Масштаби простору

Масштаб геозображень є функцією його призначення, технічних засобів знімання, забезпеченості фактичним матеріалом. Одночасно сам він визначає найбільш істотні властивості геозображень: від масштабу залежать просторове охоплення і обсяг змісту геозображень, його роздільна здатність, детальність і геометрична точність. Масштаб задає рівень узагальнення і абстрагування показаної інформації, ступінь її інтеграції і генералізації, визначає інформативність геозображень, що в остаточному підсумку диктує вибір напрямків використання і встановлює межі застосування карт, знімків, анімацій і т.п.

З масштабом і ступенем абстрагування прямо пов'язані і евристичні якості геозображень як засобу пізнання навколишнього світу. Дрібномасштабні геозображення, подібно телескопу, відкривають погляду дослідника великі простори і планетарні закономірності. При цьому частковості не видні, а деталі узагальнені і згладжені.

Зовсім інша картина спостерігається на великомасштабних геозображеннях. Вони, немов мікроскоп, показують лише малу частину простору, але зате з великою детальністю, безліччю деталей і мікроформ. За картами і знімками великого масштабу простежують локальні закономірності.

Класифікуючи будь-які геозображення за масштабами, найчастіше називають три групи: велико-, середньо- і дрібномасштабні, однак характерно, що градації, прийняті для основних видів геозображень: карт, аеро- і космічних знімків, неоднакові.

Використовується наступна класифікація топографічних і тематичних карт: великомасштабні - 1: 100 000 і крупніше, средньомасштабні - від 1: 200 000 до 1: 1 000 000 і дрібномасштабні - дрібніше 1: 1 000 000.

Масштабні класифікації мають пряме відношення до просторового охоплення. Це особливо добре видно на прикладі карт інших планет. Масштаб, що для великої планети є великим, для іншої, меншої за розмірами, виявиться дрібним. На Землі метр дорівнює однієї десятимільйонній частині 1/4 довжини меридіана, отже, співвідношення «метрів» різних планет дорівнює співвідношенню їхніх розмірів. Якщо екваторіальний радіус Землі прийняти за 1, то радіус Меркурія складе 0, 38; Венери - 0, 97; Марса - 0, 53; Місяця - 0, 27. Звідси неважко підрахувати, що земній карті масштабу 1: 1 000 000 відповідає (приблизно) карта Меркурія масштабу 1: 400 000, Венери - 1: 1 000 000, Марса - 1: 500 000, Місяця - близько 1: 250 000. Співвідношення велико-, середньо- і дрібномасштабних карт для планет земної групи представлене в табл. 16.1.

Ці співвідношення потрібно мати на увазі при порівнянні форм рельєфу планет (наприклад, кратерів) і взагалі при будь-яких порівняльно-планетологічних дослідженнях.

Що стосується аерофотознімків, то їхня масштабна класифікації найбільше пов'язана з висотою фотографування: за інших рівних умов масштаб знімка тим дрібніше, чим вище піднятий аерофотоапарат. Знімання з вертольотів виконуються в основному у великих і іноді в середніх масштабах, з літаків - у середніх і дрібних масштабах, а з висотних літаків одержують дрібномасштабні аерофотознімки. Приймаючи триступеневий розподіл, виділяють аерознімки: великомасштабні - 1: 5 000 і крупніше, средньомасштабні - від 1: 5 000 до 1: 100 000 і дрібномасштабні - дрібніше 1: 100 000.

Таблиця 16.1

Масштаби карт планет земної групи

Масштаб космічних знімків також тісно пов'язаний з висотою зйомки. Так, автоматичні міжпланетні станції, що пролітають на відстані десятків тисяч кілометрів від Землі, дають досить дрібномасштабні зображення видимої її частини - півкулі. Метеосупутники і пілотовані космічні станції, що облітають Землю на орбітах на висоті кількох тисяч кілометрів, забезпечують отримання в основному средньомасштабних знімків, що охоплюють окремі континенти, океани і великі їхні частини. А з орбіт висотою в кілька сотень кілометрів і з застосуванням довгофокусних об'єктивів отримують досить детальні великомасштабні зображення, що покривають території площею близько 100 тис. км². Трьохступенева класифікація для космічних знімків виглядає так: великомасштабні знімки - крупніше 1: 1 000 000, средньомасштабні - від 1: 1 000 000 до 1: 10 000 000, дрібномасштабні - від 1: 10 000 000 до 1: 100 000 000.

