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.
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.
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
Наряду с математическим и статистическим картографический метод изучает исходную информацию и обладает различными способами её обработки. Так проводятся исследования с помощью построения географических карт с особыми образно-знаковыми пространственными моделями. Картографический метод незаменим в системе методов по изучению народонаселения, например.
Модель Земли
На географических картах - уменьшённых обобщённых изображениях плоскости земной поверхности - хорошо прослеживаются связи, сочетания, размещение объектов и явлений, которые отбираются и характеризуются соответственно назначению данной карты. Картографический метод используется в географии, этнографии и целом ряде других наук, а также в практической деятельности, поскольку он высоко информативен, нагляден и метричен, то есть доступен для разного рода измерений.
Например, сведения о демографии и расселении народов тоже содержатся в так называемых топографических картах (общегеографических). Такие карты получили распространение ещё в середине XIX века. На них видны плотность, численность, даже потенциал расселения, типы поселений, состав и воспроизводство людей, их миграция и многое другое.
Какие бывают карты
Для изучения населения планеты есть карты антропологические и этнографические, где можно наблюдать расселение народов, распространение национальных культур, быта, антропометрические характеристики. Очень велико значение картографического метода в изучении социальных и экономических характеристик, на картах отображены и социальное положение, и уровень жизни в регионах, и трудовые ресурсы, и их использование и многое, многое ещё.
В картографии используется особая знаковая система, особые способы изображения - картографические, со значками, диаграммами, картограммами, применяется точечный способ, ареалы, изолинии, разное качество фона, знаки движения - существенные или пространственные, отображающие свойства объектов. Карта по географии может быть физической, политической, геологической, ландшафтной и так далее. Видов довольно много.
Классификация
Классифицируют карту по географии посредством её назначения или по территориальному признаку, по масштабу, по содержанию. Последнее - наиболее важно. Именно содержание относит ту или иную карту к тематическому виду или общегеографическому. Прежде всего нужно смотреть на территориальный охват: изображён на ней отдельный регион, страна, материк или это карта мира. Далее - способы картографического изображения, в том числе и масштаб. Различают карты мелкомасштабные, среднемасштабные и крупномасштабные. Разумеется, точность и детальность в них будут различаться.
Важно знать и назначение карты, то есть для чего она предназначена. Если существует применение географических карт для научного анализа - это научно-справочные карты. Предназначенные для популяризации идей или отдельных знаний - культурно-образовательные. Есть множество видов учебных карт, которые играют роль наглядных пособий, по которым изучаются такие науки как история, география, геология и много других дисциплин. Среди них особое место занимают карты контурные.
Если в процессе решения каких-либо технических задач нужно отобразить определённые условия и объекты, используются технические карты. Широко распространены карты туристические, где изображены все населённые пункты с ориентирами, достопримечательностями, маршрутами передвижения, местами отдыха, ночёвок и так далее по видам туризма. Способы картографического изображения здесь очень похожи на карты навигационные, дорожные.
Физические общегеографические карты отображают всё, что касается географических явлений - весь рельеф и вся гидрография, характеристики растительного почвенного покрова, все населённые пункты и хозяйственные объекты, все границы и коммуникации. Государственная служба картографии занимается и регистрацией объектов, и кадастром. Это Росреестр. Крупномасштабные физические карты со всеми объектами местности называют топографическими, а такие же среднемасштабные топографически-обзорными. Мелкомасштабные физические карты всегда только обзорные.
Тематика
Тематически карты значительно отличаются друг от друга. Они могут показывать всё - от расположения объектов до динамики и взаимосвязей природных явлений, от социальной сферы и экономики до прироста и убыли населения. Можно разделить карты по тематическому признаку на две группы: те, что исследуют природные явления, и те, что посвящены явлениям общественным. Картография - наука довольно древняя, можно начинать её изучения буквально с наскальных рисунков. Но по-настоящему своё развитие она получила не так давно. Особенно этот процесс ускорился с началом освоения воздушного пространства и космоса.
Так были составлены подробнейшие карты природных явлений, которые охватывают абсолютно всю природную среду во всех её комбинациях. Это карты геологические и геофизические, с подробностями поверхности земли и океанского дна, климатические и метеорологические, ботанические и океанографические, почвенные и гидрологические, карты географических и физических ландшафтов и полезных ископаемых и так далее. Общественно-политическим картам здесь уже было уделено внимание, однако полный список их тоже выдать довольно сложно.
Методы использования картографии
Помимо карт, где рассказывается всё о населении, есть исторические, политические, экономические и социально-географические карты, и каждый из этих подвидов тоже имеет структурное разделение, весьма разветвлённое. Пример картографического метода в географии - экономические карты. Там есть и промышленность - общая и отраслевая, и сельское хозяйство, и и транспорт, и связь, и многое ещё, что изучается подетально. Всегда используется особая знаковая система, что является основой картографического метода исследования в практически любой науке, а материал для выполнения картографических работ всегда предоставляет статистика.
Из методов использования карт в научном анализе применяются очень многие, среди которых наиболее актуальны графические приёмы, визуальный анализ, картометрические работы (измерение координат, расстояний, расчёт густоты населения и равномерности залегания полезных ископаемых и тому подобное), математический и статистический анализ, математическое моделирование, построение производных карт после переработки картографических изображений и так далее. В любом случае основа картографического метода исследования - опора на точность и достоверность статистики.
