Байрак Г.
Методи геоморфологічних досліджень

Моделювання в еколого-геоморфологічних дослідженнях

Моделювання для еколого-геоморфологічних цілей – метод вивчення сучасних морфодинамічних процесів, їхніх взаємозв’язків з геолого-геоморфологічною і техногенною ситуацією регіону за допомогою моделей.

Модель (від лат. modulus – міра, аналог, зразок) – це подання об’єкта, системи чи поняття (ідеї) в деякій формі, яка відмінна від форми реального існування, що слугує засобом для подальшого пояснення, розуміння чи удосконалення. Простіше, модель – це відтворення чого-небудь [48].

Під час еколого-геоморфологічних досліджень використовують різні системи моделей. Саме на моделях реалізовують прогнози розвитку процесів, про що йтиметься в наступному підрозділі. Розрізняють два способи формування моделей:

  1. уявного абстрагування – уявне моделювання;
  2. створення матеріальних систем – матеріальне (фізичне) моделювання.

Ґрунтуючись на теорії подібності, геоморфологічні об’єкти можна моделювати цими двома шляхами.

Деякі автори виділяють імітаційне моделювання – метод, який допомагає будувати моделі процесів, які описують як ці процеси відбувалися б насправді. Метод заснований на тому, що система, яка вивчається, замінюється імітатором і з ним проводяться експерименти для отримання інформації про цю систему. Експериментування з імітатором називають імітацією (імітація – це збагнення суті явища, не вдаючись до експериментів на реальному об’єкті) [27]. Імітаційне моделювання (машинна імітація) – особлива форма проведення експериментів на ЕОМ з математичними моделями, які з певним ступенем імовірності описують закономірності функціонування реальних систем і об’єктів [52]. У нашому розумінні цей термін є тавтологією, оскільки модель – це і є імітація об’єкта чи явища.

Методи уявного моделювання

Серед уявних способів виділяють різновиди: словесне та математичне моделювання. Словесне або описове моделювання – це якісна картина деякого процесу, яка не містить кількісних характеристик. До словесного зачисляють різновиди:

  • логічного моделювання (у вигляді гіпотез, схем (рис. 2.5.6), графіків, експериментальних масивів);
  • графічного моделювання (застосовують розрізи, колонки, карти, блок-діаграми – рис. 2.5.7);
Логічна схема досліджень небезпечних екзогенних процесів
Рис. 2.5.6. Логічна схема досліджень небезпечних екзогенних процесів
Модель зсуву у вигляді блок-діаграми (штат Монтана, США)
а
 Модель зсуву у вигляді блок-діаграми (штат Монтана, США)
б
Рис. 2.5.7 Модель зсуву у вигляді блок-діаграми (штат Монтана, США) [64]:
а) вигляд до; б) вигляд після зсуву.

Умовні позначення:
1 – контур майбутнього зсуву;
2 – пісковики;
3 – глинисті сланці;
4 – поверхня ковзання;
5 – тіло зсуву;
6 – загатне озеро

Математичне моделювання передбачає формулювання диференціальних і (або) алгебричних рівнянь, які дають змогу отримувати кількісну оцінку досліджуваних явищ. Використовують закони, закономірності фізики та механіки, які допомагають вирішувати проблеми розвитку рельєфу і рельєфотвірних процесів. Процес розв’язування математичної моделі зручно виконувати за допомогою комп’ютерних середовищ.

Комп’ютерне моделювання – це методика, яка побудована на реалізації певної математичної моделі за допомогою сучасних інформаційних технологій. З іншого боку, поняття комп’ютерного моделювання виходить за рамки математичного моделювання, оскільки допомагає реалізовувати ігрові моделі (наприклад, кліткові автомати, нейронні мережі та інші) [6].

