facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Global international scientific
analytical project
GISAP
GISAP logotip
Перевод страницы
 

ВЕЙВЛЕТ АНАЛИЗ МОЩНОСТИ АККУМУЛЯТИВНО-ГУМУСОВГО СЛОЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА ПОД ЛИНИЕЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

ВЕЙВЛЕТ АНАЛИЗ МОЩНОСТИ АККУМУЛЯТИВНО-ГУМУСОВГО СЛОЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА ПОД ЛИНИЕЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
Александр Захарченко, профессор

Томский политехнический университет, Россия

Участник конференции

В статье рассматривается использование вейвлет анализа для расчетов размеров почвенного индивидуума технологических дерново-подзолистых почв просеки воздушной линии электропередачи и прилегающего леса. Установлено, что размер цикла флуктуации мощности гумусового горизонта зависит от масштаба наблюдения, имеет обратную логарифмическую зависимость от количества почвенных индивидуумов. Изучена иерархическая структура флуктуации мощности гумусового слоя.
Ключевые слова: почвенный индивидуум, вейвлет, масштаб, гумусовый горизонт, техногенные территории, паттерн.

The article deals the use of wavelet analysis to calculate the size of the individual soil technological dernovo-podzolic soils of the cutting power line and the forest territory. It is found that the size of the fluctuation cycle humus horizon depends on the scale of observation, has an inverse logarithmic dependence on the number of soils individuals. Studied the hierarchical structure of the fluctuations size of the humus layer.
Keywords: pedology individual, wavelet, scale, humus horizon, under the constructions, pattern.


Проблема поиска наименьшего объема природного объекта, характеризующего его во всей полноте изучаемых свойств, является общей для многих наук, особенно, если за объекты, исследования принимаются сложно устроенные природные тела. Концепция основывается на гипотезе, что уровневая организация системы может быть определена, как совокупность элементарных ячеек, которые могут быть тиражированы симметричным отображением.
Иерархические уровни географического пространства рассматриваются в первую очередь, как отражение иерархической организации рельефа, почв и геологических структур, антропогенных объектов. Феномен пространственной иерархической организации ландшафта, открытый русской ландшафтной школой в 1950-ых годах стал в дальнейшем основой всех ландшафтных исследований [1].
Проблема влияния масштаба исследования на его результаты известна с 30-ых годов 20 века. Она окончательно сформулирована Опеншоу и Тейлером в 1979 г. [2,3], как проблема изменяющегося масштаба (MAUP). Оказалось, что в пространстве и во времени данные агрегированы, поэтому в зависимости от масштаба и произвольных границ разбивки пространства на полигоны результаты будут сильно различаться. При переходе из крупного масштаба на более мелкий масштаб искажается форма полигонов.
Jianguo Wu, Harbin Li [4] из анализа географических наблюдений, обосновали, что четвертым пространственным измерением является масштаб (паттерн). Таким образом, географы посягнули на научное открытие устройства мироздания. Они фактически обосновали, что масштаб можно рассматривать, как четвертое пространственное измерение, которое не является простым дополнением к трем существующим, а представляет выделенное направление пространства, аналогичное времени. По их мнению, всякое природное явление имеет свой внутренний масштаб (intrinsic or characteristic scales), который может не соответствовать используемому масштабу наблюдения, что часто приводит к неверным выводам.
Различные подходы к отображению пространственной иерархии геосистем были подробно рассмотрены Б. В. Виноградовым [5], а теоретические и прикладные аспекты проблемы – Ю.Г. Пузаченко [6]. Б.Г. Розанов [7] теоретически обосновал 8 уровней неоднородности почв. Им сделано два важнейших фундаментальных вывода: 1) познание свойств только одного иерархического уровня не достаточно для целостного понимания объекта; 2) процессы, протекающие на разных иерархических уровнях, различны и требуют на каждом уровне своего методического решения. Подробный анализ проблемы наименьшей единицы почвенного покрова провел Е.А. Дмитриев [8], который указал, что между профильным уровнем и почвенным индивидуумом утеряно звено сопряжения и обнаруживается разрыв. Тем самым он показал, что теория иерархических уровней имеет не только теоритическое, но прогностическое значение.
Объектом моего исследования является слой гумусового горизонта (AY) дерново-подзолистых почв просеки воздушной линии электропередачи сверх высокого напряжения. Земля под линей электропередачи находится в санитарной зоне отчуждения, но используется фермерами для проезда, выпаса домашней скотины и сенокошения. При строительстве она подверглась воздействию ходовых систем тяжелой техники. Наблюдаются колеи, пятна с отсутствием гумусового горизонта (абраземы), его малой мощностью и его повышенной мощностью (стратоземы). Неоднородность почв также унаследована от парцеллярной структуры леса [9].
Возраст просеки на момент проведения исследования 13 лет. Через просеку воздушной линии электропередачи (60 м) и в лесу (16 м) прокладывается траншея, пересекающая линию в области максимального провиса проводов (середина между опорами). На стенке траншеи измеряются флуктуации мощности слоя гумусового горизонта. Стенка пикетирована через 1 м, и нивелиром проведена гипсометрическая съемка рельефа поверхности. Замеры мощности слоя AY произведены с использованием металлической линейки с шагом измерения через 4 см длины траншеи. Мощность слоя гумусового горизонта колеблется (рис. 1).
Современный математический аппарат позволяет провести анализ колебательных процессов во времени и выявить цикличность. Анализ основывается на теории вейвлетов с использованием кратномасштабного анализа, разработанного Малла [10]. Анализ производится сдвигами кратномасштабной копией вейвлет-функции по шкале колебательного процесса.

