Технологии и методика применения пространственно-временного анализа в специально исторических ГИС-проектах

Специфика исторических геоинформационных систем. Понятие ИГИС

Подавляющее большинство геоинформационных систем исторической тематики в полной мере используют возможности пространственного анализа. Задействовав функции обработки атрибутивных и метрических данных, исследователь может синтезировать дополнительные сведения, недоступные или не столь очевидные без ГИС-проекта, или наметить новые направления для своей работы.

Однако развитие методики работы с историческими ГИС-проектами не может быть исчерпано исключительно совершенствованием пространственного анализа. Историки могут эффективно заимствовать и усваивать достижения междисциплинарных геоинформационных технологий, однако без использования этих достижений при применении картографического метода в исследованиях это заимствование будет чисто внешним. При общем отставании специально исторического картографирования использования ГИС будет полезным только решения частных задач.

Специфика исторической электронной картографии и геоинформационных систем исторической направленности состоит в том, что, что их содержание должно отражать не только определенную ситуацию в картируемом регионе, но и её развития на протяжении некоторого промежутка времени. Одной из задач исторической картографии является отображение динамики зафиксированных на карте объектов: перемещение, изменение границ, возникновение новых объектов. При этом важно не просто нанести некоторый перечень событий на карту, но и показать их последовательность, чтобы потребитель карты мог проследить все существенные изменения от начальных условий.

Именно нерешенность проблем пространственно-временного анализа привела к недостаточной востребованности ГИС-технологий при работе с анализом длительных исторических процессов. Так, Ян Грегори считает, что карта может представить только один из компонентов геоинформационной системы по истории – пространство. Два других компонента – время и тема –транслируются в виде текстовой информации или совокупности нескольких карта по разных временным промежуткам. Исходным положением для этого утверждения служит то обстоятельство, что изначально в ГИС не было возможности для анализа времени и пространства одновременно^[1].

Стоит определиться с тем, что собой представляет историческая геоинформационная система. ИГИС(HGIS) – это особый класс геоинформационных систем, обеспечивающих визуализацию, хранение и анализ историко-географических данных и их изменений во времени. Если геоинформационная система отвечает на вопросы «что здесь находится?» и «где это находится?», то ИГИС добавляет к этим вопросам показатель времени: «что здесь находилось(происходило) в определенное время?», «когда это происходило в данном регионе?», «как эти процессы/эти события совмещаются с другими тематической информацией по данному региону?». Соответственно, исходя из этого определения, мы можем выделить специфические функции исторических геоинформационных систем, которые отличают их от общетематических.

Обратим внимание на специфику исторической картографии - в ней невозможно выделить постоянные регионы для картирования. Топографические карты составляются по номенклатурным листам в масштабе 50 000, 200 000, 1 000 000; отдельно картографируются административные единицы (федеральные округа, отдельные субъекты федерации). Выделить подобные листы и регионы для исторического картирования на все возможные случаи не представляется выполнимым уже потому, что историческая география не постоянна. Например, для картирования греко-персидских войн достаточно охватить на карте весь район Эгеиды, а для создания карты Пелопоннесской войны потребуется включить в регион картирования также и Сицилию. То есть при некоторой общности регионов, мы не можем строить обе эти карты опираясь на общую топографическую базу. Следовательно, для отдельных периодов необходимо выделить регионы, актуальные для картирования. Топографическая основа в ИГИС нем гораздо более сложна, чем в любой другой картографии.

Топографические основы для мелкомасштабных и среднемасштабных карт содержат гидрологические объекты, рельеф, населенные пункты. Применительно для не исторических карт топоосновы сохраняют сравнительное постоянство и лишь время от времени оптимизируются, улучшаются по мере дополнительного изучения местности. В истории этого постоянства нет. Так, береговые линии, гидрологические объекты, ландшафт местности на протяжении истории человечества менялись: значительно отодвинулось на юго-восток побережье Персидского залива, если сравнивать современность и времена шумеров; сместились русла рек в Белуджистане и Пенджабе со времен Хараппской цивилизации. Если даже оставить современность, невозможно обойти вниманием сокращение лесов в долине Ганга в середине I тыс. до н. э., появление пустыни вместо плодородных территорий в Северной Африке и другие изменения. Все это также должно отражаться на картах соответствующих периодов; вместе с тем усложняется и задача по подготовке топографической основы, ведь автор карты должен учитывать конкретный исторический ландшафт, а не современный. Понятно, что эта проблема актуальна далеко не для всех периодов и регионов.

