Методика геоінформаційного математично-картографічного моделювання проектної регіональної екомережі в басейні Росі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук

методика геоінформаційного математично-картографічного моделювання проектної регіональної екомережі в басейні росі

Корогода Наталія Петрівна

11.00.11 - конструктивна географія і раціональне використання природних ресурсів

Київ - 2005

Анотація

Корогода Н.П. Методика геоінформаційного математично-картографічного моделювання проектної регіональної екомережі в басейні Росі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук за спеціальністю 11.00.11 - конструктивна географія і раціональне використання природних ресурсів. - Географічний факультет Київського національного університету імені Тараса Шевченка, Київ, 2005.

Обґрунтовано і розроблено методику геоінформаційного математично-картографічного моделювання проектної регіональної екомережі. Запропоновано загальну алгоритмічну схему моделювання екомережі з двома взаємопоєднаними підпроцесами моделювання. Створено типологічні класифікації елементів екомережі, їх функцій, критеріїв ідентифікації і рівня природно-каркасної значущості та стану модельних об'єктів проектної екомережі. Обґрунтовано концептуальну схему підпроцесу математично-картографічного моделювання екомережі, яка оперує з ситуаційними комбінаціями тематичних випадкових і детермінованих полів об'єктів регіону проектування. Розроблено методику підпроцесу геоінформаційного моделювання екомережі, яка регламентує підходи і етапність комплексного просторового аналізу об'єктів моделювання засобами ГІС зі створенням електронних баз даних. Удосконалено способи оптимізації просторового вимірювання загального поля розрахункових показників біоландшафтного різноманіття. Розроблена у цілому методика протестована з першочерговою реалізацією на прикладі басейну Росі з отриманням варіанта змодельованої екомережі цього регіону. Результати можуть бути використані у регіональних програмах, схемах і проектах природокористування та формування екомережі.

Ключові слова: охорона біоландшафтного різноманіття, проектна регіональна екомережа, математично-картографічне моделювання, ГІС, бази даних, схеми природокористування

Аннотация

Корогода Н.П. Методика геоинформационного математико-картографическо-го моделирования проектной региональной экосети в бассейне Роси. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата географических наук по специальности 11.00.11 - конструктивная география и рациональное использование природных ресурсов. - Географический факультет Киевского национального университета имени Тараса Шевченко, Киев, 2005.

В диссертации впервые обоснована и разработана методика геоинформационного математико-картографического моделирования проектной региональной экосети с тестированием и первоочередной реализацией этой методики на примере территории бассейна Роси как достаточно репрезентативного для поставленных задач региона.

Сформулированы понятия о биоландшафтной территориальной структуре региона (БЛТС) и о региональной экосети как сетевой совокупности квазигеосистем этой структуры, начально идентифицированных и окончательно выбранных по заданному набору критериев биоландшафтного разнообразия и состояния этих квазигеосистем с целью их текущего или перспективного сохранения и восстановления с созданием оптимизированного регионального природного каркаса.

Впервые разработанная общая алгоритмическая схема моделирования включает 4 последовательных составляющие: создание базовой основы моделирования; идентификацию ядер и ареалов биоландшафтного разнообразия; целевое категорирование региона с выделением и поэтапным уточнением элементов возможного каркаса экосети по условиям их формирования и состоянию; моделирование варианта собственно проектной экосети с ее элементами и необходимых природоохранных мероприятий. Весь процесс моделирования разделяется на 2 взаимосвязанных подпроцесса: первый - математико-картографического и второй - геоинформационного моделирования.

В первом подпроцессе экосеть формализуется как системный территориальный мегаобъект специального природоохранного статуса и режима природопользования в виде сети. Последняя представляет собой определенную совокупность квазигеосистем БЛТС, функционально дифференцированных и координатно заданных уже как взаимосвязанные элементы собственно экосети в соответствии с разработанными, новыми по содержанию биоэкосистемными, геосистемными и комплексными критериями идентификации и необходимого уровня природно-каркасной значимости и критериями желательного уровня состояния указанных геосистем по их устойчивости, надежности и эффективности, а также предложенными определениями, классификационными признаками и целесообразными функциями экосетевых элементов. При этом регион задается как набор случайных и детерминированных полей объектов моделирования, а впервые предложенная концептуальная схема подпроцесса предполагает пошаговое воспроизводство 4 модельных структур региона - базовой, исходной, промежуточной и окончательной, на основании чего элементы экосети, изначально идентифицированные как возможные, поликритериально трансформируются в конечный смоделированный вариант экосети.

Методика второго подпроцесса - геоинформационного моделирования - содержит совокупность принципов и подходов к определенному картографическому воспроизведению, формированию и организации как пространственных объектов, комплексному пространственному анализу и визуализации избранными средствами ГИС элементов модельных структур региона, заданных концептуальной схемой первого подпроцесса. Поэтапная реализация такой новой методики должна сводиться к созданию и последовательному применению электронных баз данных (БД) "Региональная экосеть" по предложенной структуре этих баз. При этом усовершенствована методика оптимизации пространственного измерения инструментарием ГИС общего поля расчетных показателей биоландшафтного разнообразия.

В результате тестирования и первоочередной реализации разработанной методики созданы соответствующие электронные БД для бассейна Роси и получен смоделированный вариант проектной экосети этого региона, которая включает в качестве элементов 65 природных ядер, 86 экокоридоров, 19 зон потенциальной ренатурализации и 24 ориентировочно определенные буферные зоны. Полученные результаты могут быть использованы в региональных программах, схемах и проектах природопользования и формирования экосети.

Ключевые слова: охрана биоландшафтного разнообразия, проектная региональная экосеть, математико-картографическое моделирование, ГИС, базы данных, схемы природопользования.

Annotation

Korogoda N.P. Procedure for geo-informative mathematical-cartographic modeling of designed regional ecological network in Ros' River Basin. - Manuscript.

Thesis for a candidate of science degree in geography, speciality 11.00.11 - constructive geography and rational use of nature resources. - Geographical faculty of Taras Shevchenko Kyiv National University, Kyiv, 2005.

