Основания системного подхода при изучении геосиситем и их компонентов

Общие понятия и принципы системного анализа

Конспект лекций

Специальность 020804 геоэкология

Лектор:

Кустов М.В., доцент, к.г.н., доцент

Одобрен на заседании кафедры

«___» _________ 200 __ г. протокол № _________

Саранск

СТРУКТУРА

конспекта лекций по дисциплине Системная экология

Лекция № 1

Основные вопросы, рассматриваемые на лекции:

1. Основания системного подхода при изучении геосиситем и их компонентов.

2. Понятие сложной системы, характеристики сложных систем.

3. Этапы системного анализа.

4. Системный анализ и моделирование в географии.

Приложение системного анализа к экологии известно под названием системной экологии(СЭ).

Системный анализ [СА] представляет собой дисциплину, разрабатывающую способы исследования разнооб­разных сложных систем или ситуаций при нечетко постав­ленных целях (критериях). [Пэнтл Р, 1979] СА - упорядоченная и логическая организация дан­ных и информации в виде моделей, сопровождающаяся строгой проверкой и анализом самих моделей, необходи­мыми для их верификации и последующего улучшения [Джефферс Дж., 1981]. Модели - формальные описа­ния основных элементов естественнонаучной проблемы в физических или математических терминах.

Что такое СА? Вопреки представлениям многих экологов, СА не есть какой-то математический метод и даже не группа математических методов. Это широкая стратегия научного поиска, которая, конечно, использует математи­ческий аппарат и математические концепции, но в рамках систематизированного научного подхода к решению слож­ных проблем. По существу СА организует наши знания об объекте таким образом, чтобы помочь вы­брать нужную стратегию или предсказать результаты одной или нескольких стратегий, которые представляются целесообразными тем, кто должен принимать решения.

Существует очевидное противоречие между огромным объемом фактических материалов, накопленных географическими науками по отдельным компонентам природы, и ограниченными методологическими и методическими возможностями их обобщения и осмысления. В процессе решения методических задач возникают следующие методологические вопросы, ответы на которые имеют прин­ципиальное значение.

1. Как и какими методами осуществить анализ фактического материа­ла, чтобы результаты отражали не только простейшие закономерно­сти, получаемые при сопоставлении обобщенных средних значений, а максимально полно отображали бы многообразие существующих от­ношений?

2. С помощью какого метода можно осуществить не только анализ предмета исследования, но и синтез такой его модели, которая давала бы возможность предсказывать состояния изучаемого объекта в задан­ных условиях среды?

3. Каковы условия сопоставимости при анализе характеристик различ­ных компонентов природных систем и внешних условий среды?

4. На основе каких методологических приемов можно не только кон­статировать факт тех или иных отношений между изучаемыми явлениями, но и исследовать причины, порождающие эти отношения?

5. Для каких реальных природных условий справедливы результаты конкретного анализа реального объекта и построенная на основе такого анализа математическая модель этого объекта?

2. Понятие сложной системы, характеристики сложных систем. Для решения этих вопросов, пришлось обратиться к общей теории систем, особенно к тем ее разделам, которые прямо связаны с проблемами отображения реальных систем в конкретных исследованиях.

Истоки системного анализа, как общенаучного подхода ориентированного на проведение междисциплинарных (комп­лексных) исследований в различных областях человеческого знания, восходят к началу XX века. Его основы, как теоре­тической дисциплины, были заложены А.А.Богдановым. Л. Берталанфи.

Понятие системы всегда было атрибутом географии и экологии. Так, еще в 1922 г. Л.С. Берг в работе по теории эволюции рассматривал особенности живого с чисто системных позиций. "Система есть агрегат, приведенный в порядок. В каждой сис­теме можно наблюдать известное закономерное отношение одних эле­ментов к другим" [Л.С. Берг, 1922; цит. по изд. 1977, с. 46]. Агрегат понимается Бергом как "беспорядочное скопление материи, где распо­ложения одних элементов в отношении других подчинено закону слу­чайности".

