лиственнично-таежные оптимального развития; 13 - подгорные подтаежные лиственничные. АЪ.Горнотаежные южносибирские: 14 - горнотаежные темнохвойные редуцированного развития; 15 - горнотаежные темнохвойные ограниченного развития; 16 - подгорные и межгорных понижений таежные темнохвойные ограниченного развития; 17 - подгорные и межгорных понижений таежные кедро-во-лиственничные ограниченного развития; 18 - горнотаежные темнохвойные оптимального развития; 19 - подгорные и межгорных понижений таежные темнохвойные оптимального развития; 20 - горнотаежные сосновые; 21 - подгорные подтаежные сосновые. А5. Равнинно-плоскогорные среднесибирские: 26 - северотаежные лиственничные на равнинах; 27 - среднетаежные лиственничные останцово-денудационных плато и возвышенностей; 28 - среднетаежные лиственничные на равнинах 29 - южнотаежные темнохвойные возвышенностей; 30 - южнотаежные темнохвойные на равнинах; 31 -сосновые боровые равнин и долин олиготрофно-ксеро-мезофитного режима; 32 - подтаежные (на приподнятых равнинах и плато) лиственничные и сосновые. Североазиатские степные геосистемы. 33 - североазиатские степные подгорных равнин лугово-степные разнотравно-крупнозлаковые и подчиненные им степи (Канская островная степь и Ангарская «лесостепь»). Централыюазиатские степные геосистемы. 34 - цен-тральноазиатские степные горные забайкальские даурского типа; 35 - горные западно-забайкальские днищ котловин (подгорные); 36 - центральноазиатские степные высоких равнин и денудационных останцов Онон-Аргунские гемикриофильные высоких денудационных поверхностей травяно-степные пижмовые; 37 - центральноазиатские степные высоких равнин и денудационных останцов Онон-Аргунские гемикриофильные плакорные разнотравно-тырсовые.

По расчетам при ожидаемых климатических изменениях в структуре ландшафтов Предбайкалья возможно закономерное замещение неустойчивых даже в современных условиях гольцовых геосистем на подгольцовые. На Лено-Ангарском плато и в горах Восточного Саяна при потеплении климата ожидается смена фаций горнотаежных темнохвойных геомов ограниченного развития и лиственничных геомов оптимального развития на фации горнотаежных темнохвойных геомов оптимального развития. Возможно изменение фаций подгорных подтаежных геомов сосновых лесов на фации подгорных лугово-степных разнотравно-крупнозлаковых геомов.

Для получения более объективных результатов прогнозные расчеты - - -следует проводить в границе определенной физико-географической провинции, чтобы по возможности исключить искажающее влияние на результат расчета широтно-зональных и секторальных факторов.

Понятно, что чем локальней геоинформационный анализ, т.е. на меньшей территории решаются поставленные задачи, тем достоверней прогнозные карты. Наилучшие результаты следует ожидать от локального прогнозного картографирования, где элементом прогноза является отдельный картографический выдел с индивидуальной высотой и географическим окружением.

5.3. Моделирование изменений геосистем локального уровня с использованием моделей клеточных автоматов

О модели клеточных автоматов и применении ее в целях исследования трансформации геосистем говорилось в главе 1. В данном разделе на примере северных макросклонов хр. Хамар-Дабан рассмотрим конкретный пример использования клеточных автоматов для моделирования изменений горных геосистем на основе показателя абсолютной высоты расположения выделов групп фаций.

ГИС-вариант фрагмента ландшафтной карты для горной территории южного Прибайкалья (рис. 5.6.а) [Ландшафты., 1977] представлен дискретными элементами-контурами групп фаций разной серийности (коренные, мнимокоренные и серийные), что характеризует состояния клеток геоизображения. Соответствующие участки ландшафта на местности взаимодействуют по горизонтали, вертикали и по иерархии соподчинения. В модели КА совокупность картографируемых клеток формирует иррегулярную сеть соседства (рис.5.6.6). Граф соседства отражает топологию ландшафтного пространства взаимодействия: контуры соответствую вершинам, связи - ребрам графа. Здесь два контура связаны ребром, если имеют общую границу. Каждое ребро интерпретируется как пара обратно направленных стрелок воздействия. Вес ребра характеризуется протяженностью общих границ пары соседних контуров, вес стрелки - доля этой протяженности в общей длине границы контура, куда направлена стрелка. а б

Рис. 5.6. Фрагмент электронной карты ландшафтов Юга Восточной Сибири [1977] (а) и граф смежности картографических контуров (б). Цифрами указаны порядковые номера контуров групп фаций.

Помимо типологической принадлежности на уровне группы фаций каждый контур характеризуется длиной границ, общей площадью и переменными физико-географическими показателями, например высотой положения над ур.м., отражающей влияние разнообразных факторов.

Соседние контуры (ландшафтные выделы) взаимодействуют между собой латерально и в системе иерархического подчинения. Изменение состояния каждого контура, например, в условиях антропогенного воздействия, по цепи причинных связей сказывается на изменении состояний соседних контуров. Подобные влияния реализуются поэтапно и проявляются индивидуально в зависимости от особенностей латерально-иерархического окружения. На каждом шаге формируются новое состояние решетки и адекватная ей прогнозная карта.

Требования локальности взаимодействия делает необходимым задание граничных условий на границе решетки контуров. Лучше, если внешние влияния будут минимальны (равны 0). Это достигается путем деления пространства территории на несколько несвязанных (автономных) районов, разграниченных естественными рубежами (водоразделами и руслами рек). Тогда граф соседства распадается не несколько подграфов, не связанных ребрами. Участок южного Прибайкалья (см. рис. 5.6.) разграничивается хребтами гор Хамар-Дабана и Восточного Саяна, озером Байкал, руслами рек Ангары и ее притоков. Здесь выделяется три относительно автономных района: 1) Восточно-Саянский; 2) Хамар-Дабанский; 3) Верхнеангарский правобережный. Далее подробно исследуется второй из них.

Клеточный автомат (КА) - математический объект, заданный пятеркой множеств КА=(Х,¥,2,Е,0), где X — конечное множество входных сигналов X, еХ (/ - номер клетки (картографического контура), г=1,.,и); Г — конечное множество выходных сигналов у!<=Г; Z — конечное множество состояний контуров карты X х 2 2 - функция перехода контуров карты (/¡еК), сопоставляющая каждому текущему сочетанию (х,-, г,) контура новое значение г,; О'. X х 2 —> У - функция выходов карты ^ еО), преломляющая вход Х{ каждого контура через ее состояние в выход >7.

Все элементы множеств конечного автомата, а именно х,-, у,, г,-, gi, могут являться наборами (векторами) нескольких переменных, например, х,={ху}, где Ху — вход в г-й картографический контур из у-х контуров окрестности. Далее рассматривается упрощенный вариант модели с одной переменной состояния, одной переменной выходного сигнала, одинаковой для конкретной клетки по всем направлениям воздействия.

