CC BY
98
УДК 574:631.438.2
ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПОЧВОВЕДЕНИИ И ЭКОЛОГИИ*
С.В. Мамихин, В.М. Бадави, Д.М. Хомяков
В статье рассматриваются современные возможности и перспективы применения информационно-вычислительных технологий в почвоведении и экологии и предлагается определение компьютеризации как современной научной методологии. В качестве конкретного примера приведен опыт кафедры радиоэкологии и экотоксикологии факультета почвоведения МГУ в адаптации и использовании методологии компьютеризации в экологических исследованиях, в первую очередь — в многолетних работах по изучению экологических последствий аварии на Чернобыльской АЭС.
Ключевые слова: информационно-вычислительные технологии, компьютеризация, моделирование, почвоведение, экология.
Введение
Исследования в почвоведении и экологии, как и в других естественных науках, связаны, как правило, с предварительным накоплением исходной информации, ее обработкой, последующим анализом и наглядным представлением результатов. Развитие технических средств регистрации интересующих исследователей параметров окружающей среды и протекающих в ней процессов и разработка программного обеспечения для специфических целей данных областей науки создали предпосылки к модернизации научно-исследовательских изысканий, привели к появлению новых возможностей в работе с информацией. Компьютерное моделирование позволяет проводить с виртуальными объектами в численном виде эксперименты, представляющие риск для оригинальных объектов, разрабатывать прогнозы развития широкого спектра ситуаций — от рядовых до катастрофических и предлагать меры по минимизации их последствий. Технологии географических информационных систем (ГИС) нашли широкое применение при описании, моделировании и прогнозировании пространственно-временных процессов и явлений, в том числе и особо насущных для человечества, — связанных с охраной окружающей среды. Современные суперкомпьютеры позволяют искать решение глобальных экологических проблем на качественно новом уровне.
В настоящее время информационные технологии в Российской Федерации обоснованно отнесены к приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники, что позволяет надеяться на появление новых средств и методов проведения исследований в почвоведении и экологии и ожидать существенного прогресса в рассматриваемой области.
Компьютеризацию естественно-научных исследований можно охарактеризовать как методологию, основанную на применении компьютеров и информационно-вычислительных технологий для планирования и проведения полевых, лабораторных и теоретических работ и накопления, обработки, формализации и анализа их результатов. У нас уже имеется много примеров успешного использования методологии компьютеризации в области почвоведения и экологии (см., например, [3—6, 11, 12, 14—16]).
В качестве примера конкретного применения информационно-вычислительных технологий рассмотрим опыт адаптации и использования методологии компьютеризации в экологических исследованиях кафедры радиоэкологии и экотоксикологии факультета почвоведения МГУ, в том числе в широкомасштабных многолетних радиоэкологических исследованиях последствий аварии на Чернобыльской АЭС [6, 17].
Опыт использования методологии компьютеризации на кафедре радиоэкологии и экотоксикологии
Первые попытки использования информационно-вычислительных технологий в научных исследованиях были предприняты с появлением на кафедре удаленного терминального доступа к ЭВМ БЭСМ-6 НИВЦ МГУ. Это позволило заняться математическим моделированием биологического круговорота углерода и радиоуглерода. Были построены и реализованы на алгоритмическом языке FORTRAN модели разной степени сложности: многолетняя (с шагом один год) — для изучения динамики углерода и 14C в экосистеме мелколиственного леса, агроценозе и степной экосистеме и имитационная — для исследования сезонной (с шагом один час) динамики углерода в экосистеме снытьевой дубравы. Они дали возможность
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 14-04-00143-а).
уточнить параметры биологического круговорота углерода и накопления радиоуглерода в растительности и горизонтах почвы. Были проведены численные эксперименты по имитации воздействия возможных климатических изменений на продукционные процессы в дубраве [6].