Как бы ни была определена система, всегда мыс­лится некоторое множество элементов и какое-то системообразующее отношение. Все различия сводятся лишь к использованию различных системообразующих отношений.

Для систем, образованных из чрезвычайно боль­шого числа компонентов, взаимодействие, взятое в его общем виде, не может сформировать систему из "множества компонентов" [Ано­хин, 1973, с. 28]. В таких случаях целесооб­разно определять систему через системообразующий фактор, который в конечном итоге выражает результат ее функционирования. "Системой можно назвать только такой комплекс избирательно вовлеченных компонентов, у которых взаимодействия и взаимоотношения приобре­тают характер взаимосодействия компонентов на получение фокусиро­ванного полезного результата".

Это определение по смыслу почти полностью совпадает с "машиной" Л.С. Берга, под которой он понимал определенный класс систем "Ма­шина есть такая система тел, в которой отдельные элементы образуют единое целое, т.е. являются органами, служащими для выполнения из­вестной цели. Одним из видов машин является организм".

Если пренебречь спецификой конструкции этого определения, то его можно свести к общему случаю: имеется множество компонентов (элементов) и имеются отношения "взаимодействия" и "фокусирования" на множестве возможных результатов. Следовательно, все множест­во, на котором задана система этого класса, включает не только множе­ство компонентов самой системы, но и некоторое множество компо­нентов внешней среды, на котором оценивается конкретный результат.

Конкретные системы образуются не только через конкретизацию вида отношений, но и через определение свойств эле­ментов. Свойство – то, что присуще предметам, что отличает их от других предметов или делает их похожими на другие предметы. Каждый предмет обладает бесконечным множеством свойств. Таким образом, пред­мет нельзя исчерпывающе описать через его свойства. Два предмета, описываемые двумя различными конечными подмножествами свойств, могут быть в одном случае различны, в другом тождественны. Вместе с тем свойства есть объективный атрибут любого предмета.

Итак, существуют реальные объекты, реальные системы, обладающие бесконечным множеством свойств. Пред­мет исследования как формальная система выделяется на основе лишь ограниченного, конечного множества свойств. Выбор этого конечного множества определяется целью исследования и техническими возможностями. Различные цели - делают необходимым рассмотрение различных свойств, а значит соответственно делают необходимым и выделение различных формальных систем, описывающих с различных позиций одну и ту же реальную систему.

Следовательно, во всех случаях, реализуя системный подход, прежде всего необходимо сформулировать цель конкретного исследования; далее необходимо, исходя из этой цели и возможностей наблюдения, определить множество свойств, потенциально описывающих каждый элемент множества наблюдаемых объектов или явлений; далее, необходимо определить элемент и множество и ввести или определить сущест­вующее между ними отношение.

Если на множестве элементов не осуществляется выделение подмно­жеств, то может быть введено отношение частичного или полного упоря­дочивания элементов по некоторым свойствам. Введение отношения по­рядка очевидным образом вводит структуру.

Обобщая пути выделения систем в географии, Н.А. Гвоздецкий назы­вает два основных: "Первый путь – выделение геосистем как особых физико-географических комплексов, объединяемых в функционально-целостные системы односторонне направленными потоками вещества и энергии. Второй путь — рассмотрение в качестве геосистем традиционно выделяемых в физической географии типологических и региональных единиц" [1977, с. 62-64]. Для первого пути основным системообразую­щим отношением служит некоторая функция, определяющая соответ­ствие между элементами в пространстве (например, трансформация энер­гии или вещества). При втором пути геосистемы выделяются на основе объединения территориально соседствующих элементов отношением подобия.

При выделении конкрет­ных систем ведущее значение приобретает цель исследования, и в конеч­ном итоге именно она определяет избираемые системообразующие отно­шения, свойства элементов и объем рассматриваемого множества.

