ГЕОПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ РАССЕЛЕНИЯ УЗБЕКИСТАНА

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются методы и инструменты пространственного анализа с целью исследования функционирования систем расселения Узбекистана. Анализ функционирования по геоизображениям предполагает выявление пространственной упорядоченности элементов систем,  являющейся индикатором особенностей функционирования системы. Предлагается термин «Образ расселения» как совокупность знаний о расселении, полученных в результате анализа, обработки геоизображений и генерации пространственных знаний, который носит отпечаток представлений в каждом из аспектов изучения расселения. Источниками данных для анализа пространственных особенностей функционирования систем расселения являются данные Госкомстата Республики Узбекистан, тематических карт и материалов полевых исследований, которые использовались для формирования базы данных в ГИС и анализа.

ABSTRACT

The article discusses the methods and tools of spatial analysis in order to study the functioning of the settlement systems of Uzbekistan. The analysis of functioning by geoimages involves the identification of the spatial ordering of the elements of systems, which is an indicator of the features of the functioning of the system. The term "Image of settlement" is proposed as a set of knowledge about settlement obtained because of analysis, processing of geoimages and generation of spatial knowledge, which bears the imprint of ideas in each of the aspects of the study of settlement. Data sources for the analysis of the spatial features of the functioning of settlement systems are the data of the State Statistics Committee of the Republic of Uzbekistan, thematic maps, and field research materials, which were used to form a database in GIS and analysis.

Ключевые слова: пространственный анализ, ГИС, функционирование, системы расселения Узбекистан.

Keywords: spatial analysis, GIS, functioning, settlement systems Uzbekistan.

Введение

В статье с точки зрения геопространственных исследований рассматривается ряд вопросов, касающихся выбора приёмов и методов анализа и интерпретации геоизображений. В качестве предмета исследования принята пространственная упорядоченность элементов системы. Задача сводится к определению характеристик геоизображений, наиболее полно отражающих относительно неизменную, устойчивую, закономерную часть внутрисистемных отношений. Принято, что функционирование систем расселения характеризуется той ролью, которую играет элемент системы по отношению к другим. Цель исследования сводится к определению границ и зон влияния центров расселения, изучению территориальной структуры и потоков между элементами систем, закономерностей их формирования.

Материалы и методы

Для изучения функционирования систем расселения использованы материалы официальной статистики о населении, перевозках пассажиров, а также материалы полевых обследований, проведенных в разных областях Узбекистана. Тематические карты использованы для извлечения в абстрагированной форме данных о мощности, направлении и структуре потоков. По топографическим картам, материалам дистанционного зондирования извлекаются данные о ширине дорожного полотна, типе покрытия и других технических характеристиках. Совместное их использование, нацеленное на изучение потенциальных и реальных потоков, позволяет изучить процесс с разных позиций. Цель анализа геоизображения заключается в выявлении границ зон влияния на основе сопоставления потоков вдоль транспортных сетей.

Отличительной особенностью развития систем расселения является их инерционность, выражаемая в некотором запаздывании её реакции на внешние воздействия. Это выражается в том, что морфологические характеристики могут отражать предыдущие состояния. Особенно примечательна эта черта для аридной зоны Узбекистана, имеющий атрибуты преобладания присущих сельской местности (руральных) процессов в планировочной структуре поселений и в формировании систем. Передвижение людей в процессе жизнедеятельности, выражаемые суточными, недельными и другими периодическими циклами, требуют анализа пространственных характеристик динамики. Пространственно-временной анализ благодаря исследованиям, проводимым Лундской группой по социально-географическим процессам и системному анализу под руководством Хёгерстранда [1;2;3;4;5;6] представляет собой подход к поиску закономерностей циклов жизнедеятельности является по существу переходом от двумерного к трёхмерному пространству. Система расселения преобразуется в поле, характеризуемое неоднородной плотностью показателей. Пространственно-временной подход, связанный с процессом «функционирования систем расселения ритмически-колебательными изменениями среды обитания и жизнедеятельности» [7.с.36] характеризует и пространственную мобильность человека.

Анализ функционирования по геоизображениям предполагает выявление устойчивых временных и пространственных параметров передвижения населения, грузов, информации. Их пространственная упорядоченность является индикатором особенностей функционирования системы. Образ расселения (рис.1) выступает как совокупность знаний о расселении, полученных в результате анализа, обработки геоизображений и генерации пространственных знаний (рис.1). Он носит отпечаток представлений в каждом из аспектов изучения расселения. Не вся информация, полученная при чтении карты, состоит из изображения [8]. Возникающие мысленные образы и их графические образы не тождественны друг другу.

