Михалевська Т.В., Ісаєнко В.М., Гроза В.А. Основи статистичного обліку і банки інформації в екології. НАУ-друк, 2009

Подождите немного. Документ загружается.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України

як навчальний посібник для студентів

вищих технічних навчальних закладів,

які навчаються за напрямом «Екологія»

Рекомендовано

Міністерством освіти і науки України

як навчальний посібник для студентів

технічних спеціальностей

вищих навчальних закладів

Київ

Видавництво Національного авіаційного університету

«НАУ-друк»

2009

УДК 502.31 (0.75.8)

ББК У 28-21я7

О 753

Тиражувати

без офіційного дозволу НАУ забороняється

Рецензенти:

В. В. Гроль, д-р техн. наук, старш. наук. співроб.

(Національний технічний університет України «КПІ»)

М. І. Орлюк, д-р геол. наук

(Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна НАНУ)

А. У. Клімик, д-р фіз.-мат. наук, проф.

(Інститут теоретичної фізики ім. М. М. Боголюбова НАНУ)

Гриф надано Міністерством освіти і науки України

(лист № 1.4/18.Г-920 від 18.04.2008)

Основи статистичного обліку і банки інформації в екології :

О 753 навч. посіб. / Т. В. Михалевська, В. М. Ісаєнко, В. А. Гроза [та ін.].

— К. : Вид-во Нац. авіац. ун-ту «НАУ-друк», 2009. — 156 с.

ISBN 978–966–598–533–4

Розглянуто базові поняття і визначення статистичного обліку довкілля,

принципи організації екологічної інформації, напрями розвитку глобальної

екоінформатики, основні статистичні методи обробки експериментальних

даних, методологію використання кореляцій і регресій у статистичному

описі впливу на довкілля взаємозалежних випадкових змінних, методи ста-

тистичного опису довкілля за допомогою авторегресійних моделей та фак-

торний аналіз у прогнозуванні багатовимірних стохастичних процесів.

Для студентів денної та заочної форм навчання напряму підготовки

«Екологія».

УДК 502.31 (0.75.8)

ББК У 28-21я7

Гроза В. А. та ін., 2009

ISBN 978–966–598–533–4 © НАУ, 2009

ВСТУП

татистичний облік та банки інформації в екології — це ди-

намічна система знань, понять і методів, націлених на до-

слідження, аналіз та прогноз розвитку різноманітних при-

родних та техногенних екологічних систем на різних рівнях їх ієрар-

хічної організації — від окремої екосистеми до національних і гло-

бальних екосистем планети Земля. Використовуючи

сучасні інфор-

маційні технології, досконало розроблені статистичні методи, ця

система знань дає змогу кількісно обґрунтовувати заходи підвищен-

ня екологічної безпеки акваторій і територій, мінімізувати екологіч-

ні ризики та розробляти стратегії підвищення екологічної стійкості

навколишнього середовища з урахуванням інтересів теперішніх та

майбутніх поколінь.

Сучасні інформаційні технології та системи накопичення інфор-

мації

тісно пов’язані зі створенням та функціонуванням інформа-

ційних банків даних, які у сьогоденні характеризуються бурхливим

розвитком в найрізноманітніших галузях людської діяльності та

ростом об’ємів інформаційних потоків. Виникають нові наукові

дисципліни, об’єктом дослідження яких є інформація, що стосується

окремих сторін діяльності суспільства. Ці тенденції не могли обійти

екологію: проблеми

охорони довкілля привели до виникнення еко-

інформатики — науки про закономірності отримання, відбору, аналі-

зу, збереження, передачі і застосування екологічної інформації у нау-

ковій, виробничій, суспільно-політичній і культурній діяльності людей.

Умовою успішного використання інформації є знання основних

тенденцій розвитку глобальної екоінформатики в умовах зростаю-

чих технічних можливостей, а також принципів

організації еколо-

гічної інформації у бази та банки даних. Фахівець-еколог повинен

знати основні методи статистичної обробки екологічної інформації

для адекватного її сприйняття і можливості визначення закономір-

ностей розвитку екологічних явищ і процесів. Навчальний план під-

готовки бакалаврів Національного авіаційного університету напря-

му «Екологія» включає дисципліну «Основи статистичного обліку і

банки

інформації в екології», метою якої є вивчення теоретичних

основ та засвоєння навичок обробки та зберігання екоінформації.

У першому розділі навчального посібника розглянуто питан-

ня, що стосуються банків екологічної інформації, зокрема визначе-

но об’єктну область екологічної інформації, типи екологічної

інформації, основні типи інформаційних вимірювальних систем,

принципи організації системи вимірювання та методи, які викорис-

товуються у географічних інформаційних системах і системах

управління базами даних.