У середовищі комп’ютерних програм виконують 3d-візуалізацію та анімацію розвитку процесу (рис. 2.5.8), відтворюють графіки динаміки процесів, будують схеми логічного моделювання. Застосовують таке програмне забезпечення:

  • програми MS Excel, MS Access – для логічного моделювання: створення таблиць, діаграм, баз даних; Mathworks Matlab (Statistica) – опрацювання статистичних даних;
  • графічного моделювання (ArcGIS (рис. 2.5.9), MapInfo – побудова тривимірних моделей рельєфу і його процесів; CorelDraw – побудова картосхем без географічної прив’язки; AutoCAD; 3dStudioMax);
  • розв’язування математичних моделей числовими методами (Mathworks Matlab, Microsoft Visual Studio, Xcode, Eclipse).
3d-візуалізація зсуву на Камчатці за допомогою он-лайн режиму
Рис. 2.5.8. 3d-візуалізація зсуву на Камчатці за допомогою он-лайн режиму [11]
3d-модель рельєфу, виконана в модулі ArcScene програми ArcGIS
Рис. 2.5.9. 3d-модель рельєфу, виконана в модулі ArcScene програми ArcGIS

Фізичне моделювання

Фізичне моделювання – експериментальний метод дослідження складних процесів, які є в реальних (натурних) системах, за допомогою дослідження фізичних моделей, тобто установок (зазвичай зменшеного масштабу), які зберігають повністю чи головно природу процесу оригіналу (натурної установки). Характеристики оригіналу після проведення фізичного моделювання можна отримати шляхом перерахунку відповідних характеристик моделі, помножених на масштабні коефіцієнти. Такі перерахунки можуть бути коректними лише у випадку, коли фізична модель подібна до оригіналу [52].

Серед матеріальних (фізичних) моделей виділяють різновиди:

  • натурні;
  • лабораторні.

До фізичних натурних моделей належать природні аналоги: натурні моделі екзодинамічних процесів, польові випробування порід, фільтраційні, дощувальні та інші дослідні роботи в полі.

До фізичних лабораторних моделей належать зменшені в масштабі реально існуючі природні об’єкти, над якими ставлять експерименти у лабораторних умовах. Це можуть бути лабораторні моделі русел рік, зсувів, просадкових явищ.

Моделювання складається з трьох етапів:

  1. створення моделі;
  2. різні операції з моделями для дослідження об’єкта;
  3. перенесення отриманих знань на реальний прототип моделі.

На першому етапі типовою є послідовна розробка моделей у словесній, графічній і математичній формі. На другому – важливіші математичні, картографічні та математико-картографічні моделі. На третьому етапі виникає потреба зіставити нові знання зі вже відомими властивостями предмета, перевірки моделей на практиці.

Для описів структури об’єкта використовують матричні моделі і моделі теорії графів; для завдань класифікації, типології та районування – моделі багатомірної статистики, розпізнавання образів; для аналізу і прогнозу динаміки – моделі системної динаміки та інші імітаційні моделі; для вивчення взаємодій – моделі просторових взаємодій; для цілей управління – моделі дослідження операцій [2].

В основу побудови моделей геоморфосфери та розвитку рельєфотвірних процесів покладено уявні матеріальні різновиди в різних модифікаціях.

До моделей в еколого-геоморфологічних дослідженнях ставлять вимоги:

  1. забезпечити повноту, адаптивність та еволюційність факторів;
  2. надійність і практична корисність отриманого результату;
  3. дотримання вимог, які обмежують час вирішення задачі;
  4. фізична доступність моделі на цьому рівні розвитку технічних засобів;
  5. можливість перевірки відповідності досліджуваного об’єкта його моделі;
  6. забезпечення надходження інформації в тій чи іншій послідовності, яка потрібна для вирішення завдань;
  7. дотримання термінологічної чистоти [17].

Основні принципи моделювання еколого-геоморфологічних ситуацій такі: розуміння системності об’єктів, їхньої єдності й ієрархічності, багатомодельного опису, єдності формалізованого та неформалізованого опису, визнання фундаментальності екологічних процесів, єдності теорії та практики.

За допомогою моделювання можна оцінити потенційні наслідки застосування різних стратегій оперативного керування, впливу на екосистему, користування природними ресурсами (біотичними й абіотичними), оптимізації екосистем. Моделювання дає змогу глибоко проникнути в сутність явищ, зрозуміти їхню справжню природу.

Скачати повну версію книжки (з малюнками, картами, схемами і таблицями) одним файлом