Применение
Научный анализ сегодня невозможно представить без помощи картографического метода. Всё изучение Земли строится на нём: геология, география, геохимия, геофизика, океанология и вся планетология результаты исследований помещают на карты, затем обобщают их и анализируют. Так формируются и формулируются новые гипотезы, так составляются и проверяются прогнозы. Практически все отрасли знаний в разной мере, но опираются на картографирование.
Например, геоморфология всю структуру составляет из сведений о рельефе, которые получены из топографических карт. А для медицинской географии составляются карты с ареалами возникновения эпидемий и болезней по социально-экономическим и природным картам. Самый яркий пример - планетология. Закономерности поверхностного строения нашей планеты и любых других небесных тел составляются на основе карт и снимков. Так мы познаём океанское дно, где так же, как и дальнем космосе, никогда не побывал человек. Метод картографии даёт всем наукам единый язык, с помощью которого познаётся мир. Не могут обойтись без картографии ни электроника, ни физика, ни техника, так же, как без математики.
Связи с науками
С картографией связаны теснейшим образом почти все социально-экономические, философские, естественные, технические науки и почти все научные дисциплины, поскольку взаимодействие происходит со всеми отраслями знаний. Наиболее тесно связан картографический метод познания с науками о планетах - географические, экологические, геологические и многие другие. Картограф вооружается знаниями, которые необходимы для правильного отражения типических черт, особенностей, характеристик тех или иных явлений, которые входят в содержание конкретных карт.
Социология, экономика, демография, история, археология и другие науки социально-экономического направления также дают тематическому картографированию определённое содержание. Так появились и новые картографические методы - сетевое планирование, математическое моделирование, например. В философии теперь основу этого метода составляют теория отражения, теория моделирования, логика, системный анализ. Разработаны концепции картографии, знаковая система, методы моделирования, системное картографирование.
Помощь других наук
Геодезия, топография, гравиметрия, астрономия сообщают науке картографии всё более точные данные о размерах и форме Земли и чужих планет, что и даёт основу при составлении тематических и физических (общегеографических) карт. Математический анализ, тригонометрия, геометрия, статистические данные теории вероятностей и теории множеств, математическая логика и другие науки исключительно широко используются для построения картографических проекций, создания алгоритмов, математико-картографического моделирования, использования карт в программах, в разработке информационных систем.
Приборостроение, полиграфия, электроника, техника лазерная и полупроводниковая, а также и многие другие отрасли присутствуют при создании картографических систем. Новые науки - дистанционное зондирование: космическая, подводная и аэросъёмка, дешифровка изображений, фотометрия, фотограмметрия, мониторинг помогают составлять и обновлять карты, создают базы цифровой информации и участвуют во многих других картографических процессах. Наиболее тесно взаимодействует с картографией геоинформатика. Атласы и карты - вот главный источник временной и пространственной информации для моделирования.
Способы и приёмы
Картографический метод всегда используется для исследования закономерностей: как пространственно размещены явления, как они взаимосвязаны, насколько зависят друг от друга, каким образом развиваются и так далее. Приёмов применения для анализа и обработки географических карт огромное множество, потому здесь будут рассмотрены только самые основные.
Визуальный анализ - это когда зрительно исследуется по картам пространственное размещение, сочетания, связи, динамика каждого явления. Графический анализ - когда по картам строятся профили и разрезы, дающие наглядность вертикали структурным явлениям; строятся блок-диаграммы, где совмещаются изображение местности в перспективе и вертикальные разрезы; различные графики и диаграммы.
Картометрические работы
По картам определяются координаты, длины, высоты, расстояния, площади, объёмы, углы и тому подобное, то есть количественные характеристики объектов, которые изображены на карте. Далее применяется математический и статистический анализ для исследования однородности явлений (температура, плотность населения, урожайность и любые другие параметры) для определения их размещения и изменений во времени, которые определяются очень многими факторами, а их неизвестна.
Далее черёд математического моделирования, которое создаёт пространственную математическую модель, описание с помощью математики процессов или явлений, основанных на снятых с карт исходных данных. Потом модель исследуется, явления интерпретируются и объясняются, карты перерабатываются, преобразуются в производные, удобные и предназначенные для того или иного конкретного исследования (например, крутизна склонов при исследовании процессов эрозии почвы и прогнозирования их).
Анализ
Когда анализируются карты различного содержания, выводы о взаимосвязях и пределы исследований вообще значительно расширяются. Это метод комплексного картографирования. Так сопоставляются топографические карты и тематические отраслевые - почвенные, геологические, геоботанические и тому подобные. Например, при исследовании природных взаимосвязей по почвенной и топографической картам отдельного региона можно установить, что почвенные контуры чаще всего приурочены к отдельным элементам рельефа.
Солончаки к приозёрным понижениям, также чернозёмы ко дну долин и балок, аллювиальность к речным поймам. Далее определяется и закономерность в рисунке контуров почв: солонцы и солончаки округлые, в границах староозёрных котловин, луговые чернозёмные почвы горизонтальны, далее можно продолжать и продолжать. Иногда достаточно даже визуального анализа для установления первых взаимосвязей. Дальнейшие картометрические работы подкрепляют, уточняют и детализируют первоначальные выводы качественными и количественными характеристиками.