Вводные замечания

В «Приложениях» дано краткое изложение компьютерных методов и описания электронных приборов, используемых в физико-географиче­ских исследованиях (приложение 1); помещено несколько фрагментов раз­ного масштаба карт физико-географического районирования и ландшафт­ных с легендами, в том числе с табличными (приложения 2 — 6). На этих фрагментах мы пытались показать, как масштаб картографирования влия­ет на содержание карт и, в первую очередь, на ранг изображаемых на картах ПТК. Впрочем, о картах физико-географического районирования можно сказать, что в отношении масштаба они практически «безразмер­ны», так как изображают крупные ПТК (выше таксономического ранга ландшафтов) и могут быть представлены и вполне «читаемы» даже при очень сильном уменьшении. Так, на рис. 1 приложения 2 изображен фраг­мент карты «Физико-географическое районирование СССР» (европей­ская часть), где выделены физико-географические страны, зональные области и провинции. Фрагмент по сравнению с оригиналом уменьшен здесь более чем в два раза и мог бы быть уменьшен еще больше. Похожая ситуация и с рис. 2 приложения 3. Не случайно изображенная карта назва­на «Карта ландшафтов Брянской области», а не «Ландшафтная карта...», потому что оригиналы этой карты созданы в масштабах 1: 500 000 и круп­нее без расшифровки морфологической структуры ландшафтов. Эта кар­та могла бы быть тоже названа картой физико-географического райони­рования.

Два следующих фрагмента (рис. 3 приложения 4 и рис. 4 приложения 5) типичные ландшафтные карты масштабов 1:200 000 и 1:25 000, где изо­бражена морфологическая структура ландшафтов, разумеется, с разной степенью подробности. К обеим названным картам, а также к «Карте ланд­шафтов Брянской области» приложены фрагменты легенд, показыва­ющих компонентную структуру ПТК, а также некоторые другие их харак­теристики.

В приложении 6 (рис. 5 и 6) даны образцы фрагментов карт масштаба 1 :200 000 территории Воронежской области, существенно отличающиеся от приведенных выше (см. сопровождающую текстовую характеристику). Последние три приложения — это образец бланка описания фации (приложение 7), «Эдафическая сетка» (по П. С. Погребняку) с некоторы­ми изменениями, внесенными А.А.Видиной (приложение 9) и «Услов­ные обозначения для полевого крупномасштабного ландшафтного кар­тографирования» (по А.А.Видиной, приложение 8).

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ]

1. Компьютерные методы и электронные приборы

1.1. Компьютерные методы

Как и в других дисциплинах, применение компьютеров в географии облегчает расчетные, статистические работы, построение диаграмм и гра­фиков, обработку текста, графических изображений, создание баз дан­ных, задачи математического моделирования. Полезны электронные спра­вочники. Особый интерес для географов представляют ГИС-технологии (куда фактически входит все вышеперечисленное), а также GPS-навига-ция, объединение ГИС с Интернет и сотовыми телефонами.

Новые информационные технологии уже значительно поменяли стиль и методы географических исследований, но основное их внедрение еще только начинается. Можно выделить два аспекта влияния кибернетики: первый— технический и второй — идейный (концептуальный).

Технический аспект.Как и в других дисциплинах, в физико-географи- I ческих исследованиях велика техническая роль компьютеров. Во-первых, в работе географов значительное место занимают редактирование и печать текстов; чрезвычайно важна возможность обработки изображений, фотогра­фий. Во-вторых, особую роль играют методы определения и привязки место­положения объектов на поверхности Земли (GPS-навигация). В-третьих, широки возможности создания автоматизированных систем — анализа­торов геохимических и геофизических параметров для стационарных, полу­стационарных и даже экспедиционных мобильных станций (датчики под управлением компьютера).

Концептуальное влияние.Идейное влияние кибернетики как учения о системах существенно затрагивает саму методологию географии. Долгое время географы объясняли сущность системного подхода свойством эмерджентно-сти (целое есть нечто большее, чем простая сумма частей) и зачастую довольствовались интуитивным пониманием системы, как совокупности элементов с более тесными внутренними связями. Но этим не ограничива­ется специфика системного подхода. Утверждение «все связано со всем» так же неконструктивно, как и «ничто ни с чем не связано»: они оба не дают нам знания, как следует действовать. Весь вопрос в том, как именно связано. Основное методическое преимущество системных исследований — это четкое осознание существования природной «автоматики», выявление природных «программ»: обнаружение системных переключателей, работы обратной связи, замыкающей причинно-следственную цепочку в цикл (см. раздел 2.3); определение их роли в саморегуляции геосистем; возможно­сти точечно адресного антропогенного воздействия на системные регуляторы при минимизации сил и средств; более четкая оценка последствий этого.

