Новости

На правах, рукописи

САВЕЛЬЕВ АНАТОЛИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

БИОХОРОЛОГИЧЕСКОЕ РАЗНООБРАЗИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ
ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА
(ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЙ ПОДХОД)

03.00.16 -экология

АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора биологических наук

КАЗАНЬ - 2004

Работа выполнена на кафедре моделирования экологических систем экологического факультета Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский государственный университет им. В.И. Ульянова-Ленина»

Защита диссертации состоится 28 октября 2004 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного Совета Д 212.081.19 при Казанском государственном университете по адресу: 420008 г. Казань, ул. Кремлевская, д. 18

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного университета

Автореферат разослан 14 сентября 2004 г.

Актуальность работы. Глобальная проблема сохранения биоразнообразия (в рамках видов, между видами и разнообразия экосистем) была осознана человечеством в прошлом веке, что привело к выработке международным сообществом Конвенции о Биологическом Разнообразии и разработке национальных стратегий изучения и охраны флоры и фауны отдельных территорий. Все возрастающее антропогенное давление на природу разрушает исторически сложившиеся ландшафтно-экологические закономерности, ведет к исчезновению видов, уничтожению и дигрессивному разрушению природных экосистем. Дальнейшее сокращение биоразнообразия может привести к дестабилизации биологических сообществ, утрате способности биоты поддерживать важнейшие функции биосферы и ее целостность. В результате необратимого перехода биосферы в новое состояние условия жизни на планете могут оказаться непригодными для человека.

Все вышесказанное относится и к сосудистым растениям, которые играют важнейшую экологическую роль в биосфере с точки зрения существования и устойчивости наземных экосистем на всех уровнях, от топологического до глобального, что делает несомненно актуальной задачу изучения, оценки и моделирования их пространственного распространения. Ее успешное решение требует не только сбора и накопления значительного по объему фактологического материала, но и его осмысления с целью выявления региональных и экотопологических закономерностей структуры растительного покрова, теоретико-методической проработки вопросов обеспечения корректного пространственного анализа и моделирования.

Возросшая в последнее время доступность и полнота данных об окружающей среде, в первую очередь данных дистанционного зондирования Земли (ДДЗЗ), создание компьютерных баз данных о растительности (базы данных геоботанических описаний, типов растительных сообществ, пространственных единиц растительности), а также современные вычислительные и информационные технологии открывают новые возможности для решения проблем сохранения биоразнообразия и контроля состояния экосистем на всех уровнях. Это касается и возможностей построения оценочных и прогностических пространственных моделей растительности с детальностью до отдельных видов на основе математического аппарата пространственного анализа и моделирования.

В диссертации представлены результаты исследований и разработок автора в области пространственного анализа и моделирования геосистем в рамках основного научного направления экологического факультета Казанского государственного университета по теме «Пространственно-функциональная структура флоры и растительности фрагментированных ландшафтов зонального экотона», регистрационный номер 01.200.120118. Отдельные аспекты исследований поддержаны грантами Российского Фонда Фундаментальных Исследований (РФФИ) 1995-1997 гг. по теме: "Эрозия почв на востоке Русской равнины" (№ 95-05-153802), РФФИ 2003-2004гг. по теме: "Динамика пространственной структуры биоразнообразия экологических регионов РТ" (№ 03-04-96235), и Всемирного фонда дикой природы 2003г. по теме «West Pacific Gray Whales conservation, Sachalin, Russia" (№ M3979/RU008203/GLP).

Цель и задачи работы. Целью работы явилось создание новых количественных моделей и методов для анализа и моделирования флористических данных на основе представлений о континуальности видового состава растительного покрова и стохастическом характере его пространственного распределения.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Создать вероятностную модель флористического состава растительных сообществ, формализующую современные экологические представления, и позволяющую количественно соотнести присутствие и сочетание видов с экологическими факторами, среды.
2. Разработать новые количественные и качественные методы анализа видового состава и его связи с экологическими факторами среды и на основе сравнения с имеющимися методами оценить их эффективность.
3. Создать новые количественные методы пространственного моделирования и прогнозирования распространения видов и единиц растительности, и определить область их применения в ряду существующих методов.
4. Предложить и реализовать для конкретных (модельных) территорий автоматизированные методы дешифровки ДДЗЗ с последующим созданием и актуализацией геоинформационных баз данных, включающих сведения о растительном покрове и экологических факторах среды.
5. Построить на основе разработанных вероятностных подходов пространственные модели полного флористического состава растительного покрова и оценить для модельной территории их эффективность по сравнению с известными способами.

