Геосинергетическая концепция мониторинга окружающей среды

УДК 551, 621.01, 502.3 С.С. Карпухин

ФГУП «Госцентр «Природа», Москва

ГЕОСИНЕРГЕТИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Актуальность развития понятийного аппарата и теоретических разработок в сфере мониторинга окружающей среды очевидна. Базовые технические средства геоинформационного назначения, применение которых на практике может способствовать совершенствованию информационнокартографического обеспечения территориального управления в стране, ориентированы главным образом на решение задач земельного кадастра. В этой связи необходимы фундаментальные научные исследования в области изучения процессов эволюции природного комплекса, в том числе с участием хозяйственного воздействия на компоненты земных ландшафтов. Высока потребность в классических географических знаниях при разработке проблем экологического мониторинга природной среды и прогнозирования чрезвычайных экологических ситуаций. Знания, накопленные в рамках научных дисциплин о географическом ландшафте, почвах или биогеоценозах очень важны при работе с базами пространственных данных. Однако специалисты в области геоинформатики, как правило, неоправданно отмахиваются от географических проблем, погружаясь в задачи сканирования карт и снимков, оцифровки, создания картографических моделей в ГИС-оболочках, кластеризации дистанционных изображений, организации взаимодействия баз данных. Своих проблем в геоинформатике более, чем достаточно. А так ли уж безоблачно с пониманием и применением накопленного терминологического, понятийного и информационного багажа в самой географии?

Последняя четверть XX столетия ознаменовалась широким внедрением средств и данных космического зондирования Земли в практику информационного обеспечения научных и прикладных исследований. В этот же период большое развитие получили компьютерные технологии обработки дистанционных изображений и создания цифровых карт. В традиционной географической науке возникли «проблемы роста». Наблюдение из космоса реальных природно-хозяйственных систем стимулировало изменения в научной методологии. Развитие геоинформационных технологий, средств и методов дистанционного зондирования Земли из космоса требовало решения проблем дальнейшего совершенствования систем классификации, генерализации информации, объединения и синтеза географических знаний. Значительная терминологическая и понятийная многосложность, неоднозначность и избыточность, накопившаяся в географической науке к началу 3-го тысячелетия, в силу «отраслевого» принципа её функционирования, превратились в серьёзное препятствие на пути исследования законов эволюции природно-хозяйственной окружающей

среды и решения практических задач обеспечения безопасной и гармоничной жизнедеятельности населения.

В контексте исследования под окружающей средой понимается неразрывное единство природных, изменённых и искусственно созданных в результате хозяйственной деятельности факторов и объектов на конкретной территории или акватории. В качестве обозначения этого единства используется понятие природно-хозяйственная система, введённое в обиход географической науки в начале 80-х годов прошлого столетия [10]. Термин природно-хозяйственная система (ПХС) понятен не только географам и обеспечивает непосредственность интегрального восприятия объекта исследования.

В ракурсе поставленных вопросов автором вводится новое базовое для целей регионального геоинформационного анализа и мониторинга природнохозяйственных систем понятие геосинергетики, служащее основой дальнейших методологических построений. Геосинергетика - наука, занимающаяся изучением эволюции самоорганизующихся природнохозяйственных территориальных систем Земли, развивающихся в условиях взаимодействия эндогенных и экзогенных процессов (включая процессы космического происхождения), носящих нелинейный характер. Методом геосинергетики является синтез средств геодезии, картографии, геоинформатики и ГИС-технологий, обеспечивающих на основе баз знаний и научно-методического арсенала наук о Земле многоаспектный мониторинг параметров объектов и явлений ПХС, максимально приближённое к реальности моделирование эволюции природно-хозяйственных систем, подготовку сценариев их развития в будущем и разработку управляющих воздействий.

