lebedeva_n_i_kartografichni_metodi_v_ekologii_navchalnii_pos
.pdfДержавний вищий навчальний заклад «Запорізький національний університет» Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України
Н.І. Лебедєва
К а р т о гр а фі ч ні ме т о ди в е к о л о гії
Н а в ч а л ь н и й п о с і б н и к
для студентів напряму підготовки «Екологія, охорона навколишнього середовища та
збалансоване природокористування»
Затверджено вченою радою ЗНУ
Протокол № … від … 09.11 р.
Запоріжжя
2011
УДК: 528:504(075.8)
ББК: Д1я73
Л33
Лебедєва Н.І. Картографічні методи в екології: навчальний посібник для студентів напряму підготовки «Екологія, охорона навколишнього середовища та збалансоване природокористування». – Запоріжжя: ЗНУ, 2011. – 117 с.
Курс «Картографічні методи в екології» є необхідною складовою частиною вивчення методів та способів дослідження природного середовища та техногенного навантаження. Він надає можливість сформувати у студентів практичні навички польових еколого-ландшафтних досліджень та геоекологічного картографування.
В навчальному посібнику наведено основні відомості інформаційних властивостей карт та атласів, особливостей картографічного аналізу, основних етапів геоекологічного картографування окремих компонентів екосистем.
Видання розраховане на студентів напряму підготовки «Екологія, охорона навколишнього середовища та збалансоване природокористування».
Рецензент К.О. Домбровський
Відповідальний за випуск Н.В. Колісник
2
ВСТУП
Темпи росту антропогенного впливу на природне середовище зумовлюють актуальність еколого-географічного аналізу та оцінки території. Важлива роль при цьому належить картографічному моделюванню, що є підґрунтям для впорядкування, аналізу та узагальнення різноманітної інформації про екологічний потенціал геосистем. Підсумковим документом географічного дослідження є карта, що в наочній та доступній формі відображає результати еколого-географічного аналізу та оцінки території.
Курс «Картографічні методи в екології» є необхідною складовою частиною вивчення методів та способів дослідження природного середовища та техногенного навантаження. Він надає можливість сформувати цілісне уявлення про стан природних комплексів, їх ієрархію і структуру, методи дослідження, у тому числі картографічні, а також формує практичні навички польових еколого-ландшафтних досліджень, а також надає можливість сформувати у студентів знання методологічних та наукових основ геоекологічного картографування і опрацювання практичних прийомів картографічного етапу досліджень екосистем.
Мета курсу - надати студентам комплекс теоретичних і практичних знань щодо інформаційних властивостей карт та атласів, особливостей картографічного аналізу, основних етапів геоекологічного картографування окремих компонентів екосистем. Завдання курсу полягає в тому, щоб надати студентам знання та вміння щодо властивостей карт, напрямів і способів їх використання; характеристики властивостей карт; класифікації карт та атласів; географічного змісту географічних і тематичних карт; способів картографічного зображення на топографічних та тематичних картах; картографічної генералізації, питань створення карт.
3
МОДУЛЬ 1. КАРТОГРАФІЧНІ ОБРАЗНО-ЗНАКОВІ МОДЕЛІ
Предмет та задачі картографії в екологічному моніторингу
−Визначення картографії й топографії та їх зміст.
−Місце картографії та топографії в системі наук.
−Місце картографії та топографії в екологічних дослідженнях.
−Суть еколого-географічного аналізу і оцінювання території.
Основні поняття: екологічний моніторинг, картографія, топографія, геодезія, картографічні методи, еколого-географічний аналіз і оцінювання території.
Сучасну картографію визначають як науку про відображення і дослідження просторового розміщення і взаємозв’язків природних і суспільних явищ, а також їх змін у часі за допомогою образно-знакових моделей (картографічних зображень), які відображають ті або інші сторони дійсності. Структура картографії включає розгалужену систему наукових та технічних дисциплін.
Картоведення – вчення про географічну карту та її властивості, включає історію картографії і методику використання карт.
Картографічна інформатика займається проблемами систематизації (класифікації) карт, їх аналізу, оцінки, зберігання і розповсюдження.
Математична картографія вирішує завдання забезпечення точності у відображенні місцеположення географічних об’єктів на карті.