Исходные материалы и методика исследований. Выбор территории Республики Татарстан (РТ), расположенной в пределах зонального экотона, в качестве модельной анализируемой, обусловлен выраженной дифференциацией ландшафтного разнообразия с наличием плавных изменений состава растительности и факторов среды природных комплексов, представляющих зональные фрагменты хвойных, хвойно-широколиственных, широколиственных лесов и лесостепи, что позволяет показать особенности предлагаемой вероятностной модели. Исходные данные были пространственно унифицированы и интегрированы автором в единую геоинформационную базу данных

В качестве фактологической основы работы использовались базы данных и электронные карты, созданные на Экологическом факультете КГУ при активном участии автора:

• база данных «Флора» (видовой состав растительного покрова)
• электронная ландшафтная карта Республики Татарстан масштаба 1:200 000,
• электронная карты гранулометрического состава почв масштаба 1:600 000,
• электронная карта элементарных речных бассейнов Республики Татарстан масштаба
• 1:200 000, климатические и гидрологические карты Республики Татарстан масштаба
• 1:3 000 000 (факторы среды).

Кроме того, использовались цифровая модель рельефа, полученная в результате топографической миссии космического челнока (совместный проект NASA и NIMA, США), и данные дистанционного зондирования Земли с приборов ТМ и ЕТМ+ (спутники Landsat) и MODIS (спутники EOS Terra), предоставленные ИТЦ СканЭкс (Москва).

В работе широко использовались разнообразные методы исследования: эколого-флористический, картографический, математического моделирования, методы математической статистики, многомерной классификации и пространственного анализа (в том числе с применением искусственных нейронных сетей). Обработка данных проводилась с использованием лицензионных программ "MS Access", "SURFER 7", "Maplnfo Professional 6.0", "STATGRAPHICS Plus", CANOCO, BioMapper и программного обеспечения, созданного автором.

Научная новизна и теоретическая значимость заключаются в решении крупной научной проблемы фундаментальной экологии, а именно в выявлении закономерностей формирования биохорологического разнообразия и создании комплексного подхода к моделированию растительного покрова и прогнозу его пространственной структуры в условиях зонального экотона.

Впервые на основе гипотезы об экологической индивидуальности видов сформулирована вероятностная модель флористического состава растительного покрова как совокупности индивидуальных стохастических откликов видов на экологические условия среды. Показана адекватность этой гипотезы фактическим данным, полученным на модельной территории.

На основе вероятностной модели разработаны методы моделирования флористического состава растительного покрова, базирующиеся на комплексном

использовании методов оценки отклика видов и учета пространственной стохастической составляющей их распределения.

Впервые предложен метод непрямого градиентного анализа растительных сообществ по флористическому составу, основанный на созданной вероятностной модели и методах построения топографических отображений видового состава на ординационную плоскость. Метод совмещает математическую классификацию и ординацию сообществ и позволяет отобразить континуальность изменения флористического состава.

Впервые для пространственного моделирования флористического состава растительного покрова на единой методической основе разработан и реализован в виде комплекса программ широкий спектр математических моделей, совмещающих традиционные подходы к моделированию отклика видов на факторы среды с геостатистическими методами учета типичной пространственной мозаики распределения видов и моделирования пространственной неопределенности.

Впервые показана возможность использования математического аппарата топографических отображений для автоматического моделирования и пространственной оценки видового состава растительного покрова непосредственно по данным ДДЗЗ без пересчета их в факторы среды.

Впервые реализован в геоинформационной базе данных алгоритм пространственной оценки полного видового состава растительного покрова (актуального пула видов), и выполнена такая оценка на модельную территорию.

Положения, выносимые на защипу:

1. Вероятностная модель флористического состава растительного покрова, основанная на гипотезе об экологической индивидуальности видов и на концепции континуума, адекватна имеющимся данным на модельную территорию.
2. Вероятностная модель обеспечивает развитие на единой основе как анализа и описания связи растительности и экологических факторов среды (градиентного анализа видов и сообществ), так и моделирование и пространственный прогноз флористического состава растительного покрова.
3. Непараметрические количественные методы эффективно описывают нелинейный и стохастичный отклики видов на градиенты факторов среды, в том числе при пространственном прогнозе.
4. Геостатистические методы, опирающиеся на теорию пространственных случайных процессов, адекватно описывают локальную пространственную мозаичность флористического состава растительного покрова, не объясненную моделями, использующими экологические факторы среды
5. Использование геоинформационных баз данных как о растительном покрове, так и о состоянии среды (в первую очередь ДДЗЗ), дает детальную пространственную оценку флористического состава растительного покрова в различных масштабах, в том числе и в автоматическом режиме.

