Картографический метод исследования

 

Рисунок 7 - Преобразование картограммы плотности населения Алтайского края (а) в анаморфозу (б), на которой площадь каждого подразделения территориальной сетки пропорциональна численности населения

 

Анаморфозы не позволяют восстанавливать по деформированным изображениям реальные значения длин, площадей или других пространственных характеристик и потому не принадлежат к картографическим моделям (от которых заимствуют язык и широкое использование абстракций). Реальные пространственные очертания, но их нередко заменяют абстрактными геометрическими фигурами, лишь в самой общей форме отражающими взаимное размещение сопоставляемых явлений. При размещении подобных фигур в ряд по ранжиру величин теряется топологическое соответствие, но облегчается зрительное сравнение величин.

Реальные пространственные очертания представлены на рисунке 8

Рисунок 8 - Анаморфоза и диаграмма населения СССР по союзным республикам

 

Заметим также, что для простых топологических моделей не обязательно выполнение по картам. Таковы, например, помещенные в вагонах метро прямолинейные схемы отдельных линий, показывающих только последовательность станций и места пересадок. Ранее преобразование карт в анаморфозы ограничивалось сложностью и субъективностью этого процесса. Теперь предложена методика математического расчета преобразования на ЭВМ и автоматизированного построения на графопостроителе. Высказываются мнения, что анаморфозы найдут большее применение для наглядной иллюстрации географических отношений и будут использоваться в целях прогноза, например развития диффузионных процессов.

1.5 Применение картографического метода в научных исследованияхографический исследование

Картографический метод находит разнообразное и эффективное применение во многих естественных и социально-экономических науках. Они обращаются к нему при теоретических исследованиях и при практической разработке проблем рационального природопользования, охраны окружающей среды, планирования и управления, комплексного развития республик и регионов, а также многих других. Специфика же использования метода различными науками, определяемая их предметом и задачами, а также особенностями комплексирования картографического метода с особенностями методами конкретных наук, рассматривается в соответствующих отраслях тематической картографии, например геоморфологической, геоботанической, экономической, населения и др. Иногда визуальный анализ достаточен, чтобы установить общие закономерности размещения, но чаще он образует вводную часть исследования. Картометрические работы позволяют подкрепить, уточнить и детализовать первоначальные выводы количественными характеристиками. Например, общие представления о распределении земельных ресурсов сельского хозяйства, получаемые при анализе почвенных карт, могут быть конкретизированы посредством измерения площадей. Переработка карт может заметно усиливать, как бы обнажать изучаемые закономерности. Например, во втором томе Морского атласа (1958) трансформация мировых карт средних годовых температур января и июля в карты их уклонений от средних температур на соответствующих широтах отразила ярче влияние материков, теплых и холодных течений на глобальное распределение температур. Одной из интересных и широко известных теорий нашего века стала теория центральных мест, выдвинутая немецким ученым В. Кристаллером и в последующем развитая А. Лешем. Данная теория, возникшая в результате анализа карт, устанавливает порядок во взаимном расположении сети крупных и мелких населенных пунктов в виде правильных геометрических сетей в пространстве. Суть теории центральных мест В. Кристаллер описал следующим образом: «Я соединил на карте прямыми линиями города одинаковых размеров... При этом карта заполнялась треугольниками, часто равнобедренными; расстояния между городами одинаковой величины были приблизительно равны и образовывали шестиугольники. Я установил, что в Южной Германии маленькие города очень часто и очень точно расположены на расстоянии 21 км один от другого... Было ясно, что я для своего регионального исследования создал общую теоретическую схему... Я прежде всего создал, как теперь говорят, абстрактную экономическую модель, хотя в действительности ее нигде нельзя встретить в чистой форме. Горы, различия в почвах, разная плотность населения, условия дохода, социальная структура населения, историческое развитие и политические факторы вносят отклонения в эти модели». Поиск географических закономерностей на основе теории центральных мест и ее практические подтверждения породили множество интересных направлений. В качестве иллюстрации приведем упрощенную схему теоретических ландшафтов Леша — достаточно гибкую конструкцию, учитывающую не только пространственный порядок, но и возможности вариаций функционального назначения пунктов одного ранга.