В данном случае используем три вида переменных, характеризующих состояние геосистем по высоте Z: — абсолютная высота местоположения £ геосистем в горном ландшафте, — текущее состояние геосистем 1-й группы фаций в разных местоположениях — характеристика фаций 1-й группы. На участке территории в зависимости от особенностей климатического фона могут размещаться разные фации / с индексом г0„ однозначно выделяющие группу фаций по условиям местоположения из множества других фаций. Это может быть, например, высота местоположения, характерная для группы фации в эпоху, предшествующую трансформации климата — оптимуму ее существования в этот период, своеобразный эталон для сравнения, модальная величина распределения этой группы фаций на территории. Текущее состояние геосистемы этого положения изменяется в результате изменения климатического фона и взаимодействия с соседними участками ландшафта. В интервале значений г,- = ± геосистема сохраняет природные режимы, свойственные фации группы г; за их пределами она переходит в фацию другой группы. Ширина природной ниши группы фации е [гИ1, где гш = - -нижняя граница, гВ|- = + — верхняя граница существования.

Конкретная геосистема имеет фиксированное положение г(^), а в ходе эволюции перемещаются фации, занимая новые позиции в пространстве г, вытесняя другие фации. В результате происходит смена фациального состояния конкретных геосистем. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока фация определенного типа не достигнет вершин горной системы гт ), а затем исчезнет из процесса, потеряв материальный носитель своего продвижения (геосистему). Иными словами, эволюционный процесс ограничен сверху некоторым значением высоты местоположения ¿;) <

Текущее изменение состояния геосистемы итеративно определяется функцией действия/¡:

А = г,(Ж) -*,(*) *|(0] (3)

Действие^-) задается в форме: з

Коэффициенты <я,у и Ъу соответствуют весам воздействия окружающих геосистем (/) на данную /-ю геосистему. Значение /0, учитывает влияние внешнего фона. Операция вида (•) моделирует пороговое воздействие, например, (г1 -г0:) равно (г, -г01) в области существования zy^i < г,- < гв,- геосистемы в состоянии /-типа; при выходе за указанные границы она существует и воздействует как геосистема другого типа.

При извлечении конкретных правил работы КА из пространственной информации используются топографические, палеогеографические, ландшафтные данные и геоинформационные технологии. В уравнении (4) свяжем функции входа-выхода только с состоянием взаимодействующих геосистем г,-, когда можно условно принять Ьу= 0. Высотные характеристики выделов определяются в ГИС при совмещении контуров ландшафтной карты и цифровой карты рельефа. Значение рассчитывается как средняя высота каждого контура £ Величина находится как модальное значение распределения площади геосистем г-й группы фаций в регионе по высоте местоположения z [Фролов, Черкашин, 2007]. Упорядоченная последовательность значений г^ фаций одного типа серийности дает представление об допустимых интервалах изменчивости (гнг-, каждой группы фаций. Коэффициент взаимодействия а^ находится по формуле ау7= щР} /£,■ ), где Б}, S¿ — площади взаимодействующих картографируемых выделов и г , — доля длины общей границы у и / относительно общей протяженности границы выдела / (Р{,=1).

Значение коэффициента влияния а¡=11x1 отражает процесс саморегуляции геосистемы /-го типа и связан с характерным временем т, самовосстановления. Его значение определяется по скорости смещения высоты положения снеговой линии АЛ/А/ относительно ее современного уровня для хр. Хамар-Дабан — /г=1630 м (примерно А/г = 650 м за А/= 1,5 тыс. лет) [Плюснин, 2003]. Расчеты дают т = /гД//А/г =3761 лет. При этом скорость смещения границ по высоте равнаУ^=А/г/А/=0,43 м/год — оценка изменения регионального фона. При региональном температурном высотном градиенте АГ=0,6°С /100 м это соответствует потеплению на 0,26°С за сто лет. Эти значения определяют фоновое воздействие /0(, сила которого возрастает при увеличении темпов потепления.

В итоге оцениваются все коэффициенты-соотношения (4), рассчиты----ваются значения изменений состояния геосистем Аг,- для каждого контура и создаются прогнозные карты тенденций возможных изменений ландшафтной структуры при разной скорости роста регионального и глобального температурного фона (рис. 5.7.). Прогноз строился на предположении, что в предшествующий началу потепления период ландшафты нахо

Аг дились в равновесном состоянии —*- = (). Реализация этой гипотезы

I ^ достигается путем введения поправок к{ на значения нормы к,г(у. Провинциальный коэффициент для хр. Хамар-Дабан £,=1,055, т.е. высотные границы для этой территории вследствие ее более южного положения находятся выше по склону гор, чем в среднем по Прибайкалью [Фролов, Чер-кашин, 2007а, 2009].

Расчеты показывают (рис. 5.7.), что каждый геосистемный выдел индивидуально реагирует на окружение и фоновое влияние. Гольцовые и подгольцовые геосистемы уступают место таежным. Различие скорости изменения состояний от местоположения наглядно прослеживается на вы-делах ареала склоновых альпинотипных геосистем (контуры 1, 11, 16, 18).

Рис. 5.7. Эволюционная карта тенденций изменения состояния контуров (Аг,, м/год) групп фаций участка северного макросклона хр. Хамар-Дабан при потеплении климата на 0,5°С.

Отмечается существенное отрицательное влияние на результаты расчета площади этих выделов (Аг1 = -0,00285,+1,026, Я=-0,99). Отсюда следует существование критической площади 5^=366,4 км , при которой наблюдается динамическое равновесие Аг,—0. Влияние текущего состояния геосистем на изменение состояния менее значимо (Дг, = -0,00044г,+1,487, Я=-0,73, 2гкр=3380 м). Для всего многообразия контуров ландшафтной карты такие линейные зависимости не выполняются в силу многоаспектности влияния географического окружения на эти изменения.

Таким образом, разработанные алгоритмы моделирования и геоинформационного картографирования позволяют ставить и решать задачи прогнозирования изменения ландшафтной структуры на разных уровнях обобщения и детальности. Исследование распределения площади геомов и сопряженных с ними классов и групп фаций по территории становится основой для создания прогнозных карт. Большое значение здесь имеет построение территориальных графов смежности, передающих отношения пространственного соседства, классификационной связности и направленной временной изменчивости. Исследование, моделирование и прогнозирование проводятся по градиентам высоты, которая рассматривается в качестве показателя состояния среды, что оправдано на территориях с выраженным горным и горно-равнинным характером рельефа. Развитие методов прогнозирования пространственно-эволюционных изменений в конечном итоге ориентировано на создание самоэволюционирующих карт, каждый выдел-ячейка которой становится ячейкой активной геоинформационной среды, адекватно реагирующей на влияние локального окружения и вариации регионального и глобального фона.

Клеточный автомат как математико-картографическая модель изменения ландшафтов методически оправдывает себя, отображая пространственное распределение и связи контуров друг с другом и с изменениями климатического фона. Это инструмент для анализа локальных особенностей взаимодействия геосистем, корректировки параметров модели с учетом провинциальных особенностей. Такой подход позволяет перейти к эволюционному картографированию, когда карта-геоизображение заменяется клеточным автоматом, моделирующим природные взаимосвязи. Клеточная модель дает возможность формализовать дискретное геоизображение, рассматривая его как объект математических преобразований при переходе от карты к карте.