Procedure for geo-informative mathematical-cartographic modeling of designed regional ecological network was substantiated and elaborated. General conceptual scheme for modeling of ecological network was proposed including 2 interrelated sub-processes of modeling. Typological classifications of network elements, their functions, criteria of identification and natural-frame significance level and state of designed network model units were created. Conceptual scheme for sub-process of network mathematical-cartographic modeling was substantiated. Such scheme uses the situation combinations of thematic random and determined fields of regional designed units. Procedure for sub-process of network geo-informative modeling was elaborated. This procedure regulates the approaches and phases of complex spatial analysis of model units by GIS means with creating of electronic databases. Medium for optimization of spatial measuring of common field of bio-landscape diversity calculating parameters was developed. Elaborated procedure was tested as a whole with priority realization on the example of Ros' River Basin with making of simulated variant of regional ecological network. The results can be used in regional programs, schemes and designs of nature management and ecological network forming.

Key words: protection of bio-landscape diversity, designed regional ecological network, mathematical-cartographic modeling, GIS, databases, schemes of nature management.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Серед складників сучасних міжнародних і вітчизняних стратегій збереження та реабілітації стану довкілля помітне місце посідає концепція створення екомережі як своєрідної комплексної технології доцільної консервації та відновлення природних властивостей навколишнього середовища. Ця концепція наразі знаходиться у стадії становлення, як стосовно основних теоретичних понять, так і щодо методично-прикладних її застосувань, вагомих для безпечного співіснування суспільства і природи. Позаяк останні являють собою вельми складні поліфункціональні системи, що відзначаються суперпозиційною взаємодією великої кількості чинників їх динаміки і стійкості, назрілими для вирішення є задачі адекватного понятійного, модельного та геоінформаційного відображення і оцінки стану та корисних властивостей природно-технічних геосистем довкілля з метою перетворення їх у екологічно стійкі і безпечні об'єкти. Саме тому змістовне та аналітичне обґрунтуванні найбільш ефективних підходів до моделювання оптимальної екомережі територій є відображенням актуального напрямку розвитку геоекології та конструктивної географії.

До того ж, безпосереднє створення Всеєвропейської екомережі на основі поєднання національних екомереж визнано на сьогодні міжнародною спільнотою одним з найбільш перспективних шляхів транскордонної природоохоронної взаємодії та співробітництва. При цьому загальна проблема збалансованого проектування та функціонування екомережі у цілому, як комплексного природоохоронного просторового об'єкта високого рівня, потребує специфічного математично-картографічного подавання його складників та модельного їх аналізу на основі сучасних геоінформаційних технологій. Зазначені аспекти проблеми є наразі недостатньо обґрунтованими з методично-прикладних позицій, особливо у регіональному аспекті, тому розвиток принципів і способів геоінформаційного математично-картографічного моделювання регіональної екомережі, чому і присвячена дана робота, є вельми актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за змістом дисертації були виконані згідно з планами науково-дослідних робіт кафедри фізичної географії та геоекології за участі автора як виконавця держбюджетної теми "Регіональні геоекологічні проблеми України" (2001-2005 рр., № д.р.0198U007826) і в рамках міжнародної Програми ПРООН-ГЕФ екологічного оздоровлення міжнародного басейну Дніпра за участі автора як виконавця пілотних науково-дослідних проектів "Розробка екологічної бази даних по басейну Дніпра" та "Розробка концепції екологічних коридорів у транскордонних ділянках басейну річки Дніпро" (2002-2003 рр.).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є обґрунтування і розробка методики геоінформаційного математично-картографічного моделювання проектної регіональної екомережі та тестування і першочергова реалізація цієї методики на прикладі території басейну Росі. Згідно з метою слід було вирішити низку завдань, а саме:

- проаналізувати і узагальнити теоретичні і прикладні основи створення екомереж, включаючи їх моделювання;

- комплексно дослідити тестовий об'єкт досліджень - територію басейну Росі - за його фізико-географічними, ландшафтними, геоекологічними, біогеографічними, созологічними і іншими атрибутами та антропогенним навантаженням;

- обґрунтувати загальні положення методики моделювання проектної регіональної екомережі;

- розробити концептуальну схему підпроцесу математичного моделювання екомережі;

- розробити методику підпроцесу геоінформаційного моделювання екомережі;

- провести тестування і здійснити першочергову реалізацію запропонованої методики на прикладі басейну Росі.

Об'єкт і предмет дослідження. Загальним об'єктом дослідження є екомережа регіонального рівня та її елементи, частковим (тестовим) об'єктом - територія басейну Росі. Загальним предметом дослідження є зміст, принципи, критерії, підходи і особливості математично-картографічного моделювання головного об'єкта досліджень із застосуванням ГІС-технологій, частковим предметом - способи реалізації загальних методичних рішень з моделювання на тестовому об'єкті.

Методи досліджень. У роботі знайшли застосування сучасні методи ландшафтного, конструктивно-географічного, геоекологічного та біогеографічного аналізу територій; методи природоохоронного проектування і еколого-економічної оптимізації природокористування; методи математичного моделювання в геоекології та методи ідентифікації, подавання, перекласифікації, комплексного просторового аналізу і картографування географічно координованих даних та просторових розподілів об'єктів довкілля на основі ГІС-технологій, у т.ч. із створенням спеціальних програм нестандартних запитів до обраного для досліджень інструментарію ГІС MapInfo Version 7.0. Додатково залучались положення і підходи теорій випадкових функцій і систем (еко- та геосистем), геоінформатики та інформаційних технологій, математичного планування експерименту і емпіричних оцінювань, а також методи поєднання ієрархічних та типологічних ознак класифікації, факторіального і функціонального аналізу об'єктів моделювання, аналогії і порівняння подібних систем та аналізу гіпотези про їх однорідність, ітерації оптимізаційних підходів.

