Использование и применение и картографического метода в научных и школьных исследованиях

Содержание.

Введение…………………………………………………………………………………….3

Глава 1. История развития и становления картографического метода исследования, как одного из основных методов изучения географии.

Глава 2. Использование и применение и картографического метода в научных и школьных исследованиях.

1. Совместное использование и переработка карт при картографическом методе исследования. Топологические модели…………………………………………………..19
2. Применение картографического метода в научных исследованиях……...…..26
3. Картографический метод исследования в школе……………………………….34

Заключение……………………………………………………………………………….38

Литература……………………………………………………………………………….39

Приложение …………………………………………………………………..…………41

Введение.

Высокий уровень развития современной картографии ведет к постоянному расширению ее интересов. Продолжая совершенствовать методику и технику картографирования, разрабатывая новые типы карт, картографы ставят и решают новые проблемы.

Одна из таких проблем: использование карт в научных исследованиях и хозяйственной деятельности.

Цель работы: изучить, историю картографического способа исследования, и его особенности в  применении на уроках географии в средней школе.

Задачи:

1. Проанализировать литературу по теме.
2. Изучить и проанализировать историю развития картографического метода и совместное использование карт при картографическом методе исследования.
3. Изучить, особенности  применения картографического метода в научных и школьных исследованиях.

Объект исследования: картографический метод исследования.

Предмет исследования - использование картографического метода исследования в научных и школьных исследованиях.

Актуальность темы: За долгое время существования планеты Земля и человечества на ней, на ее поверхности происходило и в настоящее время происходит множество изменений, касающихся рельефа, климата, почв и т.д. С давних времен для изучения нашей необъятной планеты человек начал изобретать и использовать множество различных способов познания. Для изучения, хранения и передачи,  данных следующими поколениям были созданы одни из основных элементов географии, которые и в настоящее время выполняют отведенную им роль. Карта является неотъемлемой частью изучения планеты. 

В самой картографии долгое время сохранялось мнение о том, что основная задача науки состоит в изучении и разработки методов и процессов создания и воспроизведения карт.

Итак, под картографическим методом понимаются раздел картографии, изучающий вопросы использования карт для познания изображенных на них явлений. В первые понятие об этом методе было сформулировано К.А. Салищевым.

Приложения картографического метода исследования весьма разнообразны. Он сделался неотъемлемой частью большинства теоретических и практических изысканий, превратился в один из стержневых методов познания в науках о Земле. Долголетний опыт накоплен геологией и морфологией – науками, традиционно связанными с топографическими картами. Издавна сопряжены с картой экономико-географические исследования. Немыслимы без постоянного анализа и обработки карт геофизические науки.

Метод развивается, используя новейшие достижения картографии, математики, вычислительной техники и автоматики, в тесном взаимодействии с методами конкретных наук. Постоянно находятся новые оригинальные приемы анализа карт, совершенствуется техническая база, расширяется круг решаемых задач, начиная от проблем общегеографического характера вплоть до узкоотраслевых исследований.

Важнейшим условием становления картографического метода следует считать практические потребности отдельных отраслей физической и экономической географии, геологии, геофизики и других отраслей наук о Земле. При современном уровне теоретического развития этих отраслей знаний и анализ карт применяется в качестве одного из основных методов исследования.

Глава 1. История развития и становления картографического метода исследования, как одного из основных методов изучения географии.

1. Краткая история картографического метода исследования.

Всякое картографическое произведение создавалось с древнейших времен до наших дней для каких-либо практических или научных целей.

Прежде всего, можно сказать о графических изображениях, прародителях современных карт, использовавшихся для ориентации в пространстве. Для этих нужд служили наскальные изображения, рисунки на дереве, использовалась резьба по дереву или кости. Основными элементами таких изображений были тропинки, реки, ручьи, озера, горы, леса, места для охоты, сбора трав и т. д. Как правило, для их показа применялись перспективные рисунки, зачастую с существенным преувеличением наиболее интересных с точки зрения составителя элементов содержания или их деталей. Сохранились такие изображения, датируемые 3—2 тысячелетием до н. э. Жители Маршалловых островов создавали свои первые примитивные морские «карты» для целей навигации. Материалом для них служили раковины, обозначающие острова, которые крепились к каркасу из черенков пальмовых листьев. Положение черенков указывало фронт морской зыби, поднимаемой господствующими ветрами, а также изменения при прохождении через цепь островов. Это использовалось жителями для определения курса на остров, когда он был вне поля видимости.

