методы исследований, книга. Высшее профессиональное образование
 Скачать 11.53 Mb.
|
|
Проблемы стоимости и корректного использования методов. Компьютерные технологии очень облегчают работу, но и создают особые проблемы — требуют больших материальных затрат на оборудование и обучение (программы ГИС стоят несколько тысяч долларов). Кроме того, все это должно периодически обновляться, так как быстро устаревает. Немногие исследователи пишут свои собственные программы, которые лучше приспособлены именно для данной конкретной задачи. Программы известных компаний, как правило, наиболее универсальны, т.е. подходят большим группам пользователей. Они предоставляют все больше поистине необыкновенных возможностей, но являются «закрытыми» для рядового пользователя, который не может и (или) не хочет знать, как они работают. «Закрытая» программа — полностью «готовый» продукт, созданный на продажу, с защитой от вскрытия. Не имея возможности соревноваться в одиночку с огромными корпорациями, создающими программные продукты, пользователь вынужден слепо доверять им. Если при работе с текстом или изображениями контролировать результат довольно легко, то пакеты программ статистики и ГИС это не всегда позволяют. Возникает соблазн передоверить компьютеру ряд исследовательских функций. Отсюда проблема корректного использования компьютерных методов, для чего их надо хорошо знать. Например, статистические пакеты типа STATISTICA. Они сделаны для больших выборок (например, больших массивов данных американских страховых компаний). Гораздо менее известны отечественные программы, позволяющие применять алгоритмы для малых выборок, а малые выборки нередко встречается в географии из-за трудностей типизации, классификации (из-за природного разнообразия). Связи между элементами системы (процессами, компонентами и т.д.) обычно ищут путем вычисления коэффициентов корреляции или корреляционных функций. Это сравнение двух (или нескольких) процессов во времени, или сравнение одновременного изменения каких-либо параметров в пространстве. Если эти изменения в какой-то степени совпадают, то делается вывод об их связи. 314 Однако наличие или отстутствие корреляции — только повод для размышления, сигнал к дальнейшему анализу. Это свидетельство того, что связь может быть. Бывают совпадения совершенно разных, независимых процессов со своей внутренней автоматикой, а может быть и «разнобой» в работе элементов одной и той же системы. Наоборот, не найдя корреляции в процессах, тем не менее нельзя делать окончательный вывод об отсутствии целостности геосистемы. Полученные данные требуют более содержательного качественного анализа, с использованием всего географического интеллектуального потенциала исследователя. Метод ошибочен в том случае, когда результат вычисления корреляции принимается за итоговый, тогда как он может быть лишь началом исследования. В то же время нельзя вовсе отказываться от анализа периодических процессов — они пронизывают всю органическую жизнь и повсеместно встречаются в неживой природе. Это очень трудоемкие операции, которые стали более или менее доступны лишь с появлением компьютеров. Работа с изображениями. Для этого существует множество разнообразных программ, в том числе и бесплатных. Графические программы делятся на растровые и векторные. Растровые — типа известной Photoshop. При большом увеличении можно увидеть, что изображение представлено отдельными мелкими квадратиками (пикселлами). Чем лучше качество изображения, тем более мелкими должны быть пикселлы, и тем их больше, а значит, тем больше загружена память. Толщину готовой линии при этом способе трудно изменить, линию трудно сгладить. В векторных программах типа Corel DRAW контуры представлены в виде отрезков линий определенной кривизны. Эти отрезки записываются в аналитическом виде, как графики функций, что позволяет экономить объем записываемой информации и легко менять масштаб, толщину линий, их сглаживание. Оба способа (и растровый и векторный) имеют свои преимущества. Существуют также программы векторизации (перевода растровых изображений в векторные) и, наоборот, растрирования. Поскольку эти программы могут работать лишь как приложения к операционной системе Microsoft Windows, сначала надо купить ее лицензионную копию, а потом сами программы. Существует известная проблема противостояния сторонников платных программ, ярким примером которых является «империя» корпорации Microsoft, чьи программы лидируют по широте распространения и по стоимости, и сторонников бесплатности компьютерного обеспечения. В последние годы среди исследователей повысился интерес к использованию другой операционной системы — UNIX, или LINUX, которая «открыта», т.