Динамическая карта как основа исторической карты в среде ГИС

Исследование поддержано Российским научным фондом, грант №14-18-02121-П («Северная Евразия на картах: От Птолемея до современных ГИС-технологий»)

Европейская традиция создания исторических карт насчитывает пять с половиной веков. Развиваясь в общих рамках картографии, она эксплуатировала те технические приемы, которые практиковались в целом в этой отрасли. Поэтому естественно, что в основе исторических карт, как и географических, лежала концепция статического изображения. Между тем, сама природа исторического знания, оперирующего понятием времени в значительно большей степени, чем понятием пространства, располагает к репрезентации знания в первую очередь посредством изображения динамического.

Пространственный поворот в гуманитарном знании, происходящий последние десятилетия рука об руку с «цифровой революцией», имеет для традиции создания исторических карт два важных следствия. Первое следствие заключается в том, что «пространственная» компонента стала гораздо больше представлена в исторических исследованиях, различные явления стали рассматриваться с учетом их пространственного распределения, историки (и шире – гуманитарии) стали больше внимания уделять картографированию своего предмета изучения. Все более актуальным в российской историографии становится вопрос об унификации техник картографирования исторических явлений.

С. З. Чернов, поставивший этот вопрос перед научным сообществом применительно к русскому средневековью, призвал найти консенсус по трем вопросам: «1. Какие именно исторические реалии и объекты мы должны изобразить, чтобы дать представление о средневековом уезде, волости (стане), земельной даче; 2. Как предлагаемые форматы исторических карт будут адаптированы к другим картам и планам данной территории ...; 3. Какую картографическую стилистику и программное обеспечение стоит использовать для наиболее адекватной и лаконичной передачи интересующей нас информации, для обеспечения её надежного хранения и быстрой трансляции» ^{[24, с. 346]}.

В процитированной работе исследователь подробно остановился только на двух первых вопросах. Третий, оставшийся за пределами его анализа, в современных условиях может обсуждаться только с учетом второго следствия, какое имеет «пространственный поворот» для традиции создания исторических карт – все большее распространение компьютерных методов картографирования, приведшее к появлению исторической геоинформатики. Оно дает пользователю легко перейти от карты-иллюстрации к карте-модели, которая не просто делает более наглядным представленный материал, но превращает карту в аналитический инструмент ^{[5, с. 56–78]}. Это не только освобождает исследователя от необходимости следовать при создании карты логике, которая задана историческим источником (например, изображать на карте отдельные исторические моменты (карта-хронологический срез), представленные источником, или, наоборот, создавать карту обобщенную, не отражающую ни одну из существовавших конфигураций исторической реальности в тот или иной момент времени). Это, кроме того, позволяет практически избавиться от статичности карты, заменив ее динамической моделью, то есть впервые реализовать в полной мере потенциал, изначально заложенный в исторической карте самой её сутью. Основные принципы предлагаемого подхода впервые опубликованы автором в материалах конференции Ассоциации «История и компьютер» 2016 г. ^[18].

Конечно, исторические карты далеко не единственная группа карт, которая отображает динамические процессы, поэтому обратимся к общей классификации геоизображений, используемых для изучения динамики геосистем. Геоизображения, отражающие динамику геосистем, «показывают их возникновение, развитие, прошлые состояния, изменения во времени и перемещения в пространстве» ^{[1, с. 90]}. В картографии и геоинформатике таких классов насчитывается пять: 1) серии разновременных геоизображений; 2) разновременные геоизображения, совмещенные на общей основе; 3) геоизображения с показом динамики и характера изменений; 4) динамические геоизображения; 5) прогнозные палеогеографические и исторические (ретрогнозные) динамические геоизображения. Классы 4 и 5, в отличие от первых трех, не статичны, они «позволяют реально наблюдать, отслеживать развитие ситуации, в том числе и в реальном времени, а также моделировать альтернативные прогнозные варианты и реконструировать палеогеографическую обстановку» ^{[1, с. 90]}.

Различие между классами 4 и 5 автором классификации не прокомментировано, но мне представляется такое разделение не вполне логичным – с точки зрения формулировки, поскольку определение 5 класса полностью включает определение, данное для 4 класса, и отличается от него лишь уточняющими обстоятельствами. Возможно, правильнее было бы говорить о двух классах динамических геоизображений, из которых один демонстрирует изменчивость атрибутов объектов, сохраняющих свое расположение в пространстве целиком или частично (например, в случае изменения конфигурации государственных границ), а другой демонстрирует перемещение самого объекта в пространстве (например, перемещение материков, движение корабля во время экспедиции).

