Моделирование в географии (моделирование географических явлений)
С внедрением системного подхода в географию, вводились математические методы.
В логике под моделью понимается такой материальный или мысленно-представляемый объект, который в процессе исследования замещает объект-оригинал, так что его изучение дает новые знания об объекте-оригинале.
Процесс моделирования включает три элемента: 1) субъект (исследователь), 2) объект исследования, 3) модель, опосредствующую отношения познающего субъекта и познаваемого объекта.
Модели в географии выполняют разнообразные функции. Выделяют следующие функции моделей:
— психологическую — возможность изучения тех объектов и явлений, которые чрезвычайно трудно исследовать иными методами;
— собирательную — определение необходимой информации, ее сбор и систематизация;
— логическую — выявление и объяснение механизма развития конкретного явления;
— систематизирующую — рассмотрение действительности как совокупности взаимосвязанных систем;
— конструктивную — создание теорий и познание законов;
— познавательную — содействие в распространении научных идей.
В отличие от других средств познания модель, оставаясь средством, сама в то же время служит объектом исследования. При этом совершенно несущественно, создается ли модель руками человека или в качестве моделей используются природные объекты, теоретические концепции, различные знаковые системы, выработанные в науке. Карта, описание, ключевая площадка равным образом могут служить моделью исследуемого объекта. Поэтому в самом широком смысле слова всякое познание можно трактовать как моделирование. Когда «я что-то знаю», — это означает то, что в моем мозгу имеются модели, отражающие объект. Отождествление модели и теории, модели и знания вообще имеет гносеологическое основание в том, что формирование модели тесным образом связано с предшествующим знанием. Модель, в конечном итоге, это то, что остается после сведения проблемы к прежнему знанию.
Поэтому моделируется то, что остается не сведенным к известному. Отсюда и возникает вполне законная путаница между теорией и моделью. Однако между ними существует та значительная разница, что теория есть обобщение, а модель лишь ограничивает проблему при помощи прежних теорий. Следовательно, модели предшествуют непосредственным процедурам и операциям наблюдения, которые через сложную цепь анализа и группировки фактов, выведения эмпирических зависимостей, правил и законов приводят к формулировке теорий.
Одной из важнейших характеристик модели является упрощенное представление объекта. При моделировании исследователь всегда абстрагируется от ненужных в данном отношении деталей объекта. Но это упрощение несколько иного рода, чем упрощение, которое присуще любому другому элементу знания. Для ясности приведем простой пример. Закон географической зональности, как одна из сторон теории территориальной дифференциации ландшафтов, адекватно отражает наличное разнообразие природы земной поверхности. Но карта типов местности как модель той же природы, совершенно не похожа на природу с ее лесами, степями и т.д. – это всего лишь лист разукрашенной бумаги. Однако такая разница существует лишь в обычном смысле слова. В самом деле, этот разукрашенный лист бумаги также является изоморфным изображением реальности в уменьшенной, упрощенной, условной форме. Кроме того, многие модели вполне схожи с объектом или даже являются непосредственными частями объекта. Почвенный шурф, например, используемый в качестве модели типа почв для почвенных и ландшафтных исследований, является реальным разрезом реальной почвы. Поэтому указанная разница между моделью и теорией указывает лишь пределы возможного упрощения объекта, не теряя при этом изоморфности модели и объекта.
Модель есть некоторая вспомогательная система, изучение которой проще, доступнее, чем изучение самого объекта. Но эта система, чтобы давать достоверную информацию о самом объекте, должна находиться в определенном соответствии с этим последним. Сама эта промежуточная система может быть самой разнообразной – вещь, идея, символ равным образом могут выполнять функцию моделей (рис. 41).
Главная цель моделирования в географических исследованиях – выявление условий формирования, функционирования и развития территориальных систем, их взаимодействия с природной средой в связи с прогнозированием дальнейшего развития.
Фундамент любой науки составляют концептуальные модели. С позиций экономико-географической науки и теории системного анализа изучение взаимоотношений природы и общества можно свести к разработке концептуальной модели взаимодействия сложных производственно-территориальных управляемых систем и саморегулирующихся природных экосистем.
В современных географических исследованиях моделирование применяется для решения следующих задач:
1. Выявление и изучение факторов территориальной организации природы и общества.
2. Исследование структуры и функциональных зависимостей между компонентами геосистем, объясняющих характер внутрисистемных связей и формирующих поведение системы.
3. Рассмотрение динамики развития территориальных систем на разных этапах их исторического развития.
