Берлянт А.М. Большая картография или интеграция картографии, геоинформатики и дистанцион-ного зондирования

Подождите немного. Документ загружается.

«Большая картография» или интеграция

картографии, геоинформатики и

дистанционного зондирования

А.М. Берлянт

Научно-технические факторы интеграции

Интеграция картографии, геоинформатики и аэрокосмического

зондирования начала развиваться в конце ХХ века под влиянием научно-

технического прогресса. Результатом стало формирование синтетических

научных направлений, взаимообогащение теоретических концепций,

стыковка, а иногда и объединение методов и технологий традиционного и

электронного картографирования, дистанционного зондирования,

фотограмметрии и дешифрирования, спутникового позиционирования,

геоинформатики, а вместе с ними – телекоммуникации, компьютерной

графики, виртуального моделирования и других смежных отраслей

современных геопространственных наук. Во многих западных странах эта

интеграция с легкой руки канадских картографов стала именоваться

геоматикой. Она обрела достаточно четкие организационные формы в

государственных учреждениях, информационных службах, образовательных

и научно-исследовательских программах, периодических изданиях и т. п.

В России идея интеграции во многом остается дискуссионной темой. В

связи с этим есть потребность еще раз высказать аргументы в пользу

интеграции, дополнив их соображениями о том, что ее основой и научным

фундаментом остается (должна оставаться) картография, как теоретически и

методологически наиболее продвинутая наука об отображении и познании

пространственно-временных объектов и явлений окружающего мира. По

нашему мнению, диалектика развития такова, что возникающая

интегральная система наук постепенно превращается в некую обновленную

«большую картографию», которая включает в свой состав многие смежные

разделы, подобно тому, как крупная агломерация поглощает города-

спутники и пригороды, существуя далее как сложное, но единое целое.

Стремление к интеграции всегда отличало университетскую географо-

картографическую школу, фундамент которой заложен трудами Д.Н.

Анучина, Н.Н. Баранского, К.А. Салищева. И сегодня учебно-научная

деятельность кафедры картографии и геоинформатики МГУ методически и

организационно опирается на картографию, геоинформатику и

аэрокосмическое зондирование, а их интеграция при исследовании геосистем

образует главное направление развития на длительную перспективу.

Исследование выполнено по грантам РФФИ (N 02-05-64037) и Программы поддержки Ведущих

научных школ РФ (НШ-1217.2003.5).

Обратившись к недавней истории, можно обнаружить, что первый

импульс интеграции был дан в результате внедрения в пространственный

картографический анализ мощного арсенала численной математики,

вероятностно-статистических методов и электронно-вычислительной

техники. В научный оборот вошли многие нетрадиционные

картографические модели: карты пространственных корреляций, трендовые

поверхности, поля плотности и интенсивности явлений, эквидистантные и

вариавалентные анаморфозы и т. п. Стало очевидным, что картография

должна включить их в круг своих интересов. Именно к этому времени

относятся первые проявления интеграционных тенденций,

сформулированные, как «аналитическая картография» в 60-70-х гг.

известным канадским картографом Уалдо Тоблером (Tobler, 1976), и

«математико-картографическое моделирование» в трактовке С.Н.

Сербенюка и его последователей (Жуков, Сербенюк, Тикунов, 1980).

Другой сильнейший импульс связан с развитием дистанционного

зондирования. Его влияние на картографию многогранно и один из аспектов

состоит в том, что снимок стали рассматривать как аналог карты, предкарту

и первое звено в автоматизированном картографировании. Давно

применявшееся в науках о Земле комплексирование карт и снимков стало

постепенно перерастать в особый картографо-аэрокосмический метод,

заключающийся в интеграции приемов анализа карт, фотограмметрии и

дешифрирования снимков. Наиболее отчетливо эти идеи сформулированы в

трудах Б.Н. Родионова (1963), Л.Е. Смирнова (1975), Ю.Ф. Книжникова

(1988).

