Исследования по картам. Картографический метод исследования. Применение географических карт для научного анализа. Какие бывают карты

Исследования по картам выполняют для изучения размещения и пространственно-временной структуры явлений и процессов, их взаимных соотношений и связей, определения тенденций развития и динамики, получения всевозможных количественных характеристик и оценок, проведения районирования и классификаций, прогноза изменений во времени и пространстве.

Исследования по картам, как и любые другие исследования, включают

несколько этапов:

– постановка задачи – формулирование цели, выделение подзадач, определение требований к точности;

– подготовка к исследованию – выбор картографических источников,

методов, технических средств, алгоритмов и т. п.;

– собственно исследование – получение предварительных, а затем окончательных результатов и рекомендаций, их оценка, создание новых карт;

– интерпретация результатов – содержательный анализ, формирование выводов и рекомендаций, оценка их надежности.

Исследование по картам – это всегда более или менее формализованная процедура. На всех этапах ей должен сопутствовать содержательный географический анализ получаемых результатов, соотнесение их с реальной ситуацией и, если необходимо, корректировка сомой процедуры исследования.

Изучение по картам структуры явлений и процессов – это выявление и анализ их элементов, размещения в пространстве, конфигурации, порядка (уровня) и иерархии. Конечная цель исследования всегда состоит в познании пространственной организации геосистем, их генезиса. Анализ и количественная оценка внутренних и внешних связей и взаимозависимостей между геосистемами, подсистемами и отдельными компонентами – одна из центральных задач наук о Земле.

По разновременным картам, на которых одни и те же объекты изображены в разные моменты времени, можно изучать динамику явлений и процессов, т. е. их возникновение, развитие, изменение во времени и перемещение в пространстве.

Сравнение разновременных карт и карт разной тематики позволяет

перейти к прогнозам на основе выявленных взаимосвязей и тенденций развития явлений.

Прогноз по картам рассматривается как изучение явлений и процессов, недоступных современному непосредственному исследованию.

Существуют три вида прогноза по картам :

– прогноз во времени, основанный на изучении динамических тенденций по разновременным картам;

– прогноз в пространстве, опирающийся на взаимосвязи и аналогии,

установленные по картам разной тематики;

– пространственно-временной прогноз, сочетающий оба названные

выше вида прогноза и позволяющий предсказать тенденции развития и эволюции явления в прогнозируемом пространстве

Определение характеристик по картам

Картометрические исследования заключаются в измерении и исчислении по картам количественных характеристик явлений с оценкой точности получаемых результатов. Определение координат, расстояний, длин, высот, площадей, объёмов, углов и азимутов, уклонов и других топографических характеристик, теория и практическое применение этих определений рассматривается в особом разделе картографии – картометрии.

Картометрия в традиционной разработке ограничивала свои интересы топографическими характеристиками, получаемыми по общегеографическим (топографическим) и морским навигационным картам. Между тем, многие отрасли знания – науки о Земле и её биосфере, экономическая и социальная география – нуждаются в получении по картам разнообразных абсолютных и относительных пространственных показателей, характеризующих формы явлений, их мощность, плотность и интенсивность, количественную структуру и градиенты, отношения соседства и доступности. Выбор показателя относится к задачам названных наук, но в базе определения показателей лежат картометрические измерения по соответствующим тематическим картам.

Большое распространение получили морфометрические расчёты формы и структуры объектов – общего характера их очертаний, вытянутости, извилистости, кривизны, расчленения и т. д., а также статистический анализ плотности распределения и взаимосвязей явлений.

Тематическая морфометрия - ϶ᴛᴏ количественное исследование по тематическим картам форм и структур изображённых на них объектов, к примеру, геоморфологическая морфометрия, изучающая формы и структуры рельефа – размеры, особенности и группировку форм, горизонтальные и вертикальные расчленения.

Интенсивное внедрение автоматизированных приёмов измерений по картам и привлечение ЭВМ для обработки их результатов необыкновенно повышают эффективность и точность картометрических исследований.

Оценка надёжности исследований по картам. Точность, достоверность результатов, получаемых в ходе исследований по картам, оценивается с помощью критерия надёжности, то есть способности картографического метода обеспечивать верное решение поставленной задачи. Иными словами, чем ближе к истине полученный результат, тем надёжнее исследование.

Многообразие научных и практических задач, решаемых по картам, не позволяет создать единые универсальные критерии для оценки надёжности.