Личный вклад автора. Вероятностная модель флористического состава растительного покрова и новые методы анализа и пространственного моделирования на ее основе, выносимые на защиту, разработаны автором самостоятельно.

Разработанные автором концепции, математические модели и компьютерные программы были использованы для решения конкретных задач пространственного анализа с участием специалистов смежных областей. В опубликованных совместных работах автор разрабатывал математический аппарат решения задач и осуществлял его программную реализацию: на основе искусственных нейронных сетей в совместных работах с Евтюгиным Г.А., Латыповой В.З., Семаковым Д.А., Стойковой Е.Е., Ризаевой Е.П.; на основе геоинформационных технологий и нейронных сетей Кохонена в совместных работах с Ермолаевым О.П., Косткжевичем И.И., Мангутоврй Л.А., Торсуевым Н.П., Усмановым Б.М.; на основе моделей геометрической коррекции ДДЗЗ в совместных работах с Безменовым В.М., Ишмухаметовым М.Э., Черновым А.А., Хамзиным Р.Х.; на основе геоинформационных технологий и методов пространственного анализа и моделирования биогеоценозов в совместных работах с Кожевниковой М.В., Мухарамовой С.С., Панасюком М.В, Роговой Т.В., Смагиным А.В., Смагиной М.В., Трофимовым A.M.; методы автоматической интерпретации ДДЗЗ с использованием нейронных сетей Кохонена автор разрабатывал совместно с Добрыниным Д.В. и реализовывал самостоятельно.

Практическая значимость работы. Разработанные методы использовались для комплексной экологической оценки и районирования территории в рамках проекта "Количественная оценка воздействия на окружающую среду объектов ОАО "Татнефть" методами геоинформационных технологий" (1995 - 1998 гг.). Методы автоматизированной дешифровки ДДЗЗ на основе нейронные сетей Кохонена, реализованные в программе Scanex NeRIS, применялись для построения карты малонарушенных лесов масштаба 1:1 000 000 на территорию всей России (Aksenov et al., Atlas of Russia's Intact Forest Landscapes, Москва: 2002, 186 стр.), использовались в подразделениях МПР РФ при реализации «Федеральной целевой программы развития минерально-сырьевой базы РФ на 1994-2000 г.г.» (договора 120-00 от 30 марта 2000 г. и 0025-01 от 22 ноября 2000 г.), были рекомендованы как типовые для решения ряда задач в «Классификаторе тематических задач оценки природных ресурсов и окружающей среды, решаемых с использованием материалов дистанционного зондирования», утвержденном МПРРФв2001г.

Апробация работы. Научные результаты и положения, вошедшие в диссертацию, были представлены на всероссийских, всесоюзных и международных научных совещаниях и конференциях, в том числе: на Международном географическом Конгрессе (Гаага, 1996г.); Всероссийской научной конференции "Современная география и окружающая среда" (Казань, 1996); на Международной конференции AESOP. Local Planning in a Global Environment (Торонто, 1996); на Международной конференции 'ТИС для оптимизации природопользования в целях устойчивого развития территорий". (Барнаул, 1998); на Международной конференции ESEAC (Coimbra, 1998), на Конференции "Динамика и взаимодействие природных и социальных сфер Земли" (Казань, 1998); на Международной конференции «ГИС для устойчивого развития территорий "Интеркарто - 5"» (Якутск, 1999); на Международной научно-практической конференции «Экология речных бассейнов» (Владимир, 1999); на Международном симпозиуме «Информационно-поисковые системы в зоологии и ботанике» (С.Петербург, 1999); на Международной конференции IGARSS'99 (Гамбург, 1999); на V рабочем совещании по флористике «Сравнительная флористика на рубеже III тысячелетия: достижения, проблемы, перспективы» (Ижевск, 1998); на Всероссийской конференции с межд. участием "Сенсор 2000" (С.-Петербург, 2000); на международном симпозиуме «Information Retrieval Systems in Biodiversity Research» (С.-Петербург, 2001); на Первой международной конференции «Земля из космоса - наиболее эффективные решения», (Москва, 2003г.); на Международном симпозиуме «Информационные системы по биоразнообразию видов и экосистем», (С.Петербург, 2003г.); на Международном симпозиуме 45 IAVS Symposium, (Napoli, 2003).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 36 работ, из них 2 учебных пособия и одна монография.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, 44 графических приложений. Общий объем работы 312 стр., в т. ч. 64 рисунка, 25 таблиц. Список литературы включает 439 наименования, из них 317 на иностранном языке.