 

 

 

 

Схема теоретических ландшафтов Леша представлена на рисунке 9

Рисунок 9 - Упрощенная схема теоретических ландшафтов Леша с системами шестиугольных сетей (по Хаггенсу)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исследование по картам представлено на рисунке 10

 

              1   - песчаники и кварциты;

3. - сланцы;
4. - глины;
5. - мергель;
6. - пески;
7. - известняк;
8. - мел;
9. - глинистые известняки;

9 - граниты

Рис. 10. Исследование по картам зависимости густоты гидрографической сети от геологического строения местности: а - карта гидрографической сети юго-восточной части Парижского бассейна и западных склонов б - геологическая карта того же района;

 

Переработка карт лесов, кормовых угодий, полезных ископаемых и т. д. (показывающих явления в их действительном дискретном размещении) в географически менее точные карты «полей плотности» (в псевдоизолиниях) выявляет отчетливее тенденции территориального нарастания или убывания ресурсов. Наглядность и обзорность карт также благоприятны при обращении к задачам большей сложности - к изучению структуры явлений, т. е. образующих эти явления элементов, их расположения, взаимосвязей, соподчиненности. Уже простейшая гидрографическая карта (рис. 10, а) показывает строение речной сети, резкие контрасты в ее густоте, соподчиненность рек. Топографические карты незаменимы для изучения взаимоотношений между гидрографической сетью, рельефом и растительностью, а также для выяснения влияния природных условий на сельское расселение, проложение дорожной сети и т. п. Внимательного изучения топографической карты нередко достаточно, чтобы усмотреть зависимость размещения лесов от рельефа, например по мелким западинам или котловинам (колки в Западной Сибири), узкими полосами по долинам в безлесных областях (галерейные леса) и т. п. Исследование пространственных взаимосвязей, составляющее кардинальную задачу многих наук о природе и обществе, принадлежит к наиболее сильным сторонам картографического метода. Оно распространяется на изучение как внутренних, так и внешних связей, на выявление силы связей, их пространственной изменчивости и ведущих факторов, что необходимо для познания функционирования и развития геосистем. Пределы исследований и выводов о взаимосвязях явлений расширяются при совместном анализе карт разного содержания, особенно входящих в комплексное картографирование. Очень плодотворно сопоставление топографических карт с отраслевыми тематическими картами: геологическими, почвенными, геоботаническими и др. Например, анализ природных взаимосвязей по топографической и почвенной картам, скажем, в условиях Алтайского края, позволяет установить приуроченность многих почвенных контуров к элементам рельефа: солонцов и солончаков - к приозерным понижениям, лугово-черноземных почв - к днищам балок и долин, аллювиальных почв - к речным поймам и т. п. Эта приуроченность находит отражение и в закономерном рисунке почвенных контуров: у солонцов и солончаков - округлых, совпадающих с границами староозерных котловин, у лугово-черноземных почв - сходных с очертаниями горизонталей, и т. д.

