Геоинформационное картографирование расселения народов на территории Республики Мордовия Текст научной статьи по специальности «Математика»

Тесленок Сергей Адамович

кандидат географических наук, доцент, кафедра геодезии, картографии и геоинформатики, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева"

teslserg@mail. ги

Макарова Кристина Павловна

студентка, географический факультет, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева"

makarova_kristina15@mail. ги

УДК 528.94:004.9 (470.345)

ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ

РАССЕЛЕНИЯ НАРОДОВ НА ТЕРРИТОРИИ РЕСПУБЛИКИ

МОРДОВИЯ

В статье рассмотрена методика и представлены результаты геоинформационного картографирования расселения представителей национальных групп, преобладающих на территории Республики Мордовия. Для этого потребовалось разработать и создать специализированную базу данных. Детально описан процесс создания карт для каждого из использованных способов картографического изображения.

Ключевые слова: геоинформационное картографирование, атрибутивная база данных, расселение народов, способы картографического изображения, Республика Мордовия.

Цель данной работы состояла в изучении опыта и методики геоинформационного картографирования и создании на этой основе серии карт расселения представителей национальных групп на территории Республики Мордовия. Исследования демографических процессов с использованием геоинформационного картографирования и моделирования [1; 2] для этой территории проводились и ранее. Кроме того, учитывался имеющийся опыт применения геоинформационных технологий [3; 4].

Первым шагом в достижении поставленной цели стала разработка геоинформационного проекта [4], затем были подобраны источники для составления карт, разработана база данных специализированной региональной геоинформационной системы (БД ГИС), рассмотрены методы математико-картографического моделирования для создания карт, отображающих особенности расселения преобладающих национальных групп на территории Республики Мордовия (русские, мордва и татары).

В качестве главных источников информации для разработки атрибутивной БД были использованы региональные статистические данные с результатами Всероссийской переписи населения 2010 г., опубликованные Территориальным органом Федеральной службы государственной статистики по Республике Мордовия [5]. В качестве пространственных данных использовались векторные картографические материалы [6].

Целевое программное обеспечение представлено пакетом ГИС ArcGIS, обладающим соответствующим развитым функционалом для обработки векторных, растровых и табличных данных. Для создания основы карт применялись следующие пространственные данные: цифровые слои рек, озер, контуров и границ районов, автомобильных и железных дорог [6].

До создания геоинформационного проекта [4] и добавления названных слоев в ГИС ArcGIS была определена и настроена нужная проекция. Для территории Республики Мордовия была принята проекция Гаусса-Крюгера, система координат - Пулково 1942, зона - 8^ центральный меридиан - 45° в.д.; линейные единицы - метры. После этого через ArcCatalog были добавлены нужные слои и созданы БД для точечных и полигональных слоев, отображающих населенные пункты и административные районы республики.

База данных - это совокупность хранимых в памяти компьютера взаимосвязанных и специальным образом организованных данных, отображающих состояние той или иной предметной области. Такая база представляет собой последовательность записей, содержащую однозначно определенную по категориям и последовательности информацию. Под каждую категорию данных в записи отводится отдельное поле, которому присваивается имя и отводится столбец [7].

Создать спроектированную БД в программном обеспечении ArcGIS достаточно легко и удобно. Для этого нужно выбрать базовый слой, который в конечном итоге будет содержать необходимую информацию. Поэтому нам требовалось получить три точечных слоя, отражающих характеристики расселения русского, мордовского и татарского народов в населенных пунктах Республики Мордовия. В таблице данных этих слоев были созданы следующие поля: "Населенный пункт", "Численность", "Национальный состав" (рис. 1, а).

Рис. 1. Атрибутивная база данных исходных слоев: а) точечных - населенных пунктов; б) полигональных - административных районов

Параметры этих полей следующие: "Населенный пункт": тип - Строка, длина - 30; "Численность": тип - Double, точность - 16, количество десятичных знаков - 0; "Национальный состав": тип - Строка, длина - 16.