На надёжность исследований влияют следующие группы факторов:

1. Организация исследований (погрешности, логические и другие неточности постановки задач исследований, выявления этапов, разработки плана исследований, ошибки подбора исходных картографических материалов, выбор приёмов измерения или алгоритмов математического моделирования, принципов интерпретации результатов и т. д.

2. Надёжность исполнителей, состав, профессиональная подготовка исследователей, их картографические навыки, понимание задач и логики исследования, умение интерпретировать результаты.

3. Картографическая точность – точность самих источников.

4. Техническая точность исследования – надёжность приборов, техники, процедур и других факторов.

5. Особенности исследуемых объектов – чёткость границ и временных пределов, их стабильность, подвижность.

По точности все исследования по картам делятся на три группы:

1. Точные, при которых все измерения и вычисления производят с точностью, максимально возможной для данной карты и приёма анализа.

2. Исследования средней точности, когда по условиям работы считается, что ошибка не должна превышать допустимого предела. В этом случае погрешность, которая существенно меньше заданной точности, вообще не учитывается, это заметно сокращает объём и сроки работ. Избыточную точность, не оправданную практическими целями, следует считать серьёзным методическим просчётом. Погрешности определения длин и площадей при измерениях средней точности доходят до 3–5%, а углов – до 3°. В практических приложениях картографического метода, как показывает опыт, чаще всего удовлетворяют именно такие уровни точности.

3. Приближённые исследования – выполняются с невысокой точностью и обычно необходимы для предварительных оценок и прикидок. Οʜᴎ реализуются без сложных приёмов, часто визуально. К примеру, ошибки измерения длин и площадей при этом составляют 6–10%, а углов – до 8°. Приближённые определения позволяют правильно спланировать дальнейшие, более точные исследования.

При оценке надёжности результатов, получаемых по картам, кроме показателей точности пользуются и такими критериями, как обоснованность, достоверность (это качественный характер) и подтверждаем ость исследований.

Картографическая и техническая точности . Для топографических карт крупных и средних масштабов ошибка положения контуров подсчитывается по формуле:

где отдельные элементарные ошибки, их общее число.

Под элементарными ошибками понимают ошибки, возникающие на разных этапах создания карт. Это ошибки определения координат пунктов государственной геодезической сети, пунктов съёмочного обоснования, съёмки контуров, погрешности составления карты, подготовки к изданию, дефекты полиграфического характера.

Аналогичным образом суммарная ошибка высот на топокарте складывается из ряда элементарных ошибок и определяется по формуле:

Количество и величина элементарных ошибок и зависят от характера территории, времени съёмки, способа составления и издания карты, от степени генерализации. На топокарте крупных и средних масштабов среднее значение ошибки в среднем составляет 0,5-0,75 мм, а считается равным 0,3-0,5h, где высота сечения рельефа на карте. Принято считать, что предельные ошибки, связанные с проекциями обзорно-топографических карт невелики. Так, искажения углов не превышают 5", длин – 0,1%, площадей – 0,2%.

Точность положения контуров, размеров и форм объектов, изображенных на обзорных картах, уже в значительной степени зависит от искажений, вносимых картографической проекцией.

На картах небольших и средних по размеру территорий, таких как области, республики, физико-географические районы, отдельные государства, части материков и океанов, моря, материки Австралия и Антарктида искажения длин составляют обычно около ±0,5-1% и лишь в отдельных местах могут достигать ±3%. На картах крупных территорий (России, материков, океанов, полушарий, мира) искажения в центральных частях не превышают 2-5%, но резко возрастают к периферическим участкам территории или акватории, показанной на карте.

На точность влияет не только погрешность, вызванная масштабом и проекцией карты, но ещё и степенью генерализации и степенью изученности явлений. Все пределы ошибок в положении объектов резко возрастают (до десяти раз) на картах, составленных гипотетически или по неполным данным.

Вместе с тем, недостоверными или спорными могут оказаться научные принципы, положенные в основу составления. Исследования по таким картам не обладают достаточной надёжностью.

В целом по надежности картографические источники, привлекаемые для исследования, можно разделить на четыре класса:

1. Надёжные источники – высокоточные взаимно согласованные карты, не содержащие ошибок и противоречий, подтверждаемые другими независимыми данными (или дополнительным контролем), отвечающие масштабу, точности и детальности исследования.

2. Источники средней надёжности – карты, не содержащие ошибок выше среднего уровня и несогласованностей, соответствующие масштабу, точности и детальности исследования.

3. Источники низкой надёжности – карты, имеющие ошибки выше среднего уровня, неполные или несовременные, мало согласующиеся друг с другом.