Рис.1. Колебание мощности AY на просеке ВЛ СВН

Обработка данных осуществляется с помощью вейвлет анализа, реализованного в пакете МАТЛАБ-7.1 на основе функции гаусс-5 (cgau5) [11]. Для кратномасштабного анализа разработан быстрый каскадный алгоритм вычислений, подобный быстрому Фурье-преобразованию. Вейвлет получил название «Мексиканская шляпа». Название связано с формой поручаемых результатов, похожих на сомбреро.
По результатам вычислений построена диаграмма фазово-частотной характеристики флуктуаций мощности слоя гумусового горизонта AY (рис. 2). Общий размер расчетной матрицы 1826 на масштабный параметр 1000 составляет 1826000 ячеек. Среднее расстояние между измерениями составляет 3,7 см, а общая длина траншеи, на стенке которой проводились измерения – 66 м.
Фигура диаграммы полностью сформирована в виде «шляпы», что я считаю признаком достаточного количества проведенных измерений, чтобы сформировать целостную картину феномена.
Левая часть «шляпы» оказалась «разорванной» в районе крайнего провода ВЛ СВН (24-26 м). Этот разрыв вызван уплотнением почв на грунтовой дороге, которая используется местными фермерами для проезда. Грунтовая дорога существует со времени строительства ВЛ СВН. Почва на ней уплотнена слева между центральны и крайним проводом. Поэтому, можно предположить, что «разорванность полы шляпы» фазово-частотной функции обусловлена присутствием антропогенно-нарушенных почв с преобладанием на диаграмме областей с отрицательным смещением фазы колебания (светло-серые тона).


 

Рис. 2. Вейвлет диаграмма фазово-частотных характеристик (от –π рад. до +π рад) флуктуации мощности верхнего гумусового горизонта AY (см) дерново-подзолистой почвы на просеке ВЛ СВН (33,3 м – проекция центрального провода).


На уровне масштабных параметров 200-250 и 400-440 наблюдаются искажения формы деталей изображения фазово-частотных характеристик в виде горизонтальных полос, создающих слоистый рисунок с внедрением отрицательных фаз в область положительных её значений и положительных фаз в область отрицательных значений. Искажения вызваны присутствием антропогенно-преобразованных почв, образовавшихся при строительстве ВЛ СВН, влияющие на мощность почвенного слоя. Ниже масштабного параметра 150 все детали прорисованы четко, так что на этом иерархическом уровне антропогенное воздействие не отмечаются. В колебании мощности AY заметны достаточно регулярные циклы. Их образование не связано со спорадически пятнистыми абраземами и другими техногенными воздействиями, например, колеи ходовых систем тяжелой техники. В целом, следует признать, что воздействие отмечается, но локальное и, чаще всего, оно связано с наличием малой мощности AY на средненарушенных абраземах. При наибольшем уровне воздействия (дорога, уплотнение и снятие всего
элювиального слоя) иногда наблюдаются почвы с повышенной мощностью слоя. В том же контуре нарушения почвы присутствуют и почвы почти с нулевой мощностью. Это можно объяснить перемещением исходной массы AY под давление ходовых систем тяжелой техники.
На фазово-частотной диаграмме выделено 7 масштабных уровней, на которых происходит существенное увеличение деталей, за счет из бифуркаций. Существует восьмой уровень, но различить его детали не представляется возможным.
Между масштабным параметром (Mp) и размерами циклов (Lc) наблюдается линейная зависимость с коэффициентом детерминации R2 = 0,997 при p<0,05:


