Метод геоинформационных систем в географической науке

Рис. 9. Фрагмент интерполированной поверхности с исходными изолиниями (сплошная линия) и добавленными контурами (пунктирная линия).

Н.Н. Добрецов представил третий вариант представления рельефа (рис.10) - построение на основе триангуляции Делоне: (см. главу 3 п.3.2.2) [см. там же с. 120-122].

Рис. 10. Триангуляционной модель поверхности.

Журналист Кейт Гринман заключает, что «моделирование рельефа, его анализ и изучение по построенным моделям постепенно становятся неотъемлемой частью исследований в науках о Земле (геология, тектоника, гидрология, океанология, климатология и т.д.), в экологии, земельном кадастре и инженерных проектах». Компьютерная обработка пространственных данных находит широкое применение при «анализе распространения участков загрязнений, в моделировании месторождений, а также во многих проектах по устойчивому развитию территорий» [60, р.12-13].

4.2. Математико-картографическое моделирование социальных и демографических процессов.

А.Б. Преображенский провел исследование, в котором пересекаются математические методы, в частности, статистика, и картография. Проектом было предусмотрено построение покомпонентных и синтетических многомерных моделей структуры, взаимосвязей и динамики социальных и демографических явлений [43, с.72].

А.А. Самарский определяет демографическое старение как «явление, связанное с устойчивым перераспределением приходных и расходных элементов демографического баланса в разных возрастных группах и длительными изменениями возрастной структуры населения» [44, с.211].

Поэтому А.Б. Преображенский сначала проводит сбор данных - Основные демографические показатели Калужской области по данным Всероссийских переписей населения 1959–2002 гг. (см. в приложениях табл. 1), а так же возрастно-половые пирамиды населения Калужской области по данным Всероссийских переписей населения (см. в приложении 1, рис. 1.а), б)). Данные были обработаны методами статистики (см. приложение 1) и визуализированы средствами ГИС (см. главу 3 п. 3.2.3) [43, с.78].

Результат исследования – математико-картографическая модель демографических явлений (рис.11):

Рис. 11. Картографические модели развития демографических явлений (2004–1996 гг.):

а) темпы прироста (убыли) населения

б) темпы демографического старения

в) темпы развития демографических явлений

Таким образом, сформированные покомпонентные и синтетическая математико-картографические модели позволили выполнить моделирование процессов прироста (убыли) населения и демографического старения на территории трех регионов Центрального федерального округа Российской Федерации.

Полученные результаты показали тенденции развития демографических явлений в Калужской, Брянской и Орловской областях. Были выявлены как общие тенденции, так и крайние проявления протекающих демографических явлений и процессов [43, с.150].

4.3. Картографическая визуализация статистических данных.

Приведем два примера, показывающих, как организована визуализация (см. главу 3.3.1) статистических данных на геопорталах и сайтах с функциями Web-картографирования.

Первый пример визуализации данных — хорошо проработанный с картографической точки зрения интерактивный Региональный статистический атлас ФРГ (Interaktiver Atlas zur Regionalstatistik) (рис.12), размещенный на сайте Статистической службы Германии [63].

Помимо красочного оформления карт и возможности смены цветовой шкалы, в атласе доступен выбор числа классов, а также способа классификации данных (метод равных классов или равных интервалов) вплоть до самостоятельного введения пограничных значений классов. Имеются возможности масштабирования и навигации по карте, получения дополнительной информации, построения вспомогательных графиков. В качестве базовых картографических слоев выступают границы федеральных земель и их административные центры, гидрографическая сеть и отмывка рельефа [см. там же].

Рис. 12. Карта плотности населения Германии в 2005 г.

Второй пример — Национальный атлас США. Посетителям сайта предлагается несколько возможностей работы с картографической информацией: создать собственную карту для печати и обозрения, распечатать подготовленные карты, просмотреть динамические геоизображения, а также загрузить данные для использования в «настольных» ГИС-приложениях [62].

