Картографический метод исследования

1. Введение

2. Краткая история картографического метода исследования

3. Существо проблемы. Основные функции географических карт. Понятие о картографическом методе исследования

4. Основные приемы анализа при картографическом методе исследования

5. Совместное использование и переработка карт при картографическом методе исследования. Топологические модели

6. Применение картографического метода в научных исследованиях

7. Картографический метод исследования в школе Заключение Литература

1.

Введение

Высокий уровень развития современной картографии ведет к постоянному расширению ее интересов. Продолжая совершенствовать методику и технику картографирования, разрабатывая новые типы карт, картографы ставят и решают новые проблемы. Одна таких проблем — использование карт в научных исследованиях и хозяйственной деятельности.

В самой картографии долгое время сохранялось мнение о том, что основная задача науки состоит в изучении и разработки методов и процессов создания и воспроизведения карт.

Итак, под картографическим методом понимаются раздел картографии, изучающий вопросы использования карт для познания изображенных на них явлений. В первые понятие об этом методе было сформулировано К. А. Салищевым.

Приложения картографического метода исследования весьма разнообразны. Он сделался неотъемлемой частью большинства теоретических и практических изысканий, превратился в один из стержневых методов познания в науках о Земле. Долголетний опыт накоплен геологией и морфологией — науками, традиционно связанными с топографическими картами. Издавна сопряжены с картой экономико-географические исследования. Немыслимы без постоянного анализа и обработки карт геофизические науки.

Метод развивается, используя новейшие достижения картографии, математики, вычислительной техники и автоматики, в тесном взаимодействии с методами конкретных наук. Постоянно изыскиваются новые оригинальные приемы анализа карт, совершенствуется техническая база, расширяется круг решаемых задач, начиная от проблем общегеографического характера вплоть до узкоотраслевых исследований.

Важнейшим условием становления картографического метода следует считать практические потребности отдельных отраслей физической и экономической географии, геологии, геофизики и других отраслей наук о Земле. При современном уровне теоретического развития этих отраслей знаний анализ карт применяется в качестве одного из основных методов исследования.

2. Краткая история картографического метода исследования Всякое картографическое произведение создавалось с древнейших времен до наших дней для каких-либо практических или научных целей. В данном пункте мы обратимся лишь к одной ветви картографии — использованию карт для географических исследований, оставив в стороне другие направления картографии, такие, как математическая картография, теория построения знакомых систем, генерализация и прочие области картосоставления.

Прежде всего, следует сказать о графических изображениях, прародителях современных карт, использовавшихся для ориентации в пространстве. Для этих нужд служили наскальные изображения, рисунки на коже, дереве, использовалась резьба по дереву или кости. Основными элементами таких изображений были тропинки, реки, ручьи, озера, горы, леса, места для охоты, сбора трав и т. д. Как правило, для их показа применялись перспективные рисунки, зачастую с существенным преувеличением наиболее интересных с точки зрения составителя элементов содержания или их деталей. Сохранились такие изображения, датируемые 3—2 тысячелетием до н. э. Жители Маршалловых островов создавали свои первые примитивные морские «карты» для целей навигации. Материалом для них служили раковины, обозначающие острова, которые крепились к каркасу из черенков пальмовых листьев. Положение черенков указывало фронт морской зыби, поднимаемой господствующими ветрами, а также изменения при прохождении через цепь островов. Этот феномен использовался жителями для определения курса на остров, когда он был вне поля видимости.

Карты были нужны, чтобы зафиксировать границы охотничьих угодий, земельных наделов, что особенно было распространено при освоении новых территорий, например в Римской империи, позднее церковных владений и т. д. В древнейших очагах цивилизации — Месопотамии и Египте — строительству ирригационных сооружений, возведению храмов или других сооружений нередко предшествовало создание соответствующих планов. В Древней Греции карты использовались в обучении, а в Древнем Риме — в военном деле и управлении империей. Причем изображение известных территорий, как, например, Эгейcкого моря, выполненное Гомером, выглядит очень правдоподобным (рис.1).

Рис. 1. Карта мира по Гомеру.

Большую известность получили римские дорожные карты, среди них широко известна сохранившаяся до настоящего времени так называемая Пейтингерова таблица — полоса длиной в 7 м и шириной около 30 см, показывающая обширную территорию от Британии до Индии. Основное содержание таблицы — дорожная сеть, города, реки, озера, горы — сильно растянуто по направлению с запада на восток и сжато с севера на юг (рис.2).

Рис. 2. Фрагмент Пейтингеровой таблицы

Позднее в средневековье с широким развитием морской торговли резко, возросла потребность в картах для навигации; особенно высокой точности в изображении береговой линии достигли портоланы. Создавались они начиная с XIV в. прежде всего в Италии и покрывали Средиземное и Черное моря. Особенностью портоланов были нанесенные на них сетки компасных линий из ряда точек, что позволяло с помощью изобретенного к этому времени компаса прокладывать курсы для судов, в том числе в открытом море. Наибольший же расцвет в морской картографии, естественно, пришелся на период Великих географических открытий XV—XVI вв.

Чуть раньше портоланов в Европе появились так называемые монастырские карты. К. А. Салищев писал, что «основное назначение монастырских карт состояло в иллюстрации богословских сочинений. Например, на карте, сопровождавшей комментарии к Апокалипсису, Беат показывал раздел Земли после потопа между тремя сыновьями Ноя. Такие карты представляли собой картинные чертежи, лишь в самой грубой форме передававшие известный в средневековье мир. Картографические изображения мира интересовали их авторов только в той мере, в какой они соответствовали их религиозным взглядам или поясняли разделяемые ими богословские представления».

