Метод геоинформационных систем в географической науке

А. Модели структуры явлений.

I. Модели структуры пространственных характеристик явлений.

II. Модели структуры содержательных характеристик явлений.

В. Модели взаимосвязей явлений.

I.              Модели взаимосвязей пространственных характеристик явлений.

II. Модели взаимосвязей содержательных характеристик явлений.

С. Модели динамики распространения (развития) явлений.

I.              Модели динамики пространственного распространения явлений.

II. Модели динамики содержательного развития явлений. [51, c.176].

Как отмечает сайт Академии САПР и ГИС, «если же исследование планируется более разносто­ронне, то с помощью подобных элементарных моделей реализо­вать это вряд ли удастся». В этом случае возникает необходимость «создания и практического применения комбинационной системы моделей — сложных математико-картографических моделей — и зачастую процесс моделирования реализуется в интерактивном режиме».

Наиболее распространенным видом таких моделей стали цепочкообразные построения, в которых «каждый новый элемент создается на основе результата реализации предыдущего элемен­та — элементарного звена» [2].

Ю.К. Королев приводит другой пример формы комплексирования моделей - сетевые комбинации, когда на единой информационной базе параллельно реализуется ряд алгоритмов, из которых на заверша­ющей стадии формируется один окончательный картографический результат [27, с.201].

Web-сайт ГИС-Ассоциации выделяет третий вид сложных моделей — древовидные комбинации, при которых на основе одной математической модели создается серия карт одной тематики [14].

Общий вид типичных сложных моделей приведен на рис. 7.

Рис. 7. Варианты конструирования сложных моделей:

а - цепочкообразных; б – сетевых; в – древовидных. Элементы моделей: г - математические; д – картографические.

Любое моделирование непременно завершается оценкой надеж­ности полученных результатов. Успех моделирования определяется рядом условий, исходя из существа отображаемых явлений, обоснованным подбором необходимой информации и алгоритмов, соответствующих задачам исследования и реализуемых с использованием современных средств геоинформатики.

Примеры математико-картографического моделирования изложены в главе 4, с пояснениями в приложении.

3.3. Визуализация данных.

3.3.1. Картографическая визуализация.

Невозможность непосредственного восприятия человеком цифровых моделей, представляющих пространственные данные в ГИС, и использование их исключительно в среде компьютера обуславливает необходимость визуализации данных.

Web-сайт ГИС-Ассоциации вводит понятие геоинфомационного картографирования – «отрасли картографии, занимающейся автоматизированным составлением и использованием карт на основе геоинформационных технологий и баз географических знаний» [14].

Множество слоев графических отображений в пространстве исходных переменных, как отмечает В.С. Тикунов, не бывает информативным. Картографическая визуализация позволяет анализировать многомерные данные с помощью их преобразования в пространство низкой размерности с сохранением существенных для исследования структурных особенностей информации. [с. 152].

Ю.К. Королев представляет расширенный спектр функциональных возможностей картографической визуализации:

а) Оптимальное отображение информации.

Системы визуализации данных позволяют оптимальным образом совместить картографический материал с базами данных объектов.

б) Быстрое восприятие больших потоков данных.

Интерактивная электронная карта позволяет получать информацию о конкретном объекте за секунды, в то время как анализ большого количества  разноформатных документов занимает длительное время.

в) Универсальное отображение данных

Информация по каждому объекту на электронной карте отображается в едином формате. В карточку документа заносятся все необходимые характеристики объекта со ссылками на первоисточники.

г) Оперативное получение сводных отчетов [27, c.161].

Разнообразный аналитический инструментарий позволяет мгновенно получать сводные отчеты об объектах на карте, сгруппированных по заданному критерию Н.В. Коновалова и Е.Г. Капралов выделяют следующие:

— масштабирование;

— перемещение изображения в пределах рамки (скроллинг, прокрутка);

— центрирование изображения относительно выбранной точки;

— выделение фрагмента изображения;

— получение информации об объекте;

— изменение размеров окна картографического изображения;

— компоновка финального картографического изображения, сохранение в растровом формате и печать [26, с.157].

А.В. Кошкарев и В.С. Тикунов дополнительно вводят классификацию способов картографических возможностей ГИС-пакетов:

— картограммы

— картодиаграммы

— локализованные диаграммы

— линейные знаки

— значки

— точечный [29, c.212].

Картографическая визуализация данных определяется выбором способа картографического изображения, функциями управления им, легендой, а также функциями манипулирования изображением и проектированием легенды.

В главе 4 приведены два примера, показывающих, как организована визуализация статистических данных на геопорталах и сайтах с функциями Web-картографирования.

3.3.2. Виртуально-реальностные изображения.

Сайт Академии САПР и ГИС определяет виртуальную модель местности (ВММ) как «математическую модель местности, содержащую в себе информацию о рельефе земной поверхности, ее спектральных яркостях и объектах, расположенных на данной территории, и предназначенная для интерактивной визуализации и обладающая эффектом присутствия на местности» [2].

Интернет-словарь «Финам» по-иному трактует определение: «Виртуальная модель местности (ВММ) - модель местности, содержащая информацию о рельефе земной поверхности, ее спектральных яркостях и объектах, расположенных на данной территории, предназначена для интерактивной визуализации». ВММ позволяет обеспечить эффект присутствия на местности, может быть отображена в виде трехмерной статической сцены (3D-вид) или в режиме имитации полета над местностью, когда наблюдатель находится в точке с заданными координатами [53].

