Сергей андреевич атласная демографическая информационная система россии

На правах рукописи

УДК 528.94:314.1 ТИМОНИН Сергей Андреевич АТЛАСНАЯ ДЕМОГРАФИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА РОССИИ Специальность 25.00.33 – картография

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва - 2013

Работа выполнена в научно-исследовательской лаборатории комплексного картографирования географического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Научный руководитель Тикунов Владимир Сергеевич доктор географических наук, профессор географического факультета Московского государственного университета имени М.В.

Ломоносова Официальные оппоненты Чумаченко Алексей Николаевич доктор географических наук, профессор Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского Ельчанинов Анатолий Иванович кандидат географических наук, НИИ культурного и природного наследия имени Д.С. Лихачева Ведущая организация Северо-Кавказский федеральный университет (г. Ставрополь)

Защита состоится «_»2013 г. в 15.00 часов на заседании Диссертационного совета Д-501.001.61 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, 21 этаж, аудитория 21-09 (тел. +7 (495)939-26-32, факс +7 (495)939-28-36, e-mail: [email protected]).

С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Научной библиотеки Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ломоносовский проспект, д.27, А8.

Автореферат разослан «_» 2013 г. Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ имени М.В.Ломоносова, географический факультет, учёному секретарю Диссертационного совета Д-501.001.61, факс +7 (495) 932-88-36.

Ученый секретарь диссертационного совета, Шныпарков А.Л.

кандидат географических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

.

Актуальность темы исследования. В настоящее время важность и необходимость детального изучения населения и, в частности, демографических процессов не вызывает сомнений. Авторы «Доклада о развитии человека» отмечают:

«Подлинное богатство народов - люди» (Human…, 2010), и с этим трудно не согласиться.

Понимание протекающих в обществе демографических процессов позволяет прогнозировать основные направления его развития и вместе с тем формировать своевременные научно обоснованные меры социально-демографической политики.

Наряду с непосредственным изучением населения, информация о его размещении и демографических характеристиках является важным материалом при проведении прикладных исследований социально-экономической направленности:

оптимизации размещения объектов социальной инфраструктуры, организации геомаркетинговых и других бизнес-исследований (Pane D., 1994;

Harris R., 2005).

Качество и оперативность решения обозначенных задач требуют применения комплексного подхода и комбинирования современных географических методов изучения населения. Специализированные проблемно-ориентированные геоинформационные (ГИС) и атласные информационные системы (АИС), объединяющие различные инструменты пространственного анализа и моделирования, позволяют эффективным образом собирать, хранить, обрабатывать и распространять демографическую и связанную с ней информацию, что способствует качественно новому осмыслению демографических процессов. В то же время, потенциал применения геоинформационных технологий в демографических исследованиях еще не полностью реализован, что указывает на актуальность проведения исследований в области совершенствования методики создания и направлений применения подобных систем.

В условиях широкого распространения информационных систем социально демографической направленности, ключевыми моментами являются разработка научно обоснованной методики создания АИС с учетом российской специфики: особенностей административно-территориального деления (АТД) России, характера размещения населения и демографических процессов, принципов статистического учета населения;

а также расширение функциональных возможностей АИС за счет совершенствования методов представления и анализа информации. Полагаем, что создание и внедрение АИС демографической тематики обеспечит не только комплексность решения текущих задач, но и позволит инициировать и развивать новые направления геодемографических исследований.

Объектом исследования является атласная демографическая информационная система России (АДИС России).

Предмет исследования – методика создания АДИС России и способы ее применения для изучения демографических процессов.

Цель исследования – разработка методики создания АДИС России и ее апробация при анализе демографических и связанных с ними процессов на разных пространственно-иерархических уровнях.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

На основе анализа и обобщения отечественного и зарубежного опыта 1.

создания геоинформационных и атласных информационных систем социально демографической тематики сформулировать понятие атласной демографической информационной системы России и определить ее основные особенности.

Разработать научно обоснованную систему демографических и связанных с 2.

ними индикаторов, формирующих тематическое содержание АДИС России, а также предложить модель базы данных АДИС.

Сформировать систему требований к функциональным возможностям 3.

АДИС для изучения демографических процессов и сформулировать варианты архитектуры АДИС в зависимости от конкретных целей ее создания, а также круга потенциальных пользователей.

На основе прототипа АДИС провести модельные исследования 4.

демографических процессов на различных территориальных уровнях.