Картометрія розробляє способи вимірювань по картах. Решта згаданих частин картографії пов’язана з методами створення оригіналів (перших екземплярів) карт і їх видання. За особливим об’єктом вивчення з картографії виділяють топографію – науку, предметом якої є теорія і практика детального вивченням земної поверхні в геометричному відношенні, дослідження й розробка способів зображення цієї поверхні на площині у вигляді топографічних карт й планів. Топографія представляє собою наукову дисципліну, яка розташовується між картографією, з одного боку, та геодезією – з іншого. Геодезія забезпечує топографію методами вимірювань та визначення місце розташування різних об’єктів, а картографія – способи зображення місцевості, включаючи й методи його узагальнення (генералізації) та символіку зображуваних об’єктів.
Задачі топографії:
−визначення положення окремих точок земної поверхні з метою відображення отриманої геоінформації у вигляді топографічних карт чи цифрових моделей місцевості;
−виконання вимірювань на земній поверхні, які необхідні в господарській діяльності, а також для розробки геоінформаційних систем для регіонального екологічного моніторингу.
Високий рівень розвитку сучасної картографії веде до постійного розширення її інтересів. Продовжуючи удосконалювати методику і техніку картографування, розробляючи нові типи карт, картографи ставлять і
4
вирішують нові проблеми. Одна з таких проблем – використання карт в наукових дослідженнях і господарській діяльності. Під картографічним методом розуміється розділ картографії, що вивчає питання використання карт для пізнання зображених на них явищ. Застосування картографічного методу дослідження дуже широке. Він став невід’ємною частиною більшості теоретичних і практичних досліджень, перетворився на один із стрижньових методів пізнання в науках про Землю. Він розвивається, використовуючи новітні досягнення картографії, математики, обчислювальної техніки.
Достовірне зображення й дослідження дійсності засобами картографічних зображень як особливих просторових моделей реальних явищ неможливе без тісного взаємозв’язку з багатьма науками. Історично картографія найбільш близька до географії й геодезії. Це пояснюється тим, що в центрі географічної науки фокусуються закономірності, які випливають із взаємного положення різних об’єктів та явищ в просторі. Географічна карта дає можливість виявити такі закономірності й виступає незамінним інструментом в роботі географа. З іншого боку, географія дає необхідні для складання географічних карт відомості (дані) про суть, розміщення та взаємозв’язки різних об’єктів та явищ на території, яку охоплює карта. Значення геодезії для картографії полягає в тому, що вона надає дані про форму й розміри Землі, координати точок земної поверхні, методи вимірювань й просторової фіксації. Тісні зв’язки картографія має із такими науками:
1)суспільними – філософією (теорія картографії опирається на філософські науки, використовуючи та конкретизуючи закони та положення діалектики стосовно свого предмета пізнання; в картографії широко використовуються положення загальної теорії відображення, теорії моделювання, зокрема картографічного, методи формальної логіки, основні положення системного підходу). Картографія активно взаємодіє з психологією (методи психології сприйняття залучаються для вивчення сприйняття карти), лінгвістикою (картографічна семіотика використовує досягнення лінгвістики), економікою, історією, демографією, археологією. Картографія надає цим суспільним наукам важливий інструмент дослідження – карту, а сама збагачується новими ідеями та методами цих наук (економіко-математичне моделювання, історичний підхід), розробляє нові типи картографічних творів;
2)математичними – математичним аналізом, аналітичною геометрією, теорією інформації, математичною статистикою, обчислювальною математикою, теорією ймовірності, теорією інформації тощо. Різні розділи математики використовуються для розробки теорії картографічних проекцій, математикокартографічного моделювання, методів використання карт, забезпечення автоматизації картографічних процесів, створення інформаційно-пошукових картографічних систем тощо;
3)технічними – автоматикою, поліграфією, електронікою, приладобудуванням; зв’язки із технікою проявляються в удосконаленні та створенні нових типів картографічного устаткування, приладів, автоматизованих картографічних систем, покращені техніко-економічних параметрів та естетичних характеристик картографічних творів;
5
4)аерокосмічними методами дослідження Землі, отриманням дистанційної інформації, її прив’язкою, кореляцією, обробкою та дешифруванням. Матеріали аеро– та космічних знімань використовуються для складання, оновлення та уточнення топографічних, тематичних та спеціальних карт, які в свою чергу, необхідні для прив’язки та дешифрування матеріалів дистанційного зондування;
5)технічною графікою та мистецтвом – принципи та методи графічного оформлення картографічних творів розробляється із врахуванням основних положень естетики та художнього конструювання;
6)з науками про Землю – геологією, біологією, екологією, геофізикою, геохімією, де карта служить одним із основних засобів пізнання дійсності, а дані цих наук знаходять своє відображення на тематичних картах природи.
