Методи системного аналізу в екологічних дослідженнях

     Швидкий й якісний зв'язок може врятувати  людське життя, допомогти запобігти  екологічній катастрофі, ліквідувати  або послабити її наслідку.

     Методи  локальної діагностики навколишнього  середовища не можуть дати комплексну оцінку стану природного об'єкта або  процесу, особливо у випадку, коли цей  елемент навколишнього середовища займає великі простори. Будь-які технічні засоби збору даних про навколишнє середовище дозволяють одержати лише уривчасту в часі й фрагментарну в просторі інформацію.

     Для рішення комплексного завдання діагностики  навколишнього середовища важливий синтез системи, що поєднує такі функції, як збір даних за допомогою дистанційних і контактних методів, їхній аналіз і нагромадження з наступною  тематичною обробкою. Така система  здатна забезпечити систематичне спостереження  й оцінку стану навколишнього  середовища, визначати прогнозну  діагностику змін елементів навколишнього  середовища під впливом господарської  діяльності й при необхідності аналізувати  розвиток процесів у навколишнім  середовищі при реалізації сценаріїв  антропогенного характеру з видачею  попереджень про небажані зміни  характеристик природних підсистем. Реалізація таких функцій моніторингу  навколишнього середовища можлива  при використанні методів імітаційного моделювання, що забезпечують синтез моделі досліджуваної природної системи. 

4. Моделювання екологічної ситуації з урахуванням  антропогенних джерел.

     Екологічний підхід як міждисциплінарний на рубежі XX i XXI є потужним інструментом дослідження, аналізу, пояснення та прогнозування динаміки стану довкілля. Сучасна екологія з різноманітністю її підходів та засобів спостереження, методів обробки інформації та моделювання екологічних, еколого-економічних систем є міждисциплінарним утворенням, що акумулює результати багатьох дисциплін, таких як математика й інформатика, статистика і теорія ймовірності, картографія й геоінформатика та інші. Серцевиною цього утворення, що визначається терміном екологічна наука, еволюціонувала так стрімко, що без спеціального путівника важко навіть охопити мережу окремих дисциплін, котрі виросли на стовбурі дерева екологія. І цей процес триває.

     Реймерс Н. (1994) вважає, що галузі екології склались не з однаковою повнотою, за обсягом  вони дуже різноманітні. Виникають  все нові гілки. На сьогодні їх кількість  приблизно 50.

     Найбільш  загальні екологічні проблеми включають  в загальну екологію, а їх частину  – в математичну або теоретичну екологію.

     Відомий і інший підхід проникнення математики в екологію, назвемо його математизацією екології – широке застосування математичних методів у наукових дослідженнях. Це є дуже корисний і цікавий методичний прийом в екології і природокористуванні, але доцільний лише в допустимих межах без надання методиці рис  сумнівної універсальності.

     Моделювання – метод дослідження складних об’єктів явищ і процесів шляхом їх спрощеного імітування (натурального, математичного, логічного, картографічного). Ґрунтується на теорії подібності.

     Отже, моделювання стану довкілля –  це наука, що вивчає кількісні закономірності та взаємозв’язки еколого-географічних об’єктів і процесів за допомогою  статистично-інформаційних, математико-картографічних методів та моделей.

     Моделювання стану довкілля є інструментом, який дозволяє перейти від якісного рівня  аналізу до рівня, що використовує кількісні  статистичні значення досліджувальних  величин.

     Моделювання стану довкілля є синтезною дисципліною, вона поєднує в собі загальну екологічну теорію, математичну екологію, екологічну та математичну статистику, географію  та картографію й інформатику.

     Моделювання стану довкілля як самостійна наукова  дисципліна є основним методом екології (соціоекології), як метод практичного  чи теоретичного опосередкування певних екостанів, об’єктів та пов’язаних з  ними екоситуацій, в ході якого досліджується  безпосередньо не сам об’єкт, що нас цікавить, а деяка проміжна система, природна чи штучна, що знаходиться  в деякій об’єктивній відповідності  з еколого-географічною системою, що пізнається і може на певних етапах замінити цей об’єкт, здатна, врешті-решт, давати інформацію про об’єкт, що нас  цікавить.

