Научно обоснованных подход к совместному принятию решений на уровне экосистем

Серебрянная О.Л., Esri CIS (oserebryannaya@esri-cis.ru); по материалам Esri

A Science-Based Approach to Collaborative Decision Making at Ecosystem Scales

Ученые создали основанную на ArcGIS систему экологического мониторинга и прогнозирования. ГИС и ГеоДизайн позволяют принимать более объективные решения по контролю экосистем, основываясь на конкретных фактах, средствах их пространственного анализа и моделирования.

Древние люди обитали в районе Йеллоустона еще 11 тысяч лет назад, используя территорию современного национального парка для жилья, охоты и сбора лекарственных растений. Подобное традиционное использование этой территории продолжалось вплоть до появления европейских колонистов и охотников, привлеченных легендами и рассказами о стране, богатой природными чудесами, где «адское пламя» вырывается наружу из-под земли. В марте 1872 г. президент Грант подписал акт, согласно которому Йеллоустон стал первым национальным парком в мире. Этот район настолько необычен, что был объявлен охраняемым навечно, чтобы и последующие поколения могли любоваться его красотами и уникальными ландшафтами. Так как территория была обозначена и начала охраняться достаточно рано, Йеллоустон оказался одной из немногих достаточно крупных природных экосистем, сохранившихся в умеренном поясе Северного полушария (рис. 1).

В последние годы управлять этими экосистемами становится всё сложнее и сложнее. Засухи, лесные пожары, фрагментация местообитаний, загрязнения, проникновение чужеродных видов, болезни и быстро меняющийся климат стали представлять угрозу не только человеческой популяции, но и местным видам и их местообитаниям. Для планирования сохранения уникальной природы парка с учетом современных реалий и воздействий специальная группа экологов использует ArcGIS, статистический анализ и рабочие процессы ГеоДизайна для оценки и измерения влияния возможных изменений землепользования до того, как это реально случится или может произойти.

Экологические прогнозы

Специалисты Йеллоустонского экологического исследовательского центра (Yellowstone Ecological Research Center – YERC), частной некоммерческой организации со штаб-квартирой в Монтане, в основном занимаются долгосрочными крупномасштабными экологическими исследованиями и экопросвещением совместно с другими общественными и частными организациями. Исторически сложилось так, что эта работа в значительной мере опирается на возможности системы ArcGIS, помогающей организовать, анализировать и визуализировать данные по здоровью и состоянию местных видов, а также служащих им местообитаниями вод и земель.

Моделирование динамики экосистем выполняется комплексно. За последние годы общий объем, разнообразие и сложность собираемых геопространственных данных выросли в геометрической прогрессии. И это потребовало разработки новых инструментов и рабочих процессов, чтобы специалисты, ответственные за принятие решений, могли больше времени уделять самим проблемам, а не сортировке и подготовке данных. Что ещё важнее, этим специалистам надо синтезировать данные в стандартизированную, понятную и безопасную информацию, необходимую для поддержки управления в современных условиях, а также для подготовки к тому, что может понадобиться завтра. А это означает повторяющийся итеративный процесс, основную доктрину научного исследования.

Для поддержки всего процесса экологического прогнозирования экологи, статистики и ГИС-аналитики YERC создали систему экспертизы экосистем, геопространственного анализа и оценки ландшафтов (Ecosystem Assessment, Geospatial Analysis and Landscape Evaluation System – EAGLES), по сути являющуюся воплощением общего принципа ГеоДизайна в масштабе экосистем (прим. редакции: статья о ГеоДизайне «ГИС: Проектируя наше будущее» опубликована в 52-м выпуске ArcReview). EAGLES – это целостная архитектура для реализации рабочих процессов, организующая огромное количество исторических пространственных данных, охватывающих почти всю территорию США, и моделирующая стандартные процедуры по созданию прогнозных экосистем и моделей видов. ArcGIS служит ключевым компонентом EAGLES, предоставляя картографическую платформу, позволяющую всесторонне проанализировать данные и представить их в виде, наиболее понятном для принимающих решения лиц.

