Лаборатории

ЛАБОРАТОРИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАТИКИ

Лаборатория основана в 1994 г.

Заведующий лабораторией: д.т.н., профессор Шевырногов А.П.

Сотрудники лаборатории:

Основные направления НИР:

• 2005-2006

• Оценка пределов устойчивости биосферы с помощью минимальных теоретических и экспериментальных моделей, согласованных с данными глобальных наблюдений, включая спутниковые. Рук-ль: Дегерменджи А.Г. Исполнители: Тихомиров А.А., Барцев С.И., Шевырногов А.П.

• 2007-2009

• Принцип наихудшего сценария в построении минимальных теоретических и экспериментальных биосферных моделей, согласованных с данными глобальных наблюдений, включая спутниковые. Рук-ль: Дегерменджи А.Г. Исполнители: Тихомиров А.А., Барцев С.И., Шевырногов А.П.

Основные результаты за 2005-2009 гг.:

1. В работе использовались данные со спутников NOAA и MODIS с пространственным разрешением 1 км. В результате расчетов среднемесячных значений NDVI на небольших участках Красноярского края показано:

   • наблюдается соответствие формы (наличие изломов) динамики NDVI форме динамики биомассы на возрастающей ветви колебаний, что при данном уровне точности позволяет говорить о возможности установления связи между параметрами, получаемыми дистанционными методами и реальными процессами в биосфере. Это подтверждается соответствием между модельной динамикой концентрации СО2 и данными измерений Мауна-Лоа.

     Для исследования динамики температуры поверхности океана, выявления температурных фронтальных зон в океане на основе обработки спутниковых данных AVHRR, полученных за продолжительное время, разработаны алгоритмы и программные средства. На основе этого было показано:

   • результаты математического моделирования температурных полей и высокоградиентных зон в океане позволяют методически обосновать количественные показатели гидродинамической активности в поверхностном слое океана под действием адвекции тепла течениями и диффузионного теплового переноса;

   • выявлены характерные пространственные структуры температурных фронтальных зон в пределах взаимодействия струйных и дрейфовых течений, имеющие сезонную изменчивость. Структуры температурных фронтальных зон в зависимости от скорости течений и диффузионного переноса формируются (по градиентным показателям) в виде устойчивых широких или узких полос, меандров и пятен;

   • установлено, что динамика температурных градиентов для большинства фронтальных зон имеет хорошо выраженный сезонный ход, особенно в зонах конвергенции;

   • при сопоставлении среднегодовых температурных градиентов в приэкваториальной области Южной Пацифики и индекса Южной Осцилляции за период 1982 – 2000 гг. получены соответствующие зависимости, показывающие закономерность связи временной изменчивости температурных градиентов и явления Эль Ниньо.

2. Для сопоставления результатов космических измерений концентрации хлорофилла (КХ) в океане с модельными расчетами была проведена выборка спутниковых данных и их обработка за 1097-2005 гг. В рамках обеспечения данными дистанционного зондирования модельных расчетов разработана техника выявления динамики NPP и NDVI по широтным зонам, показана существенная разница в долговременном изменении NPP по сравнению с изменением NDVI, обнаружена согласованность динамики NPP с данными дистанционного зондирования и моделирования.

3. Модифицирован метод расчета глобальной чистой первичной продукции, который проводился на основе двух моделей: VPM (Vegetation Photosynthesis Model) (Xiangming, 2004) и GLO-PEM (Global Production Efficiency Model) (Prince and Goward, 1995). В результате сравнения с пересекающимися по времени данными NOAA/AVHRR, рассчитанными по модели GLO-PEM, получены коэффициенты корреляции в зависимости от региона в диапазоне 0.5-0.85, Тем не менее, полученный результат позволил продлить ряд ЧПП до 2007 г. включительно.

4. Рассчитаны суммарные глобальные значения ЧПП за 20 лет (1982-2000), которые показывают, что за этот период наблюдается положительный тренд роста глобального ЧПП, на 10%.

   Рассчитаны средние значения ЧПП по широтам. Получены две широтные зоны максимальной продуктивности, от 330 до 550 с.ш. и от 110 с.ш. до 110.ю.ш. Сопоставление этих зон с глобальной картой типов растительности позволяет сказать, что основной вклад в производство продукции вносят луга, пахотные земли и смешанные и хвойные леса северных широт и вечнозеленые широколиственные леса тропиков.