Хотя в физической географии (и в ландшафтоведении особенно) все­гда уделялось внимание учету соседства, функционирования геосистем, связи компонентов, тем не менее многое делалось на интуитивном или на предметном уровне (на конкретных географических примерах). Нужен

пересмотр (особенно в связи с открытием явления фрактальности) по­нимания системных законов. В технических, экономических и социальных науках находится все больше доказательств значительных аналогий си­стемного устройства природы и общества. Природа — не автоматика, но факт, что многие удивительные природные явления объясняются чистым автоматизмом.

После господства исключительно вещественно-энергетического под­хода трудно дается новая парадигма — понимание того, что передача ин­формации кардинально отличается от передачи вещества и энергии прежде всего своей нелинейностью: воздействие бесконечно малого количества вещества и энергии на «узловые точки» (системные регуляторы) может вызвать бесконечно большие последствия.

GPS-навигация.Определение и «привязка» местоположения объектов (позиционирование) — важная часть любого географического исследова­ния. Долгое время она выполнялась способами наземной триангуляции, потом добавились методы дешифрирования аэрофотоматериалов, в на­стоящее время используют геостационарные (находящиеся на постоян­ных орбитах) спутники Земли. Наиболее популярна и общедоступна аме­риканская G. P. S. — Global Positioning System (система глобального пози­ционирования).

Принцип позиционирования (определения позиции в пространстве) основан на определении расстояния до объекта. Расстояние можно вы­числить, умножив время прохождения сигнала на его скорость (скорость света). Зная лишь расстояние, т.е. радиус сферы вокруг объекта, еще нельзя узнать его местоположение. Но если мы знаем радиусы двух сфер от двух объектов, то можем найти их пересечение (если они пересекаются, то областью их пересечения будет окружность). Зная расстояние до третьего объекта, получим более точный результат и т.д. Для непрерывного слеже­ния нужно все время решать систему уравнений. Ясно, что все это стало возможным лишь благодаря быстродействию вычислительных компью­терных систем и точности определения времени.

Достаточная точность обеспечивается только при применении на спут­никах атомных часов и одновременного функционирования большого количества спутников. Стандартные GPS-приемники могут принимать сигналы от 12 спутников сразу.

Высокая точность (необходимая в первую очередь для военных целей) получается при наличии на геостационарных орбитах около трех десятков спутников, причем определяемый объект должен «видеть» одновременно хотя бы четыре из них, поскольку это диктуют условия распространения коротких волн (1200—1500 МГц). Такие ультракоротковолновые сигналы Распространяются аналогично световым волнам, поэтому на их пути не Должно быть препятствий. «Тень» от высоких домов, сооружений, даже от Деревьев в лесу, снижает точность. Могут быть помехи «переотражения» °т указанных объектов, как от зеркал.

Помехи могут создавать также атмосферные условия: воздушные мас­сы разной плотности и состава могут действовать как линзы; плотность Ионосферы, стратосферы, атмосферы хотя и незначительно, но увеличи­вает время прохождения сигнала. Как и при любом виде навигации, точ­ность ухудшается, если «видимые» спутники находятся в одном направ-

лении, и улучшается, если они разнесены по разным направлениям от объекта. Ошибка атомных часов на спутнике тоже очень сильно влияет на точность. Отсюда возможности намеренного искажения: путем ограниче­ния доступа, шифрования сигнала, точности часов, точности самих на­вигационных данных. В основном позиционирование во всем мире сейчас зависит от хозяина спутников — от США.

GPS-приемники применяют как отдельно (для контроля за прохож­дением маршрута), так и в комплекте с ноутбуками или карманными компьютерами, что позволяет сразу наносить маршрут и положение то­чек наблюдения на электронную карту. Обычно, определяя положение на местности, можно рассчитывать на точность около 100 м; специальные методы с участием наземных станций могут повысить ее примерно в де­сять раз.