У другому розділі навчального

посібника висвітлено завдання і

методи глобальної екоінформатики. Детально розглянуто основні

тенденції в глобальній екоінформатиці, технології синтезу систем гео-

інформаційного моніторингу та методи оцінки екологічної безпеки.

У третьому розділі навчального посібника вивчаються основні

поняття статистики, методи статистичного зведення і групування.

Зокрема визначаються предмет, метод та основні категорії статисти-

ки. Розглянуто ознаки,

статистичні показники та їх класифікація.

Наведено методики статистичного спостереження, зведення, групу-

вання та відображення інформації у статистичних таблицях.

У четвертому розділі навчального посібника визначаються

числові характеристики статистичних сукупностей, такі як різнома-

нітні середні величини, показники варіації, дисперсії, моменти варі-

ацій, характеристики форми розподілу, поняття про нормальний

розподіл та критерії згоди.

У п’ятому розділі навчального посібника розглядаються пи-

тання вибіркових спостережень, причини і умови їх застосування,

методи і способи відбору одиниць у вибіркову сукупність, визна-

чення середньої і граничної похибок та необхідної чисельності й

обсягу вибірки.

У шостому розділі навчального посібника вивчаються ряди

динаміки, де увагу приділено розкриттю суті рядів динаміки, їх ста-

тистичним характеристикам, їх статистичному аналізу та аналізу

структурних зрушень і статистичних коливань.

У сьомому розділі навчального посібника висвітлюються су-

часні напрями аналізу даних в екології. Розглянуто використання

кореляцій і регресій у

статистичному описі впливу на довкілля

взаємозалежних випадкових змінних, наведено методики опису до-

вкілля за допомогою авторегресійних моделей. Визначено методику

проведення факторного аналізу у прогнозуванні багатовимірних

стохастичних процесів.

1.1. Об’єктна область екологічної інформації

Екологія як наукова дисципліна виникла в кінці ХІХ століття.

Наукові відкриття, що стали базисом цієї науки і з якими по теперіш-

ній час простежується тісний зв’язок, такі:

• теорія природного відбору Ч. Дарвіна, де ключове місце за-

ймала багатопланова схема відношень організмів із навколишнім

середовищем;

• відкриття К. Лібіхом факту споживання рослинами елементар-

них хімічних сполук, а не гумусу, як вважалося до нього;

• відкриття азотофіксації мікроорганізмами і, зокрема, клубень-

ковими бактеріями;

• відкриття фотосинтезу;

• прості математичні моделі обмеженого зростання популяцій з

подальшим їх розвитком у моделі динаміки Лотки—Вольтерра.

Власне назва «екологія» була введена у 1886 р. Е. Геккелем —

послідовником Ч. Дарвіна. Він визначив екологію як науку про від-

носини організмів з навколишнім середовищем. Подальша модифі-

кація розуміння предмету екології в рамках біологічної науки мало

міняла суть справи. Зрештою мова зводилася до розгляду відносин

організмів на різних рівнях системної інтеграції від популяції до

біосфери один з одним і з довкіллям.

Відповідно наочною областю екології є не самі організми і не їх

навколишнє середовище, а стосунки між ними. Разом із тим самі по

собі організми є предметом власне біології, а середовище є предме-

том вивчення різноманітних наук: починаючи від геології і закінчу-

ючи кліматологією. Проте в матеріальній області ядром екології все-

таки завжди були організми, і з цих позицій екологія завжди розгля-

далась як біологічна наука.

Слід підкреслити той факт, що екологія з моменту заснування на

теоретико-методологічному рівні була визначена як наука про від-

носини. Хоча будь-яка наука досліджує відносини, але в жодній з

них вони не були виділені як власне об’єкт дослідження.

До 70-х років минулого століття екологія як наука була відома

тільки біологам у найрізноманітніших варіантах: екологія рослин,

БАНКИ ІНФОРМАЦІЇ В ЕКОЛОГІЇ

РОЗ

ІЛ

екологія тварин, екологія співтовариств, фітоценологія тощо і ви-

кладалася на біологічних факультетах.