5. Проведен сравнительный анализ таких показателей как температура, NDVI, EVI, NPP, с целью определения, какие из данных характеристик или их комбинации лучше подходят для оценки многолетней изменчивости лесной растительности. В результате анализа:

   • Исследована разница оценки скоростей вегетации, рассчитанных на основе EVI и NDVI. Показано, что в целом NDVI более контрастно выделяет растительные структуры.

   • Показана возможность классификации лесов с использованием особенностей весенней динамики вегетационного периода.

   • Показано, что при анализе динамических характеристик лесной растительности, эффективной является классификация, разделяющая лесную растительность как по породному составу, так и по климатогеографическим условиям.

     При исследовании влияния многолетней динамики климата на фенологические изменения лесной растительности впервые получена оценка ЧПП на основе модифицированной модели Glo-Pem для территории Красноярского Края по данным сканера MODIS спутника Terra. Проведена корректировка значений, полученных спутниковыми методами, по различным типам растительности.

   • Впервые получены динамические характеристики изменения разных типов растительности (скорость изменения NDVI) в разных природно-климатических условиях роста.

   • Впервые получены карты скоростей вегетации для территории юга Красноярского края и Хакасии.

Законченные разработки, авторские свидетельства, патенты

Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2009614525 Программный комплекс тематической обработки спутниковой информации «Динамические характеристики океанов и лесов» (2009 г.). Правообладатели: Ходяев А.В., Шевырногов А.П., Высоцкая Г.С., Картушинский А.В., Чернецкий М.Ю., Ларько А.А., Пасько И.В., Пугачева И.Ю., Слюсарь Н.А.

Международные контакты в 2005-2009 гг.:

• Участие в 1-ой Международной конференции «Biosphere Origin and Evolution» («Происхождение и эволюция биосферы»). 2005г, Новосибирск. (Печуркин Н.С. - 3 постера)

• Участие в VI Международной конференции « Проблемы загрязнения окружающей среды» (Пермь-Казань, 2005) (Печуркин Н.С., Сомова Л.А. -3 устных доклада)

• Участие в 36 сессии COSPAR в Китае (Пекин) в 2006 г. (Шевырногов А.П., Печуркин Н.С., Сомова Л.А., Письман Т.И. – 5 устных докладов)

• Участие во 2-ой Международной конференции «Biosphere Origin and Evolution» («Происхождение и эволюция биосферы»). 2007г, Греция (Печуркин Н.С, Сомова Л.А.. - 2 постера, 1- устный)

• Проведение семинаров с обсуждением научного сотрудничества в Берлинском университете, Институте космических исследований.(Berlin). (Шевырногов А.П.)

• Проведение семинара по изучению природных комплексов космическими средствами в Институте им. Альфреда Вегенера, Bremerhafen. (Шевырногов А.П.)

• Проведение семинара в Институте океанографии по изучению океана космическими методами. (Kiel, Германия) (Шевырногов А.П.)

• Участие в 37th COSPAR Scientific Assembly. Montreal, Canada 2008 г. (Шевырногов А.П., Печуркин Н.С., Сомова Л.А., Письман Т.И., Слюсарь Н.А., Пасько И.В., Ходяев А.В. -5 устных, 4 постера);

• Участие в Х- Международной научной конференции «Проблемы эволюции открытых систем». 2008 г. Алматы (Письман Т.И., Сомова Л.А., Печуркин Н.С.- 4 устных докладов).

• Участие в International Conference on Environmental Observations, Modeling and Information Systems ENVIROMIS-2008, Томск (Shevyrnogov A.P., Pis’man T.I., Slyusar N.A, Pugacheva I.Yu, Sidko A.,., Khodyaev A.V., Vysotskaya G.S., Kartushinsky A.V., Pasko I. V., Chernetskiy М.U - 5 устных докладов)

• Участие в International meeting on soil fertility land management and agroclimatology, 2008, Турция (Shevyrnogov A., Pis’man T.I., Pugacheva I., Slyusar N.A.- 2 устных, 2 постера).

• Участие в International Boreal Forest Research Association, The 14th Scientific Conference, 2008 Harbin, China (Larko A – 1 устный).

• The 4th International Conference “Impacts of Climate Change on Natural Resources” Ismailia, Egypt 6 -11 November 2009. (Печуркин Н.С., Сомова Л.А. – 2 устных доклада).

• The first International Conference of Asian Allelopathy Society. 2009. Guangzhou, China (Письман Т.И. – 2 устных доклада)

• Участие в совещании по организации проекта Halo в Институте космических исследований Берлинского университета.(Berlin). (Шевырногов А.П.)