Как отмечает Е.Г.Капралов, «для создания и визуализации виртуальной модели местности с достаточно высокой степень реалистичности требуется применение программ, способных обрабатывать трехмерные объекты». Он выделяет несколько типов таких программ:

А. CAD-пакеты, предназначенные для черчения или проектирования (AutoCAD, Microstation).

Б. Программы для создания 3D-графики и видеоэффектов (3D-Studio MAX).

В. Картографические программы (Virtual GIS, Multigen, ArcViewe 3D Analyst) [26, с.142-143].

Кроме того, подчеркивает Ю.К. Королев, «для реалистичного представления местности современная виртуальная модель должна содержать следующую информацию:

• Данные о рельефе (цифровую модель рельефа – ЦМР)

• Растровые изображения земной поверхности (сканированные карты либо снимки)

• Векторные данные

• Подписи

• Трехмерные объекты специального назначения (сложные модели, импортированные из других программ для создания трехмерной графики)

• Дополнительные растровые изображения или анимации»

[27, с.59].

Однако трехмерное представление данных и сложность в написании алгоритмов визуализации не позволяют производить серьезный ГИС-анализ на трехмерном изображении.

Примеры 3D-моделей местности рассмотрены в главе 4.

3.3.3. Картографические анимации.

Использование в современных исследованиях средств мультимедиа дает новые возможности для представления и анализа географической информации. Становится возможным демонстрировать картографические изображения не только статически, но и динамически - в форме анимации.

Сайт Академии САПР и ГИС акцентирует внимание на том, что «в технологиях виртуального моделирования большую роль играет анимационное картографирование, которое представляет собой одну из ветвей оперативного компьютерного картографирования». Картографические анимации как бы ее оживляют и создают эффект виртуальной реальности.  «Самым главным достоинством анимаций является визуализация динамических процессов живой природы и общества, которую фактически сложно или даже невозможно на бумажной карте» [2].

Н.В. Коновалова и Е.Г. Капралов определяют картографическую анимацию как «последовательную форму представления изменяющихся изображений в определенный интервал времени». Перспективным направлением их использования может стать создание серий исторических карт-анимаций различной тематики [26, с.145].

Картографические анимации дают порой неожиданные эффекты. По словам Л.М. Бугаевского и В.Я. Цветкова, «разнообразные модули анимационных программ обеспечивают перемещение картографического изображения по экрану, мультипликационную смену карт-кадров или трехмерных диаграмм, изменение скорости демонстрации, возврат к избранному фрагменту карты, перемещение отдельных элементов содержания (объектов, знаков) по карте, их мигание и вибрацию окраски, изменение фона и освещенности карты, подсвечивание и затенение отдельных фрагментов изображения и т.п.» [8, с. 54].

Более того, отмечает Web-сайт ГИС-Ассоциации, «совершенно необычны для картографии эффекты панорамирования, изменения перспективы, масштабирование частей изображения (наплывы и удаления объектов), а также иллюзии движения над картой (облет территории), в том числе с разной скоростью дает только картографическая анимация» [14].

«Новейшие компьютерные технологии, - отмечает Ю.К. Королев, - позволяют перемещать картографическое изображение по экрану, менять скорость демонстрации, возвращаться к нужному кадру или двигаться в обратной последовательности». Отдельные знаки могут мигать, а фоновые окраски — пульсировать, как бы предупреждая об опасности, можно так же выполнять панорамирование, изменять ракурс, поворачивать все изображение и даже создавать эффект движения над картой, словно совершая «облет» территории, причем с разной скоростью [27, с.96].

А.М. Берлянт делает вывод, что «с появлением анимации картография преодолела свою извечную статичность, стали говорить даже об особой анимационной картографии, в которой традиционная статичная картография выглядит как частный случай» [6, с.103].

4. Практическое применение метода геоинформационных систем.

4.1. Цифровое моделирование рельефа при помощи математических алгоритмов.

Варианты моделирования могут быть разгруппированы, исходя из принципа моделирования. П. Хаггет, прежде всего, упоминает модели, представленные в виде TIN (Triangulation Irregular Network) - это модель, разработанная специально для описания рельефа, построенная на основе триангуляции Делоне (см. главу 3 п.3.2.2)., а так же интерполяционная модель (см. главу 3 п.3.2.2) [54, c.113].

В качестве примера можно привести работы, представленные на международной конференции " Интеркарто - 6 " (г. Апатиты, 22-24 августа 2000 г.).

Исходными материалами послужили топографические карты района исследования (горное обрамление Телецкого озера) масштаба 1:50 000 с сечением рельефа 20 м. Они послужили основой для оцифровки изолиний рельефа, гидросети, озер и границ района исследования. В качестве векторизатора использовался пакет L-Track, оцифровка (см. главу 3 п. 3.1.3) велась по отсканированным растрам с разрешением 600 dpi в grayscale в ручном и полуавтоматическом режиме (см. там же) [61, c.178].

А.К. Колбодин реализовал модель рельефа с помощью интерполяции (рис.8) [31, с. 111-113].

Рис. 8. Теневой рельеф поверхностей, полученных различными способами интерполяции.

В рамках конференции А.В. Елобогоевым была реализована модель той же местности, но уже с иным подходом: использована не светотеневая визуализация, как в предыдущем примере, а изолинии и контуры: (рис.9) [см. там же, с.115-116].