Термин гесинергетика введен в связи с применением синергетического подхода к разработке концепции создания единого геоинформационного пространства России [2]. Соотношению понятий синергетики (греч. -«совместное действие»), иначе - теории самоорганизующихся систем, динамической теории информации [11] - и геоинформатики, применению синергетического подхода в современном геоинформационном моделировании уделяется большое значение в работах В. П. Савиных, В. Я. Цветкова [9], В. А. Середовича и др. Необходимость интеграции научных дисциплин физико- и экономико-географического, картографо-геодезического профиля при изучении таких сверхсложных объектов, какими являются природно-хозяйственные системы, подчёркивается крупнейшими учёными географами и картографами [1, 6, 7 и др.]. В одной из последних публикаций в качестве одной из важнейших задач ближайшего десятилетия определено созидание основ единой географии, пронизанной современными научными методами изучения природно-хозяйственных систем, современной научной методологией [3]. Рассмотрим некоторые аспекты применения нового интеграционного направления - геоисинергетики - к решению исследования и мониторингу окружающей нас природно-хозяйственной среды.

В соответствии с современной динамической теорией информации «информация есть запомненный выбор одного варианта из нескольких возможных и равноправных» [11]. Приведённое определение «информации» может быть применено к исследованию процессов самоорганизации природно-хозяйственных территориальных систем. Современные средства дистанционного зондирования Земли, геоинформатики и геоматики позволяют эффективно решать вопрос получения, обработки и накопления новых пространственных данных о различных регионах страны. Обновление в процессе топографического мониторинга координатных или атрибутивных характеристик пространственных объектов порождает запомненный выбор в поведении ПХТС и понятие геоинформации становится конструктивным.

Таким образом, геоинформацией являются сведения о координатных или атрибутивных характеристиках пространственных объектов, полученные в ходе топографического и тематического (геологического, географического, экологического, социально-демографического и др.) видов мониторинга параметров самоорганизующихся природно-хозяйственных территориальных систем.

Геоэкологическое состояние ПХС и прогнозируемая степень их динамичности и стабильности обусловлены сложным взаимодействием природных и антропогенных факторов, нередко разнонаправленных в неоднородных ландшафтно-климатических и палеогеографических (ПГ) условиях. В связи с рассмотрением причин возникновения чрезвычайных ситуаций необходимо проанализировать принципиальную схему взаимодействия природных и хозяйственных комплексов/подсистем [5]. В каждой подсистеме должен быть прослежен поэтапный переток послойной информации по линии: системообразующие факторы ^ процессы

становления и развития во времени систем, включая их адаптацию к экологической опасности, ^ формирование природных и природноантропогенных комплексов, интегрированных в сложные природнохозяйственные системы. Природно-хозяйственные системы представляют собой сложные многокомпонентные и многослойные по времени формирования геосистемы, иерархически организованные в структурном отношении. Отсюда следует, что интегральная оценка степени устойчивости ПХС должна опираться, прежде всего, на пространственные (региональные) закономерности природного процесса и, одновременно, на тенденции его развития во времени с учетом унаследованных признаков на фоне долго- и короткопериодических изменений в конкретных ПГ обстановках, в том числе в экстремальных условиях.

Совместное, геосинергетическое изучение различных компонентов природной среды и аспектов хозяйственной деятельности в единой системе имеет явные преимущества в силу более эффективного использования взаимно дополняемой и контролируемой информации для выявления пространственно-временных закономерностей развития геосистем.

В процессе своей деятельности на конкретной территории человек в состоянии оказать регулирующее (позитивное или негативное) воздействие

на сбалансированность между проживающим населением, животным миром, растительным покровом и иными ресурсами, обеспечивающими их оптимальное сосуществование. Окружающая человека природнохозяйственная среда, уже сформирована и продолжает, как зависимо, так и не зависимо от него, эволюционировать. Избежать отрицательных воздействий возможно лишь при одном условии: необходимо знать строение ПХС, объективные законы её эволюции, нелинейные закономерности обмена веществом, энергией и информацией в пределах конкретной территории -географической структуры [6].