Система применяется в спасательных службах, навигации (морской, авиационной), в автомобильном и пешем туризме, устанавливается на автомобилях как противоугонная, облегчает работу с картами во многих отраслях науки и практики.

Проблемы стоимости и корректного использования методов.Компью­терные технологии очень облегчают работу, но и создают особые пробле­мы — требуют больших материальных затрат на оборудование и обучение (программы ГИС стоят несколько тысяч долларов). Кроме того, все это должно периодически обновляться, так как быстро устаревает. Немногие исследователи пишут свои собственные программы, которые лучше при­способлены именно для данной конкретной задачи.

Программы известных компаний, как правило, наиболее универсаль­ны, т.е. подходят большим группам пользователей. Они предоставляют все больше поистине необыкновенных возможностей, но являются «закры­тыми» для рядового пользователя, который не может и (или) не хочет знать, как они работают. «Закрытая» программа — полностью «готовый» продукт, созданный на продажу, с защитой от вскрытия.

Не имея возможности соревноваться в одиночку с огромными корпо­рациями, создающими программные продукты, пользователь вынужден слепо доверять им. Если при работе с текстом или изображениями конт­ролировать результат довольно легко, то пакеты программ статистики и ГИС это не всегда позволяют. Возникает соблазн передоверить компьюте­ру ряд исследовательских функций. Отсюда проблема корректного исполь­зования компьютерных методов, для чего их надо хорошо знать.

Например, статистические пакеты типа STATISTICA. Они сделаны для больших выборок (например, больших массивов данных американских страховых компаний). Гораздо менее известны отечественные програм­мы, позволяющие применять алгоритмы для малых выборок, а малые выборки нередко встречается в географии из-за трудностей типизации, классификации (из-за природного разнообразия).

Связи между элементами системы (процессами, компонентами и т.д.) обычно ищут путем вычисления коэффициентов корреляции или корре­ляционных функций. Это сравнение двух (или нескольких) процессов во времени, или сравнение одновременного изменения каких-либо пара­метров в пространстве. Если эти изменения в какой-то степени совпада­ют, то делается вывод об их связи.

Однако наличие или отстутствие корреляции — только повод для раз­мышления, сигнал к дальнейшему анализу. Это свидетельство того, что связь может быть. Бывают совпадения совершенно разных, независимых процессов со своей внутренней автоматикой, а может быть и «разнобой» в работе элементов одной и той же системы.

Наоборот, не найдя корреляции в процессах, тем не менее нельзя делать окончательный вывод об отсутствии целостности геосистемы. По­лученные данные требуют более содержательного качественного анализа, с использованием всего географического интеллектуального потенциала исследователя.

Метод ошибочен в том случае, когда результат вычисления корреля­ции принимается за итоговый, тогда как он может быть лишь началом исследования. В то же время нельзя вовсе отказываться от анализа перио­дических процессов — они пронизывают всю органическую жизнь и по­всеместно встречаются в неживой природе. Это очень трудоемкие опера­ции, которые стали более или менее доступны лишь с появлением ком­пьютеров.

Работа с изображениями.Для этого существует множество разнообраз­ных программ, в том числе и бесплатных. Графические программы делят­ся на растровые и векторные. Растровые — типа известной Photoshop. При большом увеличении можно увидеть, что изображение представлено от­дельными мелкими квадратиками (пикселлами). Чем лучше качество изо­бражения, тем более мелкими должны быть пикселлы, и тем их больше, а значит, тем больше загружена память. Толщину готовой линии при этом способе трудно изменить, линию трудно сгладить.

В векторных программах типа Corel DRAW контуры представлены в виде отрезков линий определенной кривизны. Эти отрезки записываются в аналитическом виде, как графики функций, что позволяет экономить объем записываемой информации и легко менять масштаб, толщину ли­ний, их сглаживание. Оба способа (и растровый и векторный) имеют свои преимущества. Существуют также программы векторизации (перевода ра­стровых изображений в векторные) и, наоборот, растрирования.