В дальнейшем появление новых интеграционных тенденций обязано,

главным образом, прогрессу геоинформационных технологий.

Многослойные ГИС, сочетавшие векторные картографические слои с

растровыми снимками, трехмерные модели с анимациями и виртуальными

изображениями, мультимедийные карты и атласы с произведениями,

размещенными в Интернете, – все это повело к стиранию резких различий

между традиционными и электронными пространственными моделями.

Важными моментами стали введение термина «геоизображение» для

обозначения всех пространственных, масштабных, генерализованных

моделей Земли, а также создание концепции геоиконики (Берлянт, 1996) –

науки о геоизображениях.

Исторически совсем недавно новым стимулом для интеграции

оказались глобальные системы спутникового позиционирования,

революционно преобразовавшие методы координатной привязки всех

съемочно-картографических материалов и технологии создания цифровых

баз пространственных данных. С этим связано множество новых

интеграционных новаций, от всемирно популярной концепции

«электронной Земли» (Мартыненко, 2001 и др.) до гораздо более скромной

идеи «геотроники» (Шануров, Мельников, 2001).

Таким образом, можно назвать несколько крупных технологических

прорывов, произошедших во второй половине прошлого века и сыгравших

решающую роль в интеграции геопространственных наук:

 математизация и компьютеризация картографии

 развитие дистанционного зондирования

 прогресс геоинформационных технологий и телекоммуникации

 появление глобальных систем спутникового позиционирования

Отметим, что современные факторы интеграции картографии и

смежных с нею наук целиком совпадают с основными глобальными

тенденциями развития всемирного знания: математизацией,

компьютеризацией, космологизацией и глобализацией.

Следует также особо подчеркнуть роль университетской науки с ее

традиционной междисциплинарностью и системностью в зарождении и

развитии интеграционных устремлений.

Предпосылки интеграции

Естественность процесса интеграции картографии, дистанционного

зондирования и геоинформатики обусловлена еще и многими

«внутренними» предпосылками, среди которых укажем следующие:

 единство объекта исследования и общность цели – отображение

и познание окружающего мира (от Вселенной до ландшафтной

фации)

 единство методов моделирования – графического, графо-

математического, электронно-графического в их аналоговом и

цифровом вариантах

 сходство процессов зрительного и психологического восприятия

и распознавания человеком любых иконических изображений:

картографических, фотографических, электронно-графических

и др.

 общность технических средств и методов сбора первичных

данных: полевые (натурные) инструментальные съемки с

применением оптических и электронно-оптических приборов и

датчиков, обеспечивающих координатную привязку

 общность научно-технических средств хранения, обработки,

преобразования полученной информации – формирование

фондов, архивов, баз данных, применение сходных

измерительных процедур и приемов пространственного анализа

 сходство компьютерных технологий (алгоритмов, программ)

визуализации графической информации

 близость теоретических представлений о сущности

геопространственного моделирования и свойствах самих

моделей.

Диалектика интеграции такова, что не только близость методов,

научно-технических средств и концепций, но и их различия стимулируют

интеграцию. Известно, например, что экспедиционные работники всегда

берут в поле карты и снимки изучаемого района именно потому, что это

разные и взаимодополняющие документы. Среди предпосылок такого рода

можно отметить:

 различия в точности, детальности, степени подробности,

пространственном охвате и синхронности съемок

 различие технологий контактных и дистанционных, а также

полевых и лабораторных исследований, разные возможности

моделирования реальных и абстрактных объектов и расчетных

показателей

 своеобразие свойств самих моделей, проявляющихся в степени

их обзорности, упорядоченности, метричности, в степени

содержательного анализа-синтеза информации – от формально

математического обобщения до глубокой концептуальной

интерпретации

 недостаточная эффективность раздельного сбора, обработки и

истолкования данных, полученных разными методами и

средствами.