Карты были необходимы для фиксации границ охотничьих угодий, земельных наделов, что особенно было распространено при освоении новых территорий, например в Римской империи, позднее церковных владениях и т. д. В древнейших очагах цивилизации - Месопотамии и Египте — строительству сооружений, возведению храмов нередко предшествовало создание соответствующих планов. В Древней Греции карты использовались в обучении, а в Древнем Риме — в военном деле и управлении империей ( рис.1).

Большую известность получили римские дорожные карты, среди них широко известна сохранившаяся до настоящего времени так называемая Пейтингерова таблица — полоса длиной в 7 м и шириной около 30 см, показывающая обширную территорию от Британии до Индии. Основное содержание таблицы — дорожная сеть, города, реки, озера, горы — сильно растянуто по направлению с запада на восток и сжато с севера на юг (рис.2).           Позднее в средневековье с широким развитием морской торговли резко, возросла потребность в картах для навигации; особенно высокой точности в изображении береговой линии достигли портоланы. Создавались они начиная с XIV в. прежде всего в Италии и покрывали Средиземное и Черное моря. Особенностью портоланов были нанесенные на них сетки компасных линий из ряда точек, что позволяло с помощью изобретенного к этому времени компаса прокладывать курсы для судов, в том числе в открытом море. Наибольший же расцвет в морской картографии, естественно, пришелся на период Великих географических открытий XV—XVI вв.

Чуть раньше портоланов в Европе появились так называемые монастырские карты. К. А. Салищев писал, что «основное назначение монастырских карт состояло в иллюстрации богословских сочинений. Например, на карте, сопровождавшей комментарии к Апокалипсису, Беат показывал раздел Земли после потопа между тремя сыновьями Ноя. Такие карты представляли собой картинные чертежи, лишь в самой грубой форме передававшие известный в средневековье мир. Картографические изображения мира интересовали их авторов только в той мере, в какой они соответствовали их религиозным взглядам или поясняли разделяемые ими богословские представления».

Расцвет картографии средневековья связан с именем фламандского картографа Герарда Меркатора, жившего в 1512—1594 гг. Созданная им цилиндрическая равноугольная проекция карты мира носит его имя и используется в морской картографии в настоящее время. В данной проекции Г. Меркатор составил карту мира, известного к тому времени, а также дал рекомендации, как пользоваться данной картой.

В России карты в относительно большом количестве стали создаваться и использоваться к началу XVI в., что связано с потребностями освоения новых территорий, вошедших в Русское государство, и необходимостью защиты его рубежей. Свидетельством этому служит опись архива Ивана IV (1575г.), где упоминается множество чертежей, необходимых для проведения политики царя по связям с внешним миром. Таким же целям служил «Большой Чертеж всему Московскому государству», охватывавший территорию от Днепра до Оби.

Процесс освоения Сибири также требовал ее картографирования и изучения. Работы С. У. Ремезова (1642 — после 1720) представляют собой историко-географическую энциклопедию Сибири XVII в. С. У. Ремезов при участии сыновей подготовил три атласа Сибири, Главное достоинство его карт — «достоверность сведений и богатое географическое содержание. В этом отношении картографические произведения тобольского исследователя значительно превосходили более поздние карты Сибири петровских геодезистов. В Ремезовских чертежах, рисующих разносторонний физико-географический образ территории всей Сибири и насыщенных громадным числом экономических, этнографических, политических, исторических, военных, археологических, статистических и других показателей, современные исследователи справедливо усматривают наиболее раннее проявление комплексного картографирования».

В последние годы жизни Петра I широко развернулись работы по государственной съемке страны. Возглавлял эти работы И. К. Кирилов (1696—1772), а позже большую роль в повышении точности и качества съемок сыграл В. Н. Татищев. При стандартизации съемочных работ В. Н. Татищев уделял большое внимание сбору географических данных и их учету при составлении «ландкарт». Так, в составленной им в 1738 г. инструкции есть две такие позиции:

1. Для историко-географического  известия о приезде твоем в город требовать из канцелярии известия, давно ли тот город построен и для какой причины, уезда же того у умных людей домогаться ведать состояния, их язык, нравы, художество и пропитание, в чем тот уезд изобилен или недостаточен.

