CC BY
122
О КАРТАХ УДК 528.9 И.К. Лурье1
ИННОВАЦИИ В КАРТОГРАФИИ - ОТ ЛОМОНОСОВА К СОВРЕМЕННОСТИ2
В статье рассматриваются вопросы развития научных инноваций в российской картографии, этапы которого так или иначе связаны с именем великого русского ученого М.В. Ломоносова. Он стоял у истоков этого процесса и внес значительный вклад в становление картографии как науки, впервые сформулировав научные положения процесса создания карт, определив их познавательную роль. Инновационное развитие научных основ современной картографии в России связано со становлением и деятельностью научной школы географической картографии в Московском университете, созданном М.В. Ломоносовым.
Ключевые слова: М.В. Ломоносов, картография, научные инновации в картографии, Атлас Российский, географическая картография, геоинформационные технологии картографирования.
Введение. Картография как наука, технология и производство всегда развивалась в соответствии с запросами общества. Исторически это связано с торговлей и мореплаванием, с задачами управления страной, ее хозяйством и природными ресурсами, развитием армии и обеспечением безопасности государства, с научными открытиями и путешествиями. Но главным фактором прогресса картографии всегда была потребность общества в картах как средстве познания окружающего мира, управления им, фиксации, визуализации и передачи пространственной информации [1]. Важнейший этап развития научных инноваций в российской картографии связан с XVIII в., и существенный вклад в этот процесс внес выдающийся русский ученый М.В. Ломоносов.
Ломоносов и его роль в развитии инноваций в картографии. История русской научной картографии начинается со времен Петра I, когда картография получила твердые основания для развития — инструментальные съемки местности на точной математической основе. Особым указом сената было объявлено планомерное осуществление государственной съемки. Развитие хозяйства, формирование внутреннего рынка и усиление торговых связей, создание флота, строительство дорог, новых поселений, освоение новых территорий требовали более точных сведений о территории государства. С целью изучения отдельных районов страны, сбора материалов, необходимых для составления точных географических и топографических карт, снаряжались экспедиции, было предпринято картографирование внутренних частей страны для составления генеральной карты России.
Заметным достижением российской картографии стал проект Атласа Всероссийской империи И.К. Кирилова, видного государственного деятеля, картографа и географа XVIII в. [1, 4. 11]. По этому проекту планировалось создать более 300 листов общегеографи-
ческих, исторических, а главное — экономических карт. Но при жизни автор успел напечатать и подготовить к изданию лишь 37 карт. Составление и издание карт перешло в Академию наук, которой стала принадлежать ведущая роль в развитии картографических работ. В 1739 г. при Академии наук был образован географический департамент — основное картографическое учреждение страны [4, 10], и в 1745 г. работа над Атласом была завершена. Атлас был «сочинен по правилам географическим и новейшим обсервациям», т.е. на математической основе с учетом астрономо-геодезических измерений, материалов гидрографических экспедиций и географических исследований в самых дальних районах страны, а главное, в нем были обобщены результаты первых инструментальных съемок огромного пространства страны.
В 1757 г. «смотрение» за географическим департаментом Академии наук было поручено М.В. Ломоносову, и он возглавлял его до конца жизни, оказав большое влияние на развитие русской научной картографии. Основу теоретических воззрений Ломоносова в этой области составили успехи отечественной картографии начала XVIII в., ставшие фундаментом для ее дальнейшего прогресса в России. Еще за год до официального назначения Ломоносов, глубоко ознакомившись с состоянием дел, составил развернутый план искоренения «излишеств, недостатков и замешательств» в работе Географического департамента. В инструкции от 3 октября 1757 г. он определил строгий регламент сотрудников департамента, организационные и методические основы картосоставления. Так, предусматривалось коллегиальное обсуждение на еженедельных собраниях всех теоретических, методических и технических вопросов, отчетов о проделанной работе, а также ведение формуляров карт, исключение любых гипотетических, не основанных на проверенных данных элементов содержания карт,
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра картографии и геоинформатики, зав. кафедрой, профессор, e-mail: [email protected]
2 Работа выполнена при поддержке гранта «Научные школы» (НШ-3405.2010.5) и Минобрнауки РФ (ГК № 14.740.11.0200).
в том числе проведение работ по исправлению атласа 1745 г. на основе новейших материалов. Кроме того, по замыслу Ломоносова обсуждение и утверждение авторского оригинала составленной карты проводилось общим собранием департамента; было организовано систематическое выявление, комплектование и хранение рукописных и печатных картографических материалов.