Вторая часть топографической основы для исторической карты - населенные пункты и объекты инфраструктуры - тоже существенно отличается от других карт. Очевидно, что для каждого отдельного периода по региону должна быть подготовлена своя топооснова, на которую будут нанесены только те объекты, которые были в реальности в нужном хронологическом интервале.

Таким образом, графическая часть исторической карты обобщенно состоит из трех групп слоев: общей топографической основы (рельеф, гидрология, ландшафт), конкретно-исторической основы (населенные пункты, объекты инфраструктуры) и фактографических данных.

Как можно заметить, если фактографические сведения наносятся в рамках отдельного исследования, то первые две группы могут быть задействованы многократно при решении различных картографических задач. То есть, уже созданная конкретно историческая топооснова может использоваться исследователями для разработки различных вопросов и тем.

Подходы к созданию динамической карты

Не представляется возможным свести все отличия ИГИС исключительно к вопросу «как показать ход времени на карте?», это лишь внешняя сторона развития исторических ГИС. Постановка проблемы должна быть сформулирована значительно сложнее: как создать модель исторического процесса в рамках ГИС-проекта. Первым шагом к решению этого вопроса является создание динамической карты.

Можно выделить два основных подхода к визуализации хронологических изменений на карте. Первый – дискретный, послойный подход, предполагает визуализацию объектов по конкретному временному интервалу или отдельной дате в виде набора слоев. Этот вариант представляется наиболее простым в технологическом плане, так как для его исполнения подходит любой редактор для ГИС, в котором поддерживаются стандартные функции для работы со слоями. Между тем, с точки зрения методики и содержания ГИС-проектов, послойное представление хронологических изменений нельзя признать удачным решением для большинства задач.

Набор разновременных слоев по одному региону, обеспечивая простейшую реализацию динамической карты, является заурядной мультипликацией. Другими словами, фактически на карте присутствует несколько изображений одного объекта, относящих к разным датам или периодам, не связанные друг с другом. Следовательно, мы не может проследить промежуточные состояния, корректно сравнить одни показатели объекта с другими и выполнить другие задачи по пространственно-временному анализу. Дискретность хронологических слоев допускает значительные пропуски в пространственных и атрибутивных изменениях. Наконец, нельзя упускать из виду жесткую зависимость послойного представления от изначально заданной периодизации. Сравнительно небольшое изменение в хронологических рамках может повлечь за собой переработку всей структуры проекта. Таким образом, послойный подход, будучи вполне достаточным для иллюстрации общих пространственных изменений с твердо установленной периодизацией (например, для картографирования археологических культур или изменений административного устройства в рамках одного региона), не способен отразить полную историческую динамику, не говоря уже о более сложном пространственно-временной анализе. Между тем, именно послойное представление является наиболее востребованным вариантом создания исторических ГИС-проектов на данный момент.

Второй подход выражается в представлении времени в качестве атрибутов – объекты фактографической части карты в атрибутивных таблицах имеют начальные и конечные даты. По запросу редактора или пользователя, которые определяет необходимый ему диапазон лет, из атрибутивных таблиц осуществляется выборка, в результате которой на карте визуализируются только те объекты, которые соответствуют указанному интервалу времени. При этом отбор материала для картографирования может быть осуществлен как для некоторого исторического периода, так и для отдельно взятого среза времени. Впервые этот вариант представления времени на исторической карте был применен в 2000 г. английскими историкми^[2]. По сравнению с послойным представлением атрибутивный подход демонстрируют большую гибкость, позволяя не множить дублирующие слои для объектов одного класса. Динамическая карта подобного уровня не зависит от каркаса периодизации. Безусловно, для неё требуются дополнительные вводные данные – общий временной интервал для всей карты, единицы измерения времени, базовый шаг хронологического слайдера, однако в конечном результате весь материал и легенда карты выглядят более компактными и оптимизированными, чем дискретное картографирование нескольких временных срезов.