Интеграционные тенденции картографии, геоинформатики и

аэрокосмического зондирования сказались одновременно во всех отраслях

наук о Земле, в экологических и социально-экономических науках. Это

коснулось традиционно полевых исследований (таких, например, как

геологические или ландшафтные) и преимущественно камеральных работ

(например, морфометрических или экономико-статистических).

Неуклонный рост доли камеральных и лабораторных методов во всех

без исключения отраслях наук о Земле, связанный с доступностью

аэрокосмических материалов и повсеместной компьютеризацией, а также с

экономическими причинами – это еще одна весьма существенная причина

интеграции. В орбиту этого процесса оказались вовлечены многие смежные

и достаточно удаленные научные направления: теория распознавания

образов, теория зрительного восприятия, иконика, бионика, некоторые

разделы математики и кибернетики и т.п.

Геоиконика

Представления о геоиконике были впервые сформулированы нами в

1985 году (Берлянт, 1985) и обобщены в монографии в 1996 году (Берлянт,

1996). Геоиконика мыслилась, как новая синтетическая отрасль научного

знания, развивающая общую теорию геоизображений, методы их создания,

преобразования и анализа, применение в науке и практике. Геоиконика

находится не столько на стыке трех наук, сколько в пространстве,

образовавшемся в процессе их дифференциации и некоторого «взаимного

удаления». Эта дисциплина играет связующую роль, она вбирает в себя

достижения иконики, психологии восприятия, теории распознавания образов

– дисциплин, накопивших значительный опыт анализа и обработки

изображений.

За прошедшие годы идеи и принципы геоиконики получили

распространение, но сам термин не стал общепринятым. Более популярен

упомянутый выше международный термин «геоматика» (What is…, 1992),

хотя объемы понятий, обозначаемых этими терминами, не вполне

совпадают. Значительно более повезло термину «геоизображение», который

стал применяться довольно широко. Он оказался удобен, как обобщающее

название всех графических моделей, имеющих хождение в геонауках  от

планов и карт до голограмм.

По размерности все геоизображения подразделены на три класса:

плоские картографические и дистанционные (2-мерные), объемные или

блоковые (3-мерные) и динамические (3- и 4-мерные). Кроме того,

существует множество производных и комбинированных геоизображений,

таких как фотокарты, динамические блок-диаграммы, дисплейные

анаглифы, виртуальные изображения и др. (Табл. 1).

Табл. 1

Система геоизображений

ГЕО-

ИЗОБРАЖЕНИЯ

КАРТО-

ГРАФИЧЕСКИЕ

ДИСТАНЦИОННЫЕ БЛОКОВЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ

КАРТО-

ГРАФИЧЕСКИЕ

КАРТЫ, ПЛАНЫ,

ЭЛЕКТРОННЫЕ

КАРТЫ,

АНАМОРФОЗЫ

ДИСТАНЦОННЫЕ

ФОТОКАРТЫ,

ФОТОПЛАНЫ,

КОСМОКАРТЫ,

ИКОНОКАРТЫ

ФОТО-

ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ,

СКАНЕРНЫЕ,

РАДИО-

ЛОКАЦИОННЫЕ,

ГИДРО-

ЛОКАЦИОННЫЕ

И ДР. СНИМКИ,

ФОТОПЛАНЫ

БЛОКОВЫЕ

ТЕМАТИЧЕСКИЕ

БЛОК-

ДИАГРАММЫ,

ФИЗИОГРАФИЧЕСКИ

КАРТЫ

ФОТО-БЛОК-

ДИАГРАММЫ,

«ПЕЙЗАЖНЫЕ»