Довольно давно в картографии «динамические геоизображения стали не менее привычными средствами познания окружающей действительности, чем аэрокосмические снимки, печатная картографическая продукция и компьютерные карты. Их внедрение знаменует собой переход на новый уровень – пространственно-временное картографирование» ^{[2, с. 29]}. Вместе с тем, апеллируя к приведенной выше классификации, можно сказать, что отечественным историкам хорошо известно лишь о первых трех классах геоизображений – статичных. Раньше всего историки стали использовать на картах геоизображения с показом динамики и характера изменений и разновременные геоизображения, совмещенные на общей основе ^{[9, 6]}. Эти два класса статических изображений используются и теми историками, которые создают карты с помощью ГИС-технологий – таковы, например, карты Виктора Темушева ^[7].

Последние десятилетия практикуется создание серий слоев, каждый из которых хранит данные об объектах, существовавших в один момент времени. Как важнейший элемент исследовательской методики этот подход получил развитие задолго до появления исторической информатики – в серии работ М. В. Витова, посвященных изучению систем расселения по писцовым книгам Обонежской пятины ^[4], и нашел продолжение в ряде работ по исторической географии ^[16]. В исследованиях этого направления для реализации данного подхода постепенно стали привлекаться возможности исторической геоинформатики ^{[8, 10, 11, 13, 14, 15, 19, 20, 21, 22; 23]}.

Наиболее эффективен «метод слоев-срезов» там, где фиксация состояния объектов или изменений этого состояния имеет четкую дату, а количество таких дат невелико. Известен он и археологам, картирующим археологические объекты, хотя здесь он оставляет желать лучшего, поскольку археологические датировки объектов (находок, памятников, культур и т.п.) почти никогда не могут быть определены с точностью до года-двух – как верхняя, так и нижняя даты определяются обычно в некоем хронологическом диапазоне. Чем больше число хронологических срезов, которое необходимо отобразить, чем меньше возможностей четко выделить отдельные слои, чем более градиентным является изучаемый процесс, тем менее уместно использование для репрезентации и анализа статической карты, тем более актуально использование динамических классов геоизображений.

Как отметил известный американский картограф Дж. Моррисон, внедрение цифровых технологий в картографии «означает конец трехсотлетнего периода картографического черчения и издания печатной картографической продукции» ^{[12, с. 47]}. Создание карты на базе ГИС представляет собой, на мой взгляд, магистральное направление в исторической картографии, поэтому имеет смысл сосредоточиться на рассмотрении способов представления динамических явлений именно посредством ГИС-технологий – в первую очередь на базе десктопной версии ГИС-проекта (то есть когда мы используем ту или иную специализированную программу, установленную на компьютере, для работы с ГИС-проектом, файлы которого хранятся на этом же компьютере). В данной статье мы коснемся (и, вероятно, не исчерпывающим образом) только вопросов, касающихся отображения на динамической карте объектов, сохраняющих своё расположение в пространстве целиком или частично. Обсуждению решений, предлагаемых для отображения объектов, которые сами целиком перемещаются по карте, предполагается посвятить отдельную работу.

Альтернативой для хранения в проекте слоев-срезов является «метод пространственно-временных композитов» («space-time composite»), сформулированный в 1992 г. ^{[30, апробация: 33, 34]}. Метод предполагает хранение в одном слое не геометрий целых объектов, а элементарных геометрий, чьи атрибутивные данные, представленные в реляционной базе данных, включают записи об их статусе на определенный момент времени. Отдельные объекты «собираются» из тех элементарных геометрий, которые в заданный момент времени обладают соответствующим значением атрибута (например, объект «А» в 1900 г. собирается из элементарных геометрий, у которых значение атрибута «1900 год» равно «A»). Хранение разновременных данных в одной атрибутивной таблице облегчает работу с ней, однако «метод композитов», как и «метод слоев-срезов», по существу работает со статичными геоизображениями. Практический опыт его применения обнаруживает ряд существенных неудобств. Например, необходимость дополнить созданную систему новыми геометриями или новыми хронологическими метками влечет за собой полную переработку всей реляционной базы данных в связи с вычислением значений нового поля для всех уже существующих в базе данных записей ^{[33, с. 124—126]}. Это существенно ограничивает возможности постепенного дополнения ГИС новыми данными.

