2. ОСОБЛИВОСТІ ГЕОІНФОРМАЦІЙНОГО МОДЕЛЮВАННЯ

Той, хто негайно хоче бачити результати своєї праці, повинен йти в чоботарі.

Альберт Ейнштейн

Геоінформаційне моделювання є відносно молодою галуззю наукових досліджень, яка охоплює широке коло питань створення і використання ГІС, GPS та ДДЗ, пов’язаних з ними математичних методів і алгоритмів, обчислювальних технологій.

За останні роки сфера застосування геоінформаційного моделювання значно розширилась. Зокрема, ГІТ стали одним з основних інструментів при проведенні екологічних досліджень, в оцінці і моніторингу стану природного середовища та ресурсів, у численних інших дослідженнях у різних галузях науки і практики. Можна навести безліч прикладів, у яких потрібно будувати просторові запити і вибірки даних, шукати оптимальне місце розташування об’єктів на місцевості і карті, моделювати переміщення або динаміку поширення того чи іншого процесу (явища), визначати взаємозв’язки та кореляції просторових розподілів.

2.1. Загальні відомості про геоінформаційне моделювання

Геоінформаційне моделювання – інтегративна теорія, яка на новій методологічній основі об’єднує вже відомі методи проектування, укладання, використання та аналізу геоінформаційних моделей для дослідження об’єктів реального світу за допомогою системи упорядкування і трансформації інформації про ці об’єкти.

Геоінформаційне моделювання (ГІМ) можна визначити як моделювання просторових об’єктів, взаємопов’язаних з атрибутивними даними (базами даних) за допомогою математичних методів і програмних засобів ГІС. На відміну від теоретичних методів моделювання, ГІМ є високотехнологічним процесом (за рахунок взаємодії з об’єктами бази даних) і виступає інструментом, який забезпечує збір, збереження, обробку, доступ, відображення та розповсюдження просторово-координованих даних.

ГІМ є засобом інтелектуальної обробки та відображення просторової інформації для одержання нових знань. Комп’ютерне електронно-графічне моделювання, застосування графічних, графо-математичних та електроннографічних моделей і ГІТ – основа ГІМ.

Теоретичну основу ГІМ становить уявлення про картографо-кіберне- тичну систему, що функціонує завдяки картографічним даним і алгоритмам,

36

які описують усі процеси створення й використання карт із залученням цифрової та графічної інформації.

ГІМ полягає в умінні конструювати геоінформаційні моделі та аналізувати їх для вивчення об’єктів реального світу. Його можна розглядати як сучасну ГІТ, яка, на відміну від теоретичних методів моделювання, є технологічним процесом, оскільки взаємодіє з об’єктами бази даних ГІС.

У процесі ГІМ утворюється новий тематичний шар електронної карти, що якісно відрізняється від того, що дослідник бачив раніше. З цієї точки зору, до процедур ГМ відноситься й тематична обробка даних ДЗЗ, оскільки в результаті тематичної класифікації утворюється новий шар – класифіковане зображення. Однак це найпростіший приклад ГІМ. Класифіковане растрове зображення без накладання на нього хоча б якихось векторних шарів не є ГІМ, це просто перефарбована в умовні кольори картина земної поверхні. А ось коли на підставі класифікації створюється тематична карта – це вже ГІМ

(етап image understanding).

Інтерактивне редагування окремих шарів просторової інформації, навіть за матеріалами аерокосмічних зйомок, до ГІМ не відноситься. А ось створення ресурсних карт за матеріалами тематичної обробки даних ДЗЗ – це вже завдання ГІМ. Побудова графіка або діаграми на основі просторових даних – це, по суті, також ГІМ.

Таким чином, процес ГІМ відрізняється від звичайних процедур редагування просторової інформації саме комплексним використанням як просторових, так і атрибутивних даних, і це є основною причиною зростаючої популярності ГІТ.

Моделювання як метод наукового пізнання – це побудова моделі і дії з моделлю [69]. Моделювання в технологічному аспекті може бути розглянуто як форма відображення дійсності [70]. ГІМ дає можливість переносу результатів, отриманих у ході побудови та дослідження моделей, на оригінал

ітим самим розв’язує завдання переносу знань [71]. Загальним для ГІМ є використання трьох інтегрованих груп даних – "місце", "час", "тема". Цей вид моделювання є класом моделювання графічних об’єктів, які взаємопо- в’язані з базами даних і включають п’ять основних типів перетворень:

–перетворення графічної інформації, яке зумовлює до зміни графічних

ітабличних даних;

–перетворення атрибутивних даних, що зумовлює до зміни графічних і табличних даних;

–перетворення графічних об’єктів з одного типу на інший;

–побудова цифрових моделей об’єктів, явищ і процесів;

–побудова, редагування або модифікація графічних об’єктів на основі відношень між просторовими об’єктами (без використання графічних редакторів).