4. Выявление и количественная оценка тесноты взаимосвязей между компонентами геосистем как внутри системы, так и между системой и средой.
5. Разработка обобщающих (интегральных) показателей устойчивого функционирования и развития геосистем под воздействием различных факторов.
6. Исследование наиболее существенных свойств природных территориальных природных и хозяйственных систем – продуктивности, устойчивости, стабильности и др.
7. Оценка степени антропогенного воздействия на природные системы.
8. Географическое районирование и типология территориальных систем.
9. Исследование динамики геосистем в целом и ее отдельных элементов.
10. Прогнозирование развития геосистем в определенный отрезок времени.
11. Научное обоснование управления геосистемами.
Эволюция научных представлений об объекте и предмете общественной географии
Общественная география (ОГ) – совокупность всех географических научных дисциплин, объектом исследования которых является территориальная организация общества (в целом или отдельных его составляющих элементов и процессов). ОГ сформировалась как один из основных разделов географии; вместе с физической географией и географией природопользования образует единую систему географических наук. Исторически обществоведческая ветвь географии отождествлялась с экономической географией, с 1970-х гг. – с социально-экономической географией.
Расширение и углубление географических методов в исследовании общественных явлений и процессов, гуманизация традиционной для СССР «экономической географии» привели к возникновению новых направлений научных исследований, выходящих за рамки проблем размещения производительных сил, расселения населения и проч. (например, рекреационная география, география культуры). Процесс возникновения новых обществоведческих научных направлений в географии продолжается (например, когнитивная география, гуманистическая география, гуманитарная география, институциональная география, география религий и проч.). К ОГ относят также такие традиционные дисциплины, как политическая география, военная география, историческая география, демография и др. Четкого и однозначного соотношения понятий «ОГ» и «социально-экономическая география» в науке не сложилось. Некоторые исследователи рассматривают социально-экономическую географию как основное ядро ОГ; чаще их считают синонимами.
Предметную сущность и структурное строение общественной географии впервые рассмотрел В.М. Гохман. В качестве основного предмета познания предлагалось рассматривать территориально-общественные системы, функционирующие в составе интегральных геосистем, которые являются предметом исследования общей географии. Внутреннее строение общественной географии было предложено рассматривать в форме взаимосвязанных генеральных направлений: социальной, экономической и культурной географии.
Общественная география синтезирует эти дисциплины, позиционирует и делимитирует границы своей деятельности, находит новые контакты со смежными дисциплинами и сохраняет свое уникальное место в системе научного знания. Общественная география – это не сумма входящих в ее состав научных направлений; это новая наука, сохраняющая все исторически накопленные знания и одновременно нацеленная в будущее. Интегрирующим началом является теоретическая география, синтезирующая общественно-географические знания, пространственный аспект исследования и фокусирующий предмет познания – территориальные общественные системы.
Становление методологии общественной географии происходит под влиянием достижений философии, науковедения и метагеографии в сочетании с методологическими основами социально-экономической и политической географии. Истоки методологии берут начало в трудах Н.Н. Баранского, В.Э. Дена, Н.Н. Колосовского, В.П. Семенова-Тян-Шанского и других географов.
Источник
ГИС-анализ и геоинформационное моделирование
Иногда геоинформационное моделирование также относят к ГИС-анализу, и для этого есть определенные основания. Но на самом деле это немного разные задачи. ГИС- анализ – это извлечение информации из электронных карт путем выполнения пространственных запросов. Эти запросы можно выполнять без какого-либо преобразования пространственных данных.
Какие задачи можно отнести к задачам ГИС-анализа?
1. Выполнение измерений по карте. В ArcView для измерения длин используется инструмент «линейка». Измерение площадей производится в процессе редактирования площадных объектов. И в том, и в другом случае длина или площадь объекта показываются в единицах измерения карты (вида) внизу окна. Для выполнения измерений можно также воспользоваться калькулятором поля в интерфейсе таблицы атрибутов. В этом случае длина или площадь объекта будут считаться в единицах представления шейп-файла.
2. Получение информации об отдельном объекте (информационная кнопка).
3. Поиск объекта по уникальному атрибуту. Выполняется в активных темах вида.
4. Подсчет статистических характеристик по группе объектов (функция Статистика в меню Поле).
5. Получение пространственной выборки путем запроса к таблице атрибутов. Записываем нужное условие и получаем выборку.
6. Получение пространственной выборки путем оверлея графических слоев.
