Картографічні моделі. Типи моделей.

Однією з складових геоінформаційної системи є підсистема аналізу, яка являє собою упорядкований набір взаємодіючих операцій з картами, і які разом можуть використовуватися для операцій (задач моделювання). Головне полягає у тому, щоб побачити ці складні моделі, які у свою чергу складаються з більш менших і простих компонентів. Окремі компоненти можуть реалізовуватися відносно невеликою кількістю аналітичних операцій. Потім, вони можуть поєднуватися з іншими для утворення більш великих модулів. Як і будь-яка складна система, просторова модель майже завжди може бути розділена на складові частини.

Термін “картографічне моделювання” був введений американськими вченими Томліном і Беррі у 1979 році. Він означає процес використання комбінацій команд для відповідей на питання про просторові явища. Більш формально, картографічна модель – це набір взаємодіючих, упорядкованих операцій з картами, які використовують як вихідні, так і попередньо оброблені дані для моделювання процесу прийняття рішення про просторові об’єкти. Розглянемо це визначення більш докладно.

Перша умова визначення говорить про те, що картографічні операції повинні взаємодіяти одна з другою. Кожна операція над покриттям повинна мати результат (звичайно інше покриття), що може використовуватися наступною операцією.

Припустимо, що в нас є карта типів ландшафту області, яка вивчається, і нам потрібно знайти рівнинну місцевість, що знаходиться у власності держави, для того щоб побудувати військовий полігон. Нашою першою операцією буде перекласифікація покриття для створення нового покриття під назвою “землекористування” з виділенням типів землекористування, які пов’язані з типами ландшафту. Ми також створюємо покриття, яке показує власників земельних ділянок. Це може потребувати ще однієї перекласифікації, хоча б ця операція могла б бути здійснена і під час першої перекласифікації. Наступною операцією буде ще одна перекласифікація, яка створює покриття “державна власність”, що виділяє державі рівнинні ділянки з площею, наприклад, не менше 25 гектар. Ця перекласифікація потребує виділення чарунок растру для уособлення полігонів площею 25 га і більше, та нам буде потрібно об’єднати цю операцію з функцією виділення безперервних полігонів.

Наше вихідне покриття “Землекористування” було не дуже специфічним. Воно відносилося до всіх можливих типів ландшафту в області, яка вивчається і, крім того, не можливо було б дати відповідь на поставлені нами запитання. Після його обробки ми створили покриття з конкретними атрибутами, які могли б дати відповідь на поставлене питання – де є рівнинні ділянки місцевості, що знаходяться у власності держави і мають достатню площу?

Ми підійшли до останньої частини нашого визначення. Наші дії з вихідними і проміжними даними спрямовані на моделювання процесу прийняття рішення про те, що містить покриття, яке розглядається, достатньо великі рівнинні ділянки, які є державною власністю. Позитивна відповідь на це запитання призведе до отримання дозволу на будівництво, а заперечна відповідь призведе до нового пошуку. Позитивна відповідь означає, що потрібна площа є в наявності. Але коли нам потрібно буде розширити військовий полігон, то нам знов буде потрібно розглянути друге створене покриття. Класифікація (ранжування) полігонів цього покриття призведе нас до визначення комбінацій, які дозволять нам збільшити територію полігону.

Тепер розглянемо, які підсистеми геоінформаційної системи ми використовували. Перший крок – введення вихідного покриття “землекористування” за допомогою системи вводу. Далі – усунення помилок і зберігання карти. Після цього ми повинні виконати вибір карти для аналізу. Для цього використовується підсистема зберігання і редагування даних. На наступному етапі задіюється підсистема аналізу для перекласифікації покриття.

Результати перекласифікації в подальшому зберігаються, як картографічне покриття. Для цього використовується підсистема зберігання і редагування даних, а також підсистема вводу інформації, хоча карта і не друкувалася на папері. Потім, для вирішення нашої задачі, ми виконували вибірку нового покриття для продовження аналізу. І в будь-який момент часу ми могли, за бажанням, проглянути карту. Ілюстрація процесу переходу від однієї підсистеми ГІС до іншої підсистеми в процесі створення нових покрить наведена на рис. 6.5.