     Структура ОМСД

     Стосовно  структури ОМСД цей поділ є  дуже умовний, він здійснюється двома  способами:

     - шляхом поділу ОМСД на окремі  підрозділи з метою подальшого  членування на наукові дисципліни;

     - шляхом групування (класифікації) наукових  дисциплін певної групи. 

     У структурі ОМСД слід виділити п’ять  блоків основних дисциплін, а також  групу суміжних дисциплін.

     Блок  основних дисциплін:

     - екологія;

     - математика;

     - інформатика; 

     - статистика;

     - картографія. 

     Екологія. Блок ОМСД, який є центральним серед  п’яти блоків основних дисциплін. Тепер  у складі екології виділяють чотири групи наукових дисциплін: загальну екологію, геоекологію, соціоекологію, екологію людини.

     Математика. “Галузеві” складові частини цієї підсистеми такі: “Математична статистика”, “Теорії імовірності”, “Математичного програмування”, “Лінійна алгебра”, “Систем нелінійних рівнянь” та ін.

     Інформатика. Найбільш молодий напрям досліджень. Становлення якого пройшло в  основному в повоєнний період. В її складі виділяють “Інформаційні  технології”, “Геоінформатику” та ін.

     Статистика. Блок має такі основні напрями: “Загальна  теорія статистики”, “Статистика галузей  господарств”, “Статистичні методи у  природоохоронній діяльності”.

     Картографія. Тут виділяють складові: “Картографія”, “Тематична картографія”, “Картографічне моделювання” та ін.

     Група суміжних дисциплін охоплює науки, що вивчають екологічні проблеми. Це біогеографія, природокористування, економічне природокористування  та ін.

     Зв’язки ОМСД

     Кожна наука займає специфічне, властиве тільки їй місце в системі наукового  знання. Прийнято вважати, що ОМСД знаходиться  на межі п’яти наукових сфер. ОМСД найбільш пов’язані з такими науками: фізикою, математикою, хімією, біологією, географією, економікою, соціологією, статистикою.

     Між науками існують наступні види зв’язків: генетичні, інформаційні, за спільним вивченням певних об’єктів, за використанням  однією наукою теоретичних положень і методичного апарату іншої, організаційні та ін.

     За  генетичною єдністю найтісніше пов’язані  з загальною екологією, статистикою, математикою, інформатикою, картографією.

     Інформаційні  зв’язки існують із цілим комплексом наук, що знаходяться в полі зору процесу їх екологізації. Між цими науками встановлюються зв’язки  між собою шляхом спільного дослідження  конкретних об’єктів.

     Використання  однією наукою теоретичних положень, понять, методичних засобів іншої. Це найбільш характерно для ОМСД. Наприклад, використання методів математичної статистики для статистично-інформаційного моделювання.

     Організаційні зв’язки між науками полягають  у тому, що кілька (дві, три чи більше наук) розвиваються в одних установах  за єдиним планом. Оскільки, ми знаємо, що моделі інколи бувають дуже складними, тому вони вимагають праці цілих  колективів.

     ОМСД  має зв’язки з філософією, логікою, системологією, позаяк використовує їхні методологічні засоби для побудови його понятійно-термінологічного апарату, систему умовиводів, використання аксіоматико-дедуктивного числення і взагалі побудови ОМСД.

