Применение картографического метода в научных исследованиях

При картографическом методе исследования возможны различные варианты использования карт: непосредственный анализ отдельных карт; анализ сопряженных карт разной тематики; сопоставление разновременных карт; сравнительное изучение карт-аналогов; анализ, связанный с преобразованием картографического изображения; разложение картографического изображения на составляющие и т.д.

Особенности и возможности использования карт при картографическом методе во многом зависят от характера самих карт и целей исследования. Взгляд на карты как на пространственные модели геосистем проясняет влияние типа карт. Отраслевая карта, содержание которой ограничено одним из элементов геосистемы или даже его отдельным признаком, допускает лишь изучение пространственного размещения этого элемента (или признака), если необходимо с его количественными характеристиками (величины, интенсивности и т.п.). Комплексная карта, объединяющая ряд элементов геосистемы, открывает путь к исследованию их взаимосвязей и функционирования и, следовательно, сильно расширяет возможные пределы исследования. Но полную силу комплексное картографирование приобретает в сериях карт, что определяет большую эффективность совместного анализа сопряженных карт геосистем.

Наиболее доступен и распространен непосредственный анализ отдельных карт. При отсутствии специальной подготовки, технических средств и достаточного времени иногда ограничиваются визуальным изучением карты. Оно одинаково применимо для малых и больших пространств и, несмотря на кажущуюся простоту, может приводить опытного исследователя к многим интересующим его выводам. Например, топографические карты хорошо выявляют структуру гидрографической сети, типы рельефа, характер сельскохозяйственного расселения - его связь с природными условиями и т.д. В глобальном масштабе благодаря визуальному анализу были открыты и изучены явления широтной зональности, - а также выдвинуты предположения о меридиональных и секториальных закономерностях, обнаруживаемых на тектонических, морфоструктурных, климатических, почвенных и геоботанических картах земного шара. Привлечение других способов анализа обычно расширяет спектр выводов и, главное, усиливает их доказательность. Эти возможности возрастают еще более при совместном использовании ряда карт, а также при целенаправленном преобразовании их содержания и способов изображения.

Совместный анализ карт разной тематики широко используется для изучения пространственных связей и зависимостей, например между рельефом, почвами и растительностью. Он позволяет устанавливать пространственное соответствие явлений и тем самым дает конкретным наукам и практике основу для дальнейших исследований по выявлению причинно-следственных связей. Очень продуктивен совместный анализ карт заведомо взаимосвязанных явлений, например осадков, поверхностного стока и испаряемости, позволяющий приходить к заключениям о водном балансе территории, ее увлажнении, пополнении подземных вод и т.д. Важно, что карты представляют хорошие возможности для изучения взаимосвязей, непосредственно в натуре не наблюдаемых, например почвенно-климатических условий и заболеваемости населения. Массу иллюстраций возможностей совместного анализа карт дает Атлас океанов (1974-1980). Например, сопоставление карт физических свойств водных масс Мирового океана с биогеографическими картами позволяет установить зависимость локализации растительных и животных организмов от определенных температурных и гидрохимических условий. Вообще комплексные атласы и серии карт как многостороннее отображение геосистем особенно продуктивны для исследования взаимосвязей, зависимостей и развития природных и социально-экономических явлений.

Простейший способ сопоставления карт - визуальный с ориентировкой по топографической основе. Более точный результат дает совмещение карт, например при помощи оптического проектора. Чтобы облегчить совмещение, сопряженные карты можно печатать на прозрачных пластиках, накладываемых друг на друга. Подобные приемы открывают непосредственно полное или частичное совпадение явлений, их обратные соотношения, систематические смещения и т.п. Количественные характеристики взаимосвязей, в частности взаимозависимостей, не являющихся строго функциональными, т.е. корреляцией, можно находить приемами математической статистики по выборкам с сопряженных карт.

Совместный анализ разновременных карт, показывающих изменения в пространственном положении и состоянии явлений, открывает путь к изучению динамики и развития исследуемых геосистем или их элементов. Это могут быть карты, отображающие действительность на момент их изготовления (например, топографические карты по съемкам разных лет), либо карты, составленные по разновременным источникам, например по переписям населения, проводимым каждое десятилетие. Интервалы разновременных карт устанавливаются сообразно характеру исследуемых явлений: при анализе синоптических процессов по картам интервалы ограничиваются часами, а при изучении вековых движений земной коры возрастают до десятков лет или даже столетий. При сопоставлении разновременных карт выявляются: изменения в пространственном положении явлений например перемещения береговой линии, ареалов расселения животных и т.п.; изменения в состоянии явлений, например, рост населенных пунктов, повышение класса дорог и т.п.; замещения одних явлений другими (распашка целинных земель, смена породного состава лесов и т.п.); ритмы сезонных и других периодических явлений; общие тенденции развития явлений. При этом возможно не только измерять о также определять их направления, средние скорости и некоторые другие характеристики.