Заметим, что последнюю операцию уже в каком-то смысле можно отнести к простейшим задачам геоинформационного моделирования. То есть приемы по сути одинаковые, но итог принципиально другой. Что же тогда такое геоинформационное моделирование?
Под геоинформационным моделированием в самом общем смысле подразумевается любой процесс преобразования пространственных данных, результатом которого является качественно новая пространственная информация. То есть геоинформационное моделирование позволяет нам получить какой-то новый тематический слой электронной карты, качественно отличающийся о того, что мы имели раньше.
С этой точки зрения к процедурам геоинформационного моделирования относится и тематическая обработка данных ДЗ, так как в результате тематической классификации мы получаем новый индексный слой – классифицированное изображение. Но это самый простой пример геоинформационного моделирования. Классифицированное растровое изображение без наложения на него хоть каких-то векторных слоев картой еще не является, это просто перекрашенная в условные цвета картина земной поверхности. А вот когда мы на основе результата классификации создаем тематическую карту – это уже геоинформационное моделирование (этап image understanding). Интерактивное редактирование отдельных слоев графической информации, даже по материалам аэрокосмических съемок, к геоинформационному моделированию тоже отношения не имеет. А вот создание ресурсных карт по материалам тематической обработки данных ДЗ – это задача геоинформационного моделирования. Построение графика или диаграммы на основе пространственных данных – это, по сути, тоже геоинформационное моделирование.
Таким образом, процесс геоинформационного моделирования отличается от обычных процедур редактирования графической информации именно комплексным использованием как пространственных, так и атрибутивных (табличных) данных. И от обычных запросов к базе данных – тоже. Это основное достоинство геоинформационных технологий и одна из основных причин их возрастающей популярности.
По методологическому критерию выделяют несколько видов геоинформационного моделирования, реализуемых как в векторных, так и в растровых ГИС. Нельзя сказать, что каждый из этих видов моделирования связан с определенным формальным (математическим) аппаратом, скорее классификация проводится на уровне самой концепции.
· Геокодирование – позиционирование (координатная привязка) табличных данных. В общем-то, задача простая и относится к теории реляционных баз данных. В ArcView для этого есть готовый аппарат, и вы уже тренировались.
· Геогруппировка – построение пространственно-временной динамической модели путем объединения совокупностей графических объектов в более крупные. Здесь используются аналитические зависимости и физические модели. Собственно, это разные задачи тематической классификации растровых, реже векторных слоев карты. Этим, например, будут заниматься те, кто работает в метеорологии, геофизике, физике океана и т.п. В основном речь идет о растровых моделях данных и методология в основном относится к методологии анализа растровых сцен. Но оверлейный анализ тоже присутствует. Аппарат достаточно хорошо формализован, поэтому большая часть процессов может быть автоматизирована.
· Буферизация – построение буферных зон для различных типов объектов. Пример – построение водоохранных зон крупных рек и водоемов. Еще пример – зоны воздействия стрессового фактора на природные объекты. Аппарат – построение огибающей на заданном расстоянии от границы объектов, а потом объединение и удаление перекрытий. Тоже процедура формальная, поэтому может выполняться автоматически.
· Генерализация – обобщение графических объектов и изменение их отображения при изменении масштаба. Этот вопрос мы будем рассматривать специально, так как он очень важен для умения пользоваться картами. И еще важен при создании мелкомасштабных карт, которые чаще всего и делаются по космическим снимкам. Методологический аппарат очень разнообразен, кое-что потом рассмотрим. Полная формализация практически невозможна: слишком много различных факторов, которые необходимо учитывать.
· Комбинирование – композиция и декомпозиция графических объектов на основе отношений между ними. Если геогруппировка в основном применима к растровым моделям, то комбинирование – это методология в векторных ГИС. Простейшим примером комбинирования является одна из операций редактирования полигонов, которая так и называется. Комбинирование – это, в основном, методология прикладного ГИС-анализа (какая-то пространственная выборка по заданным критериям). Например, решение транспортных задач осуществляется в основном с помощью процедур комбинирования. Многие задачи этого типа могут быть решены методами дискретного анализа, в частности, методами теории графов.
· Обобщение – создание атрибутов новых объектов на основе отношений между исходными. Процедура обобщения часто включает топологический анализ графических объектов, но в целом она достаточно хорошо формализуется. Может быть интерактивной, но может быть и чисто аналитической. Пример – на основе некоторых значений некоторых показателей A,B,C рассчитывается показатель D, потом производится группировка объектов по этому показателю. Пример – построение карты растительного покрова по составу растительности в пределах некоторого контура. Преимущественно здесь используется аппарат дискретного анализа и теории баз данных.
