10. Изучение структуры, взаимосвязей и динамики явлений по картографическим изображения (Берлянт. Картография с.239)

Изучение структуры

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, в раскрытии механизма функцио­нирования.

Один из наиболее информативных способов изучения структу­ры — анализ конфигурации картографических образов, т.е. изучение геометрического рисунка изображения. По внешнему облику объекта часто можно судить о его морфологии, генезисе, о факторах, сфор­мировавших тот или иной объект. На рис. 13.1 показаны некоторые типичные конфигурации географических объектов, по которым можно сделать предположения об их генезисе. Так, параллельный рисунок гидрографической сети, скорее всего, свидетельствует о системе трещиноватости того же простирания, которой подчине­ны речные долины, а радиальное растекание водотоков — о купо­лообразном тектоническом поднятии. Древовидная конфигурация почвенных контуров означает их приуроченность к долинам рек, а

веерный рисунок характерен для природных объектов, формиру­ющихся на дельтах, и т.д.

Картографический метод позволяет эффективно выявлять про­странственные закономерности и аномалии, т.е. типичные, устой­чивые, широко распространенные структуры и отклонения от них. Карты, обладающие большой обзорностью, как бы специально предназначены для выявления общих закономерностей глобального и регионального уровней. В значительной степени этому спо­собствует и генерализация, освобождающая изображение от мело­чей, деталей и выпукло проявляющая главные, наиболее суще­ственные его черты.

Напомним, что именно благодаря обзорности карт были уста­новлены такие важнейшие закономерности географической струк­туры, как зональность, сеть планетарных линеаментов, единая система срединно-океанических хребтов и рифтовых зон, струк­тура центральных мест и т.п. Глобальные системы линеаментов можно обнаружить при внимательном анализе карт любого масш­таба. На карте Севера Русской равнины (рис. 13.2) отчетливо про­явлена система северо-западных и северо-восточных линеаментов. Им подчиняются береговые линии морей и озер, направления водоразделов и речных долин. Таковы очертания Кольского полу­острова, берега Белого и Печорского морей, вытянутые озера Карелии, долины рек Северной Двины, Онеги, Мезени, Вашки, Сухоны, Вычегды, Печоры, Усы, Тиманский кряж, Северный Урал, хребет Пай-Хой и другие крупные оро- и гидрографичес­кие элементы. Все это — отражение системы трещиноватости,

охватывающей всю планету и обязанной своим происхождением ротационным напряжениям, возникающим на земном шаре. Ин­тересно, что аналогичные системы северо-западных и северо-вос­точных линеаментов можно видеть и на картах других планет зем­ной группы. Это общая закономерность планетарного рельефа.

На фоне закономерностей нередко удается подметить анома­лии, и глаз опытного исследователя сравнительно легко их рас­познает. В качестве иллюстрации на рис. 13.3 показана уникальная для Севера Русской равнины широтная орографическая аномалия в полосе между 65° и 66° с.ш. Словно глубокая борозда прорезает Тиманский кряж, и в ней расположены долин рек Пезы, Циль- мы, Печоры. Она аномальна по отношению к господствующим здесь северо-западным линеаментам. Так проявлена в рельефе глу­бинная Транстиманская тектоническая дислокация.

Изучая структуру явлений, часто стараются выявить основные и второстепенные компоненты. Отделить аномалии от фона помо­гает операция разложения картографического изображения на со­ставляющие, которую можно выполнить с помощью усреднения, аппроксимации или фильтрации. В задаче о разложении принима­ется, что показанное на карте явление z представляет собой ре­зультат совокупного влияния основного, наиболее значительно­го, фонового фактора г , зависящего от причин регионального, а иногда даже глобального масштаба, и дополнительных факторов, накладывающихся на общий фон и усложняющих картину, — их называют остаточными z_o или аномальными

z = z_(l) + z₀, причем Z_(J)»Z₀.

Примерами могут служить ареалы повышенного радиационно­го загрязнения на фоне допустимых значений, локальные подня­тия и опускания на фоне региональных тектонических движений, местные климатические особенности, накладывающиеся на зональ­ные закономерности, и т.п.