4. Неверные источники – карты, содержание которых противоречит установленным географическим (геологическим или любым другим) закономерностям, имеющие грубые ошибки, связанные с неправильным отражением явлений, неточностями составления или преобразования, пересогласованностью и пр.

Из всех факторов, влияющих на надёжность исследования по картам, техническая точность наиболее многоаспектна. Для оценки технической точности при многократных измерениях используют формулы:

1. Средняя квадратическая ошибки одного измерения:

где истинное значение измеряемой величины, результат одного измерения, число измерений.

2. Средняя квадратическая ошибка результата серии измерений в меньше ошибки одного измерения:

Поскольку истинные значения бывает известно лишь в редких случаях, за истинную принимают величину, полученную теоретическим путём или каким-либо особо точным способом, с которым можно сравнить другие, менее точные измерения. К примеру, для оценки точности вероятностного способа измерения длин извилистых линий значения, полученные с помощью палетки, можно сравнить с измерениями, выполненными циркулем-измерителем с малым раствором игл; считается, что такое измерение точнее вероятностного.

3. Когда истинные значения определяемой величины неизвестно, измерения повторяют многократно и берут отклонения не от истинной, а от средней арифметической величины, которая в случае равноточных измерений должна быть принята за вероятностную:

Тогда формулы для средней квадратической ошибки одного измерения и результата серии измерений принимают вид:

К примеру, для более точного определения объёма какого-либо явления с помощью гексагональной объёмной палетки можно подсчитать его величину при многократном наложении палетки, вычислить среднее (наиболее вероятное) значение и оценить точность результата по указанным формулам.

4. Предельная ошибка одного измерения меньше или равна утроенной средней квадратической:

a) Значки ступенчатой шкалы, картограммы, картодиаграммы – 33%;

б) Значки абсолютной непрерывной шкалы – 3–6%;

в) Структурные значки, локализованные диаграммы – 5–10%

г) Точечный способ – 2–3%;

д) Знаки движения: ширина знака – 2,5–5%, азимут знака – 0,8–1,6%;

е) Изолинии – 0,1–0,2% величины расстояния.

Определение характеристик по картам - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Определение характеристик по картам" 2017, 2018.

Картометрия в традиционной разработке ограничивала свои интересы топографическими характеристиками, получаемыми по общегеографическим (топографическим) и морским навигационным картам. Между тем, многие отрасли знания – науки о Земле и её биосфере, экономическая и социальная география – нуждаются в получении по картам разнообразных абсолютных и относительных пространственных показателей, характеризующих формы явлений, их мощность, плотность и интенсивность, количественную структуру и градиенты, отношения соседства и доступности. Выбор показателя относится к задачам названных наук, но в основе определения показателей лежат картометрические измерения по соответствующим тематическим картам.

Тематическая морфометрия – это количественное исследование по тематическим картам форм и структур изображённых на них объектов, например, геоморфологическая морфометрия, изучающая формы и структуры рельефа – размеры, особенности и группировку форм, горизонтальные и вертикальные расчленения.

На надёжность исследований влияют следующие группы факторов:

3. Картографическая точность – точность самих источников.

4. Техническая точность исследования – надёжность приборов, техники, процедур и других факторов.

5. Особенности исследуемых объектов – чёткость границ и временных пределов, их стабильность, подвижность.

По точности все исследования по картам делятся на три группы:

3. Приближённые исследования – выполняются с невысокой точностью и обычно необходимы для предварительных оценок и прикидок. Они осуществляются без сложных приёмов, часто визуально. Например, ошибки измерения длин и площадей при этом составляют 6–10%, а углов – до 8°. Приближённые определения позволяют правильно спланировать дальнейшие, более точные исследования.

где отдельные элементарные ошибки, их общее число.

Кроме того, недостоверными или спорными могут оказаться научные принципы, положенные в основу составления. Исследования по таким картам не обладают достаточной надёжностью.

1. Средняя квадратическая ошибки одного измерения:

где истинное значение измеряемой величины, результат одного измерения, число измерений.

2. Средняя квадратическая ошибка результата серии измерений в меньше ошибки одного измерения:

Поскольку истинные значения бывает известно лишь в редких случаях, за истинную принимают величину, полученную теоретическим путём или каким-либо особо точным способом, с которым можно сравнить другие, менее точные измерения. Например, для оценки точности вероятностного способа измерения длин извилистых линий значения, полученные с помощью палетки, можно сравнить с измерениями, выполненными циркулем-измерителем с малым раствором игл; считается, что такое измерение точнее вероятностного.