· Построение тематических карт на основе анализа и обработки атрибутивных данных. Эта методология лежит в основе создания некоторых легенд в ArcView. Там классификация производится по одному атрибуту. Если требуется классификация объектов по нескольким атрибутам, требуется корреляционный и факторный анализ. В конечном счете, это все методология распознавания, основанная на многомерной кластеризации. Такой подход, однако, чаще всего требуется при создании так называемых синтетических карт по комплексу показателей. Во многих случаях просто новый показатель просто рассчитывается по заданным формулам.
Источник
Геоанализ и моделирование
Несмотря на то, что хранящаяся в ГИС информация представляют собой основную ценность, она приносит пользу только при их использовании в прикладных задачах.
Каждая ГИС наряду с функциями ввода и вывода данных имеет средства, предназначенные для выполнения общих функций пространственного анализа и средства для решения специфических задач пользователя.
Эти средства зависят от моделей данных, поддерживаемых ГИС и используемых для решения задач пользователя.
К настоящему времени сложился перечень функций, наличие которых практически обязательно для таких ГИС. Это
функции организации выбора объектов по тем или иным условиям,
функции редактирования структуры и информации в базах данных,
функции картографической визуализации,
функции построения буферных зон,
функции сетевого анализа и др.
Пространственный анализ чаще всего проводится в целях выявления следующих отношений:
• закономерностей в структуре или особенностей распределения объектов,
а также их характеристик в пространстве;
• наличия и вида взаимосвязей в пространственном распределении нескольких классов объектов или отдельных характеристик;
• тенденций развития явлений в пространстве и во времени.
Еще одной задачей пространственного анализа является выбор решения с учетом пространственных характеристик.В ГИС используется два подхода к описанию пространства:
1) подход, основанный на структурировании пространства, т.е. выделении пространственных объектов, указании характера их локализации в пространстве, границ и в некоторых случаях взаимосвязей с другими объектами;
2) подход, основанный на неструктурированном представлении пространства. Все изучаемое пространство представляется множеством ячеек заданного размера и формы, в которых определены усредненные параметры или характеристики, соответствующие этой части пространства.
Определяя основные задачи анализа, мы говорили о свойствах и характеристиках объектов или точек пространства. Следует учесть, что они также совсем не однородны. Все характеристики делятся на качественные и количественные.
С количественными характеристиками можно выполнять различные операции, качественные характеристики можно главным образом сравнивать. Сравнивая, мы обычно пытаемся ответить на два вопроса: совпадают ли
Сравниваемые характеристики или объекты? Можно ли определить порядок этих характеристик или объектов? Если удается ответить только на первый вопрос, то говорят, что объекты описаны в номинальной шкале или шкале категорий, если мы можем ответить и на второй вопрос, то объекты описаны в ранговой шкале.
Функции работы с базами данных. Включают в себя:
1.изменения структуры баз данных (добавление или удаление полей, изменение их типов);
2.ввод новых данных и редактирование имеющихся, в том числе в автоматическом режиме и посредством выполнения специальных процедур анализа, таких, как вычисление площадей
;3.поиск необходимых данных с использованием запросов типа SQL
;4.вычисление (калькуляцию) новых значений поля по хар-кам
других полей базы данных или других баз;
5. создание производных баз данных путем объединения (классификации) записей исходной базы или выбором части полей исходной базы;
6. объединение баз по общему (ключевому) полю и др.
Основные операции формирования и редактирования пространственных данных
• разбиение полигонов линиями;
• создание полигона с дыркой, задаваемой вторым полигоном;
• удаление области перекрытия между полигонами (вычитание одного полигона из другого);
• получение пересечения полигонов.
Геокодирование-привязка к карте объектов, расположение которых в пространстве задается сведениями из таблиц баз данных. Эта информация может быть представлена следующим образом:
• координатами объектов — прямоугольными или географическими
• адресами объектов в адресной системе территорий, при привязке баз данных паспортной службы или налоговой инспекции;
• почтовыми индексами, например в случае анализа деятельности почтовых террористов;
• расстоянием от начала линейных маршрутов, например при привязке данных об авариях на нефтепроводах
Функции геокодирования позволяют «привязывать» базы данных, которые ведет большинство ведомств, обслуживающих урбанизированные территории и население, на них проживающее, к картам территорий.
Построение буферных зон. Буферные зоны -полигоны, границы которых отстоят на определенное расстояние от границ исходных объектов. Например, при расширении зоны, занятой трубопроводом, для прокладки новой линии, функциями ГИС может быть создана зона отчуждения вокруг реконструированного трубопровода.