Наведені масштабні підрозділи для трьох основних видів геозображень відображають важливий, хоча, втім, досить очевидний факт: карти за своєю детальністю займають проміжне місце між аеро- і космічними знімками (див. табл. 16.2).

Таблиця 16.2

Масштабні класифікації геоизображений

Практика застосування геозображень в науках про Землю свідчить про те, що кожному просторовому рівню дослідження відповідає деякий оптимальний діапазон масштабів карт і знімків. Наприклад, дрібномасштабні геозображення зручні для простежування природної зональності, вивчення великих гірських систем і планетарних тектонічних структур. Средньомасштабні карти і знімки придатні для районування регіонів, аналізу глобальних лінеаментів і кільцевих структур, а по великомасштабних картах і аерофотознімках зручно вивчати будову ландшафтів, мікрорельєф і мікроклімат території, окремі геологічні структури і т.п.

Співвідношення масштабів, охоплення простору і рівня дослідження для основних геозображень показані в табл. 16.3.

На локальному рівні дослідження космічних знімків застосовують нечасто. Аерофотознімки не застосовують на глобальному рівні і вкрай рідко - на континентальному/океанічному рівні.

Вибір геозображень того або іншого масштабу визначається їхньою якістю (кольором, роздільною здатністю, спектральним діапазоном і т.п.) і характером розв'язуваних задач. Аерознімки залучаються тоді, коли ставиться завдання підвищити детальність досліджень, виявити деталі, відсутні на картах і космічних знімках. Тому при дослідженні завжди намагаються взяти знімки більшого масштабу, чим карти.

На рис. 16.1 представлений графік, на якому жирними лініями показані головні співвідношення масштабів і просторового охоплення, а заштрихована эліпсоподібна область - поле масштабів геозображень - окреслює можливі межі коливання у виборі масштабів. Графік відображає ряд закономірностей:

· зв'язок рівня дослідження і масштабів геозображень;

· доцільні (можливі) діапазони коливання масштабів геозображень на різних просторових ієрархічних рівнях;

· зближення масштабів карт з аерокосмічними знімками на різних рівнях;

· оптимальні поєднання геозображень, їхню масштабну сумісність.

Таблиця 16.3

Масштаби карт, аеро- і космічних знімків і основні просторові рівні дослідження

Вибираючи масштаб геозображень, користувач шукає компроміс між оглядовістю і детальністю карти. На рівні глобальних досліджень найбільш важлива оглядовість, а в міру наближення до локального рівня усе більше цінується детальність. Бажано мати це на увазі при плануванні наукових досліджень, формуванні ГІС, складанні нових карт тощо, коли доводиться поєднувати різні геозображення.

Рис. 16.1. Поле масштабів геозображень.

16.3. Тимчасові діапазони геозображень

При використанні різночасових геозображень важливо знати їхні тимчасові діапазони, тобто відрізки часу, які можна відображати, вивчати, моделювати з їхньою допомогою. Щодо цього практично необмежені можливості різночасових карт - звичайних і електронних, комп'ютерних анімацій і т.п. Вони здатні передати динаміку і еволюцію явищ за будь-який відрізок часу: від годин (наприклад, на синоптичних картах) до геологічних епох (на картах палеогеографічних). Карти-реконструкції і карти-прогнози дозволяють відобразити ближню і далеку ретроспективу і заглянути у віддалене майбутнє.