Рассмотрим способы картографического изображения и методы, которые

были применены для построения карт, отображающих особенности расселения преобладающих народов по территории Республики Мордовия: способ локализованных диаграмм, способ значков, метод Сплайна, метод КетеЮешйу.

В атрибутивной таблице полигонального слоя, отображающего контуры административных районов Республики Мордовия, были созданы новые поля "Район", "Числ.мордва", "Числ.русские", "Числ.татары", в которые включены данные по процентному соотношению в национальном составе населения (рис. 1, б).

Этот слой был использован при построении карты способом локализованных диаграмм (рис.2). Для этого в свойствах этого слоя последовательно было выбрано: "Символы ^ Диаграммы ^ Круговая диаграмма", добавлены три поля ("Числ.мордва", "Числ.русские", "Числ.татары"). Далее настраивался размер диаграмм, т.е. определялась и указывалась максимальная длина точек - 25. Затем выбирался цвет фона и секторов диаграмм.

43" К ВОСТОКУ ОТ ГрИНВИЧа 44"

Границы суЬъектов Российской Федерации

Границы районов республики

Железные дороги

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ЦИФРАМИ НА КАРТЕ ОТМЕЧЕНЫ:

1 го. Саранск

2 Лямбирский район

5 Большеберезниковский район Л Кадошкинекий район

Национальный состав

татары

5 Ромодэновский район

Рис. 2. Национальный состав населения административных районов Республики

Мордовия

Следующим шагом настраивались границы, подписывались названия и центры административных районов. После добавления ранее генерализованного слоя рек, слоев озер и железных дорог осуществлялась компоновка карты. В ней были построены рамка, градусная сетка, указан масштаб. Полученная карта, выводимая на печать (см. рис.2), иллюстрирует

долю каждого из преобладающих народов в административных районах республики.

Для построения карт способом значков были использованы абстрактные геометрические значки. Исходными данными в этом случае являются ранее созданные точечные слои. В зависимости от национальности, были подобранны следующие цвета точек: мордва - точки синего цвета, русские - красного цвета и татары - зеленного цвета. В свойствах каждого слоя выбираем "Символы ^ Количество ^ Градуированный цвет". Выбираем количество классов - 3, настраиваем нужный диапазон, и указываем размеры точек (менее 5000 - точка размером 3,5мм; от 5 000 до 15 000 - 4,5мм; более 15 000 - 5,5мм). В результате была получена соответствующая карта (рис.3), отражающая преобладающий национальный состав отдельных населенных пунктов Республики Мордовия.

Рис. 3. Национальный состав населенных пунктов Республики Мордовия

Инструмент "Сплайн (Spline)" использует метод интерполяции, который оценивает значения на основе математических функций, сводящих к минимуму общую кривизну поверхности. Это приводит к построению сглаженной поверхности, проходящей точно через входные точки.

Алгоритм, используемый инструментом "Сплайн (Spline)", основан на следующей формуле для интерполяции поверхности [8]:

N

S(x, у) = Т (х, у) +Е Л]Я(г]) (1)

]=1

где j = 1, 2, ..., К,

N - количество точек,

J - коэффициенты, найденные на основании решения системы линейных уравнений,

Rj - это расстояние из точки (х,у) в точку j-ю,

Т(х,у) и R(r) определяются в зависимости от выбранной опции.

Для вычислительных целей все пространство выходного растра делится на блоки или регионы, равные по размеру. Число регионов, имеющих форму прямоугольников, по направлениям х и у одинаково и определяется путем деления общего количества точек во входном наборе точек на число, заданное для числа точек. Для менее равномерно распределенных данных регионы могут содержать значительно различающееся количество точек, которое при этом является только грубым средним. Если в одном любом из регионов число точек менее восьми, регион будет расширен до того размера, при котором в него попадут минимум восемь точек [8].

Для построения карт методом сплайнов (рис.4) в качестве входных данных были использованы три точечных слоя (созданные ранее), с количественными данными, характеризующими распространение народов (мордва, русские, татары) на территории Республики Мордовия.