Возникает вопрос, почему же при всех преимуществах атрибутивного подхода, он так редко используется при выполнения реальных, прикладных задач в ходе исторического исследования? Здесь мы сталкиваемся с взаимной причинностью: отсутствие необходимой технологической и методической базы для создания сложных динамических ГИС-проектов на исторические темы вынуждает исследователей искать привычные, уже отработанные решения; с другой стороны, отсутствие запроса от историков на необходимый функционал, специфичный именно для работ в области исторической картографии и ИГИС, тормозит естественное развитие технологий в этом секторе. Эта ситуация может быть исправлена в первую очередь демонстрацией значительной продуктивности историко-картографического моделирования на примерах готовых проектов, которые смогли бы раскрыть весь потенциал этого направления.

Можно отметить несколько программных средств, которые были созданы и развивались именно как инструменты для динамических карт, в том числе с поддержкой атрибутивной хронологии. Особо стоит выделить программу TimeMap, которая разрабатывалась с 1996 г. при Археологической компьютерной лаборатории университета Сиднея, так как она была ориентирована именно на исторические геоинформационные системы. В функционале TimeMap была предусмотрена поддержка обработки хронологических данных. Для своего времени это был прогрессивный и успешный продукт, который, к сожалению, на данный момент не поддерживается.

В дальнейшем в развитии программных средства для геоинформационных систем укрепилась тенденция универсализма: ведущие программные продукты стремились аккумулировать в себе максимум функций, которые могут быть реализованы и задействованы в ГИС-проектах. В результате, в наборах инструментах наиболее известных ГИС-редакторов помимо стандартных операций пространственного анализа появились возможности по работе со шкалой времени. Так, в ArcGIS начиная с версии 10.3 появляется инструмент «TimeSlider»; аналогичное дополнение становится доступным в QGIS – TimeManager. Оба инструмента имеют схожий интерфейс (рис. 1) и ориентированы на одинаковые задачи – визуализацию изменений объектов во времени. Функционал редакторов позволяет запускать процессах анимации и сохранять его в видео-формате.

Рис. 1. Интерфейс инструмента TimeSlider программы ArcMap

Как видим, все подобные решения по созданию динамической карты, ориентированы в основном на визуальную составляющую, то есть попросту на создание наглядной иллюстрации тех или иных пространственных изменений. Подобная реализация не предполагает изменения ещё и в атрибутах. Таким образом, сам по себе временной слайдер не может создать полноценную историческую модель

Справочник событий как инструмент моделирования исторических процессов в рамках геоинформационной системы

Общий вид решения по созданию полноценной динамической карты ГИС-формата может быть представлен следующим образом. ГИС-проект, помимо хронологических атрибутов по каждому фактографическому слою, должен сопровождаться справочником событий в виде служебной таблицы со следующей структурой (Таблица 1):

Таблица 1. Структура справочника событий для исторических ГИС-проектов

Конечно, предложенный вариант может быть оптимизирован в соответствии с задачами и информационной насыщенностью проекта. Так, вместо унифицированного справочника событий могут быть созданы дискретные таблицы новых значений атрибутов для отдельных слоев. Однако оба варианта позволяют не только выбрать объекты по значениям хронологических атрибутов и показать их на карте, но и присвоить им новые метрические и атрибутивные данные. Например, если населенный пункт, обозначенный на карте, в пределах картографируемого периода многократно менял свой статус (становился административным центром, столицей) или фактографический атрибут, то, задействовав справочник событий, мы снимаем вопрос о том, как именно показать динамику этого объекта.

Включение в состав ГИС-проекта справочника событий влечет за собой значительное усложнение как его структуры, так и запросов, отправляемых на осуществление выборки. Если в работе со статичными атрибутивными таблицами выборка по атрибуту может быть реализовано с помощью одного запроса, то с учетом динамических данных она должна учитывать новые значения атрибутов, которые хранятся в справочнике событий. В то же время в арсенале редактора появляются новые инструменты: возможность отбора всех событий по отдельному объекту или слою, отбор синхронизированных событий по разным слоям, формирование последовательности.

Сосредоточимся в этой теме не на технологической стороне проблемы – как именно реализовать подобный набор функций для исторической карты ГИС-формата (развитие современной электронной картографии и ГИС-систем позволяют выбрать различные решения), а на методической – какую пользу может извлечь историк из пространственно-временного анализа вместо привычных возможностей традиционных ГИС-проектов.