Поскольку эти программы могут работать лишь как приложения к опе­рационной системе Microsoft Windows, сначала надо купить ее лицензи­онную копию, а потом сами программы. Существует известная проблема противостояния сторонников платных программ, ярким примером кото­рых является «империя» корпорации Microsoft, чьи программы лидируют по широте распространения и по стоимости, и сторонников бесплатно­сти компьютерного обеспечения. В последние годы среди исследователей повысился интерес к использованию другой операционной системы — UNIX, или LINUX, которая «открыта», т.е. бесплатна, и позволяет пользо­вателю лучше понимать, как она работает, но набор графических про­грамм для нее меньше, и они не столь совершенны. Некоторые из них небесплатны, и по мере их совершенствования возрастает стоимость. ГИС также стоят очень дорого, поэтому рационально корпоративное (совме­стное) пользование. Ряд таких программ поставлялся с большими скид­ками для высших учебных заведений.

ГИС-технологии. ГИС — это геоинформационные системы. Под сло­вом ГИС понимают и программы для создания этих систем, и даже всю

область информационных технологий. Этим словом обозначают и кон- ^; кретные приложения для пользователя, например электронные карты мира, России, электронная схема города. Обычно ГИС — это карта плюс база данных, плюс аналитические блоки. Карта состоит из нескольких «слоев», или «тем». Это могут быть отдельно леса, отдельно дороги, насе- * ленные пункты, гипсометрическая раскраска, могут быть отраслевые кар- I ты, как в атласах. Отраслевые карты тоже могут быть разделены на темы: I отдельно цвет, отдельно штриховка и т.д.

Особую ценность ГИС составляет их связь с собственными базами дан­ных, позволяющая легко получить необходимую справку о каждом объекте карты. Аналитические блоки ГИС автоматизируют наиболее часто востре-буемые процедуры, например определение расстояния от одного объекта до другого.

Чтобы создать ГИС для определенного региона, объекта, необходимо 1 имеющиеся бумажные карты отсканировать (с помощью сканера переве­сти в электронное растровое изображение) и потом хранить в этой же « растровой форме, или «оцифровать», т.е. с помощью специальных про­грамм, входящих, например, в комплект MAPINFO или Arc View (или I отдельных программ), перевести необходимые контуры в векторную фор-му, ГИС работают и с растровыми, и с векторными изображениями бла-годарясвоим встроенным графическим пакетам, могут «понимать» до- 1 вольно широкий ассортимент электронных графических изображений, на- ] пример в форматах *.tif, *.bmp, и т.д.

Кроме того, условные обозначения, легенду к карте, тексты, фото- j графии, схемы, АФС и другие сведения надо занести в базу данных, свя­занную с электронной картой. Графические файлы и файлы базы данных разные, но связаны друг с другом. Изменения, внесенные в один файл, тем или иным способом сказываются на всех с ним связанных, тогда как ^; файл вне ГИС-системы — это просто отдельная картинка или таблица, или текст. Есть проблемы совместимости разных ГИС. Мешает не только техническая несовместимость разных файлов, разных наборов данных. Как и в человеческом сознании, объективная географическая реальность мо­жет быть изображена в ГИС самыми разнообразными способами, а если два способа несовместимы, то никакая программа не сможет их согласо­вать. Из этого следует важный методический вывод: предстоит выработка стандартных метаописаний для их взаимной совместимости, что опять-таки связано с конфликтом индивидуальности геосистем и необходимо­сти их типизации.

Начинать работу следует с «привязки» карты к системе координат — без этого не удастся воспользоваться всеми преимуществами ГИС. Отли­чие ГИС от других информационных систем как раз в том, что вся инфор­мация специальным образом пространственно привязана. Каждая карта должна создаваться в определенной геодезической системе координат, в принятойкартографической проекции, в заданной системе размерностей с использованием теории, методов и технологий соответствующих науч­ных дисциплин. Отсюда ясно, что следует знать и о возможности искаже­ний, об их допустимых значениях.

Примеры программ.Есть известные компании — производители про­граммного обеспечения для ГИС, например ESRI. Это частная фирма,

название которой расшифровывается как Институт Исследования Си­стем Окружающей Среды (Environmental System Research Institute).

