1. Введение

Развитие аппаратных и программных средств, применяемых в современной картографии и геоинформатике, позволило снять ограничение мерности карт тремя пространственными координатами. Отдельным измерением в системе координат карты может выступать время, когда требуется отобразить динамику человеческой активности, изменения уровня загрязнения атмосферы или любых других показателей, критических для выбранной тематики создаваемого картографического произведения. Однако в научных работах (например, в

[7][11]

2. Четырехмерные картографические произведения

В настоящее время одним из критериев при классификации картографических произведений выступает количество измерений, при этом выделяют 5 видов карт: 2D, 2.5D, 3D, 3.5D и 4D

[4][6][10][12][1][7][9][12]

Четырехмерное картографирование объединяет в себе методы и технологии представления геопространственных данных с учетом временных параметров. Для построения четырехмерных карт может использоваться ряд теоретических подходов и методов.

1. Геометрические методы – предполагают создание трехмерных графических моделей объектов на основе сбора геопространственных данных и их последующую визуализацию в четвертом измерении – времени. Основные геометрические методы четырехмерной картографии включают в себя многомерные отображения, пространственное моделирование, анимационную визуализацию и другие.

2. Статистические методы – позволяют обрабатывать геопространственные данные, полученные из различных источников, и обнаруживать скрытые взаимосвязи между объектами. Среди наиболее распространенных методов можно выделить факторный анализ, снижение размерности, классификацию данных и другие.

3. Кинематические методы – используются для анализа движения объектов в пространстве в течение определенного времени. Они позволяют визуализировать динамику различных процессов, происходящих в геоинформационной системе. Например, кинематические методы можно использовать для визуализации процесса изменения рельефа в течение нескольких лет.

4. Моделирование временных процессов – используется для прогнозирования изменений исследуемых параметров в будущем. Этот метод позволяет объединять исторические данные и данные о существующих изменениях для разработки модели для прогнозирования будущих изменений.

Методы четырехмерной картографии позволяют создавать интерактивные карты, которые могут не только отображать динамику изменений пространственных объектов во времени по заданному сценарию, но и предоставлять пользователю возможность управлять ей – запускать, останавливать, изменять скорость

[2][3]

Стоит отметить, что для четырехмерного картографирования становится актуальной проблема временной генерализации, которая заключается в обобщении динамики процессов. Вместе с этим поднимаются вопросы, связанные с временной дискретизацией процесса картографирования и визуализации объектов и явлений. Временная дискретность картографирования объектов, процессов и явлений определяется на основе анализа превышения порога количественных изменений за определенный период времени. При этом дискретность визуализации представляет собой возможность отображать разновременные геопространственные данные в условном масштабе времени. Совокупность этих двух аспектов можно назвать основным условием дискретности геопространственных данных: геопространственные данные являются дискретными в пространстве и времени как при их возникновении, так и при их использовании, причем величина дискрета должна зависеть от цели моделирования процессов и явлений. Пространственная дискретность определяется масштабом представления и точностью, временная дискретность определяется требованиями к достоверности и современности

[5][5]

3. Сущность многомерной картографии

Комбинирование пространственных координат, времени и других количественных параметров, рассматриваемых в качестве отдельных измерений, приводит к появлению картографических произведений различной мерности, что дает возможность выстроить классификацию, показанную в таблице 1.

Исходя из приведенной классификации и с учетом базовых определений картографии, многомерные карты могут быть определены как особый вид картографических произведений, наглядно представляющий картографируемую территорию в объёмном виде в рамках определенного временного отрезка и интервале значений каждой количественной характеристики, выбранной в качестве дополнительного измерения. Тогда многомерную картографию можно определить как раздел цифровой картографии, охватывающий теорию и практику создания и использования многомерных карт. Под многомерным картографированием будем понимать технологический процесс создания и использования многомерных карт.

4. Современные тенденции применения и развития многомерной картографии

В последние годы технологии трех- и четырехмерного моделирования стали рассматриваться в аспекте цифровых двойников, появление и бурное развитие которых обусловлено прогрессом в области технологий сбора и интеллектуальной обработки больших данных. Цифровой двойник в общем случае представляет собой систему, состоящую из цифровой модели объекта (или процесса), а также двусторонних информационных связей с ним. Под цифровым двойником понимают цифровую копию геопространства, которая с определенной точностью воспроизводит его внешний вид, повторяет внутреннее устройство и принципы функционирования. При этом отметим, что сходство цифрового двойника с оригиналом во многом реализуется средствами трех- и четырехмерного геоинформационного картографирования.

Технология цифровых двойников обладает значительным потенциалом для поддержки широкого спектра национальных проектов как в России, так и в других странах. Наиболее важные задачи, решаемые с использованием цифровых двойников, представлены в таблице 2.

Один из примеров использования цифрового двойника можно наблюдать в Великобритании. В телекоммуникационной компании Vodafone с использованием современных ГИС технологий был создан цифровой двойник геопространства на территорию 245 тыс. квадратных километров

[8]

Цифровой двойник Vodafone позволяет моделировать распространение сигнала по зонам покрытия, обеспечивает информационную поддержку при обслуживании и модернизации сети с целью увеличения зоны покрытия. Цифровой двойник позволяет компании оставаться в курсе планов по строительству новых и модернизации существующих объектов городской инфраструктуры. Это помогает обеспечить высокий уровень сигнала Vodafone везде, где растет спрос.

Цифровой двойник стал инструментом планирования. Имея подробную информацию о топографии, вышках сотовой связи и оборудовании на каждой вышке, инженеры могут выполнять предварительное планирование работ на отдельных вышках или целых участках сети. Они могут оценить, как новая вышка может заполнить пробел в покрытии, или смоделировать, как добавление или удаление компонента сети может повлиять на уровень сигнала. Приведенные примеры подтверждают научную и практическую значимость многомерной картографии для динамичного, наглядного описания объективной реальности с различных точек зрения, а также для виртуализации, воспроизведения, исследования и прогнозирования геофеноменов.

5. Заключение

Для развития многомерной картографии и реализации новых видов многомерных картографических произведений требуется выполнить комплекс научных исследований, направленных на разработку методологических основ их составления и использования. В первую очередь необходимо провести следующие научные изыскания:

– уточнить сущность многомерной картографии в целом и многомерных карт в частности, определить их место в общей классификации картографических произведений;

– разработать концепцию и сформулировать основные принципы картографической визуализации динамических многомерных моделей местности, которые позволят обеспечить соблюдение общих требований, предъявляемым к картографическим произведениям;

– исследовать параметры многомерного картографирования и определить их влияние на характеристики получаемых картографических произведений;

– сформулировать систему критериев оценки качества и эксплуатационных характеристик многомерных картографических произведений;

– раскрыть особенности, выявить достоинства и недостатки многомерных картографических произведений, сформулировать рекомендации для повышения эффективности их использования при решении задач картографии;

– решить проблему интеграции характеристик, используемых в настоящее время двух- и трехмерных карт, и новых характеристик, отражающих многомерность и динамику.

The additional file for this article can be found as follows: