1. «Количественная революция» в географии и ее последствия

Большинство географов относятся к перевороту в своей дисциплине конца 1950-х и начала 1960-х годов как к "количественной революции". Именно в этот период география народонаселения начала придавать особое значение анализу и интерпретации данных через математические и статистические модели и методы. Такие подходы наиболее часто и гораздо раньше использовались в физической географии, где точность научного экспериментирования, аккуратный экспериментальный расчет, тщательное измерение и пояснительное моделирование были особенно широко распространены. Иное положение наблюдалось в географии народонаселения. Значительная часть географии народонаселения носила скорее дескриптивный, чем аналитический характер, была скорее объяснительной, чем основанной на логике, и зависела от оценивающей "экспертизы" лиц, претендующих на особое знание определенных районов и региональных систем. Однако количественная революция представляла собой нечто гораздо большее, чем простое введение математики и статистики в географию народонаселения. Параллельно с ней, а в некотором смысле и раньше ее происходила теоретическая революция, а математика и статистика были лишь необходимыми языковыми средствами, которые позволяли теоретической революции выйти на свет и развиваться. Более десятилетия, однако, теоретическая и количественная революция настолько тесно переплетались между собой, что лишь немногие могли увидеть разницу между ними.

В глазах многих географов предварительная теория и предварительные измерения, математическое моделирование и статистический анализ были идентичными. Провести дифференциацию означало осуществить полную философскую переориентацию данной дисциплины, поскольку позитивистская философия и научный метод рассматривались в качестве основных механизмов, с помощью которых теория и количественные методы могли быть представлены и введены в употребление. Как случается с любым нововведением, нашлись новаторы, которые пошли за пределы дисциплины в поисках обучения, необходимого для стимулирования этого нового образа мышления. Подобные экскурсы были документально подтверждены Гоулдом (1985), Джонстоном (1979), Гейлом и Олсоном (1979), Амедео и Голледжем (1975) и др. 

2. Базы пространственных данных как модели действительности

Пространственные данные состоят из цифровых представлений реально существующих дискретных пространственных объектов.

Свойства, показанные на карте, например, озера, здания, контуры, должны пониматься как дискретные объекты.

Содержание карты может быть зафиксировано в базе данных, путем превращения свойств карты в пространственные объекты.

Многие свойства, которые показаны на карте, на самом деле виртуальны. Например, контуры или границы реально не существуют, но здания и озера - реальные объекты.

Содержание базы пространственных данных включает:

Цифровые версии реально существующих объектов (например, зданий)

Цифровые версии искусственно выделенных свойств карты (например, контуры)

Искусственные объекты, созданные специально для целей построения базы данных (например, пиксели).

Разновидность непрерывных свойств

Некоторые свойства пространственных объектов существуют повсеместно и изменяются непрерывно над земной поверхностью (высота, температура, атмосферное давление) и не имеют реально представленных границ.

Непрерывная изменчивость может быть представлена в базе данных несколькими способами:

посредством величин измерений в некоторых характерных пунктах (точках), например, метеостанции и посты

посредством описаний трансектов (профилей – вертикальных разрезов участков земной поверхности)

посредством разделения площади на контуры, зоны, принимая при этом, что некоторое значение свойства внутри контура (зоны) есть величина постоянная

посредством построения изолиний, например горизонталей для отображения рельефа

Каждый из этих способов создает дискретные объекты, которые могут быть зафиксированы в виде точек, линий, площадей.

Компоненты пространственных данных

Расположение: пространственные данные вообще часто называются данными о размещении

Пространственные отношения: взаимосвязи между пространственными объектами описываются как пространственные отношения между ними (например, А содержит B; смежен с С, находится к северу от D)

Атрибуты: Атрибуты фиксируют тематические описания, определяя различные характеристики объектов

Время: временная изменчивость фиксируется разными способами:

- интервалом времени, в течение которого существует объект

скоростью изменчивости объектов

- временем получения значений свойств

Источники пространственных данных

Совокупности первичных данных (измерений и съемок) по выборкам:

произвольная выборка, каждое место или время одинаково вероятно, чтобы быть выбранным

систематическая выборка проводится согласно правилу, например через каждый 1 км

упорядоченная выборка, когда известно, что генеральная совокупность содержит существенно различные подсовокупности

Совокупности вторичных данных, полученные из существующих карт, таблиц, или других баз данных.

Процесс преобразования реальной действительности в данные

Может быть очень сложным и включать в себя несколько промежуточных этапов. Наиболее известным промежуточным источником формализованных данных являются различные виды карт и аэро-космоснимков. После оцифровки этих источников в базе данных выделяется три типа пространственных объектов:

• Цифровые версии реальных объектов, например, домов или полей;

• Цифровые версии искусственных особенностей карты, например, детали рельефа;

• Искусственные объекты, созданные для целей базы данных, например, ячейки растровых карт.