Темпи росту антропогенного впливу на природне середовище зумовлюють
актуальність еколого-географічного аналізу та оцінки території. Еколого-
географічний аналіз і оцінювання території – це комплексне дослідження екологічного стану інтеграційної системи «суспільство – природа» з метою її оптимізації. Дослідження екосистем є географічними за об’єктом і методом, але екологічними за сутністю (предметом). Еколого-географічний аналіз і оцінювання території базуються на системному картографічному моделюванні, тобто на створенні, аналізі і перетворенні картографічних творів як моделей реальної дійсності. Об’єкт картографічного дослідження – геосистема, поперше, визначається як територіальна розмірність з певною ієрархією; по-друге, за нею встановлюють склад і структуру системи карт, їх масштаб, зміст, взаємозв’язки і співвідношення.
Системне створення карт й системне дослідження по картах зумовлює поняття геосистеми як об’єкта еколого-картографічного дослідження.
Системне створення карт – це сукупність взаємопов’язаних науковотехнічних методів, принципів і алгоритмів польового й лабораторного виготовлення карт як моделей геосистеми. Системне використання карт – це сукупність взаємопов’язаних і взаємозумовлених науково-технічних методів, принципів й алгоритмів аналізу карт для пізнання зображених на них геосистем або їх частин.
Вихідною основою картографічного моделювання при екологічних дослідженнях є вчення про єдність та взаємозв’язок предметів й явищ дійсності та закономірностей їх розвитку. Процес моделювання включає такі поєднані між собою стадії: вивчення параметрів реально існуючої геосистеми та побудова на цій основі її моделі; дослідження моделі та екстраполяція одержаних результатів на його оригінал – геосистему. Основні напрями моделювання геосистем: відтворення структури, взаємозв’язків та динаміки їх розвитку. Моделювання структури геосистем пов’язане з відтворенням територіальних і галузевих аспектів структури. Моделі вивчення взаємозв’язків геосистеми є простішими для їх складання та мають переважно пізнавальне й практичне значення.
Моделювання динаміки розвитку геосистеми має територіальний та галузевий аспекти. Для дослідження структури і зв’язків в геосистемі, що
6
включає просторово-часові утворення з елементів природи, населення й господарства, використовуються структурно-графічні моделі об’єкта. Дослідження таких моделей передбачає створення інформаційної бази екологогеографічних досліджень, яку одержують в процесі ведення екологічного та інших моніторингів довкілля. Інформаційна база є підґрунтям для створення системи карт, які характеризують структурно-організаційні й функціональні аспекти об’єктів / явищ, що необхідно для розроблення й прийняття практичних рішень щодо стійкого природокористування.
Зараз все більше практикується застосування потужного програмного забезпечення для створення та оновлення комп’ютерних карт та атласів, створюються спеціалізовані геоінформаційні системи, які можуть вирішувати задачі управління територіями. Головний фактор, який сприяє швидкому зростанню популярності автоматизованих геоінформаційних систем є їх унікальна особливість поєднувати та синтезувати різноманітну інформацію, зокрема про стан довкілля, на єдиній просторовій основі. В цілому застосування новітніх комп’ютерних технологій в процес екологічних досліджень зумовило різкий скачок як кількості, так і якості екологокартографічної продукції. Це можна пояснити наступними положення:
1)Оперативність. Використання сучасних геоінформаційних технологій дозволяє в короткий термін здійснювати створення та оновлення величезних масивів екологічних даних, значної кількості тематичних карт, серій карт та навіть атласів.
2)Наочність. Це притаманне безпосередньо картографічному методу відображення та дослідження дійсності в самих дрібних деталях.
3)Об’єктивність. Це можливість обліку усіх маючих значення факторів, які складають екологічну обстановку, формування різноманітних математикокартографічних моделей роблять дослідження максимально наближеними до дійсності.
Цифрове картографування, цифрові та електронні карти є основою створення, функціонування та розвитку геоінформаційних систем (ГІС) різних рівнів та тематичної спрямованості. Головна відмінність ГІС від цифрових та електронних карт – це наявність функції аналізу та інтерпретації інформації. Таким чином широке застосування ГІС для рішення проблем екологічної безпеки призвело до становлення нового наукового направлення – геоекоінформатики, яки призначена для автоматичного збору, накопиченню, переробці та наданню інформації щодо довкілля та суспільства при вирішенні екологічних задач. Геоекоінформатика має можливості аналізу геосистем, що і зумовлює швидке впровадження її методів у практику геоекологічних робот.
