По материалам ESRI
В ходе реализации проекта Worldmapper созданы карты, представляющих данные по ряду вопросов и проблем, с которыми сталкивается современный мир. Неординарность этих карт связана с оригинальной идеей их построения, основанной на принципе компенсационного уравнивания (так называемые density-equalizing maps), корректировки по плотности населения или по другому интересующему исследователя параметру, а не просто по площади, как это обычно принято.
При таком подходе ГИС на основе ArcGIS играет решающую роль в качестве интерфейса для конвертации соответствующих наборов растровых данных и построения обновленных картограмм. Для конвертации данных используются инструменты приложения ArcToolbox, а картограммы рассчитываются с помощью инструмента геообработки, доступного из ресурса ArcScripts, где представлены разнообразные разработки как сотрудников ESRI, так и многих других специалистов, применяющих ArcGIS в своей деятельности. Окончательная визуализация полученных в этом проекте результатов проведена в среде приложения ArcMap.
В этой статье кратко описаны и оценены новые подходы к картографированию, которые позволяют отобразить информацию в виде, отличном от традиционного картографического представления, визуализировать те же данные, но под другим углом зрения. В новых разработках основной упор сделан на данных внутринационального (регионального и местного) уровня, которым до настоящего времени не уделялось должного внимания.
Картограмма населения мира проекта Worldmapper
Картограмма населения мира демонстрирует возможности отображения с привлечением субнациональных данных. На первом этапе проекта Worldmapper опубликован широкий спектр карт, представляющих различные характеристики населения стран мира (см. www.worldmapper.org). С момента публикации первой картограммы в 2006 г. было создано около 600 карт, отображающих не только население мира, но и такие темы как образование, бедность, загрязнение окружающей среды и др.. На картограммах приведены данные для 200 территорий, они предлагают новый, во многом альтернативный взгляд на наш мир: границы территорий не всегда выглядят привычно и предполагают возможность внесения изменений. Кроме того, выделение этих территорий в Worldmapper произвольно, и могут существовать другие точки зрения по этому вопросу. То есть, картограмма населения мира была создана лишь в качестве примера для испытания различных способов вычисления этих картограмм за пределами границ выделенных территорий. (Более подробно методика вычислений и создания дизайна картограмм Worldmapperописана в [1]).
Данные и вычисление картограмм
Данные для этой работы получены из Центра социально-экономических исследований (SEDAC) Колумбийского университета. В базе данных Gridded Population of the World (GPW) содержатся сведения о распределении населения мира (sedac.ciesin.columbia.edu/gpw), в том числе демографические данные и оценки с 1990 по 2015 гг. Эти данные доступны в виде грида с разрешением до 2,5 угловых минут, что соответствует сетке 8640 x 3432 пикселей. Для получения результатов, сходных с оригинальной картограммой населения мира Worldmapper, использовались данные за 2000 г.
Эти растровые данные были импортированы в ArcGIS, преобразованы в полигоны и дополнены метаданными (названиями стран и т.п.) для соотнесения с ячейками сетки для дальнейших задач визуализации. Скрипт картограммы использует решетку размером в 4096 x 2048 пикселей для результирующей карты.
Сама картограмма была рассчитана с помощью оригинального инструмента геообработки Картограмма (Cartogram). Для ее построения используется методология density-equalizing, разработанная Марком Ньюмэном и Майклом Гастнером в Университете Мичигана. В ней, в отличие от картограмм Worldmapper, которые искажают первоначальную проекцию границ территорий, каждый грид с демографическими данными обрабатывается по отдельности без учета информации о границах территории. Таким образом, каждая ячейка сетки маркирует границу, и при вычислениях на сохранение точной формы стран внимание преднамеренно не обращается. В результате, исправление искажений результирующей картограммы возможно только путем подбора коэффициента для сглаживания исходной плотности.
Кроме того, данные по США были извлечены из сетки демографических данных в 2,5 угловых минут и вычислялись отдельно тем же способом для получения более детального вида результирующего грида с вариациями его интервалов.
Результаты
Для адаптации результирующих картограмм требуются некоторые заключительные шаги с тем, чтобы они отображались аналогично исходным картограммам Worldmapper. Полигоны вычисленной картограммы населения мира сливаются воедино согласно их принадлежности к территориям Worldmapper и окрашиваются в соответствии с особенностями исходной цветовой схемы. А координатные сетки, в частности на картограмме США, сохраняются для показа степени искажений на гриде.