Общая цель исследования формальных систем как некоторых абстракт­ных отображений реальной природы заключается, во-первых, в описании их функций и структуры и, во-вторых, в установлении связи структуры с качеством и особенностями реализации каждой из конкретных функций. Совокупность таких действий приводит к созданию некоторой модели реальной системы, т.е. к формулировке представлений, достаточных для предсказания поведения реального объекта. Предсказание поведения создает возможность управления объектом.

Оставаясь в рамках системного подхода, можно реализовать два пути: вo-пepвыx, пoльзyяcь некоторыми априорными прeдстaвлeниями об отношениях, построить некоторую систему-модель и осуществить проверку ее соответствия реальному объекту, выделенному на тождественном множестве свойств, и во вторых определив некоторое множество элементов и их свойств, попытаться, отказавшись первоначально от априорных представлений, построить модель, непосредственно исследуя поведение системы.

Свойство управлять чем-то или своим собственным состояни­ем – обязательный атрибут любой системы. Управляет ли система внеш­ним по отношению к ней объектом или управляет сама собой, зависит как от ее типа, так и от условий ее определения. Понятие "управляющая" акцентирует внимание в первую очередь на изучение наиболее существенных свойств системы.

Управляющая система задаётся элементами, схемой и координатами. Как было показано выше, элементы определяются через их свойства. Схема показывает характер соединения между элементами, а координа­ты – относительное положение этих элементов. Применительно к геосис­темам совокупность элементов, схемы и координат определяет структу­ру системы. Какого типа будет рассматриваемая структура, зависит от способа, каким будут заданы координаты. Например, функционально-трофическая структура экосистемы подразумевает выделение элементов по свойству питания и определенную последовательность их соединения. Схемой в этом случае являются ребра графа, соединяющие элементы по трофическим связям, в координатой может быть, например, по­рядок поступления вещества и энергии к элементам системы. Но мо­гут быть введены другие координаты, например вторая определит место каждого элемента по количеству трансформированной энергии, третья – вещества, четвертая – приращению энергии за единицу време­ни и т.д.

Любая управляющая система не мыслится без понятия функции. В наиболее общем случае функция есть отображение одного множест­ва в другом. Применительно к реальным объектам это определение в принципе сохраняет свою силу. Так, если на множестве свойств каких-либо элементов задано множество их состояний, то функция устанавли­вает соответствие (не обязательно однозначное) между состояниями этих элементов. В качестве функции управляющей системы в целом мо­жет рассматриваться отображение множества состояний входов на мно­жество состояний выходов. Такое отображение дает представление о по­ведении системы.

Система может обладать многими функциями, каждая из которых дает отображение состояний входов на множество состояний одного из выхо­дов. Функция, которая обеспечивает постоянство (инвариантность) некоторого состояния или конечного множества состояний на выходе системы при всем разнообразии комбинаций состояний на входах, может быть определена как целевая. Иными словами, целевая функция это та функция, которая в самых разнообразных условиях среды обеспечивает сохранение определенного состояния системы или переход в это состояние.

Цель технических управляющих систем формулируется заранее перед их созданием, и в конечном итоге именно она и определяет структуру самой системы. Что касается природных систем, то, во-первых, они могут иметь несколько целей, а во-вторых, эти цели часто не явны и исследова­телю не известны. При изучении таких объектов основная задача и заклю­чается в установлении их целевой функции. Однако достаточно часто для таких систем, так же как и для технических, целевая функция, исходя из общих соображений, вводится до начала исследований. Так, считается, что цель фитоценоза – максимизация продуктивности, но с других пози­ций цель этой же системы может быть определена как максимизация инвариантности к возмущениям внешней среды, или максимизация устойчивости.

Введение цели в управляющую систему обязательно и потому, что только цель дает возможность оптимизировать систему для реализации заданной цели. Именно с таких позиций подходит, например, к логичес­кому построению пространственной и временной структуры геосистемы В.Н. Солнцев [1976]. В качестве целевой функции геосистемы им в неяв­ном виде вводится "целостность" системы и устойчивость ее свойств и процессов в природных взаимодействиях. Действительно, если бы этого не было, то выделение геосистемы как относительно замкнутого образо­вания было бы невозможно.