Вихідними матеріалами для узагальнень і тестування результатів роботи були: 1) наявні електронні та цифрові джерела інформації: регіональний фрагмент цифрової топографічної карти місцевості М 1:200000 (НДІГК), цифрова тематична карта природно-заповідного фонду України М 1:500000 (НДІГК), електронна версія Червоної та Зеленої книг України (А.П. Грачов і ін.), матеріали веб-сайтів Програми ПРООН-ГЕФ екологічного оздоровлення міжнародного басейну Дніпра і веб-сайту Мінприроди України, електронний Атлас України (ІГ НАНУ/ІС ГЕО, 1999-2000 р.) і інші відкриті джерела; 2) переведені автором у цифрову форму паперові варіанти: карти генетико-морфологічної ландшафтної територіальної структури (ЛТС) басейну Росі (ІГ НАНУ, Давидчук В.С., 1986, Ющенко Я.І., 1999 р.), топографічних карт території басейну Росі М 1:100000 (КНУ імені Тараса Шевченка) і деяких інших тематичних карт за об'єктом досліджень; 3) інформація паспортів ризику виникнення надзвичайних ситуацій адмінобластей досліджуваного регіону (МНС України) тощо.

Наукова новизна одержаних результатів полягає загалом у тому, що вперше обґрунтовано, розроблено і протестовано методику геоінформаційного математично-картографічного моделювання проектної регіональної екомережі. При цьому:

- узагальнено, систематизовано і удосконалено уявлення про функціонально ефективне створення екомереж за допомогою сучасних модельно-геоінформаційних засобів;

- узагальнено, систематизовано і створено інформаційний базис про умови формування екомережі для тестового об'єкта досліджень - території басейну Росі;

- вперше обґрунтовано і розроблено загальну алгоритмічну схему геоінформаційного математично-картографічного моделювання проектної регіональної екомережі з двома підпроцесами моделювання;

- вперше розроблено комплексну типологічну класифікацію елементів регіональної екомережі та класифікацію їх природно-соціально-економічних функцій (ПСЕФ);

- розроблено класифікаційну схему критеріїв ідентифікації і рівня природно-каркасної значущості та стану модельних об'єктів проектної регіональної екомережі на основі систематизації і удосконалення наявних критеріїв;

- запропоновані нові за змістом оцінювальні критерії, зокрема у типах і підтипах критеріїв ландшафтного різноманіття, фазової і параметричної стійкості та надійності об'єктів моделювання, ефективності функціонування екомережі та її елементів тощо;

- вперше обґрунтовано концептуальну схему підпроцесу математичного моделювання екомережі, яка оперує з ситуаційними комбінаціями тематичних випадкових і детермінованих полів та субполів об'єктів території проектування екомережі;

- вперше розроблено методику підпроцесу геоінформаційного моделювання екомережі, яка регламентує зміст, принципи, підходи і етапність комплексного просторового аналізу об'єктів моделювання засобами ГІС-технологій зі створенням електронних баз даних (БД);

- удосконалено методику оптимізації просторового вимірювання загального поля розрахункових показників біоландшафтного різноманіття.

Практичне значення одержаних результатів полягає, по-перше, у створенні для державних органів охорони довкілля, органів місцевого самоврядування та наукових і проектних організацій можливостей обґрунтування, планування і реалізації заходів із збереження та відновлення біоландшафтного різноманіття, насамперед у регіональних програмах, схемах і проектах природокористування та формування екомережі, шляхом використання таких результатів роботи, як:

- способи створення та використання за допомогою інструментарію ГІС поліфункціональних електронних баз даних для моделювання проектної регіональної екомережі;

- комплексні критерії визначення елементів можливого каркасу екомережі;

- математично-картографічні моделі структурно-функціональних характеристик екомережі;

- математичні і математично-картографічні моделі поліваріантної оцінки рівня стану об'єктів території проектування екомережі за їх стійкістю та надійністю в залежності від впливу антропогенних та природних еконегативних чинників;

- способи застосування геоінформаційних операцій із складного просторового аналізу, картографування та візуалізації модельних об'єктів регіональної екомережі;

- підходи до орієнтовного оцінювання розміру буферних зон на регіональному рівні моделювання проектної екомережі;

- способи оцінки ефективності оптимізаційних рішень з поліпшення рівня стану екомережі;

- сформовані електронні БД "Регіональна екомережа басейну Росі" та змодельований варіант такої екомережі.

По-друге, окремі положення розробленої у роботі методики вже були використані при обґрунтуванні схеми формування екомережі у місті Києві з отриманням акта впровадження.

По-третє, певні результати дисертації були впроваджені в навчальний процес на географічному факультеті Київського національного університету імені Тараса Шевченка для спецкурсів "Основи ГІС", "Основи созології" та "Математичне моделювання в геоекології".

По-четверте, основні результати дисертації були отримані і реалізовані в процесі виконання держбюджетної теми географічного факультету "Регіональні геоекологічні проблеми України" (2001-2005 рр.) та науково-дослідних проектів "Розробка екологічної бази даних по басейну Дніпра" і "Розробка концепції екологічних коридорів у транскордонних ділянках басейну річки Дніпро" (2002-2003 рр.) міжнародної Програми ПРООН-ГЕФ.

Особистий внесок автора у роботу полягає у обґрунтуванні, розробці та тестуванні на прикладі території басейну Росі всіх складників методики геоінформаційного математично-картографічного моделювання проектної регіональної екомережі. Створення інформаційного цифрового базису та узагальнення і аналіз результатів дисертації та розробка нових підходів, критеріїв та схем моделювання виконані автором самостійно під керівництвом доктора географічних наук, професора В.М.Самойленка. Крім того, автор користувався консультаціями з боку доктора географічних наук, професора М.Д. Гродзинського. У цілому всі здобутки дисертації, що характеризуються науковою новизною, мають практичне значення і становлять предмет захисту, належать виключно авторові і є її особистим науковим доробком.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації та результати проведених досліджень були оприлюднені на ІІ Міжнародній науково-практичній конференції "Географічна освіта і наука в Україні" (Київ, 2003 р.), II Всеукраїнській науковій конференції "Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія" (Київ, 2003 р.); Міжнародній конференції з інформаційного менеджменту (Київ, 2003); VII Міжнародній науково-практичній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених “Екологія. Людина. Суспільство” (Київ, 2004 р.); IX з'їзді Українського географічного товариства (Чернівці, 2004 р.); Науковій конференції “Декада ландшафтознавчих, регіональних і краєзнавчих досліджень на зламі тисячоліть”(Канів, 2005); міжнародних науково-практичних нарадах за Програмою ПРООН-ГЕФ екологічного оздоровлення міжнародного басейну Дніпра (Київ, 2002-2004 рр.), науково-практичних семінарах, що організовувалися кафедрою фізичної географії та геоекології КНУ імені Тараса Шевченка (2002-2005 рр.).