Рисунок 1. Составляющие «Образа расселения»

Полнота информации, используемой для анализа, определяет качественные и количественные характеристики образа расселения. Формирование образа расселения представляет собой многоэтапный процесс анализа метрических, топологический свойств и рисунка расселения (рис.2). Разные образы возникают в результате анализа аналоговых и цифровых геоизображений.

Рисунок 2. Процесс формирования образа расселения на основе анализа метрических и топологических свойств изображения сетей расселения

Анализ серии изображений или ряда показателей изображения создаёт сложные образы, передаваемые обобщёнными показателями. Учёт простейших характеристик или многопараметрических отношений влияют на формирование образа расселения.

Полученные результаты

Для изучения функционирования использован опыт создания карт пассажирских и грузовых потоков, накопленный в процессе создания комплексных научно-справочных атласов, отличающихся простотой содержания, обеспечивающая изучение передвижений из одной точки в другую (9). При переходе от дискретных (карт пассажирских и грузовых перевозок) к непрерывным картографическим изображениям созданы карты полей (зон влияния центров расселения, их транспортно-географического положения и т. п.), характеризующие территорию по одному из параметров взаимосвязей или по комплексу показателей взаимодействия.

Установлено, что методы анализа геоизображений, исходя из вышеизложенного, подразделяются на две группы: 1) методы, предназначенные для изучения метрики; и 2) методы, предназначенные для изучения топологии (рис.3).

Рисунок 3. Методы пространственных исследований функционирования систем расселения

Процесс исследования состоит из нескольких этапов (рис.4) и является циклическим и итеративным.

Рисунок 4. Исследование функционирования центров систем расселения является

Эти статистические поверхности строятся с учётом минимальных изолинейных интервалов в соответствии с назначением и масштабом создаваемых карт. Точность средних значений для построения изолиний зависит от точности измерений и пространственного распределения данных, вида интерполирования, пространственной автокорреляции (11). Как показывает (12), процедура построения поверхности, основанная на интерполяции средних значений вдоль профилей по восьми направлениям цифровой модели местности, уменьшает площадные ошибки, однако исследователями (13;14) показано, что точность по мере увеличения   объёма выборки увеличивается в небольшой степени. Показатель степени функции изменения точности построения поверхности тем меньше, чем более сглажена эта поверхность.

Различные приёмы моделирования удалённости от путей сообщения в метрической, временной, стоимостной и им подобных системах мер и построения эквидистантных статистических поверхностей с учётом качества сообщения, скорости передвижения используются для характеристики транспортно-географического положения территории. Изучение территориальной структуры системы расселения является многостадийном процессом (рис.5), включающем пространственный анализ размещения центра расселения, зон влияния и совмещения центров разного уровня. Используются исходные изображения, характеризующие базовое понятие «расстояние».

Рисунок 5. Пространственный анализ функционирования систем расселения

Использование аппарата теории графов для анализа морфологии сетей и их эволюции (18;19), а также других топологических методов разработки картографических изображений (20) показывают, что к исходным изображениям не предъявляются высокие требования к их метрической точности. Оценка удалённости от центра расселения, иначе говоря положения поселения, при помощи теории графов сводится к определению различных показателей, характеризующих связность сети, транспортно-географическое положение пунктов. Как известно, сетевой анализ обеспечивает выявление структуры географических явлений, и это обстоятельство определяет характер пространственных исследований в этом направлении. Исследование топологической структуры обладает таким важным преимуществом, как возможность оценки в формализованном виде конфигурации сетей, связывающих населённые пункты.

Для анализа изображения с целью изучения реальных и потенциальных связей между поселениями целесообразно воспользоваться известными методиками расчётов связности графа, меры обеспеченности пункта транспортными связями, индекса оптимальной связности, индекса доступности и др. (19; 21). Эти характеристики, рассчитываемые для каждого поселения, дают представление о его доступности, выгодности положения в системе поселений, в том числе с учётом иерархичности их положения, позволяют оценить транспортно-географическое положение большой территории. Это даёт возможность построить статистическую поверхность и обеспечивает корректность переходя от дискретного изображения к непрерывному. Из популярных методов вычисления меры центральности – метод по Кацу [22], когда принимается во внимание общее число маршрутов между парой действующих объектов. В этом случае матрица смежности сети состоит из элементов , которые являются переменными и принимают значение 1, если узел i связан с узлом j. В противном случае они равны 0.  обозначает центральность узла i

Элемент в позиции (i, j) матрицы A^kотражает общее число соединений степени kмежду узламиiиj.