Оба рассмотренных выше способа использования «статичных» классов геоизображений для демонстрации динамики процессов («метод слоев-срезов» и «метод композитов») сопоставимы по результату с эффектом динамических геоизображений в случае, если проект насыщен, соответственно, слоями или полями с регулярным шагом, скажем, в один год. Но такие конкуренты динамических геоизображений более громоздки: для создания карты по истории за 1000 лет, отражающей динамику изменений по годам только одной категории объектов (например, границ или населенных пунктов), понадобится в первом случае 1000 отдельных слоев, а во втором – одного слоя с 1000 полей (или несколько меньше, если изменения не ежегодны). Если же качество исторических данных позволяет отобразить динамику с шагом в 1 день, то количество слоев/записей возрастает в 365 раз.

Создание динамических геоизображений наиболее актуально при рассмотрении длительного и непрерывного развития разнотипных объектов. Подход к хронологическим рамкам существования объекта как к его атрибутам («date-stamping approach», который наиболее адекватно переводится как «метод диапазонов») был апробирован раньше всего американскими и английскими историками ^{[28, 29]}. Согласно этому подходу, в проекте хронологический диапазон существования точек, линий и полигонов задается значениями двух атрибутов – нижней и верхней датами. Запрос к базе данных об объектах, существовавших в указанный момент времени, возвращает выборку из элементов, чей диапазон включает соответствующую дату.

При реализации этого решения возможно хранение в слое проекта как векторных объектов целиком, так и в виде геометрий, представляющих собой лишь часть объекта. Например, точечные объекты (поселения на слоях, представляемых в мелком масштабе, места сражений и т.п.), естественно, сохраняются только в виде целых объектов, у каждого из которых имеются свои атрибуты, характеризующие нижнюю и верхнюю даты. Линейные объекты (дороги, маршруты и т.д.) можно представить в виде серии линейных геометрий – если отдельные участки дороги строились в различные годы или отдельные участки маршрута были пройдены в разные годы. У каждой такой геометрии значение хронологических атрибутов будет своим, благодаря чему можно будет динамически отобразить процесс постройки дороги или прохождения маршрута, перемещая временной фильтр от года к году.

В виде набора линейных геометрий можно представить и площадную фигуру. Такое решение представляется оптимальным, например, для отображения территориальных изменений. Хранение в проекте полигонального отображения конфигурации территории крупного государства (такого, как Российская империя, например) фактически вынуждает к созданию сотен полигонов, отличающихся друг от друга иногда лишь на участке в несколько километров местности – поскольку обычно изменения границ касаются не всего их периметра, а небольших участков, а те или иные изменения происходят постоянно. Нагроможденные друг на друга в одном слое полигоны, как показывает практика, значительно осложняют работу с геометриями (прежде всего – редактирование), делают проект «неповоротливым» и неизбежно ведут к ошибкам топологии. Разнесение этих объектов по разным слоям создает сложности при редактировании отдельной вершины или сегмента полигона, общего для множества слоев.

Представление в проекте территории государства в виде набора линий позволяет присваивать атрибуты, характеризующие хронологический диапазон, для каждой линии, а следовательно одно изменение в конфигурации границы требует создания лишь одной линии – на соответствующем небольшом отрезке, где произошло изменение. Кроме того, хранение конфигурации границы в виде набора линий позволяет хранить для каждого отрезка атрибуты, отражающие различные качественные характеристики (демаркированный рубеж, условная граница, граница автономной территории, спорный участок границы и т.д.). Именно такой метод изображения замкнутых фигур в рамках «метода диапазонов» с самого начала предлагался Яном Грегори и Хамфри Саутхоллом.

Недостатком данного решения является то, что пространство, заключенное между линиями, создающими площадную фигуру, не являясь полигоном, не содержит никаких атрибутов, поэтому ему не может быть присвоено никаких средств стиля (заливка, штриховка, прозрачность и т.д.), оно не может служить для калькуляции пространственных параметров, связанных с площадью объекта, и оно не может возвращать пользователю атрибутивную информацию, которой снабжены ограничивающие это пространство линии. В этом качестве полигон не может быть заменен ничем, для решения перечисленных задач без полигона обойтись нельзя.