КАРТЫ

БЛОК-

ДИАГРАММЫ,

РЕЛЬЕФНЫЕ

МОДЕЛИ,

АНАГЛИФЫ,

СТЕРЕОМОДЕЛИ,

ГОЛОГРАММЫ

ДИНАМИЧЕСКИЕ

СЕРИИ

РАЗНОВРЕМЕННЫХ

КАРТ,

КАРТОГРАФИ-

ЧЕСКИЕ

АНИМАЦИИ,

КАРТЫ-ФИЛЬМЫ

ФОТО- И

ТЕЛЕМУЛЬТИПЛИК

АЦИИ,

СЕРИИ

РАЗНОВРЕМЕННЫ

Х СНИМКОВ,

ФИЛЬМЫ

ДИНАМИЧЕСКИЕ

И МЕТАХРОННЫЕ

БЛОК-

ДИАГРАММЫ,

ВИРТУАЛЬНЫЕ

МОДЕЛИ

АНИМАЦИОННЫ

Е КАРТЫ

И АТЛАСЫ

Такой подход к систематизации геоизображений оказался верным. За

полтора десятилетия, прошедшие с момента создания этой системы, было

изобретено много новых простых и сложных геоизображений самых разных

видов и типов, и все они укладываются в предложенную матрицу. Таким

образом, система не только дала оптимальную группировку геоизображений,

но как бы предсказала дальнейшее увеличение их разнообразия.

Единая теория позволила глубже понять модельные свойства

геоизображений, развить общие принципы оценки их информативности,

приблизиться к пониманию механизмов зрительного восприятия и

распознавания графических образов. Стали реальными единые пути

улучшения геоизображений, снятия помех и шумов, фильтрации, оценки

взаимной совместимости. Разработаны общие подходы к пространственным

и временным масштабам, к процессам генерализации, сформировались

представления о геосемиотике, изучающей аудио - и видеопеременные

геоизображений и т. п.

О математической основе геоизображений

С некоторой долей условности, можно считать, что в общем случае

математическая основа сложного геоизображения включает в себя элементы

математической основы традиционной карты, снимка, блок-диаграммы,

анаморфозы, виртуальной модели, а также всевозможные их сочетания и

комбинации. При этом следует иметь в виду, что в каждый момент времени

всякое n-мерное геоизображение является плоским изображением,

представленным на бумаге, фотобумаге, пленке, экране компьютера или

ином носителе (Серапинас, 2002).

Как и в традиционной картографии, к числу математических

элементов всякого геоизображения относятся его проекция, координатные

сетки, главный масштаб длин (и площадей), частные масштабы длин и

площадей, а для динамических геоизображений – еще и временной масштаб.

Основными проекциями или их составляющими в общем случае

являются картографические проекции, центральные проекции снимков,

ортогональные проекции ортофотоизображений, специфические проекции

телевизионных, сканерных, локационных и т. п. снимков, перспективные и

аксонометрические проекции блок-диаграмм, а также проекции

анаморфированных карт. Геоизображение может иметь географическую

сетку меридианов и параллелей, сетки прямоугольных и полярных

координат.

Б.Б.Серапинас (2002) выделяет группы переменных математических

элементов геоизображений, которые характеризуются особенностями

конструкции, общим видом, динамичностью и графическим дизайном. К ним

относятся следующие переменные:

 локализация точки видения объекта

 угловая ориентация геоизображения

 фиксация геоизображения во времени

 проекция и ее идентификация

Локализация точки видения (точки, с которой рассматривается

объект) определяется ее пространственными координатами, например,

широтой, долготой и высотой (, , ). Изменение высоты меняет главный

масштаб и пространственный охват геоизображения, порождает эффекты

приближения к объекту и удаления от него. Смещение точки видения по

широте и долготе может создать эффект полета над объектом, а изменение

долготы – эффект вращения Земли.

Ориентация плоскости геоизображения в пространстве определяется

углами ее расположения относительно координатных осей. Так, в случае

аэро- или космического снимка ими являются угловые элементы внешнего

ориентирования, такие как азимут направления съемки, угол наклона

снимка и угол разворота изображения в плоскости снимка. Изменение углов

ориентации меняет ракурс, под которым виден объект.

Временные параметры фиксируют объект во времени и определяют

временной масштаб геоизображения, а параметры картографической

проекции – его общий вид, наглядность и распределение искажений.

