Классификация  методов  физико-географических  исследований

Разнообразие применяемых методов физико-географических исследований в геоэкологии предопределяется сложностью изучаемых объектов - природных и природно-антропогенных геосистем и требует определенной их классификации, т. е. разделения на группы, однородные в каком-либо отношении. Имеющиеся классификации физико-географических методов (В. К. Жучкова, Э. М. Раковская, 1982; Ф. Н. Мильков, 1990; В. С. Преображенский, 1971) значительно различаются между собой и опираются на различные критерии выделения классификационных групп.

Классификация по критерию универсальности. Ф. Н. Мильков все методы исследований сводит к трем категориям: общенаучным, междисциплинарным и специфическим для данной науки.

К общенаучным методам относятся рассмотренные методы материалистической диалектики, исторический, системный подход. Моделирование, отнесенное Ф. Н. Мильковым к междисциплинарным методам, по рассматриваемому критерию универсальности ближе к группе общенаучных.

В геоэкологии моделирование является одним из основных методов исследований и имеет ряд особенностей, обусловленных необходимостью учета взаимоотношений разнокачественных природных и антропогенных объектов. Геоэкологическое моделирование оперирует всеми видами идеальных и предметных моделей, которые взаимно дополняют друг друга. Одним из основных специфических выражений метода моделирования следует рассматривать построение геоэкологических картографических моделей. Широко распространены графические модели в виде таблиц-матриц взаимодействия между характеристиками состояния ПТК и видами антропогенных воздействий, а также между природными и техногенными элементами в геотехсистемах. К образно-знаковым моделям относятся классификации, легенды геоэкологических карт. В последние годы активно развивается имитационное моделирование.

Междисциплинарные методы являются общими для группы наук. В физико-географических исследованиях к ним относятся геохимический, геофизический, геоэкологический и математические.

Геохимический метод связан с применением законов общей геохимии в изучении геосистем. Специфическим выражением геохимического метода является метод сопряженного анализа, заключающийся в одновременном изучении химического состава всех компонентов ПТК с последующим сравнением полученных результатов между собой как в пределах одного элементарного геохимического ландшафта, так и смежных с ним. Теория, методология и методика ландшафтно-геохимических исследований составляют основу нового научного направления - геохимии окружающей среды. Результатом  эколого-геохимических исследований является оценка совместимости природных и антропогенных геохимических потоков, устойчивости природных систем к техногенным нагрузкам, нормативная оценка качества среды жизнедеятельности населения и природных экосистем.

Геофизический метод. Специфическим выражением геофизического метода является метод балансов, в основе которого лежит универсальный физический закон сохранения вещества и энергии. Геофизические исследования отличаются трудоемкостью сбора геофизического материала, использованием сложной аппаратуры, преимущественно стационарными условиями наблюдения. Балансовый метод используется для изучения радиационных и тепловых условий подстилающей поверхности, водного режима почв, продуктивности биоценозов природных и природно-антропогенных геосистем.

Эколого-геофизические исследования направлены на оценку соотношения природных и антропогенных потоков вещества и энергии, изменения геофизического состояния территории под влиянием техногенных теплового, динамического, электрического полей.

Геоэкологический метод. В настоящее время наблюдается активное формирование этого метода. Его суть заключается в изучении природных и природно-антропогенных геосистем с позиций гуманитарно-экологического подхода, в оценке окружающей среды  как среды жизнедеятельности человека. Отличительной чертой этого метода является качественно новый уровень синтеза знаний физико-географических и экономико-географических наук, экологического и системного подходов.

Математические методы. В той или иной форме математические методы применяются практически во всех естественных и социальных науках. В настоящее время все активнее применяются методы и принципы теории вероятности, теории информации, теории графов, теории игр. Конкретное содержание приемов анализа выбирается под влиянием избранной модели, представлений о характере связей и практической цели исследования.

Важную роль в геоэкологических исследованиях играет математическая обработка полученных результатов. Полученные в результате наблюдения фактические данные обрабатываются с использованием приемов статистического анализа. Математическая обработка определяет правила составления выборок и обработки вариационных рядов. Характеристика вариационных рядов дается по группам показателей среднего положения, разнообразия признаков, формы распространения, точности опыта, достоверности различия.