 

Розглянутий нами процес не є лінійним. Ми бачимо, що процес картографічного моделювання є циклічним. Циклічна природа картографічного моделювання дає нам гнучкість у виборі та переході від однієї підсистеми до іншої при перетворенні даних, що необхідні для створення кінцевого просторо-інформаційного продукту.

Типи моделей.

Існує сильна подібність між розподілом статистичних методів на описувальні і аналітичні та класифікацією основних типів картографічних моделей. Тому і картографічні моделі можливо, відповідним чином, розподілити на описувальні та предписувальні моделі.

Описувальні картографічні моделі описують і, при деяких обставинах, пояснюють деякі розподіли і взаємозв’язки, що отримані в результаті аналізу. Найпростіші описувальні моделі просто ілюструють існуючу ситуацію уособленням деяких явищ і показують результати у формі, яка дозволяє користувачу одним поглядом охопити ці явища та їх взаємозв’язки. Це не на багато відрізняється від фактору повідомлення в картографії, власно тим, що описувальні (атрибутивні) дані зберігаються в комп’ютерній базі даних. Незважаючи на свою простоту, моделі такого типу все ще широко використовуються, так як вони передбачають досить простий шлях отримання легко пізнаваних подань просторових об’єктів і явищ.

Тому з подальшим ростом потреби знань про місцевість та зв’язки між її об’єктами, виникла потреба перейти від чистого опису до моделей, які передбачають, як наявні умови можуть впливати на тенденції розвитку об’єктів місцевості. Наприклад: розміщення промислових об’єктів; на зміни з часом рослинності; описують результати будови греблі на річці; показують потенційні зони росту міста на основі знань про попередній його розвиток, тощо.

Останній приклад показує нам на потенціал передбачення (прогнозування) картографічних моделей, які можливо описати. Моделі передбачення (прогнозування) дозволяють користувачу визначити, які фактори важливі у функціонуванні області дослідження і, як ці фактори пов’язані один з одним просторово. Треба пам’ятати, що передбачення на основі таких зв’язків може бути дуже ненадійним. Для отримання надійного результату потрібно, щоб фактори мали ясну та доведену причинну зв’язаність.

Моделі передбачення частіше всього асоціюються з другим типом моделювання – предписувальним моделюванням, яке сьогодні є головним типом моделювання. В той же час практика показує, що не існує чіткого розподілу між описувальними і предписувальними моделями. Якщо уявити собі весь спектр картографічного моделювання, то моделі передбачення знаходяться ближче до предписувальних ніж чим до описувальних. Предписування може також показати користувачу моделі то, як аналіз описувальної інформації може покращити ситуацію в цілому.

Всі існуючі моделі, що були нами розглянуті, потребують наперед всього опису наявних умов. Іншими словами, всі ці моделі передбачають, що предписувальна модель, яка розробляється, спочатку описує явища, а потім предписує, як діяти на основі результатів аналізу.

В будь-якому випадку, природа і складність задачі буде визначати тип моделі, що застосовується, незалежно від того, як вона називається.

Індуктивне і дедуктивне моделювання. З якими б типами картографічних моделей ми не працювали, існує два методи формулювання моделей. Вони включають в себе ті ж самі логічні підходи, що використовуються у будь-якому науковому дослідженні. Перший метод, який називається індуктивним методом, базується на русі від конкретних елементів до загального твердження. В цьому випадку емпіричні просторові дані досліджуються шляхом спроб і помилок. Різні покриття порівнюються і перевіряються на порівняння з елементами інших покрить для виявлення подібних просторових розподілів або асоціацій, які б могли вказати на процес, що відбувається в області дослідження.

Метод спроб і помилок може використовуватися для внесення порядку в набір елементів, які отримані без детального планування. Теж саме можливо сказати і про бази даних ГІС. Існує достатньо показників і, якщо є кореляція між показниками різних покрить, то можливе створення моделі, яка буде корисна для прийняття певних рішень.