Другой пример - исследование по картам зависимости густоты гидрографической сети от геологического строения местности в пределах одной климатической зоны. Например, резкие контрасты в густоте речной сети в юго-восточной части Парижского бассейна и на западных склонах Вогезов (рис. 10, а) находят полное объяснение на геологической карте (рис. 10, б): разреженная сеть хорошо совпадает с районами распространения водопроницаемых горных пород, в частности известняков и мела. Еще одну иллюстрацию дает рис. 6, где визуальное сопоставление подкреплено построением и совмещением звездных диаграмм. Очень важно, что карты предоставляют хорошие возможности для изучения взаимосвязей явлений, непосредственно в натуре не наблюдаемых, например гео- и гидрохимических условий территорий и заболеваемости населения от недостатка или избытка определенных химических элементов и соединений. Совместный анализ двух или нескольких карт хорошо выявляет полное или частичное совпадение явлений, их обратные соотношения, систематические смещения и т. п. Взаимосвязи элементов, изображенных на разных картах, нередко приобретают наглядность при графическом анализе - в результате построения совмещенной блок-диаграммы и особенно совмещенного профиля, например сочетающего рельеф, почвенный покров и растительность. С этой же целью иногда прибегают к преобразованиям картографических изображений. Например, переход к псевдоизолиниям дает наглядное представление о мере соответствия «полей плотности» и позволяет далее строить, совмещать и сопоставлять «профили плотности» исследуемых явлений (рельефа и лесистости, осадков и урожайности и т. п.). Использование карт для выяснения и количественной характеристики пространственных связей не представляет трудностей, когда эти связи строго функциональны (например, определение крутизны скатов по разностям высот). Задача осложняется, когда явление зависит от ряда других, т. е. определяется не одним, а несколькими факторами, или когда возникает (необходимость в количественной характеристике связей двух явлений, зависящих от нескольких условий, среди которых есть общие для обоих исследуемых явлений. Для количественной характеристики связей, не являющихся строго функциональными, прибегают к вычислению корреляционных зависимостей - коэффициентов корреляции или корреляционных отношений по выборкам конкретных значений исследуемых явлений, определяемых в идентичных точках карт этих явлений. При существенном изменении связей в пределах изучаемой территории коэффициенты корреляции определяются по клеткам регулярной сетки для последующего построения карты изокоррелят (линий равных значений коэффициентов корреляции) либо подсчитываются по ячейкам надлежаще выбранной сетки территориального деления (например, природного районирования) и оформляются в виде картограммы взаимосвязей. Географические карты с успехом используются для изучения динамики природных и общественных явлений - их движения, перемещения, развития, замены одних явлений другими и т. д. Эти изменения могут быть медленными (например, тектонические поднятия и опускания суши), быстротекущими (например, синоптическая обстановка), сезонными (например, ритмика природы), периодическими (например, обусловленными солнечной радиацией), эпизодическими или скачкообразными (часто связанными с замещением одних явлений другими, например в результате освоения целинных земель) и т. д. Есть два основных пути исследования динамики: создание карт, специально предназначенных для этой цели, и привлечение для этого уже существующих карт. В многообразии динамических карт можно выделить: Особенно многолико отображение территориальных, политических и экономических изменений на исторических картах.

Карта, совмещающая показ пространственного положения явлений для ряда последовательных моментов времени представлена на рисунке 11

 

Рисунок 11 - Изменение дельты р. Дуная с 1830 по 1980 г.

 