Начиная с 1986 г. проводятся фундаментальные исследования поведения радионуклидов в наземных экосистемах в 30-километровой зоне аварии ЧАЭС и на прилегающих загрязненных территориях Российской Федерации, а также разрабатываются рекомендации по снижению ущерба и прогнозированию экологических последствий аварии. Главная практическая задача — оценка возможного проникновения радионуклидов в грунтовые воды и уровня радиоактивного загрязнения лесохозяйственной продукции. В течение первых двух лет удалось разработать и усовершенствовать оригинальную методику отбора и обработки проб растительности и почвы, которая позволила ежегодно собирать требуемую исходную информацию в унифицированной форме, удобной для накопления ее в цифровом виде в базах данных и дальнейшей обработки программными средствами. Сначала для этих целей использовали БЭСМ-6, а затем перешли к работе на персональных компьютерах, поскольку их постоянно растущие быстродействие и ресурсы накопителей в достаточной степени удовлетворяли потребностям наших исследований и были более удобны как в плане доступа, так и счетных ресурсов. Для накопления и анализа данных из печатных работ по тематике, аналогичной нашей, в том числе и для получения исходной информации, необходимой для построения имитационных моделей, в среде программирования, встроенной в систему управления базами данных (СУБД) dBase, а затем СУБД Access, была создана и эксплуатировалась информационная система «ЭКОЛИТ». С появлением в нашем распоряжении соответствующей переферии для ее пополнения стали использовать сканирование и оцифровку печатных материалов.
Для автоматической фиксации локальных метеопоказателей, которые могли бы оказать влияние на изучаемые радиоэкологические процессы, применяли автономную систему STARLOG фирмы UNIDATA, ядром которой являлось портативное программируемое устройство со встроенной оперативной памятью для сбора и хранения информации, поступающей с внешних датчиков. Привязку мест пробоотбора к местности на более позднем этапе исследований осуществляли с помощью технологии спутниковой навигации GPS. Данные на местах временной дислокации экспедиций обратабывали на ноутбуках. Для проведения спектрометрических измерений предназначался компьютеризированный мобильный комплекс «Про-гресс-БГ» с аналогово-цифровым преобразователем, вставляемым в док-станцию для ноутбука.
Накопленную в ходе исследований унифицированную информацию о загрязнении компонентов рас-
тительного покрова и почвенных профилей заносили в базы данных, обрабатывали, обобщали и анализировали с использованием разных электронных таблиц и специально разработанного пакета прикладных программ, который создавался и эксплуатировался в среде программирования СУБД dBase, а позднее СУБД FoxPro. При изучении пространственного распределения плотности радиоактивного загрязнения на опытном полигоне, организованном внутри зоны отчуждения, информация из баз данных также передавалась в графический пакет SURFER для наглядного представления в виде изолиний или трехмерного изображения. Это позволяло отслеживать тенденции в изменении уровней загрязнения компонентов растительности, биогеохимически сопряженных ландшафтов и почвенных профилей и давать краткосрочные прогнозы на ближайшие несколько лет.
Для прогнозирования были построены и реализованы на алгоритмическом языке BASIC имитационные модели (с шагом одни сутки) вертикальной миграции 137Cs в автоморфных и гидроморфных почвах лесных экосистем и модели многолетней (с шагом один год) динамики содержания 137Cs в компонентах древостоя и почве экосистем лиственного и хвойного лесов полного спектра гидроморфности. Модифицированная версия модели многолетней динамики 137Cs в экосистеме соснового леса была использована при участии кафедры в международной научно-исследовательской программе МАГАТЭ по радиоэкологическому математическому моделированию BIOMASS (1996-2001) [18].
Дальнейшим этапом этого направления стала модель посуточной динамики 137Cs в компонентах древостоя, организмах растительноядных и хищных животных и почвенном профиле экосистемы лиственного леса, которая уже в течении ряда лет развивается на кафедре в рамках постоянно действующего проекта ECORAD_Oak. Модель предназначена для прогнозирования ситуаций по широкому спектру сценариев выпадения на срок до 100 лет с учетом изменения продукционных характеристик древостоя. Тесная интеграция радиоэкологического модуля с модулем динамики органического вещества дала возможность более точно учесть роль последнего как физического носителя радионуклидов. При разработке алгоритма мы отказались от феноменологической интерпретации поведения радионуклида в организмах в пользу физиологической точки зрения на эти процессы. Были вычленены компоненты древостоя, существенно различающиеся по физиологии: например, раздельное рассмотрение поведения радионуклидов в «наружной» коре (мертвые покровные ткани, ритидом) и «внутренней» (живая флоэма). В алгоритм также включили правила перераспределения радионуклидов в системе почва—растение в соответствии с фенологическими циклами растений-доминантов. Модель реализована в среде объектно-ориентированного программирования Visual Basic.
