Использование и применение и картографического метода в научных и школьных исследованиях

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.

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.

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. 9, 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, продолжение дорожной сети и т. п. Внимательного изучения топографической карты нередко достаточно, чтобы усмотреть зависимость размещения лесов от рельефа, например по мелким впадинам или котловинам.

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. Резкие контрасты в густоте речной сети в юго-восточной части Парижского бассейна и на западных склонах Вогезов (рис. 9,а) находят полное объяснение на геологической карте (рис. 9б): 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. 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.

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:

• карты, совмещающие показ пространственного положения явлений, например гидрографической сети, береговой черты морей, ледников и т. п., для ряда последовательных моментов времени (рис. 10);
• карты, отображающие динамическое состояние явлений на определенное время; хороший пример - синоптические карты, на которых по наблюдениям метеорологических станций наносят сведения о погоде в строго установленные моменты суток и показывают по этим данным изобары, фронты, зоны с осадками и т. д. Именно эти карты служат надежным средством для анализа движения и эволюции воздушных масс и для прогноза погоды. Использование серии карт для ряда сроков (моментов времени) усиливает обоснованность выводов о направленности и интенсивности атмосферных процессов;
• карты, характеризующие среднюю скорость или интенсивность процессов - морских течений, годичных изменений магнитного склонения, вертикальных движений земной коры и т. п.;
• карты, определяющие время наступления явлений; таковы, в частности, фенологические карты, указывающие средние многолетние сроки сезонных явлений - природных и хозяйственных, например определенных фаз в жизни растений и животных (зацветания и плодоношения растений, кладки яиц и вывода птенцов у птиц и т. д.), времени полевых сельскохозяйственных работ и т. п.;
• карты изменения состояния или замены явлений, например природных ландшафтов в результате антропогенных воздействий при вырубке или возобновлении лесов, осушении болот и т. п.

Особенно многолико отображение территориальных, политических и экономических изменений на исторических картах.

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.

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.

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 в нее, 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.

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.

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 (что, в частности, важно для математизации географических наук). Пространственные прогнозы немыслимы без прогнозных карт, необходимых не столько для локализации прогнозируемых явлений и процессов, сколько в качестве одного из важнейших средств прогноза - пространственных моделей для анализа географических систем различной сложности и предвидения их изменений в пространстве и времени. Разумеется, для полного успеха прогнозных карт и картографического метода исследования вообще целесообразно их применение совместно е другими методами, в частности математическими, для которых карты служат исходной основой. Тесное взаимодействие различных методов повышает достоверность картографического метода прогнозирования, приводит к взаимному обогащению методов и к возникновению совместных, граничных приемов исследования.

В заключение хотелось бы сказать, 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.