Развитие модельных представлений о почве (2010)

Научные статьи по почвоведению и наукам о Земле
Ответить
Аватара пользователя
Ортштейн
Администратор форума
Сообщения: 49
Зарегистрирован: Сб фев 23, 2013 5:28 pm

Развитие модельных представлений о почве (2010)

Сообщение Ортштейн » Ср окт 31, 2018 7:09 pm

Ссылка для цитирования: 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

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.

Ссылка для цитирования: 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.

Ответить