Обновленная картограмма населения мира
По сравнению с исходным вариантом (рис. 1), на перерисованной картограмме населения мира (рис. 2) имеются заметные различия. Например, в Китае малонаселенные регионы Гималаев отличаются от густонаселенных восточных прибрежных регионов. Также можно ясно увидеть региональные различия в пределах Соединенных Штатов и Мексики. Несколько менее заметными и, тем не менее, очевидными являются различия севера и юга Великобритании и запада-востока Германии. Следовательно, основная цель, заключавшаяся в использовании данных о пространственном распределении населения на субнациональном уровне и таком их представлении, чтобы они были видны на глобальном отображении, была достигнута. Однако, субнациональные вариации довольно трудно анализировать в деталях, поскольку данная методика предусматривает исключение некоторых ячеек грида при формировании отображения в глобальном масштабе. Кроме того, на новой картограмме очертания государств искажены значительно сильнее, чем на исходной, что может показаться непривычным некоторым пользователям при интерпретации таких карт.
Рис. 1. Картограмма населения в Worldmapper.
Рис. 2. Основанная на гриде переработанная картограмма населения мира на 2000 г. (SASI Group, Университет Шеффилда).
Практическая часть: картограмма населения США
Чтобы границы государства были похожи на привычные, создана отдельная картограмма для континентальной части США (без Аляски), показанная на рис. 3. Приведенная картограмма точнее отображает форму США по сравнению с той, что показана на картограмме населения мира. Этого удалось достигнуть за счет использования большего числа ячеек грида и исключения влияния других полигонов глобального представления (например, Европейского континента) на процесс вычисления данной картограммы. Использование разных масштабов также обеспечивает визуализацию каждой ячейки грида и возможность распознать субнациональные изменения. Для облегчения чтения «исходная» карта США с их привычной формой оттенена на подложке грида.
Рис. 3. Основанная на гриде картограмма населения континентальной территории США (Непрерывных США, 2000 г.).
Такая визуализация в другом масштабе является усовершенствованием, которое выходит за пределы текущих возможностей проекта Worldmapper, так как используются данные базовых гридов, поддерживающих не только глобальное, но и региональное представление пространственного распределения населения. Таким образом, метод картограмм позволяет создать оригинальное отображение вариаций социально-географических характеристик, которое вряд ли можно получить методами традиционной картографии (см. рис. 4, 5).
Рис. 4. Картограмма населения Российской Федерации.
|
|
Рис. 5. Примеры картограмм некоторых стран в Worldmapper.
Перспективы
Наиболее значительным препятствием на пути реализации описанного грид-представления для проекта Worldmapper является огромное количество охваченных им тем, а также недостаток необходимых данных. Надежных социально-экономических данных в виде грида для всего мира мало и они не слишком хорошего качества. Исключением являются данные о населении, хотя и они доступны не для всех стран, что затруднило проведение оценочных расчетов и создание описанных выше картограмм. Для проведения достаточно надежных оценок по неполным данным требуется усовершенствование примененной методики.
Современные подходы к оценке данных обычно используют данные GPW, и они потенциально могут быть адаптированы к требованиям Worldmapper. Переработанные грид-картограммы имеют большой потенциал для расширения спектра возможностей визуализации в проекте Worldmapper. Другой взгляд на представление «реального» местоположения тематического изображения может обеспечить лучшее понимание характера человеческой деятельности на земном шаре.
Однако связанные с грид-методом недостатки, в первую очередь, искажения привычных границ стран снижают ценность используемого алгоритма. При таком подходе все этапы расчета должны быть тщательно сбалансированы. Тем не менее, эта методика имеет большие прикладные перспективы. Ее важным преимуществом является возможность зуммирования изображения с целью детального рассмотрения национальных и региональных деталей и особенностей в глобальном контексте. По мнению разработчиков описанного подхода, созданные карты можно сделать более интерактивными и добавить на них множество других пространственных объектов.
ГИС-технология является ключевым инструментом для достижения этой цели. Среда ГИС не только облегчает конвертацию данных и вычисление картограмм, но также позволяет объединять различные географические масштабы в одной электронной карте. Кроме того, можно достаточно просто реализовать переход к популярным цифровым глобусам и наглядно увидеть значимость и специфические особенности отдельных регионов. Также можно создать грид-картограммы для регионов и с их помощью более детально рассмотреть вариации тематических показателей, например населения, в их границах.
Изучение данных с помощью инструмента Картограмма
Инструмент геообработки Картограмма (Cartogram), доступный на сайте ресурсного центра ESRI (resources.arcgis.com), может использоваться для создания картограмм в ArcMap. Картограмма – это трансформация карты, вместо площади земной поверхности использующая некоторые переменные для расширения или сжатия площади исходных полигонов на основе атрибутивного значения. Картограммы часто используются для отображения демографических данных. Инструмент Картограмма был разработан сотрудником ESRI Томом Гроссом (Tom Gross). Этот инструмент использует методологию density-equalizing, разработанную Марком Ньюмэном и Майклом Гастнером в Университете Мичигана. Текущая версия этого инструмента, опубликованная в мае 2009 г., позволяет использовать при построениях язык программирования Python..
Литература
Dorling, Danny, Anna Barford, and Mark Newman (2006), «Worldmapper: The World as You’ve Never Seen It Before,» IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 12(5), 757–764, doi:10.1109/TVCG.2006.202.