Частотные распределения площадей геомеров по градиентам высоты отражают потенциалы существования геосистем. Разность потенциалов показывает конкурентные отношения между взаимодействующими геомерами, что в сочетании с графами соседства геомеров и моделями КА используется при прогнозировании климатогенных изменений таксономической позиции геосистем.

На основе температурного градиента высоты с использованием моделей КА и графов в ГИС-среде показан пример реализации созданных алгоритмов прогнозирования климатогенных изменений геомеров на региональном (геом) и локальном (группа фаций) уровне. При ожидаемых климатических изменениях в структуре ландшафтов Предбайкалья возможно закономерное замещение неустойчивых даже в современных условиях гольцовых геосистем на подгольцовые. На Лено-Ангарском плато и в горах Восточного Саяна при потеплении климата вероятно ожидать смену фаций горнотаежных темнохвойных геомов ограниченного развития и лиственничных геомов оптимального развития на фации горнотаежных темнохвойных геомов оптимального развития. Возможно изменение фаций подгорных подтаежных геомов сосновых лесов на фации подгорных луго-во-степных разнотравно-крупнозлаковых геомов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе на примере территории Предбайкалья проведен анализ изменчивости, как сложного свойства географических систем, для чего были изучены различные стороны проявления данного свойства, выраженные в дискретных и непрерывных изменениях геосистем, как в пространстве, так и во времени.

Цель исследования заключалась в проведении анализа состояния геосистем и его изменения под влиянием естественных и антропогенных факторов на освоенных территориях юга Иркутской области, в создании карты естественных и антропогенных трансформаций геосистем исследуемой территории, а также в разработке алгоритмов геоинформационного прогнозного моделирования и картографирования изменения ландшафтной структуры территории для решения прикладных задач.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1) проанализированы существующие модели и методы изучения динамики и эволюции геосистем, построены модели для территории Южного Предбайкалья в терминах клеточных автоматов;

2) выделены естественные и антропогенные факторы изменчивости ландшафтов на территории исследования;

3) обосновано использование показателя абсолютной и относительной высоты в качестве характеристики состояния геосистем;

4) разработана ландшафтная ГИС исследуемого района с уточнением по космическим снимкам границ геосистемных выделов до уровня переменных состояний фаций (биогеоценозов);

5) проведена полевая заверка результатов дешифрирования космических снимков с маршрутным описанием выделов и созданием базы данных выделов ландшафтной ГИС;

6) создана серия аналитических карт показателей изменчивости геосистем;

7) разработаны алгоритмы эволюционного геоинформационного моделирования и картографирования для создания прогнозных карт изменения геосистем;

8) осуществлена количественная и качественная идентификация модели сети конечных автоматов на основе ГИС и проведены прогнозные расчеты изменения состояния геосистем.

По результатам исследований сделаны следующие выводы:

Изменчивость — сложное свойство географических систем, отражающее многообразие видов пространственно-временных преобразований состояния геосистем. Она проявляется как в дискретных, так и в непрерывных пространственно-временных изменениях, что определяет использование графов и клеточных автоматов-(КА) в. качестве.-.-------моделей для исследования пространственно-временной изменчивости геосистем.

При изучении изменчивости геосистем применяют методы ландшафтно-экологического прогнозирования, на основе КА используют методы эволюционно-динамического моделирования и прогнозного картографирования.

Факторы, обуславливающие пространственно-временную изменчивость геосистем Предбайкалья, подразделяются на естественные (неравномерность распределения физико-географических условий в пространстве и изменение их во времени) и антропогенные (неоднородность характера антропогенной нагрузки на территории и трансформация характера антропогенного воздействия за исторические период развития Предбайкалья).

С появлением человека на территории Южного Предбайкалья возник принципиально новый фактор изменчивости ландшафтов — антропогенный. За период исторического развития человеческого общества и трансформации способов экономического производства (от присваивающего хозяйства к производящему) антропогенный фактор увеличивал свою значимость и в настоящее время, в эпоху развитого промышленного производства, по масштабам и глубине влияния на ландшафты его следует ставить в один ряд с естественными факторами. В настоящее время техногенное загрязнение токсичными веществами производства компонентов геосистем проявляет себя как наиболее негативная сторона выражения антропогенного фактора, инициирующая ^ во многих случаях деструктивную дискретную необратимую изменчивость геосистем.

Географическая сущность антропогенной трансформации геосистем заключается в отклонении геосистемы от коренного и переход в переменное состояние. Чем значительнее и продолжительнее антропогенное влияние, тем сильнее это отклонение, а, следовательно, тем выше , степень нарушенности геосистем. При повышении степени нарушенности увеличивается время прихода геосистемы в равновесное со • средой коренное состояние.

К одному из механизмов перехода в переменное состояние относится явление синантропизации биотического компонента геосистем. Синантропное изменение биологических сообществ приводит к замещению коренных биогеоценозов на переменные, что обуславливает динамическую изменчивость геосистем территории Южного Предбайкалья.

Сочетание методов полевых маршрутных исследований ландшафтов с методами камеральной обработки пространственной информации (данные ДЗЗ, карты различного содержания, цифровая модель рельефа и т.д.) позволило сделать обзор основных особенностей ландшафтной структуры Южного Предбайкалья, сформировать ГИС района исследования, осуществить выбор ключевых точек и создать на данную территорию ландшафтио-типологическую карту' уровня переменных состояний фаций. Карта и база данных ГИС использовалась для дальнейшего геоинформационного анализа территории с созданием серии аналитических карт показателей, отражающих пространственную дискретную и непрерывную изменчивость геосистем.

Исследование естественных и антропогенных факторов изменчивости геосистем, геоинформационный анализ структуры биогеоценозов территории Южного Предбайкалья выявили значительную степень пространственно-временной дискретной и непрерывной изменчивости топогеосистем, выраженной в существовании сложной территориальной структуры переменных состояний фаций, обусловленной комплексным воздействием разных антропогенных и естественных (влияние условий местоположения биогеоценозов) факторов.

Высота как фактор и показатель в моделях расчета изменчивости геосистем для территории Предбайкалья должна рассматриваться в пяти аспектах: 1) абсолютная высота местоположения геосистемы; 2) фактор, определяющий условия воздействия среды; 3) видовая характеристика геомера; 4) текущее состояние геосистем определенного геомера в разных местоположениях; 5) показатель серийности геосистем ландшафтного уровня.

Первый аспект характеризует фиксированное рельефом высотное положение конкретной геосистемы, поэтому изменчивость геосистем определяется пространственно-временными трансформациями рельефа. Во втором факторном смысле с градиентами высоты связаны значения и амплитуды колебания климатических условий и высотная дифференциация ландшафтов. Третий выражается в особенностях высотного распределения геомера в современный период. Данный показатель при климатогенных трансформациях остается постоянным, а изменяется только при эволюции самого геомера, происходящей на фоне биологической эволюции. Четвертый аспект определяется переменной характеристикой локального комплекса условий среды, варьирующей под влиянием фоновых климатических факторов, что выражается в климатогенных смещениях ландшафтных границ. Пятый характеризует отклонение состояния конкретной топогеосистемы от геосистем ландшафтной нормы.