Расцвет картографии средневековья связан с именем фламандского картографа Герарда Меркатора, жившего в 1512—1594 гг. Созданная им цилиндрическая равноугольная проекция карты мира носит его имя и используется в морской картографии и в наши дни. В данной проекции Г. Меркатор составил карту мира, известного к тому времени, а также дал рекомендации, как пользоваться данной картой.

В России карты в относительно большом количестве стали создаваться и использоваться к началу XVI в., что связано с потребностями освоения новых территорий, вошедших в Русское государство, и необходимостью защиты его рубежей. Свидетельством этому служит опись архива Ивана IV (1575 г.), где упоминается множество чертежей, необходимых для проведения политики царя по связям с внешним миром. Таким же целям служил «Большой Чертеж всему Московскому государству», охватывавший территорию от Днепра до Оби.

Процесс освоения Сибири также требовал ее картографирования и изучения. Работы С. У. Ремезова (1642 — после 1720) представляют собой историко-географическую энциклопедию Сибири XVII в. С. У. Ремезов при участии сыновей подготовил три атласа Сибири, Главное достоинство его карт — «достоверность сведений и богатое географическое содержание. В этом отношении картографические произведения тобольского исследователя значительно превосходили более поздние карты Сибири петровских геодезистов… В ремезовских чертежах, рисующих разносторонний физико-географический образ территории всей Сибири и насыщенных громадным числом экономических, этнографических, политических, исторических, военных, археологических, статистических и других показателей, современные исследователи справедливо усматривают наиболее раннее проявление комплексного картографирования».

В последние годы жизни Петра I широко развернулись работы по государственной съемке страны. Возглавлял эти работы И. К. Кирилов (1696—1772), а позднее большую роль в повышении точности и качества съемок сыграл В. Н. Татищев. При стандартизации съемочных работ В. Н. Татищев уделял большое внимание сбору географических данных и их учету при составлении «ландкарт». Так, в составленной им в 1738 г. инструкции есть две такие позиции:

1. Для историко-географического известия в приезде твоем в город требовать из канцелярии известия, давно ли тот город построен и для какой причины, уезда же того у умных людей домогаться ведать состояния, их язык, нравы, художество и пропитание, чем тот уезд изобилен или недостаточествует.

2. О порядочном же осведомлении дабы тебе при сем особливые пункты, по которым осведомляючись, против всякого записывать, ту ж записку чинить велено и посланным в провинции офицерам".

Это уже пример анкетирования, весьма полезного для географического изучения территорий наряду с картами. В начале XIX в. полевыми топографическими съемками занялись военные, и в 1822 г. был создан Корпус военных топографов. Их съемки в последующем использовались для учета и оценки земель, строительства автомобильных и железных дорог. Аналогичные работы велись и за рубежом, например в Канаде кадастровые съемки конца XIX в. или работы Геологической съемки США, уделявшей большое внимание изображению границ административно-территориального деления и рельефу.

Одной из самых широких областей использования карт в конце XIX — начале XX в. Была картометрия, применявшаяся для исчисления площадей губерний и уездов России, длин рек, протяженности дорог и т. д. Выдающимся ученым, сумевшим на основе картометрических работ выявить ряд географических закономерностей, был генерал-лейтенант, член-корреспондент Петербургской Академии наук А. А. Тилло (1839—1899/1900). Созданные им гипсометрические карты Европейской России в масштабах 1:2 520 000 и 1:1 680 000 служили не только автору, обосновавшему представление об орографии данного региона, но и его многочисленным последователям. А. А. Тилло показал существование Среднерусской и Приволжской возвышенностей и дал им существующие названия. А. А. Тилло проведен сравнительный анализ разновременных магнитных карт для изучения магнитных полей Европейской России, что позволило выявить Курско-Белгородскую аномалию, предвосхитив обнаружение железорудных месторождений.

Продолжателем работ А. А. Тилло стал один из его учеников — Ю. М. Шокальский, разносторонне образованный ученый-океанолог и картограф. Он работал над созданием гипсометрических карт азиатской части России, провел подсчеты площадей губерний и всей территории в целом, а также бассейнов многих крупных рек Сибири. Позднее Ю. М. Шокальский провел измерения длин многих рек страны, участвовал в создании капитального «Большого советского атласа мира».

Огромная работа по анализу гипсометрических карт Европейской России проведена Д. Н. Анучиным. На основе карт, созданных А. А. Тилло, а также геологических карт им дан замечательный географический анализ закономерностей развития рельефа, обобщенный в книге «Рельеф поверхности европейской части России в последовательном развитии о нем представлений». Заметим, что до XIX в. на картах преимущественно отражались общегеографические элементы. Необходимость в создании тематических карт стала появляться главным образом для научных целей. Одним из первых, кто осознал возможности карт показывать абстрактные понятия, был А. Гумбольдт. Он ввел понятие изотерм, которые нельзя увидеть на местности, и на их основе показал, как можно установить и фиксировать на карте территориальную дифференциацию распределения тепла, заложив основу климатического зонирования Земли. Позже он установил вертикальную зональность в растительном покрове. В том же ключе были и работы В. В. Докучаева, который дал научную классификацию почв с учетом генетического принципа и факторов почвообразования, широко используя географические карты. Он также обобщил представления о зональности компонентов среды и сформулировал учение о географических зонах.