Объяснение эмпирических фактов, выявление закономерностей и взаимосвязи наблюдаемых явлений решается с применением различных видов математического анализа: корреляционного, факторного, кластерного, регрессионного, информационного.

Специфические методы исследований включают сравнительно-географический, картографический (сравнительно-описательный и литературно-картографический, по Ф. Н. Милькову), ландшафтный, дистанционного зондирования, палеогеографический. Специфические методы также включают метод балансов (специфический метод геофизических исследований) и метод сопряженного анализа (специфический геохимический метод).

Сравнительно-географический метод - самый традиционный, остается основным методом отраслевых и комплексных наук физико-географического цикла. Наиболее распространенными, но далеко не самыми совершенными являются так называемые «визуальные приемы анализа». Как указывает В. С. Преображенский, методические указания их выполнения сводятся к совету «смотри и сравнивай». Выражением сравнительного метода на картах служат, по Ф. Н. Милькову, различного рода изолинии - изотермы, изогипсы, изобары и др. Метод применяется для решения задач, связанных с сокращением неопределенности географической информации, классификацией, районированием, оценкой объектов. В настоящее время сравнительно-географический метод активно обогащается математическими методами анализа информации. Метод аналогии является одним из направлений развития сравнительно-географического метода. Его сущность заключается в принципиальной возможности изучения малоисследованного объекта по аналогу в другой системе, которая достаточно изучена и знания о которой переносятся на изучаемый объект.

Картографический метод заключается в создании карты как образно-знаковой модели с пространственно-временным подобием объекту и использовании карт с целью познания отраженных в них явлений. Картографический метод также позволяет получать сведения о качественных и количественных характеристиках объекта, изучать взаимосвязь и взаимозависимость, устанавливать динамику и эволюцию явлений, составлять прогноз.

Возможность изображения интегральных явлений на карте является важнейшей основой развития геоэкологического картографирования. Геоэкологические карты являются синтетическими, отражающими и природно-ресурсное состояние, и формы антропогенного воздействия на геосистемы. На геоэкологических картах отображается не только статика (инвентаризация) форм и интенсивности загрязнения и нарушения природной среды, но их динамика. Результатом анализа данных наблюдений являются оценочные прогнозные и рекомендательные карты. Еще одно направление геоэкологического картографирования связано с оценкой геоэкологических ситуаций в системе «природа - хозяйство - общество».

Ландшафтный метод направлен на комплексное изучение происхождения, структуры, современного состояния, функционирования ландшафтов под воздействием природных и антропогенных факторов. Ландшафтные исследования опираются на системный подход, сравнительно-географический, картографический, геофизический, геохимический, аэрокосмический и др. методы. Ландшафтная съемка - как основа исследований - заключается в полевом изучении ландшафтов методами ландшафтного картографирования и профилирования, комплексного описания точек наблюдения. Результатом таких исследований является составление ландшафтных карт на уровне урочищ и фаций. Большое значение придается изучению функционирования и динамики ландшафтов методами геохимии и геофизики на базе стационарных наблюдений, эколого-геохимической оценке состояния природных и природно-антропогенных комплексов.

Метод дистанционного зондирования (аэрокосмический) относится к опосредованным наблюдениям и включает широкий спектр средств и методов зондирования земной поверхности, способов регистрации, доставки и обработки информации. Наблюдения ведутся аэро- и космическими средствами с использованием фотографических систем регистрации информации, к которым относится фотосъемка в видимом диапазоне, и нефотографических систем - телевизионная, тепловая, радиолокационная, сканерная съемки. Возможность с помощью этих методов проведения регулярных наблюдений является базой для различных видов мониторинга, в том числе экологического.

К аэрокосмическому методу относится также анализ аэрофотоснимков для выявления и уточнения границ и структуры природно-территориальных комплексов локального уровня.

В палеогеографическом методе основой для физико-географических реконструкций геосистем выступает естественно-исторический подход. В основе его лежит принцип актуализма, заключающийся в объяснении процессов прошлого, исходя из представлений о современных процессах и явлениях, и принцип историзма, требующий изучения предметов и явлений в конкретно-исторических условиях их становления и эволюции. Палеогеографический метод позволяет изучать прошлое состояние геосистем в конкретных пространственно-временных обстановках, исследовать настоящее их состояние как результат конкретного пространственно-временного развития и прогнозировать тенденции будущего развития на основе их анализа в прошлом и настоящем.