С использованием метода главных компонент показано, что относительная высота в субрегиональной геосистеме (геом или ландшафт) является показателем серийности топогеосистем, отражающим не только частные географические признаки, но и некоторую систему сопряжения участков ландшафта и силу пространственных и типологических связей, отклоняющую конкретные фации от зональной нормы.

Разработанные алгоритмы моделирования и геоинформационного картографирования позволяют ставить и решать задачи прогнозирования изменения ландшафтной структуры на разных уровнях обобщения и детальности. Исследование распределения площади геомов и сопряженных с ними классов и групп фаций по территории становится основой для создания прогнозных карт. Большое значение здесь имеет построение территориальных графов смежности, передающих отношения пространственного соседства, классификационной связности и направленной временной изменчивости. Исследование, моделирование и прогнозирование проводятся по градиентам высоты, которая рассматривается в качестве показателя состояния среды, что оправдано на территориях с выраженным горным и горно-равнинным характером рельефа.

Клеточный автомат как математико-картографическая модель изменения геосистем методически оправдывает себя, отображая пространственное распределение и связи контуров друг с другом и с изменениями климатического фона. Это инструмент для анализа локальных особенностей взаимодействия геосистем, корректировки параметров модели с учетом провинциальных особенностей. Такой подход позволяет перейти к эволюционному картографированию, когда карта-геоизображение заменяется клеточным автоматом, моделирующим природные взаимосвязи. Клеточная модель дает возможность формализовать дискретное геоизображение, рассматривая его как объект математических преобразований при переходе от карты к карте.

Частотные распределения площадей геомеров по градиентам высоты отражают потенциалы существования геосистем. Разность потенциалов показывает конкурентные отношения между взаимодействующими геомерами, что в сочетании с графами соседства геомеров и моделями КА используется при прогнозировании климатогенных изменений таксономической позиции геосистем.

На основе температурного градиента высоты с использованием моделей КА и графов в ГИС-среде показан пример реализации созданных алгоритмов прогнозирования климатогенных изменений геомеров на региональном (геом) и локальном (группа фаций) уровне. При ожидаемых климатических изменениях в структуре ландшафтов Предбайкалья возможно закономерное замещение неустойчивых даже в современных условиях гольцовых геосистем на подгольцовые. На Лено-Ангарском плато и в горах Восточного Саяна при потеплении климата вероятно ожидать смену фаций горнотаежных темнохвойных геомов ограниченного развития и лиственничных геомов оптимального развития на фации горнотаежных темнохвойных геомов оптимального развития.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Фролов, Александр Андреевич, Иркутск

1. материалы из интернет-источников;6. лесотаксационные данные на территорию Слюдянского района (ГИС Слюдянского района);7. материалы натурных маршрутных исследований;8. материалы панорамной пейзажной фотосъемки.

2. Алисов Б.П. Климат СССР. — М.: Высшая школа, 1969. — 104 с.

3. Антропогенные изменения климата / Под ред. М.И. Будыко, Ю.А. Израэля. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. — 406 с.

4. Аргучинцев В.К., Аргучинцева A.B. Модели и методы для решения задач охраны атмосферы, гидросферы и подстилающей поверхности. — Иркутск: РИО ИГУ, 2001. 114 с.

5. Асеев И.В. Прибайкалье в средние века (по археологическим данным). Новосибирск: Наука, 1980. — 150 с.

6. Атлас Иркутской области. М.— Иркутск: ГУГК, 1962. - 182 с.

7. Атлас. Иркутская область: экологические условия развития. — М. — Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2004. — 90 с.

8. Атутова Ж.В. Природные и природно-антропогенные геосистемы Верхнего Приангарья. Автореферат канд. геогр. наук, Иркутск, ИГ СО РАН, 2002. 20 с.

9. Баранцев Р.Г. Синергетика в современном естествознании. — М.: Изд-во «УРСС», 2003. 144 с.

10. Безруков Л.А. Экологическая обстановка на водных объектах Иркутской области // Природно-ресурсный потенциал и природопользование. — Иркутск: Ин-т географии Сибири и Дальн. Востока СО АН СССР, 1989. 176 с.

11. Безрукова Е.В. Палинология позднеледниковых и голоценовых отложений озера Байкал // География и природ, ресурсы. 1998. — № 3. -С. 54-61.

12. Безрукова Е.В. Палеогеография Прибайкалья в позднеледниковье и голоцене. Новосибирск: Наука, 1999. — 128 с.

13. Безрукова Е.В., Абзаева A.A., Вершинин К.Е. и др. История распространения лесной растительности на восточном побережье озера Байкал в позднеледниковье и голоцене // География и природ, ресурсы. — 2002.-№2. -С. 68-74.

14. Безрукова Е.В., Данько Л.В., Снытко В.А. и др. Новые данные об изменении растительности западного побережья озера Байкал в среднем-позднем голоцене // Докл. РАН. 2005. - Т. 401. - № 1. - С. 100 - 104.

15. Белов A.B., Безрукова Е.В., Соколова Л.П., Абзаева A.A. Эволюционно-динамический анализ растительности юга Лено-ангарского плато // География и природ, ресурсы. — 2005. № 3. — С. 18-23.

16. Белова В.А. Растительность и климат позднего кайнозоя юга Восточной Сибири. — Новосибирск: Наука, 1985. 160 с.

17. Беркин Н.С., Филиппова С.А., Бояркин В.М. Иркутская область (природные условия административных районов). — Иркутск: Изд-во Иркутского ун-та, 1993. — 267 с.

18. Берлянт А.М. Карты взаимосвязи явлений и их применение в географических исследованиях // Вестник МГУ. — Сер. геогр. 1972. — № 1.-С.21-29.

19. Бойчук В.В. Изменчивость природных явлений и ее учет при географическом районировании // Докл. Ин-та геогр. Сибири и Дальн. Востока СО АН СССР 1964. - №7. - С. 29-36.

20. Большая Советская Энциклопедия / Гл. ред. Б.А. Введенский. — Издание второе. Т.17. - М.: ГНИ «БСЭ», 1955. - с. 406.

21. Большая медицинская энциклопедия / Гл. ред. Б.В. Петровский. -Издание третье. Т.9. — М: Изд-во «Советская энциклопедия», 1978. — с. 36.

22. Бондарь Ю.Н. Выделение типов условий местопроизрастания древостоя на основе анализа морфометрических величин // География, геоэкология, геология: Материалы Международной научной конференции. Днепропетровск: Изд-во ДНУ, 2007. — С. 15 — 18.

23. Будыко М.И. Глобальная экология. М.: «Мысль», 1977. — 328 с.

24. Будыко М.И. Климат в прошлом и будущем. Л.: Гидрометеоиздат, 1980.-351 с.