В область социально-экономического картографирования большой вклад внес П. П. Семенов-Тян-Шанский, прославивший свое имя не только известными путешествиями, но организацией первой переписи населения в России (1897 г.), результаты которой послужили материалом для многочисленных карт населения. Под его руководством изданы сводки «Географическо-статистический словарь Российской империи» и «Россия. Полное географическое описание нашего отечества», иллюстрированные различными картами. В своей работе П. П. Семенов-Тян-Шанский использовал все лучшее, что было создано в области социально-экономического картографирования того времени, как, например, «Карту промышленности Европейской России» 1842 г., «Хозяйственно-статистический атлас Европейской России» 1851 г. и др.

Теория дрейфа континентов и современная новая глобальная тектоника берут свое начало с работ А. Л. Вегенера (1880—1930), подметившего при анализе карт сходство очертаний берегов Бразилии и атлантического побережья Африки.

Велик вклад в экономическую картографию и использование карт в социально-экономической географии Н. Н. Баранского. Его яркий, образный язык, умение сконцентрировать внимание на сути, глубина и многогранность знаний привлекали к нему многих учеников и последователей. Слова Н. Н. Баранского служили и служат эпиграфами и названиями статей и книг. Можно ли сказать четче и яснее, выразив свое отношение к картографии: «Карта — альфа и омега географии, начальный и конечный момент географического исследования… Карта— средство к выявлению географических закономерностей… Карта — „второй язык“ географии». Н. Н. Баранский не только призывал, но и сам постоянно пользовался картами для объяснения географических взаимосвязей и закономерностей.

А. Ф. Асланикашвили (1916—1981) внес значительный вклад в теорию картографии, теорию картографической генерализации, в создание «Атласа Грузинской ССР», комплексное картографирование. Им неоднократно рассматривалась роль картографического метода в географии и других науках. Теоретическое обоснование взглядов А. Ф. Асланикашвили на картографический метод рассматривается в книге «Метакартография. Основные проблемы».

И. П. Заруцкая (1908—1990) показала роль ряда созданных с ее участием атласов при комплексных географических исследованиях. Большой знаток природы, она стремилась к неразрывному слиянию картографического метода и конкретных географических наук.

Осознание картографического метода в современном его понимании принадлежит К. А. Салищеву (1905 — 1988). Опубликованная им в 1955 г. статья «О картографическом методе исследований» служила отправным моментом для его исследований и нашла свое продолжение у его многочисленных учеников (А. М. Берлянт, Л. Г. Руденко, В. А. Червяков и др.). Многократны обращения к картографическому методу исследования и связям картографии с географическими науками в монографии, подытоживающей опыт развития картографии и ее перспективы, а также в специальной главе учебника по картографии.

Наиболее ярко взгляды К. А. Салищева на роль картографии в географических исследованиях изложены в статье «Картография на службе рационального природопользования: состояние и задачи». На примере обеспечения работ по рациональному природопользованию показана роль и направления использования государственных топографических и отраслевых тематических карт, а также комплексных региональных атласов. Показана методология использования карт и атласов для географических исследований, роль системного подхода при анализе по картам структуры территориальных природных, производственных и общественно-природных комплексов, взаимосвязи и динамики их элементов.

3. Существо проблемы. Основные функции географических карт. Понятие о картографическом методе исследования

Развитие картографии всегда определялось потребностями жизни. Начиная со школьных лет карта знакома каждому человеку. Она обыденное явление в нашей жизни. Но именно эта обыденность нередко приводит к упрощенному взгляду на карту, ее недооценке, неполному использованию заложенных в ней возможностей. Важно не только иметь хорошую карту, но и уметь работать с ней, беря от нее все, что она может дать. Иначе карта будет в значительной мере оставаться вещью в себе. Поэтому разработка вопросов использования карт принадлежит к важнейшим проблемам картографии. Картографическое отображение реального мира и его восприятие, т. е. создание карт и изучение по ним действительности, рассматриваются в современной картографии во взаимной связи, как единый процесс.

Обобщая многообразие практического и научного использования карт, можно выделить их пять основных функций: коммуникативную по хранению и передаче пространственной информации, оперативную, связанную с непосредственным решением различных практических задач (например, по навигации, управлению сельским хозяйством и т. п.); конструктивную — по применению карт для разработки и реализации всевозможных народнохозяйственных и социальных проектов; познавательную — для пространственно-временных исследований явлений природы и общества и приобретения о них новых знаний; прогностическую (как развитие познавательной) для предвидения явлений — их распространения, изменений во времени и будущих состояний.

Успех в реализации коммуникативной функции карт во многом зависит от избранных для них способов изображения и знаковых систем, а также опыта в чтении карт, приобретенного при их изучении и в процессе практической деятельности. Методика применения карт в оперативной работе и проектировании устанавливается специалистами, прибегающими к помощи карт, но картограф, готовящий эти карты, должен знать предъявляемые к ним требования и особенности применяемой методики. Методы использования карт как средства познания и прогноза разрабатываются специалистами в соответствующих видах карт (геологами, геоботаниками, климатологами и т. д.) и картографами, работающими в тех же разделах тематической картографии (геологической, геоботанической и т. д.). Однако общую разработку этих методов относят к задачам картографической науки (подобно тому, как общая разработка и совершенствование математических методов, широко используемых многими науками, принадлежит математикам).

Картографическое изучение и исследование действительности состоит во включении в этот процесс промежуточного звена — географической карты как пространственной модели изучаемых явлений. При этом карта выступает в двоякой роли: в качестве средства исследования и как его предмет в виде модели, заменяющей собой реальные явления, непосредственное изучение которых невозможно или затруднительно. Примером могут быть явления глобального масштаба. Полученные таким образом (по картам) выводы и значения относятся к соответствующим объектам действительности. Применение карт для описания, анализа и познания явлений, для получения о них новых знаний и характеристик, изучения их пространственных взаимосвязей и прогноза мы называем картографическим методом исследования.