Индекс Шимбеля [28] – это анализ топологической сети, который ограничивается кратчайшими маршрутами между узлами. Вместо того, чтобы проверять все шаги между i и j, исследуется только количество шагов кратчайшего маршрута между i и j. Алгоритмы нахождения кратчайшего пути на графе применяются для нахождения путей между физическими объектами на таких картографических сервисах, как карты Google* или Open Street Map.

Ниже приводятся сведения о вычислении индекса Шимбела, когда L является не чем иным, как одним из способов получения величины - кратчайшего пути из i в N, имеющего промежуточный узел.

Действительно, возведение матрицы L в r-ю степень можно рассматривать как последовательное (г — 1) - кратное умножение матрицы L саму на себя:

.

В случае если является элементом i строки х столбца матрицы L, а -элементом х строки j столбца матрицы , то по обычным правилам умножения матриц элемент i строки и j столбца , матрицы будет равен:

.

С учетом операций, введенных Шимбелом, выражение запишется следую­щим образом:

,

или в сокращенном виде

Алгоритм вычисления аналогичен определению связности:

1. Матрица умножается сама на себя;
2. Записываются новые ненулевые ячейки (диады);
3. В эти ячейки заносится произведение матрицы;
4. Новая матрица добавляется к исходной.
5. Процесс продолжается до тех пор, пока все нулевые ячейки не будут удалены.

Индекс Шимбеля является лучшей мерой относительной доступности, так как он измеряет кратчайший топологический маршрут. Связность является лучшим показателем ситуации внутри сети из-за того, что измеряется общее количество связей независимо от топологического или реального расстояния. Число ребер к числу вершин является самым простым показателем меры связности графа – сети поселений, и этот показатель обозначается β – индексом. Каждое ребро характеризуется длиной, расстоянием между вершинами. Замкнутые ребра – циклы свидетельствуют о большей связности поселений и большем количестве вариантов связей между ними. Отношение количества циклов в графе к максимально возможному количеству циклов α – индекс характеризует нереализованные возможности взаимодействия поселений. Эти показатели связности служат основой для моделирования взаимодействия отдельных зон расселения. Анализ рисунка транспортной сети по геоизображениям показывает, что сформировавшаяся на территории Узбекистан транспортная сеть отличается простой топологической структурой. При этом сеть автодорог сложнее, чем железных. Анализ развития транспортного комплекса [23] показывает, что развитие железнодорожного транспорта не удовлетворяет в полной мере потребностям народного хозяйства. Общее в тенденции к упорядоченности пространственной структуры, выбора оптимального уровня связности в конкретных природных и социально-экономических условиях для разных геосистем, определяет многоплановость интерпретации результатов моделирования на основе теории графов. Например, картографирование индекса доступности и мер связности позволяет оценить пространственные характеристики функционирования систем расселения. Применение методов теории графов для оценки связности сети позволяет анализировать сеть поселений и оценить различные характеристики транспортной доступности.

Обсуждение

Анализ морфологического строения транспортной сети путём расчленения её конфигурации на элементы служит основой выделения систем расселения и позволяет оценить степень их топологической сложности. Уже на этом этапе определяются границы и зоны влияния центров расселения, формируемых в тесной связи с территориальной структурой транспортной сети. Очевидно, чем сложнее конфигурация сети, богаче набор структурно-морфологических компонентов, тем больше потенциал взаимодействия и шире зона влияния.

