Проблемы геоинформационного моделирования природно-зональной дифференциации в географии

Природная зона – одно из базовых понятий физической географии, отражающее горизонтальную дифференциацию ландшафтной оболочки от экватора к полюсам. Разнообразие глобальных геопространственных данных и совершенствование методов автоматической компьютерной классификации открывают новые возможности для применения алгоритмов геоинформационного анализа для дифференциации суши по зонально-климатическим условиям. Цель статьи – выделить природно-зональные границы средствами геоинформационного моделирования с использованием глобальных климатических данных, а также выявить ограничения и сложности, возникающие при неконтролируемой классификации. В работе использовались нормализованные показатели из глобальной базы климатических данных Эдинбургского университета, составленной на основе WorldClim. На первом этапе методом анализа главных компонент обоснован набор значимых климатических параметров, необходимых для моделирования зонально-климатических группировок природных комплексов (годовая амплитуда температур, сезонность ежемесячных средних температур, годовая сумма среднесуточных температур выше 0°С, годовая сезонность осадков, индекс аридности Торнтвейта и сезонность потенциальной эвапотранспирации ‒ всего 6 показателей). Далее проведена неконтролируемая классификация указанных параметров по разному количеству классов (15, 22, 72). Для получения картины, сходной с глобальной природно-зональной дифференциацией, в модели использовано 22 класса. Сравнение новых зонально-климатических рубежей, полученных в результате моделирования, с границами природных зон на картах, составленных на основе иных методических подходов, проведено на примере Европы. Новые границы в целом отражают основные закономерности поясно-зональной дифференциации территории и могут служить основой для дальнейшей типологии ландшафтов средствами геоинформационного моделирования. В ходе исследования определены основные методологические ограничения геоинформационного моделирования природных зон на глобальном и материковом уровнях. Ограничения кластерного анализа для мелкомасштабного картографирования зонально-климатических группировок природных комплексов связаны также со сложностью выбора оптимального числа классов для получения адекватной визуализации пространственной структуры природных зон, а также с фактором «равного вклада» всех используемых климатических переменных в моделировании. Показано, что при реализации автоматических алгоритмов моделирования помимо климатических параметров (даже в разнообразных комбинациях) необходимо привлечение других геопространственных данных. Несомненным преимуществом подхода является воспроизводимость алгоритма классификации и возможность получения на выходе данных требуемой степени детальности в зависимости от конкретных задач геоэкологических исследований.

1. Географические пояса и зональные типы ландшафтов мира / карта под ред. Е.Н. Лукашовой; м-б 1:15 000 000. М.: ГУГК, 1988.

2. Григорьев А.А., Будыко М.И. О периодическом законе географической зональности // Доклады АН СССР. 1956. Т. 110. № 1. С. 129–132.

3. Докучаев В.В. К учению о зонах природы. Горизонтальные и вертикальные почвенные зоны. СПб., 1899. 27 с.

4. Дьяконов К.Н., Шиловцев О.А., Харитонова Т.И. Пространственные закономерности использования солнечной радиации (ФАР) ландшафтами Восточной Европы // Известия РАН. Серия географическая. 2005. № 1. С. 24–32.

5. Исаченко А.Г. Ландшафтоведение и физико-географическое районирование. М.: Высшая школа, 1991. 366 с.

6. Исаченко А.Г. Ландшафтная структура Земли, расселение, природопользование. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2008. 320 с.

7. Исаченко А.Г., Шляпников А.А. Ландшафты. М.: Мысль, 1989. 504 с.

8. Лукашова Е.Н., Игнатьев Г.М. Ландшафты суши и физико-географическое районирование материков. Пояснительный текст. Физико-географический атлас мира. М., 1964. 293 с.

9. Мильков Ф.Н. К вопросу о существовании ландшафтной сферы Земли и о месте ландшафтоведения в системе физико-географических наук // Науч. докл. Высшей школы. Геол.-геогр. науки. 1959. № 1. С. 15–20.

10. Романова Э.П. Ландшафтная структура суши Земли. География, общество, окружающая среда. Т. II: Функционирование и современное состояние ландшафтов. М.: Городец, 2004. С. 303–318.

11. Романова Э.П., Алексеева Н.Н., Аршинова М.А., Климанова О.А., Ковалева Т.А., Кондратьева Т.И., Медведев А.А. Новая карта мира «Географические пояса и природные зоны суши Земли» // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. Геогр. 2015. № 4. С. 3 –11.

12. Рябчиков А.М. Структура и динамика геосферы. Ее естественное развитие и изменение человеком. М.: Мысль, 1972. 224 c.