Другой путь исследования динамики явлений посредством использования уже существующих карт также разнообразен в своей реализации и видах привлекаемых карт. Один из употребительных способов исследования - сопоставление однородных карт, фиксирующих явления на разные моменты времени или эпохи. Вспомним мысль Ф. Энгельса о том, что «выразить движение в его противоположности, в покое, не представляет решительно никакого затруднения». Например, «статичные» карты Ленинграда на разные годы, начиная с 1705 г., помещенные в Историко-географическом атласе Ленинграда (1976), наглядно показывают исторический рост территории города и изменения в его административном устройстве. Очень продуктивно сопоставление разновременных топографических карт, по которым изучают: изменения в размещении сети поселений (связанные в условиях СССР с возникновением новых городов, рабочих и сельских поселений в процессе экономического развития территорий); перестройку и развитие дорожной сети; изменения в рельефе (например, при росте овражно-балочной сети), гидрографии (например, в положении дельт) и т. д.; изменения в растительном покрове (например, в размещении и площадях ласных массивов, болот и т. п.); общие изменения географического ландшафта и т. д. Часто подобное исследование разновременных карт не только открывает общие тенденции и закономерности процесса, но также позволяет определить его интенсивность, например среднюю скорость роста оврагов в районах развития эрозионных процессов, скорость наступания или отступания ледников и ее изменения и т. д. Круг исследований по изучению динамики природных и социально-экономических явлений посредством сопоставления разновременных карт расширяется при обращении к тематическим картам. В частности, такой прием очень эффективен для изучения эволюции природной среды и ее целенаправленного изменения (например, при мелиорации земель). Простое зрительное сопоставление карт создает лишь общее впечатление. Оно уточняется при совмещении рисунка сравниваемых карт и может быть подкреплено картометрическими определениями. Если анализируемые карты различны по математической основе, принципам и методике составления, может возникать необходимость в их предварительной обработке для приведения к сопоставимому виду. Для изучения динамики и взаимодействий широко и успешно используется анализ одновременных (или практически одновременных) карт взаимосвязанных явлений. Для этого весьма продуктивно обращение к сериям динамических карт, разрабатываемых как системы сопоставимых моделей, что обычно в комплексных атласах. Хороший пример дает Атлас океанов. Его карты последовательно и ясно раскрывают причины и взаимосвязи процессов, происходящих в атмосфере и Мировом океане. Например, карты теплового баланса позволяют понять факторы атмосферной циркуляции, в свою очередь обусловливающей морские течения, перенос ими тепла и, следовательно, воздействие на тепловой баланс и его изменения. Для определения зависимости процессов от географических условий анализируют карту интенсивности процесса и карты воздействующих факторов. Например, зависимость процесса эрозии от экспозиции, крутизны и длины склонов может быть установлена при сопоставлении карты размытости и густоты расчленения склонов с картами длин линий стока, углов наклона и распределения склонов по экспозиции, причем для этой зависимости можно найти количественное выражение. Другой пример - исследование по картам территориальной дифференциации и динамики урожайности сельскохозяйственных культур с привлечением карт воздействующих факторов (размеров производственных затрат, форм земледелия, агроклиматических и почвенных условий). Все способы изображения могут передавать динамику явлений, но некоторые из них специально предназначены для этой цели - знаки движения и многие изолинии - изохроны, изолинии равных изменений величин в определенные промежутки времени, изолинии равных перемещений и т. д. Их следует употреблять при преобразовании карт в форму, облегчающую анализ факторов динамики. Применение карт для предвидения явлений - их размещения, состояния в пространстве и изменения во времени - стало распространенным средством научного исследования, быстро расширяющим сферу своего применения. Под картографическим методом прогнозирования понимают использование карт для получения знаний о явлениях и процессах, в данное время недоступных непосредственному исследованию. Различают прогнозы пространственные, временные и пространственно-временные. Прогнозы распространения явлений на земной поверхности (или точнее, в географической оболочке) основываются на исследовании закономерностей размещения явлений на хорошо обследованных территориях и на интерполяции или экстраполяции обнаруженных закономерностей на пространства, еще не достаточно изученные. Часто прибегают к учету взаимосвязей и зависимостей явлений. Когда пространственные связи уяснены, например на эталонных участках, карта, показывающая размещение одного из взаимосвязанных явлений, может быть привлечена для определения мест или ареалов локализации другого явления вне эталонных участков. Характерный пример – прогнозно-металлогеничеекие карты, являющиеся переработкой геологических карт коренных пород, позволяющие показать, исходя из установленных закономерностей размещения рудных месторождений, их геологические факторы и далее наметить площади, перспективные в рудоносном отношении. Той же цели пространственного прогнозирования служат индикационные карты, которыми называют карты отдельных компонентов географического ландшафта, составляемые для прогноза других компонентов, непосредственно на карте не показанных и труднодоступных для непосредственного изучения. Идея карт исходит из представления о тесной взаимозависимости всех элементов