е. бесплатна, и позволяет пользователю лучше понимать, как она работает, но набор графических программ для нее меньше, и они не столь совершенны. Некоторые из них небесплатны, и по мере их совершенствования возрастает стоимость. ГИС также стоят очень дорого, поэтому рационально корпоративное (совместное) пользование. Ряд таких программ поставлялся с большими скидками для высших учебных заведений. ГИС-технологии. ГИС — это геоинформационные системы. Под словом ГИС понимают и программы для создания этих систем, и даже всю 315   область информационных технологий. Этим словом обозначают и кон- ; кретные приложения для пользователя, например электронные карты мира, России, электронная схема города. Обычно ГИС — это карта плюс база данных, плюс аналитические блоки. Карта состоит из нескольких «слоев», или «тем». Это могут быть отдельно леса, отдельно дороги, насе- * ленные пункты, гипсометрическая раскраска, могут быть отраслевые кар- I ты, как в атласах. Отраслевые карты тоже могут быть разделены на темы: I отдельно цвет, отдельно штриховка и т.д.Особую ценность ГИС составляет их связь с собственными базами данных, позволяющая легко получить необходимую справку о каждом объекте карты. Аналитические блоки ГИС автоматизируют наиболее часто востре-буемые процедуры, например определение расстояния от одного объекта до другого. Чтобы создать ГИС для определенного региона, объекта, необходимо 1 имеющиеся бумажные карты отсканировать (с помощью сканера перевести в электронное растровое изображение) и потом хранить в этой же « растровой форме, или «оцифровать», т.е. с помощью специальных программ, входящих, например, в комплект MAPINFO или Arc View (или I отдельных программ), перевести необходимые контуры в векторную фор-му, ГИС работают и с растровыми, и с векторными изображениями бла-годаря своим встроенным графическим пакетам, могут «понимать» до- 1 вольно широкий ассортимент электронных графических изображений, на- ] пример в форматах *.tif, *.bmp, и т.д. Кроме того, условные обозначения, легенду к карте, тексты, фото- j графии, схемы, АФС и другие сведения надо занести в базу данных, связанную с электронной картой. Графические файлы и файлы базы данных разные, но связаны друг с другом. Изменения, внесенные в один файл, тем или иным способом сказываются на всех с ним связанных, тогда как ; файл вне ГИС-системы — это просто отдельная картинка или таблица, или текст. Есть проблемы совместимости разных ГИС. Мешает не только техническая несовместимость разных файлов, разных наборов данных. Как и в человеческом сознании, объективная географическая реальность может быть изображена в ГИС самыми разнообразными способами, а если два способа несовместимы, то никакая программа не сможет их согласовать. Из этого следует важный методический вывод: предстоит выработка стандартных метаописаний для их взаимной совместимости, что опять-таки связано с конфликтом индивидуальности геосистем и необходимости их типизации. Начинать работу следует с «привязки» карты к системе координат — без этого не удастся воспользоваться всеми преимуществами ГИС. Отличие ГИС от других информационных систем как раз в том, что вся информация специальным образом пространственно привязана. Каждая карта должна создаваться в определенной геодезической системе координат, в принятой картографической проекции, в заданной системе размерностей с использованием теории, методов и технологий соответствующих научных дисциплин. Отсюда ясно, что следует знать и о возможности искажений, об их допустимых значениях. Примеры программ. Есть известные компании — производители программного обеспечения для ГИС, например ESRI. Это частная фирма, 316 название которой расшифровывается как Институт Исследования Систем Окружающей Среды (Environmental System Research Institute). Наиболее популярная ее продукция — ARC INFO, по заверению фирмы, «самая мощная ГИС в мире», дорогостоящая и требующая мощной техники; Arc View — подходит для маломощных компьютеров, a Arc Pad — для карманных, что позволяет автоматически фиксировать весь полевой маршрут, исключив ручные операции. По состоянию на 2002 г., для такой работы нужен компьютер (или ноутбук) на экспедиционной базе: для хранения всех необходимых карт в системе ГИС Arc View, с возможностью периодического подсоединения к нему карманного компьютера с рабочим фрагментом карты под управлением ГИС Arc Pad и подключенный к карманному компьютеру GPS-приемник. Тогда батарейного питания может хватить на 14 часов автономной работы. Российская фирма ДАТА+ занимается поставкой программного обеспечения таких технологий и формирует комплекты аппаратуры. Это один путь использования ГИС. Другой путь: развитие систем, связывающих Интернет с сотовыми телефонами, которые дают возможность пользоваться ГИСами, находящимися в Интернете. Его качество пока хуже изложенного выше метода. ESRI производит также MapObjects — набор компонентов, из которых можно создавать собственные ГИС любой сложности в стандартных средах визуального программирования (Delphi, PowerBuilder, Visual Basic, Visual C++). ESRI принадлежат и отдельные программные пакеты — модули Arc View3D Analyst для объемного изображения моделей городов с их многоэтажными зданиями, Arc View Spatial Analist — специальный пакет, с расширенной аналитической частью для решения многих стандартных географических задач: построения и анализа поверхностей (причем не только рельефа, его уклонов, экспозиции, но и статистических поверхностей, например, плотности населения, урожайности), определения расстояний, гидрологические задачи, картографирование химического состава почв и его влияния на урожайность, анализ соседства, оптимального выбора территории. Существуют и другие фирмы, например Golden Software выпускает удачную программу Surfer для построения и визуализации цифровых моделей поверхностей. Одни фирмы больше ориентированы на базы данных, другие — на связь с Интернетом, третьи решают проблемы интеграции с программами архитектурного проектирования и строительства (Auto CAD). Известны программы для обработки космических снимков, например ERDAS IMAGINE, программы PCI. Есть и отечественные разработки, например система ГЕО ГРАФ, созданная в Российской академии наук. Компания «Транзас» производит электронно-картографические информационные навигационные системы и т.д. Компьютеризированные измерительные комплексы. Представляют интерес также исследовательские технологии: комплекты регистрирующих устройств для наблюдения природных компонентов, включающие датчики, соединенные с компьютером и снабженные соответствующим программным обеспечением. Существует множество фирм (их адреса и продукцию можно найти в Интернете), которые продают как технологии, 317  так и отдельные приборы. Часто их основной бизнес — автоматизированные системы контроля для высокоприбыльного сельского хозяйства. Например, датско-голландская фирма Eijkelkamp, канадская Campbell Scientific.Они поставляют разнообразное полевое и лабораторное оборудование: для отбора образцов и опробывания in situ; ручные и механизированные, с двухтактным двигателем почвенные буры и щупы и капиллярные электроды; приборы для контроля за физиологией зеленого листа, состоянием древесины и приборы для составления полного гидрогеологического разреза и оценки режимов грунтовых вод; всевозможные датчики температуры, давления, плотности, влажности, солености, углекислоты, растворенного кислорода, рН и окислительно-восстановительного потенциала, проводимости и проницаемости; комплексы для химического и физического анализа почв, измерения урожайности, продуктивности, агрометеорологические комплексы для полностью автоматизированного поддержания режимов в теплицах. Несмотря на высокую стоимость, становится