2. Основний зміст роботи

У першому розділі виконаний аналіз теоретичних і прикладних основ створення екомереж, враховуючи чинні уявлення про екомережі, передумови математичного і геоінформаційного їх моделювання, що базуються на сучасних досягненнях конструктивної географії, геоекології та ландшафтознавства, і світовий та вітчизняний досвід проектування та створення екомереж різного рівня. Зокрема були розглянуті наукові праці О.М. Маринича, П.Г. Шищенка, М.Д. Гродзинського, В.М. Пащенка, Я.Б. Олійника, В.О. Шевченка, Г.І. Денисика, В.А. Барановського, В.Ю. Некоса, В.М. Самойленка, В.С. Давидчука і інших вчених. При цьому принципи і підходи, безпосередньо покладені в основу досліджень, ґрунтувались на розвитку засад конструктивно-географічного аналізу за П.Г. Шищенком, ландшафтно-екологічного аналізу за М.Д. Гродзинським, математичного моделювання в геоекології та геоінформаційних технологій за В.М. Самойленком та загальних методологічних поглядів на створення екомережі, викладених в узагальнювальній праці Ю.Р. Шеляга-Сосонка, М.Д. Гродзинського та В.Д. Романенка.

З огляду на таке, показано, що при проектуванні і створенні екомереж на регіональному рівні доцільно оперувати з поняттям мережної біоландшафтної територіальної структури (БЛТС) певного регіону. За елементи останньої правлять природні ядра та екокоридори біоландшафтного різноманіття (як квазігеосистеми БЛТС), що являють собою актуальний за структурою природний каркас регіону. Регіональну ж екомережу слід розглядати як певну за складом мережну сукупність квазігеосистем БЛТС, початково ідентифікованих і остаточно обраних за заданим набором критеріїв біоландшафтного різноманіття і стану цих квазігеосистем з метою їх поточного або перспективного збереження, охорони і відновлення зі створенням оптимізованого регіонального природного каркаса. За елементи екомережі правлять вже її 4 елементи регіонального рівня, а саме:

1) природне ядро - квазігеосистема БЛТС у вигляді її ядра, властивості якої за біоекосистемними, геосистемними та комплексними ознаками біоландшафтного різноманіття відчутно вирізняються і є значущими та особливо цінними для збереження природного каркасу регіону. Основні атрибути ядра: симплексна або комплексна типовість ("еталонність") і/або унікальність для регіону певних ознак різноманіття; регіональна цінність генофонду; висока міра біоландшафтної натуральності; рівень стану, що обумовлює актуальну можливість і доцільність збереження; супутні до зазначених та інші властивості (різноманітність едафічних умов та їх сприятливість для типових і/або рідких та зникаючих у регіоні біовидів та біоугруповань, достатність розмірів для бажаних природоохоронних функцій тощо);

2) екокоридор - квазігеосистема БЛТС у вигляді її екокоридору, яка є суттєво необхідною для забезпечення просторових зв'язків між регіональними природними ядрами, а також виконує певні регіонально значущі середовищевідтворювальні та середовищеохоронні функції. Основні атрибути екокоридору: високий ступінь біоландшафтної натуральності; достатність розмірів та сприятливість структури для ефективного забезпечення необхідних біоміграційно-розселювальних і генофондно-обмінних функцій; відсутність непереборних для таких функцій бар'єрів; відповідність едафічних умов чи типу біоугруповань цим же умовам чи угрупованням ядер, які поєднуються; достатній для доцільності збереження рівень стану; супутні і інші, у т.ч. спільні з ядрами, позитивні для довкілля, естетичні тощо властивості;

3) буферна зона елемента (природного ядра чи екокоридору) екомережі - вирізнений навколо цього елемента ареал (своєрідний "захисний" геотон), основною функцією якого є обмеження та зниження, аж до повної ліквідації, негативного для елемента "зовнішнього" до нього впливу прилеглих антропізованих територій чи об'єктів економіки або еконегативних природних процесів. Основні атрибути буферної зони: достатність ширини (площі) для ефективного виконання заданих обмежувальних та захисних функцій; реальність виконання покладених на неї функцій з огляду на рівень її стану та склад об'єктів тощо в її межах; системна сполучність з об'єктами захисту і інші корисні геотонні властивості;

4) зона потенційної ренатуралізації - перспективний елемент регіональної екомережі (потенційне ядро, екокоридор або буферна зона), який є цінним для структури екомережі, може бути доведений у майбутньому до відповідності головним вимогам, визначеним вище до відповідного елемента екомережі, за допомогою певних екореабілітаційних заходів і не матиме обмежень через його нинішній або перспективний рівень стану та соціально-економічне використання і склад антропогенних об'єктів тощо для проведення таких заходів і "залучення" до структури "реальних" екомережних елементів. Основні атрибути зони потенційної ренатуралізації: значущість для розвитку, ефективного функціонування та поліпшення стану регіональної екомережі у цілому та окремих її елементів; ймовірна перспективна можливість відновлення для досягнення відповідності атрибутам "реальних" екомережних елементів; інші ймовірні функції, властиві таким елементам за умови переходу зони ренатуралізації в їх "розряд".

У цілому ж об'єктивно обумовлена суперпозиційним поєднанням природних і антропогенних чинників складність проектування екомережі потребує специфічного застосування сучасних геоінформаційних математично-модельних технологій підтримки і супроводу цього проектування.