Многие характеристики реальной действительности существуют и изменяются непрерывно относительно земной поверхности, например, рельеф, атмосферная температура и давление, растительность или тип почвы. Преобразование континуального пространства в цифровые объекты баз данных может осуществляться различными методами:

1. составлением контуров, например, горизонталей топографических карт;

2. Разделением области на зоны, считая, что описываемая характеристика постоянна в пределах каждой зоны, например, почва;

3. Проведением измерений в определенных пунктах, например, на Метеостанциях;

4. Проведением транссектов и профилей. Каждый из этих методов создает дискретные пространственные объекты: точки, линии или зоны, но это представление достаточно приблизительное, так как отображает только ограниченную часть действительности. Для отображения сложных динамических явлений эти методы могут группироваться и комбинироваться.

Реальные пространственные объекты представлены в базах данных в двух тождественных состояниях:

— элемент в действительности - как физический или юридический объект (контуры здания, участка землепользования и т. д.);

— элемент, представленный в базе данных как информационная модель реального объекта или явления (структурированные наборы атрибутивных данных).

Можно выделить и третье состояние, важное для картографического отображения - символ, который используется для представления объекта на карте.

Цифровое представление пространственных объектов в базе данных требует выбора соответствующих типов объектов. Стандартный набор пространственных объектов, использующихся в большинстве существующих ГИС, основан на следующей классификации:

0-D - объект имеет только определенное местоположение Точка}',

1-D - объект имеет местоположение и длину (составлен из двух или больше 0-D объектов - Линия}',

2-D - объект имеет длину и ширину (ограничен по крайней мере тремя 1-D объектами - Область, полигон}',

3-D - объект имеет длину, ширину и высоту/глубину (ограничен по крайней мере четырьмя 2-D объектами - Объем}.

Все реальные пространственные объекты и явления могут быть с определенной точностью описаны перечисленными типами. В зависимости от тематики пространственные объекты в базах данных могут быть сгруппированы в слои, иначе называемые оверлейными программами, охватами или темами. Один слой может представлять отдельный тип или взаимосвязанную группу пространственных объектов. Например, слой гидрографии может иметь единственный сегментированный линейный объект типа линия, представляющий реку или может включать потоки, озера, береговую линию и болота. Выбор зависит от программного обеспечения, а также от модели базы данных.

Природа географических данных

• Географическое положение (размещение) пространственных объектов представляется 2-х, 3-х или 4-хмерными координатами в географически соотнесенной системе координат (широта/долгота)

• Свойства (атрибуты) являются описательной информацией определенных пространственных объектов. Они часто не имеют прямых указаний на пространственное размещение, поэтому часто атрибуты называют непространственной информацией

• Пространственные отношения определяют внутренние взаимотношения между пространственными объектами (например, направление объекта А в отношении объекта В, расстояние между объектами А и В, вложенность объекта А в объект В)

• Временные характеристики представляются в виде сроков получения данных, они определяют их жизненный цикл, изменение местоположения или свойств пространственных объектов во времени

Основополагающими элементами базы пространственных данных являются элементы действительности, смоделированные в базе данных ГИС, имеющими два тождества: реальный объект и смоделированный объект (объект БД).

Реальный объект - явление окружающего мира, представляющее интерес, которое не может быть более подразделено на явления того же самого типа.

Объект БД – элемент, в том виде, в каком он представлен в базе данных. Объект БД является «цифровым представлением целого или части реального объекта.

Метод цифрового представления явления изменяется исходя из базового масштаба и ряда других факторов.

Все данные в геоинформационных системах хранятся в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе их географического положения. Это дает возможность геоинформационным системам работать как с векторными, так и с растровыми моделями данных, способствует принятию эффективных решений задач, касающихся пространственной информации.

Пространственные объекты в БД геоинформационных систем могут быть представлены двумя способами:

• растровым способом – с помощью ячеек, сетки

• векторным способом – с помощью точек, линий, полигонов

Растровая модель данных характеризуется следующими отличительными признаками:

• Разбивает всю изучаемую территорию на элементы регулярной сетки или ячейки

• Каждая ячейка в растровой модели данных содержит только одно значение и является пространственно заполненной, поскольку каждое местоположение на изучаемой территории соответствует ячейке растра, иными совами – растровая модель оперирует элементарными местоположениями.

В растровой модели данных наименьшей единицей для большинства систем выступает квадрат или прямоугольник. Такие единицы известны как сетка, ячейка или пиксель. Множество ячеек образует решетку, растр, матрицу.

Векторная модель данных представляет собой объектно-ориентированную систему, которая

• Основана на векторах (направленных отрезках прямых)

• Базовым примитивом является точка

• Объекты создаются путем соединения точек прямыми линиями или дугами

• Площади определяются набором линий

Типы векторных объектов, основанные на определении пространственных размеров, являются безразмерными и включают в себя точку, которая определяет геометрическое местоположение, и узел - топологический переход или конечная точка, также может определять местоположение.