2. Модели в географии

Обратимся к корням идеи географического моделирования, которая привела, в конечном счете, к созданию ГИС. Пространственные модели многие годы были оплотом географических исследований и приложений, задолго до числовой революции 1950-х и 60-х годов. Карта сама является моделью реальности, позволяющей нам оценивать одним взглядом пространственные отношения между различными факторами. С развитием количественных описаний, исходная парадигма сообщения начала заменяться аналитической парадигмой. Тем не менее, карта как средство представления долго служила в качестве средства формулирования гипотез.

Исследование наблюдаемых паттернов и порождающих их процессов использовалось для объяснения, например, отношений между сельскохозяйственной деятельностью и транспортными расходами. Наиболее известная из этих моделей, разработанная Хайнрихом фон Туненом (Heinrich von Thunen) в 1910 году, теперь называется моделью изолированного состояния. Она описывает площадные распределения сельскохозяйственной деятельности как последовательность концентрических кругов, расходящихся от центрального рынка. Модификации этой модели, включающие доступность транспортных маршрутов, наличие нескольких рынков, стоимость земли, качество почвы, издержки производства и рыночные цены, всё ещё используются сегодня для предсказания жизненности определенных видов сельскохозяйственной деятельности. Примерно в то же время Альфред Вебер (Alfred Weber) разрабатывал другой набор географических моделей. Созданные первоначально для предсказания пространственных распределений точечных объектов промышленности, модели Вебера были модифицированы для поиска оптимальных местоположений объектов торговли и услуг. Эти модели, известные сегодня как модели размещения и назначения (location-allocation models), составляют часто применяемый набор методов ГИС, имеющихся во многих коммерческих системах.

Хотя эти модели сложны в реализации, по своей сути они просты. Они разрабатываются для минимизации пути от точки обслуживания до ее клиентов. Возьмем в качестве примера приписывание учеников к школам (определение зон обслуживания). Скажем, маленький городок имеет две школы примерно одной вместимости, расположенные на противоположных его концах. Нужно определить, кому из школьников в какую школу ездить. Здесь требуется не просто разделить школьников поровну, но и выбрать для каждого ближайшую из школ.

Задача меняется, если существует только одна школа и нужно определить место для новой школы, которая должна быть размещена с учетом минимума общего расстояния от нее до большинства учеников, которые будут ее посещать. Обычно это делается итеративно: школа помещается на некотором гипотетическом месте, затем подсчитывается число приписанных учеников и вычисляются расстояния, а результаты рассматриваются для определения степени удовлетворения каждого местоположения установленному критерию. Процесс продолжается до тех пор, пока не будет найден наилучший ответ. Математическая сложность задачи чаще всего приводит к приближенному решению даже при использовании современной вычислительной техники. Многие из сегодняшних ГИС имеют возможность поиска такого приближенного решения.

В предыдущем примере мы подразумевали, что ученики будут посещать именно назначенную школу. Однако в сфере торговли и обслуживания клиентура свободна в выборе, её нужно привлекать. Решение стать постоянным клиентом является отчасти функцией расстояния, но могут действовать и другие факторы. В этом случае для определения оптимальной точки обслуживания могут использоваться модели гравитации, где притяжение обратно пропорционально функциональному расстоянию от потенциальной точки обслуживания.

В отличие от физики, где сила притяжения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, здесь мы имеем дело с взаимодействием людей и служб, причем люди принимают решения на основе функционального расстояния и желают быть постоянными клиентами, причем взаимодействия эти осуществляются на двухмерной поверхности. Сюда еще следует добавить возможную конкуренцию со стороны близлежащих аналогичных служб. Модели гравитации широко используются в теории экономического размещения и прочно заняли свое место в коммерческих ГИС.

Несколько других географических моделей также нашли свое место в ГИС, другие же еще ждут своего часа. Одни разрабатывались для исследования изменений плотности населения в городах; другие показали, что сами города действуют как региональные иерархии, проявляя различную силу притяжения к региональной торговле; третьи создавались для планирования транспортных сетей в зависимости от скоростей, типов дорог и других факторов; четвертые рассматривали распространение идей в пространстве – такие модели распространения инноваций сейчас широко используются среди экологов для отслеживания движения растений и животных по географическим пространствам.

Возможно, среди наиболее сложных пространственных моделей находятся те, что разработаны экологами ландшафтов для исследования отношений между структурой и функцией больших частей биосферы. Параметры, рассматриваемые в них, включают размер области, связность ландшафта, разнообразие участков, их взаимодействие и форма. Структура ландшафта напрямую связана с его функциональными возможностями и общим качеством окружающей среды. Корни многих из этих методов прямо или косвенно находятся в географии, а их использование сегодня показывает растущую потребность исследования пространственных отношений; немало этих методов реализовано как в коммерческих, так и в свободно распространяемых ГИС.

Можно упомянуть гораздо больше моделей, но нашей целью является не представление подробного их списка, а иллюстрация того, что многие решения уже разработаны, проверены и реализованы. Небольшое библиографическое исследование вопроса перед началом моделирования часто может сохранить вам многие часы и позволит избежать разочарования. С другой стороны, ваши собственные решения сложных задач могут пригодиться следующему поколению специалистов по картографическому моделированию, которые, возможно, смогут использовать их в своих приложениях.