Основу ГІМ як спеціальної технології становлять перетворення, що базуються на теоретико-множинних відношеннях, законах формальної

37

логіки, алгоритмах обробки зображень, технологіях роботи з комп’ютерною графікою, технологіях системи управління базами даних тощо.

Предметну область ГІМ подано на рис. 2.1.

Г Е ОМ О Д Е Л Ю В А Н Н Я

Моделювання

геопростору в цілому

Інтерпретація

параметрів

еліпсоїда

Розв’язання

ГГЗ на

еліпсоїді

еліпсоїді

Обчисленнядов- жинидовжинидуг плосдугкихплоскихеретинів

Створення

інформаційних моделей

Моделювання

безперервних об’єктів

Подання

нерегулярних

моделей

Подання неоднозначних

поверхонь

Розробка

процедурних

знань

Створення

регулярних

моделей

Створення

нерегулярних

моделей

Створення

картографічних

моделей

Моделювання

дискретних об’єктів

Геометричне

моделювання

Семантичне

моделювання

Типологія об’єктів

геомоделюванн

Подання

семантики

Використання геопросторових знань

Розв’язання прикладних задач

Вирішення

проблеми

математичної

картографії

Формалізація картографічного відображення

Структура

інтелектуальних картограф.

Подання картографічних

знань

Використання картографічних знань

Рис. 2.1. Предметна область геомоделювання

Теорія ГІМ спирається на теорію і методи формування картографічних баз даних та математико-картографічного моделювання, з одного боку, а з іншого – на бази географічних знань, а також на методи геосистемного просторово-часового моделювання і його подання за допомогою картографічної символіки.

38

ГІМ виступає не тільки як один із засобів відображення явищ і процесів реального світу, але й як об’єктивний практичний критерій перевірки істинності знань [74], яке в підсумку створює нові інформаційні моделі та інформаційні ресурси [75].

Метою ГІМ є або "пояснення того, що є", або "прогнозування того, що буде". Моделювання дозволяє з меншими витратами відтворити процеси взаємодії реального об’єкта і зовнішнього середовища та виявити критерії оптимізації цієї взаємодії. Особливістю ГІМ є опора на просторові відношення [76].

При візуалізації застосовують знакове ГІМ, при якому моделями слугують знакові утворення будь-якого виду: карти; схеми; графіки; креслення; формули; графи; умовні знаки; тайли1 тощо.

При дослідженні явищ або процесів, при виявленні латентних2 зв’язків переважним є математичне моделювання. Математична модель є сукупністю формальних описів (формул, рівнянь, нерівностей, логічних умов), що відображають реальний процес змін стану об’єкта залежно від різних зовнішніх і внутрішніх факторів. Особливістю геоінформаційного математичного моделювання є використання топології [78] і просторових даних. При дослідженні просторових об’єктів широко використовують цифрове моделювання.

2.2. Базові категорії геомоделювання

Основу ГІМ як спеціалізованої ГІТ складають перетворення, засновані на законах формальної логіки і теоретико-множинних відношеннях.

Фундаментальними поняттями і базовими категоріями ГІМ є об’єкт та

методи ГІМ.

Об’єктами ГІМ є природні та суспільно-економічні геосистеми, їх геокомпонентні утворення й елементи. Об’єкт ГІМ визначається його трьома го-

ловними визначеностями, а саме сутнісними, просторовими та часовими [82].

Сутнісна визначеність включає характеристику різних утворень (об’єкти, їх групи, поєднання, таксони), процесів (руху, розвитку, функціонування, поширення), їх субстанційних властивостей та відношень (розміщення, щільність, концентрація, вплив, взаємодія, зв’язки, ієрархія, суміжність, залежність, відповідність, відстань, тяжіння, сумісність, пропорційність). Картографічна модель відтворює сутність об’єкта, його якісну, кількісну та структурну визначеність. Об’єкти можуть належати до явищ, які не мають зорово спостережуваних форм існування, виявлятися в дискретній і безперервній формі, в детермінованих та ймовірнісних реалізаціях. Якісна визначеність може бути відображена як в абсолютних, так і відносних показниках, як в статиці, так і в динаміці, в широкому діапазоні просторових і часових масштабів [83].

1Та́йли(від англ. tiles – плитки) – в цифровій картографії жаргонна назва квадратних растрових зображень рівної величини, якими, як плиткою, буває вимощена поверхня відображення карти.