Другий розділ присвячений комплексній характеристиці території басейну Росі як тестового об'єкта досліджень. Така характеристика регіону зі створенням інформаційного базису про фізико-географічні, ландшафтні, геоекологічні, біогеографічні та созологічні особливості його території та інтенсивність антропогенного впливу на неї довела репрезентативність вибору басейну Росі для відпрацювання методики моделювання, що розроблялася. Це обумовлюється насамперед відчутним різноманіттям регіональної, досить часто геотонної за змістом біоландшафтної територіальної структури, типовістю, подекуди унікальністю, цінністю генофонду та високою мірою натуральності певних елементів цієї структури, зважаючи і на переважання аграрного сектора у регіональному природокористуванні, а також вичерпання у наявних схемах можливостей розширення у регіоні складу елементів міжрегіональної екомережі за її ознаками.

У третьому розділі розроблено загальні положення методики моделювання проектної регіональної екомережі і концептуальна схема його першого підпроцесу.

Запропонована алгоритмічна схема моделювання проектної екомережі містить чотири, послідовні за втіленням, складники, а саме: 1) створення базової основи моделювання; 2) ідентифікація ядер і інших ареалів біоландшафтного різноманіття; 3) цільове категорування регіону з вирізненням і поетапним уточненням елементів можливого каркасу екомережі за умовами їх формування та станом.; 4) моделювання варіанта власне проектної екомережі за її основними елементами. При цьому весь процес моделювання екомережі поділяється на два взаємопоєднаних підпроцеси: 1) математично-картографічного моделювання, що базується на застосуванні власне математичних, математично-картографічних та супутніх до них моделей; 2) геоінформаційного моделювання, що визначає і реалізує принципи і підходи до просторового аналізу і моделювання засобами ГІС.

Засновком методики загального процесу моделювання екомережі є те, що у цілому цей процес можна звести до створення обраними адекватними засобами 4 модельних структур території проектування (регіону) і/або власне екомережі, а саме базової ("МС-1"), початкової ("МС-2"), проміжної ("МС-3") і кінцевої ("МС-4"). Певний тип модельної структури відповідає за послідовністю створення складникам загальної алгоритмічної схеми моделювання, будучи передусім математично-картографічним продуктом їх реалізації, а термінологія моделювання є наступною.

Проектна регіональна екомережа при моделюванні розглядається як системний територіальний мегаоб'єкт спеціального природоохоронного статусу і режиму природокористування у вигляді мережі. Остання є певною сукупністю квазігеосистем БЛТС, функціонально диференційованих та координатно заданих вже як взаємопоєднані елементи власне екомережі відповідно до обумовлених біоекосистемних, геосистемних та комплексних критеріїв ідентифікації і вимогового рівня природно-каркасної значущості та критеріїв бажаного рівня стану об'єктів моделювання за їх стійкістю, надійністю і ефективністю та запропонованих вище визначень, а також класифікаційних ознак і доцільних природно-соціально-економічних функцій екомережних елементів.

Рівень природно-каркасної значущості об'єктів моделювання тлумачиться як рівень значущості властивостей і специфіки ідентифікованих квазігеосистем БЛТС регіону (їх геосистем і/або екосистем), які оцінюються для визначення складу необхідних компонентів природного каркасу території. Цей рівень і править за підставу для віднесення об'єктів до можливих елементів (наприклад, біопопуляційних ядер, ядер ландшафтної унікальності, репрезентативності, хорично-типового різноманіття ландшафтної територіальної структури, ЛТС, тощо) та остаточно обраних або імперативних (вже "нормативно існуючих") елементів екомережі, а також, з урахуванням і рівня стану, до певного типу цих елементів.

Рівень стану об'єктів моделювання тлумачиться як сукупність їх властивостей, що оцінюються за стійкістю та надійністю певних таких об'єктів або їх набору, а також за ефективністю функціонування змодельованого варіанта всієї екомережі. При цьому стійкість (фазова і параметрична) модельних об'єктів кваліфікується як їх здатність зберігати при aнтропогенних навантаженнях і природних впливах на них власні природні властивості, структуру та типологічні особливості в основному за рахунок саморегуляції, у т.ч. "підсиленої сприянням" вже реалізованих природоохоронних заходів. Фазова стійкість відображає міру саморегуляційної здатності об'єктів моделювання, обумовлену передусім ступенем їх антропізації (фазово-антропізаційна стійкість), а також сформованістю в етологічному аспекті (фазово-етологічна стійкість), що відображає стійкість за сформованістю (зв'язністю) змодельованої територіальної структури екомережі у цілому. Параметрична ж стійкість ідентифікується, з одного боку, за мірою поліваріантної відповідності параметрів, що характеризують основні структуротворні процеси в об'єктах моделювання, еталонним (у т.ч. нормативним тощо) показникам, екологічно (у т.ч. гідроекологічно) чи геоекологічно заданим згідно із основною спрямованістю моделювання і проектування (параметрично-процесова стійкість). З іншого боку параметрична стійкість визначається за певними "загальноекомережними" показниками, що характеризують розвиненість екомережі за її ключовими елементами стосовно території її проектування і, додатково, функціональну роль окремих елементів цієї мережі в її структурі (параметрична структурно-функціональна стійкість).

Надійність об'єктів моделювання тлумачиться як міра здатності виконувати (посилювати) ними вимогові екопозитивні aбо обмежувати (ліквідовувати) обрані еконегативні природно-соціально-економічні функції (ПСЕФ) у межах, які відповідають оптимальному режиму функціонування екомережі і обумовлюють регламентацію природокористування в ній, у т.ч. проведення належних природоохоронних заходів. Запропоновано класифікацію ПСЕФ регіональної екомережі чи її елементів, за якою два основних типи ПСЕФ - екопозитивні та еконегативні - у свою чергу поділяються на певні види і підвиди (середовищевідтворювальні, середовищеохоронні, середовищедеградаційні, "екоризикові" та ін.).

Також розроблено дві типологічні класифікації основних елементів регіональної екомережі, а саме природних ядер та екокоридорів за загальною ієрархічною схемою таксонів "гіперклас - гіперпідклас - клас - підклас - група - підгрупа - тип - підтип - категорія - підкатегорія - розряд - підрозряд - вид - підвид - варіант" з певними особливостями її застосування.