Lc = a + bx = 0,87+0,029Mp для фазы <0. (1)
Lc = a + bx = 0,44+0,028Mp для фазы >0. (2)


Коэффициент детерминации R2 равен 0,995 при p<0,05.
Между масштабным параметром (Mp) и их количеством циклов Nc обнаружена степенная зависимость. Аналогичные явления описаны в экологии. Американский исследователь Джон Дамут (John Damuth) [12] на большой выборке млекопитающих, включающей множество видов самого разного размера, выяснил, что между плотностью популяций N и массой тела взрослых особей М, несмотря на большой разброс данных, существует четкая отрицательная зависимость, которую можно выразить уравнением:


N = aМb , (5)


где a – коэффициент, зависящий от вида, b = – 0,75 = –3/4. Зависимость степенная – более крупным животным в расчете на единицу массы требуется меньше пространства для обитания чем мелким. При сопоставлении с давно известной зависимостью интенсивности обмена (дыхания) организма P от массы тела W [13].


P = aW3/4. (6)


Причем, если коэффициент a может быть разным для разных групп организмов (например, для одноклеточных, беспозвоночных, теплокровных позвоночных), то показатель степени b=3/4 варьирует незначительно. Система уравнений 5 и 6 указывает на то, что энергетические затраты организма (и, соответственно, его рацион) возрастают нелинейно при увеличении веса – более крупные организмы на единицу массы тела расходуют энергии меньше, чем мелкие – это есть «правило энергетической эквивалентности» (energetic equivalence rule).
Для расчета линейного размера почвенного индивидуума (pedology individual – PI) Nc следует разделить на 2. Затем, среднюю длину необходимо разделить на для вышележащего масштабного уровня:


PI = 2Lc/Nc. (4)


Например, возьмем масштабный параметр 440. Имеем среднее значение для отрицательной фазы 13,8 и для положительной фазы – 12,4. Среднее равно 13,1. На ниже лежащем этаже (параметр масштабирования = 300) Nс равно 8, . Среднее значение 13,1 следует разделить на 4, получится PI = 3,28 м, что отражено в таблице 1 последнего столбца.


Таблица 1.

Вейвлет анализ размеров (м) и количества циклов AY (см) при разном параметре масштаба


Сравнивая количество циклов и размеры почвенного индивидуума, нетрудно установить, размер индивидуума и количество циклов соотносятся по формуле:


Nc= 53,88 Lc-0,85, (3)


Где Nc – количество циклов, Lc – средняя длина цикла.
Следует обратить внимание на наличие цикличности средненарушенных почв, которое включает в себя абраземы со снятым AY и колеи, в случае когда техника оставила только глубокий след. Средний размер цикла антропогенно-измененных почв составляет 1,45 м, что сходится с размером индивидуума масштабного параметра 150. Общее количество участков со средненарушенными почвами равно 14, что близко к теоретическим значением по таблице 1 для масштабного параметра 150 (Nc = 13).
Наблюдаемые искажения фазово-частотной характеристики кривой мощности AY на уровне масштабного параметра 225 и 400 обусловлены техногенными нарушениями на при размерах почвенного индивидуума 1,4 м и 7,5 м.
Таким образом, установлено, что размеры почвенных индивидуумов зависимы от масштаба наблюдения, и в почвенном покрове присутствуют логарифмические закономерности между размером и масштабом наблюдения (-0,85), также как и у теплокровных животных (-0,75). Масштабные уровни проявления антропогенных нарушений почв просеки линии электропередачи наблюдаются при линейных размерах почвенного индивидуума 1,4 м и 7,5 м.
Предполагается, что существует правило энергетической эквивалентности по отношению к почвенным ареалам, которое должно выражать всеобщую закономерность иерархических уровней материи – пространство расширяется, время замедляется, энергия, переходящая с этажа на этаж иерархий, остается неизменной.


