Методы моделирования в экологии и природопользовании

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИСТЕТ
«УТВЕРЖДАЮ»
Проректор по учебной работе
___________________/Волосникова Л.М./
_________________2011 г.
МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЕЯ В ЭКОЛОГИИ И
ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИИ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов магистерской программы
«Геоэкологические основы устойчивого водопользования»
направления 022000.68 «Экология и природопользование»
Форма обучения – очная
«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:
Автор работы ___________ В.В. Иеронова
«______»_______________2011 г.
Рассмотрено на заседании кафедры геоэкологии(________________)
Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению.
«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»
Объем __________стр.
И.о. зав. кафедрой _______________________/ С.И. Ларин
«______»_______________2011 г.
Рассмотрено на заседании УМК ИМЕНИТ отделения географии,
экологии, природопользования и туризма от _____._____.2011 г.
Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной
программы.
«СОГЛАСОВАНО»
Председатель УМК ________________/ О.А. Столярова
«______»_______________2011 г.
«СОГЛАСОВАНО»
Зав. методическим отделом УМУ __________________/ С.А. Фёдорова
«______»_______________2011 г.
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИСТЕТ
Институт математики, естественных наук и информационных технологий
Кафедра геоэкологии
Иеронова В.В.
МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЕЯ В ЭКОЛОГИИ И
ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИИ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов магистерской программы
«Геоэкологические основы устойчивого водопользования»
направления 022000.68 «Экология и природопользование»
Форма обучения – очная
Тюменский государственный университет
2011
Иеронова
В.В.
МЕТОДЫ
МОДЕЛИРОВАНИЕЯ
В
ЭКОЛОГИИ
И
ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИИ. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов магистерской программы «Геоэкологические основы устойчивого
водопользования» направления 022000.68 «Экология и природопользование».
Форма обучения – очная. Тюмень, 2011 г. ____стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО
с учётом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилям подготовки.
Рабочая программа опубликована на сайте ТюмГУ: Методы моделирования
в
экологии
и
природопользовании
[электронный
ресурс]/Режим
доступа:
http://www.umk.3.utmn.ru., свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой геоэкологии. Утверждено проректором
по учебной работе Тюменского государственного университета.
ОТВЕТСВЕННЫЙ РЕДАКТОР: к.г.н., доцент Ларин С.И.,
© Тюменский государственный университет, 2011.
© Иеронова В.В., 2011.
1. Пояснительная записка
1.1. Цели освоения дисциплины
Целью освоения дисциплины «Методы моделирования в экологии и
природопользовании» является:
Изучение методов моделирования, включая методы математического
моделирования экологических систем и процессов в окружающей среде, а также
современными
геоинформационными
технологиями
сбора,
систематизации,
анализа и прогноза пространственных экологических данных.
Задачи:
- получить представление об основных концепциях моделирования в экологии и
природопользовании; роли и месте компьютерных технологий; их функциях в
реализации конкретных методов исследований;
- усвоить основные идеи, принципы и закономерности в моделировании
пространственно-временных систем;
- научиться понимать и определять экономическую эффективность компьютерных
технологий при решении задач в области экологии и природопользовании, а также
пределы их возможностей;
- овладеть навыками практической работы с использованием компьютерных
технологий.
1.2. Место дисциплины в структуре ООП магистратуры
Дисциплина «Методы моделирования в экологии и природопользовании»
является дисциплиной по выбору общенаучного Профессионального цикла
подготовки магистра, изучается во втором семестре. Освоение дисциплины
необходимо как дополняющее для дисциплины «Компьютерные технологии и
статистические методы в экологии и природопользовании» базовой части и как
дополнение к дисциплинам «Статистические методы анализа в экологии и
природопользовании»,
«Численные
природопользовании»
общенаучного
методы
цикла
анализа
экологии
профессиональной
и
подготовки
магистров.
Программа
дисциплины
«Методы
моделирования
в
экологии
и
природопользовании» имеет чётко выраженную практическую направленность.