Розроблено класифікаційну схему критеріїв ідентифікації і рівня природно-каркасної значущості та стану об'єктів моделювання. Було вирізнено 2 гіперкласи критеріїв з їх класами, а саме: 1) гіперклас критеріїв ідентифікації і рівня природно-каркасної значущості можливих елементів екомережі з його 3 класами біоекосистемних, геосистемних та комплексних критеріїв; 2) гіперклас критеріїв рівня стану об'єктів моделювання з його 3 класами критеріїв стійкості, надійності та ефективності функціонування. Подальший поділ критеріїв кожного класу здійснювався на відповідні їм типи і підтипи за їх наявності. Зокрема, біоекосистемний клас був розподілений на біопопуляційні, біоценотичні та загальні біоекосистемні типи; геосистемний клас - на типи критеріїв ландшафтної унікальності, різноманіття, репрезентативності, історико-культурної значущості ландшафтів; клас комплексних критеріїв - на типи критеріїв біоландшафтної натуральності, природоохоронно-типові, територіально-типові, гідроінвайронментні і специфічні типи; клас критеріїв стійкості - на типи за вже зазначеними різновидами цієї стійкості; клас критеріїв надійності - на типи критеріїв ітерації ступеня надійності та спрощені її критерії; клас критеріїв ефективності - на типи критеріїв актуальної ефективності функціонування екомережі та ефективності оптимізаційних рішень з поліпшення стану екомережі. Кожний тип або підтип критеріїв диференціювався на вербальні (змістовні) та параметричні (метричні і/або топологічні) види критеріїв. У цілому схема критеріїв систематизує і удосконалює наявні критерії, у т.ч. на основі аналізу і тестування їх ефективності, а також містить нові за змістом задовільно протестовані критерії, зокрема:

- у підтипах типу критеріїв ландшафтного різноманіття - визначені для регіону у центрах ковзних неперетнутих шестикутних вікон ("стільників") на регулярній сітці:

1) середні коефіцієнти хорично-типової варіації ЛТС (C_v,CH/TYP*), що визначаються за набором із застосовних і окремо n=5 часткових коефіцієнтів хоричної і типової варіації (C_v,1 … C_v,5) як

C_v,CH/TYP* = C_v,і / n ; C_v,і = {{1 / (y_i - 1)} (z_i - 1)²}^0,5 , (1)

де y_i: для C_v,1 і C_v,2 - число всіх геосистем ЛТС, для C_v,3, C_v,4 і C_v,5 - число їх типів; z_i = y_i a_i / b_i, де a_i послідовно для C_v,1…C_v,5: площа кожної геосистеми, її периметр, площа геосистем певного типу, їх периметр та кількість; b_i: для C_v,1 і C_v,3 - площа вікна, для C_v,2 і C_v,4 - загальний периметр всіх геосистем, для C_v,5 - число всіх геосистем;

2) інтегральні індекси хорично-типової мінливості ЛТС (I_CH/TYP), що визначаються як добуток інтегральних (середньовиважених за найбільш інформативними C_v,і) коефіцієнтів хорично-типової варіації (C_v,CH/TYP**) та регіональних модульних коефіцієнтів хорично-типової мінливості (K_Nm,reg)

I_CH/TYP = C_v,CH/TYP** K_Nm,reg ; K_Nm,reg,k = (N m)_k / (N m)_reg* , (2)

де (N m)_reg* - середнє для всього регіону значення добутку (N m) - кількості геосистем на кількість їх типів;

- у підтипах типу критеріїв фазової стійкості об'єктів моделювання:

1) індекси фазово-антропізаційної стійкості (І_FAS, %) (із 7 категоріями такої стійкості, що відображають здатність до саморегуляції об'єктів від гранично слабкої до вельми сильної)

І_FAS = 100 - І_ant,,norm , (3)

де І_ant,,norm - унормований (у відсотках, з максимумом 100%) індекс антропізації об'єктів моделювання, що розраховується на основі розвитку підходів методики П.Г.Шищенка (1999);

2) топологічні "екокоридорні" (I_coh,reg,1, %) та "циклові" (I_coh,reg,2, %) індекси сформованості екомережі (із 7 категоріями такої стійкості, що відображають сформованість (зв'язність) територіальної структури екомережі від дуже поганої до дуже доброї)

I_coh,reg,1 = 100 (E_real / E_prob) ; I_coh,reg,2 = 100 (n_cyc,real / n_cyc,prob) , (4)

де E_real і E_prob та n_cyc,real і n_cyc,prob - число екокоридорів та циклів (контурів альтернативних маршрутів), відповідно, реальної та базової (максимально можливої за нехтування впливом антропогенної підсистеми регіону) структури екомережі;

- у підтипах типу критеріїв параметричної та "специфічної" стійкості об'єктів моделювання:

1) індекси параметрично-процесової стійкості (І_PPS, %)

І_PPS = 100 - І_INT , (5)

де І_INT - середньовиважена за відповідними площами обраної квазігеосистеми БЛТС інтенсивність певного еконегативного для біоландшафтного різноманіття структуротворного процесу;

2) комплекс нових за змістом метричних показників екомережі, що характеризують її параметричну структурно-функціональну стійкість, а саме індекси: перфорованості регіону екомережею, її умовної густоти, складності форми ядер, актуальної і перспективної просторовості мережі тощо;

3) усереднені (орієнтовні) ширини буферних зон певних ядер чи екокоридорів (B_buffz,, км)

B_buffz,i = І_ant,,norm / (І_ant,,norm / r_ncore,ecor*)_reg* , (6)

де І_ant,,norm - індекс антропізації з (3); (І_ant,,norm / r_ncore,ecor*)_reg* - середнє регіональне значення його відношення до середнього радіуса елемента екомережі (r_ncore,ecor,i*); обидва параметри розраховуються в межах зовнішнього до такого елемента буфера з шириною, адекватною r_ncore,ecor,i*;

- у типах класу критеріїв ефективності функціонування екомережі:

1) набір індексів ефективності актуальної екомережі чи її підсистем, а саме фазово-саморегуляційної, процесово-саморегуляційної, лінійно-метричної, просторової ефективності, а також, наприклад, індекс ефективності сформованості (зв'язності) екомережі (I_{EF,COH,reg(subs)})

I_{EF,COH,reg(subs)} = {(E_A / E_P) + (n_cyc,A / n_cyc,P)} / 2 , (7)

де E_A і E_P - число екокоридорів, а n_cyc,A і n_cyc,P - число циклів, відповідно, актуальної і перспективної (з урахуванням зон потенційної ренатуралізації) екомережі;

2) набір індексів ефективності оптимізаційних рішень з поліпшення рівня стану екомережі, що розраховуються як обернені до щойно наведених (середній індекс з останніх, до речі, кваліфікується також як регіональний інтегральний умовний індекс надійності екомережі).