Чтобы выйти из этого положения, Я. Грегори и Х. Саутхолл предложили внутри контура, созданного набором линий, помещать точечный объект с атрибутами (label point), характеризующими соответствующее пространство, а полигональную топологию формировать динамически на конкретный момент времени – с помощью специальных программных средств ГИС на основе атрибутов точечного слоя и конфигурации линейных объектов. Разработчики концепции имели в виду не столько десктопную версию ГИС-проекта, сколько веб-ГИС – более сложную форму реализации цифровых технологий. В исторической веб-ГИС Великобритании ^[27], над которой и работали цитированные авторы, динамическая карта реализована, вероятно, но в скрытой форме, например, пользователь не имеет возможности воспользоваться всеми преимуществами этого подхода с помощью плавного перемещения по ленте времени. Возможно, это связано с тем, что важнейшее место в названной веб-ГИС занимают исторические данные, фиксирующие состояние различных сфер жизни королевства на определенный год, с шагом в несколько лет или несколько десятков лет. Привлекаемые исторические данные просто не требовали гибкого тайм-лайн сервиса, возможности которого могут быть реализованы благодаря предложенному подходу.

Конечно, создание динамической карты возможно и в десктопной версии ГИС. К примеру, в одном из самых популярных открытых ГИС-приложений QGIS существует специальный плагин, который, работая с одним или несколькими векторными слоями, выбирает из них последовательно объекты, чей хронологический интервал включает отображаемую на ленте времени дату (Time Manager). Усилиями программистов решается и задача динамического формирования полигона в выбранной пользователем точке карты.

Таким образом, достоинством динамического геоизображения, создаваемого «методом диапазонов», в десктопной версии является то, что отрисовка карты на тот или иной момент времени выполняется не создателем ГИС предварительно (с помощью слоев-срезов или полей атрибутивной таблицы, обозначающих конкретную дату), а путем обработки запроса пользователя, выполняемой компьютером с учетом заданных при создании ГИС хронологических диапазонов. Вместо серии разновременных слоев с минимумом расчетов мы получаем один слой и для построения карты мобилизуем расчетные возможности компьютера. При этом у пользователя сохраняется возможность получить данные об объектах из атрибутивной таблицы.

«Метод диапазонов» работает не только с объектами, хранящимися на персональном компьютере. Уже сейчас динамическая карта может быть передана с сервера в ГИС-проект по WMS-протоколу, можно предсказывать и её доступность по WFS. Такое решение является несколько более сложным, но в перспективе использование двухуровневой архитектуры представляет большую ценность для исторического сообщества как средство для интеграции разрозненных десктопных исторических ГИС в общую систему.

Однако еще большим потенциалом обладает трехуровневая архитектура, в рамках которой динамическая карта, размещенная на картографическом сервере, доступна через обычный интернет-браузер как веб-ГИС. Неоспоримым достоинством такого решения является то, что от пользователя не требуется знаний в сфере ГИС и наличия специального программного обеспечения. Следовательно, динамическая веб-карта принципиально более доступна пользователю, чем десктопная. Проект «Centennia» – динамическая карта истории Европы, весьма популярна в Интернете, но доступна она только в форме анимационного ролика. Более функционален проект о городах планеты ^[32]: пользователь не только перемещается по времени (последние 4000 лет), но и открывает атрибуты объектов (координаты, населенность на заданный момент, кривая изменений численности за всю историю города), выполняет поиск по названию. Существуют и другие примеры динамических веб-карт с историческими данными, которые созданы не только для того, чтобы дать общее представление широкому кругу пользователей о тех или иных процессах, но и с целью интеграции всё новых пространственных данных, необходимых определенному кругу специалистов-историков. Один из таких проектов, FLAME, посвящен публикации и анализу геоданных по экономике поздней античности и раннего средневековья. В системе представлены результаты картографирования монет, динамически отображается точечный слой, условные обозначения которого характеризуют основные виды монетного металла (золото, серебро, бронза), количество находок и другие параметры ^[26].