Рис. 3. Схема картографического метода познания действительности Суть картографических исследований можно пояснить схемой на рис. 3, на котором выделены четыре последовательные стадии картографирования и использования карт:

1) получение информации И1, т. е. сведений об окружающем мире, в результате наблюдения некоторой части действительности Д1 — ее явлений и процессов;

2) обработка информации И1 и построение карты К — пространственной образно-знаковой модели исследуемой части действительности;

3) изучение (чтение) карты К для извлечения из нее информации И2 об отображенных на карте явлениях, если надо с дополнительной обработкой получаемых по карте данных;

4) мысленное формирование в сознании исследователя образа Д2 о моделированной на карте действительности на основе информации, заключенной в карте, и ранее накопленных исследователем знаний и опыта. 3-я и 4-я стадии образуют собственно картографический метод исследования. Очень важно, что на 2-й и 3-й стадиях происходит не только отключение излишней информации, но и получение новой, как результат обработки используемых данных — И1 и самой карты. На 4-й же стадии создается представление о размещении, состоянии, взаимосвязях и динамике показанных явлений, их новый образ, анализ и истолкование которого с помощью индуктивных и дедуктивных умозаключений приводит к расширению и обогащению знаний об изучаемой действительности. Простейший пример — топограф определяет высоты и строит по ним на карте горизонтали, а геоморфолог использует изображение в горизонталях для выводов о морфологии и генезисе рельефа. Именно возможность получения по картам новых знаний лежит в основе использования карт как средства научного исследования, в частности при разработке гипотез, прогнозов, рекомендаций и т. д.

Рис. 3 иллюстрирует схему действий, при которой изготовление карты выполняется в результате непосредственного наблюдения (съемок) действительности. Однако создание большинства карт основывается не на прямом исследовании натуры, а на использовании уже имеющихся карт и других источников, обработка которых для получения производных карт имеет целью не только отбор, отсеивание избыточной информации, но также получение новой информации и новых знаний о картографируемых явлениях.

Таким образом, в картографическом изучении действительности закономерно различать полевое и камеральное картографирование и картографический метод исследования — получение новых данных о действительности по имеющимся или специально созданным для нее картам. Разработка вопросов полевого и камерального картографирования принадлежит к задачам топографии (аэротопографии), проектирования и составления карт, а также отраслевых разделов тематической картографии. Что касается методики использования карт в научных исследованиях и практике, то она относится к кругу забот картоведения, но в своей развитой форме приобрела значение самостоятельной картографической дисциплины, а также находит отражение в отраслевых разделах тематической картографии, где имеет четко выраженный междисциплинарный характер.

Полевое и камеральное картографирование входят в компетенцию профессиональных картографов и специалистов в соответствующих отраслях тематической картографии. Изучением же готовых карт как моделей действительности с целью познания этой действительности занимаются все потребители, для которых предназначаются конкретные карты.

В заключение заметим, что коммуникационная функция карт (иллюстрируемая рис. 4) во многих публикациях по картографии заслоняет собой остальные.

Рис. 4. Коммуникационная модель картографии Иногда в ее основу кладут математическую теорию информации, по которой И2 (информация на выходе) всегда меньше И1 (информации на входе). Такой взгляд лишает картографию познавательных функций и в этом отношении препятствует ее развитию.

4. Основные приемы анализа при картографическом методе исследования

Картографический метод исследования основан на анализе карт как пространственно-временных моделей действительности. Для изучения явлений по их изображениям на картах используются различные приемы анализа, среди которых выделяют визуальные, картометрические, графические и математические способы.

Визуальный анализ — наиболее употребительный прием исследования по картам, основан на существе карт как образно-знаковых моделей, воспроизводящих в наглядной форме пространственные формы, отношения и структуру. Уже беглый взгляд на карту порождает при наличии опыта зрительный образ пространства изображенных явлений, например общее представление о местности по топографической карте. Внимательный просмотр карты позволяет далее (в зависимости от ее содержания) увидеть особенности форм и своеобразие пространственного рисунка явлений (например, округлые или лопастные очертания озер, древовидную или решетчатую конфигурацию гидрографической сети, пятнистость почв и т. п.) и дать содержательную интерпретацию этих форм; сопоставить величины показанных объектов (например, соотношение промышленных пунктов по стоимости валовой продукции); установить закономерности размещения (например, зональность растительного покрова), сходный характер явлений (например, использования земель) и места их резкой смены (например, на природных рубежах); обнаружить пространственные взаимосвязи (например, между рельефом, почвами и растительностью или между природными условиями и сельским расселением); уяснить характер пространственных структур (например, больших городов); оценить особенности динамических ситуаций (например, синоптической обстановки) и т. д.

Такой анализ одинаково возможен для изучения планетарных закономерностей в размещении суши и океана, рельефа, климата, почв, растительности, животного мира, населения, хозяйства и т. д. или их региональных и даже местных особенностей. Визуальный анализ имеет в виду преимущественно качественную характеристику явлений, но часто сопровождается глазомерной оценкой длин, площадей, высот и т. п., а также их соотношений (при которой нельзя забывать об искажениях, вносимых картографическими проекциями при передаче больших пространств). Он всегда используется на первоначальной стадии исследования для общего ознакомления с изучаемыми явлениями и для выбора последующей методики работы.