На Стокгольмському міжнародному конгресі (1972) з проблем

охорони навколишнього середовища термінам «екологія» і «еколог»

було надано істотно нового значення. Фактично під екологією по-

ступово почали розуміти не науку, а сферу діяльності, присвяченої

проблемам відносин людини і суспільства з навколишнім середови-

щем. Термін «екологія» став звичайним у мові людства, постійно

розширюючи свій логічний об’єм і, відповідно до законів класичної

логіки, неминуче зменшуючи свій логічний зміст. Слід зазначити,

що в екології як біологічної науки до 70-х років були вельми серйоз-

ні успіхи як у фундаментальній галузі знань, так і в прикладних

розробках. У 60-ті роки минулого століття вчені реалізували Міжна-

родну біологічну програму, в рамках якої людство вперше дістало

більш-менш реалістичні документальні оцінки запасів біологічної

маси і біологічної продуктивності. Були також здобуті кількісні

дані, що дають змогу будувати достатньо складні моделі речовинно-

енергетичних перетворень в природних системах.

Ідеологія цих моделей була використана в роботах Римського

клубу, що обґрунтовують малореалістичну, але з погляду математи-

ки цілком коректну ідею рівноважного розвитку.

У той же час західні промислово розвинуті країни вперше усві-

домили наслідки забруднення навколишнього середовища як серйозну

загрозу порушення глобальної стійкості в результаті прогресивного

зростання чисельності населення в країнах, які розвиваються. Всі ці

процеси в цілому укладалися в рамки формальних екологічних тео-

рій, тому корисність екологічної інформації була розкрита в процесі

історичного розвитку. Мова екології як система теоретичних уяв-

лень та емпіричних даних краще ніж мова будь-якої іншої науки

відображала зміст усвідомлених проблем відносин людини з навко-

лишнім середовищем.

Біологи довгий час протестували проти такого неприпустимого і

некоректного розширення змісту поняття. Але при цьому деякі з

них, наприклад Юджін Одум, у своїх роботах активно сприяли роз-

ширеному розумінню.

Таким чином, зміст екології за 30—40 років повністю трансфор-

мувався і вона існує тепер у двох іпостасях: як біологічна наука в

традиційному розумінні і як комплексний інтегральний напрям, що

об’єднує в собі області знання і природних, і суспільних, і інженер-

но-технічних наук (рис. 1.1—1.5). Разом із тим предмет і в тому, і в

іншому випадку залишився загальним: «відносини», але суб’єкти, на

яких розглядаються ці відносини, суттєво змінились.

ЕКОЛОГІЯ ХХІ СТОЛІТТЯ

Соціальна та прикладна екологія

Загальна екологія

Геоекологія

Економіка природокористування

Ноосферологія

Національна і глобальна екополітика (політика еколого-безпечного розвитку)

Техноекологія

Соціоекологія

Наукова теорія природокористування

Рис. 1.1. Схема структуризації сучасної екології

ЗАГАЛЬНА ЕКОЛОГІЯ

Біоекологія, аутекологія, демекологія,

синекологія, екологія систематичних груп організмів

Екологія людини

(біолого-медичні аспекти)

Рекреаційна екологія та

заповідна справа

Екологія тварин Палеоекологія

Екологія рослин

Екологія грибів

Біосферологія

Основи біоіндикації

Екологія

мікроорганізмів

Екологія закритих

техносистем

Екологія клітин і тканин

Еволюційна екологія

Рис. 1.2. Структура загальної екології

Екологічні аспекти

Атмосфери (4 галузеві підрозділи)

ГЕОЕКОЛОГІЯ

Гідросфери (5 галузевих підрозділів)

Літосфери (5 галузевих підрозділів)

Геоаномальних зон

Ландшафтна екологія

Геоінформаційні системі (ГІС) і екологія

Екологія і видобування корисних копалин

Екологічна картографія

Рис. 1.3. Структура геоекології

ТЕХНОЕКОЛОГІЯ

Екологічні аспекти

Військової діяльності

За типами діяльності (6

—

гал

зевих під

озділів

)

Енергетики

Транспорту

За типами джерел енергетики

(

7 гал

зевих під

озділів

)

За видами транспорту

(

6 гал

зевих під

озділів

)

Промисловості

Сільського господарства

За видами виробництва близько

20 екологічних нап

ямів

8 галузевих напрямів

Космічної діяльності

4 галузеві напрями (підрозділи)

Екологічна техніка

Екологічна стандартизація

Урбоекологія

Рис. 1.4. Структура техноекології

СОЦІОЕКОЛОГІЯ

Екологічна освіта

Екологічна культура

Екологічне право

Етнічна екологія

Екологія і демографія

Екологія і релігія

Екологічна психологія

Екологічний бізнес

Екологічний менеджмент

Рис. 1.5. Структура соціоекології

З іншого боку, оскільки екологія за умовою гомоцентрична, тоб-

то ядром її є людина зі своїми відносинами із зовнішніми умовами,

то вона і в цьому трактуванні прямо зберігає багато своїх біологіч-

них атрибутів. Крім того, жива речовина є найважливішим ресурсом

життєзабезпечення людини, найбільш чутливим до зміни зовнішніх

умов, що визначає і другу пріоритетну область, пов’язану з тради-

ційною екологією. Але ці дві області відносин жодним чином не ви-

черпують різноманітності матеріальних тіл, що включаються в сфе-

ру досліджень сучасної екології.