Проблемы сочетания проекций карт, трехмерных и динамических

моделей, а также оценка возникающих линейных и угловых искажений и их

оптимизация еще требуют специальной разработки. Принципиально ясны,

но практически трудно реализуемы процедуры геоиконометрии – измерений

по геоизображения.

Эти и другие вопросы, относящиеся к математической основе, мало

исследованы, поскольку обычно геоизображения проектируются не на базе

строгой математической теории (как, например, картографические

проекции), а во многом эмпирически. При этом во главу угла ставятся не

столько факторы метричности геоизображений, сколько трудно

формализуемые критерии их наилучшего зрительного восприятия и

наглядности. В этом ярко проявляется давно и хорошо известное в

традиционной картографии противоречие между метричностью и

наглядностью изображения. Эта сложная проблема заслуживает

специального методологического исследования.

Единый подход к оценке масштабов геоизображений тесно

увязывается с охватом территории (акватории). Практика показывает, что

каждому пространственному уровню исследования соответствует некоторый

оптимальный диапазон масштабов геоизображений. Для основных из них –

карт, аэро- и космических снимков – соотношения масштаба, охвата

пространства и уровня исследования таковы (Берлянт, 1996): На локальном

уровне исследования космические снимки применяют не часто, а на

фациальном — практически не используют. Напротив, аэроснимки не

применяют на глобальном уровне и крайне редко  на континентальном и

океаническом уровне (см. Табл. 2).

Табл. 2.

Масштабы карт, космических и аэроснимков

и основные пространственные уровни исследования

Уровень

Исследования

Охват

пространст

ва (км

)

Диапазоны масштабов

Карты

Космические

снимки

Аэроснимки

Глобальный 10

1:60 000 000 –

1:10 000 000

1:100 000 000 –

1:20 000 000

–

Континентальный/

Океанический

1:15 000 000 –

1:1 000 000

1:50 000 000 –

1:5 000 000

–

Региональный 10

– 10

1:2 500 000 –

1:200 000

1:10 000 000 –

1:1 000 000

1:100 000 –

1:20 000

Субрегиональный 10

– 10

1:500 000 –

1:50 000

1:2 000 000 и

крупнее

1:50 000 –

1:5 000

Локальный 10

1:100 000 –

1:5 000



1:10 000 –

1:1 000

Фациальный 10 – 10

-2

1:10 000 и

крупнее

–

1:5 000 и

крупнее

Конечно, диапазон выбора геоизображений того или иного масштаба

во многом определяется их качеством (разрешение, цвет, спектральный

диапазон и т.п.) и характером решаемых задач. Известно, что аэроснимки

привлекаются тогда, когда требуется повысить детальность исследования,

выявить подробности, отсутствующие на картах. Поэтому всегда стараются

взять снимки более крупного масштаба, чем карты. На фациальном уровне

диапазоны масштабов аэроснимков и детальных карт сближаются, а далее

они все больше расходятся. На субрегиональном и региональном уровнях

различия масштабов весьма ощутимы.

Можно говорить о некоем поле масштабов геоизображений, в

пределах которого происходит выбор масштабов, целесообразных для того

или иного пространственного охвата и уровня исследования. Единый подход

к геоизображениям позволяет установить их оптимальные сочетания и

масштабную совместимость. Становятся очевидными сближение масштабов

карт и аэроснимков на фациальном уровне и карт с космическими снимками

– на глобальном уровне.

Опыт показывает, что, выбирая масштаб геоизображения,

исследователь обычно стремится к наилучшему сочетанию обзорности и

детальности геоизображения. На уровне глобальных исследований наиболее

важна обзорность, а по мере движения к локальному уровню все более

ценится детальность. Несмотря на приближенность этих закономерностей,

их полезно иметь в виду при планировании научных исследований,

формировании слоев ГИС, создании производных моделей – словом, в любых

ситуациях, когда приходится сочетать разные геоизображения.