Якщо ж говорити не про карти-реконструкції, а про документальні картографічні матеріали, які з достатньою точністю фіксують минулі стани природи, населення і господарства, то часовий діапазон звужується до двох-трьох століть. Ряд держав Європи мають у своєму розпорядженні досить точні карти 300-літньої давнини.

Фонд аерокосмічних знімків характеризується істотно іншим діапазоном часу. Різночасові аерознімки дозволяють вивчати динаміку явищ в інтервалі від декількох годин до декількох десятиліть. Планомірне аерофотознімання почалося в середині 20-х років XX сторіччя, але більшість районів Землі було покрите нею набагато пізніше. Що стосується космічних знімків, як відомо, перші пробні знімання були виконані в 60-х роках, а активне впровадження дистанційного зондування припадає на 70-80-і роки минулого століття. Сьогодні різночасове космічне знімання дозволяє простежити еволюцію приблизно за три десятиліття. При цьому нагадаємо, що повторність сучасного орбітального космічного знімання для ресурсних супутників становить біля доби, для метеосупутників - кілька годин.

Різні явища мають різні характерні інтервали простору-часу, в рамках яких проявляються особливості їхньої структури і динаміки. Наприклад, для глобальних тектонічних процесів - це тисячі км² простору і тисячоліття, для сучасних геоморфологічних явищ - сотні км²/століття, для гідрологічних об'єктів - десятки км²/роки, для метеорологічних і погодних явищ - сотні км²/дні і т.д.

Наявність характерних просторово-часових співвідношень для різних об'єктів, явищ і процесів враховують при використанні різночасних геозображень, знімань, картографуванні і моніторингу. Проведення наукових і практичних вишукувань вимагає вибору оптимальних просторово-часових рівнів (діапазонів) геозображень, тобто тих інтервалів, у межах яких можливі зміни проявляються щонайкраще.

16.4. Генералізація геозображень

Генералізація - невід'ємна властивість всіх геозображень. Теорія і методи картографічної генералізації розробляються давно, докладно досліджені її принципи, точність, суб'єктивні фактори, формальні критерії і т.п. Генералізація аерокосмічних геозображень вивчена недостатньо, тому що вона довго не визнавалася як така (у порівнянні з картографічною), що має механічний, нетворчий характер. В аерофототопографії, а згодом і у космічному зондуванні науковому осмисленню генералізації приділялося мало уваги.

Проблеми теоретичного обґрунтування генералізації виникли у зв'язку із впровадженням автоматики. Нові проблеми виникли з появою динамічних геозображень. Генералізація набула ще одного виміру - тимчасового.

Розгляд геозображень з позицій геоіконіки показує, що картографічна генералізація не єдиний вид генералізації, вона існує і в інших видах і варіантах.

Нагадаємо, що картографічна генералізація - це відбір, узагальнення, виділення головних, типових рис зображуваних на карті об'єктів відповідно до призначення, масштабу, змісту карти та особливостей території, яка картографується. Завдяки генералізації карта не є простою копією об'єкта. Вона «проходить» через голову і руки картографа і несе в собі відбиток його уявлення про об'єкт, знання, наукового досвіду. Оперуючи філософськими категоріями, можна сказати, що генералізована карта - це суб'єктивний образ об'єктивної дійсності.

Дистанційна генералізація - це геометричне і спектральне узагальнення зображення на знімках (аеро-, космічних, наземних, підводних), обумовлене комплексом технічних факторів (методом знімання, її висотою, спектральним діапазоном, масштабом, роздільною здатністю) і природними особливостями (характером місцевості, атмосферними умовами і ін.).

Генералізацію даного виду називають по-різному: оптичної, фотографічної, космічної, механічної і т.п. Вона виникає, насамперед, за рахунок збільшення висоти, коли багато об'єктів стають просто нерозрізнені. Інакше кажучи, зі зменшенням масштабу зменшується і роздільна здатність знімка, його властивість роздільно відтворювати дрібні деталі місцевості. Крім того, чим вище піднята знімальна апаратура, тим товстіший шар атмосфери, тому земні об'єкти розрізняються менш чітко, обриси їх стають розмитими, контрасти слабшають, а деякі малоконтрасні об'єкти зливаються.