Координация и субординация методов исследований. Множественность методов физико-географических исследований находится в определенной взаимосвязи (координации) и соподчиненности (субординации) между собой. В. С. Преображенским предложена их классификация по положению наблюдателя или приборов, состоянию изучаемого объекта, отношению к техническим приемам наук, мере общности и положению в системе этапов познания (табл. 2).

Таблица 2

Классификация групп методов комплексных

физико-географических исследований

Для географов наиболее привычным является представление о разделении методов на полевые (методы эмпирических наблюдений) и камеральные (теоретических обобщений).

Среди полевых методов выделяют аэрокосмические и наземные. Наземные методы по положению наблюдателя включают экспедиционные, полустационарные и стационарные методы наблюдения. Каждому из них соответствует свой класс решения задач, временной интервал, масштабы исследования.

Экспедиционные исследования составляют от нескольких дней до нескольких месяцев в году и направлены на изучение малоисследованных ПТК и их состояний. Основным эмпирическим методом является метод детального физико-географического описания точек наблюдения. По форме выделяют линейные и площадные методы наблюдения, среди них основными являются:

• метод профилирования – точки наблюдений закладывают вдоль линий, проложенных вкрест простирания основных форм рельефа, от водоразделов к местным базисам эрозии. Метод очень популярен во всех направлениях ландшафтных исследований;
• метод произвольных маршрутов - маршрут определяется по особенностям рельефа и растительности. Целесообразно точки комплексных наблюдений закладывать таким образом, чтобы охватить все разнообразие изучаемых ПТК. Метод широко применяется при крупномасштабном ландшафтном картографировании;
• метод геометрической сетки – точки закладывают в вершинах геометрических фигур, с образованием сплошной сети. Участки заранее размечают по топографической карте или аэрофотоснимкам. Наиболее часто метод применяется при ландшафтно-геохимическом изучении антропогенных комплексов.

Полустационарные наблюдения проводятся для изучения определенных состояний ПТК с частотой позволяющей охватить все типичные состояния, характерные в течение года. Организация таких исследований проводится уже после экспедиционного этапа, на территории с хорошо изученной горизонтальной структурой ПТК.

Стационарные исследования проводятся на физико-географичес-ких стационарах или на базе других научных учреждений (например, сети заповедников, национальных парков) по специально разработанной программе. Эти исследования отличаются наибольшей детальностью изучения горизонтальной и вертикальной структуры ПТК, изучение состояний и процессов в ПТК проводятся круглогодично и круглосуточно. Наиболее распространенным методом стационарных исследований является метод комплексной ординации или сопряженный анализ состояния всех компонентов ПТК.

На эмпирическом уровне исследований методы подразделяются на методы наблюдения, нахождения эмпирических зависимостей и предсказания поведения объекта (прогноза).

Все действия, связанные с наблюдением, т. е. обзором и измерением параметров, приводят к составлению протокола наблюдений. Среди их многочисленных видов в физико-географических исследованиях наиболее распространены бланки, полевые дневники и карты.

Анализируя развитие методики наблюдений, В. С. Преображенский отмечает следующие особенности: стремление к переносу многих действий в камеральную обстановку (работа с аэрофотоснимками, анализ отобранных образцов); увеличение полевых измерительных работ, особенно связанных с изучением перемещения потоков вещества и энергии; взаимопроникновение экспедиционных и стационарных методов; усиление жесткости (кондиционности) протоколов наблюдений.

На современном этапе развития методов наблюдений результаты представляются в виде изображений (снимков, пространственно-временных диаграмм, карт) и баз данных на компьютерных носителях информации, которые вместе с программами обработки входят в состав геоинформационных систем, каталогов, таблиц.