• Участие в совещании по организации проекта Halo в Бременском университете (Бремен, Германия). (Шевырногов А.П.)

• Участие с докладом в международной конференции в СФУ по организации работ по международному проекту SibLab.(Шевырногов А.П.)

Гранты за 2005-2009 гг.:

• Программа РАН № 14, раздел 4 “Мировой океан”

• РФФИ 06-05-90872-Мол_а (2006-2007 гг.) (рук. Шевырногов А.П.)

• Исследование влияния термогидродинамического режима акватории Черноморского бассейна на климатические изменения территории Молдовы.

• ККФН-РФФИ (№ 07-05-96807), (2007-2008 гг.) рук. Шевырногов А.П.

• Изучение продуктивности наземных экосистем на примере территорий Юга Красноярского края и Хакасии на основе интегральной системы космического мониторинга.

• ККФН–РФФИ (№ 07-04-96806). (2007-2008г.г.) (рук.Сомова Л.А.). Научные основы формирования активных микробиоценозов для повышения продуктивности сельскохозяйственных культур и интенсификации процессов биоремедиации почв Сибири.

• РФФИ № 09 – 07 - 00026 (2009 г.) рук. Письман Т.И

• Оценка возможности прогноза урожайности агрофитоценозов на основе данных полевых исследований, дистанционного зондирования Земли из космоса и математической модели продуктивности растений

• Междисциплинарный интеграционный проект № 50 (2009-2010). Координатор проекта академик Ваганов Е.А.; чл.-к. РАН Федотов А.М., ИВТ СО РАН

• Модели изменения биосферы на основе баланса углерода (по натурным и спутниковым данным и с учетом вклада бореальных экосистем).

• Проекты, выполняемые в рамках программ фундаментальных исследований президиума РАН (2009-2010)

• Подпрограмма № 23 : Разнообразие и мониторинг лесных экосистем России

• Направление исследований в рамках подпрограммы: Разработка методов мониторинга и оценки биоразнообразия лесов России на основе наземных обследований и спутниковой информации

• Раздел в рамках направления исследований: Динамика биоразнообразия лесных экосистем под влиянием естественных и антропогенных факторов

• Разработка методов космического мониторинга лесов Красноярского края с целью оценки динамики биоразнообразия под воздействием естественных и антропогенных факторов.

Сотрудничество с российскими научными организациями и ВУЗами:

• На базе лаборатории экологической информатики в 1996 г. в Политехническом институте, ныне СФУ (Институте космической и информационной технологии) организована кафедра экологической информатики: 1996-2008 - зав. кафедрой д.т.н. Шевырногов А.П.; с 2009 – к.т.н. Картушинский А.В.; преподаватели Шевырногов А.П., Картушинский А.В., Печуркин Н.С., Пугачева И.Ю., Письман Т.И., Сидько А.Ф., Пасько И.В., Ларько А.А.

• Сотрудничество с СФУ (кафедра биофизики – Печуркин Н.С.)

• Сотрудничество с СФУ (кафедра биотехнологии – Сомова Л.А.).

• Сотрудничество с СФУ (кафедра лесоведения – Письман Т.И.).

Основные публикации лаборатории за 2005-2009 гг.

• Михеева Г.А., Сомова Л.А. Влияние биологических препаратов на рост и развитие растений лука и биологическую активность почвы //Агрохимия. 2009. № 2. С. 60-65.

• Письман Т.И., Пугачева И.Ю., Жукова Е.Ю., Шевырногов А.П. Математическая модель сезонной динамики агрофитоценозов с учетом наземных и спутниковых измерений // Доклады академии наук. 2009. Т. 428, № 6. С. 841 – 844.

• Письман Т.И., Широбокова И.М., Галайда Я.В. Математическое моделирование влияния консумента на круговорот азота в модельной водной экосистеме // Сибирский экологический журнал. 2006, № 3. С. 299 -304

• Рогозин Д.Ю., Зыков В.В., Чернецкий М.Ю., Дегерменджи А.Г. Аноксигенные фототрофные бактерии меромиктических озер южной сибири в подледный период: пространственные распределения и экологические условия // Доклады академии наук. 2009. Т. 424, №5. С.712-715.