Развитие «облачных» технологий и веб-ГИС платформ делает границу между десктопными и веб-версиями ГИС все тоньше. Технологии веб-публикации десктопных карт стремительно развиваются. Мультивременные сервисы разрабатывают некоторые веб-ГИС платформы (напр., Geomixer). Это приближает момент создания общей для отечественных исследователей национальной ГИС-платформы, на которой рамочные динамические карты могут служить «подложкой» для работы историка (и шире – создателя и потребителя исторического знания), как сейчас в качестве подложки используются статические покрытия OpenStreetMap или Yandex.

В Лаборатории исторической геоинформатики ИВИ РАН начата работа над динамической картой с данными по исторической географии России IX–XX вв. (партнерами данной программы являются интернет-проект Руниверс ^[25] и разработчик программного обеспечения в области геоинформатики ООО «NextGIS» ^[31]). В настоящее время происходит насыщение проекта контентом и совершенствование его инструментария ^[3].

Создание и редактирование геометрий осуществляется с помощью ГИС-приложения QGIS в основном в векторных слоях в формате *.shp. При отрисовке исторических границ, совпадающих с современными границами, течением рек либо конфигурацией других объектов, геометрия которых может быть позаимствована с современных картографических репозиториев (напр., OpenStreetMap), решено следовать конфигурации современных объектов. Следствием этого является, во-первых, достаточно высокая детальность прорисовки и, во-вторых, большое количество узлов геометрии.

Трехуровневая архитектура проекта включает PostGIS сервер данных и картографический сервер (NextGIS Web Server). С точки зрения потребления трафика и других ресурсов создание полигонов из сопряжённых линейных объектов, наследующих атрибуты из слоя точек, наиболее эффективно на стороне веб-сервера, на клиентскую машину загружается только полученный результат. Однако, учитывая вероятность множественных запросов на сервер, наиболее рациональной оказывается предварительная генерация слоев с полигонами по годам. Это ускоряет отдачу на машину клиента результатов выборки по хронологическому интервалу. Таким образом, в веб-версии динамической карты набор статичных карт также используется (в случае, когда задачи веб-карты требуют полигонального представления объектов), однако лишь как промежуточное звено: они не перегружают клиентскую машину обилием почти полностью дублирующих друг друга площадных геометрий и предоставляются пользователю только в том объеме, который им запрашивается. Создатель контента с ними тоже дела не имеет, работая с линейными и точечными слоями *.shp. При обновлении на PostGIS сервере этих слоев заново запускается процесс генерации полигонов на NextGIS Web Server. При демонстрации точечных и линейных слоев можно обойтись без предварительной нарезки по погодным слоям, что в большей степени соответствует концепции динамической карты.

Скорость загрузки на машину клиента полученных полигональных геометрий снижается еще и за счёт того, что, как отмечалось выше, исходные линейные объекты содержат большое число узлов. К сожалению, созданием так называемых «пирамид» (то есть комплекта слоев, различающихся степенью генерализации геометрий, подгружаемых в зависимости от масштаба просмотра в браузере – чем мельче масштаб, тем более генерализованные геометрии) данная проблема не решается: при просмотре в крупном масштабе небольшого фрагмента местности «клиенту» придётся загружать всю тяжеловесную геометрию из основания «пирамиды» (например, полигон границ всей Российской империи).

Оптимальным решением этой проблемы в настоящее время представляется использование «векторных тайлов», на привлекательные свойства которых уже обращалось внимание историками ^[17]. В этом случае для передачи клиенту «векторных тайлов» на смену формату .geojson, который используется обычно при передаче геометрии в цепочке «веб-сервер – клиент», должен прийти другой формат – .mvt (Mapbox Vector Tile).

Комплекс технических решений, оптимальных для реализации проекта, пока не определен до конца. Возможно, что практическое воплощение техники «векторных тайлов» избавит нас от необходимости создания «промежуточных» полигональных слоев на NextGIS Web Server и еще больше приблизит к концепции чистой «динамической веб-карты», но в настоящий момент это решение не реализовано. Отдельные вопросы, от решения которых зависит дальнейшее развитие проекта, возникают и разрешаются по мере продвижения работы. Надеюсь, что данная статья станет поводом для обсуждения концепции динамической карты и будет способствовать приближению исторического сообщества к созданию национальной исторической ГИС, полезной не только широкому кругу пользователей, но и, в первую очередь, профессиональным историкам.