Обеспечивает формирование профессиональных навыков в сфере экологии и
природопользования.
1.3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины (модуля)
В ходе обучения студент должен овладеть следующими общекультурными
компетенциями:
-
уметь
свободно
пользоваться
современными
компьютерными
технологиями, применяемыми при сборе, хранении, обработке, анализе и
передаче
географической
информации;
самостоятельно
использовать
современные компьютерные технологии для решения научно-исследовательских
и производственно-технологических задач профессиональной деятельности (ОК2).;
- владение методами репрезентативности материала, объёма выборок при
проведении количественных исследований, статистическими методами сравнения
полученных данных и определения закономерностей (ОК-4);
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать: современные компьютерные технологии, применяемые в научных и
практических
работах;
технологии
и
разработки,
составления,
отладки,
тестирования и документирования программы на языках высокого уровня для
задач обработки цифровой, знаковой и текстовой информации, представленных в
векторной
и
растровой
вычислительной
форм,
техники
и
освоить
современные
программного
обеспечения
возможности
при
решении
пространственно-временных задач в области экологии и природопользовании.
Уметь:
рассчитывать
информационные
показатели
эффективности
компьютерных алгоритмов разной объектной ориентации и пространственного
охвата; организовать работы с учетом требований современных технологий;
Владеть:
методами
кластеризации
и
классификации
в
экологии
и
природопользовании.
2. Структура и трудоёмкость дисциплины
Дисциплина читается во 2 семестре. Формой промежуточной аттестации
является экзамен. Общая трудоёмкость дисциплины составляет 4 зачётных
единицы, 144 часа.
3. Тематический план
Таблица 1.
Тема
1
2
1 Введение
3
1-2
4
2
5
4
6
11
7
17
8
5
2 Типы моделей
3-4
2
4
11
17
5
3 Статистическое
5
моделирование
4 Моделирование
6-8
экологических систем
и процессов
2
4
11
17
5
2
4
15
21
5
5 Компьютерные
9методы
10
исследований в
экологии и
природопользовании
6 Технологии и
11особенности
12
моделирования в
экологии и
природопользовании.
7 Средства реализации 13моделирования
15
Итого (часов, баллов)
Из них в
интерактивных
формах (не менее
40% от аудиторной
нагрузки)
2
4
18
24
5
2
4
15
21
5
Доклад с
презентацией,
защита контр.
работы
3
6
18
27
8
15
8
30
30
99
-
144
-
38
(84,4%)
Защита контр.
работы
экзамен
-
Лекции
Самостоятельная
работа
Формы
контроля
Практические
занятия
Недели семестра
№
Тематический план
Виды учебной и Итого Итого
самостоятельной часов часов в
работы, в час.
по
интертеме актив.
формах
9
Защита практ.
работы
Защита контр.
раб.
Защита
реферата
Презентация
с докладом,
ответы на
занятии
Доклад
защита контр.
работы
Таблица 3
Планирование самостоятельной работы студентов
№
Модули и темы
1 Введение
2 Типы моделей
3 Статистическое
моделирование
4 Моделирование
экологических систем
и процессов
5 Компьютерные
методы
исследований в
экологии и
природопользовании
6 Технологии и
особенности
моделирования в
экологии и
природопользовании.
7 Средства реализации
моделирования
Всего
Итого
Виды СРС
обязат.
дополн.
Подгот.
контр.
вопросов,
реферат
подгот.
контр.
работы
Подготовк
Сост.
а доклада,
презент.
подгот.
контр.
вопросов
Подготовк
Сост.
а доклад,
презент.
подгот.
контр.
работы,
реферат
Подготовк
а доклад,
подгот.
контр.
работы
Подготовк
Сост.
а доклад,
презент.
подгот.
контр.
работы,
реферат
Подготовк
Сост.
а доклад,
презент.
подгот.
контр.