Здесь на первый план выдвигаются топологические свойства рассматриваемых объектов, их взаимоположение и взаимовлияние на данной территории.
Если геометрическое моделирование отвечает на вопросы: «Какой формы и каких размеров?», то пространственное моделирование: «Где расположено и на каком расстоянии?» При этом «полем деятельности» пространственного моделирования является определенная территория земли с расположенными на ней объектами природного и искусственного происхождения [24].
В общем случае пространственный анализ проводится с целью:
— выявления закономерностей в расположении или структуре пространственных объектов;
— нахождения заданных характеристик объектов;
— нахождения взаимосвязей между пространственными объектами;
— выявления тенденций развития явления в пространстве и/или времени;
— выбор конкретного пространственного решения с учетом поставленных условий и ограничений.
При проведении геоанализа пространство может быть описано как структурированным (все объекты имеют координаты, границы, описан характер их локализации в пространстве, взаимосвязи с другими объектами), так и неструктурированным (указанные характеристики могут принимать любое значение из заданного интервала – влажность, температура) способом.
Все характеристики пространственных объектов подразделяются на качественные и количественные. Чтобы сравнивать и оценивать качественные характеристики их надо ранжировать.
Для более полного понимания особенностей различных функций пространственного анализа рассмотрим историю их возникновения.
Развитие функций, которые выполняют ГИС, шло неравномерно в зависимости от практических потребностей и научно-технических достижений. Первые подходы к построению информационных систем, ориентированных на обработку пространственных данных, были сформулированы в работах коллективов Канады и Швеции — двух странах, приоритет которых в этой области абсолютно бесспорен. Канадские работы были связаны с созданием в 1963-1971 годах Канадской ГИС (CGIS) под руководством Р. Томлинсона, ставшей одним из классических примеров крупной универсальной региональной ГИС национального уровня [25]. Работы шведской школы геоинформатики концентрировались вокруг ГИС земельно-учетной специализации, в частности Шведского земельного банка данных, предназначенного для автоматизации учета земельных участков и недвижимости.
ГИС “первого поколения” (60-х — начала 70-х годов) значительно отличались от того, что понимается под ними сегодня. Они решали узкий круг задач инвентаризации земельного кадастра и учета для совершенствования системы налогообложения, решаемые путем автоматизации земельно-учетного документооборота в виде банков данных соответствующей специализации. Постепенно в этот период разрабатываются функции, формирующие ядро геоинформационных технологий: оверлей разноименных слоев, генерация буферных зон, полигонов Тиссена, алгоритмы аналитических и графоаналитических построений и другие операции манипулирования пространственными данными. В 80-х годах ГИС, хотя они и начинали развиваться в значительной степени на базе информационно-поисковых систем, стали приобретать черты картографических банков данных с параллельным расширением возможностей математико-картографического анализа и моделирования данных. Большинство ГИС этого периода включают в свои задачи создание карт или используют картографические материалы как источник исходных данных. Расширяется круг решаемых задач, геоинформационные технологии применяются для различных видов научной и производственной деятельности и образования [26]. Осваиваются принципиально новые источники массовых данных для ГИС — это данные дистанционного зондирования, включая аэро- и фотосъемку. Цифровые методы обработки изображений интегрируются с системами автоматизированной картографии и геоинформационными технологиями, создавая предпосылки для единой программной среды 90-х годов [27].
В 80-х годах начаты работы по проектированию и разработке отечественных ГИС, основанные на осмыслении и развитии международного опыта. Следует отметить, что с момента возникновения первых отечественных геоинформационных систем и до настоящего времени, аппаратно-техническое обеспечение этих разработок базируются на персональных ЭВМ с развитой периферией. Системы ориентированы на расширение не только их геомодельных, но и интеллектуальных “знаниевых” возможностей на основе использования элементов экспертных систем.
В настоящее время для реализации многих информационных проектов используются достаточно мощные и многофункциональные программные средства.
Из зарубежных коммерческих средств ГИС наибольше распространение получили пакеты: pc ARC/INFO (Enviromental Systems Research Inst. Inc., США), Terrasoft (Digital Resourse System, Канада), MapInfo (MapInfo Inc., США), IDRISI (Clark Univ., США), SICAD/open (Siemens Nixdorf AG, Германия).