Ниже приведены стандартные задачи при работе историческим ГИС-проектом, которые могут реализованы с помощью предложенной технологии:

- изменение метрических данных (локализация, протяженность, площадь);

- изменение атрибутивных данных;

- синхронные изменения атрибутивных и метрических данных (например, изменение площади полигона и показатель населения);

- изменение условного знака в соответствии с атрибутом объекта в динамике;

- изменение подписи к объекту на карте в динамике.

Особенности ИГИС как инструмента моделирования

Укажем на главные преимущества динамической карты ГИС-формата с возможностью моделирования исторических процессов. Прежде всего, это более гибкая форма представления результатов исследования. На общей топографической основе может быть визуализирован большой объем картографического материала без риска перегруженности. С помощью функций интерактивного доступа к различным элементам и карты и осуществления выборки редактор может отобразить лишь те объекты, которые соответствуют актуальным условиям. Тем самым карта из пассивного иллюстративного материала становится полноценным справочником. Особенно продуктивны подобные проекты в тех направлениях, которые подразумевают оперативное обновление информации, добавление записей и проверку уже имеющихся. В первую очередь это касается проектов по мониторингу. Показательным примером проекта подобного рода можно считать ресурс ИА РАН «Археологические памятники России», в таблицах которого используются хронологические атрибуты, которые позволяют осуществлять выборку по тому или иному диапазону лет^[3].

Нельзя, однако, сводить всю ценность динамической карты исключительно к адаптивности представляемого материала, поскольку само по себе это не представляет для исследователя дополнительных рабочих инструментов. Между тем, потенциал историко-картографического моделирования и пространственно-временно анализа позволяет получать из базовой информации новые данные, не доступные в источниках в готовом виде. В частности, речь идет об анализе промежуточных состояний изучаемых объектов. Каждый отдельный случай требует особых вариантов интерполяции и поиска нужных значений. Подобные задачи актуальны для различных направлений: в построении динамики демографической ситуации, изучении вопросов логистики, отдельных проблем экономической истории.

Безусловно, знание, полученное методами интерполяциями применительно для изучения исторических процессов, следует считать вероятностным, однако оно может предоставить лишнее подтверждением уже существующим гипотезам.

Геоинформационная система подобного уровня превосходит по сложности традиционные ГИС и предъявляет особые требования к информационной насыщенности и точности задействованных данных. Однако и результативность ГИС-проекта с функциями хронологического анализа опережает заурядный набор дискретных карт.

Возьмем для иллюстрации такую распространенную задачу как трассировка маршрута. Поход императора Майориана в Испанию может быть картографирован по следующим источника: «Галльская хроника 511 г.» сообщает о вступлении императора в Арль(633.III); Сарагосская хроника упоминает о его прибытии в Сарагосу; в «Хронике» Идация фиксируется прибытие Майориана в Карфагенскую Испанию. Частично эти сообщения могут быть дополнены сведениями из «Хроники» Мария Аваншского о том, что римский флот был уничтожен вандалами возле Эльче(откуда Майориана собирался осуществить поход против вандалов). Таким образом, сопоставив локализации всех перечисленных сообщений, а также задействовав карту римских дорог, мы можем составить примерный маршрут Майориана из Арля до Карфагенской Испании. Однако здесь у нас недостаточно информации для создания динамической маршрута – мы не можем маркировать местоположение объекта по конкретным датам. Другими словами, зная весь путь объекта, по исходным данным невозможно указать, где он находился в конкретный момент времени. С другой стороны, уже само построение маршрута дает дополнительный материал для анализа военно-политической ситуации в Западной Римской империи.

Приведем обратный пример. В работе Б. А. Рыбакова о летописании Древней Руси подробно рассматривается фрагмент из Ипатьевской летописи, в котором подробно излагается поход князя Изяслава Мстиславича на Киев весной 1151 г^[4]. Поскольку автор сообщения о походе лично в нем участвовал и сопровождал князя, весь проделанный путь описан последовательно день за днем. Летописец методично указывает места ночевок и столкновений, обеспечив свой текст также относительной хронологией. В результате в нашем распоряжении имеется набор локаций, по которым фиксируется весь путь княжеского войска(Луческ, Пересопница, Заречск, Дорогобуж, Корческ, Ушск, Мичск, Здвижен, Белгород), и соответствующие им даты с точностью до дня. Этих сведений вполне достаточно для построения модели маршрута, уточнения вопросов логистики, а также уточнения о составе военных сил Изяслава. Так, сравнительно быстрые суточные переходы, нередко превышающие 50 км, свидетельствуют о том, что в распоряжении князя было хорошо организованное конное войско. При сопоставлении нескольких маршрутов подобной детализации можно выделить наиболее репрезентативные варианты передвижения из пункта в другой.