25. Бузыкин А.И. Пшеничникова JI.C. О влиянии рубок ухода на прирост в смешанных молодняках // Процессы лесовосстановления в Сибири. Красноярск: Ин-т леса и древесины, 1974. — С. 87 - 99.

26. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++. — М.: Бином, 1998. — 560 с.

27. Ванаг В.К. Исследование пространственно распределенных динамических систем методами вероятностного клеточного автомата // Успехи физических наук. 1999. - Т. 169. -№ 5. - С. 481-505.

28. Величко A.A. Глобальные изменения климата и реакция ландшафтной оболочки // Изв. АН СССР. Сер. геогр. — 1991.— №5. — С5 — 22.

29. Величко A.A. Зональные и макрорегиональные изменения климатических условий, вызванные "парниковым эффектом" // Изв. АН РАН. Сер. геогр. 1992. -№2. - С. 89 - 102.

30. Величко A.A., Нечаев В.П. К оценке динамики зоны многолетней мерзлоты в Северной Евразии при глобальном потеплении климата // Докл. РАН. 1992.-Т. 324.-№3.-С. 667-671.

31. Видина A.A. Методические указания по крупномасштабным ландшафтным исследованиям. М.: Изд-во МГУ, 1962. 120 с.

32. Виноградов, Б. В. Космические методы изучения природной среды / Б. В. Виноградов. М.: Мысль, 1976. - 286 с.

33. Виноградов Б.В., Черкашин А.К., Горнов А.Ю., Кулик К.Н. Динамический мониторинг деградации и восстановления пастбищ Черных Земель // Ашхабад: Проблемы освоения пустынь. — 1990. — № 1. — С. 10 — 19.

34. Виноградов Б.В. Основы ландшафтной экологии. Москва: ГЕОС, 1998.-418 с.

35. Винокуров М.А., Суходолов А.П.Экономика Иркутской области: в 2 т. Т. 1. Иркутск: Изд-во ОАО НПО «Облмашинформ», 1998. - 276 с.

36. Воробьев B.B. Города южной части Восточной Сибири (историко-географические очерки). — Иркутск: Иркутское книжное издательство, 1959.- 148 с.

37. Воскресенский С.С. Геоморфология Сибири. М.: Изд-во МГУ, 1962.-352 с.

38. Восточная Сибирь. Экономико-географическая характеристика. — М.: Географгиз, 1963. 896 с.

39. Высокогорная геоэкология в моделях / М.Ч. Залиханов, Э.Г. Коломыц, JI.C. Шарая, H.JI. Цепкова, H.A. Сурова; отв. ред. Г.С. Розенберг, Г.К. Сафаралиев. М.: Наука, 2010. - 487 с.

40. Геоботаническое описание пробной площади. СО АН СССР, Восточно-сибирский филиал, лаборатория леса. — Красноярск: Трансжелдориздат, 1960. — 11 с.

41. География Иркутской области. Вып.2. Очерки по физической географии Иркутской области / Под ред. В.М. Бояркина. — М.: Изд-во MB и ССО РСФСР ИГУ им. A.A. Жданова, 1972. - 294 с.

42. Геоинформационная система управления территорией. — Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2002. 151 с.

43. Глушко Е.В., Ермаков Ю.Г., Серебров A.A. Применение космических снимков при изучении развития современных ландшафтов // Исслед. Земли из космоса. — 2000. — № 2. — С.21 — 28.

44. Глушков В.М. Введение в теорию самосовершенствующихся систем. -Киев: Изд-во КВИРТУ, 1962. 109 с.

45. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Иркутской области в 1999 г. — Иркутск: Госкомэкология, Администрация Иркутской области, 2000. — 320 с.

46. Государственный доклад О состоянии окружающей природной среды Иркутской области в 2003 г. — Иркутск: МПР России по Иркутской области, 2004. 295 с.

47. Грабовский В.И. Клеточные автоматы, как простые модели сложных систем // Успехи соврем, биол., 1995, - Т. 115. - № 4. - С. 412 - 419.

48. Григорьев A.A. Закономерности строения и развития географической среды // Избранные теоретические работы. — М.: Наука, 1966. — 382 с.

49. Григорьев A.A. Антропогенное воздействие на природную среду по наблюдениям из космоса. — Л.: Наука, 1985. — 239 с.

50. Густокашина H.H. Многолетние изменения основных элементов климата на территории Предбайкалья. — Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2003.-107 с.

51. Данько JI.B. О тенденциях развития геосистем западного побережья Байкала в голоцене // География и природ, ресурсы. — 2005. № 4. — С. 48 — 54.

52. Девдариани A.C. Моделирование развития рельефа методами теории конечных автоматов и математической физики // Вопросы теоретической и прикладной геоморфологии. — Чита, 1969. С. 135-201.

53. Джеррард А. Дж. Почвы и формы рельефа. — JL: Недра, 1984. — 208 с.

54. Дистанционные исследования и картографирование структуры и динамики геосистем // Отв. ред. А.К. Черкашин. — Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2002. 188 с.

55. Докучаев В.В. Русский чернозём / Избр. соч. Т.1. — М.: Изд-во сельхоз. лит., 1948. с. 480.

56. Естествознание. Энциклопедический словарь. — М.: Научное изд-во «Большая Российская Энциклопедия», 2002. — 544 с.

57. Замай С.С., Охонин В.А., Якубайлик О.Э. Нейронные сети и ГИС, 2007. — http://www.torins.ru/demo/download/NeuroGIS.pdf

58. Замятин A.B., Марков Н.Г. Подход к моделированию изменений земной поверхности с использованием клеточных автоматов // Изв. ТПУ. -2005. Т. 308. - № 6. - С. 164-169.

59. Иметхенов А.Б. Природа переходной зоны на примере Байкальского региона. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1997. — 232 с.

60. Исаченко А.Г. Основы ландшафтоведения и физико-географического районирования. — М.: Высшая школа, 1965. — 328 с.

61. Исаченко А.Г. География сегодня: Пособие для учителей. — М.: Просвещение, 1979. — 192 с.

62. Исаченко А.Г. Ландшафтоведение и физико-географическое районирование. -М.: Высшая школа, 1991. — 370 с.

63. Исаченко Т.И. О картографировании серийных и микропоясных рядов в долинах и озерных котловинах // Геоботаническое картографирование. — Л: Наука, 1967. — С. 42-57.

64. История Сибири, т.1. Л.: Наука, 1968. — 496 с.

65. Калесник C.B. Общие географические закономерности земли. — М.: Мысль, 1970.-283 с.

66. Каллас Е.В. Микрокольцевая поясность озерных котловин Чулымо-Енисейской впадины и ее отражение в гумусовом профиле почв // Геоэкологические проблемы почвоведения и оценки земель. — Томск: Томский государственный университет, 2002. Т.2. - С. 275 — 283.

67. Калмыков Н.П. Природная среда и биота бассейна озера Байкал в позднем палеолите и голоцене // География и природ, ресурсы. — 2005. — № 2.-С. 34-39.

