Применение картографии в образовательной школе

                                      Введение

 

С конца 70-х годов нашего столетия в мировой практике и науке стала усиленно развиваться технология по созданию систем для организации и хранения пространственных данных, получившая название “Географические информационные системы” (ГИС). Одновременно с развитием технологии развиваются и области ее применения. Учитывая их многообразие – от высококачественной картографии до планирования землеустройства, управления природными ресурсами, оценки и планирования состояния окружающей среды и т.д. можно с полной определенностью утверждать, что именно ГИС обещает стать одной из наиболее обширных сфер применения новых информационных технологий для решения задач управления.

В первую очередь, это связано с тем, что ГИС позволяет рассматривать данные по анализируемым проблемам относительно их пространственных взаимоотношений, что позволяет проводить комплексную оценку ситуации и создает основу для принятия более точных и разумных решений в процессе управления. Объекты и процессы, описываемые в ГИС, являются частью повседневной жизни, и почти каждое принимаемое решение ограничивается, связывается или бывает продиктовано тем или иным пространственным фактором. На сегодняшний день возможность использования ГИС сочетается с потребностью в них, следствием чего является быстрый рост их популярности.

                                                                                                                                                               

 

                     

 

Цель дисциплины – освоение современных достижений  ГИС- технологий, обучение основам дистанционных исследований, методам анализа и дешифрирования аэрофото - и космических снимков.

Задачи дисциплины :

1.Рассмотреть  теоритические аспекты использования  ГИС - технологий , при изучении природных геосистем.

2.Определить  возможности современных  ГИС  – продуктов , в изучении и анализе природных геосистем .

3.Раскрыть основные вопросы методики дистанционных исследований, ознакомить с методами аэрокосмического изучения природных геосистем, освоить практические навыки дешифрирования дистанционной информации.

 

                          1.Природные геосистемы.

 

                       1.1Что такое природные геосистемы ?

Геосистема  — фундаментальная категория географии и геоэкологии, обозначающая совокупность взаимосвязанных компонентов географической оболочки, объединённых потоками вещества, энергии и информации. В целом, это понятие очень близко к понятию экосистемы или биогеоценоза.

Понятие «геосистема» в советскую науку ввёл академик Сочава. Поскольку практически все географические науки в той или иной степени занимаются вопросами взаимодействия компонентов природной среды, существует довольно много понятий,  близких к понятию геосистемы. 
Геосистема — относительно целостное территориальное образование, формирующееся в тесной взаимосвязи и взаимодействии природы, населения и хозяйства, целостность которого определяется прямыми, обратными и преобразованными связями, развивающимися между подсистемами геосистемы. Каждая система обладает определенной структурой, которая формируется из элементов, отношений между ними и их связей с внешней средой. Элемент — это основная единица системы, выполняющая определенную функцию. В зависимости от масштаба («уровня разрешения»), элемент на определенном уровне представляет собой неделимую единицу. При увеличении уровня разрешения исходный элемент утрачивает свою автономность и становится источником элементов новой системы (подсистемы). Такой подход наиболее важен в географии, оперирующей территориальными системами разных масштабов. Каждый элемент системы и система в целом характеризуется определенными свойствами. Адекватное познание системы зависит от цели конкретного исследования и определения на этой основе множества наиболее существенных свойств. Исчерпывающе описать систему только через свойства невозможно, в связи с чем важной задачей любого системного исследования является определение ограниченного, конечного множества свойств.                                                    Это же относится к отношениям между элементами системы. 
Геосистемы обладают огромным количеством свойств. Главными из них являются: а) целостность (наличие единой цели и функции); б) эмерджентность (несводимость свойств системы к сумме свойств отдельных элементов); в) структурность (обусловленность поведения системы ее структурными особенностями); г) автономность (способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, то есть состояние с низкой энтропией); д) взаимосвязанность системы и среды (система формирует и проявляет свои свойства только в процессе взаимодействия с внешней средой); е) иерархичность (соподчиненность элементов системы); ж) управляемость (наличие внешней или внутренней системы управления); з) устойчивость (стремление к сохранению своей структуры, внутренних и внешних связей); и) множественность описаний (в силу сложности систем и неограниченного количества свойств их познание требует построения множества моделей в зависимости от цели исследования); к) территориальность (размещение в пространстве — это главное свойство систем, рассматриваемое географией); л) динамичность (развитие систем во времени); сложность (качественные и количественные различия ее элементов и атрибутов).

