Метод геоинформационных систем в географической науке

Н.Г. Максимов формулирует метод  как «систему правил и приемов подхода к изучению явлений и закономерностей природы, общества и мышления; путь, способ достижения определенных результатов в позна­нии и практике, прием теоретического исследования или прак­тических действий, исходящий из знания закономерностей развития объективной действительности и исследуемого предмета, явления, процесса» [33, с.21].

Современный этап развития всех наук характеризуется резким усилением внимания к проблемам методи­ки, стремлением наук познать самое себя. Эта общая тенденция про­является в усиленной разработке вопросов логики науки, теории по­знания, методологии.

Особенно глубокий анализ представлен Э. Джонсом; исследователь определил, какими объективными процессами обусловлены эти тенденции:

1.              Происходит расширение использования научных знаний, углубляется проникновение в сущность природных явлений и отношений между ними. Решить эту задачу невозможно, не совершенствуя методику.

2.              Причиной является развитие науки как единого про­цесса познания природы. При этом возникают новые вопросы о свой­ствах природных тел и систем. А новые вопросы часто требуют для своего решения и поиска новых методических путей и приемов.

3.              В современных условиях все важнее становится прогнозировать поведение сложных систем, включающих как природные комплексы, так и технические сооружения. При этом обостряется потребность в новом подъеме работ по развитию методики.

4.              Толчок к ускоренному развитию методики определен ги­гантским ростом географической информации.

5.              Встает задача поиска принципиально новых методических прие­мов. Поиск же всегда связан с решением еще не решавшихся или ос­тавшихся до сих пор нерешенными проблем [17, с.31].

К.Н. Дьяконов сформулировал этапы решения проблему с помощью метода. «Выбор метода тесно связан с целью исследования и прак­тически неотделим от нее. Если задача исследования сформу­лирована точно и однозначно, так же точно и однозначно оп­ределяется и способ ее решения». Сведем различные этапы ре­шения проблемы к следующему общему плану и будем считать его исходной формулировкой содержания термина «научный метод»:

1) сформулировать проблему;

2) составить план эксперимента (или серии экспериментов) необходимого для получения ответа на вопрос;

3) точно определить этапы работ (процедуру эксперимен­та), необходимые для получения исходных данных;

4) классифицировать и свести воедино результаты наблю­дений (исходные данные);

5) проанализировать исходные данные;

6) сделать вывод из результатов анализа;

7) сформулировать гипотезу на основании сделанных вы­водов;

8) предсказать новые выводы исходя из сформулированной гипотезы;

9) проверить выводы с помощью дальнейших экспери­ментов;

10) принять или отвергнуть гипотезу на основании данных, полученных в предшествующем пункте, и ее соответствия или несоответствия предсказанию [20, с. 18-19].

В науке теоретически и практически определены основные понятия, которые позволяют судить о точности экспериментальных исследований, о систематических ошибках получен­ных результатах.

1.3.1. Классические методы исследований в географии.

1.3.1.1. Картографический метод исследований.

Интернет-словарь вводит краткое описание сущности картографического метода исследования. «Картографический метод исследования - метод научного исследования, в котором карта выступает как модель изучаемого объекта и промежуточное звено между объектом и исследователем». Картографический метод исследования включает:

- описания по картам;

- графические построения: профили, блок-диаграммы и др.;

- измерения по картам, математическую обработку этих измерений и т.д.  [16].

Э. Джонс определяет картографический метод исследования как метод применения карт для научного и практического познания изображенных на них явлений. По его концепции, познание включает:

1) получение по картам качественных оценок и количественных характеристик явлений и процессов;

2) изучение взаимосвязей и взаимозависимостей в геосистемах;

3) изучение динамики и эволюции этих геосистем во времени и в пространстве;

4) установление тенденций развития и прогнозирование будущих состояний геосистем; [17, с.35-36].

Как отмечает ученый, «приложения картографического метода исследования в науке и практике весьма разнообразны. Он стал неотъемлемой частью большинства теоретических и практических изысканий, превратился в один из стержневых методов в науках о Земле и обществе». Данный метод опирается на новейшие достижения картографии, математики, вычислительной техники и автоматики, широко используя результаты аэрокосмической съемки [см. там же, с.36].