природы. Например, получили признание геоботанические индикационные карты, на которых изображение растительности, хорошо реагирующей на изменения горных пород, почв, уровня подземных вод и т. д., служит индикатором. Такие карты готовятся для районов, где получение геоботанических карт посредством аэрофотосъемки проще и легче, чем создание других карт природы: геологических, почвенных, гидрогеологических и т. д. В отличие от нормальных карт соответствующей тематики легенды индикационных карт строятся так, чтобы сохранить показатели характерных связей. Распространение явлений может прогнозироваться не только на поверхности Земли, но также в пределах географической оболочки и вне ее, т. е. учитывать третье измерение, быть направленными как «по горизонтали», так и «по вертикали». В качестве примера укажем прогнозы мощности земной коры, составляемые в результате совместного анализа гипсометрических, гравиметрических и других геофизических карт. Прогнозирование по аналогии может быть распространено даже на другие планеты. Прогнозы состояния явлений ставят целью предвидение их поведения при воздействии некоторых внешних факторов. Предпосылкой подобных прогнозов служит экспериментальное исследование поведения характерных разновидностей явления при воздействии определенных факторов и районирование явления по этим разновидностям, образующее прогнозную карту. Примером может быть карта прогноза просадочноети лёссовых пород (из Атласа Таджикской ССР, 1968, с. 42-43), указывающая возможную величину просадок лёссовых пород различного генезиса и возраста под собственным весом (при замачивании) и под весом сооружений. К прогнозным картам состояния явлений примыкают весьма распространенные гидрологические и климатические карты, сезонные или помесячные, - ветрового волнения и зыби, облачности, туманов, направления и силы ветра, штормов и т. п., показывающие повторяемости и, следовательно, вероятность соответствующих явлений. Прогноз во времени состоит в предвидении будущего состояния и свойств различных природных и социально-экономических явлений - величин магнитного склонения, вертикальных перемещений земной коры, размыва берегов водохранилищ, загрязнений окружающей среды, урожайности и т. п. Простейший способ такого прогнозирования состоит в экстраполяции количественных показателей, динамика которых определяется по разновременным картам. Для временного прогноза часто готовят специальные карты -изопор (линий равного годичного изменения) магнитного склонения, линий равных годичных вертикальных перемещений земной коры и т. п. Пространственно-временной прогноз предполагает предвидение развития явлений, т. е. изменений с течением времени их пространства и состояния. Таково, например, прогнозирование погоды по синоптическим картам, основанное на пространственной фиксации атмосферных процессов в некоторые моменты времени и на знании закономерностей развития этих процессов. Генеральная цель географических наук - предвидение развития и будущего состояния территориальных природных и социально-экономических систем - требует разработки соответствующих карт. Вошли в жизнь прогнозные карты развития территориально-производственных комплексов. Как следует из сказанного, для реализации картографического прогноза есть два основных пути: во-первых, использование в процессе исследования уже существующих карт - взаимосвязанных явлений, на разные даты (или эпохи) и т. п.; во-вторых, заблаговременное изготовление прогнозных карт, составляемых по результатам специальных исследований и (или) посредством обработки (преобразования) других тематических карт. Достоинство прогнозных карт и вообще картографических прогнозов во многом зависит от корректности используемых концепций и рабочих гипотез. Большое влияние оказывают также достоверность и полнота картографических (или иных) исходных данных. Наконец, надежность прогнозных карт зависит от природы (свойств) прогнозируемых явлений (стабильности, цикличности и т. п.), устойчивости выявленных тенденций развития, тесноты связей и, конечно, от величины сроков при временных прогнозах и дальности экстраполяции при прогнозах пространственных. Естественно, что прогнозные карты различны по своей достоверности. С этой точки зрения различаются предварительные, вероятные и весьма вероятные прогнозные карты. Предельный случай весьма вероятного прогноза образуют проектные карты (например, гидротехнических сооружений), устанавливающие на основе точных расчетов размещение, формы и размеры проектируемых объектов, а также их воздействие на окружающую среду (например, контуры зон затопления). Картографические прогнозы основываются на анализе пространственных и временных закономерностей, многие из которых могут найти конкретное количественное выражение в виде строгих или аппроксимирующих функций. Математическое обоснование разработки и применения прогнозных карт, а также точности получаемых прогнозов стало вполне реальным при использовании для расчетов электронно-вычислительной техники. Вместе с тем карта позволяет формализовать исследовательскую задачу, содержание и процедуру исследования. В заключение заметим, что достижения научно-технического прогресса - привлечение ЭВМ для обработки извлекаемых из карт данных, вывод производных карт на видеоэкраны, формирование банков пространственно-ориентированных географических данных, привлечение аэрокосмической информации и многое другое поразительно расширяют возможности картографического метода исследования и вообще использования карт. В частности, аэрокосмические снимки не только позволяют изучать недоступные объекты и переносить их исследования в лабораторные условия, но также дают много новой информации и открывают новые пути познания явлений и процессов земной оболочки и других небесных тел.