Выполнялись следующие действия в ГИС АгсО^: на панели инструментов последовательно выбираем "Геообработка ^ АгсТоо1Ьх ^ Инструменты Spatia1Ana1yst ^ Интерполяция ^ Сплайн"; в открывшемся диалоговом окне выбираем: входные точечные слои - "Русские" (в первом случае); поле значений - численность; выходной растр - прописываем путь для сохранения нового шейп-файла; размер выходной ячейки - 100. Аналогичные действия повторяем для других точечных слоев.

После этого вырезаем по границе района полученный слой, используя функцию вырезания: "Геообработка ^ Вырезание".

В результате были получены три карты "Распределение преобладающих на территории Республики Мордовия народов" (для русских, мордвы, татар) (см. рис. 4).

Для определения показателей и пространственных особенностей расселения преобладающих народов на территории Республики Мордовия дополнительно были использованы возможности анализа плотности.

Инструмент "КегпеЮешйу" (Плотность ядер) определяет плотность точечных объектов вокруг каждой ячейки выходного растра - как для точечных, так для линейных объектов [8]. В нашем случае вычисления выполнялись для точечных объектов.

При вычислении плотности учитываются только те точки или части линий, которые попадают в заданную область соседства конкретной ячейки. Если в такую область не попадает ни одной точки или отрезка линии, такой ячейке будет присвоено значение NoData [8]. Если коэффициент преобразования для единиц измерения площади мал относительно объектов

(расстояния между точками или длины сегментов линии, в зависимости от типа объектов), выходные значения могут быть очень малы.

Татары|~

НИЖЕГОРОДСКАЯ ОБЛАСТЬ

■', БОЛЬШОЕ- -' гИГНАТОВО

АРДАТОВ^ £ 1

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Административный центр района

Административный центр республики

Границы субъектов Российской Федерации

Границы районов республики

Реки

Численность населения русских (чел.)

О □

О □

о

менее 100 100-300 300 - 500 500 - 1 000 1 000 - 2 000 2 000 - 5 000 5 ООО-10 000 10 000-50 000 более 50 000

Численность населения мордвы (чел )

менее 500

□

] 500- 1 000

1 000 - 1 500

1 500 - 2 000

2 000 - 2 500 2 500 - 3 000 более 3 ООО

Численность населения татар (чел.)

менее 50 50 100 100 -300 300 - 600 600 - 1 000 1 ООО - 3000 более 3 000

Рис. 4. Распределение крупнейших этносов на территории Республики Мордовия

Чтобы получить большие значения, необходимо выбрать коэффициент преобразования для более крупных единиц измерения площади (например, квадратные километры, а не квадратные метры).

Для АгсОК радиус поиска (ширина полосы) по умолчанию рассчитывается на основе пространственной конфигурации и количества входных точек. Этот подход корректен для пространственных выбросов -входных точек, которые расположены слишком далеко от остальных - так, что они не будут делать радиус поиска неоправданно большим.

Применяется следующая формула для вычисления ширины полосы [8]:

SearchRadius = 0,9 * min( SD,

1 * Dm) * П 0 2 (2)

ln(2)

где : - SD является стандартным расстояниям;

- Dm является медианным расстоянием;

- n является числом точек, если поле population (население) не используется, или, если поле population (население) используется, то n представляет собой сумму значений полей population (население).

Карты строятся на основе модуля "SpatialAnalyst" с использованием метода построения взвешенного среднего (взвешивающего скользящего кружка) (KernelDensity). Для этого в качестве входных данных были использованы те же самые точечные слои, что и при методе сплайнов.

Выполнялись следующая последовательность действий в ГИС ArcGIS: в панели инструментов выбираем "Геообработка^ArcToolbx ^ Инструменты SpatialAnalyst ^Плотность ^ Плотность ядер"; в открывшемся диалоговом окне выбираем: входные точечные слои - "Русские" (в первом случае); поле значений - численность; выходной растр - прописываем путь для сохранения нового shape-файла; размер выходной ячейки - 100. Аналогично повторяем действия для других точечных слоев.