В труде «Краткое показание о происхождениях Географического департамента» (1763) Ломоносов впервые выделил особо важные процессы создания карты — оценку точности и достоверности источников информации (обзор картографических материалов) и отбор и обобщение элементов содержания (процесс генерализации), в чем проявляется научное творчество картографа [10]. Одно из выдвинутых Ломоносовым положений в области картографической генерализации касалось влияния отбора и обобщения на степень достоверности карт, что было показано на примере необходимости учета количества населения при отборе населенных пунктов.
Главными задачами департамента были объявлены составление верных карт России, их постоянная проверка и пополнение по мере поступления новых сведений. Под руководством профессоров и адъюнктов в департаменте работали и студенты. Для совершенствования создаваемых карт, как по геометрической точности, так и по содержанию, Ломоносов подготовил ряд научно-методических пособий: «Мнение о посылке астрономов и геодезистов в нужнейшие места в России для определения долготы и широты» (1759), «Представление о географических экспедициях», «Примерная инструкция» для экспедиций и «Мнение об употреблении нынешней ревизии на пользу географии Российской и сочиняющегося нового атласа» (1764). Ломоносов хотел поставить дело на научную основу, чтобы составить атлас «возможно верных карт России». Он наметил три направления будущей работы: организационное укрепление департамента, пополнение его штатного состава русскими геодезистами и картографами, обеспечение картосоставительских работ точными научными данными и достоверными географическими сведениями.
Новый географический атлас страны Ломоносов задумал создать более точным и подробным, чем академический: «Атлас 1745 г. — издание несовершенное, нужен новый». Действительно, Атлас 1745 г. «базировался» на 61 опорном пункте, из них лишь 8 имели указания долгот. Ломоносов предложил концепцию составления Атласа и разработал обширный и подробный план получения физико- и экономико-географических данных для его создания с помощью экспедиций и специального анкетирования в разных губерниях и городах. В 1757 г. был публикован новый каталог, содержащий 206 опорных пунктов, из них 24 с долготами [7]. Считая «поправление Российского атласа» важнейшей задачей департамента, Ломоносов уделял много внимания подготовке и обучению рус-
ских картографов и геодезистов, сбору сведений, необходимых для научно обоснованного составления карт.
По инициативе Ломоносова в период 1759—1761 гг. в губернии и провинции России были разосланы «географические запросы», состоявшие сначала из 13, а в конце — из 30 пунктов, обеспечивающих сбор сведений о природе и экономической географии этих территорий. К 1764 г. в географическом департаменте было собрано 4 тома ответов на эти запросы, отражавших обстоятельную топографию многих районов страны. Ломоносов высказал мнение, что благодаря этим сведениям лет за 5 будет создан и напечатан новый Российский атлас, которым можно будет «похвалиться перед Европой». Однако подготовить новый атлас по разным причинам Ломоносову не удалось. По большей части эти географо-картографические проекты были реализованы после его смерти — следующий Академический атлас появился только в 1792 г. [4]. Он стал крупным российским атласом, отождествляемым с представлениями о комплексном картографировании.
Географические и связанные с ними картографические интересы Ломоносова касались изучения проблем плавания в полярных морях России, природных богатств и хозяйственного освоения Сибири, Русской Америки и других территорий. Он подготовил многие географические экспедиции, которые осуществились уже после его кончины. Предвидя, что «России могущество будет прирастать Сибирью», Ломоносов составил небольшую рукописную карту Северного полярного (Сибирского) океана, где наметил плавание по пути, свободному от льда в летнее время (рисунок). Известны и считаются наиболее значительными картографическими произведениями Ломоносова две «циркумполярные» карты 1757 и 1764 гг. [5, 11]. Им написаны «Краткое описание разных путешествий по северным морям и показание возможного проходу Сибирским океаном в Восточную Индию», «О северном мореплавании на Восток по Сибирскому океану», которые он сопроводил «примерной» инструкцией «морским командующим офицерам», а также работой «Рассуждения о большой точности морского пути», где предложил ряд новых приборов и методов для определения долготы и широты места. Ломоносов — автор первого русского учебного глобуса, который был выпущен на его средства тиражом 1000 экземпляров.