2. О порядочном же осведомлении  дабы тебе при сем особливые пункты, по которым осведомлялись, против всякого записывать, ту ж записку чинить велено и посланным в провинции офицерам».

Огромная работа по анализу гипсометрических карт Европейской России проведена Д. Н. Анучиным. На основе карт, созданных А. А. Тилло, а также геологических карт им дан замечательный географический анализ закономерностей развития рельефа, обобщенный в книге «Рельеф поверхности европейской части России в последовательном развитии о нем представлений». До XIX в. на картах преимущественно отражались общегеографические элементы. Необходимость в создании тематических карт стала появляться главным образом для научных целей. Одним из первых, кто осознал возможности карт показывать абстрактные понятия, был А. Гумбольдт. Он ввел понятие изотерм, которые нельзя увидеть на местности, и на их основе показал, как можно установить и фиксировать на карте территориальную дифференциацию распределения тепла, заложив основу климатического зонирования Земли. Позже он установил вертикальную зональность в растительном покрове. В том же направлении были и работы В. В. Докучаева, который дал научную классификацию почв с учетом генетического принципа и факторов почвообразования, широко используя географические карты. Он также обобщил представления о зональности компонентов среды и сформулировал учение о географических зонах.

В область социально-экономического картографирования большой вклад внес П. П. Семенов-Тян-Шанский, прославивший свое имя не только известными путешествиями, но организацией первой переписи населения в России (1897 г.), результаты которой послужили материалом для многочисленных карт населения. Под его руководством изданы «Географическо-статистический словарь Российской империи» и «Россия. Полное географическое описание нашего отечества», иллюстрированные различными картами. В своей работе П. П. Семенов-Тян-Шанский использовал все лучшее, что было создано в области социально-экономического картографирования того времени, как, например, «Карту промышленности Европейской России» 1842 г., «Хозяйственно-статистический атлас Европейской России» 1851 г. и др.

Теория дрейфа континентов и современная новая глобальная тектоника берут свое начало с работ А. Л. Вегенера (1880—1930), отметившего при анализе карт сходство очертаний берегов Бразилии и атлантического побережья Африки.

Так же велик вклад в экономическую картографию и использование карт в социально-экономической географии Н. Н. Баранского. Его яркий, образный язык, умение сконцентрировать внимание на сути, глубина и многогранность знаний привлекали к нему многих учеников и последователей. Слова Н. Н. Баранского служили и служат эпиграфами и названиями статей и книг. Можно ли сказать четче и яснее, выразив свое отношение к картографии: «Карта — альфа и омега географии, начальный и конечный момент географического исследования... Карта — средство к выявлению географических закономерностей... Карта — «второй язык» географии». Н. Н. Баранский не только призывал, но и сам постоянно пользовался картами для объяснения географических взаимосвязей и закономерностей.

И. П. Заруцкая (1908—1990) показала роль ряда созданных с ее участием атласов при комплексных географических исследованиях. Большой знаток природы, она стремилась к неразрывному слиянию картографического метода и конкретных географических наук.

2. Существование проблемы. Основные функции географических карт. Понятие о картографическом методе исследования.

Развитие картографии всегда определялось потребностями жизни. Начиная со школьных лет карта знакома каждому человеку. Она обыденное явление в нашей жизни. Но именно эта обыденность нередко приводит к упрощенному взгляду на карту, ее недооценке, неполному использованию заложенных в ней возможностей. Важно не только иметь хорошую карту, но и уметь работать с ней, беря от нее все, что она может дать. Иначе карта будет в значительной мере оставаться вещью.

Поэтому разработка вопросов использования карт принадлежит к важнейшим проблемам картографии. Картографическое отображение реального мира и его восприятие, т. е. создание карт и изучение по ним действительности, рассматриваются в современной картографии во взаимной связи, как единый процесс.