Для отображения правильной легенды, в свойствах слоя выбирается "Растяжка", настраивается непрерывная шкала и задается ее цвет. После этого с использованием функции вырезания ("Геообработка ^ ArcToolbx ^ Инструменты SpatialAnalyst ^ Извлечение ^ Извлечь по маске") по границе района вырезается полученный слой, В диалоговом окне выбираются слои, которые необходимо вырезать ("Плотн_Русс"), и вырезающий слой ("Admin-граница").

В результате были получены три карты плотности расселения преобладающих на территории Республики Мордовия народов (для русских, мордвы и татар) (рис.5).

Проведенные исследования позволили среди всего многообразия способов картографического изображения определить наиболее приемлемые с точки решения поставленных задач и востребованные. Каждый из них имеет свои преимущества в той или иной сфере и все они в разной степени необходимы. В результате использования возможностей геоинформационного картографирования и моделирования были получены восемь карт, иллюстрирующих особенности расселения и пространственного

распространения преобладающих народов территории Республики Мордовия.

Рис. 5. Плотность расселения преобладающих народов Мордовии (русских, мордвы, татар)

Список использованных источников

1. Ивлиева Н. Г. О картографическом обеспечении исследований демографических процессов (на примере Республики Мордовия) / Н. Г. Ивлиева, Е. И. Примаченко, В. Ф. Манухов // ИнтерКарто / ИнтерГИС 15: Устойчивое развитие территорий: Теория ГИС и практический опыт: материалы Междунар. конф. - Пермь, Гент, 2009. - С. 214-218.

2. Калашникова Л. Г. Применение картографического метода исследования при изучении расселения финно-угорских народов / Л. Г. Калашникова, Е. Б. Борунова // Картография и геодезия в современном мире: материалы Всерос. науч.-практ. конф. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2011. - С. 145156.

3. Тесленок К. С. Возможности геоинформационных систем в управлении инновациями, ресурсами и природопользованием / К. С. Тесленок // Вестник Казахского университета экономики, финансов и международной торговли. -Астана, 2014.- № 3.- С. 135-138.

4. Тесленок К. С. Создание геоинформационного проекта и его использование в целях развития хозяйственных систем / К. С. Тесленок, С. А. Тесленок // Геоинформационное картографирование в регионах России: материалы VII Всерос. науч.-практич. конф. (Воронеж, 10-12 дек. 2015 г.). - Воронеж : Научная книга, 2015. - С. 134-138.

5. Социально-экономическая характеристика коренной национальности Республики Мордовия - мордвы (по итогам Всероссийской переписи населения 2010 года). Стат. сборник. - Саранск, 2013.- 89 с.

6. Географические информационные системы и дистанционное зондирование. Данные OSM в формате shape-файлов [Электронный ресурс].-Режим доступа: http://data.nextgis.com/osmshp/

7. Серов А. В. Базы данных и геоинформационные системы. Атрибутивная информация / А. В. Серов // Гис-ассоциация: Межрегиональная общественная организация содействия развитию рынка геоинформационных технологий и услуг [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.gisa.ru/49208.html

8. Введение в ArcGIS [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://resources.arcgis.com/ru/help/getting-started/articles/026n00000014000000.html

Teslenok Sergej

PhD in Geography, associate professor, Department Geodesy, Cartography and Geoinformatics, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education National Research Ogarev Mordovia State University

teslserg@mail. ru

Makarova Kristina

student, Faculty of Geography, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education National Research Ogarev Mordovia State

University

makarova_kristina15@mail. ru

THE GEOINFORMATIONAL MAPPING OF POPULATION SETTLING IN THE REPUBLIC OF MORDOVIA

The article describes the methodology and presents the results of geoinformational mapping of settling of ethnic groups representatives that prevail on the territory of the Republic of Mordovia. This required the development and creation of a specialized database. The article describes in detail the process of creating maps for each of the used methods of cartographic representation.

Key words: geoinformational mapping, attributive database, population settling, cartographical representation methods, Republic of Mordovia.