Наиболее известными системами России и стран СНГ являются: Инфосо (АО “Киберсо”, Москва), Панорама (Cибирское отделение РАН), Рельеф-Процессор (РП) (МП Рельеф (Украина)), GeoCad System 3. for Windows (CPS 3) (GeoCad Ltd/ (Новосибирск)), GeoDraw/GeoGraph for Windows (Центр Геоинформационных Исследований ИГ РАН, Москва), пакет WinPlan (Энергетический университет, Иваново) [5].
Исследования показывают, что практически все современные ГИС в большей или меньшей степени обладают функциями пространственного анализа и моделирования. Можно выделить три основных блока аналитических функций, выполняемых по ГИС-технологии: информационные запросы; топологический анализ; пространственное моделирование.
Простейшим видом информационных запросов является получение необходимых данных по параметрическим запросам (так называемыеоднопараметрические запросы). Эти функции представлены и в ГИС-вьюверах, и в справочно-картографических системах (СКС), и в инструментальных ГИС.
Более развитые геоинформационные системы способны обслуживать многокритериальные (или многофункциональные) логические запросы, когда объекты отбираются, например, по признаку их удаленности или близости относительно других объектов, их совпадения и по другим количественным и качественным характеристикам и их соотношениям.
Топологический анализ включает в себя картометрические измерения и определение пространственных характеристик, анализ сетей, анализ полигонов (площадей), анализ трехмерных поверхностей (рельефа).
Картометрические измерения служат для определения расстояний между объектами, длин транспортных путей, периметров участков, их площадей, определения соседства нескольких объектов и другие пространственные измерительные операции («в пределах», «содержит», «пересекает» и т.д.).
Анализ сетей включает поиск кратчайшего пути, суммирование значений атрибутов по элементам сети, распределение ресурсов в сети, поиск пространственной смежности, объединение сетей и проч. Решение сетевых задач основано на аналитических операциях, которые тесно смыкаются с моделирующими операциями, что позволяет решать классические оптимизационные задачи на самых различных видах сетей. Развитый блок анализа сетей имеется лишь у полнофункциональных ГИС. Одним из примеров служит блок NETWORK пакета ARC/INFO.
Полигональный анализ охватывает задачи, связанные с оверлейными операциями. Их суть состоит в наложении разнотипных полигонов с генерацией производных объектов, возникающих при их геометрическом наслоении, и с наследованием их семантики.
Наиболее сложными являютсяоперации с трехмерными объектами (или операции анализа рельефа). Трехмерные объекты (“рельефы”) требуют особых форм представления, поскольку их пространственное положение должно описываться не только плановыми, но и пространственными координатами. Достаточно мощными средствами по анализу рельефа являются модуль TIN пакета ARC/INFO, модуль DTM системы Terrasoft (Digital Resource Systems, Канада) и специализированное средство для создания и обработки ЦРМ – Рельеф-Процессор (Харьковский Университет).
Пространственное моделирование — следующая ступень аналитических возможностей ГИС. Пространственное моделирование (геомоделирование) позволяет автоматизировать процесс выработки управленческих решений в составе информационных систем города или региона, «проигрывания сценариев» размещения социальных, промышленных, энергетических и других объектов, рассмотрения большого количества альтернативных проектных целей и поиска оптимальных вариантов с применением различных функций пространственного анализа и моделирования [см., например, 28].
Другими словами, пространственное моделирование представляет собой сочетание аналитических и имитационных математических моделей и координатно-локализованной (геометрической) информации в процессе изучения окружающей действительности.
Наиболее применяемыми функциями пространственного моделирования являются:
— генерация буферных зон;
— зонирование или районирование;
— построение пространственных статических моделей;
— построение пространственных динамических моделей;
— сетевое моделирование или сетевая оптимизация.
Рассмотрим подробнее содержание данных функций.
Генерация буферных зон — это расчет и построение областей, ограниченных эквидистантными линиями, построенными относительно множества точечных, линейных и площадных объектов; то есть это зоны, границы которых удалены на известное расстояние от любого объекта на карте. Ширина (радиус для точечных объектов) буферной зоны может быть постоянна или зависима от значения приписываемого объекту атрибута (так называемая «буферизация» со взвешиванием). Эта операция используется, например, для учета «запретных» зон на размещение проектируемых объектов по условиям эксплуатационной безопасности, а также, так называемых «зон влияния», оценивающих близость транспортных коммуникаций, инженерных сетей и т. д.
Зонирование или районирование применяется для группировки объектов по определенным принципам с последующей дифференциацией всей их совокупности по тем же критериям. Зонирование означает «разбиение» территории на части (зоны), объединяемые взаимными связями или общими свойствами.