Обобщая многообразие практического и научного использования карт, можно выделить их пять основных функций:

1. Коммуникативную: по хранению и передаче пространственной информации.
2. Оперативную: связанную с непосредственным решением различных практических задач (например, по навигации, управлению сельским хозяйством и т. п.);
3. Конструктивную: по применению карт для разработки и реализации всевозможных народнохозяйственных и социальных проектов;        
4. Познавательную: для пространственно-временных исследований явлений природы и общества и приобретения о них новых знаний;
5. Прогностическую:(как развитие познавательной) для предвидения явлений - их распространения, изменений во времени и будущих состояний.

Успех в реализации коммуникативной функции карт во многом зависит от избранных для них способов изображения и знаковых систем, а также опыта в чтении карт, приобретенного при их изучении и в процессе практической деятельности. Методика применения карт в оперативной работе и проектировании устанавливается специалистами, прибегающим к помощи карт, но картограф, готовящий эти карты, должен знать предъявляемые к ним требования и особенности применяемой методики.   Методы использования карт как средства познания и прогноза разрабатываются специалистами в соответствующих видах карт (геологами, геоботаниками, климатологами и т. д.) и картографами, работающими в тех же разделах тематической картографии (геологической, геоботанической и т. д.). Однако общую разработку этих методов относят к задачам картографической науки (подобно тому, как общая разработка и совершенствование математических методов, широко используемых многими науками, принадлежит математикам).

Картографическое изучение и исследование действительности состоит во включении в этот процесс промежуточного звена - географической карты как пространственной модели изучаемых явлений. При этом карта выступает в двоякой роли: в качестве средства исследования и как его предмет в виде модели, заменяющей собой реальные явления, непосредственное изучение которых невозможно или затруднительно. Примером могут быть явления глобального масштаба. Полученные таким образом (по картам) выводы и значения относятся к соответствующим объектам действительности. Применение карт для описания, анализа и познания явлений, для получения них новых знаний и характеристик, изучения их пространственных взаимосвязей и прогноза мы называем картографическим методом исследования.

Суть картографических исследований можно пояснить схемой на рис. 3, на котором выделены четыре последовательные стадии картографирования и использования карт:

1) получение информации И1, т. е. сведений об окружающем мире, в результате наблюдения некоторой части действительности Д1 - ее явлений и процессов;

2) обработка информации И1 и построение  карты К - пространственной образно-знаковой  модели исследуемой части действительности;

3) изучение (чтение) карты К, для извлечения из нее информации И2 об отображенных на карте явлениях, если надо с дополнительной обработкой получаемых по карте данных;

4) мысленное формирование в сознании  исследователя образа Д2 о моделированной  на карте действительности на  основе информации, заключенной  в карте, и ранее накопленных  исследователем знаний и опыта. 3-я и 4-я стадии образуют собственно  картографический метод исследования. Очень важно, что на 2-й и 3-й  стадиях происходит не только  отключение излишней информации, но и получение новой, как результат  обработки используемых данных И1 и самой карты. На 4-й же стадии создается представление о размещении, состоянии, взаимосвязях и динамике показанных явлений, их новый образ, анализ и истолкование которого с помощью индуктивных и дедуктивных умозаключений приводит к расширению и обогащению знаний об изучаемой действительности. Простейший пример - топограф определяет высоты и строит по ним на карте горизонтали, а геоморфолог использует изображение в горизонталях для выводов о морфологии и генезисе рельефа. Именно возможность получения по картам новых знаний лежит в основе использования карт как средства научного исследования, в частности при разработке гипотез, прогнозов, рекомендаций и т. д.

Рис. 3 иллюстрирует схему действий, при которой изготовление карты выполняется в результате непосредственного наблюдения (съемок) действительности. Однако создание большинства карт основывается не на прямом исследовании натуры, а на использовании уже имеющихся карт и других источников, обработка которых для получения производных карт имеет целью не только отбор, отбор  информации, но и получение новой информации и новых знаний о картографируемых явлениях.