В разделе «Население» содержатся карты плотности населения, половозрастной структуры, а также этнических групп (доля той или иной национальности в общей численности населения в пределах единицы картографирования) за три переписных года: 1980, 1990 и 2000. [см. там же].

Имеются возможности масштабирования, просмотра дополнительной информации при нажатии на интересующий объект, перехода в режим просмотра легенды к карте, а также поиска (в основном по административно-территориальным единицам, городам). К тематическому слою можно добавить элементы картографической основы (гидрографическая и транспортная сети, границы и населенные пункты, их географические названия). Используется один способ картографического изображения — картограмма (рис. 13) [см. там же].

Рис. 13. Карта из Национального атласа США.

Сайт ГИС-Ассоцации, анализируя графический облик Web-карт, приходит к выводу, что они по своему дизайну мало чем отличаются от традиционных. «Программное средство Web-картографирования должно поддерживать все или почти все способы картографического изображения из числа 12 известных». Рис. 14 иллюстрирует возможности применения тех или иных способов, а также их сочетаний [14].

                                                а)                             б)               

в)                            г)

д)                            е)

Рис. 14. Реализация традиционных способов картографического изображения на геопорталах: а — горизонтали в сочетании со светотеневой отмывкой рельефа; б — картограмма; в — качественный фон в сочетании с линейными знаками и значками; г — качественный фон и горизонтали; д — масштабные значки на фоне географической основы; е — значки и количественный фон.

4.4. Виртуально-реальностные изображения рельефа (местности).

Виртуальная модель местности содержит в себе информацию о рельефе земной поверхности, ее спектральных яркостях и объектах, расположены на данной территории, и предназначенная для интерактивной визуализации и обладающая эффектом присутствия на местности (см. главу 3 п.3.3.2).

Как отмечает К.В. Мартыненко, на второй практической конференции «3D модели в геоинформационных системах управления территориями: создание и использование» в г. Санкт-Петербурге (20-22 мая 2009) были представлены различные примеры решения виртуально-реальностной визуализации одной и той же территории [35, с. 369-370].

С.В. Тюриным для ЦМР использован эффект Background (фон) — в качестве фона использован равномерный цвет, градиентная цветовая заливка (рис.15) [см. там же, с.370].

Рис. 15. ЦМР Background. Радиус видимости 100 км, высота наблюдателя 5000 м над поверхностью земли.

М.Д.Алексеев наложил на модель космическую съемку, чтобы сделать модель более реальной (рис. 16) [см. там же, с.373].

Рис. 16. Тот же участок, покрытый космической съемкой (разрешение 15 м, см. выше). Радиус видимости 100 км, высота наблюдателя 5 000 м над поверхностью земли.

Е.А.Ломакин покрыл территорию топографическими картами, с разбиением на секции, указанием населенных пунктов и т.д. (рис. 17) [см. там же, с.378].

Рис. 17. Тот же участок, покрытый топографическими картами. Радиус видимости 100 км, высота наблюдателя 5000 м над поверхностью земли.

Наряду с приведенными эффектами довольно часто используются и другие.

А.М. Берлянт приводит примеры «натуральных» эффектов:

1. Lens Flare (блики линзы) — в природе данный эффект можно наблюдать при попадании солнца в объектив камеры, когда происходит многократное отражение света в призмах и линзах. Может быть применен в Erdas Imagine Virtual GIS, MultiGEN, 3D-Studio MAX и пр.

2. Fog (туман) — эффект сильного тумана или воздушной дымки. Может быть использован как для повышения реалистичности сцены, так и для сокрытия эффекта «обрывания» горизонта при малом радиусе видимости. Может быть применен в Erdas Imagine Virtual GIS, MultiGEN, 3D-Studio MAX и пр. [6, с.312].

К.С. Кларс анализирует также иные эффекты:

1. Heads-Up-Display (указатели тангажа и курса) используется для имитации навигационных приборов самолета. Может быть применен в Erdas Imagine Virtual GIS, MultiGEN.