Контрольні питання:
1.В чому полягає зв’язок екологічного моніторингу з картографією?
2.Дайте визначення картографії й топографії. В чому полягає їх зміст?
3.Наведіть структуру картографії.
4.Проаналізуйте зв’язок картографії й топографії з іншими науками.
5.Дайте визначення ГІС та геоекоінформатики.
6.Поясніть суть еколого-географічного аналізу і оцінювання території.
Література: основна – 1-6, 8-12; додаткова – 1-7, 14, 15.
7
Картографічні образно-знакові просторові моделі
−Карта, її властивості та сфери використання
−Класифікація карт
−Основні елементи географічної карти
−Географічні атласи та їх класифікація, інші картографічні твори.
−Суть та структура регіональних екологічних атласів
Основні поняття: карта, властивості карт, географічні карти, топографічні карти, топографічні плани, класифікація карт, елементи загальногеографічної карти, атласи, екологічні атласи, глобус.
При спробі дати визначення, що таке географічна карта напрошуються очевидні властивості карт: те, що вони є зменшеним зображенням земної поверхні на плоскому папері (або іншому матеріалі); що їх зміст виражений умовними знаками; нарешті, що на картах географічні об’єкти показані при потребі з великим відбором і в узагальненому вигляді.
Картографічні моделі відповідних ділянок земної поверхні, якими є географічні карти, мають свої особливості. Оригінал (досліджуваний об’єкт / явище), що відображається на картах – це не тільки поверхня Землі або її частини, але і розміщені на ній або поблизу її об’єкти і явища, тобто по-перше, всі природні явища і об’єкти, розміщені в межах географічної оболонки Землі, яка включає велику частину земної кори, всю гідросферу і всю атмосферу зі всіма живими організмами, що мешкають в них. По-друге, на картографічних моделях знаходять віддзеркалення соціальні явища, пов’язані з життям і діяльністю людського суспільства.
Всі явища, розташовані поблизу земної поверхні, виявляються на картографічних моделях як би спроектованими (суміщеними) з цією поверхнею. Це створює передумову для можливості встановлювати по картах географічне положення зображених на них об’єктів, їх розміри і взаємне розташування.
Карта як модель дійсності, що розглядається з позицій теорії пізнання як просторова, математично визначена й генералізована образно-знакова модель, має характерні властивості.
Гносеологічні властивості карт полягають у просторово-часовій подібності, змістовності, відповідності, абстрактності, вибірковості та синтетичності, метричності, однозначності, безперервності, наочності та читаності, оглядовості та високій інформативності.
Просторово-часова подібність картографічного зображення й самого об’єкта проявляється в трьох аспектах: геометрична подібність форм та розмірів об’єктів картографування; часова подібність, тобто відображення на карті стану й розвитку об’єктів в момент часу, що відображений на карті; подібність відношень, зв’язків та підпорядкованості об’єктів.
Змістовна подібність – це науково обґрунтоване відображення головних особливостей дійсності з врахуванням генезису, зовнішньої та внутрішньої структури, а також ієрархії об’єктів. Змістова відповідність визначається рівнем вивченості явищ, повнотою та достовірністю вихідної інформації, науково
8
обґрунтованою методикою складання та правильною генералізацією. Абстрактність досягається генералізованістю карти, переходом від
індивідуальних понять до узагальнених шляхом підбирання типових характеристик об’єктів та усунення дрібних й другорядних деталей. При користуванні картою дослідник має справу не із розрізненими чи систематизованими фактичними даними, а із цілісним географічним образом, із системою понять, які виникають у процесі картографування й зафіксовані на ній та в її легенді.
Вибірковість характеризується здатністю вичленити й роздільно представити ті фактори, процеси й аспекти об’єкта, які в реальній дійсності проявляються сумісно. За допомогою аналітичних карт можна розчленувати взаємозв’язки, “розкласти” їх складові, проаналізувати найскладніші явища та процеси.
Синтетичність карти забезпечує єдиний цілісний показ явищ й процесів, які в реальних умовах проявляються (існують) ізольовано. Картографічний синтез пов’язаний із впровадженням узагальнюючих понять, показників, умовних позначень, із розробкою синтетичних легенд.