Таким образом, в картографическом изучении действительности закономерно различать полевое и камеральное картографирование и картографический метод исследования - получение новых данных о действительности по имеющимся или специально созданным для нее картам. Разработка вопросов полевого и камерального картографирования принадлежит к задачам топографии (аэротопографии), проектирования и составления карт, а также отраслевых разделов тематической картографии. Что касается методики использования карт в научных исследованиях и практике, то она относится к кругу забот картоведения, но в своей развитой форме приобрела значение самостоятельной картографической дисциплины, а также находит отражение в отраслевых разделах тематической картографии, где имеет четко выраженный междисциплинарный характер.

Полевое и камеральное картографирование входят в компетенцию профессиональных картографов и специалистов в соответствующих отраслях тематической картографии. Изучением же готовых карт как моделей действительности с целью познания этой действительности занимаются все потребители, для которых предназначаются конкретные карты.

В заключение стоит отметить, что коммуникационная функция карт (иллюстрируемая рис. 4) во многих публикациях по картографии заслоняет собой остальные.

Иногда в ее основу кладут математическую теорию информации, по которой И2 (информация на выходе) всегда меньше И1 (информации на входе). Такой взгляд лишает картографию познавательных функций и в этом отношении препятствует ее развитию.

3. Основные приемы анализа при картографическом методе исследования.

Картографический метод исследования основан на анализе карт как пространственно - временных моделей действительности. Для изучения явлений по их изображениям на картах используются различные приемы анализа, среди которых выделяют визуальные, картометрические, графические и математические способы.

Визуальный анализ - наиболее употребляемый прием исследования по картам, основан на существовании карт как образно-знаковых моделей, воспроизводящих в наглядной форме пространственные формы, отношения и структуру. Уже беглый взгляд на карту порождает при наличии опыта зрительный образ пространства изображенных явлений, например общее представление о местности по топографической карте. Внимательный просмотр карты позволяет в дальнейшем (в зависимости от ее содержания) увидеть особенности форм и своеобразие пространственного рисунка явлений, и дать содержательное описание этих форм, сопоставить величины показанных объектов, установить закономерности размещения и т. д.

Такой анализ одинаково возможен для изучения планетарных закономерностей в размещении суши и океана, рельефа, климата, почв, растительности, животного мира, населения, хозяйства и т. д. или их региональных и даже местных особенностей. Данный метод всегда используется на первоначальной стадии исследования для общего ознакомления с изучаемыми явлениями и для выбора последующей методики работы.

Внешне простой и доступный каждому, визуальный анализ требует вместе с тем умения читать карту, понимания сути анализируемых явлений и конечно привлечения подходящих к делу карт. Это умственный труд, успешность которого зависит от интенсивности и подготовки исполнителя.

При общем развитии картографического метода исследования визуальный анализ расширяет область своего применения. Он распространяется на новые виды карт (например, металлогенические, служащие для прогноза полезных ископаемых) и особенно продуктивен в комплексном картографировании при совместном анализе сопряженных карт, а также при сравнительном анализе вариантов карты в процессе ее автоматизированного изготовления. Так же эффективно его использование для анализа статистических карт, переводящих таблицы статистических данных в наглядный, запоминающийся образ, облегчающий анализ явлений и их районирование.

Картометрические исследования заключаются в измерении и исчислении по картам количественных характеристик явлений с оценкой точности получаемых результатов. Определения координат, расстояний, длин, высот, площадей, объемов, углов и азимутов, уклонов и других топографических характеристик, теория и практические приемы этих определений издавна рассматриваются в особом разделе картографии - картометрии. Диапазон картометрических работ необычайно широк. Они могут сводиться к измерениям отдельных объектов (например, длины какой-либо реки) или быть массовыми (включать все реки), иметь локальный характер (например, ограничиваться небольшим районом) или распространяться на значительные пространства (например, ставить целью определение площадей земельных ресурсов по их видам для всей страны) или даже иметь глобальное значение.

Между тем многие отрасли знания - науки о Земле и ее биосфере, экономическая и социальная география и другие - теперь нуждаются в получении по картам разнообразных абсолютных и относительных пространственных показателей, характеризующих формы явлений, их мощность, плотность и интенсивность, отношения соседства и доступности. Выбор показателей относится к задачам названных наук, но в основе определения показателей лежат картометрические измерения по соответствующим тематическим картам. Естественно, что разработка принципиальных положений, рациональных приемов и техники таких измерений, оценка их точности, обоснование выбора карт и т. д. входят в задачи картометрии в ее широком современном применении.