Статическое пространственное моделирование применяется для исследования состояния территории, сложившегося на какой-то момент времени, на основе координатно-локализованной информации. Например, оценка криминогенной обстановки, прогнозирование чрезвычайных ситуаций и их последствий, оценка насыщенности территории энергопроизводящими и энергопотребляющими предприятиями, изменение экологического состояния территории с вводом в эксплуатацию на ней промышленного объекта или прокладки транспортной магистрали и т.д. В частности, генерацию буферных зон можно рассмотреть как наиболее простой способ получения пространственной статической модели.
Динамическое пространственное моделирование имитирует распространение различных явлений и процессов, протекающих во времени, на заданной территории. Например, имитация развития системы населенных мест, когда в основу эксперимента были заложены правила развития системы, а на ЭВМ “проигрывались” пути их реализации с помощью алгоритма статистических испытаний (метод Монте-Карло) [29]. Типичным примером применения пространственных динамических моделей является также пространственно-временное прогнозирование затопления территории во время паводков, прорыва дамбы или заполнения водохранилища ГЭС.
Сетевое моделирование (сетевая оптимизация) нужно для работы с процессами в географических сетях, которые образованы топологически связанными объектами – дорогами, трубопроводами, линиями электропередач, другими коммуникациями, – чтобы максимально эффективно определять маршруты движения, например, служб экстренного вызова, управлять ресурсами, распределенными по сетям, оценивать их и т.д. ГИС-технология позволяет оперативно планировать и контролировать ресурсы даже в очень больших разветвленных сетях самого разного назначения.
Функции моделирования маршрутов, местоположений ресурсных и транспортных потоков выполняются, как правило, в специализированных пакетах развитых ГИС с помощью таких особых показателей как связи, барьеры, ограничения для поворота, запреты на поворот, центры ресурсов, ограничения на ресурсы, остановки, ограничения на остановки.
На рис 2.2 представлена схема взаимосвязи функций пространственного анализа и моделирования по степени их сложности
Источник
Системный анализ в географической науке с помощью графического представления причинно-следственных связей.
Методы географического анализа и геопространственного моделирования включают выполнение многопараметрических классификаций, построение физических и абстрактных поверхностей (в том числе, геостатистических), интерполяции и экстраполяции данных, создание физических и экспериментальных моделей процессов, моделей поддержки принятия решений и прогноза.
Среди методов пространственного анализа выделяют:
Классификацию объектов путем группировки значений их признака для объединения в классы близких величин или выявления закономерностей в данных. В этом способе границы классов определяют по характерным точкам статистического ряда их распределения, представляемого гистограммой – графиком, отображающим частоту встречаемости значений атрибута. Применяют при автоматизации выделения интервалов шкал географических данных, при статистическом анализе их структуры, при создании тематических слоев БД и карт, выборе графического приема отображения данных на карте – цветовых шкал, символов или диаграмм
Классификацию на основе методов многомерного статистического анализа.Они предназначены для решения главной задачи всякого исследования и научного анализа – выявления взаимосвязей совокупности разных исходных признаков, отражающих структуру географических комплексов, и способствуют формированию главных интегральных характеристик (факторов, компонент) на основе линейных комбинаций этих признаков, позволяют описать главные тенденции изучаемых комплексов меньшим числом признаков с минимальными потерями информации.
Исследование взаимосвязей объектов с использованием операций оверлея слоев, выбора объектов по пространственным критериям и построения атрибутивных запросов. Пространственные запросы часто выполняются в сочетании с построением буферных зон, например для зонирования территории по степени опасности, или решения проблем оценки недвижимости.
Определение местоположения и оптимального размещения – наиболее распространенные задачи ГИС-анализа при выполнении территориальных исследований, для сопряженного анализа географических факторов и изучения их пространственных отношений. Эффективный способ нахождения оптимального местоположения – создание дополнительных слоев «пригодности» или их результирующей комбинации с использованием ГИС-технологииоверлея. Пользователь интерактивно управляет процессом создания дополнительных слоев, задавая условия пригодности.
Анализ сетей, который стал востребованным особенно в последнее время в связи с созданием многочисленных муниципальных ГИС и применением навигационных систем. Он позволяет решать различные задачи на пространственных сетях связных линейных объектов: дороги, сети улиц, реки, трубопроводы, сети водопроводов, электрических и телефонных кабелей и др. Сеть состоит из линий, которые могут пересекаться с другими в точке, называемой «узел».