Однако большую продуктивность динамические ИГИС-проекта могут демонстрировать не при работе с несколькими отдельными объектами, а при анализе целых ансамблей объектов и их групп. Большие множества объектов и их точная атрибуция позволяют устанавливать характер связей между ними, выявить новые закономерности или осуществить проверку выдвинутых гипотез.

Инструменты пространственно-временного анализа. Эвристический подход к работе с динамическим ГИС-проектом

В общем виде можно выделить две главных операции пространственно-временного анализа: установление синхронизации изменений и их последовательности. В свою очередь синхронизации и последовательности могут быть внутренними (изменения в рамках одного объекта или слоя) и внешними (смена атрибутов и метрических данных затрагивают несколько не связанных между собой объектов или тематических слоев). Поиск подобных закономерностей выводит эвристический подход к исторической карте ГИС-формата на новый уровень. Например, установление взаимосвязи между синхронными изменениями нескольких атрибутов позволит глубже изучить микроструктура объекта и особенности его развития во времени. Так, в классической монографии А. Кузы «Малые города Древней Руси» указывается связь между площадью укрепленной территории населенного пункта и его городской атрибуцией: большинство каменных храмов обнаружено на поселениях с укрепленной площадью свыше 2.5 га^[5]. Также, именно эти поселения преимущественно обладали другими параметрами городских центров: наличие усадебно-дворцовой застройки, предметов для письма. Таким образом, можно проследить взаимозависимость параметров объектов одного класса, что побуждает исследователя к поиску других подобных соответствий.

В таблице 2 приведены основные функции пространственно-временного анализа сравнительно традиционным пространственным анализом по мере усложнения уровней обработки информации.

Таблица 2. Список функций пространственного и пространственно-временного анализа

Как видим, задачи хронологически ориентированного анализа не подменяют традиционный пространственный анализ, а дополняют его новыми вопросами.

Методика поиска синхронизаций и последовательных изменений позволяет выявить эффекты и кооперации и конкуренции среди населенных пунктов. Так, нетрудно заметить, что устойчивое развитие поселений как правило, происходило при соседстве с другими населенными в общей речной долине. Одиночный населенный пункт, удаленный от прочих городов и селений и не связанный с ними речными путями, не располагал достаточным потенциалом к росту. С другой стороны, близкое соседство к крупным или быстро развивающимся городам приводило к полному упадку или исчезновению того или иного населенного пункта. Именно так можно объяснить отсутствие археологических отложения тех населенных пунктов, существование которых прервалось без военных погромов, например, Листвин, Строчицкое городище^[6].

Стоит различать также синхронизацию отдельных, единичных событий и многочисленных изменений, которые захватывают многочисленные группы объектов изучения. Первый вариант дает информацию о тесном взаимодействии объектов, тесно связанных между собой в пространственном отношении. Второй характеризует мак состояние всей системы объектов или даже картографируемой территории. Так, одновременное исчезновение культурного слоя сразу в нескольких десятках населенных пунктов явно свидетельствует о некоем общем явлении, которое затронуло целый регион повсеместно.

В настоящее время технология динамической геоинформационной системы с поддержкой функций пространственно-временного анализа отрабатывается на проекте «Древняя Русь», базовым фактографическим слоем которого является слой с населенными пунктами. Технология реализации атрибутивных и метрических изменений соответствует представленному варианту со справочником событий.

Подводя итог, можно констатировать, что пространственно-временной анализ является перспективным направлением развития исторических геоинформационных систем. Создание больших, информационно насыщенных ГИС-проектов с поддержкой хронологической выборки и динамическим картографированием позволит выйти за рамка сложившейся схемы «один проект – одно исследование». Вспомним, что одним из принципов создания геоинформационных систем для исторических работ, по Э. К. Ноулз, является их многозадачность. Картографирования исторических процессов не только в пространстве, но и во времени дает возможность задействовать большой объем материала, который может быть востребован не только автором проекта, но и целым рядом других исследователей. Тем самым созданием масштабного ИГИС-ресурса является не самоцелью, а лишь первым шагом к решению множества различных задач.