работы
Неделя
семестра
1-2
Объём
часов
11
3-4
11
5
11
6-8
15
9-10
18
11-12
15
13-15
18
12
33
99
4. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с
обеспечиваемыми последующими дисциплинами.
№
п/п
Наименование
обеспечиваемых
(последующих) дисциплин
1
2
Введение в землеведение
Метеорология и
климатология
Гидрология
География городов
Геоморфология
3
4
5
Темы дисциплины необходимые для
изучения обеспечиваемых (последующих)
дисциплин
1.1
1.2
1.3
2.1
2.2
3.1
3.2
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
5. Содержание дисциплины
1.1. Введение. Цель и задачи курса. Определение понятий модель,
моделирование. Требования к моделям. Значение моделирования в экологии и
природопользовании.
1.2. Типы моделей. Материальные модели (макеты, искусственные
заменители органов, гидрологическая модель – течение воды, метод пробных
участков
и
т.д.).
Абстрактные
модели
(вербальные,
схематические,
математические). Этапы моделирования.
1.3.
Статистическое
моделирование.
Метод
максимального
правдоподобия, метод наименьших квадратов, метод моментов. Линейная
регрессия, логит модель, пробит модель и т.д.
2.1. Моделирование экологических систем и процессов. Моделирование
взаимодействия организмов друг с другом и с окружающей средой ("классическая"
экология); моделирование, связанное с состоянием окружающей среды и ее
охраной (социальная экология).
2.2.
Компьютерные
природопользовании.
обществом.
Методы
методы
исследований
Моделирование
исследования
в
отношений
экологии
и
в
экологии
и
между
природой
и
природопользовании.
Особенности применения компьютерных методов в частных географических
науках. Формальные методы оценки природных ресурсов и природно-ресурсного
потенциала территорий. Экономико-географическая характеристика современного
общества и хозяйства. Формирование интегральных индексов и индикаторов
устойчивого развития территорий.
Компьютерные технологии в реализации описаний: комплексные и целевые
описания, сравнительные описания пространственно-временных характеристик
геосистем, литературно-художественные описания с помощью современных
технических средств.
Геофизические методы в науках о Земле – геоморфологии, климатологии,
метеорологии, гидрологии, гляциологии и др. Моделирование в геофизике
ландшафта
для
изучения
природно-территориальных
комплексов
как
функционально-целостных объектов.
Понятие
о
геохимических
методах.
Компьютерные
ландшафтно-
геохимические методы анализа и эколого-геохимическое картографирование
состояния окружающей среды.
Компьютерные технологии обработки статистических, картографических,
аэро- и космических материалов. Математико-картографическое моделирование.
Комплексирование компьютерных методов моделирования в экологии и
природопользовании.
3.1.
Технологии
природопользовании.
и
особенности
Модели
моделирования
пространственной
в
экологии
организации
и
территорий.
Ситуационный подход. Проблемы масштаба в моделировании. Фрактальность.
Пространственная классификация и районирование. Геостатистика и нейронные
сети.
Модели
взаимосвязей
пространственно
распределенных
явлений.
Корреляционные модели. Пространственная автокорреляция.
Модели пространственной динамики. Диффузионные модели и модели
потоков. Моделирование с целью прогноза.
Модели устойчивости геосистем. Теория катастроф, теория хаоса. Понятие
о геоситуационном моделировании.
Особенности компьютерного моделирования природной и
социально-
экономической составляющей геосистем.
3.2.
Средства
реализации
моделирования.
Технологии
сбора
пространственно-временной информации в экологии и природопользовании.
Становление
и
зондирование,
государственные
краткий
обзор
гидрологический
кадастры
и
методов
и
мониторинга.
Дистанционное
метеорологический
статистика.
Примеры
мониторинг,
организации
и
функционирования мониторинговых систем. Особенности организация сбора
информации в географических исследованиях. Создание специализированных
баз данных. Роль географических информационных систем (ГИС) и возможности
их интеграции с другими технологиями для интеграции пространственных данных
(ГИС и дистанционное зондирование, глобальные системы позиционирования,
сетевые технологии).