Внешне простой и доступный каждому, визуальный анализ требует вместе с тем умения читать карту, понимания сути анализируемых явлений и, конечно, привлечения подходящих к делу карт. Это умственный труд, успех которого зависит от интенсивности и подготовки исполнителя.

Результатом визуального анализа может быть описание изучаемых явлений, для которого необходимы логичность и последовательность изложения, отбор и систематизация фактов, их анализ, обобщение и заключительные выводы. Заранее продуманная схема описания как бы образует алгоритм визуального анализа.

При общем развитии картографического метода исследования визуальный анализ расширяет область своего применения. Он распространяется на новые виды карт (например, металлогенические, служащие для прогноза полезных ископаемых) и особенно продуктивен в комплексном картографировании при совместном анализе сопряженных карт, а также при сравнительном анализе вариантов карты в процессе ее автоматизированного изготовления. Весьма эффективно его использование для анализа статистических карт, переводящих таблицы статистических данных в наглядный, запоминающийся образ, облегчающий анализ явлений и их районирование.

Картометрические исследования заключаются в измерении и исчислении по картам количественных характеристик явлений с оценкой точности получаемых результатов. Определения координат, расстояний, длин, высот, площадей, объемов, углов и азимутов, уклонов и других топографических характеристик, теория и практические приемы этих определений издавна рассматриваются в особом разделе картографии — картометрии. Диапазон картометрических работ необычайно широк. Они могут сводиться к измерениям отдельных объектов (например, длины какой-либо реки) или быть массовыми (включать все реки), иметь локальный характер (например, ограничиваться небольшим районом) или распространяться на значительные пространства (например, ставить целью определение площадей земельных ресурсов по их видам для всей страны) или даже иметь глобальное значение.

Картометрия в традиционной разработке ограничивала свои интересы топографическими характеристиками, получаемыми по общегеографическим (топографическим) и морским навигационным картам. Между тем многие отрасли знания — науки о Земле и ее биосфере, экономическая и социальная география и другие — теперь нуждаются в получении по картам разнообразных абсолютных и относительных пространственных показателей, характеризующих формы явлений, их мощность, плотность и интенсивность, количественную структуру и градиенты, отношения соседства и доступности. Выбор показателей относится к задачам названных наук, но в основе определения показателей лежат картометрические измерения по соответствующим тематическим картам. Естественно, что разработка принципиальных положений, рациональных приемов и техники таких измерений, оценка их точности, обоснование выбора карт и т. д. входят в задачи картометрии в ее широком современном применении.

Большое распространение получили морфометрические расчеты формы и структуры объектов — общего характера их очертаний, вытянутости, извилистости, кривизны, расчленения и т. д., а также статистический анализ плотности, распределения и взаимосвязей явлений. Как особое направление при использовании картографического метода другими науками формируется «тематическая морфометрия, в задачи которой входит количественное исследование по тематическим картам форм и структур изображенных на них объектов». В частности, такова геоморфологическая морфометрия, изучающая формы и структуры рельефа — размеры, особенности и группировку форм, горизонтальное и вертикальное расчленение и др.

Интенсивное внедрение автоматизированных приемов измерений по картам и привлечение ЭВМ для обработки их результатов необыкновенно повышают эффективность и точность картометрических исследований.

Графический анализ заключается в исследовании явлений при помощи графических построений, выполняемых по географическим картам. Такими построениями могут быть профили, разрезы, блок-диаграммы и другие образно-знаковые модели, производные от карт, а также различные графики-диаграммы, розы направлений или звездные диаграммы и т. п. Их часто применяют для наглядного представления о размещении явлений в иных плоскостях, чем горизонтальная, например в вертикальной плоскости посредством профилей и разрезов, в плоском изображении трехмерного пространства посредством блок-диаграмм, нередко сочетающих горизонтальные и вертикальные сечения, и т. п. Профили широко используют для изучения рельефа земной поверхности, геологического строения земной коры и т. д. Разрезы, показывающие вертикальную структуру компонентов географической оболочки, удобны для исследования их соотношений с рельефом земной поверхности, в частности с высотной поясностью. Совмещение профилей позволяет переходить к пространственному анализу, например для выявления поверхностей выравнивания (рис. 5).

Рис. 5. Наложение профилей рельефа, позволяющее наметить поверхности выравнивания (на высотах 75−76 м); ландшафт денудационной равнины Заметим, что профили можно строить по любым картам с изолиниями и псевдоизолиниями, например по картам плотностей различных ресурсовприродных, трудовых и т. п. Блок-диаграммы, дающие перспективное изображение пространства, удобны для передачи связей между рельефом земной поверхности, геологическими структурами, почвенным покровом и т. д.

Графический анализ нередко служит для выяснения закономерностей пространственного размещения, например распределения (ориентирования каких-либо явлений (ветров, водотоков, тектонических разломов и т. п.) по основным азимутам. Рис. 6, а показывает реки Кольского полуострова и соответствующую звездную диаграмму (на которой длина лучей пропорциональна суммарным длинам водотоков по 12 направлениям), характеризующую в обобщенной форме основную ориентировку гидросети; рисунок 6, б построен аналогичным образом для линий неотектонических разломов.

Автоматизация графических построений позволяет легко изменять их масштабы, ориентирование и другие параметры, сопоставлять и совмещать различные графики и в конечном счете неизмеримо ускоряет работу и повышает эффективность графического анализа.

Сама суть географических карт как математически определенных пространственных моделей предопределяет эффективность математических приемов иханализа для получения новых характеристик отображенных на картах явлений, для изучения их взаимосвязей и зависимостей, для построения математических моделей и других целей.

