CC BY
55
УДК [551: 621.01: 502.3]+528.91 С.С. Карпухин
ФГУП «Госцентр «Природа», Москва
КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ УНИВЕРСАЛЬНОГО ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО КАРТОГРАФИРОВАНИЯ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Результаты многоцелевого аэрокосмического мониторинга параметров окружающей среды служат базисом для изучения эволюции компонентов природно-хозяйственных систем (ПХС), для разработки проектов освоения территорий и вероятных сценариев их развития, для подготовки управляющих воздействий. Современные средства картографического моделирования, основанные на геоинформационных технологиях, обеспечивают уникальные возможности синтеза баз знаний наук о Земле, получаемых методами сквозных направлений исследования географической оболочки - геофизического, геохимического, палеогеографического, картографического, математического и биогеографического [2]. Создание системы цифровых карт - мощнейших языковых средств объективного отображения состояния природно-хозяйственных систем и всего спектра протекающих в окружающей среде процессов, представляет собой не что иное, как универсальное геоинформационное картографирование (универсальное геоинформационное картографирование всегда является «комплексным», обратное - не верно) [3].
На протяжении последнего десятилетия картографо-геодезическая отрасль переживает период активного перехода к цифровым технологиям получения и использования пространственных данных. В Российской Федерации в соответствии с «Концепцией создания и развития инфраструктуры пространственных данных», одобренной Распоряжением Правительства РФ поэтапно формируется иерархическая территориально -распределенная система сбора, обработки, хранения и предоставления цифровой картографической и иной пространственной информации [4]. Это создаёт необходимые предпосылки для осуществления универсального геоинформационного картографирования в интересах мониторинга окружающей среды.
Важнейшей цель создания и развития российской инфраструктуры пространственных данных (РИПД) - обеспечение широкого доступа индивидуальных пользователей, организаций и органов власти к пространственным данным и их эффективное использование. Государственные и муниципальные ресурсы пространственных данных, играют интегрирующую роль для всех видов информации. По мнению экспертов, их универсальность и доступность будут содействовать дальнейшему экономическому развитию Российской Федерации с помощью представления более полной, актуальной и достоверной информации о потенциальных объектах инвестиций. Таким образом, главное назначение РИПД связывается с информационным обеспечением социально-экономического развития и сферой управления.
Безусловно, на пути формирования РИПД помимо комплекса научных задач, необходимо решать проблемы, имеющие политический характер и относящиеся к производству, интеграции и использованию информационных ресурсов пространственных данных. Требуется разработать многочисленные законодательные и иные нормативные правовые акты, технические регламенты, стандарты, нормативно-технические документы и классификаторы, регулирующие создание и использование базовых пространственных данных и метаданных, а также соответствующее научное, техническое и технологическое обеспечение. Однако РИПД развивается не изолированно от общих мировых тенденций становления глобальной инфраструктуры пространственных данных.
В январе 1998 г. Вице-президент США А. Гор в своей речи в Калифорнийском Центре Науки (г. Лос-Анджелес) провозгласил начало глобального проекта по созданию многофункциональной системы, предназначенной для образовательных и научно-исследовательских целей, которой он дал название Digital Earth - Цифровая Земля [6]. Осуществляющееся продвижение в мире парадигмы Цифровой Земли уже принесло свои первые плоды: создан ряд стандартов и моделей
функциональной совместимости, проведены международные научные конференции, сформировалось Международное Общество Цифровой Земли (ISDE). В ряде университетов США создаются цифровые геобиблиотеки, а в мировой Сети в середине 2005 г. начал функционировать «геобраузер» Google Earth (Земля Гугол). По замыслу инициаторов «Цифровая Земля должна явиться средством для навигации и поиска пространственной информации в целях её дальнейшего применения. Цифровая Земля должна обладать пользовательским интерфейсом, обеспечивающим: доступный просмотр трехмерной версии планеты на различных уровнях разрешающей способности, быстро развивающуюся область (universe) объединённой в сеть пространственной информации и механизмы для интеграции и визуализации информации из разнообразных источников» [6]. Прогресс в реализации Цифровой Земли свидетельствует о том, что это превосходная «метафора для организации цифровой пространственной информации». Однако в современном состоянии Цифровой Земли видится отсутствие единения хорошей идеи, её неосуществленных потенций, с огромными перспективами предложенной к реализации инициативы [3, 7].