С помощью модели была рассчитана многолетняя динамика содержания радиоцезия чернобыльского происхождения в компонентах древостоя, лесной подстилке и нижележащей почвенной толще с шагом в 1 см. Также путем суммирования посуточных потоков радионуклида рассчитаны более точные величины годичных потоков между компонентами древостоя и почвой. В ходе численных экспериментов с моделью уточнены априорные предположения о формальном механизме поведения радиоцезия в двух основных подсистемах лесной экосистемы — в почве и древесной растительности и дано предварительное определение роли их компонентов и потоков между ними в биологическом круговороте этого радионуклида [10]. Модель была использована и для проведения численных экспериментов по изучению механизмов поведения 137Cs в древостое и почве экосистемы широколиственного леса в условиях глобального изменения среднегодовой температуры.
Для прогнозирования поведения 90Sr разработана имитационная модель многолетней (с шагом один год) динамики содержания радионуклида в компонентах древостоя и почве экосистемы хвойного леса. Она использовалась для проведения ряда численных экспериментов по уточнению механизмов поведения радиостронция в лесной экосистеме и реконструкции ситуации загрязнения экосистемы сосняка на серых лесных почвах в результате Кыштымской аварии [9].
Кроме того, были разработаны имитационная модель трехмерной миграции 137Cs в почвах и модель расчета дозовых нагрузок от источников облучения, находящихся в почве, которая базируется на алгоритме миграционной модели [7, 8]. Это позволяет учитывать влияние динамических процессов миграции радионуклидов в почве на интенсивность облучения наземных объектов. В рамках расширения компетенции дозиметрической модели был также разработан численный алгоритм облучения объекта от источника излучения цилиндрической формы, в нашем случае — загрязненного ствола дерева.
Созданные на кафедре в ходе чернобыльских исследований базы данных и модели, а также разного рода информационные материалы (методики пробо-отбора, карта района проведения работ в 30-километровой зоне аварии ЧАЭС, библиография и т.д.) интегрированы в радиоэкологическую информационно-прогностическую систему «ЭКОРАД», разработанную в среде программирования СУБД Access. Система модернизировалась в течение ряда лет по мере накопления информационных материалов и появления новых моделей [6]. В настоящее время эта система получила свое дальнейшее развитие в виде информационно-учебного сетевого ресурса по радиоэкологии, радиобиологии и радиоэкологическому моделированию "EcoRadMod" http://ecoradmod.narod.ru. На сайте представлена библиография по радиоэкологии, статьи и монографии в pdf-формате, учебные электронные пособия, регистрационная база и мемо-
риальная страница. С целью наглядной иллюстрации применения метода математического моделирования в радиоэкологии на сайте обеспечен доступ к скачиванию созданнных на кафедре демонстрационных версий нескольких радиоэкологических моделей.
Кафедра принимала участие в разработке и реализации компьютерной аналитической информационной системы «Экология пресных вод России», которая содержит базы данных по качеству пресных вод, экологическим группировкам, физико-химическим свойствам водной среды и предоставляет возможности обработки данных, направленные на диагностику экологического состояния водных объектов и задачи экологического нормирования [1].
В целом следует констатировать следующее: использование информационно-вычислительных технологий в наших исследованиях сделало их более экономичными и эффективными, а результаты этих работ — более доступными.
Перспективы компьютеризации исследований
в почвоведении и экологии
В области экологического мониторинга перспективным средством наблюдений, применимым в экологических исследованиях, являются беспроводные сенсорные сети, состоящие из миниатюрных компьютеров, способных осуществлять сбор и первичную обработку информации, обмен ею между собой и передачу ее на главный компьютер.
Очень перспективным представляется использование в специфическом программном обеспечении естественно-научных исследований элементов самоорганизации и искусственного интеллекта. Уже давно обсуждаются вопросы создания самоорганизующихся математических моделей сложных систем [13]. В настоящее время не так трудно представить себе экологическую модель, реализованную на компьютере в виде программы, которая благодаря самоорганизации будет приобретать необходимые интеллектуальные качества, например способность к исследованию окружающего мира. Такая программа могла бы учитывать динамику факторов окружающей среды в процессах самоорганизации и выполнения поставленных перед ней задач. Ожидается дальнейшее развитие программ решения систем уравнений, использующих метод интеллектуального подбора, которые обещают облегчить создание математических моделей в естествознании.