Визначимо характерні риси процесу в термінах алфавіту та семан-

тичних зв’язків. Алфавітом називають понятійний апарат галузі

знань, а семантичними називають асоціативні зв’язки між елемен-

тами алфавіту. Існувала галузь знань, що охоплювала широке коло

фактів (кількісна сторона інформації) і мала достатньо розвинену

мову з багатою семантикою, але порівняно із іншими науками (на-

приклад, фізикою і хімією) їй була притаманна невисока прагматич-

на цінність. Семантичні відносини реального світу знайшли частко-

ве відображення в мові цієї галузі знань. Екологія в застосуванні до

реального світу, безумовно, сприяла кращому усвідомленню суті

проблем, але, як наслідок, її власна інформаційна область в кількіс-

ному плані суттєво розширилася, тоді як семантична не зазнала та-

ких самих глибоких перетворень, зберігши принципові структурні

особливості власної теорії. З інформаційного погляду відбулося зро-

стання довжини алфавіту, але практично не змінилася семантика.

Незмінність семантичної області викликала цілком обґрунтовані

протести, оскільки екологія в новому об’ємі багато в чому намагала-

ся розглядати відносини істотно іншої природи. Але можна ствер-

джувати, що істотні сторони мови до цього дня залишилися в основ-

ному традиційно біологічними і лише останнім часом намічаються

деякі його якісні перетворення.

Таким чином, ми маємо справу з дуже невизначеною кон-

цептуальною областю, межі якої в даний час просто не детермінова-

ні. Йде процес її усвідомлення і становлення. На сьогодні актуаль-

ним є питання про екологічну інформацію в ширшому плані — про

екоінформатику. Абсолютно необхідно визначити її спеціальні риси,

які створюють об’єктивну необхідність розвитку відповідних інже-

нерно-технічних систем.

Матеріальною областю відповідно до визначення екології в її

розширеному розумінні в найзагальнішому вигляді, очевидно, є

природа і суспільство. Природа виступає в своєму класичному ал-

фавіті, що відображається в назвах наук: біологія, фізика, хімія, нау-

ки про Землю — географія, геологія, гідрологія, кліматологія, геохі-

мія, геофізика, океанологія тощо.

Суспільство, відповідно, може бути представлене через медико-

біологічні науки, що відображають людину як біологічний вид; су-

спільні науки, включаючи філософію, соціологію, економіку, інже-

нерно-технічні науки, форми господарської діяльності, науки про

управління, у тому числі і через саму інформатику. Отже, екоінфор-

матика охоплює практично всі напрями знань.

Кожна з цих наукових дисциплін має власне інформаційне зоб-

раження: специфічний алфавіт, специфічні мови, теорії, рівень роз-

витку семантичних структур, власну прагматичну цінність. Звичай-

но, алфавіти всіх наук частково перетинаються, частково взаємовідо-

бражаються і мови, але специфічність їх абсолютно реальна і багато

в чому має більше значення, ніж їх спільність.

Оскільки екологія включає так чи інакше області всіх наук, то

пов’язана з нею інформація у предметній області не відрізняється

від інформації інших наукових областей. Просте ж об’єднання окре-

мих інформаційних потоків нічого само по собі не дає.

Якщо екологічна інформація в принципі має самобутні риси, то

вони можуть визначатися тим, що основним її предметом прямо або

побічно є стосунки людини зі всіма її атрибутами (тобто не-

від’ємними властивостями) з предметними областями навколишньо-

го світу, що відображаються у відповідних науках.

За виконання цієї умови екологічна інформація як інформація

про відносини може в принципі бути вельми специфічним явищем.

Наступним критерієм виділення предметної області є мета, що

визначає необхідність в такій інформації. У нашому випадку мета

досить очевидна: сприяти підвищенню стійкості людини в умовах

середовища, що змінюються.

Слабкою стороною людини як складної системи є її біологічна

складова, найбільш чутлива до зміни навколишнього світу, і осно-

воположний матеріальний зв’язок людини з найбільш чутливою

змінною планети в цілому — живою речовиною. Зрештою жива ре-

човина є не тільки матеріальним ресурсом існування людини, що

постійно самовідновлюється, а й основним чинником, що визначає

сприятливе для її життя середовище.