13. Bailey R.G. Ecoregions: the Ecosystem Geography of the Oceans and Continents, New York, Springer, 1998, 176 p.

14. Bailey R.G. Ecosystem Geography. From Ecoregions to Sites, New York, Springer-Verlag, 2009, 251 p.

15. Bunce R.G.H., Carey P.D., Elena-Rosselló R., Orr J., Watkins J.W., Fuller R. A comparison of different biogeographical classifications of Europe, Great Britain and Spain, Journal of Environmental Management, 2002, no. 65, p. 121–134.

16. Clement F.E., Shelford V.E. Bio-ecology, New York, John Wiley & Sons, 1939, 425 p.

17. Eetvelde van V., Antrop M. A stepwise multi-scaled landscape typology and characterization for trans-regional integration, applied on the federal state of Belgium, Landscape and Urban Planning, 2009, no. 91, p. 160–170.

18. Ergüner Y., Kumar J., Hoffman F.M., Dalfes H.N., Hargrove W.W. Mapping ecoregions under climate change: a case study from the biological ‘crossroads’ of three continents, Turkey, Landscape Ecology, 2019, no. 34, p. 35–50.

19. Fick S.E., Hijmans R.J. WorldClim 2: new 1 km spatial resolution climate surfaces for global land areas, International Journal of Climatology, 2017, no. 37(12), p. 4302–4315.

20. Global Ecological Zoning for the Global Forest Resources Assessment 2000, Final Report, Rome, FAO, 2001, 211 p.

21. Hargrove W., Hoffman F. Potential of Multivariate Quantitative Methods for Delineation and Visualization of Ecoregions, US Department of Energy Publications, 2005, no. 10, p. 41–59.

22. Isachenko A.G. Seasonal hydrothermic phases of landscapes, Resources and Environment: World Atlas, Ed. Holzel, Vienna and IG RAS, Moscow, 1998, vol. 2, рlate 133.

23. Kottek M., Grieser J., Beck C., Rudolf B., Rubel F. World Map of the Köppen-Geiger climate classification updated, Meteorologische Zeitschrift, 2006, vol. 15, no. 3, p. 259–263.

24. Lowell K.E. Differences between ecological land type maps produced using GIS or manual cartographic methods, Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 1990, no. 56, p. 169–173.

25. Metzger M.J., Bunce R.G.H., Jongman R.H.G., Muche C.A., Watkins J.W. A climatic stratification of the environment of Europe, Global Ecology and Biogeography, 2005, no. 14(6), p. 549–563.

26. Metzger M.J., Bunce R.G.H., Jongman R.H.G., Sayre R., Trabucco A., Zomer R. A high-resolution bioclimate map of the world: a unifying framework for global biodiversity research and monitoring, Global Ecology and Biogeography, 2013, no. 22, p. 630–638.

27. Mucher C.A., Klijn J.A., Wascher D.M., Schamine’e J.H.J. A new European Landscape Classification (LANMAP): A transparent, flexible and user-oriented methodology to distinguish landscapes, Ecological Indicators, 2010, no. 10, p. 87–103.

28. Olson D.M., Dinerstein E., Wikramanayake E.D., Burgess N.D., Powell G.V.N., Underwood E.C., D’Amico J.A., Itoua I., Strand H.E., Morrison J.C., Loucks C.J., Allnutt T.F., Ricketts T.H., Kura Y., Lamoreux J.F., Wettengel W.W., Hedao P., Kassem K.R. Terrestrial ecoregions of the world: a new map of life on Earth, Bioscience, 2001, no. 51(11), p. 933–938.

29. Sayre R., Bow J., Josse C., Sotomayor L., Touval J. Terrestrial Ecosystems of South America, North America Land Cover Summit, 2008, p. 131–152.

30. Sayre R., Dangermond J., Frye C., Vaughan R., Aniello P., Breyer S.P., Cribbs D., Hopkins D., Nauman R., Derrenbacher W., Wright D.J., Brown C., Convis C., Smith J.H., Benson L., VanSistine D.P., Warner J., Cress J.J., Danielson S.L., Hamann T., Cecere A.D., Reddy D., Burton A., Grosse D., True H., Metzger M., Hartmann J., Moosdorf N., Durr H., Paganini M., Defourny P., Arino O., Maynard S., Anderson M., Comer P. A New Map of Global Ecological Land Units – An Ecophysiographic Stratification Approach, Washington, DC, Association of American Geographers, 2014, 46 p.

31. Walter H. Die Vegetation der Erde in ökologischer Betrachtung, bd. 2, Gemä ssigten und arktischen Zonen, Jena, G. Fischer, 1968, 1001 p.

32. Walter H., Breckle S.W. Walter’s Vegetation of the Earth: The Ecological Systems of the Geo-Biosphere, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2002, 527 p.