Своеобразие конфигурации транспортной сети Узбекистана, обусловленное природными и социальными факторами, лимитирует разнообразие пространственных взаимоотношений и не позволяет полностью реализовать потенциал территории. И не случайно диспропорциональное развитие транспортного комплекса, и преобладание перевозок на дальние расстояния присутствует именно на автотранспорте. Так подтверждается мысль [24; 25] о том, что начертание сети есть ресурс социально-экономического развития территории. Морфологическое строение транспортной сети вызывает эффект сжатия метрики пространства в районах, где сеть развита в большей степени. Метрика систем расселения определяется топологией связывающих поселения магистралей, что и определяет конфигурацию границ зон тяготения. Для определения размерности зон влияния в зависимости от топологии и метрики необходимо оперирование такими понятиями, как удалённость, доступность, интегрально-транспортная доступность. Построение на основе базовых карт моделей транспортной доступности во временных показателях, транспортных издержек - в стоимостных, социального расстояния – в показателях уровня жизни населения и т. д.- формирует образ расселения с учётом всех его составляющих.

Рисунок 5. Фрагмент модели потенциала поля расселения Ташкентской агломерации

Для характеристики пространственного взаимодействия составлена модель потенциала поля расселения, рассчитанного для 130 зон (рис.5). Размер и положение зон определяется нормативом средней доступности путей сообщения. В качестве центров зон приняты низовые центры расселения. Значительные колебания показателей густоты поселений, средней людности являются причиной существенного размаха количественных значений потенциала поля расселения. Псевдоизолинии являются границами агломераций, поясов спутников, периферийного пояса, «узлов противовесов» локальных систем расселения, периферии, не затронутой интенсивным процессом урбанизации. Так, отчётливо проявляется формирование агломерации второго порядка с ядром в городе Чирчик, локальных систем расселения с центрами в Чиназе, Буке, «узлы-противовесы» в Ангрене, Алмалыке, Бекабаде. Расчёт индекса доступности и связности основан на матричном методе, размерность матрицы смежности определена количеством магистралей и числом пересечений, принятых за вершины графов (рис.6). Он был заложен в основу характеристики территории по уровню развития отдельных видов транспорта. С его помощью выявляются районы, находящиеся при прочих равных условиях в невыгодном транспортно-географическом положении.

Рисунок 6. Совмещение моделей транспортной доступности и потенциала поля расселения

Конфигурация зон и их размер характеризуются не только центральностью положения районов, радиальностью расположения дорог, но и цикличностью сети. Поэтому не все районы, находящиеся на равном расстоянии от центра, имеют равные условия связности и доступности. Понижение этих показателей к периферии, особенно в районах, для которых характерно повышенное значение плотности населения, густоты объектов приложения труда, указывает на несоответствие уровня развития сети пассажирского транспорта расселению населения.

Вывод

На характер территориальных взаимоотношений в системах расселения большое влияние оказывают топологические свойства пространства. Поэтому рисунок расселения и при исследовании функционирования является объектом самого пристального внимания для изучения метрических и топологических свойств сетей расселения по их геоизображениям, которые как модели отражают эти свойства и различные аспекты функционирования. Такие индикаторы, как мощность, направление и ритмичность связей позволяют оценить территорию влияния. Динамическая устойчивость размеров зон влияния центров расселения выдвигает на первый план требование исследования морфологии сети. Это обстоятельство служит причиной использования при изучении потоков приёмов преобразования метрики пространства и перехода к другим его измерениям. Объективные и субъективные причины, оказывающие влияние на скорость передвижений, определяют, в свою очередь, и размеры зон влияния, и их конфигурацию. В частности, измерение расстояния между поселениями, как основа для определения размеров зон влияния центров расселения и вычисления скорости передвижения между ними, можно проводить по любым из геоизображений.  Для выполнения данной операции использование крупномасштабных изображений с высоким разрешением обеспечит необходимую точность. Исследование же морфологии сетей не требует метрической точности, достаточно использование геоизображений среднего и мелкого масштабов с невысоким разрешением. Исследование функционирования центров систем расселения на республиканском уровне следует начинать с анализа мелкомасштабных геоизображений для выявления общих закономерностей и характерных особенностей процесса. В зависимости от конфигурации сети и территориальной структуры выбираются приёмы анализа и переход «от общего к частному» осуществляется постепенным усложнением аппарата исследования. В условиях пространственной неоднородности, характерной для Узбекистана, особый смысл приобретает использование аппарата теории графов для оценки территории. Неоднородность поверхности вызывает изменения в конфигурации сети и определяет характер сочленения её отдельных звеньев. С позиции этого подхода оценка роли каждого из поселений, отдельных зон в городе, в формировании отношений в системе расселения проводится на основе анализа топологических свойств изображения. Использование этого метода для оценки транспортной доступности, привлекательности, определения мер связности в тесной связи с анализом рисунка изображения позволяет давать разнообразные оценки территории. Чем выше уровень развития систем и подсистем, тем компактнее форма, структура рисунка сети, совершающих переход от «отрезка-к цепочке-дереву-замкнутому контуру». Однако, не менее важное значение при исследовании функционирования систем расселения имеет анализ конфигурации, формы и других геометрических свойств сетей. В этом случае топологические свойства изображений играют большую роль по сравнению с их метрическими свойствами. Поэтому особый интерес представляет картографирование результатов интерпретации топологии пространства по геоизображениям.