3. Когда истинные значения определяемой величины неизвестно, измерения повторяют многократно и берут отклонения не от истинной, а от средней арифметической величины, которая в случае равноточных измерений может быть принята за вероятностную:

Например, для более точного определения объёма какого-либо явления с помощью гексагональной объёмной палетки можно подсчитать его величину при многократном наложении палетки, вычислить среднее (наиболее вероятное) значение и оценить точность результата по указанным формулам.

4. Предельная ошибка одного измерения меньше или равна утроенной средней квадратической:

a) Значки ступенчатой шкалы, картограммы, картодиаграммы – 33%;

б) Значки абсолютной непрерывной шкалы – 3–6%;

в) Структурные значки, локализованные диаграммы – 5–10%

г) Точечный способ – 2–3%;

д) Знаки движения: ширина знака – 2,5–5%, азимут знака – 0,8–1,6%;

е) Изолинии – 0,1–0,2% величины расстояния.

Надежность картографического метода - это его способность обеспечивать верное решение поставленной задачи.

Иными словами, чем ближе к истине полученный результат, тем надежнее исследование. Оценка надежности - довольно сложная и часто неопределенная задача, поскольку погрешность результата зависит от многих причин, из которых одни выявляют, пользуясь методами теории ошибок, картометрии и математической статистики, а другие не имеют точных оценок, и судить о них можно лишь с учетом навыка, опыта, научной зрелости исследователя и других субъективных факторов.

Многообразие научных и практических задач, решаемых с помощью картографического метода исследования, всякий раз требует особого подхода к оценке надежности, поэтому универсальные критерии вряд ли применимы. Тем не менее можно указать причины и основные источники ошибок:

Концептуальные - неточность, неполнота и другие недостатки исходных концепций, неверная интерпретация результатов;

Коммуникационные - ошибки исполнителей, непонимание или неправильное восприятие мыслей, идей, нечеткость формулировок задания, выводов;

Географические - неопределенность или условность пространственных границ и временных пределов самих объектов, изучаемых по картам, приближенные представления о тенденциях их изменения во времени и пространстве и т.п.;

Картографические - неточность карт, по которым ведутся исследования, их неполнота, устарелость;

Технические - погрешности измерений, несовершенство инструментов и оборудования, алгоритмов и программ, незащищенность баз данных.

Многие неточности и ошибки неизбежны, но исследователь всегда должен пытаться учесть их. Важно помнить, что ошибки и неточности появляются на всех этапах исследования - при постановке задач, подготовительных работах, в процессе проведения самого исследования и на заключительном этапе интерпретации результатов.

По точности получаемых результатов все исследования по картам делят на три группы.

Точные исследования, при которых измерения и вычисления выполняют с максимально возможной точностью. При этом стараются тщательно учесть и исключить все ошибки, проводят неоднократные контрольные измерения и независимые вычисления.

Исследования средней точности, когда по условиям работы принимается, что погрешность результата не должна превышать определенного допустимого предела. Тогда погрешности, меньшие заданной точности, вообще не учитываются, что снижает трудоемкость и сокращает сроки работ. Заметим, что избыточная точность, не оправданная практическими целями исследования, - это серьезный методический просчет. Погрешности определения длин и площадей при измерениях средней точности доходят до 3-5%, а углов - до 3°. В географических исследованиях, как показывает опыт, такой уровень точности оказывается вполне приемлемым.

Приближенные исследования, выполняемые с невысокой точностью, обычно нужны для предварительных оценок и прикидок. Их проводят без использования точных инструментов, часто визуальным путем. Ошибки измерения длин и площадей при этом составляют 6-10%, а углов - до 8°. Приближенные определения позволяют правильно спланировать дальнейшие, более точные исследования.

О надежности исследований по картам 257

щественно лишь то, что предсказываемое явление недоступно прямому изучению в настоящее время.

В основе прогноза лежат картографические экстраполяции,

понимаемые в широком смысле как распространение закономерностей, полученных в ходе картографического анализа какого-либо явления, на неизученную часть этого явления, на другую территорию и (или) на будущее время. Картографические экстраполяции, как и любые другие (математические, логические), не универсальны. Их достоинство в том, что они хорошо приспособлены для прогнозирования и пространственных, и временных закономерностей. В практике прогнозирования по картам широко применяют также известные в географии методы аналогий, индикации, экспертные оценки, расчет статистических регрессий и др. Существуют три вида прогноза по картам:

прогноз во времени, основанный на экстраполяции динамических тенденций, выявленных по разновременным картам;

прогноз в пространстве, опирающийся на взаимосвязи и аналогии, установленные по картам разной тематики;

пространственно-временной прогноз, сочетающий оба названных выше вида прогноза и позволяющий предсказать тенденции развития и эволюции явления в прогнозируемом пространстве.

