Методы анализа, систематизации и обобщения географической информации

Описание. Под географическим описанием понимается упорядоченная характеристика территории, а также теоретическое обобщение полученного материала, т. е. систематизация, объяснение и построение теории. Дескриптивная (описательная) стадия в развитии географии является самой продолжительной по времени. В ней можно выделить два основных этапа — инвентаризация материала и его систематизация. На этапе инвентаризации происходило накопление первичной информации путем прямых эмпирических наблюдений, которые затем обобщались при помощи маршрутных наблюдений. Описание на этом этапе носило, как правило, дискретный характер как во временном, так и в территориальном аспекте. По мере накопления географической информации возникла необходимость в ее систематизации. Для этой цели стали осуществляться сплошные статистические обследования конкретных территорий, составлялись карты экономико-географической тематики. Для обработки собранных материалов все шире стали применяться методы классификации и типологии, элементарных статистических расчетов. При географическом описании большое значение имеет выявление специфического, уникального в объектах исследования на основе как интуитивного, так и точного статистического сопоставления.

Сравнительно-географический метод заключается в выявлении черт сходства и различия между исследуемыми объектами. Он используется для сопоставления социально-экономических систем во времени и пространстве, при анализе результатов хозяйственной деятельности, развития населения, сферы обслуживания и др. Значение этого метода в социальной и экономической географии чрезвычайно велико, так как он позволяет, по сути, заменить эксперимент, использование которого крайне ограничено в социально-географических исследованиях. Сравнение обследуемых объектов производится по их сходству или, наоборот, контрастности. При этом для каждого конкретного исследования должны быть четко определены цель, задачи, принципы и средства сравнения. Сравнительный метод широко используется для выявления условий и факторов, влияющих на развитие географических объектов, типологии и классификации изучаемых процессов и явлений, а также для прогнозирования. Он позволяет раскрыть наиболее общие свойства географической оболочки, служит средством познания ее структуры, характера функционирования, динамики и развития.

Географическое сравнение применяется для отображения качественных и количественных характеристик экономико-географических объектов и процессов. Сравнение географических объектов производится по составу, структурным связям, генезису, типу функционирования. Это необходимо для установления закономерностей территориальной организации общества, особенностей функционирования и развития геосистем. Достоверность результатов, полученных в результате сравнения, основана на соблюдении следующих логических правил:

• • сравнивать можно только одномасштабные объекты (например, экономические районы одного иерархического ранга);
• • сравнивать следует только однопорядковые признаки и характеристики географических объектов, процессов и явлений;
• • сравнивать предметы надо сначала по таким признакам, которые имеют существенное значение, а затем по второстепенным;
• • при сравнении необходимо анализировать объективные условия функционирования и развития сравниваемых объектов: природные условия, обеспеченность ресурсами, уровень экономического развития региона, вовлеченность в территориальное разделение труда и др.

Историко-географический метод. Для понимания современной территориальной организации общества большое значение имеет изучение истории развития экономико-географических объектов. Для этого используется историко-географический метод исследования. Его сущность заключается в исследовании всех изменений экономико-географических объектов, относящихся к разным историческим эпохам. Он позволяет выявить, как происходило возникновение, становление системы, и наметить пути се дальнейшего развития. С помощью этого метода можно проследить, например, как изменялась экономика определенного района, система расселения, выявить основные этапы хозяйственного освоения территории. Один из подходов в рамках исторического метода — диахронический: изучение истории экономико-географических объектов с момента их образования до настоящего времени. Его применение начинается с выяснения генезиса объекта, который определяет многие современные черты территориальных систем, затем следует изучение стадий их развития, выявление общих тенденций изменения, ведущих факторов, вызывающих эволюцию геосистем.

Картографический метод широко используется в экономико-географических исследованиях. Это не только способ выявления пространственных закономерностей, но и часто — конечная цель исследования. Географическая карта представляет своеобразную модель реальной территории. Построение и использование карты включает следующие этапы: сбор информации; се обработка и создание карты; анализ карты для получения новой обобщенной информации и применение картографических материалов для выявления закономерностей функционирования территориальных систем и прогнозирования их дальнейшего развития.