А.М. Берлянт более глубоко исследует основы метода: «Сущность метода заключается в применение географических карт для научного анализа, познания и прогноза явлений. Картографический метод используют для исследования закономерностей пространственного размещения явлений, их взаимосвязей, зависимостей и развития».

Многообразие приёмов анализа и обработки карт, свойственное картографическому методу, он объединяет в следующие основные способы:

1. Визуальный анализ

2. Графические приёмы анализа

3. Картометрические работы

4. Математико-статистический

5. Математическое моделирование

6.  Переработка (преобразование) карт [7, с.27].

Для картографического метода обычно совместное применение указанных выше способов в их различных комбинациях. Многие из них теперь связаны с использованием  ЭВМ для автоматической обработки данных, снятых с карты «ручным» способом. Вместе с тем, входят в употребление способы для автоматического получения по карте данных, необходимых для исследования, и для их сопряжённой автоматической обработки.

1.3.1.2. Сравнительно-географический метод.

Этот метод широко используется для анализа равновесных отношений в естественных природных системах, которым часто придается статус законов; основа классификации явлений, представленных в пространстве в различных состояниях; основа районирования как способа выделения уникальных свойств и пространственных структур, однозначно, генетически связанных с конкретными территориями на поверхности планет.

Наиболее полное определение данному методу исследования вводит Э. Джонс: «Сравнительно-географический метод исследования — методологический прием выявления закономерностей на основе наблюдения и изучения устойчивых отношений между параметрами явлений в пространстве» [17, с.41].

З.Е. Дзенис подразделил метод сравнительно-географического исследования на три составные части:

1)              региональный метод - исследование путей формирования и развития территорий, изучение развития и размещения общественного производства в региональном развитии;

2)              отраслевой метод - исследование путей формирования и функционирования отраслей экономики в географическом аспекте, изучение развития и размещения общественного производства в отраслевом разрезе;

3)              местный метод - исследование путей формирования и развития производства отдельного города, селения; изучение развития и размещения производства по его первичным ячейкам; [18, с.29].

Л.Ф. Кузнецова вводит более лаконичное определение сущности метода: «Сравнительно – географический метод – выявление сходства и различия территорий, объектов с помощью математических приемов» [30, с.45].

Э. Джонс особо выделяет разновидности сравнительно-географического метода. Метод эталонов – метод, при котором после типизации объектов появляется возможность выделения эталонов, с которыми можно сопоставить другие объекты. Также существует метод полевых исследований, который используется в случае, если исследователь вынужден проводить сбор материалов непосредственно на местах – на предприятиях, фирмах, поле. Метод ключей состоит в выборе наиболее типичных объектов, последующем и исследовании. Полученные результаты по аналогии распространяют на типичные целостные явления и процессы [17, с.61].

1.3.1.3. Сравнительно-исторический метод.

З.Е. Дзенис формулирует лаконичное определение метода: «Сравнительно-исторический метод - способ исследования и объяснения различных явлений, при котором на основе установления сходства этих явлений по форме делается вывод об их генетическом родстве, т. е. об их общем происхождении» [18, с. 65].

Глубокий анализ метода представляет В.П. Максаковский: «Сравнительно-исторический метод - метод исследования, позволяющий выявлять с помощью сравнения общее и особенное в исторических явлениях, ступени и тенденции их развития». Ученый также выделяет формы сравнительно-исторического метода: сравнительно-сопоставительный метод, историко-типологическое сравнение, историко-генетическое сравнение и др. [32, с.56].

Интернет-словарь вводит аналогичное определение метода: «Сравнительно-исторический метод - метод, с помощью которого выявляется общее и особенное в исторических явлениях путем сопоставления различных исторических ступеней развития одного или разных сосуществующих явлений» [16].

Близкое значение сформулировала Л.Ф. Кузнецова: «Сравнительно-исторический метод - научный метод, с помощью которого путём сравнения выявляется общее и особенное в исторических явлениях, достигается познание различных исторических ступеней развития одного и того же явления или двух разных сосуществующих явлений; разновидность исторического метода». Данный метод позволяет выявить и сопоставить уровни в развитии изучаемого объекта, произошедшие изменения, определить тенденции развития [30, с.49].