Рис. 6. Графический анализ взаимосвязи гидрографической сети Кольского п-ова с линиями неотектонических разломов: а — карта речной сети и диаграмма ориентирования рек по основным направлениям горизонта; б — карта неотектонических нарушений и соответствующая диаграмма; в — совмещение диаграмм: 1 — речной сети; 2 — неотектонических нарушений Очень популярен математико-статистический анализ, привлекаемый к исследованию явлений, которые можно рассматривать на картах как однородные множества изменяющихся в пространстве случайных величин: высот, температур, посевных площадей, урожайности и т. п., называемых в математической статистике статистическими совокупностями. Среди многих задач, решаемых по картам при помощи статистического анализа, можно выделить три основные: 1) определение статистических характеристик какого-либо однородного явления, зависящего от многих факторов с неизвестной функциональной связью; 2) изучение пространственных и временных связей между явлениями; 3) оценка степени влияния отдельных факторов на изучаемое явление и выделение ведущих факторов.

Для характеристики явления посредством какого-либо статистического показателя (средней арифметической, моды, медианы и т. п.) определяют количественные значения явления во многих точках карты и обрабатывают полученные данные, следуя правилам математической статистики по ячейкам избранной территориальной сетки (административного деления, природного районирования, регулярной сети и т. п.). Для производства выборки наиболее удобны карты с изолиниями (или псевдоизолиниями), позволяющими определять величину явлений в любой точке карты. Наиболее обоснована выборка по сетке равномерно расположенных точек. Количественные значения для статистической обработки можно получать и по картам с другими способами изображения: точками, ареалами, картограммами. Например, при точечном способе определяют интенсивность явлений выборочно по сетке контрольных площадок (часто в виде кружков), подсчитывая число точек внутри каждой контрольной площадки. Обычно анализ завершают построением картограммы или изолиний (псевдоизолиний), дающих наглядное представление о пространственных изменения показателя.

При исследовании по картам пространственных (и временных) зависимостей явлений — их формы и тесноты — прибегают к вычислению корреляционных показателей (коэффициентов корреляции, корреляционных отношений, показателей множественной корреляции и др.) и к выяснению (оценке) их надежности. Для этого надо иметь две выборки значений сопоставляемых явлений (например, осадков и урожайности), измеренных в одних и тех же точках одной или двух сравнимых карт; для множественной корреляции привлекают три выборки и более по одной или нескольким картам. Такие исследования при детализации расчетов по сетке территориального деления дают материал для составления карт взаимосвязей (корреляций), показывающих пространственные изменения величины и знака показателей корреляции; по ним возможно районирование территории по характеру связей — тесных и слабых, положительных и отрицательных, что важно для установления причинно-следственных отношений между исследуемыми явлениями. Картографостатистическое изучение взаимосвязей теперь широко используется не только в географических исследованиях, то также в других отраслях знания, в частности в геологии, метеорологии и медицине.

Задачи по оценке влияния отдельных факторов и выделению ведущих факторов возникают при исследовании по картам сложных комплексов явлений со множеством взаимосвязей. Примерами могут быть совокупность климатических показателей, или, что значительно шире, комплекс природных условий. Математическая статистика предоставляет для этого средство в виде факторного анализа, который позволяет сводить в одном показателе (аппроксимировать одним фактором) влияние комплекса родственных явлений и в конечном счете обобщать и оценивать влияние многих факторов при помощи весьма ограниченного числа синтетических показателей. Такой путь исследования дает объективное средство к составлению синтетических карт, например комфортности природных условий для обитания и работы людей.

Другой распространенный прием математического анализа состоит в составлении по картам уравнений поверхностей, аппроксимирующих исследуемые явления — реальные (например, земной рельеф, поверхности погребенных пород определенного геологического возраста и т. п.) или абстрактные (годовой слой осадков, плотность населения, урожайность и др.), затем в построении поэтим уравнениям карт аппроксимирующих поверхностей и, наконец, в анализе этих поверхностей для интерпретации и объяснения исследуемых явлений.

функция искомой поверхности

(1)

где z — значение исследуемого явления в точке с координатами и и v, неизвестно, но ее можно выразить в той или иной приближенной форме, например в виде степенного ряда

(2)

с неизвестными коэффициентами А, В, С,… Для определения этих коэффициентов решается система уравнений (2), число которых равно или превышает число искомых коэффициентов (в последнем случае с привлечением способа наименьших квадратов). Значения z, и и v для составления отдельных уравнений берутся при исследовании непрерывных (континуальных) явлений непосредственно с карты, например в вершинах регулярной сетки, а для дискретных явлений определяются по сети территориальных ячеек как «плотности» явлений в этих ячейках, т. е. отношение численности объектов или суммарного выражения картографируемых признаков в каждой ячейке к ее площади (например, плотность населения, «плотность» запасов древесины в м3 на 1 га и т. п.). Очевидно многочлен первой степени, определяющий аппроксимирующую поверхность как плоскость, дает для сложной поверхности лишь самое грубое приближение. Аппроксимация уточняется с повышением степени многочлена. Несложные поверхности удовлетворительно описываются кубическими и даже квадратными уравнениями. Разложения можно выполнить также посредством тригонометрических рядов Фурье, или, что особенно удобно для практических целей, в виде суммы произведений ортогональных многочленов П. Л. Чебышева.

Аппроксимирующие поверхности удобно применять для определения площадей и объемов, сопоставления поверхностей, например при изучении корреляции явлений и т. п.

Для математического анализа заимствуются также положения из других математических дисциплин. В частности, приемы математической теории информации привлекаются для оценки по картам пространственной однородности (или неоднородности) явлений, пространственного соответствия различных явлений и т. д.