Метричність карти забезпечується математичним законом побудови, точністю її складання й відтворення. Наявність масштабу, класифікацій, шкал та градацій дозволяє виконувати на картах різноманітні вимірювання кількісних показників й визначати якісні характеристики.
Однозначність – властивість карти як моделі мати тільки єдине значення в кожній точці в межах прийнятої системи позначень. Однозначність розглядається як просторова (кожній точці карти з координатами X та Y поставлено у відповідність тільки одне значення Z параметра, що картографується) та знакова (кожний умовний знак на карті має тільки одне точно зафіксоване в легенді значення).
Безперервність означає, що на карті відсутні пустоти та розриви, за винятком коли це передбачено деякими картографічними проекціями. Властивість реалізується лише за умови доброї вивченості території. При недостатній чи нерівномірній вивченості ця властивість карти може бути недоліком карти.
Обзорність (оглядовість) полягає в тому, що читач карти може охопити єдиним поглядом всю відображену на ній частину земної поверхні (район, материк, планету в цілому), головні закономірності розміщення і взаємозв’язку об’єктів та основні елементи їх структури. Пов’язані з цим властивості наочності картографічних моделей виражається в порівняльній легкості і швидкості, з якими відтворюються особливості показаних на карті явищ та читаності карти характеризується візуальним розпізнаванням елементів та деталей картографічного зображення.
Логічність легенди не відноситься безпосередньо до картографічного зображення, однак легенда невідривна від карти, служить алгоритмом до неї та її логічною основою.
Інформативність – це число знаків, кількісних характеристик та назв, що їх розміщено на одиниці площі карти, інформація передається за допомогою
9
знаків та їх просторових комбінацій. Інформацію на карті читач може сприймати безпосередньо та за результатами вимірювань, перетворень та логічних висновків.
Перелічені властивості картографічної моделі тісно пов’язані між собою і навіть можуть бути виведені одна із одної. Подібним набором властивостей одночасно не володіє жоден з інших видів зображень (моделей) земної поверхні (аеро- і космічні знімки, малюнки, математичні моделі тощо), яка використовується в науках про Землю.
Однак, карті властиві й деякі недоліки:
–формалізм зображення (деякі явища, що мають різну природу та походження, можуть отримати однакову картографічну інтерпретацію, якщо вони подібні зовнішньо). Запобігти помилкам та подолати це можна за умови комплексного використання картографічного методу дослідження з іншими методами, які розкривають походження явища;
–статичність (карта не завжди точно та детально передає динаміку явищ, підкреслює структуру на користь процесові). Недосвідченому досліднику об’єкти, стани, границі тощо, які наведено на карті бачаться незмінними й об’єктивними;
–прихованість відмінностей у вивченості території (на карті рідко застосовуються позначення, що передають недостатню обґрунтованість
зображеного чи навіть його гіпотетичність в окремих частинах).
Виходячи з основних властивостей карт, як модель дійсності можна виділити основні їх функції – комунікативну, оперативну, пізнавальну і прогностичну. Комунікація, тобто передача інформації, здійснюється за допомогою карт при їх використанні як джерела відомостей; карти виступають також сховищем інформації. Оперативна функція карт полягає в застосування їх для вирішення практичних завдань, наприклад в навігації, при плануванні трас шляхів сполучення, розробці планів освоєння території тощо. Пізнавальна функція карт використовується для отримання знань. Прогностична функція картографічних моделей здійснюється при виявленні напряму майбутнього розвитку явищ, які вивчаються за їх допомогою.
Найважливіші напрями практичного застосування карт – це у наукових і проектно-інженерних дослідженнях та планових розробках, навчальних цілях, для орієнтування, вивчення недоступних місцевостей. В багатьох галузях знань вивчення явищ починається з аналізу існуючих первинних карт, далі етап порівняння їх з особливостями явищ, які спостерігаються в натурі, і завершується створенням нових карт. Нерідко останні зіставляються між собою для виявлення нових фактів, зв’язків і тенденцій розвитку явищ, які вивчаються. Такий шлях пізнання дійсності є типовим для природничих наук (геології, геоморфології, зоогеографії, географії рослин тощо). Велика роль географічних карт в комплексних дослідженнях, під час яких встановлюють взаємозв’язки різнорідних явищ. Використання картографічного методу з застосуванням серії географічних карт дозволяє реалізувати повною мірою сучасні наукові принципи системності і комплексності в дослідженні природних явищ.
10