Рабочий процесс начинается со сбора экспертов, обладающих хорошими знаниями исследуемых живых объектов, включая физиологию, места кормёжки, отношения «хищник-жертва», конкурентные взаимодействия и местообитания. Кроме того, собирается информация по патогенным организмам, паразитам и прочим опасностям. Эти эксперты помогают разработать концептуальную модель ключевых моментов и объектов управления. Процесс концептуального моделирования начинается с вербального описания важных взаимоотношений между объектами исследования и их окружением. Затем эти вербальные описания используются для выбора набора гипотетических воздействий, которые надо включить в модель. Переменные среды (т.е. ковариаты) и их взаимоотношения с объектами исследования (т.е. динамические характеристики) называются нарративными («описательными») моделями, хорошо представляемыми с использованием воображаемой карты (см. рис. 2).

На примере вилорогой антилопы

Вилорогая антилопа (Antilocapra americana, см. рис. 3) в Йеллоустоне сталкивается с рядом проблем: малый размер популяции и географическая (демографическая) изоляция, малая численность и низкие темпы восстановления. При принятии решений по ее сохранению надо составить план управления, основанный на демографическом мониторинге численности, особенно характеристиках восполнения вида. Данное исследование нацелено на изучение демографического состава популяции, особенно восстановления и выживаемости, экологических взаимодействий (в том числе со стороны хищников) и доступности местообитаний.

Проведенное в приложении к вилорогой антилопе исследование привело к созданию двух нарративных моделей: одна представляет «родильные площадки», а другая выборку ресурсов (включая идентификацию и использование жизненно важных местообитаний). В данном случае, выживаемость вида зависит от доступности корма, интенсивности нагрузки со стороны хищников, геофизической обстановки и климатических переменных. Например, чем больше дождей, тем больше вырастет корма, больше родится детенышей и более здоровой может стать популяция.

Информационные потребности

Следующим этапом после создания нарративной модели будет идентификация и сбор релевантных наборов данных, которые помогут ответить на вопросы, касающиеся влияния дорог, хищников и прочих условий, воздействующих на вилорогую антилопу. Это будут наборы данных с рельефом, топографией, ландшафтами, хищниками и расстоянием до дорог.

В случае с вилорогой антилопой зафиксированы 762 встречи 26 помеченных животных в период с мая по июль 2005 года. Пространственный экстент анализа определился этими данными, а также знаниями экспертов об использовании местообитаний. Разрешение всех этих данных – 100-метровая сетка, полученная путём передискретизации (рис. 4). На этом рисунке на карте слева представлена часть модели исходных ресурсов (RSPF), показывающая прогнозируемое использование местообитаний вилорогой антилопы при прокладке дороги в Йеллоустонском национальном парке. Инструмент Переставить (Swap) использовался для применения этой модели к предполагаемому добавлению дороги (показана зеленым). Выходные данные новой прогнозной модели RSPF (справа) показывают, что в этом случае вилорогая антилопа уйдет из части своих исходных местообитаний.

Аналитики использовали различные технологии моделирования для создания слоёв кормовой базы, травянистых растений, шалфея, почв и кумулятивной первичной продукции (т.е. модели процессов). Дополнительные модели использовали эмпирические собранные в поле данные для создания слоёв интенсивности воздействия койотов и волков, а также слоёв биомассы мелких млекопитающих. В итоге на основании километровых буферных зон вокруг каждого отмеченного местоположения антилоп были созданы слои доступного жизненного пространства, где точки были распределены по территории случайным образом, симулируя возможное использование местообитаний. Так как точно не известно, по каким критериям вилорогие антилопы выбирают себе местообитания, этот процесс был повторен с 3- и 5-километровыми буферными зонами для сравнительного анализа.