На первый взгляд может показаться, что идея Цифровой Земли почти полностью воплощена в Земле Гугол. В этом проекте обеспечена доступная для просмотра, трехмерная версия планеты на различных уровнях разрешающей способности. И каждый желающий может на 2D экране обычного компьютера раскрыть изображение, переходя на всё более высокие уровни разрешения, и наблюдать континенты, затем регионы, страны, города, и, наконец, отдельные дома, деревья и иные, естественные и искусственные объекты. Земля Гугол - в значительной степени жизнеспособная платформа для обеспечения данными пользователей. Она представляет собой значительный шаг в направлении решения одной важной проблемы -
создания интерфейса Цифровой Земли, но, к сожалению, не более того. То, что можно было бы назвать «харизматической концепцией Цифровой Земли»
- суть прерогатива иного процесса, а именно: процесса интеграции «полного спектра данных о нашей планете и нашей истории», - распределенного комплекса приложений для целей образования и научных исследований.
В связи с этим, возвращаясь к Российской инфраструктуре пространственных данных, можно также видеть, что такие важные, фундаментальные аспекты приложения РИПД, какими, безусловно, являются научно-исследовательская и образовательная сферы, вышеназванной Концепцией не охвачены. Но именно в этом видится ключевой аспект парадигмы Цифровой Земли. И это не случайно. От того, с каким багажом знаний выйдет в жизнь новое поколение людей, во многом зависит будущее развитие природно-хозяйственных систем России и нашей планеты. При этом, в зависимости от того, с применением какой цифровой картографической информации будут решаться научные проблемы развития различных регионов, зависит качество мониторинга окружающей среды, достоверность прогнозов возникновения чрезвычайных ситуаций, экологоэкономических оценок и проектов.
Создание РИПД вкупе с реализацией начатых в нашей стране работ по проектам Электронной России открывают перспективу многопланового вхождения России в единую мировую сеть Цифровой Земли, стратегически ориентированную на информационное обеспечение безопасного и
сбалансированного проживания населения планеты.
Государственное универсальное геоинформационное картографирование (ГУГК), развиваемое пока как научная инициатива в интересах совершенствования методологического базиса построения РИПД, нацелено на её включение в общий план эволюции мирового информационного процесса. ГУГК не может быть произвольным по своей полноте и направленности. В рамках современных требований ^О оно неизбежно должно стремиться к строгости (однозначности) и системности. В контексте парадигмы Цифровой Земли характеристика полноты, универсальности современного системного комплексного картографирования (картографического моделирования природно-хозяйственных систем средствами геоинформатики) - обретает решающее значение.
К важнейшим концептуальным положениям универсального
геоинформационного картографирования, предназначенного для создания в рамках РИПД и Цифровой Земли глобальной информационно -картографической «платформы», адекватной эволюционно изменяющимся требованиям действительности, следует отнести:
- Преемственность в разработке методологических основ и методических средств;
- Системность;
- Универсальность (многовекторность и всеохватность);
- Приоритетность;
- Полимасштабность;
- Единовременность;
- Многомерность (4D - 3D пространства плюс исторический аспект);
- Синергетичность (язык картографического описания моделируемых процессов);
- Актуальность (регулярный мониторинг изменений показателей природно-хозяйственной среды).
Прототипом ГУГК является не имевшая аналогов в мире и впервые осуществлённая ФГУП «Госцентр “Природа”» в 70-90 годах прошлого столетия программа комплексного изучения и картографирования природных ресурсов (КИКПР) страны [1]. В процессе комплексных картографических работ, проводившихся в масштабах 1: 500 000 - 1: 200 000 с использованием космической информации высокого пространственного разрешения, были созданы региональные серии карт, имевшие универсальное значение для различных сфер экономики. В процессе КИКПР заложены основы комплексного картографического кадастра природных ресурсов, экологического картографирования РФ и мониторинга окружающей среды, накоплен практический опыт эффективного межотраслевого взаимодействия при формировании информационно-картографического обеспечения ряда субъектов Российской Федерации, стран Ближнего и Дальнего Зарубежья.
Универсальность геоинформационного картографирования определяет направления (векторы) картографирования в интересах всесторонней и максимально полной характеристики состояния и динамики параметров природно-хозяйственных систем территории.
Реальные пространственно-временные масштабы, на которых природнохозяйственные системы выступают в качестве целостных географических структур, могут быть различными. На практике пространственный масштабный ряд топографического картографирования жестко определён. В этой связи современная высокоразрешающая космическая информация (КИ) позволяет строить картографические модели на всех масштабных уровнях, начиная с 1: 5000 и мельче. При использовании КИ возможна реализация двух равноправных подходов при картографировании ПХС: от крупных масштабов к мелким, и от мелких к крупным. Вследствие чего при интерактивном дешифрировании КИ объектов окружающей среды реализуется принцип конвергентности, иначе - «сходимости», семантических характеристик объектов, обеспечивающий реализацию эвристических механизмов выявления феноменов неисследованной природы и их свойств. Построение карт-моделей во всех требуемых масштабах по тематическим направлениям, обозначенным как приоритетные, обеспечит полимасштабность ГУГК.