Сравнительное изучение карт-аналогов, т.е. карт, изображающих территории, сходные в каких-либо свойствах или отношениях, позволяет переносить с некоторой долей вероятности значения, полученные для доступных и хорошо изученных пространств на менее доступные и изученные. Например, выявление по картам таежной зоны СССР и Канады сходных ландшафтов допускает в качестве гипотезы экстраполяцию закономерностей, найденных для ландшафтов СССР, на аналогичные ландшафты Канады. Подобная методика заслуживает внимания при прогнозировании природных явлений в труднодоступных районах земного шара или при проектировании мер борьбы с неблагоприятными условиями окружающей среды - вечной мерзлотой, сейсмичностью и т.д.

Изучение карт аналогов распространяется теперь за пределы земного шара, в частности получило признание в планетологии. Картографический анализ морфометрических показателей и статистических характеристик земных и лунных кольцевых структур, ориентировки систем линеаментов, общего распределения материков, океанов, морей обнаруживает сходства в строении этих двух тел. При (всем различии геологического развития Земли и Луны морфологическое подобие форм их рельефа может служить основанием для прогноза внутреннего строения, состава и генезиса лунных образований.

Преобразование картографического изображения заключается в получении производных карт, специально предназначенных и удобных для анализа с конкретными целями. Этот способ использования карт требует от исполнителей специальной картографической подготовки и, вообще, связан с переработкой имеющихся карт строго в рамках выполняемого исследования. Например, составление по гипсометрической карте производных морфометрических карт (крутизны склонов, глубины и густоты расчленения), когда они предназначены для включения в научно-справочный комплексный атлас и могут быть использованы для решения многих задач, относится к картографированию вообще. Но сходные преобразования гипсометрической карты для целей конкретного исследования принадлежат картографическому методу, например, для прогнозирования процессов эрозии, когда карта крутизны склонов непосредственно выделяет участки, где смыв практически отсутствует, где распашка опасна, и т.д.

В общем преобразование карт при картографическом методе исследования состоит в переработке исходной модели ради ее упрощения или, напротив, дополнения для введения в модель новых показателей и характеристик, лучше удовлетворяющих интересы конкретного исследования. Процесс такого преобразования может оказаться многоступенчатым. Так, карту крутизны склонов, полученную по карте с горизонталями, можно подвергнуть новым переработкам, чтобы получить карты экспозиции и солнечной освещенности склонов.

Задачи преобразования различны:

упрощение карт посредством сохранения на них только тех элементов или показателей, которые полезны для конкретного анализа, например сохранение на карте крутизны склонов только тех градаций крутизны, которые интересны для сельского хозяйства (выделяют участки, где смыв практически отсутствует, где распашка опасна и т.д.) либо в дорожном строительстве и т.п.; переход к обобщенным изображениям, отражающим главные черты объектов (например, замена реальных горизонталей схематизированными, проведенными касательно к первым на линиях основных водоразделов, в результате чего на карте выступают крупные первичные формы рельефа и устраняются наложенные формы эрозионного и денудационного расчленения);

введение в карты новых показателей, лучше удовлетворяющих интересы проводимого исследования, например замена абсолютных величин относительными показателями, облегчающими сопоставление явлений разной размерности; скажем, переход от значковой карты размещения населения и карты с ареалами пашен к картограммам плотности населения и распаханности земель, рассчитанным по общей сетке территориального деления;

замена одних способов изображения другими, более удобными для сравнительного анализа (например, переход к изолиниям на картах стока, упрощающим сопоставление этих карт с картами осадков и испарения и последующее суждение о водном балансе).

Весьма распространен переход от способов непрерывного (континуального) отображения пространства к дискретным и наоборот. Перевод непрерывного изображения в дискретное состоит в определении и фиксации показателей непрерывного явления - количественных или (и) качественных (например, глубин и грунтов морского дна) в некоторой сети точек, которая может быть регулярной или избирательной,, намечаемой с учетом особенностей размещения явления, в частности его максимумов и минимумов. Такой переход необходим для получения выборочных данных при математико-статистическом анализе явлений и вообще при автоматизированных способах исследования.