1.3.2. Современные методы.

1.3.2.1. Математическое моделирование.

Под моделью Интернет-словарь понимает упрощенное воспроизведение реальности, предположительно отражающее в обобщенной форме ее существенные черты и взаимосвязи [16].

Определение модели, приведено в работе И.Б. Новикова: «Моделирование — это опосредованное практическое или теоретическое исследование объекта, при котором непосредственно изучается не сам интересующий нас объект, а некоторая вспомогательная искусственная или естественная система (модель)». Она находится в некотором объективном соответствии с познаваемым объектом; способна замещать его в определенных отношениях и дает при её исследовании, в конечном счете, информацию о самом моделируемом объекте [41, с.160].

Согласно учебнику Б.Я. Советова и С.А. Яковлева, «модель (лат. modulus — мера) — это объект-заместитель объекта-оригинала, обеспечивающий изучение некоторых свойств оригинала». А также «замещение одного объекта другим с целью получения информации о важнейших свойствах объекта-оригинала с помощью объекта-модели называется моделированием». «Под математическим моделированием будем понимать процесс установления соответствия данному реальному объекту некоторого математического объекта, называемого математической моделью, и исследование этой модели, позволяющее получать характеристики рассматриваемого реального объекта [48, с.12].

А.А. Самарский и А.П. Михайлов вводят иное определение: математическая модель — это «„эквивалент“ объекта, отражающий в математической форме важнейшие его свойства — законы, которым он подчиняется, связи, присущие составляющим его частям, и т. д.» Существует в триадах «модель-алгоритм-программа». «Создав триаду „модель-алгоритм-программа“, исследователь получает в руки универсальный, гибкий и недорогой инструмент, который вначале отлаживается, тестируется в пробных вычислительных экспериментах [44, с.7-8].

Несколько менее общее определение математической модели, основанное на идеализации «вход — выход — состояние», заимствованной из теории автоматов, даёт Wikipedia – Интернет энциклопедия: «Абстрактное математическое представление процесса, устройства или теоретической идеи; оно использует набор переменных, чтобы представлять входы, выходы и внутренние состояния, а также множества уравнений и неравенств для описания их взаимодействия» [12].

1.3.2.2. Аэрокосмический метод.

По мнению Л.Ф. Кузнецовой, «Аэрокосмические снимки  служат  источниками  для создания  общегеографических  и  тематических  фотокарт». Главные достоинства аэроснимков, космических  снимков  и  цифровых  данных, получаемых в ходе дистанционного зондирования, - их  большая  обзорность  и одномоментностъ. Снимки дают интегрированное и  вместе  с  тем  генерализованное  изображение  всех элементов земной поверхности, что позволяет видеть их  структуру  и  связи. «Очень важное достоинство,  - подчеркивает автор, -  повторность  съемок,  т.е.  фиксация  состояния объектов в разные моменты времени и возможность прослеживания их динамики» [30, с.87-88].

Э. Джонс выделяет несколько направлений  применения    материалов дистанционного зондирования в целях картографирования: составление новых топографических и тематических карт; исправление и обновление существующих карт; создание  фотокарт,  фотоблок-диаграмм  и  других  комбинированных   фотокартографических моделей; составление оперативных карт и мониторинг [17, с.94].

В.П. Максаковский под аэрокосмическими методами понимает «совокупность методов исследований атмосферы, земной поверхности, океанов, верхнего слоя земной коры с воздушных и космических носителей путем дистанционной регистрации и последующего анализа идущего от Земли электромагнитного излучения». Аэрокосмические методы обеспечивают определение точного географического положения изучаемых объектов или явлений и получение их качественных и количественных биогеофизических характеристик [32, с.83].

З.Е. Дзенис отдельно отмечает особенность аэрокосмических методов: «между изучаемой местностью и регистрирующей аппаратурой всегда находится слой, в общем, непрозрачной атмосферы, поэтому вести исследования можно только в отдельных зонах спектра электромагнитных волн, получивших название окна прозрачности. Серьезной помехой является также облачность» [18, с.65-66].