Вся научная деятельность Ломоносова была направлена на расширение «общего употребления» и «углубление пользы науки» для Российского государства. В период его управления географическим департаментом (1758—1765) издано 3 и подготовлено к изданию 9 карт. Всего же географический департамент при Ломоносове и после него издал более 250 карт и планов, в том числе 30 карт губерний и провинций, Генеральные карты Российской империи в 1776 и 1786 гг., а также карты северной части Тихого океана и Русской Америки. Благодаря Ломоносову до сих пор в России в Кунсткамере хранится самый большой
Карта Северного полярного (Сибирского) океана, составленная М.В. Ломоносовым
глобус — уникальный Готторпский глобус-планетарий диаметром более 3 м, подаренный Петру I в 1717 г. Глобус был оклеен холстом и расписан: снаружи — изображение земного глобуса, внутри (туда вела дверь) — карта звездного неба. Глобус сгорел при пожаре в Кунсткамере и в 1748—1754 гг. восстановлен Ломоносовым с надписями на русском языке. Теперь его называют глобусом Готторпа—Ломоносова.
Деятельность Ломоносова дала толчок дальнейшему развитию картографирования Российской империи, способствовала возвышению научно-познавательной роли картографии.
Инновации в современной картографии. На протяжении столетий, прошедших со времен Ломоносова, развитие российской картографии отмечено важными достижениями в создании капитальных картографических произведений — серий топографических карт на всю страну, тематических карт и комплексных атласов. Карты стали средством географических обобщений и научного познания, возросла их научно-познавательная
роль. В настоящее время карты — неотъемлемая составляющая при планировании и выполнении государственных, частных и некоммерческих проектов на всех уровнях — местном, региональном, федеральном и международном.
Карты, как и многое в нашей жизни, значительно изменились благодаря компьютерам и средствам связи. Сегодня карты создают с помощью геоинформационных систем, средств дистанционного зондирования, сложных алгоритмов и методов передачи тематического содержания. Возникла новая отрасль картографии — геоинформационное картографирование (ГК), базирующееся на интеграции картографии, геоинформатики и аэрокосмического зондирования. В государстве поставлена задача обеспечения федеральных органов исполнительной власти картографическими материалами для территориального развития и управления, строительства и инженерных изысканий, экологии, навигационной деятельности, перехода картографического производства на цифровые технологии [6].
Инновационное развитие научных основ современной картографии в России связано с Московским университетом, организованным по инициативе М.В. Ломоносова. Крупнейший картограф советской эпохи, многолетний заведующий кафедрой картографии профессор К.А. Салищев в 50—70-х гг. прошлого столетия впервые четко сформулировал парадигму географической картографии [12]. Под его руководством была сформирована университетская научная школа географической картографии. В рамках школы проведены оригинальные теоретические исследования, методические разработки, созданы монографии, новые атласы и карты, практически реализовавшие идеи географической картографии, прежде всего это комплексные атласы и серия карт для высшей школы.
Наиболее существенные модификации идей и принципов географической картографии произошли в связи со становлением геоинформатики. Новая геоинформационная концепция картографии, развивающая теоретические идеи К.А. Салищева, И.П. За-руцкой и др., стала формироваться в конце 80-х гг. прошлого столетия (А.М. Берлянт, А.И. Мартыненко, С.Н. Сербенюк, В.С. Тикунов и др.). Согласно этой концепции картография рассматривается как наука о системном информационно-картографическом моделировании и познании геосистем, тесно связанная с геоинформатикой, науками о Земле и обществе [2]. Карта предстает как образно-знаковая геоинформационная модель действительности; она одновременно служит инструментом познания, средством передачи информации и способом моделирования действительности, причем, что следует подчеркнуть особо, не только в аналоговой, но и в цифровой форме. Самые главные изменения заключаются в том, что раньше карты рассматривались только как графические изображения (рисунки), сейчас карты — это и данные.
В рамках современной университетской научной школы географической картографии в развитие концепции геоинформационного картографирования (ГК) и с учетом современных тенденций проводятся исследования по разработке инновационных методов и технологий — формирование комплекса картографических, геоинформационных и аэрокосмических методов и технологий (суммы технологий, по А.М. Бер-лянту). Разработаны научная и образовательная концепции формирования и использования такого комплекса [2, 3]. С полным основанием можно считать, что интеграция картографии, геоинформатики и аэрокосмического зондирования — основное направление их развития для исследования геосистем на длительную перспективу. Все очевиднее, что базовые принципы проектирования картографических произведений, выделенные еще Ломоносовым, — выбор и оценка источников для составления, языковые средства картографии, подходы к генерализации — инвариантны по отношению к технологиям геоинформационного картографирования. Установлено, что геоинформационные системы и электронные мультимедийные атласы в основных чертах наследуют структуру тради-
ционных комплексных атласов, что географические подходы к согласованию карт полезны при формировании баз данных и согласовании слоев ГИС. К.А. Са-лищев неоднократно подчеркивал важную роль атласов в качестве систематизированной научно-обработанной географической информации и средств исследования и приобретения знаний. Теперь этой цели служит создание картографических баз данных (БД).