Проведенный выше раздельный обзор основных приемов анализа, используемых в картографическом методе исследования, позволяет яснее видеть пути его применения. Но в практике обычно совместное применение различных приемов. Например, предварительный визуальный анализ полезен для выбора рациональной методики картометрических работ, результаты которых могут быть далее обобщены в графических построениях, в частности в виде гипсографических кривых, и т. п. Комплексирование различных приемов не только обогащает методику работы, но и расширяет возможности картографического метода.

Некоторые приемы анализа (визуальный, картометрический, графический) имеют длительную историю, но математические приемы, требующие сплошь и рядом обширных вычислений, оказались реальными лишь после внедрения электронно-вычислительных машин в практику картографического метода.

5. Совместное использование и переработка карт при картографическом методе исследования. Топологические модели

При картографическом методе исследования возможны различные варианты использования карт: непосредственный анализ отдельных карт; анализ сопряженных карт разной тематики; сопоставление разновременных карт; сравнительное изучение карт-аналогов; анализ, связанный с преобразованием картографического изображения; разложение картографического изображения на составляющие и т. д.

Особенности и возможности использования карт при картографическом методе во многом зависят от характера самих карт и целей исследования. Взгляд на карты как на пространственные модели геосистем проясняет влияние типа карт. Отраслевая карта, содержание которой ограничено одним из элементов геосистемы или даже его отдельным признаком, допускает лишь изучение пространственного размещения этого элемента (или признака), если необходимо с его количественными характеристиками (величины, интенсивности и т. п.). Комплексная карта, объединяющая ряд элементов геосистемы, открывает путь к исследованию их взаимосвязей и функционирования и, следовательно, сильно расширяет возможные пределы исследования. Но полную силу комплексное картографирование приобретает в сериях карт, что определяет большую эффективность совместного анализа сопряженных карт геосистем.

Наиболее доступен и распространен непосредственный анализ отдельных карт. При отсутствии специальной подготовки, технических средств и достаточного времени иногда ограничиваются визуальным изучением карты. Оно одинаково применимо для малых и больших пространств и, несмотря на кажущуюся простоту, может приводить опытного исследователя к многим интересующим его выводам. Например, топографические карты хорошо выявляют структуру гидрографической сети, типы рельефа, характер сельскохозяйственного расселения — его связь с природными условиями и т. д. В глобальном масштабе благодаря визуальному анализу были открыты и изучены явления широтной зональности, — а также выдвинуты предположения о меридиональных и секториальных закономерностях, обнаруживаемых на тектонических, морфоструктурных, климатических, почвенных и геоботанических картах земного шара. Привлечение других способов анализа обычно расширяет спектр выводов и, главное, усиливает их доказательность. Эти возможности возрастают еще более при совместном использовании ряда карт, а также при целенаправленном преобразовании их содержания и способов изображения.

Совместный анализ карт разной тематики широко используется для изучения пространственных связей и зависимостей, например между рельефом, почвами и растительностью. Он позволяет устанавливать пространственное соответствие явлений и тем самым дает конкретным наукам и практике основу для дальнейших исследований по выявлению причинно-следственных связей. Очень продуктивен совместный анализ карт заведомо взаимосвязанных явлений, например осадков, поверхностного стока и испаряемости, позволяющий приходить к заключениям о водном балансе территории, ее увлажнении, пополнении подземных вод и т. д. Важно, что карты представляют хорошие возможности для изучения взаимосвязей, непосредственно в натуре не наблюдаемых, например почвенно-климатических условий и заболеваемости населения. Массу иллюстраций возможностей совместного анализа карт дает Атлас океанов (1974;1980). Например, сопоставление карт физических свойств водных масс Мирового океана с биогеографическими картами позволяет установить зависимость локализации растительных и животных организмов от определенных температурных и гидрохимических условий. Вообще комплексные атласы и серии карт как многостороннее отображение геосистем особенно продуктивны для исследования взаимосвязей, зависимостей и развития природных и социально-экономических явлений.

Простейший способ сопоставления карт — визуальный с ориентировкой по топографической основе. Более точный результат дает совмещение карт, например при помощи оптического проектора. Чтобы облегчить совмещение, сопряженные карты можно печатать на прозрачных пластиках, накладываемых друг на друга. Подобные приемы открывают непосредственно полное или частичное совпадение явлений, их обратные соотношения, систематические смещения и т. п. Количественные характеристики взаимосвязей, в частности взаимозависимостей, не являющихся строго функциональными, т. е. корреляцией, можно находить приемами математической статистики по выборкам с сопряженных карт .

Совместный анализ разновременных карт, показывающих изменения в пространственном положении и состоянии явлений, открывает путь к изучению динамики и развития исследуемых геосистем или их элементов. Это могут быть карты, отображающие действительность на момент их изготовления (например, топографические карты по съемкам разных лет), либо карты, составленные по разновременным источникам, например по переписям населения, проводимым каждое десятилетие. Интервалы разновременных карт устанавливаются сообразно характеру исследуемых явлений: при анализе синоптических процессов по картам интервалы ограничиваются часами, а при изучении вековых движений земной коры возрастают до десятков лет или даже столетий. При сопоставлении разновременных карт выявляются: изменения в пространственном положении явлений например перемещения береговой линии, ареалов расселения животных и т. п.; изменения в состоянии явлений, например, рост населенных пунктов, повышение класса дорог и т. п.; замещения одних явлений другими (распашка целинных земель, смена породного состава лесов и т. п.); ритмы сезонных и других периодических явлений; общие тенденции развития явлений. При этом возможно не только измерять по картам абсолютные величины пространственных изменений, но также определять их направления, средние скорости и некоторые другие характеристики.