При дистанційній генералізації інтегруються (синтезуються) спектральні і геометричні характеристики об'єкта, а зміна детальності зображення приводить до перебудови його структури. На космічних знімках дрібного масштабу генералізація буває настільки сильна, що стають чітко видні великі (планетарні) блоки літосфери і біосфери, проявляються границі природних зон і навіть макроелементи соціально-економічної інфраструктури.

Дистанційна генералізація - механічний процес, хоча деякою мірою його можна контролювати, наприклад, міняючи технічні параметри знімання, підбираючи ті або інші діапазони, чутливі матеріали і знімальну апаратури.

Динамічна генералізація - механічне (анімаційне) узагальнення зображення, що дозволяє простежувати головні, найбільш стійкі в часі закономірності, типові довгострокові тенденції розвитку явищ за рахунок зміни швидкості демонстрації фільмів і анімацій.

Принцип динамічної генералізації, обумовлений швидкістю зміни кадрів, є простим, але його ефект ще недостатньо вивчений. Суть полягає в тому, що при швидкій демонстрації анімації короткоперіодичні зміни швидко промайнуть на екрані і глядач побачить лише довгострокові зміни, а при повільній демонстрації, навпаки, динамічні процеси можна розглянути у всіх деталях. Таким чином, динамічна генералізація додає до картографічної і дистанційної ще один аспект - тимчасовий, дуже корисний для вивчення структури і динаміки географічного простору.

Нарешті, як особливий вид виділяється автоматична (логіко-математична), або «машинна» генералізація, що виявляється у формалізованому відборі, згладжуванні і фільтрації зображення відповідно до заданих формальних критеріїв.

Згладження спрощує обриси звивистих контурів, ізоліній і розчленованих поверхонь. Залежно від прийнятих параметрів (згладжуючих функцій, кроку усередниння) можна отримати лінії і поверхні різної гладкості. Для тих же цілей застосовують апроксимуючі функції, за допомогою яких отримують поверхні тренда, по суті це те ж згладжування. Аналогічний зміст мають і процедури фільтрації, коли вихідне зображення як би пропускається через сито з комірками (вікнами) різної крупності, створюючи ефект генералізації. Процес автоматичної генералізації добре піддається керуванню, але в нього важко вводити неформальні оцінки, змістовні ціннісні параметри.

Отже, всі геозображення мають ту або іншу генералізацію, хоча вона проявляється в різних видах і варіантах. Плани, карти і похідні від них геозображення будь-якого масштабу піддаються картографічній генералізації, знімки - дистанційній, анімації - динамічній, а комп’ютерно оброблені або перетворені геозображення - автоматичній генералізації. Комбіновані геозображення, приклади яких наведені в табл. 16.4, поєднують в собі різні види генералізації. Наприклад, фотокарти володіють і картографічною, і дистанційною генералізацією, а перетворені космічні знімки – автоматичною і дистанційною.

Особливим комбінованим видом є інтерактивна генералізація, що поєднує змістовні принципи картографічної генералізації і формальні логіко-математичні прийоми.

Таблиця 16.4

Генералізація геозображень

Таким чином, генералізація геозображень у різних її проявах стосується геометричної форми об'єктів, їх якісних і кількісних особливостей, спектральних характеристик, динамічних аспектів. Розуміння загальних закономірностей цього процесу наближає до розв’язку проблеми управління генералізацією геозображень, надзвичайно актуальної з погляду їхнього використання в наукових дослідженнях.

Розбіжності між видами генералізації очевидні. Якщо виділити головний момент у кожному з видів, то для картографічної генералізації - це відбір, для дистанційної - узагальнення, для динамічної - стиск у часі, для автоматичної - згладжування. Найбільшою гнучкістю і керованістю відзначається генералізація картографічна, а найменшою – дистанційна.