В геоинформационном картографировании содержание определяется тематикой карты, поэтому главная задача при проектировании картографической БД — обеспечение полноты соответствия ее содержания набору географически важных для решаемой проблемы характеристик территории, наличие, доступность и стоимость получения исходной информации. Достижению прогресса в технологиях формирования БД способствует тенденция к наращиванию объема цифровой пространственно определенной информации, хранящейся как в мировых, так и в региональных, ведомственных и т.п. банках данных.
Другое инновационое решение проблемы источников данных — формирование географических информационных ресурсов и обеспечение широкого доступа к ним на основе создания национальных инфраструктур пространственных данных (ИПД). Стандартизированные базовые компоненты ИПД — базовые пространственные объекты местности, базовые пространственные данные и каталоги метаданных — будут служить точными и достоверными источниками информациии для проектирования БД и картографических произведений, создания крайне востребованных цифровых картографических основ. Особая ценность этой информации в том, что она привязана к пространственно определенному объекту в БД и не дублируется по не связанным между собой картам различного масштаба. В рамках деятельности научной школы географической картографии уже несколько лет ведутся теоретические исследования и практические работы по развитию технологий создания инфраструктур пространственных данных (ИПД) для применения в науках о Земле и образовании [8].
В настоящее время ГК трактуется как картография на основе баз данных, т.е. карта — результат обработки и визуализации данных, организованных и структурированных в виде базы географических данных (БГД) [13]. Основной вид визуализации — электронная карта, создание которой зачастую считается легкой интерактивной процедурой визуализации слоев БД, реализуемой «на лету». Однако с электронной картой связано не только графическое представление информации: каждый ее слой связан с источником данных — классом пространственных объектов в БГД (точечным, линейным, полигональным, растровым, сетевым). Кроме того, процесс составления географических карт, в том числе электронных, предусматривает содержательно-тематическое представление объектов исследования в генерализованном виде и в избранных способах картографического отображения.
Поэтому столь актуальна задача создания системы географически корректных способов визуализации электронных карт, обеспечивающих изменение содержания электронной карты в зависимости от масштаба просмотра. Способ решения этой задачи — развитие методов мультимасштабного картографирования (МК), основанного на проектировании специализированных (мультимасштабных) баз геоданных. Основные задачи мультимасштабного электронного картографирования состоят в обеспечении:
— генерализованного представления объектов во множестве специфичных для каждой карты масштабов;
— наглядности изображения и его метричности, необходимых для визуального анализа;
— согласованной и последовательной смены оформления и детализации изображения при изменении масштаба.
Решить задачи масштабирования путем создания и использования одного набора пока невозможно, поскольку алгоритмы автоматической генерализации еще не удовлетворяют требованиям к качеству и географической достоверности результатов, а разные объекты (антропогенные и природные) неодинаково чувствительны к изменению масштаба. Однако в Интернете и сейчас широко используются мультимасштаб-ные карты Google Maps, Microsoft Bing Maps, Яндекс. Карты. Создание географически корректных электронных карт стало возможным благодаря развитию технологий, позволяющих работать с БГД как с единой картой, представленной системой базовых слоев без подразделения на листы, а также интерактивному использованию инструментов ГИС-анализа с формированием пространственных и атрибутивных запросов к базе данных. Достоверность способов мультимасштаб-ного картографирования на основе БГД обеспечивается специальной разработкой ее содержания в различных масштабах и согласованием между соседними масштабами.
В рамках университетской школы географической картографии разработана методика создания баз геоданных для мультимасштабного общегеографического картографирования рельефа [9]. Рельеф обладает природной иерархичностью, которую можно раскрыть и наглядно показать методами МК. При этом установлено, что наиболее часто используемые для представления рельефа горизонтали неудобны для автоматизированной генерализации, поэтому оптимальной формой
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Берлянт А.М. Картография. М.: КДУ, 2010, 322 с.
2. Берлянт А.М., Книжников Ю.Ф., Кравцова В.И. и др. Университетская школа географической картографии. Базовые научные концепции и технологии // Географические научные школы Московского университета. М.: Изд. дом «Городец», 2008. С. 476—515.