• Сидько А.Ф., Пугачева И. Ю., Шевырногов А.П. Анализ динамики спектральной отражательной способности посевов сельскохозяйственных культур в период вегетации на территории Красноярского края и республики Хакасия по наземным и спутниковым измерениям»/ Исследование Земли из космоса, № 6, 2008, С. 52-59

• Сидько А.Ф., Пугачева И. Ю., Шевырногов А.П. Исследование динамики спектральной яркости посевов на территории Красноярского края // J. of Siberian Federal University. Engineering and Technologies. 2009. Т. 2, № 1. С. 100 – 111.

• Сидько А.Ф., Пугачева И. Ю., Шевырногов А.П. Многолетняя база данных спектральной яркости посевов сельскохозяйственных культур в период вегетации // Исследование Земли из космоса. 2009. № 4. С. 64 – 70.

• Сидько А.Ф., Пугачева И.Ю., Шевырногов А.П. Анализ динамики спектральной отражательной способности посевов сельскохозяйственных культур в период вегетации на территории Красноярского края и республики Хакасия по наземным и спутниковым измерениям // Исследование Земли из космоса. 2008. № 6. С. 1-8.

• Сидько А.Ф., Пугачева И.Ю., Шевырногов А.П. Исследование динамики спектральной яркости посевов сельскохозяйственных культур в период вегетации на территории Красноярского края // ДАН. 2008. Т. 419, № 3. С. 417-420.

• Сидько А.Ф.Исследование спектральной яркости и отражательной способности Красноярского и Днепровского каскада водохранилищ // Океанология. 2005. Т. 45, № 1. С. 1-9

• Чернецкий М. Ю., Шевырногов А.П., Высоцкая Г.С., Сидько А.Ф. Оценка зон цветения фитопланктона на Красноярском водохранилище на основе спутниковых данных AVHRR и MODIS // Исследования Земли из космоса. 2006. №2. С.89-96.

• Шевырногов А.П., Высоцкая Г.С. Разномасштабная динамика фитопигментов в поверхностном слое океана (результаты космического моноторинга). Фундаментальные исследования океанов и морей. Т.2. С. 251-265, Москва, Наука, 2006, ISBN 5-02-035315-9

• Шевырногов А.П., Зоркина Т.М., Жукова В.М., Жукова Е.Ю., Жидкая М.В. Изучение сезонной динамики сельскохозяйственных посевов на территории Хакасии по снимкам Terra Modis // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2007. № 5 (173). С. 29 – 35.

• Шевырногов А.П., Сидько А.Ф., Чернецкий М.Ю., Высоцкая Г.С. Оценка зон цветения фитопланктона на Красноярском водохранилище на основе спутниковых данных AVHRR и MODIS // Исследование Земли из космоса. 2006. № 2. С. 68-78.

• Шевырногов А.П., Сидько А.Ф., Чернецкий М.Ю., Высоцкая Г.С.Анализ динамики отражательной способности хвойных и лиственных древостоев на территории Красноярского края по наземным и спутниковым измерениям // Исследование Земли из космоса. 2006. № 2. С 71-78 .

• Шуркина А.И., Шевырногов А.П., Зоркина Т.М. Исследование современного состояния растительного покрова Республики Хакасия на основе интеграции спутниковых и наземных данных // Вестник КрасГАУ, 2007. - №5. – С. 65-71.

• Chernetsky M., Shevyrnogov A., Shevnina S., Vysotskaya G., Sidko A. Investigations of the Krasnoyarsk Reservoir waters based on the multispectral satellite data // Adv. in Space Research. 2009. V. 43. P. 206–213.

• Galayda Ya.V, Pechurkin N.S., Shirobokova I.M., Pisman T.I. Kinetic Characteristics of the Theoretical Ecosystems with Different Extenl of Openness // Adv. Space Res.. 2005. V.35, № 9. P.1516-1520

• Ivanova Yu.D., Bartsev S.I., Pochekutov A.A., Kartushinsky A.V. The analysis of seasonal activity of photosynthesis and efficiency of various vegetative communities on a basis NDVI for modeling of biosphere processes // Advances in Space Research. 2007. V. 39. P. 95 – 99.

• Manukovsky, N.S.; Kovalev, V.S., Gurevich, Yu.L., Somova L.A. Material balance and diet in bioregenerative life support systems: connection with coefficient of closure. Adv. Space Res. 2005. V. 35, No 9. P.1563-1569.

• Pechurkin N. S. The Biogeochemical Principles of Vernadsky as the Basis for a New Field of Science – Biospherics // Журнал Сибирского Федерального Университета. Серия «Биология». 2008. Т.1, № 3.С. 189 -193.