Обов'язковими компонентами розробленої концептуальної схеми підпроцесу математично-картографічного моделювання екомережі для кожної із вже зазначених 4 модельних структур - базової, початкової, проміжної та кінцевої (див. рис.1) - є систематизований склад інформації про: 1) місце у загальній алгоритмічній схемі; 2) базу моделювання; 3) зміст і цілі (предмет) моделювання; 4) способи моделювання (формалізації тощо); 5) основні модельні параметри і розрахункові показники; 6) зміст аналізу і оцінки рівнів значущості і/або стану певних ідентифікованих об'єктів моделювання, а також іншого супутнього аналізу; 7) критерії аналізу і оцінки рівнів значущості і/або стану цих об'єктів тощо; 8) особливості моделювання; 9) результати моделювання (їх функціональну та параметричну значущість). При цьому територія регіону задається як набір випадкових та детермінованих полів об'єктів моделювання, а власне запропонована концептуальна схема передбачає покрокове відтворення модельних структур регіону, на основі чого елементи екомережі, початково ідентифіковані як можливі, послідовно полікритеріально трансформуються у остаточний змодельований варіант проектної регіональної екомережі, зважаючи на те, що:

1) базова модельна структура ("МС-1") формалізується як

{МС-1} {ГМС(,R,t) БС(,R,t)} , (8)

де ГМС(,R,t) і БС(,R,t) - випадкові поля і різнорангові субполя геосистем генетико-морфологічної і басейнової ЛТС; щ - число елементарних результатів досліду чи його серій; R - загальна просторова область полів у заданій системі координат, яка збігається з межами регіону проектування ({ОПЕМ}) і у свою чергу містить набір відповідних типу ЛТС субполів геосистем певного структурно-ієрархічного (і-го) рангу, тобто R {SR_ГМС,і, SR_БС,і}; t - неперервний час;

2) початкова модельна структура ("МС-2") ототожнюється з полями генетико-морфологічної ЛТС, змістовно диференційованими на поля (субполя) ареалів вірогідного місцезнаходження регіональних природних ядер біоландшафтного різноманіття (ядер БЛТС) (символ "_АБЛР") та інші поля (субполя) (символ "_ІН"), тобто

{МС-2} {ГМС(,R,t)} {ГМС(,R,t)_АБЛР ГМС(,R,t)_ІН} , (9)

враховуючи, що поля зазначених ареалів у свою чергу поділяються на поля власне ядер, адекватних можливим природним ядрам екомережі (МПЯ(,R,t)), та поля інших ареалів, а отже

{ГМС(,R,t)}_АБЛР {МПЯ(,R,t) ГМС(,R,t)_А,ІН} , (10)

та що при оцінюванні можливості віднесення квазігеосистем БЛТС до складу екомережі застосовуються моделі відповідних репрезентативних індексів біоландшафтного різноманіття та метод аналізу їх значень у центрах ковзних неперетнутих вікон ("стільників" певного розміру);

3) проміжна модельна структура ("МС-3") оперує із таким загальним набором, як

{МС-3}{МКЕМ(,R,t)ПАП(,R,t)_ОПЕМАП(R,t)_ОПЕМ}{МС-1, МС-2}, (11)

де ПАП(,R,t)_ОПЕМ і АП(R,t)_ОПЕМ - відповідно, випадкові поля природно-антропогенної та детерміновані поля антропогенної підсистеми регіону; МКЕМ(,R,t) - випадкові поля елементів можливого каркасу екомережі, які в результаті уточнення складу можливих ядер і екокоридорів за їх наявністю (з додаванням імперативних елементів) та критеріальною відповідністю визначенням тощо, а також за значеннями їх полів, тотожними рівню стану цих елементів, що відображає вплив на них антропогенної підсистеми і еконегативних структуротворних процесів, подаються як

{МКЕМ(,R,t)}{БТСЕМ(,R,t)РТСЕМ(,R,t)УМКЕМ(,R,t)}, (12)

де БТСЕМ(,R,t) і РТСЕМ(,R,t) - поля базової (можливої) і реальної територіальної структури екомережі; УМКЕМ(,R,t) - поля послідовно уточненого можливого каркасу екомережі;

4) кінцева модельна структура ("МС-4") являє собою таку систему, як

{МС-4} {ОЕЕМ(,R,t) РПЗ((),R,t)} {МС-1, МС-3} , (13)

де ОЕЕМ(,R,t) - поля (субполя) остаточних елементів змодельованого варіанта проектної регіональної екомережі; РПЗ((),R,t) - поля заданого регламенту природокористування і природоохоронних заходів у {ОПЕМ}, з особливою увагою до полів буферних зон екомережі та з узгодженням їх з полями природоохоронних заходів в регіоні у цілому. При цьому:

- зрозуміло, що перший складник {МС-4} виглядає як

{ОЕЕМ} {ПЯ(,R,t) ЕК(,R,t) БФЗ(,R,t) ЗПР(,R,t)} , (14)

де у правій частині - поля (субполя), відповідно, природних ядер (ПЯ), екокоридорів (ЕК), буферних зон (БФЗ) та зон потенційної ренатуралізації (ЗПР) регіональної екомережі;

- позаяк поля {ОЕЕМ} мають відображати і реальний, і оптимальний (за умови поетапної реалізації природоохоронних заходів) рівень стану змодельованого варіанта проектної екомережі, доцільно, за наявності належних вихідних даних, модельно оцінити на розрахунково-прогнозному рівні і ймовірну оптимізаційну трансформацію цих полів за записом

{ОЕЕМ} {ЕЕМ_ОПТ} Е(ПСЕФ) max , (15)

де {ЕЕМ_ОПТ} - оптимізовані поля (субполя) елементів екомережі, у т.ч. враховуючи можливий функціональний і координатний перерозподіл полів {ОЕЕМ}; Е(ПСЕФ) - ефективність природно-соціально-економічних функцій відповідних елементів екомережі з вимогою максимально доцільного посилення бажаних екопозитивних та обмеження обраних еконегативних ПСЕФ або ступінь ефективності оптимізаційних рішень з поліпшення рівня стану екомережі.