Природно-хозяйственная система - это одновременно и синергетический и причинно-следственный феномен. Природно-хозяйственным системам присущи закономерности, исследуемые традиционными, классическими научными дисциплинами (географией, геологией, биологией, физикой, химией и др.). При её исследовании мы сталкиваемся лишь с различными её проявлениями/образами, которые именуем компонентами. Так, растительный покров местности, эелементы социально-экономической инфраструктуры являются образами, индикаторами состояния природно-хозяйственной системы на снимках, получаемых из космоса. По их структурным спектральным характеристикам можно судить о состоянии природнохозяйственной системы в целом. Геотехническая система, животный мир, почвенный покров, морфолитосистема, гидросистема, атмосистема -аналогично. Каждый компонент (и его состояние) является равноправным геосинергетическим индикатором состояния ПХС.

ПХС являются самоорганизующимися системами. За примерами «далеко ходить» не надо. Попробуйте вырубить лес на каком-либо участке территории, покрытой коренными лесами. Пройдет несколько десятков лет и, благодаря закону - последовательности - сукцессий биоценозов, объективно существующему для данного биотопа, в пределах данной конкретной местности (географической структуры), лесной покров восстановиться в прежнем виде. Необратимые изменения факторов, оказывающих управляющее воздействие на закон сукцессий биоценозов в конкретном месте, повлекут за собой трансформацию закона и замещение типа растительного покрова в пределах рассматриваемой географической структуры.

Аналогичные законы сукцессий (т.е. последовательные смены состояний) присущи каждому компоненту природной подсистемы ПХС. Нужно лишь научиться обнаруживать и измерять эти состояния [8]. Попробуйте проложить в лесу на горном склоне «геологическую дорогу» (их нередко прокладывают в местах горных разработок). При этом воздействии уничтожается не только растительный покров, но и почвы и рыхлый чехол склоновых образований. И в этом случае неизбежно произойдут сукцессионные смены в состоянии рыхлого склонового чехла, почв и растительности. После прекращения эксплуатации дороги выемка, образованная при создании дорожного полотна не быстро, но заполнится. Почвенный покров через определённый отрезок времени восстановится.

Растительный покров «сомкнётся». Пусть звучит несколько не привычно, но приведенный пример иллюстрирует «работу» закона компонентных сукцессий географической структуры. Географическая структура - целостна. Характерные времена, которые требуются для прохождения своей сукцессионной цепочки у каждого компонента, различны. «Участниками» проявления этого закона являются: географические структуры, природнохозяйственные системы, сформировавшиеся в их пределах, компоненты природно-хозяйственных систем, состояния и сукцессии состояний компонентов природно-хозяйственных систем. И в основе всего принцип: природа - дискретна! Время, как и пространство, имманентно природнохозяйственным системам, является одним из важнейших параметров их мониторинга и описания в целях разработки сценариев развития и подготовки управляющих воздействий. Таким образом, «пространство-время» - это одновременно и «пределы, границы обитания» конкретных ПХС и инструментарий геомоделирования их эволюции.

Геосинергетический подход в качестве генеральной стратегии мониторинга окружающей среды предполагает [4]:

- Изучение общих, региональных и локальных закономерностей развития природно-хозяйственных систем, в том числе потенциальных условий для проявления природных опасностей, а также возможностей оценки устойчивости природной среды;

- Комплексное (топографическое, ресурсное, кадастровое, геоэкологическое и иное специальное) картографирование современного состояния и динамики природно-хозяйственных систем различных рангов с использованием аэро-космической информации и ГИС-технологий;

- Детальное космическое зондирование и мониторинг территорий, предрасположенных к возникновению чрезвычайных ситуаций;

- Компьютерное моделирование природных процессов, предвестников и условий возникновения чрезвычайных ситуаций, характера их протекания и ликвидации последствий;

- Создание географических информационных систем и формирование единого геоинформационного пространства России для целей управления сбалансированным и безопасным развитием регионов, в интересах совершенствования системы мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций, функционирующей в режиме реального времени.