Неизбежно должны прийти в более полном объеме новые технологии поиска знаний, использующие последние достижения искусственного интеллекта, численных математических методов, статистики и эвристических подходов. Особый интерес представляет подход, использующий концепцию нейросетей, цель которого — нахождение моделей и отношений, скрытых в базе данных и которые не могут быть найдены традиционными методами анализа. Следует отметить, что в данном случае на плечи компьютера перекла-
дываются не только «рутинные» операции (скажем, проверка статистической значимости гипотезы), но и те, которые отнюдь не принято называть рутинными (например, выработка новой гипотезы) [2]. В сочетании с вышеупомянутыми средствами мониторинга программные комплексы, включающие элементы искусственного интеллекта, смогут приблизить нас к действительно интеллектуальным системам, которые будут отслеживать происходящие события и реагировать на них аналогично человеку.
В области имитационного моделирования следует ожидать расширения банков алгоритмов и моделей как описывающих широкий спектр процессов, происходящих в биосфере в настоящее время и имевших место в прошлом, так и прогнозирующих будущее биосферы в различных сценариях развития цивилизации. Повышение быстродействия компьютеров, широкодоступных исследователям, делает реальным создание универсальных многокомпонентных имитационных моделей экосистемного уровня, учитывающих влияние гораздо большего числа факторов. Наработка таких моделей для основных типов экосистем необходима для осуществления масштабных проектов построения компьютерных моделей целых регионов, континентов и в конце концов всей планеты.
Перспективна технология Grid (Интернет-2), основанная на пяти составляющих: применении открытых стандартов, объединении разнородных систем, совместном использовании данных, динамическом выделении ресурсов и объединении вычислительных сетей множества организаций. Данная технология будет особенно востребована в тех областях, где необходимы большие вычислительные ресурсы, в том числе и для решения ресурсоемких задач естественнонаучных исследований, например при создании глобальных экологических моделей или при работе с масштабными географическими информационными системами в почвоведении.
Кроме вычислительных возможностей компьютеров все более востребованными будут их мультимедийные возможности. Перспективным направлением в компьютеризации исследований представляется нам дальнейший синтез математического моделирования и ГИС-технологий со средствами наглядного отображения в виде виртуального объекта, реализуемого в трехмерном пространстве на экране монитора или как голограмма. Это может привлечь к оценке адекватности модели помимо количественных методов еще и средства визуальные.
Важнейшим направлением компьютеризации научных исследований остается внедрение коммуникационных технологий. Это позволит избежать дублирования в исследованиях и послужит объединению мирового научного сообщества (прообразом чего может служить проектт «Цифровой банк европейских исследований» — www.driver-repository.eu). Актуально проведение международных сетевых конференций при решении важнейших естественно-научных
проблем хронического характера и «мозговых штурмов» при возникновении крупномасштабных аварийных ситуаций.
Следует ожидать дальнейшей интеграции вычислительных технологий и средств спутникового мониторинга за объектами, являющимися предметом естественно-научных исследований, и состоянием окружающей среды.
Выводы
Появление в непосредственном распоряжении у ученых, работающих в области естественных наук, постоянно развивающихся вычислительных средств и специализированной переферии к ним способствовало формированию принципиально новых подходов к планированию и проведению исследований, анализу полученного материала, а в ряде случаев сделало возможным переход к исследованиям в так называемом виртуальном варианте.
Имитационное моделирование, одна из главных составляющих методологии компьютеризации, стало важнейшим методом, применяющимся для изучения и прогнозирования процессов, протекающих в почвах, экосистемах, биогеохимически сопряженных ландшафтах и биосфере в целом. В настоящее время в результате бурного развития вычислительных средств и благодаря достижению определенных успехов в разработке экологических имитационных моделей экосистемного и регионального уровней созданы предпосылки к решению задачи прогнозирования развития экологических ситуаций на качественно новом уровне, а именно — к созданию на основе ГИС-тех-нологий более надежных региональных и глобальных моделей. Накопление исходной информации в виде баз данных и повышение быстродействия компьютеров, используемых для решения природоохранных проблем, сделали возможной реализацию моделей по сложным алгоритмам, все более адекватно отображающим явления, изучаемые в почвоведении и экологии.