Геосистемы – это природно-географические единства всех возможных категорий, от планетарной геосистемы (географической оболочки) до элементарной геосистемы (физико-географической фации)

Структура и функционирование целостных систем положены в основу следующих  принципов  моделирования геосистем. 
 Принцип структурной неоднородности и однородности. Не тождественность частей целого обусловливает неоднородность компонентов геосистемы. Собственно говоря, наличие структуры связано с дифференцированностью и неоднородностью частей целого. Представления об однородности структурных компонентов геосистемы, которыми часто пользуются исследователи, являются результатом идеализации неоднородных по некоторым параметрам реальных частей системы. Реальная однородность всегда конкретна, то есть содержит в себе неоднородность. Учет реальных неоднородностей и умелое использование идеализированного представления об однородности приносит хорошие результаты в географических исследованиях. 
   Принцип иерархичности. Одной из основных особенностей географических систем является их иерархичность — свойство делимости на относительно обособленные, но соподчиненные между собой, подсистемы различного ранга. Иерархия ГС обладает, в свою очередь, рядом свойств: 1) вертикальной декомпозицией (то есть вертикальные связи обусловливают многоуровенность подсистем геосистемы, и вышестоящие подсистемы включают в себя нижестоящие); 2)приоритетом действий подсистем верхнего уровня; 3) зависимостью функционирования и развития подсистем нижних уровней.  
  Принцип организованности географических систем. Этот принцип тесно связан с принципом иерархичности. Структура определяется организованностью, упорядоченностью системы. Мерой упорядоченности служит высота уровня негэнтропии. Мерой дезорганизованности, беспорядка ГС является энтропия. Процесс развития геосистем, с одной стороны, ведет к увеличению неоднородности компонентов, усложнению иерархии, повышению организованности в системе, что соответствует уменьшению энтропии (увеличению негэнтропии). С другой стороны, естественный процесс неизбежно сопровождается выравниванием различных потенциалов между компонентами ГС, увеличением их однородности, понижением уровня организации, чему соответствует увеличение энтропии (понижение негэнтропии) геосистем. В замкнутых геосистемах, где отсутствуют исходные величины, процесс имеет одну направленность — в сторону возрастания энтропии. При этом уменьшается количество энергии, участвующей в работе ГС, происходит выравнивание различий внутри системы и разрушение ее иерархической организации. Это противоречие приводит к тому, что в открытых геосистемах отрабатывается устойчивая структура, все более четко обособляющая себя в пространстве. Принцип территориальности предполагает учет зависимости   функционирования и развития геосистем от размещения ее элементов на территории (в пространстве). Функционирование и развитие геосистемы зависит от многих других определяющих факторов,однако территориальная (пространственная) принадлежность ГС обусловливается также зависимостью ее функционирования от размещения ее элементов. 
       Принцип пространственного сбалансирования компонентов. Все компоненты системы увязаны в единое целое потоками вещества и (или) энергии. Однако любая ГС отличается группировкой ее составных частей. В каждой из группировок любой из компонентов системы может играть стимулирующую, нейтральную или негативную роль в процессе функционирования и развития. Поэтому важной задачей изучения ГС является анализ свойств систем, встречающихся в пространстве, и выявление адекватных им (свойствам) типов процессов. Анализировать необходимо сущность процессов, приводящих к подобному размещению свойств геосистем в пространстве, и на всех этапах исследования следует искать зависимости, возникающие в результате наложения среды и организации общественнойжизни. 
    Принципы концентрации и комплексообразования. Принцип концентрации элементов в географическом пространстве является отражением закона агломерации, выражающим, в свою очередь, объективную тенденцию к скоплению элементов в ограниченном пространстве. Выделяются два аспекта действия этого закона: географический и экономический. Первый, географический, аспект проявляется в формировании территориальных групп и сочетаний географических элементов в пространстве, а второй, экономический, — в том, что совместимые, компактно расположенные объекты функционируют эффективнее рассеянных. Названный принцип служит основой для реализации принципа комплексообразования в географическом, пространстве. 
    Принцип кратчайших путей и наименьшего сопротивления. Любое поле, создаваемое интенсивностью проявления географического процесса либо    «силовым» эффектом, при определенных ситуациях обусловливает появление потоков субстанции (энергии, вещества или информации). Наличие потоков в поле напряженности связано с разнохронностью изменения во времени компонентов и их комбинаций в этом поле. Медленно изменяемые образования являются полями, быстро изменяемые — потоками, причем поток «выбирает» кратчайший путь (линия наибольшего падения градиента) и движется в направлении наименьшего сопротивления.                                                                                        Глобальная геосистема (синоним географической оболочки). Региональная геосистема представляет собой наиболее дробное подразделение географической оболочки, которое достаточно полно характеризует местные особенности структуры географической среды. По масштабу и конфигурации соответствует ландшафту;

 Локальная геосистема, представляющие собой относительно недолговечный, быстро трансформирующиеся комплекс, внутри которого природные условия практически однородны. Соответствует физико-географической  фации

 

                       1.2 Виды природных  геосистем

Геосистема  (географическая оболочка) – высшее природное единство;основная геосистема (ландшафт), представляющая наиболее дробное подразделение географической оболочки, которое достаточно полно характеризует поместные особенности  структуры географической среды;