Есть и другие важные аспекты, носящие синергетический характер, на которые в концепции мониторинга окружающей среды следует обратить внимание. Так, на начальном этапе целесообразно провести интеграционное районирование России с целью априорного выявления реально сложившихся ПХС на территории страны, что обеспечит расстановку правильных приоритетов по всем направлениям при организации мониторинга. Определённое акцентирование на геосинергетике (интеграции наук) в исследовании эволюции природно-хозяйственных систем - не дань моде. Это

неизбежный, рубежный переход на новые, современные рельсы всего методологического арсенала наук о Земле. Нет, и не может быть никакого отрицания достижений, полученных к настоящему моменту в отраслевых географических дисциплинах. Однако интеграция неизбежна. И от того, насколько энергичными и эффективными окажутся меры по трансформации и объединению сложившихся и вновь формирующихся направлений фундаментального и прикладного изучения природно-хозяйственных систем, зависит будущее единой географической науки.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Берлянт, А.М. Электронная Земля и интеграция картографии, геоинформатики и дистанционного зондирования // Материалы первого Общероссийского научнопрактического семинара «Электронная Земля, Электронная Россия, Электронная Москва: методология и технологии». Москва, Институт проблем информатики Российской академии наук (ИПИ РАН), 21-22 мая 2002 г.М.: ИПИ РАН, 2002. - С. 37-45.

2. Карпухин, С.С. Аспекты интеграции в концепции создания

геоинформационного пространства России // 2-я Международная научно-практическая конференция «Геопространственные технологии и сферы их применения». Тезисы докладов - М.: Информационное агентство «ГРОМ», 2006. - С. 89-92.

3. Карпухин, С.С. Сквозное геоинформационное направление в единой географии в свете идей К.К.Маркова // Горизонты географии. К 100-летию К.К. Маркова. М.: Географический факультет СГУ, 2005. - С. 63-68.

4. Карпухин, С.С., Судакова Н.Г., Клёнов В.И. Проблемы изучения и прогнозирования экологического состояния геосистем // Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций. IV научно-практическая конференция. 19-20 октября 2004 г. Доклады и выступления. - М.: ООО «Рекламно-издательская фирма «МТП-инвест», 2005. С. 140-153.

5. Карпухин, С.С., Судакова Н.Г. Марковская парадигма географии -закономерности пространственно-временного развития природы // Константин Константинович Марков: Воспоминания. Очерки. Научные статьи / Составители: С.С. Карпухин, А.К. Маркова, Н.Г. Судакова. Под общей редакцией П.А. Капдина. - М.: Географический факультет МГУ, Смоленск: Маджента, 2005. - С. 214-228.

6. Марков, К.К. Воспоминания и размышления географа. М.: Изд-во МГУ, 1973. -

117 с.

7. Мартыненко, А.И. Электронная Земля, электронная Россия, электронная

Москва: теоретические основы и технологии // Материалы первого Общероссийского научно-практического семинара «Электронная Земля, Электронная Россия, Электронная Москва: методология и технологии». Москва, Институт проблем информатики

Российской академии наук (ИПИ РАН), 21-22 мая 2002 г.М.: ИПИ РАН, 2002. - С. 8-16.

8. Прогнозно-географический анализ территории административного района // АН СССР, Дальневосточный научный центр, Тихоокеанский институт географии, Изд-во «Наука», М, 1984. - 256 с.

9. Савиных, В.П., Цветков, В.Я. Синергетика и геоинформатика // Известия Вузов, геодезия и аэрофотосъёмка. 2005. №4. С. 112-118.

10. Чепурко, Н.Л.. Подходы к типологии природно-хозяйственных систем по характеру их участия в круговороте веществ // Ворп. Геогр. - 1981. - № 117. - С. 135-140.

11. Чернавский, Д.С. Синергетика и информация

© С.С. Карпухин, 2006