Переход к непрерывному изображению дискретных явлений состоит в применении для них картограмм или псевдоизолиний, характеризующих плотность явлений или интенсивность их количественных характеристик (например, запасов природных ресурсов, объемов или: стоимости произведенной продукции и т.п.). Псевдоизолинии предпочтительны при плавном изменении показателей. Изолинейные карты плотности строят по точкам - центрам площадок постоянного размера (при данном преобразовании), в пределах которых посредством палеток исчисляют среднюю плотность или интенсивность исследуемого явления. Такими площадками могут быть ячейки сплошной регулярной сетки, ячейки перекрывающейся регулярной сетки и частично покрывающие карту ячейки дискретной сетки - регулярной, случайной (устанавливаемой по таблице случайных чисел) и избирательной, учитывающей своеобразие размещения явлений. Заметим, что изменение вида сетки и, главное, размера ее ячеек может сильно влиять на рисунок псевдоизолиний. Увеличение площади ячеек ведет к сглаживанию "рельефа", передаваемого изолиниями, т.е. к стиранию контрастов в размещении дискретных явлений. Вообще говоря, размер ячеек сообразуют с величинами изучаемых структур и детальностью преобразуемой карты. Увеличение ячеек как бы связано с переходом к отображению структурных единиц более высокого порядка.

Классические изолинейные карты и изолинейные карты плотностей, воспроизводящие непрерывное распределение количественных признаков разнообразных природных и социально-экономических явлений, известны как карты полей. Они удобны для автоматизированных способов составления и анализа и потому находят возрастающее применение в картографическом методе исследования.

Особый вид преобразования cocтоит в разложении картографического изображения на составляющие, показывающие раздельно компоненты (факторы) сложного явления - основные, имеющие повсеместное распространение (или воздействие), и локальные ограниченного действия. При этом суммарная характеристика явления или воздействующих на него факторов представляется в виде исходной анализируемой поверхности, разлагаемой в процессе исследования на две: основную, или фоновую, отображающую основной компонент, и остаточную, передающую второстепенные компоненты (локальные факторы).

Анаморфозы не позволяют восстанавливать по деформированным изображениям реальные значения длин, площадей или других пространственных характеристик и потому не принадлежат к картографическим моделям (от которых заимствуют язык и широкое использование абстракций). Реальные пространственные очертания на них нередко заменяют абстрактными геометрическими фигурами, лишь в самой общей форме отражающими взаимное размещение сопоставляемых явлений При размещении подобных фигур в ряд по ранжиру величин теряется топологическое соответствие, но облегчается зрительное сравнение величин.

Заметим также, что для простых топологических моделей не обязательно выполнение по картам. Таковы, например, помещенные в вагонах метро прямолинейные схемы отдельных линий, показывающих только последовательность станций и места пересадок.

Ранее преобразование карт в анаморфозы ограничивалось сложностью и субъективностью этого процесса. Теперь предложена методика математического расчета преобразования на ЭВМ и автоматизированного построения на графопостроителе. Высказываются мнения, что анаморфозы найдут большее применение для наглядной иллюстрации географических отношений и будут использоваться в целях прогноза, например развития диффузионных процессов.

Картографический метод находит разнообразное и эффективное применение во многих естественных и социально-экономических науках. Они обращаются к нему при теоретических исследованиях и при практической разработке проблем рационального природопользования, охраны окружающей среды, планирования и управления, комплексного развития республик и регионов, а также многих других. Специфика же использования метода различными науками, определяемая их предметом и задачами, а также особенностями комплексирования картографического метода с особенностями методами конкретных наук, рассматривается в соответствующих отраслях тематической картографии, например геоморфологической, геоботанической, экономической, населения и др.

Иногда визуальный анализ достаточен, чтобы установить общие закономерности размещения, но чаще он образует вводную часть исследования. Картометрические работы позволяют подкрепить, уточнить и детализовать первоначальные выводы количественными характеристиками. Например, общие представления о распределении земельных ресурсов сельского хозяйства, получаемые при анализе почвенных карт, могут быть конкретизированы посредством измерения площадей. Переработка карт может заметно усиливать, как бы обнажать изучаемые закономерности. Например, во втором томе Морского атласа (1958) трансформация мировых карт средних годовых температур января и июля в карты их уклонений от средних температур на соответствующих широтах отразила ярче влияние материков, теплых и холодных течений на глобальное распределение температур.