При картографической экстраполяции особое значение приобретают карты фоновых поверхностей (см. разд. 13.2). С их помощью можно предсказать главные, определяющие, фоновые черты явления, не вдаваясь в детали, частности и возможные случайные отклонения. Карты фоновых поверхностей в равной мере пригодны для прогноза во времени и пространстве. Так, имея серию фоновых поверхностей ФП-А, ФП-В, ..., ФП-1Ч, можно с помощью регрессионных моделей экстраполировать значение ФП-И+О, где N+(2 - прогнозируемая поверхность (если дается прогноз в пространстве) или прогнозируемое состояние (если речь идет о прогнозе во времени). Кроме того, модели фоновых поверхностей применимы и для интерполяции. По серии карт ФП-А, ФП-В, ..., ФП^ можно рассчитать поверхность ФП-К, где значение К находится в интервале А < К < N.

Географические прогнозы во времени классифицируют по упреждению или заблаговременности. Различают прогнозы долгосрочные (несколько десятилетий), среднесрочные (10-15 лет), краткосрочные (три-пять лет) и сверхкраткосрочные (менее года). Это

деление, однако, достаточно условно. Многое зависит от природы

самого явления (см. разд. 8.6).

Достоверность прогнозных карт зависит от заблаговременности

и дальности экстраполяции, характера самого явления, его стабильности или подвижности, цикличности, от достоверности и полноты исходных карт, а также от устойчивости выявленных- тенденций, тесноты взаимосвязей, что во многом определяется самой методикой прогнозирования. В зависимости от степени достоверности различают карты предварительного, вероятного и весьма вероятного прогноза, а также карты перспективного расчета (см. разд. 8.5).

13-6. О надежности исследований по картам

Надежность картографического метода - это его способность обеспечивать верное решение поставленной задачи. Иными словами, чем ближе к истине полученный результат, тем надежнее исследование. Оценка надежности - довольно сложная и часто неопределенная задача, поскольку погрешность результата зависит от многих причин, из которых одни выявляют, пользуясь методами теории ошибок, картометрии и математической статистики, а другие не имеют точных оценок, и судить о них можно лишь с учетом навыка, опыта, научной зрелости исследователя и других субъективных факторов.

концептуальные - неточность, неполнота и другие недостатки исходных концепций, неверная интерпретация результатов;

коммуникационные - ошибки исполнителей, непонимание или неправильное восприятие мыслей, идей, нечеткость формулировок задания, выводов;

географические - неопределенность или условность пространственных границ и временных пределов самих объектов, изучаемых по картам, приближенные представления о тенденциях их изменения во времени и пространстве и т.п.;

картографические - неточность карт, по которым ведутся исследования, их неполнота, устарелость;

258 Глава XIII. Исследования по картам

♦ технические - погрешности измерений, несовершенство инструментов и оборудования, алгоритмов и программ, незащищенность баз данных.

По точности получаемых результатов все исследования по картам делят на три группы.

Точные исследования, при которых измерения и вычисления выполняют с максимально возможной точностью. При этом стараются тщательно учесть и исключить все ошибки, проводят неоднократные контрольные измерения и независимые вычисления. Например, при точных исследованиях погрешности измерения длин и площадей по картам не должны превышать 1%, а углов - Г.

Исследования средней точности, когда по условиям работы принимается, что погрешность результата не должна превышать определенного допустимого предела. Тогда погрешности, меньшие заданной точности, вообще не учитываются, что снижает трудоемкость и сокращает сроки работ. Заметим, что избыточная точность, не оправданная практическими целями исследования, - это серьезный методический просчет. Погрешности определения длин и площадей при измерениях средней точности доходят до 3-5%, а углов - до 3°. В географических исследованиях, как показывает опыт, такой уровень точности оказывается вполне приемлемым.

Приближенные исследования, выполняемые с невысокой точностью, обычно нужны для предварительных оценок и прикидок. Их проводят без использования точных инструментов, часто визуальным путем. Ошибки измерения длин и площадей при этом составляют 6-10%, а углов - до 8°. Приближенные определения позволяют правильно спланировать дальнейшие, более точные исследования.