Средства
визуализации
результатов
компьютерного
моделирования.
Изображения в неевклидовой метрике, анимации, виртуально-реальностные
изображения. Возможности мультимедиа в организации компьютерной среды для
целей моделирования. Атласные информационные системы.
Интеллектуализация
компьютерного
моделирования
в
экологии
и
природопользовании. Технологии искусственного интеллекта, базы знаний и
экспертные системы. Системы поддержки принятия решений.
Техническое, программное и организационное обеспечение компьютерных
технологий в экологии и природопользовании.
6. Планы семинарских (практических) занятий
- Теоретические основы моделирования в экологии и природопользовании.
- Подходы и методы моделирования в экологии, системы моделей;
- Использование картографических методов в моделировании с применением ГИС
технологий
- Компьютерные методы исследований в экологии и природопользовании;
- Технологии и особенности моделирования в экологии и природопользовании;
- Системное моделирование рационального природопользования;
- Структурно-параметрическое моделирование системы природопользования
- Моделирование экологической сложности;
- Математические аспекты моделирования;
- Статистическое моделирование;
- Моделирование динамики популяций и сообществ;
- Моделирование наземных экосистем;
- Моделирование водных экосистем;
- Глобальные модели, в которых Земля рассматривается как единая экосистема;
- Средства реализации моделирования.
7. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины
Примеры контрольных заданий для самостоятельной работы:
1. Перечислите основные методы экологии и природопользовании, где широко
используются компьютерные технологии.
2. Каким образом можно использовать компьютерные технологии для описаний в
экологии и природопользовании?
3. Охарактеризуйте систему геофизических методов моделирования экосистем.
4. В чем особенности геохимических методов моделирования экосистем?
5. Что
такое
“комплексные
методы
моделирования
в
экологии
и
природопользовании»?
6. В
чем
особенности
компьютерной
обработки
статистических,
картографических, аэро- и космических материалов?
7. В чем сущность ситуационного подхода в моделировании?
8. Какова роль масштаба в моделировании?
9. Поясните области приложения фрактального анализа.
10. В чем особенности пространственных классификаций и их отличия от
районирования?
11. Возможности
применения
нейронных
сетей
для
совершенствования
компьютерных классификаций.
12. Объясните сущность основных методов геостатистики.
13. Объясните
сущность
корреляционных
моделей
в
экологии
и
природопользовании.
14. В чем особенности моделей пространственной динамики?
15. Что такое «пространственная диффузия»?
16. Охарактеризуйте принцип устойчивости-неустойчивости в развитии экосистем.
17. В чем смысл «теории катастроф»?
18. В чем суть теории хаоса?
19. Что такое «геоситуационное моделирование»?
20. Какова специфика компьютерного моделирования природной и социальноэкономической компонент экосистем?
21. Каковы средства реализации компьютерного моделирования?
22. Какова роль геоинформационных технологий в компьютерном моделировании
в экологии и природопользовании?
23. Как осуществляется визуализация результатов моделирования?
24. Охарактеризуйте атласные информационные системы.
25. Что такое «анаморфозы, картоиды и мысленные карты»?
26. Поясните особенности создания анимационных и виртуально-реальностных
моделей в географических исследованиях.
27. Что входит в понятие «интеллектуализация моделирования»?
28. Что
такое
«системы
поддержки
принятия
решений»
в
экологии
и
природопользовании?
29. Охарактеризуйте техническое, программное и организационное обеспечение
компьютерных технологий.
30. В чем Вы видите перспективы развития методов моделирования в экологии и
природопользовании?
Примерная тематика рефератов:
1. Характеристика
основных
методов
моделирования
в
экологии
и
природопользовании.
2. Проблема оптимизации способов моделирования геосистем.
3. Комплексирование компьютерных методов для изучения геосистем.