Теоретико-методологической основой исследования послужили работы отечественных и зарубежных ученых в области геоинформатики (Берлянт А.М., Капралов Е.Г., Кошкарев А.В., Лурье И.К., Сербенюк Н.С., Тикунов В.С., Чумаченко А.Н., DeMers D., Goodchild M., Longley P., Maguire D., Ormeling F., Tomlinson R.), социально-экономической картографии (Баранский Н.Н., Белозеров В.С., Дружинин А.Г., Евтеев О.А., Ельчанинов А.И., Коровицын В.П., Панин А.Н., Прохорова Е.А.), математико-картографического моделирования (Сербенюк Н.С., Тикунов В.С.) и пространственно-статистического анализа (Anselin L., Ebdon D., Goodchild M., Riply D., Tobler W.), а также российских и зарубежных ученых в области географии населения, демографического анализа и прогноза (Алексеев А.И., Андреев Е.М., Архангельский В.Н., Вишневский А.Г., Денисенко М.Б, Зайончковская Ж.А., Зубаревич Н.В., Карачурина Л.Б., Малхазова С.М., Мкртчян Н.В., Рыбаковский Л.Л., Рязанцев С.В., Слука А.Е., Слука Н.А., Тишков В.А., Ягельский А., Lutz W., Preston S., Sherbov S.).

В диссертационной работе применены следующие методы: картографический, геоинформационный, математико-картографического моделирования, статистический, прогнозный, социологических исследований.

Информационной базой исследования послужили наборы открытых пространственных данных, создаваемых в рамках проекта «Open Street Map» и др. В качестве источников статистической информации использовались данные, предоставляемые Федеральной службой государственной статистики РФ (переписи населения России и СССР и данные текущего учета населения);

прочими ведомствами Российской Федерации миграционной службой, Министерством (Федеральной образования и науки, Центральным банком), а также информация международных организаций (фонда ООН по народонаселению, Мирового банка, Международной организации по миграции, Всемирной организации здравоохранения, Международного института прикладного системного анализа, Венского института демографии). Кроме того использовались материалы научных конференций и семинаров, веб-порталов и результаты проводимых автором социологических опросов.

Основные защищаемые положения:

Предложена научно обоснованная система демографических показателей и 1.

алгоритмов их расчета, и определены подходы к интеграции пространственных и статистических данных на условиях взаимно-однозначного соответствия для надежного функционирования АДИС и ее оперативного обновления.

Предложена схема расширения функциональных возможностей АДИС за 2.

счет добавления инструментов интерполяции (для моделирования размещения населения и отдельных групп);

пространственной автокорреляции (для выявления и картографирования пространственных закономерностей в размещении групп населения и демографических явлений);

пространственной регрессии (для моделирования изменяющихся в пространстве демографических процессов).

В соответствии с пространственным охватом и географическими 3.

особенностями территории выделены три типа моделей размещения населения: обзорные (на территорию страны и крупных регионов), региональные и городские, различающиеся детальностью исходных статистических данных и характером их локализации, а также алгоритмами моделирования.

Разработана авторская методика оценки этнической структуры населения, 4.

позволяющая устанавливать региональные различия в этническом разнообразии населения и его динамику, выявлять пространственные закономерности в размещении этнических групп по территории страны, а также строить типологию регионов России по этнической структуре населения.

Предложен алгоритм оптимизации размещения новых родильных домов в 5.

Москве с учетом геодемографических характеристик населения, а также транспортной инфраструктуры города.

Научная новизна работы состоит в следующем:

Предложен и обоснован новый вид проблемно-ориентированных атласных 1.

информационных систем - «Атласная демографическая информационная система России» для комплексного научно-исследовательского решения геодемографических задач на разных территориальных уровнях и поддержки принятия решений в сфере региональной социально-демографической политики.

Определена научно обоснованная система демографических показателей и 2.

алгоритмов их расчета, определяющая тематическое содержание АДИС России. На основе набора статистических и пространственных данных разработана оригинальная структура базы данных АДИС, а также изложены принципы взаимно-однозначного соединения пространственных и семантических данных в рамках одной модели данных.

Систематизированы существующие методы и предложены новые подходы к 3.

пространственно-статистическому анализу и моделированию демографических процессов, определяющие функциональные возможности АДИС. Предложена схема вариантов архитектуры АДИС России в соответствии с предполагаемыми к использованию техническими решениями и с учетом групп потенциальных пользователей.

В рамках апробации прототипа АДИС выделены особенности 4.

мультимасштабного моделирования и картографирования размещения населения;

представлены новые подходы к геовизуализации динамики и структуры населения;

разработана методика математико-картографической оценки этнического разнообразия населения регионов России, предложен алгоритм зонирования территории Москвы по степени необходимости создания новых родильных домов с учетом геодемографических характеристик населения и транспортной инфраструктуры города.