     Функції ОМСД

     Основні функції ОМСД наступні:

     1) визначити граничні стани соціосистем,  межі, які не можна переходити  у впливі на оточуюче середовище, за якими починається незворотне  руйнування механізмів саморегуляції  природних систе; 

     2) сформулювати проблемну картину  майбутнього у взаємовідносинах  з оточуючим середовищем, тобто  тих труднощів, з якими може  зіткнутися людина у взаємодії  з природою в майбутньому; 

     3) дати найбільш повний перелік  альтернатив у розвитку локальних,  регіональних та глобальних соціоекосистем, побудувати моделі можливого  майбутнього; 

     4) сформулювати набір альтернативних  цілей розвитку людської цивілізації,  які б врахували не лише  безпосередні потреби суспільства,  а й “запити” природи.  

5. Математичне моделювання в проблемі навколишнього середовища.

     Впровадження  математичних методів в екологію, а також формування математичної екології пов’язані з моделюванням стану довкілля (еколого-географічних об’єктів (утворень, процесів), їх властивостей і відношень).

     Математизація екології – це передусім розвиток математико-еколого-географічного  моделювання. При цьому виділяють  дві самостійні, хоч і взаємопов’язані  проблеми:

      1) використання формальної (штучної)  математичної мови;

     2) застосування власне математичних  методів.

       Перше стосується побудови моделей, друге – їх дослідження і використання у числових розрахунках.

     Побудова  математичних моделей базується  тільки за допомогою певних кількісно  чітко визначених величин, які у  процесі дослідження можуть змінюватись  або залишитись незмінними (константами). Тому перш ніж будувати математичну  модель або застосовувати уже  відомі математичні методи і моделі, необхідно розчленувати об’єкт дослідження  на ті елементи (компоненти), які характеризують найбільш істотні властивості даного об’єкта (процесу, явища) Потім кожному  елементу утвореної таким чином  системи ставиться у відповідність  певна кількісна величина. Внаслідок  цього одержимо деяку абстрактну систему взаємопов’язаних елементів (компонентів), що представляє (моделює) ту реальну систему або об’єкт, які ми досліджуємо. Процес (процедура) побудови такої абстрактної спрощеної системи називається математичною формалізацією реального об’єкта, явища або системи. Тому побудована абстрактна система і є певною моделлю реальної системи. Але це ще не математична модель у повному розумінні цього поняття (слова). Необхідно ще встановити зв’язки між окремими елементами системи та між елементами системи і середовищем, в якому функціонує ця система. На етапі встановлення кількісних зв’язків та співвідношень між елементами побудованої системи (моделі) застосування математичних методів можна вважати традиційним. Тут широко використовуються методи математичної статистики, методи побудови емпіричних формул, менше – комбінаторний та логічний аналіз. Статистичний аналіз давно застосовується майже в усіх описових науках і тим більше в еколого-географічних дослідженнях.

     Математичне або імітаційне моделювання є  однією з найбільш корисних і ефективних форм моделювання, яке виражає (відображає) найістотніші риси реальних об’єктів, процесів, явищ і систем, що вивчаються різними науками.

     Створити  математичну модель того чи іншого реального процесу або явища  в повному розумінні цього  поняття, не завжди вдається чітко математично  описати реальний об’єкт, процес, явище  або, як кажуть, реальну систему. Вихід  з даного становища надає імітаційне моделювання. Суть якого полягає  в тому, що модель реальної системи  будується спочатку словесно (вербально), концептуально, а потім залучаються  всі існуючі методи для формалізації і математичного опису моделі, включаючи методи інформатики, системного аналізу і математичного моделювання. Основною умовою побудови імітаційної  моделі є використання сучасних електронних  обчислювальних машин (ЕОМ). Основою  якого є широке використання інтуїції науковця, дослідника чи спеціаліста  та їх робота в діалоговому режимі з ЕОМ. Отже, поступаючись в точності математичного опису окремих  елементів реальної системи, імітаційна модель, як правило, повинна мати перевагу відносно її інформативності та практичного  використання. З огляду на останнє  зауваження випливає, що усяка математична модель, яка успішно використовується для розв’язання складних практичних задач і проблем, з повним правом може називатися імітаційною моделлю або імітаційним моделюванням.