68. Кейко Т.В. Дистанционная индикация природных и антропогенных геосистем Предбайкалья. Автореферат канд. геогр. наук, Иркутск, ИГ СО РАН, 2001.-19 с.

69. Кемени Дж., Снелл Дж. Конечные цепи Маркова. — М.: Наука, 1970. -272 с.

70. Кобринский Н.Е., Трахтенберг В.А. Введение в теорию конечных автоматов. М.: Физматгиз, 1962. — 404 с.

71. Козин В.В., Петровский В.А. Геоэкология и природопользование. Понятийно-терминологический словарь. — Смоленск: Ойкумена, 2005. — 576 с.

72. Колесов Ю.Б. Объектно-ориентированное моделирование сложных динамических систем. — СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2004. — 239 с.

73. Коломыц Э.Г. Информационно-статистический анализ структуры высокогорных экосистем и их антропогенных изменений // Труды Высокогорного геофизического ин-та. 1984. - Вып. 58. - С. 26 - 53.

74. Коломыц Э.Г. Прогноз влияния глобальных изменений климата на ландшафтную структуру горной страны // Изв. АН СССР. сер. геогр. — 1985.-№1.-С. 14-30.

75. Коломыц Э.Г. Прогнозная оценка зональных ландшафтно-экологических условий в свете предстоящих глобальных изменений климата // География и природ, ресурсы. — 1999. — №3. — С. 5-13.

76. Коломыц Э.Г. Региональная модель глобальных изменений природной среды. — М.: Наука, 2003. — 371 с.

77. Коломыц Э.Г. Локальные механизмы глобальных изменений природных экосистем. — М.: Наука, 2008. — 427 с.

78. Коновалова Т.И. Изменчивость географических систем//Совещание географов Сибири и Дальн. Востока. — Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2001-С.55 56.

79. Коновалова Т.И. Геосистема и окружающая среда // Чтения памяти В.Б. Сочавы. Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2002. — С. 40 -49.

80. Коновалова Т.И. Изменчивость геосистем // География и природ, ресурсы. 2004. - № 2. - С. 5 - 11.

81. Коновалова Т.И. Пространственно-временная самоорганизация геосистем юга Средней Сибири. Автореферат диссертации на соисканиеученой степени доктора географических наук, Иркутск, ИГ СО РАН, 2009. -43 с.

82. Копылов Д.И. Развитие городской и сельской промышленности Сибири в связи с ее колонизацией в XVIII в. // История городов Сибири досоветского периода (XVII — начало XX в.). — Новосибирск: Наука, 1977. -С.62-80.

83. Крауклис A.A. Факторально-динамические ряды таежных геосистем и принципы их построения // Докл. Ин-та географии Сибири и Дальн. Востока. 1969.-Вып. 22.-С. 15-25.

84. Крауклис A.A. Природные режимы и топогеосистемы // Природные режимы и топогеосистемы Приангарской тайги. — Новосибирск: Наука, 1975.-С. 7- 13.

85. Крауклис A.A., Евдокимова В.Н. Опыт количественного описания натурной модели // Природные режимы и топогеосистемы Приангарской тайги. — Новосибирск: Наука, 1975. — С.246 — 269.

86. Крауклис A.A. Проблемы экспериментального ландшафтоведения. -Новосибирск: Наука, 1979. — 233 с.

87. Крауклис A.A., Бессолицына Е.П. Сукцессионно-возрастные смены таежных биогеоценозов // Изучение состояний таежных геосистем. -Иркутск: ИГ СО АН СССР, 1980. С. 37 - 72.

88. Крауклис A.A. Динамический анализ локального разнообразия биогеоценозов // География и природ, ресурсы 1983. - № 3. — С. 13 — 22.

89. Кузьмин В.А. Особенности почвообразования в Прибайкалье // Почвы юга Средней Сибири и их использование. Иркутск, 1970. — С.14 — 19.

90. Кулагина Н.В., Трофимов А.Г. Голоцен долины р. Верхняя Ангара (Северное Прибайкалье) // Известия РАН. Сер. геол. 1992. - № 12. - С. 156- 160.

91. Кулик К.Н. Агролесомелиоративное картографирование и фитоэкологическая оценка аридных ландшафтов. — Волгоград: ВНИАЛМИ. 2004. - 248 с.

92. Курнаев С.Ф. Лесорастительное районирование СССР. — М.: Наука, 1973.-204 с.

93. Ларичев В.Е. Неолит Прибайкалья // Материалы по древней истории Сибири. Улан-Удэ, 1964. - С. 157 - 171.

94. Максютов Ф.А. Ландшафтная дифференциация склонов на Южном Урале и в Приуралье // Склоновая микрозональность ландшафтов. — Воронеж: Изд-во ВГУ, 1974. С. 68 - 73.

95. Медведкова Э.А. Социально-экономическое районирование Приангарья. Новосибирск: Наука, 1985. - 152 с.

96. Мельник A.B. Динамика антропогенных ландшафтов Западного Забайкалья (историко-географический аспект). — М.: Изд-во МИИГАиК, 1999.-342 с.

97. Методология системного экологического картографирования / Отв. ред. В.В. Воробьев, В.А. Снытко. — Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2002. 194 с.

98. Мильков Ф.Н. Основные географические закономерности склоновой микрозональности ландшафтов // Склоновая микрозональность ландшафтов. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1974. — С. 5 - 11.

99. Мильков Ф.Н. Общее землеведение: Учеб. для студ. географ, спец. вузов. -М.: Высш. шк., 1990. 335 с.

100. Михайлов Н.И. Сибирь. Физико-географический очерк. М.: Гос. изд-во геогр. литературы, 1951. — 288 с.

101. Михайлова Т.А., Плешанов A.C., Афанасьева Л.В. Картографическая оценка загрязнения лесных экосистем Байкальской природной территории техногенными эмиссиями // География и природ, ресурсы — 2008. — № 4. — С. 18-23.

102. Михеев B.C., Ряшин В.А. Принципы и методика составления картыландшафтов Забайкалья // Проблемы тематического картографирования. — Иркутск: ИГ СО АН СССР, 1970. С. 183-192.

103. Михеев B.C., Ряшин В.А. Ландшафты юга Восточной Сибири: (карта), м-б 1:1 500 ООО. М.: ГУГК, 1977. - 4 л.

104. Мясникова С.И., Черкашин А.К. Оптимизационное геоинформационное картографирование // Геодезия и картография. 2007. -№4.-С. 38-42.

105. Назимова Д.И. Поликарпов Н.П. Возможен ли прогноз лесного покрова Сибири на XXI век? // Природа. 2001. - №4- С. 55 — 62.

106. Назимова Д.И., Царегородцев В.Г., Андреева Н.М. Лесорастительные зоны юга Сибири и современное изменение климата // География и природ, ресурсы. — 2010. №2. — С. 55 — 62.

107. Напрасников А.Т. Геоэкологический анализ пространственно-временных изменений тепла и влаги. Диссертация на соискание ученой степени доктора географических наук. Иркутск. ИГ СО РАН. 2002. — 385 с.