Ландшафт - основная геосистема, внутри физико-географической области (страны), представляющая участок земной поверхности, на котором выявляется специфичная для него сложная система фаций образующих  территориальные сочетания (урочища, группа урочищ), динамические и разного  рода  факторальные ряды. В ландшафте, как в фокусе, совмещаются региональный и типологический показатели природы. Как основная таксологическая  единица географической среды ландшафт в равной степени является категорией систематики геосистем и районирования территории.Теснота связей между компонентами геосистемы может быть поставлена на первое место в ряду логических критериев учения о геосистемах, так как характеризует очень важную особенность структуру этих систем. При нарушении нормы тесноты (допустимой жесткости детерминации) геосистема как таковая неминуемо распадается. Это обстоятельство имеет глубокий смысл, так как с одной стороны, определяет возможность длительного существования геосистемы как целого и, с другой – не стесняет некоторые отклонения режимов, ее компонентов. Компонентами ландшафта (и любой геосистемы) являются слагающие его «естественно - исторические тела» - качественно особые виды материи (климат, морфологический комплекс с присущей ему геологической основой, воды, почва, растительность и прочее). Они характеризуются каждый своей формой движения материи – по отношению к географической форме движения (знаменующей развитие географической среды), менее сложной, нередко низшей или побочной. (Комиссия, 1963 г). Каждый компонент геосистемы   представлены   подразделениями различного  ранга, сформировавшиеся в процессе исторического развития этого компонента при взаимодействии с другими, нередко развивающиеся в другом темпе. Каждый компонент геосистемы может иметь свой возраст. Эволюция геосистем как определенных структур шла по пути выработки «свободы связи» между компонентами. Там, где складывались условия жесткой детерминации, геосистема не стабилизировалась. Наряду с ограниченной детерминацией в геосистемах действует различная степень причинности между составляющими ее процессами и явлениями. Н. Винер обращая внимание так же на то, что связи в пределах организации в одних случаях играют более важную роль, в других второстепенную. При этом, по мнению Н. Винера, следует считать, что причинность есть нечто, могущее присутствовать в большей или меньшей степени, а не только быть или не быть. Все это вместе взятое никогда не позволяет упускать из виду, что геосистемы есть диалектическое целое с многообразными связями и противоречиями элементарные геосистемы (физико-географической фации), представляющие недолговечные, быстро трансформирующиеся комплексы, внутри которых природные условия практически однородны .

Фация – наиболее дробное и, как, правило, наименее долговечное подразделение географической среды (элементарная геосистема), которое не пересекается не одним существенным природным рубежом.   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Геоинформационные ресурсы применяемые при       изучении  природных геосистем

 

                                         2.1Аэрофотоснимки       Аэрофотосъемка — фотографирование земной поверхности с самолета (вертолета). Производится вертикально вниз или наклонно к плоскости горизонта. В первом случае получаются плановые аэрофотоснимки, во втором — перспективные.

Чтобы иметь фотоизображение обширного района, делается серия плановых аэрофотоснимков, затем они монтируются вместе. Снимки делаются с перекрытием, чтобы один и тот же участок попал на соседние кадры. Два таких кадра составляют стереопару. Рассматривая их в специальный прибор стереоскоп, видишь объемное, рельефное изображение местности.

Аэрофотосъемка в зависимости от условий и целей работ проводится с применением различных светофильтров, на разной фотопленке. Это позволяет видеть такие особенности природной обстановки, которые не заметишь невооруженным глазом. С помощью аэрофотоснимков составляются точные топографические карты без проведения многочисленных трудных маршрутов. Аэрофотосъемка широко используется для изучения ландшафтов(1), рельефа(2), почв(3), геологических условий(4), грунтовых и наземных вод(5), археологических памятников(6), деятельности человека(7) , охраны природы(8) и т.д. одна из замечательных особенностей аэрофотоснимков: они помогают разглядеть не только то, что имеется на земной поверхности, но и некоторые черты геологического строения, условия залегания грунтовых вод.

 

 

                       Аэрофотоснимок  ландшафта (1)

 С аэрофотоснимка снимка можно выяснить неясные свойства исследуемого объекта, решить задачи, связанные с выявлением свойств ландшафта, взаимосвязей его компонентов, пространственной структуры ландшафтов. В результате этого этапа развития ландшафтоведения появился новый класс географических задач — исследование формирования, динамики и функционирования геосистем, поведения составных элементов, механизмов массоэнергообмена в геосистеме, природных режимов.

 

 

                    Аэрофотоснимок почвенного покрова(3)

Применение аэрокосмических методов в почвоведении дало ощутимый толчок развитию почвенного картографирования и мониторинга почвенного покрова. Еще в 30-е годы ХХ века, на заре применения аэрометодов для изучения природных ресурсов, отмечались значительные возможности использования дистанционных снимков при составлении детальных почвенных карт и для оценки состояния посевов. 
Дистанционные методы изучения почвенного покрова основаны на том, что разные по происхождению и степени вторичных изменений почвы по-разному отражают, поглощают и излучают электромагнитные волны различных зон спектра. Как следствие, каждый почвенный объект имеет свой спектрально-яркостный образ, запечатленный на аэро- и космических материалах. Применяя различные методы обработки аэрокосмических снимков, можно идентифицировать различные почвы и их отдельные характеристики.