3. Берлянт А.М., Лурье И.К., Тутубалина О.В., Чалова Е.Р. Концепция университетского инновационного географо-картографического образования // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2009. № 2. С. 6—12
представления высотных данных в предложенной методике служит цифровая модель рельефа (ЦМР). В основу методики положены классические принципы изображения и обобщения рельефа, а также методы генерализации и визуализации ЦМР. В соответствии с ними определены структура и содержание базы пространственных данных; обоснована ее логическая структура, основная особенность которой — разделение слоев на уровни детализации, а число уровней определяется масштабным диапазоном и масштабным рядом карты; определен состав базовых слоев, в который включены данные о гидрографии, структурные линии и ЦМР, формирующие опорный каркас изображения и генерализацию рельефа; предложен порядок интеграции исходных данных в БД и разработана методика составления карт на ее основе.
В ходе разработок выявлено, что для обеспечения постепенности генерализации масштабный ряд должен соответствовать принципу 2—2,5-кратного изменения масштаба аналогично системе топографических карт. При обосновании разрешения ЦМР на разных уровнях детализации следует учитывать такие факторы, как морфологический характер рельефа, детализация исходных данных, а также условия использования карты, в частности разрешение экрана и расстояние от экрана до наблюдателя.
Разработанная методика позволяет создавать карты, предназначенные для исследований географических объектов разного иерархического порядка и позволяющие быстро переходить с одного уровня на другой посредством детализации и обобщения содержания.
Заключение. Рассмотренные технологии и содержание научных инноваций в картографии, в первую очередь связанных с процессом создания карты, который требует от картографа научного творчества, позволяют определить приоритеты их дальнейшего развития. К ним относятся решение фундаментальных проблем интеграции картографии, геоинформатики и аэрокосмического зондирования, разработка эффективных научных методов формирования географических информационных и картографических ресурсов, создание комплекса инновационных технологий для обеспечения новыми средствами анализа и визуализации результатов географических исследований, а также решения задач экологии и рационального природопользования.
4. Гольденберг Л.А. Географический департамент Академии наук и создание нового Академического атласа (1739— 1799) // Очерки истории географической науки в СССР. М.: Наука, 1976. С. 55—56, 60.
5. Картографические произведения Московского университета: 1755—2005 / Составитель В.С. Кусов; Под ред. А.М. Берлянта. М.: ПКО «Картография», 2005. 100 с.
6. Концепция развития отрасли геодезии и картографии до 2020 года. Распоряжение Правительства РФ от 17 декабря 2010 г. за № 2378-р.
7. Кусов В.С. Неоконченные работы М.В. Ломоносова по картографированию России // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 1989. № 1. С. 37—44.
8. Лурье И.К., Осокин С.А. Создание инфраструктур пространственных данных для обеспечения решения научно-исследовательских и образовательных задач // Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт / Мат-лы Междунар. конф. 1П:егсайо-1П:еЮ18. Пермь (Россия), Гент (Бельгия). М., 2009. С. 225—231.
9. Лурье И.К., Самсонов Т.Е. Структура и содержание базы пространственных данных для мультимасштабного картографирования // Геодезия и картография. 2010. № 11. С. 17—23.
10. М.В. Ломоносов и географический департамент Академии наук. URL: http://lomonosovmv.ru/issledovaniya-v-oblasti-geografii-i-meteorologii/24-geograficheskij-departament. html (дата обращения 31.01.2011).
11. Российская национальная библиотека. URL: http:// www.n1r.ru/exib/Lomonosov/index2.html (дата обращения 31.01.2011).
12. Салищев К.А. Географическая картография — термин, понятие, задачи // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 1979. № 2. С. 3—9.
13. Cartographic Design Process: Artistic Interpretation With the Geodatabase / An ESRI White Paper, July 2004.
Поступила в редакцию 14.02.2011
I.K. Lurie
INNOVATIONS IN CARTOGRAPHY FROM LOMONOSOV TO THE PRESENT
The article deals with scientific innovations in Russian cartography which evolution stemmed from the work of the great Russian scientist M.V Lomonosov. He was the founder of the process and contributed a lot in the progress of cartography as a science. He was the first to formulate scientific principles of mapping and argue the cognitive role of maps. Innovative development of the scientific basics of modern cartography in Russia is closely related to the formation and activities of the scientific school of geographical cartography of the Moscow University — the institution founded by M.V Lomonosov.
Key words: M.V Lomonosov, cartography, scientific innovations in cartography, Atlas of Russia, geographical cartography, geoinformational technologies of mapping.
