Существующие проблемы. 
Картографические проекции в ГИС

Основные линии использования катр. 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 обьгденность 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.

Обобщая многообразие линий практического и научного использования карт, можно выделить следующие основные направления: общее ознакомление с местностью по картам и вообще с изображенными на картах явлениями и объектами — с их пространственным размеще нием, сочетаниями, связями, свойствами и особенностями (чтение карты, иногда с элементарными измерениями);

• 1. ориентирование по картам, т. е: применение карт в качестве путеводителей на местности;
• 2. использование карт в качестве основы для инженерного проектирования и строительства; транспортного, гидротехнического, градостроительного, сельскохозяйственного и т. д.;
• 3. применение карт для районных планировок, разработки и осуществления планов развития народного хозяйства и культуры, а также в целях рационального природопользования;
• 4. применение карт для научного описания, анализа и познания явлений — картографический метод исследования.

В этом многообразии применения карт можно различать их три основные функции: коммуникативную — по хранению и передаче пространственной информации; оперативную, связанную с непосредственным решением различных практических задач (например, по навигации, управлению сельским хозяйством и т п), познавательную — для пространственных исследований явлений природы и общества и приобретения о них новых знаний.

Успех коммуникативной функции карт во многом зависит от избранных для них способов изображения и знаковых систем, а также опыта в чтении карт, приобретаемом при изучении топографии, картоведения, тематических разделов картографии и, конечно, в процессе практической деятельности. Методика оперативной работы с картами устанавливается специалистами, прибегающими к помощи карт, но картограф, готовящий эти карты, должен знать предъявляемые к ним требования. Методы использования карт как средства познания 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 разработку общих вопросов картографического метода исследования правильнее отнести к интересам картографической науки (подобно тому, как разработка и совершенствование математического метода, широко используемого многими науками, принадлежат математикам).

Суть картографического метода состоит во включении в процесс исследования действительности промежуточного звена географической карты как 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. Ярким примером подобных явлений могут быть географические закономерности глобального масштаба. Полученные таким образом (по картам) выводы и знания относятся к соответствующим объектам действительности.

При картографическом методе исследования важно не только использовать «статический потенциал» карты, т. е. сумму зафиксированных в ней знаний, но и мобилизовать ее «динамический потенциал» — возможность расширения знаний в результате индуктивных и дедуктивных умозаключений.

В основе картографического метода исследования лежит более широкое представление о картографическом методе познания. Последний можно пояснить схемой на рис. 12, на котором выделены четыре последовательные стадии картографирования и использования карт:

• 1) получение информации И1 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) использование полученной информации с привлечением имеющихся у исследователя, знаний и опыта для формирования представления Д2 о моделированной в виде карты части реального мира. Очень важно, что на 2-й, 3-й и 4-й стадиях происходит не только отключение излишней информации, но вместе с тем приобретение новых знаний в результате обработки информации, а также индуктивных и дедуктивных умозаключений.

В самом деле, изготовление карты дает новый пространственный образ действительности; его анализ способами картографического метода исследования приносит дополнительную информацию об отображенных на карте явлениях. Наконец, интерпретация информации на основе ранее приобретенных знаний и опыта способствует дальнейшему обогащению представлений о размещении, состоянии, взаимосвязях и динамике исследуемых явлений.

Таким образом, составление и использование карты расширяет информацию сверх той, которая привлекалась к составлению карты.

Рис. 12. Схема картографического метода познания действительности.

Например, топограф может построить горизонтали по высотным отметкам, а геоморфолог использовать изображение в горизонталях для выводов о морфологии и генезисе рельефа. Именно возможность получения по картам новых знаний лежит в основе использовании карт как средства научного исследования, в частности при разработке гипотез, прогнозов, рекомендаций и т. д. Математическая теория информации, по которой И2 (информация на выходе из канала коммуникации) всегда меньше И1 (вводимой информации), неприменима для понимания коммуникативной функции карт.

Схема на рис. 12 иллюстрирует простейший путь картографического познания, при котором 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 новых знаний о картографируемых явлениях.

Таким образом, в картографическом методе познания действительности закономерно различать полевое и камеральное картографирование и исследование по готовым картам для получения новых знаний об исследуемой части действительности.

Внутреннее членение картографического метода познания действительности важно и в другом отношении: полевое и камеральное картографирование входят всецело в компетенцию профессиональных картографов и специалистов в соответствующих отраслях тематической картографии. Изучением же готовых карт как моделей действительности с целью познания этой действительности могут заниматься все потребители, для которых предназначаются конкретные карты. Именно это применение карт для получения новых знаний о действительности и рассматривается далее в качестве картографического метода исследования.

Основные способы анализа при картографическом методе исследования.

Применение картографического метода исследования основано на работе с картами как пространственными моделями действительности. Для изучения явлений по их изображениям на картах используются различные способы анализа, среди которых распространены: визуальный, картометрические исследования, графический, математико-статистический, математическое моделирование, приемы теории информации и др.

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 непосредственный 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 особенность форм и своеобразие пространственного рисунка явлений (например, округлые или лопастные очертания озер, древовидную или решетчатую конфигурацию гидрографической сети, пятнистость почв и т. п.); сопоставить величины показанных объектов (например, соотношение промышленных пунктов по стоимости валовой продукции); установить закономерности размещения (например, зональность растительного покрова), места сходства и границы контрастов; 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 изучаёмыми явлениями.