Созданы серии карт демографических характеристик населения на 5.

территорию мира, Европы, России и Московского региона;

впервые подготовлен информационно-аналитический бюллетень «Миграция в Российской Федерации».

Практическая значимость исследования. Предложенная методика создания атласной демографической информационной системы России и подходы к ее использованию могут быть применены при непосредственном внедрении АДИС в органы государственного управления, статистические службы, научно-исследовательские организации и коммерческий сектор.

Внедрение. Отдельные результаты исследования реализованы в рамках грантов РФФИ («Подготовка демографического атласа-справочника России»;

«Этнические особенности демографических и миграционных процессов в России и Испании:

сравнительный анализ с применением геоинформационных систем»;

«Пространственно статистическое моделирование социально-демографических процессов в контексте территориального расширения Москвы»). Разработанные подходы использовались при геоинформационном картографировании результатов Всероссийской переписи населения 2010 года. Предлагаемые в диссертационном исследовании методы и подходы использовались автором при проведении занятий по курсу «Математико картографическое моделирование» на географическом факультете МГУ имени М.В.

Ломоносова, а также легли в основу авторского курса «Геоинформационные методы изучения населения», преподаваемого в НИУ Высшая школа экономики.

Апробация. Результаты исследования докладывались на российских и международных научных мероприятиях, в том числе на Международной конференции «ИнтерКарто/ИнтерГИС-XIV, XV, XVI, XVII, XVIII» - устойчивое развитие территорий:

ГИС теория и практика (Саратов, 2008;

Гент, 2009;

Ростов-на-Дону, 2010;

Барнаул, 2011;

Смоленск, Международных симпозиумах «Миграционный мост между 2012);

Центральной Азией и Россией» (Москва, 2009, 2010, 2012);

заседании Комиссии по теоретической картографии Международной картографической ассоциации (Санкт Петербург, 2010);

заключительном семинаре Летней школы молодых ученых в Международном институте прикладного системного анализа (Лаксембург, Австрия, 2010);

конференции молодых ученых «Использование геоинформационных систем и данных дистанционного зондирования Земли при решении пространственных задач» (Пермь-Астрахань, 2011);

Всероссийской конференции «Геоинформационные системы в здравоохранении РФ: данные, аналитика, решения» (Санкт-Петербург, 2011, 2012).

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 - в журналах, рекомендованных ВАК, 1 - в зарубежном рецензированном журнале.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Материал работы изложен на страницах машинописного текста, содержит 17 таблиц, 58 рисунков, а также приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены объект и предмет исследования, сформулированы цели и задачи, охарактеризована научная новизна и практическая значимость исследования, приведены сведения об апробации и внедрении результатов диссертационного исследования.

В первой главе «Научно-методологические основы создания и использования геоинформационных и атласных информационных систем для изучения населения» приведен обзор географических методов изучения населения, обобщен российский и зарубежный опыт создания геоинформационных и атласных информационных систем демографической тематики, проанализированы основные этапы проектирования и внедрения атласных информационных систем (АИС) социально-демографической направленности.

Изучение территориальных аспектов размещения населения и пространственных особенностей демографических и связанных с ними процессов является задачами географии населения и геодемографии. Большинство современных методологических подходов, разрабатываемых этими научными дисциплинами, может быть реализовано на базе атласных информационных систем. Это картографический метод отображения, метод математико-картографического моделирования и пространственно статистического анализа, геоинформационный и аэрокосмический методы исследования.

Возможность одновременного использования всего комплекса географических методов изучения населения и демографических процессов позволяет судить о важности и целесообразности внедрения геоинформационных систем в подобные исследования.

Основная особенность атласной информационной системы в сравнении с геоинформационной системой состоит в расширенных возможностях картографического представления пространственных данных в АИС (Van Elzakker, 1993;

Ormeling, F., 1995).

Анализ отечественных и зарубежных геоинформационных и атласных информационных систем демографической тематики позволил выделить основные направления использования систем данного класса и их особенности. Пионерами внедрения геоинформационных технологий в свою деятельность являются статистические службы, которые используют ГИС на всех этапах проведения переписи населения: геокодирование переписных участков;

подготовка и печать карт для переписчиков;

мониторинг проведения переписи;

подготовка тематических карт по итогам переписи;

обеспечение доступа к результатам переписи, в том числе посредством создания веб-приложений 2009, (Handbook on geospatial…, Peters F., 2004).

