Код: Выделить всё
Иванов А. В., Рыбальский Н. Н. Развитие модельных представлений о почве // Научно-практические аспекты развития современной техники и технологий в условиях курса на инновации. — Изд-во НИИРРР СПб, 2010. — С. 42–45.РАЗВИТИЕ МОДЕЛЬНЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПОЧВЕ
Иванов А.В., Рыбальский Н.Н.
Факультет почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова, Москва
Иванов А.В., Рыбальский Н.Н.
Факультет почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова, Москва
Информационные технологии дают широкий спектр возможностей для того, что бы получать информацию о почвах ежедневно и обрабатывать ее в реальном времени. Для подобных задач создаются почвенные информационные системы (ПИС), которые используется для таких исследований как прогноз опасности эрозии, окисления и других типов деградации почв; контроль за урожаями; контроль за продуктивностью лесов; исследование глобальных изменений почвы и многое др.
ПИС – это информационная система, создаваемая с целями изучения, планирования и принятия оптимальных управленческих рекомендаций по почвам и почвенным ресурсами, представляющая собой комплекс реляционных БД, включающих семантический и геоинформационные наборы данных.
На данный момент в мире существует более десяти ПИС национального уровня, несколько десятков региональных систем и в данный момент разрабатывается ПИС мирового уровня e-SOTER.
В 70-80х годах, российским почвоведами был внесен существенный вклад в разработку общих идей построения ПИС на первом этапе - разработке атрибутивных баз данных [3]. Однако сегодня в России не существует актуальной действующей ПИС.
Именно поэтому, одной из актуальных задач является восстановление работ с использованием опыта собственных и зарубежных разработок по созданию почвенной информационной системы. Но прежде чем приступать к разработке современной ПИС, необходимо исследовать модельные представления, которые были использованы в предыдущих работах подобного плана. Модель — это описание объекта на каком-либо формализованном языке, составленное с целью изучения его свойств [5]. Математические методы невозможно применять к качественным, неформализованным понятиям; для того, что бы обработать данные и получить интересующую нас информацию, мы должны провести работу по формализации существующих представлений о почве.
Впервые вопросы о возможности использования математических методов в почвоведении поставила формулировка определения почвы В.В. Докучаевым как функциональной зависимости свойств почвы от факторов почвообразования [2]:
П=f(К, О, Г, Р)T,
где П – почва, К – климат, О – организмы, Г – материнская порода, Р – рельеф, Т – время.В.В.Докучаев первым поставил вопрос о возможности математического описания почв; символьное определение почвы фактически является первой постановкой проблемы формализации описания почвы. При этом основной проблемой использования уравнения является недостаток модельных представлений о почвах, вызванный сложностью физической интерпретации аргументов-факторов почвообразования.
В течение 40 лет после Докучаева существовали только классификационные модели почвы, построенные на основе учета общих признаков объектов, закономерных связей между ними и распределяющие объекты по определенным классам и группам [1], основанные не на математике, а на логике природного представления.
С появлением первых ЭМВ, совпадает повторно поднятая Г. Йенни [7] проблема математического описания почв. Выделив почвообразующие факторы, в том числе и время, в группу независимых переменных, определяющих почвенную систему, Г. Йенни записал эту связь в форме уравнения почвообразующих факторов по отношению к окружающей среде:
s=f(cl, o, r, p, t, …),
где s – почва, cl – климат, o – организмы, r – рельеф, p – порода, t – время.Уравнение Йенни стимулировало появление почвенных физико-математических моделей – представлений о почвах, основанных на выявлении количественных взаимосвязей физических показателей свойств почв и использующих математический аппарат непрерывных аналитических или статистических функций.