В социально-экономической географии применяются следующие методы анализа карт:

• 1) визуальный анализ для выявления закономерностей размещения географических объектов и анализа факторов, территориально дифференцирующих население и хозяйство;
• 2) измерение расстояний, площадей, плотности явлений, анализ систем расселения и типологии;
• 3) графический анализ для выявления пространственных закономерностей изменения социально-экономических явлений и процессов;
• 4) статистический анализ, используемый для сопоставления природных и социально-экономических явлений;
• 5) анаморфирование (преобразование) карт для лучшего отображения тех или иных социально-экономических явлений. В анаморфозы (картоиды) наряду с географическими координатами входит и сам показатель, характеристика (например, численность населения, площадь территории и др.);
• 6) математико-статистический анализ для выявления количественных зависимостей и взаимосвязей социально-экономических территориальных систем.

Суть картографического метода заключается в исследовании экономико-географических объектов, процессов и явлений по изображениям на карте. Для этого используются такие способы анализа карт, как описание, графические и графоаналитические приемы и математико-картографическое моделирование (рис. 2.2).

Картографическое описание — это качественная характеристика явлений, изображенных на карте, с целью выявления изучаемых объектов, особенности их размещения и взаимосвязи. При этом широко используется визуальный анализ карт, который позволяет определить формы явлений, размер объектов, территориальную и отраслевую структуру хозяйства, особенности размещения экономико-географических объектов и их взаимоотношения.

Рис. 2.2. Приемы анализа карт (по А. М. Берлянту).

Графические приемы анализа карт заключаются в использовании социально-экономических карт для построения профилей, графиков, эпюр, диаграмм и т. п. для создания многомерного образа исследуемого объекта.

Графоаналитические методы предназначены для измерения и исчисления по картам количественных показателей размеров, формы, структуры объектов. В социально-экономической картографии эти методы используются для определения показателей территориальной концентрации населения и хозяйства, анализа плотности и соседства, концентрации и дифференциации географических объектов, оценки равномерности и плотности сетей расселения и обслуживания, транспортной инфраструктуры.

Математико-картографическое моделирование представляет собой сочетание математических и картографических моделей для построения новых карт и расширения области их применения в исследовательских целях.

Геоинформационные методы опираются на анализ информационных потоков, которые возникают в предметных областях наук о Земле (рис. 2.3). Это позволяет усилить междисциплинарные связи и способствует развитию теоретических и методических основ географии как естественнонаучной базы решения проблем взаимодействия общества и природы.

Рис. 2.3. Предмет и метод геоинформатики (по С. Н. Сербенюку):

А — предмет геоинформатики: пространственно-временны?е информационные потоки геологической и географической среды; Б — метод геоинформатики: пространственно-временно?е информационное моделирование: ММ математические модели; ИМ — имитационные модели; БД — банки данных; БЗ — банки знаний; КМ — картографические модели; ФМ — фотометрические модели; МИИ — модели искусственного интеллекта В социально-экономической географии информационные технологии проявляются в виде геоинформатики и географических информационных систем (ГИС).

Геоинформатика — научная дисциплина, изучающая геосистемы (их структуру, связи, динамику, функционирование в пространстве-времени) посредством компьютерного моделирования, а также ГИС-технологии сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения пространственной информации для решения задачи управления геосистемами различного иерархического уровня и территориального охвата.

Географические информационные системы представляют собой особые информационные системы, осуществляющие сбор, обработку, хранение, отображение и распространение географических данных, а также данных непространственного характера. Главное назначение ГИС — обеспечение процесса принятия решений по оптимальному управлению природными ресурсами, организации промышленности, сельского хозяйства, транспорта и розничной торговли и других пространственных объектов. Для выполнения своего назначения информационная система должна иметь полный набор функциональных возможностей, в том числе наблюдение, измерение, описание, интерпретацию, прогноз, принятие решений.