• Pechurkin N.S. Quantitative criteria for estimation of natural and artificial ecosystems functioning // Adv. Space Res. 2005. V. 35, No 9. P. 1507-1511.

• Pechurkin N.S., Somova L.A. Biospherics approach for studies of natural and artificial ecosystems //Adv. in Space Research. 2008. V. 41, No. 5. P. 691-695.

• Pisman T.I, Galayda Ya.V, Loginova N.S Population dynamics of an Algal-Bacterial Cenosis in closed ecological System // Adv. Space Res.. 2005. V.35, № 9. P.1579-1583

• Pisman T.I, Galayda Ya.V, Shirobokova I.M. Experimental and Mathematical Modeling of the Consumer’s Influence on Productivity of Algae in a Model Aquatic Ecosystem // Adv. Space Res..2005. V.35, № 9. P.1521-1527

• Pisman T.I. Experimental and mathematical model of the interactions in the mixed culture of links in the “producer-consumer” cycle // Adv. in Space Research. 2009. V. 44, Issue 2. P. 177-183.

• Pisman T.I. Specific Features of Mixed Culture of Invertebrates Maintained under Laboratory Conditions // Журнал Сибирского Федерального Университета. Серия «Биология». 2009. № 2.С. 182 -190.

• Pisman T.I., Pechurkin N.S. Host-Parasite Interactions in Closed and Open Microbial Cultivation System // Adv. in Space Research. 2008. V. 41, No. 5. P. 773-776.

• Popova L.Yu., Kargatova T.V., Ganusova E.E., Lobova T.I., Boyandin A.N., Mogilnaya O.A. and Pechurkin N.S. Population dynamics of transgenic strain Escherichia coli Z905/pPHL7 in freshwater and saline lake water microcosms with differing microbial community structures // Adv. Space Res. 2005. V. 35, No 9. P. 1573-1578.

• Rogozin D. Y., Zykov V.V., Chernetsky M. Y., Degermendzhy A. G., Gulati R. D.

• Effect of winter conditions on distributions of anoxic phototrophic bacteria in two meromictic lakes in Siberia, Russia // Aquatic Ecology. 2009. V. 43, Issue 3. P. 661-672.

• Shevyrnogov A., G. Vysotskaya. Spatial distribution of chlorophyll concentration seasonal dynamics types in the ocean surface layer based on the autocorrelation analysis of SeaWiFS data // Advances in Space Research. 2006. V.38. P. 2176–2181.

• Shevyrnogov A., Vysotskaya G. Long-term dynamics of chlorophyll concentration in the ocean surface layer (by space data) // Advances in Space Research. 2007. V. 39. P. 197 – 202.

• Shevyrnogov A., Vysotskaya G., Sukhinin A., Frolikova O., Tchernetsky M. Results of analysis of human impact on environment using the time series of vegetation satellite images around large industrial centers // Adv. in Space Research. 2008. V. 41, No. 1. P. 36 - 40.

• Shevyrnogov A., Vysotskaya G.. Areas quasistationary in the seasonal dynamics of chlorophyll concentration as an indicator of ocean surface water dynamics (based on space remote sensing data). – Proceedings of III International Condeference “Current Problems in Optics of Natural Waters”. – St. Petersburg, 2005. – P. 283-287.

• Sid`ko A. A Study of the Spectral Brightness and Reflectance of the Krasnoyrsk and Dnepr Reservoir // Systems Translated from Okeanologiya. 2005. V. 45, №.2. P. 200-208

• Somova L.A., Pechurkin N.S. Management and control of microbial populations development in LSS of missions of different durations // Adv. Space Res. 2005. V. 35, No 9. P. 1621-1625.

• Somova L.A., Pechurkin N.S., Pisman T.I Principles of Biological Adaptation of Organisms in Artificial Ecosystems to Changes of Environmental Factors // Adv. Space Res.. 2005. V.35, № 9. P.1512-1515

• Somova, L.A., Pechurkin, N.S. The influence of microbial associations on germination of wheat seeds and on the growth of seedlings under impact of Zink salts growth of seedlings under impact of Zink salts. // Adv. in Space Research. 2009. V. 43, № 8. P. 1224-1228.

Учебное пособие

Картушинский А. В. Информационные технологии для моделирования и управления процессами в экосистемах: лаб. практикум. 2009. Красноярск: ИПК СФУ. 62 стр. ISBN 978-5-7638-1332-6.