Из наиболее существенных черт системы отметим следующие:

1) система состоит из отдельных частей (элементов), между которыми устанавливаются определенные взаимоотно­шения (связи);

2) наборы элементов образуют подсистемы;

3) система обладает определенной структурой, под кото­рой понимается набор элементов системы и характер связи между ними;

4) каждая система может рассматриваться как часть системы более высокого порядка (принцип иерархичности);

5)система имеет определенные границы, характеризу­ющие ее обособленность от окружающей среды:

6) по степени "прозрачности" границ системы разделя­ются на открытые и закрытые:

7) связи классифицируются на внутрисистемные и меж­системные. положительные и отрицательные, прямые и обрат­ные:

8) система характеризуется устойчивостью, степенью са­моорганизации и саморегуляции.

Новые идеи самоорганизации систем были предложены в 70-е годы нашего столетия И. Пригожиным. Среди них важным было положение не о статическом, а динамическом характере многих систем, с особой силой проявляющееся в системах открытого типа. Самоорганизацию системы И. Пригожин рассматривает как результат неравновесных сос­тояний. Теория самоорганизации систем называется синергетикой. В отличие от кибернетики, в которой основное внимание уделяется изучению процессов управления и обмена информацией, синергетика изучает математическими методами процессы самоорганизации различных систем (физических, экологических и т.д.).

Центральное место в СА занимает моделирование. Модель ­– это объект (материальный. идеальный), который воспроизводит наиболее существенные черты и свойства рассматриваемого явления или процесса. Целью построения модели является получение и/или расширение знаний об исследуемом объекте.

3. Этапы системного анализа. При использовании системного анализа в решении практических задач экологии выделяется семь этапов. Эти этапы и их взаимосвязь схематически представлены на рис. 1.1 и вкратце описаны ниже.

Рис. 1.1 – Этапы системного анализа и их взаимосвязь

1. Выбор проблемы. Осознание того, что существует некая проблема (или совокупность взаимосвязанных проблем), которую можно исследовать с помощью СА и которая достаточно важна для детального изучения, не всегда ока­зывается тривиальным шагом. Как показывает горький опыт, удивительно легко просмотреть какие-то практиче­ские аспекты экологии, которые необходимо было учесть, и не менее легко поверить, что общепринятые представле­ния об экологических процессах и системах истинны уже потому, что они широко распространены. Однако осозна­ние того, что исследование действительно необходимо, столь же важно, как и выбор правильного метода исследо­вания. С одной стороны, можно взяться, за решение проб­лемы, не поддающейся СА, а с другой — выбрать проблему, которая не требует для своего решения всей мощи СА и изучать которую данным методом было бы неэкономично. Такая двойственность первого этапа делает его критическим для успеха или неудачи всего исследования.

2. Постановка задачи и ограничение степени ее сложности. Коль скоро существование проблемы осознано, требу­ется упростить задачу настолько, чтобы она скорее всего имела аналитическое решение, сохраняя в то же время все те элементы, которые делают проблему достаточно интересной для практического изучения. Здесь мы вновь имеем дело с критическим этапом любого системного ис­следования. Вывод о том, стоит ли рассматривать тот или иной аспект данной проблемы, а также результаты сопос­тавления значимости конкретного аспекта для аналитиче­ского отражения ситуации с его ролью в усложнении за­дачи, которое вполне может сделать ее неразрешимой, часто зависит от накопленного опыта в применении СА. Именно на этом этапе опытный специа­лист по СА может внести наиболее весо­мый вклад в решение проблемы. Успех или неудача всего исследования во многом зависят от тонкого равновесии между упрощением и усложнением — равновесия, при ко­тором сохранены все связи с исходной проблемой, доста­точные для того, чтобы аналитическое решение поддава­лось интерпретации. Не один заманчивый проект оказы­вался в конце концов неосуществленным из-за того, что принятый уровень сложности затруднял последующее моделирование, не позволяя получить решение. И напро­тив, в результате многих системных исследований, выполненных в самых разных областях экологии, были получе­ны тривиальные решения задач, которые на самом деле составляли лишь подмножества исходных проблем.