Самый простой способ разложения — графическое осреднение. Для этого на исходной карте размещают сетку регулярных точек так, как показано на рис. 13.4, в центре каждой шестиугольной ячейки вычисляют значение скользящего среднего г_ф как среднего из значений вершин и центра ячейки: г_ф = ^{/₇ Z z_r На изолинейной карте, построенной по значениям z_(j), отражена осредненная фоно­вая поверхность (рис. 13.4<?), передающая главные, наиболее круп­ные черты структуры. Если далее в каждой точке взять разности между фактическим и осредненным значениями z_o = z_t ~ Z_(j) и про­вести по ним изолинии, то получится остаточная поверхность, показывающая размещение аномалий, отклонений, второстепен­ных деталей (рис. 14.4г).

Аналогичный эффект разложения на составляющие достигает­ся и при расчете аппроксимирующей поверхности и отклонений от нее фактической исходной поверхности. При этом предполага­ется, что фоновая составляющая описывается некоторой неслу­чайной функцией /(х, у), а неучтенные отклонения от нее е соот­ветствуют остаточной поверхности. Иначе говоря, члены аппрок­симирующего уравнения приравниваются к членам уравнения разложения на составляющие

г =f(x, у) + е = 1_ф + ь

На рис. 13.5 представлена карта осадков теплого периода года на территории Республики Коми и результаты ее разложения на фоновую поверхность 1-го порядка и остаточную поверхность. Карта фоновой поверхности передает общее увеличение количества осад­ков в направлении на юго-восток, что может быть связано с трансформацией масс арктического воздуха по мере их продвиже­ния в глубь материка. А карта остаточной поверхности показывает отклонения от этой закономерности, в частности резкое увеличе­ние количества осадков на западных склонах Урала и в районе Тиманского кряжа.

Углубленное изучение структуры явлений нередко требует пре­образования картографического изображения, т.е. трансформиро­вания его с целью создания производных карт и получения по ним новой информации. Различают несколько видов преобразования.

Вычленение, т.е. выделение на карте интересующих исследова­теля компонентов сложной геосистемы и снятие прочих деталей. Выделенные элементы предстают в наглядной и удобной для дан­ного исследования форме, например в виде системы спрямленных элементов рельефа и гидрографии, как на рис. 13.2.

Схематизация — устранение второстепенных деталей и пред­ставление картографического изображения в упрощенном виде. Так, при схематизации гипсометрического изображения и снятии дета­лей эрозионного расчленения проявляется основная первично-тек- тоническая структура рельефа (рис. 13.6).

Детализация — преобразование, противоположное схематиза­ции, оно имеет целью сделать изображение более подробным. На­пример, на топографической карте можно детализировать изобра­жение эрозионной сети, проведя по изгибам горизонталей тальве­ги временных водотоков.

Континуализация — замена дискретного картографического изображения непрерывным, что обычно связано с введением по­нятия «географическое поле». Например, карту тектонических тре­щин преобразуют в псевдоизолинейную карту поля трещиноватости (рис. 13.7), карту расселения — в карту плотности населе­ния, карту размещения лесов — в карту лесистости и т.п. Такие преобразования дают представление об абстрактном рельефе явле­ния, на производных картах хорошо читаются максимумы и ми­нимумы распределения, их удобно коррелировать с другими изо- линейными картами.

Дискретизация — обратное преобразование, имеющее целью перевод непрерывного изображения в дискретную форму. Хоро­шим примером может служить интерполирование по сетке точек при создании цифровых моделей по картам с изолиниями или картограммам.

Средствами подобных преобразований часто служат графичес­кие операторы — сетки равномерно или неравномерно располо­женных точек, геометрических ячеек, в каждой из которых выполняют пересчет исходных данных и получают производные показа­тели. Если ячейки (квадраты, кружки и др.) перекрываются по площади, то их называют скользящими операторами. Примеры наи­более типичных операторов показаны на рис. 13.8.

Преобразования подразделяют на однократные и многократ­ные. В свою очередь, многократные преобразования бывают парал­лельными и последовательными. При параллельных преобразова­ниях по исходной карте А получают сразу несколько производных карт А—> (В, С, ..., N). Например, по топографической карте строят

карты расчленения рельефа, уклонов, экспозиции склонов и др. В других случаях карту А последовательно преобразуют в карту 5, ее, в свою очередь, — в карту С и т.д.: А -» В -> С -> ... -» N. Допустим, по карте рельефа сперва строят карту глубины расчле­нения, затем последовательно — производные карты интенсивно­сти смыва, эрозионной опасности, почвозащитных мероприятий и т.п. При изучении структуры сложных явлений часто применяют древовидные преобразования, сочетая параллельные и последова­тельные варианты.