Наиболее популярная ее продукция — ARC INFO, по заверению фир­мы, «самая мощная ГИС в мире», дорогостоящая и требующая мощной техники; Arc View — подходит для маломощных компьютеров, a Arc Pad — для карманных, что позволяет автоматически фиксировать весь полевой маршрут, исключив ручные операции. По состоянию на 2002 г., для такой работы нужен компьютер (или ноутбук) на экспедиционной базе: для хранения всех необходимых карт в системе ГИС Arc View, с возможно­стью периодического подсоединения к нему карманного компьютера с ра­бочим фрагментом карты под управлением ГИС Arc Pad и подключенный к карманному компьютеру GPS-приемник. Тогда батарейного питания мо­жет хватить на 14 часов автономной работы. Российская фирма ДАТА+ занимается поставкой программного обеспечения таких технологий и формирует комплекты аппаратуры. Это один путь использования ГИС.

Другой путь: развитие систем, связывающих Интернет с сотовыми телефонами, которые дают возможность пользоваться ГИСами, находя­щимися в Интернете. Его качество пока хуже изложенного выше метода.

ESRI производит также MapObjects — набор компонентов, из которых можно создавать собственные ГИС любой сложности в стандартных сре­дах визуального программирования (Delphi, PowerBuilder, Visual Basic,

Visual C++).

ESRI принадлежат и отдельные программные пакеты — модули Arc View3D Analyst для объемного изображения моделей городов с их много­этажными зданиями, Arc View Spatial Analist — специальный пакет, с расширенной аналитической частью для решения многих стандартных географических задач: построения и анализа поверхностей (причем не толь­ко рельефа, его уклонов, экспозиции, но и статистических поверхно­стей, например, плотности населения, урожайности), определения рас­стояний, гидрологические задачи, картографирование химического со­става почв и его влияния на урожайность, анализ соседства, оптимально­го выбора территории.

Существуют и другие фирмы, например Golden Software выпускает удачную программу Surfer для построения и визуализации цифровых мо­делей поверхностей. Одни фирмы больше ориентированы на базы дан­ных, другие — на связь с Интернетом, третьи решают проблемы инте­грации с программами архитектурного проектирования и строительства

(Auto CAD).

Известны программы для обработки космических снимков, например

ERDAS IMAGINE, программы PCI.

Есть и отечественные разработки, например система ГЕО ГРАФ, создан­ная в Российской академии наук. Компания «Транзас» производит элект­ронно-картографические информационные навигационные системы и т.д.

Компьютеризированные измерительные комплексы.Представляют ин­терес также исследовательские технологии: комплекты регистрирующих устройств для наблюдения природных компонентов, включающие датчи­ки, соединенные с компьютером и снабженные соответствующим про­граммным обеспечением. Существует множество фирм (их адреса и про­дукцию можно найти в Интернете), которые продают как технологии,

так и отдельные приборы. Часто их основной бизнес — автоматизиро­ванные системы контроля для высокоприбыльного сельского хозяйства. Например, датско-голландская фирма Eijkelkamp, канадская Campbell Scientific.

Они поставляют разнообразное полевое и лабораторное оборудова­ние: для отбора образцов и опробывания in situ; ручные и механизиро­ванные, с двухтактным двигателем почвенные буры и щупы и капилляр­ные электроды; приборы для контроля за физиологией зеленого листа, состоянием древесины и приборы для составления полного гидрогеоло­гического разреза и оценки режимов грунтовых вод; всевозможные дат­чики температуры, давления, плотности, влажности, солености, углекис­лоты, растворенного кислорода, рН и окислительно-восстановительного потенциала, проводимости и проницаемости; комплексы для химическо­го и физического анализа почв, измерения урожайности, продуктивно­сти, агрометеорологические комплексы для полностью автоматизирован­ного поддержания режимов в теплицах.

Несмотря на высокую стоимость, становится более выгодно приобре­тать законченные технологии, а не приборы отдельно от программ. Напри­мер, в проектировании и строительстве дорог, зданий и сооружений про­исходит эволюция от обычных приборов к роботизированным станциям на основе ГИС: выгоднее купить дорогую систему позиционирования для всех рабочих сразу, чем дешевый оптический геодезический прибор.

Вопрос стоимости очень существенен для российских учебных и науч­ных заведений, поэтому важно при выборе своей «ветви» хорошо ориен­тироваться во всем «дереве возможностей» цен и конфигураций обору­дования. Далеко не всегда нужно стремиться к наивысшей возможной точности измерений (она не должна быть избыточной), гораздо важнее правильная интерпретация их результатов.