На основании уже имеющегося практического опыта можно констатировать следующее: использование информационно-вычислительных технологий при решении природоохранных проблем является необходимым инструментом исследований, обеспечивающим их эффективность, рациональность и экономичность. Важным аспектом компьютеризации исследований в этой области является создание и развитие единого информационного поля, что также способствует успешному решению сложных экологических проблем. Перспективы компьютеризации в почвоведении и экологии тесно связаны с разработкой новых подходов к проведению исследований на основе современных достижений в области информационно-вычислительных технологий, а также с совершенствованием вычислительных средств, необходимых пе-реферийных устройств, программного обеспечения, мультимедийных и коммуникационных технологий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абакумов В.А., Булгаков Н.Г., Левич А.П. и др. Аналитическая информационная система «Экология пресных вод России» как инструмент биологических исследований // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 16. Биология. 2000. № 2.
2. Арсеньев С.Б. Извлечение знаний из медицинских баз данных. URL: neural.narod.ru/Arsen.htm
3. Архангельская Т.А. Температурный режим комплексного почвенного покрова. М., 2012.
4. Глаголев М.В., Смагин А.В. Приложения MATLAB для численных задач биологии, экологии и почвоведения. М., 2005.
5. Левич А.П. Искусство и метод в моделировании систем: вариационные методы в экологии сообществ, структурные и экстремальные принципы, категории и функторы. М.; Ижевск, 2012.
6. Мамихин С.В. Динамика углерода органического вещества и радионуклидов в наземных экосистемах (имитационное моделирование и применение информационных технологий). М., 2003.
7. Мамихин С.В., Бадави В.М. Имитационная модель трехмерной миграции 137Cs в почвах // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2011. № 4.
8. Мамихин С.В., Бадави В.М. Модель расчета дозовых нагрузок от источников облучения, находящихся в почве // Сб. мат-лов конф. «Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных и прикладных научных проблем». М., 2010.
9. Мамихин С.В., Никулина М.В. Имитационная модель поведения 90Sr в почве и древесном ярусе сосново-
го леса // Радиационная биология. Радиоэкология. 2005. Т. 45, № 4.
10. Мамихин С.В., Никулина М.В., Манахов Д.В. Механизмы сезонной и многолетней динамики радиоактивных изотопов цезия в экосистеме дубового леса // Проблемы радиоэкологии и пограничных дисциплин. Вып. 6. Заречный, 2005.
11. Моделирование динамики геоэкосистем регионального уровня. М., 2000.
12. Рожков В.А., Рожкова С.В. Почвенная информатика. М., 1993.
13. Розенберг Г.С. Модели в фитоценологии. М., 1984.
14. Савельев А.А. Моделирование пространственной структуры растительного покрова (геоинформационный подход). Казань, 2004.
15. Смагин А.В., Садовникова Н.Б, Смагина М.В. и др. Моделирование динамики органического вещества почв. М., 2001.
16. Хомяков Д.М., Хомяков П.М. Моделирование влияния антропогенных и метеорологических факторов на аг-роценозы. М., 1995.
17. Щеглов А.И. Биогеохимия техногенных радионуклидов в лесных экосистемах: по материалам 10-летних исследований в зоне влияния аварии на ЧАЭС. М., 1999.
18. Shaw G., Venter A, Avila R. et al. Radionuclide migration in forest ecosystems — results of a model validation study // J. Environ. Radioactiv. 2005. Vol. 84.
Поступила в редакцию 10.04.2014
INFORMATION-COMPUTING TECHNOLOGIES
IN SOIL SCIENCE AND ECOLOGY
S.V. Mamikhin, W.M. Badawy, D.M. Khomiakov
The authors consider the current opportunities and prospects of application of informationcomputing technologies in soil science and ecology, and proposed a definition of computerization, as modern scientific methodology. As a concrete example is the experience of the Department of ra-dioecology and ecotoxicology of soil science faculty of Moscow state University in the adaptation and use of methodology of computerization in ecological research, primarily in the long-term study of ecological consequences of Chernobyl accident.
Key words: information-computing technologies, computerization, modelling, soil science, ecology.
Сведения об авторах
Мамихин Сергей Витальевич, докт. биол. наук, вед. науч. сотр. каф. радиоэкологии и эко-токсикологии ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел.: 8(495) 939-50-09; e-mail: svmamikhin@mail.ru. Бадави Ваэл Махмуд, канд. биол. наук, науч. сотр. ядерного исследовательского центра Министерства радиационной безопасности и гражданской обороны Египта. E-mail: waelaea@yahoo.com. Хомяков Дмитрий Михайлович, докт. биол. наук, зав. каф. агро-информатики ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел.: 8(495) 939-50-58; e-mail: khom@bk.ru.