2. Sun Positioning (положение солнца) кроме интерактивного задания положения и силы источника освещения позволяет точно задать освещение для точки с заданной широтой и долготой на определенный год, месяц, день, час и минуту (например, на 12 ч 48 мин 20 февраля 2004 г., г. Москва). Может быть применен в Erdas Imagine Virtual GIS.

3. Headlight (налобный фонарь) устанавливает источник света в точке, в которой находится пользователь [57, с.147].

Л.И. Василевский и П.М. Полян добавляют еще один вид эффектов к вышеперечисленным:

1. Water layer (затопление сцены) позволяет затапливать водой все участки сцены, находящиеся ниже заданной высоты. Возможно плавание под водой. Поверхность воды может быть либо прозрачна, либо драпирована текстурой. Регулируется прозрачность воды. Кроме того, под водой могут быть расставлены и дополнительные объекты, натянуты векторные слои (Erdas Imagine Virtual GIS, MultiGEN) [11, с.113].

Заключение.

На сегодняшний день, геоинформационные технологии постепенно завоевывают международный рынок. Поэтому изучение механизмов подготовки, функционирования и применения геоинформационных систем становится актуальнее от года к году.

Результатом аналитического обзора литературы по данной проблематике явилась  систематизация и обобщение сведений о методах исследований в географии, в частности, метода геоинформационных систем. В курсовой работе освещены основных  блоки ГИС, функциональные возможности, состояние на сегодняшний день, тенденции и прогнозы развития. Обзор дает представление об информационных системах, оперирующих геопространственными данными, иллюстрируется примерами, раскрывающими их суть возможности.

Анализ рассмотренных в курсовой работе возможностей ГИС, сфер применения, позволяют говорить о том, что метод ГИС стал одним из самых эффективных, современных и успешных, хотя и самых дорогостоящих методов в географии. Этими факторами обуславливается повышенное внимание к этим системам, навсегда перевернувшим представление о географии.

На основании рассмотренной литературы и документации можно сделать вывод, что вследствие универсальности ГИС выделилось 3 основных направления современного развития геоинформационных систем:

ГИС-технологии объединены с системой получения и представления географической информации - данными дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса, с самолетов и любых других летательных аппаратов. Космическая информация в сегодняшнем мире становится все более разнообразной и точной. Возможность ее получения и обновления - все более легкой и доступной. За рубежом и в России сформированы архивы и банки данных цифровых снимков очень высокого разрешения на огромную территорию земного шара. Их относительная доступность для потребителя (оперативный поиск, заказ и получение по системе Интернет), проведение съемок любой территории по желанию потребителя, возможность последующей обработки и анализа космоснимков с помощью различных программных средств, интегрированность с ГИС-пакетами и ГИС-системами, превращают ГИС в новое мощное средство географического анализа. Это первое и наиболее реальное направление современного развития ГИС.

Второе направление развития ГИС - совместное и широкое использование данных высокоточного глобального позиционирования того или иного объекта на воде или на суше, полученных с помощью систем GPS (США) или ГЛОССНАС (Россия). Эти системы, особенно GPS, уже сейчас широко используются в морской навигации, воздухоплавании, геодезии, военном деле и других отраслях человеческой деятельности. Применение же их в сочетании с ГИС и ДЗЗ образуют мощную триаду высокоточной, актуальной (вплоть до реального режима времени), постоянно обновляемой, объективной и плотно насыщенной территориальной информации, которую можно будет использовать практически везде.

Третье направление развития ГИС связано с развитием системы телекоммуникаций, в первую очередь международной сети Интернет и массовым использованием глобальных международных информационных ресурсов. В этом направлении просматривается несколько перспективных путей. Поэтому можно предполагать возникновение на базе современных ГИС, новых типов, классов и даже поколений географических информационных систем, основанных на возможностях Интернет, телевидения и телекоммуникаций.