На этапе постановка задачи необходимо, как правило, перейти от достаточно об­щей формулировки задачи к осмысливанию имеющихся дан­ных и возможностей, к познанию того, чем можно управлять, а чем нельзя, к качественному представлению о компонентах системы и их взаимосвязи.

3. Установление иерархии целей и задач. После постановки задачи и ограничения степени ее сложности можно приступать к установлению целей и за­дач исследования. Обычно эти цели и задачи образуют не­кую иерархию, причем основные задачи последовательно подразделяются на ряд второстепенных. В такой иерархии необходимо определить приоритеты различных стадий и соотнести их с теми усилиями, которые необходимо при­ложить для достижения поставленных целей. Таким обра­зом, в сложном исследовании специалист по СА может присвоить сравнительно малый приоритет тем целям и задачам, которые, хотя и важны с точки зре­ния получения научной информации, довольно слабо вли­яют на вид решений, принимаемых относительно воздей­ствий на экосистему и управления ею. В иной ситуации, когда данная задача составляет часть программы какого-то фундаментального исследования, исследователь заведомо ограничен определенными формами управления и концен­трирует максимум усилий на задачах, которые непосред­ственно связаны с самими экологическими процессами. Во всяком случае, для плодотворного применения СА очень важно, чтобы приоритеты, присвоенные различным задачам, были четко определены.

4. Выбор путей решения задачи. На данном этапе исследователь обычно может выбрать несколько путей решения проблемы. Как правило, опытному спе­циалисту СА сразу видны семейства возможных решений конкретных задач. В общем случае он будет искать наиболее общее аналитическое решение, поскольку это позволит максимально использовать резуль­таты исследования аналогичных задач и соответствующий математический аппарат. Каждая конкретная задача обычно может быть решена более чем одним способом. И вновь выбор семейства, в рамках которого следует ис­кать аналитическое решение, зависит от опыта специалис­та по СА. Неопытный исследователь может затратить много времени и денег в бесплодных попытках применить решение из какого-то семейства, не сознавая, что это решение получено при допущениях, не справедливых для того частного случая, с которым он имеет дело. Аналитик же часто, разрабатывает несколько альтернативных решений и только позже останавливается на том из них, которое лучше подходит для его задачи.

5. Моделирование. После того как проанализированы подходящие аль­тернативы, можно приступать к важному этапу моделиро­вания сложных динамических взаимосвязей между раз­личными аспектами проблемы. При этом необходимо пом­нить, что моделируемым процессам, а также механизмам обратной связи присуща внутренняя неопределенность, а это может значительно усложнить как понимание систе­мы, так и ее управляемость. Кроме того, в самом процессе моделирования нужно учитывать сложный ряд правил, которые необходимо будет соблюдать при выработке ре­шения о подходящей стратегии.

На этапе моделирования и ана­лиза необходимо от качественного описания системы перейти к количественному.

6. Оценка возможных стратегий. На этапе оценки возможных вариантов решения должна быть дана оценка возможных вариантов решения по степени их предпочтительности.

Как только моделирование доведено до стадии, на ко­торой модель можно (по крайней мере, предварительно) использовать, начинается этап оценки потенциальных стратегий, полученных из модели. В ходе этой оценки исследуется чувствительность результатов к допущениям, сделанным при построении модели, поскольку правомоч­ность этих допущений можно проверить лишь в процессе использования модели. Если окажется, что основные до­пущения некорректны, возможно, придется вернуться к этапу моделирования, но часто удается улучшить модель, незначительно модифицировав исходный вариант. Обычно необходимо также исследовать «чувствительность» моде­ли к тем аспектам проблемы, которые были исключены из формального анализа на втором этапе, т. е. когда стави­лась задача и ограничивалась степень ее сложности.