Изучение взаимосвязей

Анализ и количественная оценка внутренних и внешних свя­зей и взаимозависимостей между геосистемами, их подсистемами и отдельными компонентами — одна из центральных задач в на­уках о Земле. В ее решении картографическому методу принадле­жит коронная роль благодаря поистине неисчерпаемому разнооб­разию карт всевозможной тематики. По ним удобно оценивать изменчивость связей в пространстве, выделять основные и второ­степенные зависимости, а также выполнять индикационные ис­следования, т.е. предсказывать размещение одних (индицируемых) явлений по другим (индикаторам).

Для изучения взаимосвязей используют широкий арсенал тех­нических приемов. Самые простые среди них — визуальный анализ и описание взаимосвязей. Из графических приемов эффективно совмещение контуров анализируемых явлений на общей основе— графический оверлей, в результате чего выявляют совпадающие, частично совпадающие и совсем не совпадающие контуры. Они трактуются как отражение взаимосвязей различной силы.

Многие зависимости наглядно видны на комплексных профи­лях и разрезах, совмещенных розах-диаграммах (см. рис. 12.6 и 12.7), составленных по сериям карт, а также нй блок-диаграммах и мета- хронных диаграммах.

Конечно, наилучшие возможности для изучения и количествен­ной оценки взаимосвязей явлений предоставляют аппарат теории корреляции и информационный анализ: коэффициенты корреля­ции, показатели взаимного соответствия и др. (см. разд. 12.7).

Следует иметь в виду одну важную особенность картографи­ческого метода исследования.

Рис. 13.9. Сходство картографических изображений при отсутствии при­чинной связи между явлениями (Южная Армения).

а — плотность сельского населения; б — цветение картофеля.

При сравнении карт связь явлений всегда проявляется через соответствие картографических изображений.

Однако предположение о том, что чем больше степень совпаде­ния контуров или сходство рисунка изолиний, тем сильнее зависи­мость между явлениями, не всегда справедливо. Случается, что про­странственное соответствие можно наблюдать и между явлениями, не зависимыми или очень слабо зависимыми друг от друга. Напри­мер, на картах горных территорий часто бросается в глаза согласо­ванность рисунка изолиний самых разных явлений, например рас­пределения температур и осадков, созревания сельскохозяйствен­ных культур, плотности населения и т.п. Формальный расчет коэффициента корреляции может привести к парадоксальным вы­водам, например на рис. 13.9 показано высокое соответствие между плотностью населения и датами зацветания картофеля. Разумеется, при высокой статистической корреляции причинно-следственная связь между этими явлениями отсутствует, изолинии на обеих кар­тах лишь повторяют изогипсы рельефа. Этот пример показывает, насколько осторожно следует подходить к содержательной интер­претации соответствия картографических образов. Только географи­ческий анализ причинно-следственных отношений позволяет окон­чательно судить о реальных зависимостях между явлениями.

Рис. 13.10. Корреляционные карты, отражающие связь между густотой речной сети и средним годовым стоком (Азербайджан).

а — картограмма корреляций, составленная по физико-географическим рай­онам; б — карта изокоррелят (линий равных корреляций); заштрихованы области высоких положительных корреляций.

При исследовании геосистем важнейший момент — прослежи­вание изменения взаимосвязей по территории, от места к месту, выявление зон, где связи сильны и где они ослабевают или совсем отсутствуют. Для этого создают специальные карты взаимосвязей, отражающие пространственное варьирование связей. В зависимос­ти от способа построения получают разные типы таких карт:

• карты районирования по степени взаимного соответствия,

составляемые путем графического оверлея и оконтуривания районов полного и частичного соответствий;

• картограммы взаимосвязей, где показатели корреляции рас­считаны по единицам территориального деления, обычно по административным районам;

• карты изокоррелят, на которых проведены изолинии равных коэффициентов корреляции по данным, вычисленным в ячей­ках регулярной или нерегулярной сетки;

• карты энтропии контуров, на которых взаимное соответствие явлений оценивается с помощью показателя энтропии для каждого отдельного контура, ареала, ландшафтного выдела, водосборного бассейна.