Сравнительное изучение карт-аналогов, т. е. карт, изображающих территории, сходные в каких-либо свойствах или отношениях, позволяет переносить с некоторой долей вероятности значения, полученные для доступных и хорошо изученных пространств на менее доступные и изученные. Например, выявление по картам таежной зоны СССР и Канады сходных ландшафтов допускает в качестве гипотезы экстраполяцию закономерностей, найденных для ландшафтов СССР, на аналогичные ландшафты Канады. Подобная методика заслуживает внимания при прогнозировании природных явлений в труднодоступных районах земного шара или при проектировании мер борьбы с неблагоприятными условиями окружающей среды — вечной мерзлотой, сейсмичностью и т. д.

Изучение карт аналогов распространяется теперь за пределы земного шара, в частности получило признание в планетологии. Картографический анализ морфометрических показателей и статистических характеристик земных и лунных кольцевых структур, ориентировки систем линеаментов, общего распределения материков, океанов, морей обнаруживает сходства в строении этих двух тел. При (всем различии геологического развития Земли и Луны морфологическое подобие форм их рельефа может служить основанием для прогноза внутреннего строения, состава и генезиса лунных образований.

Преобразование картографического изображения заключается в получении производных карт, специально предназначенных и удобных для анализа с конкретными целями. Этот способ использования карт требует от исполнителей специальной картографической подготовки и, вообще, связан с переработкой имеющихся карт строго в рамках выполняемого исследования. Например, составление по гипсометрической карте производных морфометрических карт (крутизны склонов, глубины и густоты расчленения), когда они предназначены для включения в научно-справочный комплексный атлас и могут быть использованы для решения многих задач, относится к картографированию вообще. Но сходные преобразования гипсометрической карты для целей конкретного исследования принадлежат картографическому методу, например, для прогнозирования процессов эрозии, когда карта крутизны склонов непосредственно выделяет участки, где смыв практически отсутствует, где распашка опасна, и т. д.

В общем преобразование карт при картографическом методе исследования состоит в переработке исходной модели ради ее упрощения или, напротив, дополнения для введения в модель новых показателей и характеристик, лучше удовлетворяющих интересы конкретного исследования. Процесс такого преобразования может оказаться многоступенчатым. Так, карту крутизны склонов, полученную по карте с горизонталями, можно подвергнуть новым переработкам, чтобы получить карты экспозиции и солнечной освещенности склонов.

Задачи преобразования различны:

· упрощение карт посредством сохранения на них только тех элементов или показателей, которые полезны для конкретного анализа, например сохранение на карте крутизны склонов только тех градаций крутизны, которые интересны для сельского хозяйства (выделяют участки, где смыв практически отсутствует, где распашка опасна и т. д.) либо в дорожном строительстве и т. п.; переход к обобщенным изображениям, отражающим главные черты объектов (например, замена реальных горизонталей схематизированными, проведенными касательно к первым на линиях основных водоразделов, в результате чего на карте выступают крупные первичные формы рельефа и устраняются наложенные формы эрозионного и денудационного расчленения);

· введение в карты новых показателей, лучше удовлетворяющих интересы проводимого исследования, например замена абсолютных величин относительными показателями, облегчающими сопоставление явлений разной размерности; скажем, переход от значковой карты размещения населения и карты с ареалами пашен к картограммам плотности населения и распаханности земель, рассчитанным по общей сетке территориального деления;

· замена одних способов изображения другими, более удобными для сравнительного анализа (например, переход к изолиниям на картах стока, упрощающим сопоставление этих карт с картами осадков и испарения и последующее суждение о водном балансе).

Весьма распространен переход от способов непрерывного (континуального) отображения пространства к дискретным и наоборот. Перевод непрерывного изображения в дискретное состоит в определении и фиксации показателей непрерывного явления — количественных или (и) качественных (например, глубин и грунтов морского дна) в некоторой сети точек, которая может быть регулярной или избирательной, намечаемой с учетом особенностей размещения явления, в частности его максимумов и минимумов. Такой переход необходим для получения выборочных данных при математико-статистическом анализе явлений и вообще при автоматизированных способах исследования.

Переход к непрерывному изображению дискретных явлений состоит в применении для них картограмм или псевдоизолиний, характеризующих плотность явлений или интенсивность их количественных характеристик (например, запасов природных ресурсов, объемов или: стоимости произведенной продукции и т. п.). Псевдоизолинии предпочтительны при плавном изменении показателей. Изолинейные карты плотности строят по точкам — центрам площадок постоянного размера (при данном преобразовании), в пределах которых посредством палеток исчисляют среднюю плотность или интенсивность исследуемого явления. Такими площадками могут быть ячейки сплошной регулярной сетки, ячейки перекрывающейся регулярной сетки и частично покрывающие карту ячейки дискретной сетки — регулярной, случайной (устанавливаемой по таблице случайных чисел) и избирательной, учитывающей своеобразие размещения явлений. Заметим, что изменение вида сетки и, главное, размера ее ячеек может сильно влиять на рисунок псевдоизолиний. Увеличение площади ячеек ведет к сглаживанию «рельефа», передаваемого изолиниями, т. е. к стиранию контрастов в размещении дискретных явлений. Вообще говоря, размер ячеек сообразуют с величинами изучаемых структур и детальностью преобразуемой карты. Увеличение ячеек как бы связано с переходом к отображению структурных единиц более высокого порядка.