Географические информационные системы (ГИС) - это средство моделирования и познания природных и социально-экономических систем. Как указывает А. М. Берлянт,  понятие «географические» обозначает в данном случае не «пространственность» или «территориальность», а комплексность и системность исследовательского похода. ГИС применяется для исследования всех тех природных, общественных и природно-общественных объектов и явлений, которые изучают науки о Земле и смежные с ними социально-экономические науки, а также картография, дистанционное зондирование. В технологическом аспекте ГИС (ГИС-технология) предстает как средство сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения пространственно-координированной географической информации. С производственной точки зрения ГИС является комплексом аппаратных устройств и программных продуктов (ГИС-оболочек), предназначенных для обеспечения управления и принятия решений, важнейший элемент этого комплекса - автоматические картографические системы. ГИС одновременно рассматривается как инструмент научного исследования, технология и продукт ГИС-индустрии.

В геоэкологических исследованиях ГИС используются для решения следующих основных задач: рационального использования природных ресурсов; мониторинга геоэкологических ситуаций и опасных природных явлений; оценки техногенных воздействий на среду и их последствий, обеспечения экологической безопасности регионов; а также при проведении экологической экспертизы проектов хозяйственной и иной деятельности; контроля условий жизнедеятельности населения; в научных исследованиях и образовании; геоэкологическом картографировании (комплексном и отраслевом).

Наиболее полная информация о состоянии окружающей среды получается в результате мониторинговых наблюдений. Существуют различные подходы к классификации мониторинга (по характеру решаемых задач, уровням организации, природным средам за которыми ведутся наблюдения). Система геоэкологического мониторинга накапливает, систематизирует и анализирует информацию о состоянии окружающей среды, источниках и факторах воздействия, допустимости изменений и нагрузок на среду.

Система мониторинга реализуется на нескольких уровнях, которым соответствуют специально разработанные программы: импактном (изучение сильных воздействий в локальном масштабе); региональном (проявление проблем миграции и трансформации загрязняющих веществ, совместного воздействия различных факторов, характерных для экономики региона); фоновом (на базе биосферных заповедников, где исключена всякая хозяйственная деятельность). Программы наблюдений формируются по принципу выбора приоритетных (подлежащих первоочередному определению) загрязняющих веществ и интегральных (отражающих группу явлений, процессов или веществ) характеристик.

Методы нахождения эмпирических зависимостей характеризуют способ познания объекта. К ним относятся уже рассмотренные общенаучные, междисциплинарные и специфические методы исследования. Наибольшую роль в физико-географических исследованиях играют сравнительный, картографический, исторический и математический методы, взаимодействующие между собой. В геоэкологических исследованиях большое значение также имеют геохимический, ландшафтный, системный и экологический подходы.

Методы предсказания поведения объекта. Процесс прогнозирования начинается с определения его цели и объекта, так как именно они определяют тип прогноза, содержание и набор методов прогнозирования, его временные и пространственные параметры. Логические методы прогнозирования основаны на применении определенной последовательности мыслительных операций (индукции, дедукции, экспертных оценок, аналогий, системного анализа). Формализованные методы основаны на использовании источников фактографической информации (прогнозной экстраполяции и интерполяции, статистический, аналитический, моделирования и др.).

Выбор методов прогнозирования в каждом конкретном случае определяется рядом условий, среди которых наиболее важны: цель и задачи прогноза, величина прогнозируемого периода, специфика прогнозируемого объекта, полнота и достоверность исходной информации. Для геоэкологического прогнозирования необходим также учет масштаба территории, на которую распространяется прогноз.

На теоретическом уровне выделяется метод моделирования, разнообразие возможностей которого обусловлено использованием принципов анализа и синтеза элементов и подсистем модели. В ряду вербальные - графические - математические модели, особое место занимают графические блоковые. По характеру активности субсистем выделяют класс объектных моделей, традиционных для изучения природных геосистем, и субъект - объектных моделей природно-антропогенных геосистем, включая геотехнические и интегральные «природа - хозяйство - общество». Объектные модели выступают современной теоретической базой стационарных исследований геосистем и наиболее широко используются в ландшафтном картографировании. В субъект - объектных моделях субъект обладает ценностными критериями, способностью преобразовывать объект. Применение этого класса моделей характерно для геоэкологических оценок. Возможное многообразие состояний субъекта и связей с объектом создает ряд методических трудностей, обусловленных чрезвычайно большим объемом анализируемой информации и невозможностью передачи множества состояний подобных систем с помощью единой картографической модели.