*(По требованию Роскомнадзора информируем, что иностранное лицо, владеющее информационными ресурсами Google является нарушителем законодательства Российской Федерации – прим. ред).

References:

1. Hägerstrand, T. 1952 The propagation of innovation waves>>Lund Studies in Geography B, Human Geography, Vol.4 pp.3-19, 1952
2. Gilbert, E. W. 1958, <<Pioneer Maps of Health and Disease in England>>The Geographical Journal, Vol.124 No2, pp.172-83, June 1958
3. Hägerstrand, T. 1967, Innovation Diffusion As a Spatial Process, (G. Haag), A. Pred (Eds.), Chicago-IL-USA:University of Chicago Press, June 1967
4. Tobler, W. R. 1970, <<A Computer Movie Simulating Urban Growth in the Detroit Region>>Economic Geography, Vol.46 No. Supplement, pp.234-40, June 1970.doi:10.2307/143141
5. Hägerstrand, T. 1970, <<What about People in Regional Science?>>Papers in Regional Science, Vol.24 No.1, pp.7-24, January 1970. doi:10.1111/j.1435-5597.1970.) tb01464.x
6. An Annotated Bibliography on Spatio-temporal Modelling Trends (2017) International Journal of Earth & Environmental Sciences.2. 135 Int J Earth Environ Sci 2017, 2: 135 https://doi.org/10.15344/2456-351X/2017/135
7. Петров Н.В. Морфологический анализ в геоурбанистике (исследования пространственной структуры урбанистических форм) М. 1987
8. Gold, 1990: The Geography of Transport Systems. Jean-Paul Rodrigue 2020
9. Cyganiak N. Auto Maps Computer Map Design. 1987 // The American Cartographer, vol.14, No 3- 269-270 p.p.
10. Mac Eachren A.M., Ganter J.H. A Pattern Identification Approach to Carographic Visualization, 1987 // Cartographica, vol.27, No 2- 64-91 p.p.
11. Ilana D., Yoeli M. Self-Timed is Self-Checking. Journal of Electronic Testing. 1997. 6.10.1007/BF00993088
12. Acherman F. Experimental Investigation into the Accuracy of Contouring 1987 // Proceedings of the Digital Terrain Models (DTM) Symposium.
13. Ayen O.O. Optimum sampling for Digital Terrian Models : A Trend Towards Automation 1982 // Photogrammetric Engineering and Remote Sensing. Vol.48, 1687-1694 p.p.
14. Тархов С. А. Транспортная освоенность территории 2018 // Вестник Московского университета. Серия 5: География, № 2. – с.5-26
15. Топчиев А.Г. Пространственная организация географических комплексов и систем. 1987. Киев - Одесса: Вища школа. – 187 с.
16. Суворов А.К. Топологические методы разработки картографических изображений. 1987. М.: ИГАН СССР. – 209 с.
17. Голиков А.П., Черванев И.Г., Трофимов А.М. Математические методы в географии. 1986
18. Katz L. A New Status Index Derived from Sociometric Index // Psychometrika. — 1953.
19. Shimbel, Alfonso. Structural parameters of communication networks // Bulletin of Mathematical Biophysics. — 1953. — Т. 15, № 4. — С. 501—507. — doi:10.1007/BF02476438
20. Гулямова Л. (1985) Картографо-аэрокосмический метод исследования расселения населения Узбекистана. Ташкент: «Университет»
21. Бугроменко В. Н. Современная география транспорта и транспортная доступность // Изв. РАН. Сер. геогр. 2010. № 4. С. 7–16; Бугроменко В. Н. Транспорт в территориальных системах. М.: Наука, 1987. 112 с.
22. Неретин и др. Транспортная связность и освоенность восточных регионов России // Изв. РАН. Сер. геогр. 2019, № 6, с. 35–52