У четвертому розділі розроблена методика підпроцесу геоінформаційного моделювання екомережі. Вона містить розкриту за змістом сукупність принципів і підходів до певного картографічного подавання, формування і організації (збереження) як просторових об'єктів, комплексного просторового аналізу і візуалізації обраними засобами ГІС елементів модельних структур території проектування регіональної екомережі і/або власне цієї мережі, заданих як об'єкти моделювання концептуальною схемою його першого підпроцесу. Зокрема, зазначеними принципами, а також особливостями підпроцесу геоінформаційного моделювання є: 1) оперування найчастіше з 3 типами просторових об'єктів (полігонами, точками і лініями), а також, подекуди, з поверхнями (при проміжних чи допоміжних операціях); 2) використання можливості створення і аналізу просторових об'єктів високого рівня, включаючи комбіновані (регіонів, мереж, полігонів за сукупностями точок і т.ін.); 3) обумовленість вибору типу просторових об'єктів для подавання певних модельних елементів конкретними задачами, виглядом математичних чи математично-картографічних моделей цих задач, типом модельної структури, видами запитів до баз даних, а також робочим масштабом моделювання (1:200000); 4) застосування геоінформаційних операцій із взаємо-зворотної зміни виду подавання і перекласифікації просторових об'єктів, що аналізуються; 5) використання при запитах до БД як стандартних функціональних модулів обраного інструментарію ГІС (за який в роботі загалом правив інструментарій ГІС MapInfo Version 7.0), так і результатів адаптації їх для певних нестандартних процедур при моделюванні екомережі, а також спеціально створених додатків; 6) використання як найбільш уживаних таких геоінформаційних багатошарих моделей даних, як векторно-топологічні, растрові (на основі регулярної мережі точок), а також деякі інші, що забезпечують певні операції, зважаючи і на необхідність створення результувальних шарів чи інші способи результувальної візуалізації визначених модельних структур тощо.

У цілому ж поетапна реалізація методики має зводитися до створення і послідовного застосування електронних БД реляційного типу "Регіональна екомережа" з їх взаємопоєднаними 3 окремими блоками ("ЛТС", "Антропогенна і природно-антропогенна підсистема території" та класифікаційно-критеріальним) і 1 гіперблоком "Модельні структури і параметри", набір з власних 3 блоків якого віддзеркалює найбільш істотні результати моделювання (запитів), що відповідають певній модельній структурі території, включаючи елементи екомережі (див. рис.1). При цьому запити до всіх, крім критеріального, блоків БД за змістом (назвою) та їх ієрархією до 2-го рівня включно є адекватними змісту (назвам) блоків БД та їх ієрархії. Запити ж 3-го і наступних рівнів фактично являють собою запити за просторовими і непросторовими атрибутами у складі запитів 2-го рівня.

П'ятий розділ присвячений тестуванню розробленої методики у цілому на прикладі басейну Росі. Для створення можливості ефективного застосування модельних ГІС-технологій вирішена полікритеріальна задача вибору оптимального розміру ковзних неперетнутих шестикутних вікон ("стільників") для збалансованого, інформаційно-значущого, достатньо точного та зіставного (через ізолінії) визначення у їх центрах параметрів біоландшафтного різноманіття.

Спосіб вирішення базується на доцільному поєднанні критеріальних умов максимально можливої некорельованості унормованих параметрів різноманіття у всіх сусідніх "стільниках", а отже їх найбільшої інформативності (використовуючи отриману регіональну просторову кореляційну функцію r_Nm(l)_reg за формулою (16)), та умов мінімально можливої відносної помилки визначення таких параметрів у_rel (за моделлю (17)) при обмеженнях на число їх вимірів

r_Nm(l)_reg = exp [- б¦l¦] , (16)

у_rel² = {2(б l N_c + exp [- б l N_c]) - 1} / б² l N_c² , (17)

де б - регіональний параметр, для обраного репрезентативного параметра (N m) б = 0,088; l - відстань (км) між центрами "стільників" певного розміру, l = 3^0,5 r_c, де r_c - зовнішній радіус "стільника"; N_c - загальна кількість розрахункових "стільників" (з певним r_c) у регіоні.

Зокрема, задавшись умовами r_Nm(l)_reg < 0,4 та у_rel < 0,5 (що відповідає неперевищенню абсолютною помилкою половини стандарту параметра різноманіття) був визначений оптимальний розмір "стільників" з r_c = 7 км (при відповідних йому l = 12,12 км, N_c = 96, у_rel² = 0,23).

Перевірка, відпрацювання і першочергова реалізація всіх складників розробленої методики моделювання екомережі були виконані на прикладі тестового об'єкта досліджень шляхом дотримання етапів підпроцесу геоінформаційного моделювання (див. рис.1) з адекватним створенням і послідовним застосуванням електронних БД "Регіональна екомережа басейну Росі", що містять і відповідні допоміжні модельні побудови та основні модельні структури. Отриманий насамкінець змодельований варіант проектної екомережі басейну відтворює 3 її підсистеми.

При цьому структуру екомережі складають типізовані за класифікаційними ознаками 65 природних ядер, у т.ч. 14 регіональних та 9 підсистемних "ключових", 86 екокоридорів, у т.ч. 6 підсистемосполучних і, додатково, 18 екокоридорів, ймовірних як сполучні з сусідніми регіонами, а також 19 зон потенційної ренатуралізації та 24 орієнтовно визначені спільноконтурні буферні зони. "Ключовим" ядрам та підсистемосполучним екокоридорам має бути приділена найбільша увага як тим, що відіграють найбільшу роль у забезпеченні "життєздатності" екомережі та її окремих підсистем.

...