7. Внедрение результатов. Заключительный этап СА представля­ет собой применение на практике результатов, которые были получены на предыдущих этапах. Если исследова­ние проводилось по вышеописанной схеме, то шаги, кото­рые необходимо для этого предпринять, будут достаточно очевидны. Тем не менее СА нельзя считать завершенным, пока исследование не дойдет до стадии практического применения, и именно в этом отношении многие выполненные ранее работы оказывались неполны­ми. В то же время как раз на последнем этапе может вы­явиться неполнота тех или иных стадий или необходимость их пересмотра, в результате чего понадобится еще раз пройти какие-то из уже завершенных этапов.

Поскольку СА представляет собой ско­рее способ мышления, нежели определенный набор рецеп­тов, приведенный выше перечень должен рассматриваться только как руководство к действию. При решении конк­ретных задач некоторые из этапов могут быть исключены или изменен порядок их следования; иногда придется по­вторить эти этапы в различных комбинациях. Например, может оказаться необходимым пересмотреть роль исключенных из рассмотрения факторов, что потребует пройти несколько раз стадии моделирования и оценки возможных стратегий.

Цель описанного выше многоэтапного системного ана­лиза состоит в том, чтобы помочь выбрать правильную стратегию при решении практических задач, в данном случае в области экологии. Структура этого анализа на­правлена на то, чтобы сосредоточить главные усилия на сложных и, как правило, крупномасштабных проблемах, не поддающихся решению более простыми методами ис­следования, например наблюдением и прямым экспери­ментированием. Из-за сложности проблем, для решения которых обычно применяется СА, послед­ний часто предполагает использование ЭВМ для обработ­ки и анализа данных, а также сложного математического аппарата для проведения выбора между альтернативными решениями. Однако ни использование ЭВМ, ни привле­чение математического аппарата, ни то и другое, вместе взятое, не является основной особенностью СА, как такового.

Особый вклад системного анализа в решение различ­ных проблем обусловлен тем, что он позволяет выявить те факторы и взаимосвязи, которые впоследствии могут оказаться весьма существенными, что он дает возмож­ность так видоизменять методику наблюдений и экспери­мент, чтобы включить эти факторы в рассмотрение, и освещает слабые места гипотез и допущений. Как науч­ный метод СА с его акцентом на проверку гипотез через эксперименты и строгие выборочные проце­дуры создает мощные инструменты познания физического мира и объединяет эти инструменты в систему гибкого, но строгого исследования сложных явлений.

Определив в общих чертах, что такое СА, выясним, почему мы вынуждены использовать его в экологии. Отчасти дело здесь в относительной сложности экологии как науки, имеющей дело с разнообразными взаимодействиями между огромным множеством организ­мов. Почти все эти взаимодействия динамические в том смысле, что они зависят от времени и постоянно изменя­ются. Более того, взаимодействия часто имеют ту особен­ность, которую в технике называют «обратной связью», т. е. характеризуются тем, что некоторые эффекты процес­са возвращаются к своему источнику или к предыдущей стадии, в результате чего эти эффекты усиливаются или видоизменяются. Обратные связи бывают положительны­ми (усиление эффекта) и отрицательными (ослабление эффекта). Сама обратная связь может быть достаточно сложной, включая в себя ряд положительных и отрица­тельных эффектов, а последствия могут зависеть от фак­торов внешней среды.

Есть, однако, и еще одно основание для применения СА в экологии. По самой своей природе экологическое исследование часто требует больших масш­табов времени.

Включая в себя самые различные аспекты системного подхода и допуская применение самого различного математического аппарата, такая схема упорядочивает весь процесс исследования от начальных этапов, когда существует лишь некоторая общая цель и самые общие представления об объектах, до формулировки конкретных гипотез и теории и их прак­тической проверки. Следует отметить, что эта схема не содержит в принципе ничего нового для естествоиспытателя, однако, постулируя последовательность решения задач и определяя основные подходы к их решению, она делает весь путь исследования более ясным и опреде­ленным.