Наблюдение из космоса объектов земной поверхности внесло много нового в научные представления о строении геосистем и в методологию науки. Развитие геоинформационных технологий, средств и методов
дистанционного зондирования Земли стимулировало дальнейшее совершенствование систем классификации, генерализации информации, объединения и синтеза географических знаний. Значительная понятийная и терминологическая многосложность, неоднозначность и избыточность, накопившаяся в географической науке к началу 3-го тысячелетия, в силу «отраслевого» принципа её функционирования, превратились в серьёзное препятствие на пути исследования законов эволюции природнохозяйственной среды и решения практических задач обеспечения безопасной и гармоничной жизнедеятельности населения.
Природно-хозяйственная система представляет собой синергетический и одновременно причинно-следственный феномен. Природно-хозяйственным системам присущи закономерности, исследуемые традиционными научными дисциплинами. При исследовании состояний ПХС по снимкам, получаемым из космоса, мы сталкиваемся с различной структурой спектральных образов, которые формируются отражённой или генерируемой компонентами ПХС энергией. Непосредственному наблюдению в зависимости от масштаба исследования доступны спектральные образы водных объектов, растительности, почв и рыхлых поверхностных отложений, элементы социально-экономической инфраструктуры. Помимо деятельности сознания (логические построения) на продуктивность индикации латентных (ненаблюдаемых) показателей ПХС влияние оказывает зимология спектрально-отражательных характеристик на снимках различной физической природы и масштаба. Каждый исследуемый и картографируемый по космическим снимкам компонент (и его состояние) является равноправным синергетическим индикатором состояния ПХС.
Природно-хозяйственные системы являются самоорганизующимися системами. Попытки применения математических методов для строгого описания разного рода процессов, протекающих в геосистемах, в том числе посредством балансовых уравнений, не создало «прорыва» в наших представлениях о законах развития географических структур разного пространственно-временного ранга. Становится очевидным, что знания о ПХС, единовременно и наиболее полно отражаются с помощью совокупности трех языковых систем: вербальной (географические и
геологические описания), геоязыковой (картографические модели) и системы формальных языков (в частности, математические предложения и конструкции). Универсальное геоинформационное картографирование, осуществляемое при соблюдении принципов и положений системности, универсальности, полимасштабности, синергетичности, опирающееся на использование средств аэрокосмического зондирования и современных ГИС-технологий, в состоянии обеспечить упорядочение и разработку представлений о природно-хозяйственных системах регионов нашей планеты и сформировать информационно-картографический базис Цифровой Земли.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Карпухин С.С. Концепция осуществления КИКПР СССР на период до 2000 года // Информационный сб., вып. 2-3: Передовой опыт в геодезии и картографии, рекомендуемый ГУГК для внедрения в топографо-геодезическом и картографическом производстве. - М.: ЦНИИГАиК, 1989, - с. 1-10.
2. Карпухин С.С. Сквозное геоинформационное направление в единой географии в свете идей К.К.Маркова // Горизонты географии. К 100-летию К.К. Маркова. М.: Географический факультет МГУ, 2005. - С. 63-68.
3. Карпухин С.С. Проблемы комплексного аэрокосмического мониторинга
природно-хозяйственных систем субъектов РФ // Идеи В.В. Докучаева и современные проблемы развития природы и общества: Материалы Международной научно-
практической конференции, г. Смоленск, 18-19 мая 2006 г. - Смоленск: Универсум, 2006. - С. 28-32.
4. «Концепция создания и развития инфраструктуры пространственных данных Российской Федерации», 2006 http://www.roskart.gov.ru/
5. Роль и значение международных проектов Digital Earth и Google Earth в формировании глобальной инфраструктуры пространственных данных // Экспресс-информация «Геодезия, топография, картография», зарубежный опыт, Сер.: Дистанционное зондирование Земли для экологии и природопользования, Составитель и отв. редактор С.С. Карпухин, ЦНИИГАиК, 2007. - 30 с.
6. Gore A. The Digital Earth: Understanding our Planet in the 21st Century. 1998, http://www.digitalearth.gov/VP 19980131.html.
7. Grossner K. Is Google Earth, “Digital Earth?”—Defining a Vision Karl E. Grossner Department of Geography, 3611 Ellison Hall University of California, Santa Barbara, CA 93106, 2006.
8. http://www.ucgis.org/summer2006/studentpapers/grossner_final.pdf.
© С.С. Карпухин, 2007