По числу субсистем выделяют моносистемные модели, в которых элементами выступают компоненты природы или хозяйства, и полисистемные модели, где акцентируется внимание на взаимосвязях геокомплексов более низкого ранга. На выбор методики исследований существенное влияние оказывает понимание исследователем форм причинности наблюдаемых явлений - однозначной или многозначной, жестко детерминированной или вероятностной. Сфера анализа различия и сочетания проявлений форм причинности в геосистемах относится к важнейшему направлению теоретических исследований.

Исходной позицией и некоторым итогом теоретических поисков является система определений научной дисциплины, от качества которой во многом зависит успех дальнейшего развития теории. В связи с этим актуальны методы логического анализа и формализации существующих понятий.

Классы задач, решаемых в процессе комплексных физико-географических исследований. Все многообразие задач комплексных физико-географических исследований может быть сгруппировано (по В. К. Жучковой, Э. М. Раковской) в четыре класса, в зависимости от предмета изучения ПТК (табл. 3).

Первые три класса задач направлены на изучение пространственно-временной организации ПТК.

Таблица 3

Соотношение целей, задач и методов исследования

Они раскрывают свойства и особенности ПТК как целостных образований, вопросы их происхождения, специфику функционирования и динамики, тенденции изменения в будущем. Цель этих общенаучных исследований – все более глубокое познание сущности ПТК, безотносительно каких-либо конкретных целей использования их свойств.

Четвертый класс задач - это исследования для прикладных целей. Здесь, по мнению В. К. Жучковой, изучают внешние связи ПТК с обществом в рамках сложной суперсистемы «природа - общество». Природные комплексы выступают здесь как элементы более высокого уровня организации, для изучения связей которого необходимо кроме знаний свойств самого ПТК, получаемых в результате общенаучных исследований, учитывать требования общества к этим свойствам и способность ПТК их удовлетворять. Изучение же самой проблемы прикладных исследований, их методологии и методики является общенаучной задачей.

В настоящее время этот класс задач трансформировался в новое научное направление - геоэкологию, научные интересы которой включают в себя такие крупные разделы, как геоэкологическая оценка качества окружающей среды, состояния ПТК, природно-ресурсного потенциала территории, прогноз развития геотехнических систем, эколого-геохимические и эколого-геофизические исследования и др.

Выбор методики исследований зависит от природных особенностей и социально-экономического назначения геосистем, масштабов исследования, что определяет логическую схему исследований, выбор различных операционных единиц анализа, показателей и методов оценки. Отличительной особенностью геоэкологических исследований является широкое применение оценочных приемов.

Подытоживая рассмотренные подходы, выделим следующие направления геоэкологической оценки:

• оценка сложившихся геоэкологических ситуаций через анализ и картографирование территориальных элементов геосистем различного социально-экономического назначения;
• изучение в них направленности и интенсивности антропогенных потоков вещества и энергии;
• оценка качества среды обитания человека (качества природных сред, комфортности условий жизни, безопасности для здоровья);
• оценка ПТК через компоненты-индикаторы его геоэкологического состояния.

Последовательность в перечне основных классов задач определяется их логической и исторической связью. Задачи каждого последующего из общенаучных классов могут быть решены достаточно полно и глубоко лишь на основе использования результатов предыдущего этапа. Прикладные исследования могут «надстраиваться» над любым из этапов общенаучных исследований, в зависимости от знаний, необходимых для решения практических прикладных задач.

По критерию научной новизны методы подразделяют на традиционные, к которым относятся сравнительно-описательный, картографический; новые - ландшафтный, геохимический, геофизический; новейшие - геоэкологический, информационных технологий.

Таким образом, совокупность методов физико-географических исследований, применяемых в геоэкологии, рассмотрена по следующим критериям:

• степени их универсальности - общенаучные, междисциплинарные, специфические;
• уровню познания - эмпирические, теоретические;
• способу изучения - полевые и камеральные исследования;
• классам задач - методы изучения пространственного размещения, становления, функционирования геосистем, оценки их геоэкологического состояния;
• научной новизне - традиционные, новые, новейшие.