Среди методов и технологий геопространственного моделирования выделяют три главных направления: моделирование структуры геосистем, моделирование взаимосвязей и моделирование динамики, моделирования для обеспечения принятия решений.
Моделирование структуры геосистем базируется на комплексном изучении географических объектов и заключается в территориальной дифференциации на основе установления однородности свойств выделяемых районов. Проблема осложняется тем, что эти однородные свойства определяются многими факторами, часть из которых имеет корреляционные связи. Основные методы такого моделирования – многопараметрические классификации с созданием наборов интегральных характеристик. Для исследования закономерностей территориальных структур, особенно обладающих свойством сплошного распространения, используют методы построения и анализа концептуальных моделей реальности – географических полей или поверхностей. Эти методы широко применяются при исследовании рельефа земной поверхности и в гидрологических исследованиях (водотоков, водосборных бассейнов и т.п.). При построении пространственных моделей используют разные способы представления информации о природных объектах и процессах (физические поверхности) и расчетной, в том числе, социально-экономической, статистической информации (абстрактные поверхности). И в том и другом случаях используются методы пространственной интерполяции. В основе алгоритмов интерполяции лежит критерий наилучшего приближения каждой точки построенной поверхности к реальной, зависящий от представления явления в точках измерений и от их распределения. В зависимости от положения исходных точек выделяют три типа их организации: 1) регулярное расположение на прямоугольных сетках; 2) полурегулярное размещение точек по структурным линиям, профилям, изолиниям; 3) нерегулярное расположение по центрам площадей, характерным точкам, случайным сеткам.
Используются четыре основные класса методов моделирования поверхностей, отличающиеся разными математическими подходами:
1. Методы обратных взвешенных расстояний, основанные на предположении, что каждая измеренная точка имеет влияние, убывающее с расстоянием.
2. Методы сплайнов, исходящие из условия минимальной кривизны поверхности, проведенной через исходные точки.
3. Методы кригинга, в основе которых лежит предположение, что расстояние и направление изменений между точками указывает на пространственную корреляцию, помогающую описанию поверхности.
4. Методы выявления тренда, базирующиеся на вычислении полиномиальной математической функции для всех исходных точек методом наименьших квадратов, тем самым минимизируется отклонение от исходных точек.
Большая часть других разработок представляет различные модификации этих методов, использующие математические, либо полуэмпирические приемы для их усовершенствования и улучшения компьютерной реализации.
Наиболее востребованы цифровые модели рельефа земной поверхности, изображаемые либо способом послойной окраски, либо в виде трехмерных (3D) изображений.
Моделирование взаимосвязей предназначено для отражения причинно-следственных и пространственных связей исследуемых явлений, определения их важнейших факторов, и далее – для предсказания развития ситуаций и принятия решений. Основные способы моделирования взаимосвязей – создание слоев отношений факторов с использованием пространственных и атрибутивных запросов и логических процедур оверлея.
Моделирование динамики географических явлений, развития геосистем во времени заключается в последовательном представлении их состояний во времени и определении различий между ними. Модели изменений создают на основе разновременных карт, аэро и космических снимков.
Моделирование для обеспечения поддержки принятия решений. Возможности ГИС для интеграции информации, полученной из различных источников, в пространственном контексте делает их пригодными в качестве средств поддержки процедур принятия решений, построения модели принятия решений, которые должны формироваться с учетом множества факторов. Такие модели используют географически привязанную информацию, измеренную по этому множеству, для определения местоположений, размещений, путей и пространственных взаимодействий, являющихся оптимальными, или в некотором смысле предпочтительными. Для реализации этих моделей может потребоваться наличие в ГИС подсистем поддержки принятия решений. Они должны помогать человеку сформулировать проблемы, создать подходящие модели и оценить результаты, которые эти модели могут предсказывать. Реализации функций принятия решения в ГИС служат специальные экспертные подсистемы, объединяющие возможности компьютера со знаниями и опытом эксперта. Одной из их характеристик является способность пояснять ход рассуждений в понятной для спрашивающего форме. Она основана на наборе формальных решающих правил, называемых программированием. В каждое из таких решающих правил заложено знание конкретной ситуации, т.е. модель поведения человека в этой ситуации, что и позволяет относить экспертные системы к системам искусственного интеллекта.
Ценность географической информации в системах поддержки принятия решений особенно возрастает с включением в ГИС программных средств, базирующихся на технологиях и методах искусственного интеллекта – раздела информатики, связанного с моделированием разумной деятельности человека с помощью компьютера.
Источник