Изучение альтернативного будущего – экологические прогнозы

В системе EAGLES есть инструмент Переставить (Swap), позволяющий строить альтернативные сценарии (т.е. модели изменений) с помощью уже построенных моделей, изменяя лишь отдельные атрибуты и не меняя все остальные параметры, чтобы изучить влияние конкретных изменений на всю модель. Подобный подход позволяет в явном виде исследовать, что произойдет при изменении уровней угроз, например геофизики, доступности корма или даже более сложные входные условия. Таким образом, вначале берется модель, «соответствующая» реальной ситуации, а затем выявляются сложные последствия заданных изменений обстановки (т.е. модели воздействия). Подобным образом можно учесть и проверить разные гипотезы и мнения экспертов, что иллюстрирует рис. 5. Представленная на нем карта мнений – это быстрый способ показать возможные факторы, влияющие на изменения ответов изучаемых видов, например здоровье и жизнеспособность популяции. Карта мнений может основываться на современных данных или официальной информации, которые помогают наглядно визуализировать модель повествовательного изложения, порой достаточно сложную, в том числе для понимания. Модель повествовательного изложения на самом деле используется для создания количественной модели, поддерживающей статистический анализ, который, в свою очередь, потребуется на следующих этапах рабочего процесса.

Например, прогнозирование влияния новой дороги на местообитания основывается на входном слое с планируемой дорогой. Затем пользователь может применить соответствующую модель ресурсов к слою с новой дорогой (вместо исходного слоя) и посмотреть, какова будет реакция на изменения ландшафта. Такие преобразования позволят количественно оценить изменения местообитаний. Визуализация итоговой поверхности выполняется в ГИС, а итоговые уравнения и модели можно также изучить статистически. Цель этих действий – предоставить инструмент для планирования изменений ландшафтов.

Человек и природа

Преимущества набора инструментов в составе EAGLES заключаются в том, что он рационализирует поиск, компиляцию и объединение данных. А это дает пользователю возможность идентифицировать входные геопространственные данные, области интереса, масштабы и общее разрешение данных (даже если оно временное), собирая доступные наборы данных в общей системе координат с помощью ArcGIS. Применение такого рабочего процесса к стандартизированным наборам данных поможет продвинуть вперед внедрение ГеоДизайна.

Поиск решений основных экологических проблем требует новых способов мышления. Более не существует ни противостояния человека и природы, ни человека в природе – теперь уже говорят о сосуществовании человека и природы. Во всех случаях, будь то вилорогие антилопы в Йеллоустонском национальном парке, популяции медведей или сокращение численности норвежского лосося и многое другое – научный метод и средства ГИС позволяют вывести рассмотрение и поиск решений стоящих проблем за рамки субъективизма, поставив во главу угла реальные данные и опираясь при принятии решений на конкретные факты.

За более подробной информацией о Центре экологических исследований Йеллоустона обращайтесь к Дженифер Шелдон (Jennifer Sheldon, e-mail: sheldon@yellowstoneresearch.org) или Бобу Крэбтри (Bob Crabtree, e-mail: crabtree@yellowstoneresearch.org) или на сайт http://www.yellowstoneresearch.org/.

За более подробной информацией о внедрении ГеоДизайна на практике обращайтесь к Шенону МакЭлвани (Mr. Shannon McElvaney, e-mail: smcelvaney@esri.com) или на сайт esri.com/geodesign.

Рис. 1. Экосистема Большого Йеллоустона.	Рис. 2. Если все данные собраны в единой системе координат, исследователь или менеджер получает возможность изучать все эти разнообразные факторы как независимо, так и применительно к какой-то определенной точке данных, что повышает эффективность и качество исследования.	Рис. 3. Вилорогая антилопа в национальном парке (фото Гамильтона Гринвуда).
Рис. 4. Картографическое моделирование проектных сценариев с учетом воздействия на вилорогую антилопу.	Рис. 5. Карта мнений – это быстрый способ показать и оценить влияние разных факторов на существование интересующих исследователей популяций.