Абстрактный матема­тический подход к изучению географических явлений дает огромные преимущества, так как позволяет увидеть не только часть проблемы или частный прием, а всю проблему в целом, весь возможный арсенал взаимо­связанных и взаимодополняющих приемов.

Если какое-то природное явление хорошо интерпретируется в рамках какого-либо формального языка, то есть все основания полагать, что множество частных результатов, вытекающих из аксиом и логической структуры этого формального языка, будет обнаружено и в самом этом природном явлении. Абстрактный математический подход в отличие от конкретного подхода например такого, каким пользуются сейчас геогра­фия и экология, позволяет при достаточно простых общих логико-мате­матических основаниях получить разнообразные частные следствия, сделать явным, контролируемым и конструктивным весь процесс иссле­дования. Но достижимо это лишь в том случае, если идеи математики и ее конкретные методы имеют глубокие аналогии с мышлением ес­тествоиспытателя и предметом исследования.

4. Системный анализ и моделирование в физической географии. Системный подход в физической географии органично вписался в существовавшие представления о взаимодействии природных компонентов в рамках природных территориальных комплексов. Большая заслуга в развитии системной методоло­гии в географических исследованиях принадлежит таким оте­чественным географам, как В.Б.Сочава. В.С. Преображенский. А.Д. Арманд. К.Н. Дьяконов. Ю.Г. Пузаченко, А.О. Ретеюм. Ю.Г.Симонов, В.Н. Солнцев и другие Из зарубежных иссле­дований по системному анализу наиболее известны работы Р.Чорли и В. Кеннеди. И. Крхо. Я. Дерека.

Методология системного анализа используется для изучения функционирования геосистем. Функционирование геосистем происходит в условиях обмена вещества, энергии и информации с окружающей средой. Благодаря наличию обратных связей, геосистемы являются саморегулируемыми системами.

Существенное значение для географических систем приобретает такой важнейший постулат системного анализа, как принцип иерархичности систем и эмерджентности (каждая система благодаря взаимодействию отдельных элементов системы есть нечто большее, чем набор ее частей).

Для систем, геосистем в особенности, характерно нали­чие как детерминированных, так и случайных факторов в развитии системы.

В настоящее время наблюдается наиболее актив­ный период в развитии системного анализа, что связано с ис­пользованием ЭВМ для организации банков данных, обработки информации методами компьютерного моделирования. Мето­ды системного анализа востребованы прежде всего там, где требуется всесторонний анализ изучаемого явления или процесса для выбора наиболее оптимальной стратегии управления.

Подробный анализ различных моделей и принципов их конструирования применительно к географическим объ­ектам осуществлен А.Д. Армандом, О.Г. Симоновым, В.С. Преображенским и др.

Наибольшее развитие в географии нашли методы статисти­ческого моделирования (корреляционный, регрессионный, факторный анализ), вызванные необходимостью обработки экспериментальных данных, полученных на географических стационарах. Эти методы позволили выполнить работы, свя­занные с оценкой межкомпонентных связей ПТК различных рангов, анализом пространственно-временных состоя­ний вещества в геосистемах.

Благодаря исследованиям Ю.Г. Пузаченко и А.Д. Ар­манда большую популярность получил метод информацион­ного анализа, используемый для изучения структуры ПТК.

Географическое прогнозирование выдвинуло в число пер­воочередных задач создание методологии географического моделирования как основы прогнозных оценок, разработку теории принятия решений в географических экспертизах и определение их роли в географическом прогнозе.

Важной частью прогнозных исследований явилось постро­ение графически представленных моделей функционирова­ния геосистем (моносистемных по терминологии В.С. Пре­ображенского) с выделением прямых и обратных связей и оценкой этих связей (коэффициент корреляции, информа­ционный коэффициент связи).