Інший спосіб моделювання дедуктивне моделювання - передбачає рух у протилежному напрямку ніж індуктивне моделювання. В цьому випадку, ми починаємо з конкретного висновку або формулювання, що відноситься до певних питань досліджень. А далі формулюємо подробиці (деталі), які необхідні для здійснення раніше сформульованого висновку (дії).

Перевага дедуктивного підходу полягає в тому, що нам не потрібно витрачати час і засоби на створення зайвих покрить, завдяки чому ми можемо сконцентрувати свої зусилля на підготовці тільки дійсно потрібних нам даних.

Складання блок-схем моделей.

Який би ми метод моделювання не використовували – індуктивний чи дедуктивний – дуже корисною методикою, що допомагає сформулювати модель і визначити потрібні нам покриття, є складання блок-схеми моделі. Цей процес потребує відокремлення кожного елемента (покриття), який повинен використовуватися в нашій моделі. Кожне покриття повинно мати конкретну, унікальну тему, що подає один фактор або групу факторів у моделі, яка досліджується.

Блок-схема дозволяє визначити, маємо чи ми всі необхідні покриття, а також перевірити чи є ці покриття єдиними для кожної теми. Якщо є надлишкові покриття, що подають вже наявні теми, то їх потрібно скоротити і зменшити час загального виводу інформації.

Розглянемо зображення блок-схеми простої дедуктивної картографічної моделі, мета якої – визначити місце для побудови військового містечка. Задача дослідження потребує врахування по меншій мірі трьох аспектів. Це фізичні фактори, інфраструктура, адміністративно-правові фактори (рис. 6.6).

Тепер більш докладно зупинимось на розгляді кожного з факторів, які потрібно врахувати.

Перший фактор – інфраструктура. Нам потрібно мати дані про наявність електропостачання та водопостачання, газу, каналізації, шляхів сполучення.

Другий фактор – адміністративно-правові. Потрібно мати дані, чи є вже чиясь заявка на відведення цієї земельної ділянки, чи знаходиться вона у чиїсь власності, якщо так, то необхідні дані про можливість її придбання. Крім того, потрібен дозвіл на будівництво, так як ця ділянка може бути в зоні, де будівництво заборонено. Якщо ділянка буде у сейсмічній зоні, то можливі обмеження на конструкції будівлі і методи будівництва. Пожежно небезпечні зони потребують застосування вогнестійких матеріалів. Все це впливає, як на вибір місця будівництва, так і на вартість будівництва.

 

 

 

Рис. 6.6. Блок-схема картографічної моделі побудови воєнного містечка.

 

Третя група факторів – фізичні фактори. Нахил місцевості повинен бути встановленої величини. Місцевість повинна бути з мінімальною кількістю дерев. Ґрунти в районі будівництва повинні бути певних характеристик.

Виходячи з розглянутих факторів, нам потрібно створити окремі покриття для дослідження кожного фактору та прийняття відповідного рішення в подальшому.

Створивши окремі покриття, які необхідні для дослідження кожного фактору, нам далі необхідно отримати результуючі покриття за кожним фактором дослідження. Вони створюються шляхом перетину всіх окремих створених покрить. Для цього використовують накладання, в результаті якого ми отримуємо області, які задовольняють визначеним нами критеріям.

Кінцеве рішення буде складатися в перетині трьох створених покрить з фізичними, адміністративно-правовими і інфраструктурними факторами так, як всі їх можливі обмеження повинні бути виконані на попередніх етапах. Якщо модель працює, то ми отримаємо хоча б одну ділянку, яка буде задовольняти всім встановленим критеріям.

Але на практиці можуть виникнути ситуації, коли нам буде необхідно збільшити або зменшити наші обмеження (вимоги). Тому кожний окремий фактор (обмеження) може мати свою вагу (окремий внесок у дійсну ситуацію).

Наприкінці цього етапу, створивши модель, нам далі потрібно перевірити її працездатність.