2 Прихований, що знаходиться в потенції.

39

У процесі ГІМ створювані моделі можуть відтворювати, відображати, імітувати ті або інші принципи організації (структури), функціонування та інші властивості об’єкта. Кожний об’єкт має свою структуру – певний стійкий взаємозв’язок, взаємовідносини і взаємне розташування підсистем, що його утворюють. Будь-яка реальна система є поліструктурною. Найпростішими і в певному контексті відносно нерозчленованими є вихідні, або елементарні, структури. Шляхом накладання різнотипових сукупностей взаємозв’язків одержують комбіновану структуру, яка зазвичай є емерджентною.

Цілісне і взаємообумовлене поєднання часткових структур утворює інтегративну структуру системи, яка найповніше відображає її сутність. За характером зв’язків важливими ознаками структур є їх розмірність і конфігурація. Залежно від розмірності структури можуть бути точковими, лінійними, плоскими і об’ємними [83].

Просторова визначеність полягає в перетворенні просторово-коорди- нованої інформації на дискретну і континуальну форму.

Всі системи, що підлягають ГІМ, – просторові, але мають при цьому різні форми існування: лінійні (межі, систем шляхів сполучення і каналів зв’язку), площинні (системи землекористування, ареали, зони, райони тощо), тривимірні (системи циркуляції вод, атмосфери тощо). Простір, що підлягає ГІМ, може бути або двовимірним (плоскі карти), або тривимірним (рельєфні карти, карти поверхонь і стереоскопічні карти).

Усі геозображення існують в графічному середовищі, тому найважливішим їхнім параметром слугує масштаб, який визначає ступінь зменшення відносно поверхні земного еліпсоїда. Маніпулюючи масштабом, можна розширити або звузити просторове охоплення.

Просторовий масштаб геозображення є функцією його призначення, технічних засобів знімання, забезпеченості фактичним матеріалом, і, однозначно, сам він визначає найістотніші властивості такого зображення. Від масштабу залежить просторове охоплення та обсяг змісту геозображення, його розрізненність, детальність і геометрична точність [83].

Часова визначеність полягає у відображенні об’єктів у статиці, динаміці, ретроспективі, у їх сучасному стані й прогнозі. Елементи часової прив’язки – це дати, часові діапазони, епохи, періоди, ери подій, а також відповідні їм об’єкти, явища і процеси, часовий масштаб і часова розрізненність [83].

Завдання ГІМ – моделювання засобами ГІТ наявності, змісту, стану, динаміки та функціонування різного рангу геосистем. Моделювати можна склад і зміст системи (статичною моделлю), рух і розвиток (динамічною моделлю), функціонування (функціональною моделлю).

Система методів ГІМ включає застосування різних видів моделювання:

географічне, картографічне, математико-картографічне, аерокосмічне, комп’ютерне електронно-графічне (рис. 2.2).

ГІМ у своєму арсеналі засобів просторового аналізу використовує низку методів, серед яких:

40

Картографічне

Математико-

Аерокосмічне

Географічне

картографічне

Моделювання

Структурний

Математична формалізація

Картографічна символізація

Картографічна генералізація

Методи фотографічної і фотоелектронної реєстрації відбитого і власне електромагнітного випромінювання об’єктів у різних діапазонах

геосистеми

типологічний аналіз

геосистем

типологічний аналіз

Таксономічне

41

Класифікація

Компонентів

Взаємозв’язків

Структурі організацій

Динаміки

Функціонування

Районування

Диференціація

Інтеграція

Ареалування

Зонування

Статистичне

Кореляційне

Регресійне

Факторне

Комп’ютерне електронно-графічне

Інформаційно-

Технології геоінформаційного

Геоінформаційний аналіз

Графічна візуазізація

цифрове

моделювання

і моделювання

Опис властивостей

Класифікація

Опис відношень між властивостями

Функціональний опис

властивостейвідношень

Геогрупування

Буферизація

Генералізація

Комбінування

Геокодування

Узагальнення даних

Побудова тематичних карт, комп’ютерна анімація

Побудова віртуальних геозображень

Побудова діаграм і графіків

Оверлей

Імітаційне моделювання

Математико-статистичний

аналіз

Тренд-аналіз

Просторова кореляція

Кластеризація

Електронні карти й атласи

Трансформовані фото- і космознімки

Тривимірні комп’ютерні моделі

Анімаційні моделі

Діаграми і графіки

Таблиці

Рис. 2.2. Класифікація методів геоінформаційного моделювання за Т. І. Козаченко