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. Специально для визуального анализа предлагаются новые варианты уже известных способов изображения, облегчающие восприятие исследуемых явлений, изыскиваются приемы объективизации визуального анализа и т. д.

В качестве примера одного из приемов оформления, специально разработанного для визуального анализа, укажем на применение для картодиаграмм и картограмм кружков переменной величины, помещаемых в вершинах густой сетки квадратов. Такие изображения получают автоматически по статистическим данным, нанесенным на перфокарты, и печатаются в один цвет. Размер кружков и особенно затенение (доля черного), создаваемое сетью кружков, дают наглядное представление о различиях в интенсивности или абсолютной величине, что позволяет визуально районировать территорию. Цель таких карт — перевод статистических таблиц в наглядный, запоминающийся образ, облегчающий анализ, явлений их районирование.

Картометрические исследования заключаются в измерении и исчислении по картам количественных характеристик явлений с оценкой точности получаемых результатов. Определения координату расстояний, длин, высот, площадей, объемов, углов, уклонов и других топографических характеристик, теория и практические приемы этих определений 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. Примером этому служат картометрические определения по советскому Атласу Антарктики (1966), таких характеристик Антарктиды, как площадь материка, средняя высота ледяной и коренной поверхности, объем и средняя мощность ледникового покрова, позволившие прийти к новым представлениям о влиянии льдов Антарктиды на изменения уровня Мирового океана.

Графический анализ заключается в исследовании различных 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 (например, тектонических разломов) и т. п. Их часто применяют для наглядного представления о размещении явлений в иных плоскостях, чем горизонтальная, а именно в вертикальное плоскости посредством профилей и разрезов, в наклонной плоскости в виде блок-диаграммы, сочетающей 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.

Математическое моделирование состоит в создании пространственных математических моделей явлений или процессов по исходным данным, взятым с карт. Принципиальная возможность применения этого способа анализа карт определяется тем, что многие явления и процессы, изображаемые на картах, либо связаны между собой функциональными зависимостями, либо могут рассматриваться как функции пространства и времени. Распространенный прием моделирования заключается в составлении уравнений поверхностей — реальных (например, земного рельефа, поверхности погребенных пород определенного геологического возраста и т. п.) или абстрактных (годового слоя осадков, плотности населения, урожайности и др.) с целью последующего исследования этой модели для интерпретации и объяснения явлений. Этот способ анализа карт первоначально получил распространение в геофизике и климатологии при исследовании пространственных закономерностей и динамики гравитационных, магнитных, барических и температурных полей. Затем он нашел применение при анализе геоморфологических поверхностей выравнивания, плотности городского и сельского населения, сетей обслуживания и других природных и социально-экономических явлений.

При сложности моделируемых явлений, обязанных воздействию множества факторов (в том числе неизвестных), их «поверхности» заменяются приближенными (аппроксимирующими), выражаемыми в математической форме аппроксимирующими функциями, которые обычно представляют в виде разложений. Неизвестная функция.

z=f (u, v), (4).

где.

u b v — координаты точек на карте в любой системе координат (х, у; ц, л и т. д.), например, записывается в виде степенного ряда.

z=f (u, v) =A +Bu+ Сv+Du2+Еuv +Fv2+Gи3+Нu2v+. +Тumvm (5).

с неизвестными коэффициентами А, В, С,. Для определения этих коэффициентов решается система уравнений (5), число которых равно или превышает число искомых коэффициентов (в последнем случае с привлечением способа наименьших квадратов). Значения z, u и v для составления отдельных уравнений берутся непосредственно с карты, например в вершинах квадратной сетки. 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, возможно, выполнить также посредством тригонометрических рядов Фурье или, что особенно удобно для практических целей, в виде суммы произведений ортогональных многочленов П. Л. Чебышева.

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

Приемы математической теории информации находят применение для объёктивной оценки по картам пространственной однородности (или дифференциации) явлений и их взаимного соответствия. Основная функция теории информации — энтропия используется как показатель неоднородности картографического изображения (не однородности геоморфологического строения, почвенного или растительного покрова, структуры угодий, расселения и т. п.) и, следовательно, как показатель пространственных различий явлений. При этом энтропия может подсчитываться не только для явлений, характеризованных на карте в числовой форме, но также для лишенных количественных характеристик, например для растительных сообществ, ареалов животных и т. п.

Проведенный выше раздельный обзор основных способов анализа, используемых в картографическом методе исследования, позволяет яснее видеть пути его применения. Но в практике обычно совместное применение различных способов. 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 способов не только обогащает методику работы, но и расширяет возможности картографического метода.

Некоторые способы анализа (визуальный, графический, картометрический) имеют длительную историю, но математические способы, требующие сплошь и рядом обширных вычислений, оказались реальными лишь после внедрения электронно-вычислительных машин в практику картографического метода. Новая вычислительная техника преимущественно применяется для автоматической обработки данных снятых с карты «ручным» способом, например для решения системы уравнений, полученных в результате ручных измерений по карте.

Вместе с тем для успешного использования любого способа, особенно математического, необходимы анализ, истолкование и контроль получаемых результатов, их содержательная (географическая) интерпретация. Взаимосвязанное применение способов облегчает решение этой задачи.

Современный этап в автоматизации картографического метода исследования состоит в разработке устройств, позволяющих автоматизировать получение по картам исходных данных для передачи их в электронно-вычислительные машины, либо автоматических устройств, полностью решающих конкретные задачи картографического метода, например по автоматическому определению площадей по картам.