4. Модели
структуры,
взаимосвязей
и
динамики
пространственно
распределенных явлений.
5. Геоситуационное моделирование – состояние и перспективы развития.
6. Компьютерное
моделирование
природной
и
социально-экономической
компонент в экологии и природопользовании.
7.
«Интеллектуализация» методов моделирования.
8. Создание проекта атласной информационной системы для комплексных
географических исследований.
9. Возможности и ограничения средств моделирования в геоинформационной
среде
10. Роль
методов
классификации
и
районирования
в
географических
исследованиях.
11. Статистические методы исследования географических объектов и явлений.
12. Технологии визуализации в географических исследованиях.
Вопросы к экзамену:
1. Компьютерные технологии в реализации описаний с помощью современных
технических средств.
2. Возможности
мультимедиа
в
организации
компьютерной
среды
для
моделирования пространственно распределенных явлений.
3. Характеристика экспертных систем.
4. Техническое, программное и организационное обеспечение компьютерных
технологий в экологии и природопользовании.
5. Виртуально-реальностные изображения.
6. Геофизика ландшафта – особенности моделирования.
7. Геохимические методы в экологии и природопользовании.
8. Средства визуализации результатов компьютерного моделирования.
9. Географические информационные системы и технологии моделирования в
экологии и природопользовании.
10. Определение и характеристика баз знаний.
11. Компьютерные
ландшафтно-геохимические
методы
анализа
состояния
окружающей среды.
12. Особенности
компьютерных
технологий
обработки
статистических
материалов.
13. Создание специализированных баз данных.
14. Системы поддержки принятия решений.
15. Особенности
компьютерных
технологий
обработки
картографических
материалов.
16. Интеллектуализация компьютерного моделирования.
17. Геофизические методы в частных географических дисциплинах.
18. Изображения в неевклидовой метрике.
19. Корреляционные модели.
20. Комплексирование компьютерных методов моделирования в экологии и
природопользовании.
21. Многовариантность моделирования, способы ее реализации.
22. Модели пространственной организации территорий. анимации
23. Ситуационный подход.
24. Диффузионные модели
25. Пути оценки надежности моделирования.
26. Проблемы масштаба в моделировании и роль фрактального анализа.
27. Технологии искусственного интеллекта
28. Особенности компьютерных технологий обработки аэро- и космических
материалов.
29. Понятие об анаморфозах. Способы их создания.
30. Пространственная классификация и районирование.
31. Геостатистика – возможности применения в географических исследованиях.
32. Теория хаоса в экологии и природопользовании.
33. Нейронные сети.
34. Модели взаимосвязей.
35. Модели динамики пространственного распространения явлений.
36. Моделирование с целью прогноза.
37. Модели устойчивости геосистем.
38. Теория катастроф.
39. Пространственная автокорреляция.
40. Понятие о геоситуационном моделировании.
41. Технологии сбора пространственно-координированной информации.
42. Подходы к оценке достоверности математико-картографических моделей.
8. Образовательные технологии
Лекции
–
оборудование
мультимедиа.
Практические
занятия
–
использование мультимедиа (для докладов с презентациями). Активные и
интерактивные формы проведения занятий – разбор конкретных ситуаций.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
(модуля)
9.1. Основная литература:
1. Быков А.А. Моделирование природоохранной деятельности. Учебн. пособие.
М., Изд-во НУМЦ Госкомэкологии России, 2008.
2. Капралов Е.Г., Кошкарев А.В., Тикунов В.С. и др. Геоинформатика: Учебник.
Под ред. В.С. Тикунова. – М.: Академия, 2005, 480 с.
3. Книжников Ю.Ф. Аэрокосмическое зондирование: Учебное пособие. - М.: МГУ,
1997. - 119 с.
4. Липец Ю.Г. Системное моделирование в социально-экономической экологии и
природопользовании. – Итоги науки и техники. Теоретические и общие
вопросы экологии и природопользовании, М., ВИНИТИ, 1987, 168с.