Отличительная особенность ГИС для переписи – высокая пространственная детальность данных, что делает их крайне востребованными со стороны заинтересованных лиц.

ГИС, используемые в государственном и муниципальном управлении, как правило, предназначены для повышения эффективности системы государственного регулирования регионального развития, сокращения времени на принятие управленческих решений в сфере социально-демографического развития страны и отдельных административно-территориальных образований. Геоинформационные системы социально-демографической тематики также создаются разнообразными ведомственными организациями для решения конкретных пространственно-временных задач в сфере здравоохранения и социального развития, образования, управления миграционными потоками.

Большой опыт накоплен в академической среде в области создания геоинформационных и атласных информационных систем демографической тематики.

Большинство российских АИС посвящены геоинформационному мониторингу этнодемографических и миграционных процессов, рынка труда и занятости населения на уровне регионов России и муниципальных образований отдельных субъектов Российской Федерации (Панин А.Н., 2005;

Маслиев Р.О., 2006;

Баженова Е.А., 2009;

Чуклова О.Ю., 2011;

Габдрахманов Н.К, 2012;

Игонин А.И., 2012;

Раужин И.Г., 2012). Некоторые из разработанных систем легли в основу создания электронных и печатных изданий демографических атласов (Демографические процессы в России, Атлас демографического развития России, 2009) и демографических разделов в комплексных (Атлас социально-экономического развития России, 2010) и национальных атласах.

Зарубежные исследования нацелены на создание открытых картографических веб сервисов, позволяющих визуализировать и анализировать информацию о размещении населения и демографических особенностях совместно с другими данными о транспортной и социальной инфраструктуре, экологической обстановке и прочих (Центр пространственного анализа Университетского колледжа Лондона, Центр социальных и пространственных неравенств Университета Шеффилда, Центр социально экономических данных и приложений Колумбийского университета США).

Большинство международных организаций (UNDP, WHO, WMO) разрабатывают свои атласные информационные системы для сбора распределенной географической информации, ее хранения и обработки, и картографические веб-сервисы для предоставления информации широкому кругу пользователей.

Геоинформационные системы являются незаменимым инструментом анализа демографической информации при проведении прикладных геодемографических, в том числе маркетинговых исследований (Singelton A., Longley P., 2009;

Adnan, 2010).

Использование ГИС в этом направлении основано на предположении, что информация о демографических характеристиках локализованных в пространстве групп населения может быть использована при прогнозировании, какие товары и услуги востребованы в том или ином районе.

Многие из проанализированных ГИС имеют два сегмента – внутренний (закрытый) и внешний (публичный). Внутренний сегмент предназначен для решения текущих задач организации-разработчика ГИС, внешний – для предоставления информации и сервисов широкой общественности.

Проведенный анализ опыта создания геоинформационных и атласных информационных систем демографической тематики, а также дополнительных источников (ГОСТ 34.601-90, Геоинформатика, 2009, ФЗ РФ №94-ФЗ от 21.07.2005, Harmon, 2003, Longley P., 2005, Tomlinson R., 2003) позволил сформулировать основные этапы проектирования и внедрения АИС (табл. 1).

Таблица 1. Этапы проектирования и внедрения АИС демографической тематики.

№ Название этапа Основные задачи

этапа этапа изучение объекта и обоснование необходимости создания АИС;

Предпроектный 1.

определение целей и задач создания, характера использования и круга потенциальных пользователей.

изучение имеющегося опыта создания и внедрения АИС схожей тематики;

составление предварительной структуры АИС (определение Разработка набора исходных данных: объем, доступность, 2.

концепции АИС периодичность обновления;

а также желаемого функционала системы);

проведение анализа «затрат-выгод».

составление технического задания;

Детализация 3.

требований к АИС объявление запроса на создание системы.

сравнение представленных заявок (предложений) и Оценка определение разработчика;

предложений и подписание контракта и утверждение рабочей программы;

заключение 4.

создание пилотного варианта АИС (прототипа).

контракта на выполнение работ непосредственное создание системы разработчиком согласно техническому заданию и утвержденному плану работ;

Создание и тестирование АИС на стороне заказчика, исправление 5.

внедрение АИС замечаний;

окончательный ввод в действие.

обучение и регулярная техническая поддержка Поддержание 6.

пользователей;

устойчивой эксплуатационная поддержка АИС (администрирование, работы обеспечение безопасной работы, архивирование, прочее);

(сопровождение) поддержание БД АИС в актуальном состоянии (регулярное АИС обновление данных);

проведение работ по улучшению системы (добавление новых функциональных возможностей, оптимизация решения задач, увеличение производительности и надежности работы).