Благодаря ГИС произошла революция в средствах накопления, обработки и выдачи географической информации, что обусловлено двумя сопряженными факторами — достижениями техники и резко возросшим объемом запросов к географии. Был пройден путь от создания баз данных по отдельным регионам и прикладным направлениям отраслей географии до формирования ГИС-технологий, позволяющих решать как прикладные (обеспечение менеджмента), так и теоретические задачи (прогнозное и ретроспективное моделирование, электронное картографирование и т. д.).

Первые географические информационные системы были созданы в 1960;х гг. в США и Канаде. В настоящее время существует огромное множество областей применения ГИС, и их количество постоянно расширяется. В каждой из прикладных областей существуют свои специфические потребности и своя специфическая терминология, своя история внедрения ГИС-технологий. На начальном этапе эти технологии развивались в значительной степени независимо в разных прикладных областях. В этом одна из причин того, что сегодня в мире насчитывается множество коммерческих пакетов программ для работы с ГИС, их функции часто в значительной степени совпадают, но при этом используется различная терминология для обозначения одинаковых или сходных функций и элементов моделей данных.

ГИС используются для переработки геоинформационных потоков, которые формируются в пределах географической оболочки и геологической среды и представляют собой информационное отражение системы объектов географического и геологического изучения. В структурном отношении ГИС состоят из: 1) системно организационных полиструктурных баз (банков) данных и знаний с необходимым качеством динамичности, т. е. способности к быстрой переработке и непрерывному обновлению, отражающих все изменения, происходящие в реальном объекте; 2) системно организованных множеств различных моделей, алгоритмов и программ для переработки (анализа-синтеза) и преобразования данных в семантическую пространственную информацию нового качества в соответствии с определенными концепциями; 3) интерфейсов установленного доступа к системе с учетом избранной технологии.

Выделяют также следующие блоки ГИС: территориальный (ввод и пространственная организация данных), отраслевой (база тематических данных) и программный (система управления базами данных и аппаратнопрограммное обеспечение операций математико-картографического моделирования и картографического воспроизведения информации). Большинство современных ГИС имеют несколько подсистем:

• 1) обработки данных, предназначенную для получения данных (с карт, изображений или в ходе полевых исследований), ввода данных (создание цифровых баз данных), их хранения (как часто они используются, как их следует обновлять, являются ли они закрытыми);
• 2) анализа данных, включающую поиск и анализ (от простых ответов на запросы до сложного статистического анализа больших массивов данных), вывод информации в виде карт, таблиц, графиков и т. д.;
• 3) использования информации — пользователями являются научные работники, специалисты по планированию, управляющий персонал;
• 4) управления, предоставляющую услуги, но составлению баз пространственных данных и их анализу.

В настоящее время в мире функционируют тысячи ГИС, активно используемых во всех сферах человеческой деятельности. Вот лишь основные области применения ГИС-технологий в социально-экономической географии:

• • управление земельными ресурсами, земельные кадастры;
• • инвентаризация и учет объектов распределенной производственной инфраструктуры;
• • проектирование, инженерные изыскания и планирование в градостроительстве, архитектуре, промышленном и транспортном строительстве;
• • тематическое картографирование практически в любых областях его применения;
• • навигация и управление движением наземного транспорта, дистанционное зондирование;
• • управление природными ресурсами (водными, лесными и т. д.);
• • моделирование процессов в природной среде, управление природоохранными мероприятиями;
• • мониторинг состояния окружающей среды, реагирование на чрезвычайные ситуации;
• • геология, минерально-сырьевые ресурсы и горнодобывающая промышленность;
• • планирование и оперативное управление перевозками;
• • комплексное управление и планирование развития территории города;
• • сельское хозяйство.