5. Модели и методы оценки антропогенных изменений геосистем. Отв. ред.
В.И.Гурман, А.К. Черкашин. Новосибирск, Наука, 1986, 146с.
6. Моделирование геосистем. – Вопросы экологии и природопользовании, Вып.
127, М., Мысль, 1986, 215с.
7. Тикунов В.С. Моделирование в картографии. М., МГУ, 1997, 405 с.
8. Трофимов А.М. Моделирование геосистем (концептуальный аспект). Казань,
Экоцентр, 1997, 143с.
9. Трофимов А.М., Игонин Е.И. Концептуальные основы моделирования в
экологии
и
природопользовании
(Развитие
основных
идей
и
путей
математизации и формализации в экологии и природопользовании), Ред.
В.С.Тикунов, Ю.П.Переведенцев, Казань, изд-во «Матбугат йорты», 2001, 340с.
9.2. Дополнительная литература:
1. Бобров А.Л. Социальная и эколого-экономическая устойчивость регионов
России. М., Диалог-МГУ, 1998.
2. Бабурин В.Л. Деловые игры по экономической и социальной экологии и
природопользовании. М., 1995.
3. ГИС для устойчивого развития территорий. Материалы международных
конференций ИнтерКарто/ИнтерГИС: №1 - 13, 1994 – 2007.
4. Зотов
С.И.
Моделирование
состояния
геосистем.
Учебн.
пособие,
Калининград, Изд-во КГУ, 2001, 237с.
5. Капралов Е.Г., Кошкарев А.В., Тикунов В.С. и др. Основы геоинформатики:
Учебное пособие. Под ред. В.С. Тикунова. – М.: Академия, 2004, кн.1 – 352 с.;
кн. 2 – 480 с.
6. Книжников Ю.Ф., Кравцова В.И., Тутубалина О.В. Аэрокосмические методы
географических исследований. М. Изд-во Академия, 2003.
7. Медведева О.В. Методы экономической оценки биоразнообразия. М., Экологопросветительский центр «Заповедники», 1999.
8. Моделирование геосистем. Вопр. экологии и природопользовании. М., Мысль,
1987, вып. 127, 203с.
9. Рыбина Г.В. Технология проектирования прикладных экспертных систем.
Учебн. пособие. – М.: МИФИ,1991. –104с.
10. Серапинас Б. Б. Глобальные системы позиционирования: Учебное издание. –
М.: ИКФ «Каталог», 2002. –106 с.
11. Статистические
и
динамические
экспертные
системы:
Учеб.пособие./Э.В.Попов, И.Б.Фоминых, Е.Б.Кисель, М.Д.Шапот.-М.: Финансы и
статистика, 1996, -320с.
12. Тикунов В.С. Классификации в экологии и природопользовании: ренессанс или
увядание? – Смоленск, Изд-во СГУ, 1997, 367 с.
13. Тикунов В.С. Атласная информационная система «Устойчивое развитие
России» // Вестник Моск. ун-та. Сер.5. География. 2002, №5. С. 21-31.
14. Трофимова С.Ф. Проблемы концептуального моделирования в ГИС. "Геоинформатика-2000":
Труды
Международной
научно-практической
конференции. Под ред. А.И. Рюмкина, Ю.Л. Костюка, А.В.Скворцова. - Томск:
Изд-во Том. ун-та, 2000. - С. 7-12.
15. Экспертные
системы.
пособие/Л.А.Керов,
Инструментальные
А.П.Частиков,
средства
Ю.В.Юдин,
В.А.
разработки.
Юхтенко;
под.
Учеб.
ред.
Ю.В.Юдина. – Сиб.: Политехника, 1996. –220с.
10. Технические средства и материально-техническое обеспечение
дисциплины (модуля)
Для
проведения
оборудованная
лекционных
мультимедийными
занятий
средствами
необходима
для
работы
аудитория,
в
программе
PowerPoint. Для выполнения практических занятий необходим компьютерный
класс.