Получили развитие различные динамические модели – начи­ная от простых балансовых и заканчивая моделями, основан­ными на регрессионных зависимостях или дифференциальных уравнениях. Необходимо отметить, что модели процессов массоэнергообмена на уровне отдельных элементов геосисте­мы создаются прежде всего различными отраслевыми дисцип­линами (физика почв, геоморфология, гидрология и т.д.). Что касается ландшафтного моделирования, оно заимствует кон­кретные модели, разработанные в этих дисциплинах (миграция в почвах, поверхностный смыв и т.д.) и интегрирует их в обобщенную систему моделирования и анализа ландшафтных структур.

В настоящее время значительное развитие получает физи­ко-математические модели массоэнергообмена в ландшаф­те, использующие аппарат математической физики. Вмес­те с тем все большую роль приобретают географические принципы построения моделей, использующие геоинформационную технологию.

В середине 80-ых годов начинается новый этап а географи­ческом моделировании как следствие появления персональ­ных электронно-вычислительных машин (ПЭВМ), обладав­ших дружественным интерфейсом пользователя, широко раз­витыми средствами математического анализа, включающими электронные таблицы, различные пакеты по обработке данных и моделированию. От пользователя уже не требуется специальных знаний по компьютерному моделированию, но при этом повышается роль географа как постановщика задач мо­делирования и интерпретатора получаемых результатов

Создание геоинформационных систем позволило проводить географическое моделирование в привычном для географа виде – картографическом. Геоинформационная техно­логия обеспечивает наиболее привычный для географа ин­струментарий исследования, так как моделирование выпол­няется на картографической основе.

Это создало принципиально новую ситуацию и возможности географического моделирования. При традиционном эколо­гическом подходе моделирование выполняется для каждого контура в отдельности, исходя из понимания его как одно­родной по условиям функционирования среды. Ландшафтный подход исходит из признания реально существующей сложности географического пространства, в котором происходят процессы миграции. Поэтому при моделировании миграции ве­ществ на базе ландшафтного подхода главным становится вы­бор в качестве операционных единиц не отдельных конту­ров, а того гетерогенного набора взаимодействующих морфологических частей ландшафта, между которыми происходит перераспределение мигрирующих элементов в ре­зультате действия таких факторов, как ветровая и водная эрозия, биогенный перенос, техногенная деятельность.

При таком подходе принципиальное значение приобретает изучение не только "функционирования" элементарных природ­ных систем, но и "геометрия" потоков мигрирующих веществ. Такое моделирование возможно только на картографической основе, использующей различные модели организации природных систем (морфологии ландшафта, каскадных сис­тем и т.д.).

Использование компьютеров в географических исследова­ниях коренным образом меняет технологию сбора, подготов­ки и обработки информации. Географическое моделирование начинается уже с планирования полевых исследований, выбо­ра репрезентативной сети измеряемых параметров в зависи­мости от решаемой задачи, т.е. сбор данных выполняется "под модель".

Существенное значение в информационном обеспечении ге­ографических моделей имеет представительность и точность измерений параметров геосистем. С внедрением компыотеров, в особенности персональных, резко повышаются требо­вания к качеству географической информации заносимой в ГИС с целью дальнейшей обработки.

Кроме того, если ранее географ отдавал предпочтение какому-либо одному методу (одна модель), что часто отра­жалось в приверженности к конкретной научной школе, то ис­пользование компьютеров создает условия проведения анализа на основе нескольких моделей (многовариантность моделирования). Этим объясняется необходимость планиро­вания компьютерных экспериментов для получения знаний о свойствах и характере поведения исследуемого объекта на основе различных моделей.

Использование ЭВМ позволяет изучить на модели такие процессы, которые невозможно воспроизвести в натуре, на­пример. последствия "ядерной зимы", вызванные атомной войной. Компьютерное моделирование глобального ядерного конфликта показало бесперспективность гонки ядерных вооружений, грозящей превратить Землю в безжизненную ядерную пустыню, в том числе и для стран, не участвующих в конфликте.

Лекция № 2

Дата добавления: 2014-11-06