Географические информационные системы связаны с задачами различных видов: 1) с задачами учетно-инвентаризационного типа, когда главное внимание уделяется данным и измерениям (например, задачи земельного кадастра или управления распределенной производственной инфраструктурой большого предприятия); 2) управления и принятия решений; 3) моделирования и сложного анализа данных. Первый тип задач имеет наибольшее значение хотя бы в силу того, что на него приходится максимальное число реализованных и находящихся в режиме эксплуатации систем, в том числе крупнейшие по числу пользователей и объемам собранных данных. Использование ГИС в качестве информационно-справочных систем также широко распространено в обучении. Отметим, что независимо от того, применяются ли при работе с данными мощные аналитические процедуры и сложные запросы, ГИС очень часто выступают в качестве средства поддержки принятия решений. Достигаемая здесь эффективность, даже при минимальных средствах, доступных геоинформатике, часто очень высока за счет наглядности картографической визуализации информации и удобства доступа к информации.

Источником информации для ГИС служат карты, данные дистанционных исследований (изображения, полученные с самолетов и спутников, результаты дистанционного зондирования, позволяющие с минимальными затратами получить и обработать данные для любого района земного шара, кроме того, есть возможность их постоянного обновления), землемерной съемки.

Для классификации ГИС существуют различные основания. В зависимости от назначения и проблемной ориентации ГИС подразделяются на программно-ориентированные, многоцелевые и интегральные. Программно-ориентированные ГИС предназначены для решения задач определенного типа и уровня. Среди них выделяются ресурсные (полезные ископаемые, земельные и биологические ресурсы, промысловые животные и рыбы, трудовые ресурсы и др.), социально-экономические (население, промышленность, сельское и лесное хозяйство, обслуживание населения), муниципальные (городское планирование, проектирование и строительство, кадастр, коммунальные службы, торговля и др.), картографические (составление и обновление карт, картографический анализ), а также учебные, библиографические, информационно-поисковые ГИС. Многоцелевые ГИС способны комплексно решать задачи разного типа (экономические, социально-политические, экологические и др.). Интегральные ГИС создаются на основе синтеза данных дистанционного зондирования и картографических, интегрируют разновременные данные, архивные документы, материалы аэрокосмических съемок и т. д.

По пространственному охвату ГИС делятся на глобальные, общегосударственные (национальные), региональные, муниципальные, локальные.

По тематической ориентации они подразделяются на общегеографические, отраслевые, в том числе водных ресурсов, использования земель, лесопользования, туризма, рекреации и др.

Особенно велико значение ГИС в картографии, где формируется новое научное направление — геоинформационное картографирование. По определению А. М. Берлянта, это отрасль картографии, занимающаяся автоматизированным составлением и использованием карт, информационно-картографическим моделированием природных и социально-экономических систем на основе ГИС и баз географических данных.

Надо заметить, внедрение геоинформационных технологий способствовало развитию геоинформационного картографирования, сущность которого заключается в информационно-картографическом моделировании природных и хозяйственных территориальных систем на основе цифровых баз данных, ГИС-технологий и географических знаний.

Главными предпосылками формирования геоинформационного картографирования как научного направления, по мнению А. М. Берлянта, являются развитие геоинформатики; практическая потребность в картографическом обеспечении принятия решений; внедрение в картографию компьютерного картосоставления; интеграция теоретических концепций картографии на основе геоинформационной концепции; создание и внедрение в науку и практику новых видов картографических изображений.

Сущность геоинформационного картографирования заключается в математико-картографическом моделировании природных и хозяйственных геосистем на основе баз (и банков) данных, ГИС-технологий и географических знаний. Это направление формируется на пересечении таких областей знания, как автоматизированное и системное картографирование, а также дистанционных методов и геоинформационных систем. Оно включает в себя основные аспекты составления, редактирования, издания и использования картографического материала, автоматического создания карт на основе обработки данных дистанционного зондирования.

Геоинформатика является перспективным и стремительно развивающимся научным направлением. В ближайшие годы все отрасли географических знаний будут развиваться под сильным воздействием геоинформационных технологий, компьютерной обработки пространственной информации, расширится использование глобальных телекоммуникационных сетей. Во многих странах мира геоинформатика и геоинформационные методы рассматриваются как магистральные направления, способствующие интеграции всей системы географических наук.