108. Нееф Э. Теоретические основы ландшафтоведения. — М.: Прогресс, 1974.-220 с.

109. Николаев И.В., Надеждин Б.В., Макеев О.В. Почвы // Атлас Иркутской области. М. - Иркутск: ГУГК, 1962. — С.78-82.

110. Обзор о социально-экономическом положении Шелеховского района за 2005 г. Шелехов: Отдел социально-экономического развития администрации Шелеховского района, 2006.

111. Одум Ю. Основы экологии. М.: Мир, 1975. — 740 с.

112. Окладников А.П. Сибирь в древнекаменном веке. Эпоха палеолита // Материалы по древней истории Сибири. — Улан-Удэ, 1964. — С. 51 — 128.

113. Орлов Д.С., Садовникова Л.К., Лозановская И.Н. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении. — М.: Высшая школа, 2002. — 244 с.

114. Отчёт об экологической обстановке на территории Шелеховского муниципального образования (проблемы, программы). — Шелехов: Отдел по экологии и природопользованию Шелеховской администрации, 2003.

115. Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Изменения климата. Т. 1. — М.: Изд-во Росгидромет, 2008. 227 с.

116. Плюснин В.М. Ландшафтный анализ горных территорий. — Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2003. 257 с.

117. Помазкина Л.В., Котова Л.Г., Лубнина Е.В., Зорина С.Ю., Лаврентьева A.C. Устойчивость агроэкосистем к загрязнению фторидами. Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2004. — 225 с.

118. Почвы Предбайкалья и их плодородие / Отв. ред. Ф.Е. Реймерс. — Иркутск: Вост-Сиб. книж. изд-во, 1970. — 128 с.

119. Предбайкалье и Забайкалье / Отв. ред. B.C. Преображенский, М.И. Помус, В.Б. Сочава. М.: Наука, 1965. - 492 с.

120. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса: Новый диалог человека с природой. М.: Прогресс, 1986. - 432 с.

121. Природа, техника, геотехнические системы. / Отв. ред. B.C. Преображенский. -М.: Наука, 1978. 146 с.

122. Природные режимы и топогеосистемы Приангарской тайги / Отв. ред. A.A. Крауклис. Новосибирск: Наука, 1975. - 280 с.

123. Пузаченко Ю.Г., Мошкин A.B. Информационно-логический анализ в медико-географических исследованиях // Итоги науки. Медицинская география. М.: ВИНИТИ, 1969. - Вып. 3. - С. 5 - 74.

124. Растительность юга Восточной Сибири: (карта) м-ба 1 : 1500000. -М.: ГУГК, 1972.

125. Резанов И.Н., Калмыков Н.П. Палеогеография антропогена Прибайкалья и Забайкалья // География и природ, ресурсы. — 1998. — № 4. — С. 89 96.

126. Реймерс Н.Ф. Популярный биологический словарь. — М.: Наука, 1991.-538 с.

127. Роберте Ф.С. Дискретные математические модели с приложениями к социальным, биологическим и экологическим задачам. — М.: Наука, 1986. — 496 с.

128. Русанов A.M., Милякова Е.А. Роль ландшафтной ассиметрии в формировании почв и почвенного покрова Предуралья // Вестник ОГУ. — 2005-№4.-С 108-113.

129. Русанов A.M., Коваль М.А. Влияние склоновой ассиметрии на свойства почв и почвенного покрова оренбургского Предуралья // Вестник ОГУ. 2006. - №4. - С. 111 - 114.

130. Рюмин В.В. Динамика и эволюция южносибирских геосистем. — Новосибирск: Наука, 1988. — 137 с.

131. Рюмин В.В. Пространственно-временной анализ истории ландшафтопользования в Южной Сибири // Историко-географические исследования Южной Сибири. — Иркутск: Изд-во ин-та географии СО РАН, 1991.-С. 4-28.

132. Ряшин В.А. О провинциальном разделении Восточного Саяна // Докл. Ин-та геогр. Сибири и Дальн. Востока. — 1965. — Вып.8. С. 11 — 18.

133. Рященко C.B., Выркин В.Б., Атутова Ж.В. и др. Геоэкологическое и рекреационное обоснование создания природного парка «Витязь» — Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2006. 51 с.

134. Салищев К.А. Принципы и задачи системного картографирования // Системное картографирование природных и социально-экономических систем. -М.: Изд-во МГУ, 1978. С. 5 - 23.

135. Салугин А.Н., Кулик К.Н. Математические модели динамики и прогноза эволюции аридных экосистем. — Волгоград: ВНИАЛМИ, 2006. — 180 с.

136. Саушкин Ю.Г., Смирнов A.M. Геосистемы и геоструктуры // Вестн. Моск. ун-та. Сер. V. геогр. - 1968. - № 5. - С.7 - 12.

137. Свирежев Ю.М. Математические модели в экологии // Число и мысль. -М.: Знание, 1982. Вып. 5. - С. 16 — 55.

138. Селегей Т.С., Юрченко И.П. Потенциал рассеивающей способности атмосферы // География и природ, ресурсы. — 1990. № 2. - С. 132 - 137.

139. Сочава В.Б. Исходные положения типизации таежных земель на ландшафтно-географической основе // Докл. Ин-та географии Сибири и Дальн. Востока 1962 - Вып. 2. - С. 14 - 23.

140. Сочава В.Б., Ряшин В.А., Белов А. В. Главнейшие природные рубежи в южной части Восточной Сибири // Докл. Ин-та географии Сибири и Дальн. Востока. 1963. - Вып.4. - С. 19 - 24.

141. Сочава В.Б. Структурно-динамическое ландшафтоведение и географические проблемы будущего // Докл. Ин-та географии Сибири и Дальн. Востока. 1967 а. - Вып. 18. - С. 18 - 31.

142. Сочава В.Б., Волкова В.Г., Дружинина Н.П. и др. Метод комплексной ординации в ландшафтоведении и биогеоценологии // Докл. Ин-та географии Сибири и Дальнего Востока. 1967 б. — Вып. 14. — С. 317.

143. Сочава В.Б. Геотопология как раздел учения о геосистемах // Топологические аспекты учения о геосистемах. — Новосибирск: Наука, 1974 а.-С. 3-86.

144. Сочава В.Б., Крауклис A.A., Снытко В.А. К унификации понятий и терминов, используемых при комплексных исследований ландшафта // Докл. Ин-та географии Сибири и Дальн. Востока. 1974 б. - Вып. 42. — С.З-9.

145. Сочава В.Б. Ведение в учение о геосистемах. — Новосибирск: Наука, 1978.-318 с.

146. Сошникова JI.A., Тамашевич В.Н., Уебе Г., Шеффер М. Многомерный статистический анализ в экономике. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 1999.-598 с.

147. Структура, функционирование и эволюция горных ландшафтов Западного Прибайкалья / Под. ред. В.А. Снытко. — Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2005. 124 с.

148. Суворов Е.Г. Исследования антропогенных изменений геосистем Причунских ландшафтов // Изучение состояний таежных геосистем. Под ред. A.A. Крауклиса. Иркутск: ИГ СО АН СССР, 1980.