Геосемиотика

Язык геоизображений подчинен общим законам семиотики, но имеет

свои особенности. Постепенно формируется геосемиотика – научное

направление, изучающее визуальные и аудиопеременные, используемые при

создании геоизображений. В «большой картографии» наблюдается тенденция

к синтезу графических средства, используемых для карт, объемных моделей,

аэро- и космических снимков, электронных анимаций, звуковых эффектов и

др. (табл. 3).

В традиционной картографии в качестве графических переменных,

выступают средства, используемые для построения отдельных знаков и

знаковых систем. Это форма, размер, ориентировка, цвет, насыщенность

цвета и внутренняя структура знаков.

Для трехмерных геоизображений добавляются ракурс, перспектива,

пластичность и распределение теней. А использование фотоизображения

привносит такие графические (оптические) переменные как яркость,

текстура (зернистость, полосчатость и т. п.), контраст, цвет, тон и светотень.

Но, пожалуй, самое эффектное средство формирования

геоизображений  это динамические графические переменные.

Компьютерные картографические анимации располагают в этом отношении

разнообразным арсеналом. Среди них – продолжительность (длительность),

скорость изменений, включая изменение положения и атрибутов (свойств),

порядок и стадию, а также «фаза», «ритмический повтор» или «мигание»

знаков. К числу динамических графических переменных относятся все

эффекты визуализации, которые реализуют постепенный переход от одного

объекта (или состояния) к другому. Наиболее употребительны:

 перемещение знаков (объектов) в пространстве геоизображения

 движение стрелок (векторов), указывающих направление

перемещения, потоки, миграции и т. п.

 дефилирование цвета, постепенное изменение или пульсация

окраски, вибрирование цвета (например, при показе ареалов опасных

явлений)

 мигание знаков, привлекающее внимание к какому-либо

важному объекту, например, к источнику повышенной опасности

 панорамирование изображения, изменение ракурса и

перспективы.

Для виртуальных геоизображений применяются, кроме того,

специфические графические средства моделирования внешней среды, такие

как освещенность или затененность местности и отдельных ее участков,

эффекты тумана, дождя, снегопада и т. п., а также состояние земных

покровов (травяной, снежный и др.). Совмещение дизайна объекта и

внешней среды – сложная задача. Например, виртуальные модели

предполагают изменение гипсометрической шкалы в условиях дымки,

тумана, при весеннем солнечном освещении или наличии снежного покрова.

Табл. 3

Геосемиотика: видео- и аудиопеременные

ГРУППЫ ПЕРЕМЕННЫЕ И ЭФФЕКТЫ

КАРТОГРАФИЧЕСКИЕ

ПЕРЕМЕННЫЕ

ФОРМА, РАЗМЕР, ОРИЕНТИРОВКА, ЦВЕТ, СВЕТЛОТА,

ВНУТРЕННЯЯ СТРУКТУРА

ФОТОГРАФИЧЕСКИЕ

ПЕРЕМЕННЫЕ

ЯРКОСТЬ, ТЕКСТУРА, КОНТРАСТ, ЦВЕТ, ТОН, СВЕТОТЕНЬ

ОБЪЕМНЫЕ ЭФФЕКТЫ РАКУРС, ПЕРСПЕКТИВА, ПЛАСТИЧНОСТЬ, СВЕТОТЕНЬ

ДИНАМИЧЕСКИЕ

ПЕРЕМЕННЫЕ

ДЛИТЕЛЬНОСТЬ, ДЕФОРМАЦИЯ ЗНАКОВ, МАСШТАБИРОВАНИЕ,

ПАНОРАМИРОВАНИЕ, ИЗМЕНЕНИЕ РАКУРСА,

ДЕФИЛИРОВАНИЕ ЦВЕТА

ЭФФЕКТЫ

ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ

ОСВЕЩЕННОСТЬ / ЗАТЕНЕННОСТЬ, АТМОСФЕРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ,

СТРУКТУРА ЗЕМНОГО ПОКРОВА

ЗВУКОВЫЕ ЭФФЕКТЫ РЕЧЬ, МУЗЫКА, АУДИОКЛИПЫ, ШУМЫ