Литература:

1. Козлов Д.Н. Инвентаризация ландшафтного покрова методами пространственного анализа для целей ландшафтного планирования. // Ландшафтное планирование: Общие основания. методология, технология: Труды Международной школы-конференции «Ландшафтное планирование», М., Географический факультет МГУ, 2006. – 280 с.

2. Openshaw, S. and Taylor, P. 1979. A million or so correlation coefficients: three experiments on the modifiable areal unit problem. In: Statistical Applications in the Spatial Sciences. pp. 127-144. Edited by N. Wrigley. Pion, London.

3. Haury L. R., McGowan J. A., Wiebe P. H. Patterns and processes in the time-space scales of plankton distributions.// Spatial Pattern in Plankton Communities, Plenum Press, №4, 1978. – pp. 277-327.

4. Wu J, Li H. Charter 1 Consepts of scale and scaling // Scaling and Uncertainty Analysis in ecology. Springer. 2006. pp 3-16.

5. Виноградов Ю.Б. Математическое моделирование процессов формирования стока. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. -312 с.

6. Пузаченко Ю.Г. Глобальное биологическое разнообразие и его пространственно-временная изменчивость. // Современные глобальные изменения природной среды. Т.2 М.: Научный мир, 2006. – 696 с.

7. Розанов Б.Г. Морфология почв: Учебник для высшей школы. Москва. "Академический проект", 2004. –431 с.

8. Дмитриев Е.А. Теоретические и методологические проблемы почвоведения. М.: ГЕОС, 2001. – 374 с.

9. Разумовский М.С. Закономерности динамики биоценозов. М.: Наука. 1981. – 231с.

10. Малла С. Вейвлеты в обработке сигналов. – М.: Мир, 2005. – 671 с.

11. Алексеев В.И. Анализ и прогнозирование циклических временных рядов с использованием вейвлетов и нейросетевых нечетких правил вывода. Вестник Югорского государственного университета выпуск 3 (30) 2013. – С. 3-10.

12. Damuth J. Population density and body size in mammals. Nature 290, 699-700 (23 April 1981).

13. Шмидт-Ниельсон К. Размеры животных: почему они так важны? – М.: Мир, 1987. – 259 с.

Комментарии: 4

Пасько Ольга Анатольевна

Есть смысл подобный подход экстраполировать для решения других сложных теоретических задач. Планирую в этом плане посотрудничать с господином Захарченко. Профессор Олег Семенов

карташев, александр,георгиевич

Статья несомненно представляет большой интерес. Рассматриваются фундаментальные вопросы пространственно - временной структуры почвообразовательного процесса. Профессор д.б.н. Карташев А.Г.

Пасько Ольга Анатольевна

Очень оригинальный подход к казалось бы частной теме, но опыт и интеллект исследователя выводят ее фактически на философский уровень. Ольга П.

Захарченко Александр Викторович

Надо иметь ввиду, что все формулы и зависимости в формулах 3, 5, 6, степенные.
Комментарии: 4

Пасько Ольга Анатольевна

Есть смысл подобный подход экстраполировать для решения других сложных теоретических задач. Планирую в этом плане посотрудничать с господином Захарченко. Профессор Олег Семенов

карташев, александр,георгиевич

Статья несомненно представляет большой интерес. Рассматриваются фундаментальные вопросы пространственно - временной структуры почвообразовательного процесса. Профессор д.б.н. Карташев А.Г.

Пасько Ольга Анатольевна

Очень оригинальный подход к казалось бы частной теме, но опыт и интеллект исследователя выводят ее фактически на философский уровень. Ольга П.

Захарченко Александр Викторович

Надо иметь ввиду, что все формулы и зависимости в формулах 3, 5, 6, степенные.
Партнеры
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.