Слід пам’ятати дві загальні властивості генералізації:

· генералізація будь-яких геозображень веде не тільки до втрати даних, але і сприяє появі якісно нової інформації і закономірностей;

· послідовне підвищення рівня генералізації забезпечує прояв на геозображеннях рис все більших геосистем.

Наслідком цього є важливі закономірності. Вивчення різномасштабних геозображень однієї і тієї ж території стає засобом дослідження геосистем різного порядку, виявлення їхньої просторової ієрархії. У міру посилення генералізації на геозображеннях чіткіше проявляються провідні закономірності просторового і часового розподілу явищ, виявляються головні, найбільш сильні і стійкі в часі зв'язки і властивості. Генералізація за своєю суттю сприяє зняттю дрібні флуктуацій, звільненню зображення від випадкових похибок і дефектів, внаслідок чого головні властивості з'являються як би в очищеному вигляді.

16.5. Геоіконометрія

Сучасні дослідники в області наук про Землю і суміжних з ними соціально-економічних наук основну частину часу проводять не в полі, а в камеральних умовах за персональним комп'ютером, аналізуючи аеро- і космічні знімки, карти, профілі, розрізи, інші графічні документи і отримують з них потрібну інформацію. Звідси стає зрозуміла актуальність розвитку методів і засобів виміру за геозображенням.

В картографії, дистанційному зондуванні, фотограмметрії і у голографії існує комплекс метричних дисциплін, що забезпечують виконання вимірів. У геоіконіці поступово формується геоіконометрія - система дисциплін, що вивчають теорію, методи і засоби вимірів за геозображеннями. В неї входять дисципліни, які мають довгу, навіть багатовікову історію і добре розвинутий апарат вимірів, методики, що сформувався порівняно недавно, а також ті, що перебувають у стадії зародження.

Виділяють три галузі метричних дисциплін:

· геопланіметрія - виміри за плоскими 2-мірними геозображеннями;

· геостереометрія - виміри за об'ємними 3-мірними геозображеннями;

· геохронометрія, або динамічна геоіконометрія - виміри за динамічними 3- і 4-мірними геозображеннями.

Геопланіметрія - найбільш розвинена галузь геоіконометрії - включає картометрію, фотограмметрію, морфометрію (яка в широкому розумінні охоплює виміри форм об'єктів по картах і знімкам), а також фотометрію і колориметрію, що займаються відповідно вимірами оптичного випромінювання об'єктів і їхніх колірних характеристик.

Друга галузь - геостереометрія - включає ті ж вимірювальні дисципліни, але в додатку до об'ємних геозображень: стереомоделей, анагліфів, блок-діаграм, метахронних діаграм і голограм. Добре розвинені стереофотограмметрія і стереофотометрія, тобто виміри геометричних характеристик і параметрів випромінювання об'єктів за стереопарами фотознімків на основі стереоскопічного ефекту. Значно розвинена і голограмметрія - виміри за голограмами, але в геоіконіці вона поки залишається на рівні експериментів. Поява стереокартографічних і віртуальних геозображень поступово веде до розвитку відповідних метричних дисциплін - стереокартометрії і стереоморфометрії.

У геохронометрію, третю галузь геоіконометрії, входять динамічна картометрія і динамічна фотограмметрія, тобто виміри просторових і часових параметрів за динамічними картами, різночасовими знімками, картографічними анімаціями і іншими динамічними геозображеннями. З розширенням сфери практичного використання динамічних геозображень отримують розвиток і такі дисципліни, як динамічна морфометрія, динамічна фотометрія, кіноколориметрія.

Розглянута класифікація систематизує і впорядковує відомі дисципліни геоіконометрії і одночасно виконує програмуючу функцію, показуючи можливі точки росту нових метричних дисциплін.

3. ПРАКТИЧНІ ЗАНЯТТЯ, ЇХ МЕТА ТА ЗМІСТ

3.1. Змістовий модуль 1