Большое распространение получили морфометрические расчеты формы и структуры объектов - общего характера их очертаний, вытянутости, извилистости, кривизны, расчленения и т. д., а так же статистический анализ плотности, распределения и взаимосвязей явлений.

Интенсивное внедрение автоматизированных приемов измерений по картам и привлечение ЭВМ для обработки их результатов необыкновенно повышают эффективность и точность картометрических исследований.

Графический анализ заключается в исследовании явлений при помощи графических построений, выполняемых по географическим картам. Такими построениями могут быть профили, разрезы, блок-диаграммы и другие образно-знаковые модели, производные от карт, а также различные графики-диаграммы, розы направлений или звездные диаграммы и т. п. Их часто применяют для наглядного представления о размещении явлений в иных плоскостях, чем горизонтальная, например в вертикальной плоскости посредством профилей и разрезов, в плоском изображении трехмерного пространства посредством блок-диаграмм, нередко сочетающих горизонтальные и вертикальные сечения, и т. п. Профили широко используют для изучения рельефа земной поверхности, геологического строения земной коры и т. д. Разрезы, показывающие вертикальную структуру компонентов географической оболочки, удобны для исследования их соотношений с рельефом земной поверхности, в частности с высотной поясностью. Совмещение профилей позволяет переходить к пространственному анализу, например для выявления поверхностей выравнивания (рис. 5).

Заметим, что профили можно строить по любым картам с изолиниями и псевдоизолиниями, например по картам плотностей различных природных ресурсов, трудовых и т. п. Блок-диаграммы, дающие перспективное изображение пространства, удобны для передачи связей между рельефом земной поверхности, геологическими структурами, почвенным покровом и т. д.

Графический анализ нередко служит для выяснения закономерностей пространственного размещения, например распределения по основным азимутам. Рис. 6-а показывает реки Кольского полуострова и соответствующую звездную диаграмму (на которой длина лучей пропорциональна суммарным длинам водотоков по 12 направлениям), характеризующую в обобщенной форме основную ориентировку гидросети; рисунок 6-б построен подобным образом для линий неотектонических разломов.

Автоматизация графических построений позволяет легко изменять их масштабы, ориентирование и другие параметры, сопоставлять и совмещать различные графики и в конечном счете неизмеримо ускоряет работу и повышает эффективность графического анализа.

Сама суть географических карт как математически определенных пространственных моделей предопределяет эффективность математических приемов их анализа для получения новых характеристик отображенных на картах явлений, для изучения их взаимосвязей и зависимостей, для построения математических моделей и других целей.

Очень популярен математико-статистический анализ, привлекаемый к исследованию явлений, которые можно рассматривать на картах как однородные множества изменяющихся в пространстве случайных величин: высот, температур, посевных площадей, урожайности и т. п., называемых в математической статистике статистическими совокупностями. Среди многих задач, решаемых по картам при помощи статистического анализа, можно выделить три основные:

1) определение статистических  характеристик какого-либо однородного  явления, зависящего от многих  факторов с неизвестной функциональной  связью;

2) изучение пространственных и  временных связей между явлениями;

3) оценка степени влияния отдельных  факторов на изучаемое явление  и выделение ведущих факторов.

Для характеристики явления посредством какого-либо статистического показателя  определяют количественные значения, явления во многих точках карты и обрабатывают полученные данные, следуя правилам математической статистики по ячейкам избранной территориальной сетки (административного деления, природного районирования, регулярной сети и т. п.). Для производства выборки наиболее удобны карты с изолиниями, позволяющими определять величину явлений в любой точке карты. Наиболее обоснована выборка по сетке равномерно расположенных точек. Количественные значения для статистической обработки можно получать и по картам с другими способами изображения: точками, ареалами, картограммами. Например, при точечном способе определяют интенсивность явлений выборочно по сетке контрольных площадок (часто в виде кружков), подсчитывая число точек внутри каждой контрольной площадки. Обычно анализ завершают построением картограммы, дающей наглядное представление о пространственных изменениях показателя.