более выгодно приобретать законченные технологии, а не приборы отдельно от программ. Например, в проектировании и строительстве дорог, зданий и сооружений происходит эволюция от обычных приборов к роботизированным станциям на основе ГИС: выгоднее купить дорогую систему позиционирования для всех рабочих сразу, чем дешевый оптический геодезический прибор. Вопрос стоимости очень существенен для российских учебных и научных заведений, поэтому важно при выборе своей «ветви» хорошо ориентироваться во всем «дереве возможностей» цен и конфигураций оборудования. Далеко не всегда нужно стремиться к наивысшей возможной точности измерений (она не должна быть избыточной), гораздо важнее правильная интерпретация их результатов. 1.2. Электронные приборы в полевых физико-географических исследованиях В процессе проведения полевых исследований необходимо измерять различные показатели состояния ПТК: температуру и влажность воздуха, почвы, рН и т.д. В последние годы традиционные приборы (жидкостные термометры, аспирационные психрометры и т.п.) заменяют электронными аналогами, более компактными и простыми в обращении. Такие приборы можно условно разделить на карманные и портативные (различаются в основном по размерам и массе). Рассмотрим несколько приборов, которые будут наиболее полезны при комплексных физико-географических исследованиях. Термометры. 1. «Oregon Scientific» SA-880 SSX. Прибор позволяет измерять температуру в диапазоне от -50 до 260 "С, с точностью 1 "С. Цикл подготовки составляет 10 с, масса прибора — 84 г. Выносной тонкий щуп на проводе дает возможность проводить разнообразные измерения (температуры воздуха, воды и т.д.), однако в полевых условиях он наиболее удобен для определения температуры почвы и снега в разрезе на различных глубинах. Термометр может отслеживать максимальную, ми- 318 нимальную и среднюю температуру в течение заданного на таймере времени (в пределах 100 ч) с точностью до 1 мин или за период работы, что позволяет проследить суточный ход температуры и заменить термограф в случаях, когда не требуется демонстрация подробной картины хода.
рН-метры. «Hanna instruments» pHep 1, рНер 2, рНер 3 (Германия) предназначены для определения степени кислотности и щелочности водной среды с точностью 0,1 рН (0,2 рН для рНер 1) в рабочем диапазоне температур 0—50 °С. Рабочий диапазон — от 0 до 14 рН. Люксометр. «Аргус-01» (изготовитель — ГУП «ВНИИОФИ», Москва) предназначен для измерения освещенности, которая создается естественным и искусственным освещением в диапазоне 1 — 200 000 лк в спектральном диапазоне 0,38 — 0,8 мкм. «Основная относительная погрешность» измерений составляет 6 — 8 %, масса индикаторного блока — 150 г, измерительной головки — 200 г. К недостаткам прибора можно отнести узкий диапазон рабочих температур — от 5 до 35 "С. Таким образом, он не предназначен для эксплуатации при отрицательных температурах. Термогигрометр. «Hanna instruments» PRIMO 3 (Германия) — комбинированный прибор для определения температуры и влажности воздуха, а также температуры жидкостей. Имеет щуп, который соединен с корпусом шнуром длиной 1 м. Следовательно, появляется возможность повысить чистоту измерений, так как измерительный блок помещается на удалении от рук наблюдателя и других объектов, которые могут исказить показания. Точность измерений составляет 1 мм рт. ст. и 0,1 "С, погрешность 0,5 °С. Масса прибора — 28 г. Анемометры. Эти приборы используются для измерения скорости ветра. Подобные портативные и карманные электронные приборы представляют особую ценность, поскольку широко распространенные механические аналоги (индукционного типа) слабо реагируют на малую скорость ветра. 1. RS 180-7111 — портативный анемометр, совмещенный с термометром. Прибор состоит из двух блоков: измерительного традиционного индукционного типа и обрабатывающего, которые соединены проводом длиной 1 м. Точность измерения скорости ветра составляет 2 % от получаемого значения, температуры воздуха 0,8 "С. Пределы измеряемых величин — 0,4 —25 м/с и 0—50 °С соответственно. Прибор может показывать минимальную, максимальную и среднюю скорости ветра. 319   
|