Чем подробнее и детальнее показано варьирование взаимосвя­зей от места к месту, тем интереснее карта для пространственного анализа. Например, представленная на рис. 13.10 карта изокорре­лят значительно детальнее, чем картограмма, характеризует вза­имное соответствие густоты речной сети и годового стока на тер­ритории Азербайджана. Видны территории, где связь высока (гор­ные районы Большого и Малого Кавказа) и где она практически отсутствует (Кура-Араксинская низменность). При рассмотрении любой из этих двух карт становится ясно, насколько бесполезен с географической точки зрения расчет единого коэффициента кор­реляции для всей территории Азербайджана: в этом случае оказа­лись бы смешаны высокие и низкие корреляции, а их простран­ственная дифференциация осталась нераскрытой.

Изучение динамики

Для изучения динамики явлений и процессов, т.е. их возник­новения, развития, изменения во времени и перемещения в про­странстве, используют разновременные карты, на которых одни и те же объекты изображены в разные моменты времени. К разно­временным относятся карты, составленные и изданные в разные годы (например, старые и современные топографические), либо карты, составленные одновременно, но фиксирующие разные моменты времени (помесячные карты температур), а также кар­ты-реконструкции (палеогеографические, историко-географичес- кие и т.п.).

Сравнивая карты, на которых явления представлены в моменты времени t_v t_v ..., t_n, можно выявить изменения, происшедшие за любой промежуток А/, и картометрически оценить приращения рас­стояний, площадей, объемов (± As, ± Ар, ± Av и т.д.). По разновре­менным картам устанавливают не только величины изменений, но и их направления, оцениваемые векторами, и среднюю скорость. Во многом цели анализа разновременных карт похожи на повторные инструментальные съемки местности. А всяким повторным наблю­дениям присущи два допущения: во-первых, за величину переме­щений принимается алгебраическая сумма всех перемещений за ана­лизируемый промежуток времени, а во-вторых, скорость измене­ний принимается постоянной без резких ускорений или замедлений.

Очень ценными документами для анализа естественной и ант­ропогенной (техногенной) динамики геосистем служат старые то­пографические карты и планы. В России государственные топогра­фические съемки были выполнены петровскими геодезистами в 1720 г., а в 1765 г. начались работы по генеральному межеванию «зе­мель всей империи». Они охватили почти всю европейскую часть стра­ны. Сегодня сравнение этих карт с современными топографическими картами позволяет получить точные сведения об изменении всех ком­понентов ландшафта, развитии сети дорог и населенных пунктов. Мно­гие европейские государства также располагают старыми картами вы­сокой точности, отражающими об­лик местности, начиная с эпохи Средневековья.

По разновременным картам изу­чают изменения разных типов:

♦ медленные изменения (напри­мер, тектонические движения, смещения береговых линий или русел рек), для выявления которых необходимы карты, разделенные большими промежутками времени (рис. 13.11);

• быстрые изменения (смена си­ноптической обстановки, эко­логической ситуации и т.п.), анализ которых можно прово­дить только по сериям карт, разделенным малыми времен­ными интервалами;

• периодические и циклические изменения (сезонные, фенологи­ческие явления и др.) — в этом случае привлекают разновремен­ные карты, отражающие харак­терные фазы развития явления или процесса;

• эпизодические и катастрофи­ческие изменения или замеще­ния (землетрясения, сход ла­вин, появление гарей на месте лесов) — для их изучения не­обходимы карты, фиксирующие моменты до и после наступле­ния явления.

Результаты сравнения чаще всего представляют путем простого совме­щения контуров явлений на разные даты. Так, например, получена карта прироста дельты Дуная за 130 лет (рис. 13.12). По ней удобно выполнять картометрические определения, под­считывать величину и среднюю ско­рость прироста дельты и др.

Другой способ отображения ди­намики — составление карт разности состояний явления на разные даты.

Так можно показать, например, прирост населения по районам или изменение урожайности сельскохозяйственных культур на посевных площадях.

О дин из самых наглядных способов представления результа­тов анализа разновременных источников — составление карт аре­алов изменения явлений. Это достигается путем графического овер-

лея, т.е. совмещения двух карт (прошлого и современного состоя­ния) на общей основе. На рис. 13.13 показаны две разновремен­ные карты: на одной отражен природный ландшафт, а на дру­гой — тот же ландшафт через 25 лет, подвергшийся значительно­му антропогенному воздействию. Легенда карты дана в матричной форме, она характеризует смену состояния каждого ландшафта или его сохранность. Такая карта удобна для количественной оценки трансформации ландшафтов и степени хозяйственного освоения территории.