Дальнейший интерес к математическим методам моделирования почв возродился в 60-70-х годах в связи с развитием вычислительной техники. Т.Г.Гильманов показал, что формулы Докучаева и Йенни следует рассматривать как некоторый набор функций, для которых существует определенная алгоритмическая процедура построения и нахождения численных решений с использованием ЭВМ [3]:
xs(t) = F(xs0,vs,cs,t),
где x – переменные состояния, x0 – начальные условия, v – вспомогательные переменные, c – параметры, t – время.Системный подход, возможности работы с гигантскими массивами данных, выросшая скорость расчетов, цифровые методы решения сложнейших систем уравнений поставили проблему сбора фактических данных - это потребовало перевода понятий и терминов в форму, доступную для обработки математическим аппаратом – формализации. Это потребовало работы по формализации понятий и гипотез почвоведения, начинается работа по их формальному упорядочению в виде баз данных.
В начале 70х годов появляются идеи упорядочения информации о почвах в базы данных - первые ПИС начали создаваться с 1966 г., а в нашей стране – с 1971 г [4]. Фактически, это означало появление нового класса почвенных моделей - информационных. Их принципиальное отличие от физико-математических моделей заключается в возможности использовать любые (не только функциональные) логические связи и взаимоотношения между самыми разнообразными по происхождению показателями свойств объектов предметной области, в том числе не являющиеся физическими величинами.
В начале 80х начинается организация данных с использованием визуальных возможностей картографического представления информации при помощи географических информационных систем (ГИС). Появляется возможность обработки данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) с использованием аэрокосмических методов сбора информации, что приводит к появлению геостатистики и педометрики со своим расчетным аппаратом, конечной целью которых является восстановление пространственного географического распределения почвенного покрова; появляется цифровая почвенная картография.
В настоящее время идет развитие методов передачи данных при помощи глобальных компьютерных сетей; возросшие мощности ЭВМ позволяют использовать любые логические связи и взаимоотношения между самыми разнообразными показателями свойств почв, что расширяет понятийный аппарат почвоведения и снимает основные препятствия к использованию логически-функционального аппарата для описания почв.
При этом актуальной остается проблема разнородности двух моделей – физико-математической и классификационной. В преобладающем в данное время физико-математическом моделировании не используются понятия горизонта и вертикального строения профиля в целом; вне рассмотрения остается та часть понятийного аппарата и законов функционирования почв, которая не укладывается в рамки, ограниченные понятийным аппаратом и законами, заложенными в физических моделях – иными словам, почва, как самостоятельный природный объект, растворяется во множестве частных физико-математических моделей.
В процессе разработки ПИС, нами была разработана информационная профильно-географическая модель почвенного профиля как индексированного массива дискретных данных, которая позволяет использовать физические показатели почвы совместно с понятиями профиля, горизонта и морфона в одной системе координат, что по сути является объединением физической и классификационной модели почвы.
Это открывает принципиально новые возможности для ПИС: возможность пространственно-распределенного статистического анализа, алгоритмизация процедур классификации почв и многие другие – от построения системы информативных признаков (диагностики), кластеризации на заданное или в определенном смысле оптимальное число классов до распознавания новых объектов (классифицирования) [5].
Литература:
1. Добровольский Г.В., Трофимов С.Я. Систематика и классификация почв (история и современное состояние): Учеб. Пособие. – М.: Изд-во МГУ, 1996. – 80 с.
2. Докучаев В.В. Сочинения, т.6. –М: Изд-во АН СССР. 1951. – 381 с.
3. Гильманов Т.Г. Интерпретация формул Докучаева и Йенни в терминах системного анализа // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. Почвоведение. 1977, № 3, с. 32-39.
4. Рожков В.А. Автоматизированные информационно-поисковые системы в почвоведении // Изд-во Госстандарта, 1983, 52 с.
5. Рожков В.А. Тектологическая концепция почвоведения. Основные разделы годового отчета за 2007 г. по гранту РФФИ № 07-04-00248а., 2007, 8 c.
6. Мышкис А. Д., Элементы теории математических моделей. – 3-е изд., испр. – М.: КомКнига, 2007. – 192 с.
7. Jenny H. Factors of soil formation. – N.Y.McGraw-Hill, 1941, p. 191.
Код: Выделить всё
Иванов А. В., Рыбальский Н. Н. Развитие модельных представлений о почве // Научно-практические аспекты развития современной техники и технологий в условиях курса на инновации. — Изд-во НИИРРР СПб, 2010. — С. 42–45.