Modeling the Transformation of Structure and Organization of Landscape Complexes

• Published in: Izvestiya Rossiiskoi Akademii Nauk. Seriya Geograficheskaya.
• Main Authors: E. Istomina I., A. Cherkashin K., Е. Истомина А., А. Черкашин К.
• Format: Article in Journal/Newspaper
• Language: Russian
• Published: Izvestiya Rossiiskoi Akademii Nauk. Seriya Geograficheskaya 2017
• Subjects: complex systems;geocomplexes;rank distributions;restructuring;landscape facies;remote sensing data; сложные системы;географические комплексы;ранговые распределения;перестройка структуры;ландшафтные фации;данные дистанционного зондирования; taiga
• Online Access: https://izvestia.igras.ru/jour/article/view/546; https://doi.org/10.15356/0373-2444-2017-1-124-136

The transformation is a qualitative changing the complex through the mechanism of restructuring, i.e. the reorganization of a complex system through redistribution of its various quality parts in the new order under the influence of a changing environment, while maintaining the structural and functional similarity. Quantitatively landscape complexes are imaged using rank distribution of system elements on occurrence (significance). Mathematical models of geocomplexes transformation are based on partial differential equations of second order, which generate different alteration of rank distributions. The connection between these equations and models of transient processes, non-equilibrium thermodynamics and gravitational geographical models are shown. To test the equations landscape studies in Tunkinskaya hollow (South Siberian mountain area) are conducted and the landscape-typological map of the territory at the level of groups of facies are created. Rank distributions of pixels of Landsat space image on the occurrence of different brightness levels in images of each group facies were built. Rank distributions are approximated by exponential dependences of occurrence on the rank and height of facies location. According to the obtained formulas characteristics of flows, as well as sources and sinks, reflecting the intensity of the transformation of landscapes are calculated. It is shown that: 1) the rank distributions for different groups of facies form a congruence, i.e. the studied area forms a single system - a complex; 2) the inverse of the coefficient of the exponential function is linearly related to the height for mountain taiga facies and to the distance to the river Irkut for depressions facies; and 3) a more accurate approximation of rank distributions satisfying the basic differential equation are provided by the use of logarithmic coordinates. The obtained theoretical and empirical regularities can reflect the processes of transformation of geocomplexes in the space of different geographical characteristics of the order. Трансформация рассматривается как качественное преобразование комплекса через механизм перестройки - реорганизации сложной системы путем перераспределения ее разнокачественных частей в новом порядке под влиянием изменяющейся среды с сохранением структурного и функционального подобия. Количественно ландшафтные комплексы представлены ранговыми распределениями элементов систем по встречаемости (значимости). Математические модели трансформации геокомплексов основаны на уравнениях в частных производных второго порядка, порождающих разные варианты изменения ранговых распределений. Показана связь этих уравнений с моделями переходных процессов, неравновесной термодинамики и гравитационными географическими моделями. Для проверки уравнений проведены ландшафтные исследования в Тункинской котловине Южно-Сибирской горной области с созданием ландшафтно-типологической карты территории на уровне групп фаций. Строятся ранговые распределения пикселов космического снимка Landsat по встречаемости разных градаций яркости на изображениях каждой группы фаций. Ранговые распределения аппроксимируются экспоненциальными зависимостями встречаемости от ранга и высоты местоположения фаций. По полученным формулам рассчитываются характеристики потоков, а также источников и стоков, отражающих интенсивность трансформации ландшафтов. Показано, что: 1) ранговые распределения для ареалов различных групп фаций образуют конгруэнцию, т.е. исследуемая территория формирует единую систему - комплекс; 2) обратное значение коэффициента экспоненциальной функции линейно связано с высотой для горнотаежных фаций и с расстоянием до р. Иркут для котловинных фаций; 3) более точная аппроксимация ранговых распределений, удовлетворяющая базовому дифференциальному уравнению, обеспечивается использованием логарифмических координат. Полученные теоретические и эмпирические закономерности позволяют отражать процессы трансформации геокомплексов в пространстве разных географических характеристик порядка.