 

2 Классификация методов анализа карт

2.1 Графические приемы

Графические приемы включают построение по картам всевозможных профилей, разрезов, графиков, диаграмм, блок-диаграмм и иных двух- и трехмерных графических моделей. Для анализа серий карт разной тематики удобны комплексные профили, на которых совмещаются, например, гипсометрический профиль, геологический разрез, почвенно-растительный покров, графики гидроклиматических показателей и т.п. Аналогичным путем можно построить и комплексные социально-экономические разрезы, совместив по избранному направлению графики плотности населения, гистограммы его возрастного состава, занятости, кривые энергообеспеченности территории, распаханности земель и т.п. Подобные построения нужны для наглядного представления связей между явлениями и районирования территории по комплексу показателей. Связи между явлениями, показанными на картах разной тематики, можно наглядно отразить и проанализировать на блок-диаграммах. Для построения блок-диаграмм применяют разные виды проектирования. Аксонометрические блок-диаграммы проектируют с помощью системы параллельных лучей, как если бы центр проектирования находился в бесконечности. Масштабы по разным осям блок-диаграмм могут быть неодинаковыми, например для наглядного изображения рельефа вертикальный масштаб преувеличивают в два-три раза относительно горизонтального. Рельеф становится более выпуклым, все неровности хорошо заметны, однако при этом возникают поля невидимости. Если по одной из осей задать шкалу времени, то можно построить метахронную блок-диаграмму. Она отразит изменение состояния явления во времени, например ход средних месячных температур на поверхности. Для построения блок-диаграмм применяют графопостроители либо выводят трехмерные изображения на экран компьютера. Специальные анимационные программы позволяют варьировать масштабы по любому направлению, подбирать наиболее выгодный ракурс обзора и даже вращать блок-диаграммы на экране, разглядывая их с разных сторон. К графическим приемам относятся также действия с поверхностями, показанными на разных картах: графическое сложение, вычитание одной поверхности из другой, умножение на число и др. Этим пользуются при балансовых расчетах, например для оценки объема снесенного эрозией и переотложенного материала, определения суммарного количества осадков за несколько месяцев и т.п.          

                 2.2Графоаналитические приемы

Графоаналитические приемы анализа карт — картометрия и морфометрия, предназначены для измерения и исчисления по картам показателей размеров, формы и структуры объектов. Эти приемы наиболее обстоятельно разработаны в картографическом методе исследования. Методы картометрии позволяют непосредственно измерять следующие показатели: географические и прямоугольные координаты; длины прямых и извилистых линий, расстояния; площади; объем; вертикальные и горизонтальные углы и угловые величины. Кроме того, в рамках картометрии исследуется точность измерений по картам. В отличие от картометрии, морфометрия занимается расчетом показателей формы и структуры объектов. Число их велико — до нескольких сотен — и не поддается обзору. Наиболее употребительны следующие группы показателей и коэффициентов: очертания (форма) объектов; кривизна линий и поверхностей; горизонтальное расчленение поверхностей; вертикальное расчленение поверхностей; уклоны и градиенты поверхностей; плотность, концентрация объектов; густота, равномерность сетей; сложность, раздробленность, однородность/неоднородность контуров. Морфометрические показатели вычисляются на основе картометрических данных и как правило относительны. Например, горизонтальное расчленение — это отношение суммарной длины эрозионных форм к единице площади, извилистость линии — отношение длины кривой к длине плавной огибающей, плотность — число объектов на единицу площади, раздробленность — отношение среднего размера контура к площади целого района и т.д. Чаще всего берется отношение именно к площади, поэтому вопрос о размерах участков, в пределах которых ведутся вычисления тех или иных показателей, очень существен. От этого зависят точность расчета и репрезентативность морфометрических показателей. Возможны три варианта расчета: по регулярной геометрически правильной сетке квадратов, шестиугольников, кружков и т.п. — этот способ удобен тем, что площади ячеек равновелики; по естественным ареалам (природным районам, ландшафтам, водосборным бассейнам); по ключевым участкам. В итоге на основе вычисленных показателей составляют морфометрические карты. Многие из них широко известны и входят в состав атласов, например морфометрические карты рельефа, плотности населения, густоты дорожной сети и др. Эти карты выполняются в виде изолинейных (точнее, псевдоизолинейных) полей либо в форме картограмм по расчетным ячейкам или ареалам. Точные картометрические и морфометрические определения довольно трудоемки и невозможны без использования специальных инструментов (циркулей-измерителей, планиметров и др.), они требуют скрупулезного учета возникающих погрешностей, которые зависят от точности самих карт, инструментов, ошибок измерений, деформации бумаги, на которой напечатана карта, и многого другого. Все это долгое время затрудняло широкое применение графоаналитических приемов в повседневной практике. Ситуация изменилась с развитием компьютерных технологий и внедрением статистических подходов. Яркий пример в этом отношении — измерение длин извилистых линий (рек, границ, береговых линий и др.), всегда считавшееся очень трудоемкой процедурой. В классической картометрии для этого всегда использовали циркуль-измеритель с малым, с помощью которого промеряют извилистую линию Ь на карте.