Одной из интересных и широко известных теорий нашего века стала теория центральных мест, выдвинутая немецким ученым В. Кристаллером и в последующем развитая А. Лешем. Данная теория, возникшая в результате анализа карт, устанавливает порядок во взаимном расположении сети крупных и мелких населенных пунктов в виде правильных геометрических сетей в пространстве. Суть теории центральных мест В. Кристаллер описал следующим образом: "Я соединил на карте прямыми линиями города одинаковых размеров. При этом карта заполнялась треугольниками, часто равнобедренными; расстояния между городами одинаковой величины были приблизительно равны и образовывали шестиугольники. Я установил, что в Южной Германии маленькие города очень часто и очень точно расположены на расстоянии 21 км один от другого. Было ясно, что я для своего регионального исследования создал общую теоретическую схему. Я прежде всего создал, как теперь говорят, абстрактную экономическую модель, хотя в действительности ее нигде нельзя встретить в чистой форме. Горы, различия в почвах, разная плотность населения, условия дохода, социальная структура населения, историческое развитие и политические факторы вносят отклонения в эти модели".

Переработка карт лесов, кормовых угодий, полезных ископаемых и т.д. (показывающих явления в их действительном дискретном размещении) в географически менее точные карты "полей плотности" (в псевдоизолиниях) выявляет отчетливее тенденции территориального нарастания или убывания ресурсов. Наглядность и обзорность карт также благоприятны при обращении к задачам большей сложности - к изучению структуры явлений, т.е. образующих эти явления элементов, их расположения, взаимосвязей, соподчиненности. Уже простейшая гидрографическая карта (рис.10, а) показывает строение речной сети, резкие контрасты в ее густоте, соподчиненность рек. Топографические карты незаменимы для изучения взаимоотношений между гидрографической сетью, рельефом и растительностью, а также для выяснения влияния природных условий на сельское расселение, проложение дорожной сети и т.п. Внимательного изучения топографической карты нередко достаточно, чтобы усмотреть зависимость размещения лесов от рельефа, например по мелким западинам или котловинам (колки в Западной Сибири), узкими полосами по долинам в безлесных областях (галерейные леса) и т.п.

Исследование пространственных взаимосвязей, составляющее кардинальную задачу многих наук о природе и обществе, принадлежит к наиболее сильным сторонам картографического метода. Оно распространяется на изучение как внутренних, так и внешних связей, на выявление силы связей, их пространственной изменчивости и ведущих факторов, что необходимо для познания функционирования и развития геосистем.

Пределы исследований и выводов о взаимосвязях явлений расширяются при совместном анализе карт разного содержания, особенно входящих в комплексное картографирование. Очень плодотворно сопоставление топографических карт с отраслевыми тематическими картами: геологическими, почвенными, геоботаническими и др. Например, анализ природных взаимосвязей по топографической и почвенной картам, скажем, в условиях Алтайского края, позволяет установить приуроченность многих почвенных контуров к элементам рельефа: солонцов и солончаков - к приозерным понижениям, лугово-черноземных почв - к днищам балок и долин, аллювиальных почв - к речным поймам и т.п. Эта приуроченность находит отражение и в закономерном рисунке почвенных контуров: у солонцов и солончаков - округлых, совпадающих с границами староозерных котловин, у лугово-черноземных почв - сходных с очертаниями горизонталей, и т.д. Другой пример - исследование по картам зависимости густоты гидрографической сети от геологического строения местности в пределах одной климатической зоны.

Очень важно, что карты предоставляют хорошие возможности для изучения взаимосвязей явлений, непосредственно в натуре не наблюдаемых, например гео- и гидрохимических условий территорий и заболеваемости населения от недостатка или избытка определенных химических элементов и соединений. Совместный анализ двух или нескольких карт хорошо выявляет полное или частичное совпадение явлений, их обратные соотношения, систематические смещения и т.п.

Взаимосвязи элементов, изображенных на разных картах, нередко приобретают наглядность при графическом анализе - в результате построения совмещенной блок-диаграммы и особенно совмещенного профиля, например сочетающего рельеф, почвенный покров и растительность. С этой же целью иногда прибегают к преобразованиям картографических изображений. Например, переход к псевдоизолиниям дает наглядное представление о мере соответствия "полей плотности" и позволяет далее строить, совмещать и сопоставлять "профили плотности" исследуемых явлений (рельефа и лесистости, осадков и урожайности и т.п.).

Использование карт для выяснения и количественной характеристики пространственных связей не представляет трудностей, когда эти связи строго функциональны (например, определение крутизны скатов по разностям высот). Задача осложняется, когда явление зависит от ряда других, т.е. определяется не одним, а несколькими факторами, или когда возникает (необходимость в количественной характеристике связей двух явлений, зависящих от нескольких условий, среди которых есть общие для обоих исследуемых явлений.

Для количественной характеристики связей, не являющихся строго функциональными, прибегают к вычислению корреляционных зависимостей - коэффициентов корреляции или корреляционных отношений по выборкам конкретных значений исследуемых явлений, определяемых в идентичных точках карт этих явлений.