Интеграция картографии, геоинформатики и дистанционного зондирования

«Большая картография» или интеграция картографии, геоинформатики и дистанционного зондирования[1]

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.

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

· единство объекта исследования и общность цели – отображение и познание окружающего мира (от Вселенной до ландшафтной фации) · единство методов моделирования – графического, графо-математического,… · сходство процессов зрительного и психологического восприятия и распознавания человеком любых иконических…

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

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 (j, l, H). 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

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

 

Наконец, к аудио-переменным можно отнести звучание речи (чтение тестовых пояснений, подсказок) и музыкальное сопровождение (например, исполнение мелодии, создающей весеннее настроение, гимна страны и т. п.). Для усиления эффекта реалистичности применяют аудиоклипы с записями грохота извергающегося вулкана, движения поездов, пения птиц. Впечатление приближающейся опасности (например, нарастание риска схода лавины) создает усиление «беспокоящего» шума вместе с появлением красноватых (алармистских) тонов и «тревожным» миганием знаков.

Особенности языка геоизображений проявляются, в частности, в том, что они нередко существует не только сами по себе (изолировано), но и в конкретной виртуальной среде. Эти новшества еще не вполне освоены и осмыслены. Глубокое их изучение позволит найти способ управлять коммуникативными свойствами геоизображений.

Перспективы интеграции

Анализ показывает, что картография, геоинформатика и дистанционное зондирование разными, но весьма близкими средствами, моделируют, а, значит, изучают, одни и те же объекты – пространственно-временные природные, социальные и хозяйственные геосистемы. В одном случае, средством познания служат знаковые графические, в другом – электронно-графические, а в третьем – фотографические (снимковые) модели. В разных аспектах и с разной подробностью они отражают геометрические, фотометрические и динамические характеристики геосистем.

Обратим внимание еще на одно обстоятельство: рассматриваемые отрасли знаний одинаково предстают в трех ипостасях:

· как науки, изучающие геосистемы;

· как технологии (например, технологии создания карт, ведения космических съемок, проектирования ГИС);

· как отрасли производства, выпускающие товарную продукцию (карты, атласы, снимки, цифровые базы данных).

Именно поэтому научные исследования в каждой из отраслей могут принадлежать к сферам естественных и технических наук (достаточно сослаться на установки ВАК о присуждении научных степеней).

Термин «большая картография», использован в названии этой статьи лишь как гипербола, для привлечения внимания к проблеме интеграции. На самом деле, картография не может быть ни «большой» ни «малой». Речь идет об обновлении, существенном расширении сферы интересов, круга задач и состава потребителей. Более того, есть основания полагать, что интеграционные тенденции на долгое время останутся определяющим фактором развития. С известной долей условности можно считать, что формирование «большой картографии» пойдет следующими путями:

· тесное взаимодействие на уровне методов и технологий сбора, хранения, обработки, преобразования и визуализации пространственно-временной геоинформации

· создание общей теории геоизображений и системной концепции их применения для познания природных, социальных и хозяйственных геосистем

· формирование единых организационных структур на уровне государственных служб и частных предприятий

· разработка общих национальных и международных нормативов, подготовка и принятие единых научно-технических стандартов пространственной информации и метаданных

· интеграция научной и образовательной деятельности, проведение единых национальных и международных форумов, создание учебных подразделений, комплексных специализаций, университетских курсов, учебников и пособий, подготовка образовательных стандартов, популяризаторская деятельность и т. п.

Расширяющаяся интеграция трех близких по предмету и методу отраслей науки постоянно «затягивает» в свою сферу другие разделы и направления. Выше уже были отмечены, как наиболее яркие примеры, технологии глобального спутникового позиционирования и системы телекоммуникации. Можно добавить, что в этот процесс широко вовлечены смежные науки о Земле, а также многие разделы психологии восприятия, семиотики, иконики, теории распознавания образов, теории индикации и др.

Науковедческий прогноз – дело неблагодарное. В истории картографии не раз бывало, что технологические прорывы существенно меняли тенденции развития, опрокидывая самые смелые предположения. Так произошло с изобретением картопечатания, появлением оптических, а потом электронно-оптических геодезических инструментов, с началом космических съемок, развитием цифровых технологий, созданием глобальных компьютерных сетей и т. д.

Можно выделить три этапа взаимодействия картографии, геоинформатики и дистанционного зондирования:

· первоначальный этап – комплексирование разных методов, поиск их рационального сочетания

· современный этап – интеграция, проявляющаяся в усилении связей, синтезе методик и средств изучения геосистем

· перспектива – конвергенция, то есть взаимопроникновение, пересечение наук и даже формирование единой научной отрасли. Опыт показывает, что первые шаги в этом направлении уже сделаны.

Разумеется, говоря об усиливающейся интеграции и о возможной конвергенции, нельзя забывать и о продолжающейся дифференциации картографии, геоинформатики и аэрокосмического зондирования, появлении в них новых отраслей и ответвлений. Оба процесса идут совместно, обогащая и подкрепляя друг друга.

В заключение отметим, что интеграция картографии, геоинформатики и дистанционного зондирования уже сегодня служит основой для усиления интеграционных процессов в науках о Земле, включая их взаимодействие между собой, а также комплексирование с социально-экономическими и экологическими отраслями знания для решения общих проблем. Единый язык и общий метод образуют для этого естественную основу. Достаточно вспомнить, каким мощным интеграционным потенциалом в естествознании обладают математика и кибернетика.

Литература

Берлянт А.М. Интеграция картографического и аэрокосмического методов // Геогр. картография. Взгляд в будущее. М.: изд-во Моск. ун-та. 1985.

Берлянт А.М. Геоиконика. М.: Астрея. 1996.

Жуков В.Т., Сербенюк С.Н., Тикунов В.С. Математико-картографическое моделирование в географии. М.: Мысль. 1980.

Книжников Ю.Ф. Аэрокосмическое зондирование и картография. Снимок и карта. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. геогр. 1988. № 6.

Мартыненко А.И. Электронная Земля // Геодезистъ. 2001. № 1.

Родионов Б.Н. Динамическая фотограмметрия. М.: Недра. 1963.

Серапинас Б.Б. Виртуальные геоизображения и их математическая основа // Интеркарта-8: ГИС для устойчивого развития территорий. Матер. Междунар. конф. Хельсинки – СП-б. 2002.

Смирнов Л.Е. Аэрокосмические методы географических исследований. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та. 1975.

Шануров Г.А., Мельников С.Р. Геотроника. Наземные и спутниковые радиоэлектронные средства и методы выполнения геодезических работ. Учеб. пособие. М.: УПП «Репорография» МИИГАиК. 2001.

Tobler W. Analytical Cartography // Amer. Cartogr. 1976. 3(1).

What is Geomatics? // Federal Geomatics Bull. 1992. V. 3, № 2.

[1] Исследование выполнено по грантам РФФИ (N 02-05-64037) и Программы поддержки Ведущих научных школ РФ (НШ-1217.2003.5).