149. Суслов С.П. Физическая география СССР. — M. — JL: Гос. учебно-педагогическое изд-во Мин. Просвищения РСФСР, 1947. — 544 с

150. Толмачев А.И. К Истории возникновения и развития темнохвойной тайги. М. -Л.: Изд-во АН СССР, 1954. - 156 с.

151. Тоффоли Т., Марголус Н. Машины клеточных автоматов. — М.: Мир, 1991.-280 с.

152. Тютюнник Ю.Г. К методологии антропогенного ландшафтоведения // География и природ, ресурсы. 1989. - № 4. - С. 130 - 135.

153. Устойчивость геосистем / Под. ред. А.Д. Арманда, И.Ю. Долгушина. -М.: Наука, 1983.-90 с.

154. Фалалеев Э.Н. Пихтовые леса Сибири и их комплексное использование. -М.: Лесная промышленность, 1964. — 166 с.

155. Фролов A.A., Черкашин А.К. Клеточные автоматы — модели эволюционного картографирования ландшафтов юга Восточной Сибири // Информационные и математические технологии в науке и управлении. Часть I. Иркутск.: ИСЭ СО РАН, 2007а. - С. 231 - 239.

156. Фролов A.A., Черкашин А.К. Эволюционное картографирование изменчивости геосистем Предбайкалья // Устойчивое развитие территории: теория ГИС и практический опыт. Том II. — Ханты-Мансийск: Полиграфист, 2007 б. С. 177 - 184.

157. Фролов A.A., Черкашин А.К. Эволюционное картографирование изменчивости ландшафтов Юга Восточной Сибири // XIII научное совещание географов Сибири и Дальнего Востока. Том И. Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2007 в. - С. 134 - 135.

158. Фролов A.A. Моделирование локального взаимодействия геосистем с использованием клеточного автомата // Системы географических знаний. Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2008. - С. 103 - 104.

159. Фролов A.A., Черкашин А.К. Эволюционное геоинформационное моделирование и картографирование // Геодезия и картография. — 2009. — №6.-С. 40-45.

160. Фролов A.A. Гомология в моделировании эволюции геосистем / Гомология и гомотопия географических систем. — Новосибирск: Изд-во ГЕО, 2009. С. 250 - 260.

161. Фролов A.A. Прогнозное картографирование изменений ландшафтной структуры Прибайкалья при потеплении климата // Геодезия и картография. 2010а. - № 9. - С. 27 - 32.

162. Фролов A.A. Прогнозирование изменений ландшафтной структуры Предбайкалья при потеплении климата // Динамика геосистем и оптимизация природопользования. — Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН. 20106. - С. 221 - 224.

163. Фролов A.A. Влияние предприятий Шелеховского промышленного узла на лесные биогеоценозы // Природа и общество: взгляд из прошлого в будущее. Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2011а. - С. 176 -178.

164. Фролов A.A. Методологические принципы прогнозирования геомной структуры территории Предбайкалья при климатических изменениях // Природа и общество: взгляд из прошлого в будущее. — Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 20116. С. 56 - 57.

165. Фролов A.A. Принципы прогнозирования геомной структуры Предбайкалья при изменении климата // География и природ, ресурсы. — 2011в. -№ 3. С. 133-141.

166. Фролов A.A. Абсолютная высота — комплексный фактор изменчивости ландшафтов // Материалы XIV Совещания географов

167. Сибири и Дальнего Востока. — Владивосток: Дальнаука, 2011г. С.274 — 276.

168. Фуряев В.В. Киреев Д.М. Изучение послепожарной динамики лесов на ландшафтной основе. — Новосибирск: Наука, 1979. — 159 с.

169. Харари Ф. Теория графов. М.: Изд-во «УРСС», 2003. - 296 с.

170. Царегородцев В.Г., Назимова Д.И. Нейросетевой анализ и моделирование современных связей климата и растительности // Современные подходы к интеграции информационных технологий. — Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2001. С. 157 - 165.

171. Цетлин M.JI. Исследования по теории автоматов и моделирование биологических систем. — М.: Наука, 1969. — 316 с.

172. Черкашин А.К. Полисистемный анализ и синтез. Приложение в географии. — Новосибирск: Наука, 1997. — 502 с.

173. Черкашин А.К. Полисистемное моделирование. — Новосибирск: Наука, 2005 а. 280 с.

174. Черкашин А.К., Истомина Е.А. Математические модели географического комплекса и их применение для анализа космической информации // Изв. РАН, сер. геогр. 2005 б - №2. - С. 103-113.

175. Черкашин А.К., Коновалова Т.И., Бессолицына Е.П. и др. Ландшафтно-интерпретационное картографирование Новосибирск: Наука, 2005 в. - 424 с.

176. Шамшаева В.Ф., Кулижский С.П., Танзыбаев М.Г. Топогенные закономерности распределения почв в озерных котловинах Хакасии //

177. Современные проблемы почвоведения в Сибири: Мат-лы Международ, науч. конф. Томск: Изд-во ТГУ, 2000. - Т. 2. - С. 474 - 478.

178. Экология урбанизированных территорий / Под. ред. В.А. Попова. — Казань: Изд-во Казанского ун-та, 1987. — 103 с.

179. Эшби У.Р. Введение в кибернетику. — М.: Изд-во иностранной литературы, 1959. 544 с.

180. Campbell J. В. Introduction to Remote Sensing. New York: Guildford Press, 2006. - 626 p.

181. Gessler, P. E. , Moore (deceased), I. D. , Mckenzie, N. J. and Ryan, P. J. Soil-landscape modelling and spatial prediction of soil attributes, International Journal of Geographical Information Science, 9: 4, 1995, 421 432.

182. Graniero, Phil A., Robinson, Vincent B. A probe mechanism to couple spatially explicit agents and landscape models in an integrated modelling framework, International Journal of Geographical Information Science, 20: 9, 2006, 965 — 990.

183. Kohonen T. Self-organizing maps. — Springer Series in Information Sciences, Vol. 30, Springer, Berlin, Heidelberg, New York: 2001. — 501 p.

184. Sinvhal S. Mapping Textures on 3D Terrains: A Hybrid Cellular Automata Approach. Roorkee: Indian Institute of Technology, 2005. -http://research.cs.tamu.edu/keyser/Papers/SinvhalThesis.pdf.

185. Tobler W. R. Cellular geography // Philosophy in Geography, S. Gale and G. Olsson (eds.). Dordrecht: D. Reidel Publishing Company, 2004. — p. 379 -386.

186. Vinogradov B.V., Cherkashin A.K., Gornov A.Yu., Kulik K.N. Dynamic monitoring of degradation and restoration of pastures in the Black Lands of Kalmykia // Probl-Desert-Dev. New York, N.Y.: Allerton Press. 1990. - N1. -p. 7-14.

187. Wang, Siyuan, Ding, Chibiao and Liu, Jingshi. Landscape evolution in the Yellow River Basin using satellite remote sensing and GIS during the past decade, International Journal of Remote Sensing, 30: 21, 2009, 5573 5591.1АЪ