Во второй главе «Методические подходы к созданию атласной демографической информационной системы России» дано определение атласной демографической информационной системы России, обозначены принципы и особенности ее проектирования;

проанализированы источники статистических и пространственных данных, определена система демографических показателей и предложена оригинальная модель базы данных АДИС;

обозначены функциональные возможности и варианты архитектуры АДИС.

В зарубежной литературе сформировалось понятие геодемографической информационной системы (geodemographic information system), которое тесно связано с прикладным характером ее использования: для проведения коммерческих и маркетинговых исследований на локальном территориальном уровне (Adnan, 2010;

Harris, 2005). Нам представляется перспективным более широкий подход, в рамках которого вводится понятие атласной демографической информационной системы (АДИС). Под атласной демографической информационной системой понимается проблемно-ориентированная АИС, интегрирующая информацию о демографических и связанных с ними характеристиках населения на заданных пространственных уровнях с расширенными возможностями геовизуализации и пространственно-статистического анализа, создаваемая для целей мультимасштабного изучения демографических процессов и поддержки принятия решений в сфере социально-демографической политики.

В предлагаемой методике создания АДИС России реализуются следующие принципы: 1) универсальность и многоцелевое назначение, то есть возможность адаптации АДИС для использования при реализации научно-исследовательских проектов и в учебно-образовательной деятельности, в государственном и муниципальном управлении, а также в коммерческих исследованиях;

2) мультимасштабность (полимасштабность), т.е. возможность сбора и анализа информации на различных пространственных уровнях с целью использования АДИС для решения задач разного территориального охвата и степени детальности. Рис. 1 отражает предлагаемую схему пространственных уровней АДИС России.

Рисунок 1. Схема иерархической структуры АДИС России.

Следующие особенности предлагаемой методики создания АДИС России связаны с научно обоснованной интеграцией информации из различных источников (Росстата, Федеральной миграционной службы, Министерства здравоохранения и социального развития, Министерства образования и науки, международных организаций), разработкой структуры данных и механизмов однозначного соединения статистических и пространственных данных. Другие особенности разрабатываемой АДИС – богатые графические средства геовизуализации, возможность расширения функционала системы за счет включения дополнительных модулей пространственно статистического и демографического анализа, различные варианты архитектуры АДИС в зависимости от характера решаемых задач.

Ключевой задачей в процессе проектирования АДИС является формирование ее информационного обеспечения. На основе БД пользователи АДИС имеют возможность делать запросы, проводить пространственный анализ и моделирование явлений, принимать интересующие их решения. База данных АДИС состоит из двух основных компонентов: быстро меняющегося массива статистической информации о населении, представленного, как правило, по единицам административно-территориального устройства и статистического учета, и набора пространственных данных, выступающего в роли своеобразного каркаса базы данных.

Система демографических индикаторов представлена тремя блоками показателей: основным, дополнительным и интегральным (рис. 2). В свою очередь, каждый блок состоит из нескольких групп показателей, соответствующих одному из направлений характеристики населения. Каждая группа демографических индикаторов формируется первичными статистическими показателями, получаемыми в ходе проведения переписей населения, специальных обследований и текущего учета населения и производными показателями, рассчитанными на основе исходной статистики. При этом расчетные показатели одной группы могут вычисляться на основе первичных показателей, входящих в разные группы.

Наборы географических данных состоят из двух логических частей: базовый набор пространственных данных (служит основой для позиционирования всех иных географических данных и ориентирования по карте) и операционный набор пространственных данных (объекты, непосредственно участвующие в формировании тематического содержания карт и в процессе моделирования). В операционный набор данных также включаются результаты моделирования (например, анаморфозы, модели размещения населения и потенциала поля расселения). Отметим, что на определенных масштабных уровнях некоторые элементы базового набора могут переходить в операционный набор и наоборот (дороги, населенные пункты).

Рисунок 2. Система демографических и связанных с ними показателей, определяющих структуру и тематическое содержание АДИС России.

При проектировании базы данных АДИС целесообразно использовать реляционную модель данных, позволяющую в наиболее удобном и эффективном виде хранить и управлять как статистическими, так и пространственными наборами данных.

Любая реляционная система управления базами данных (РСУБД) обрабатывает статистическую информацию, однако прямые механизмы управления пространственными данными реализованы лишь в наиболее промышленных СУБД. Для расширения возможностей РСУБД при работе с пространственными данными следует использовать пространственные расширения СУБД.

На физическом уровне статистическая информация в БД представлена двумя типами таблиц: таблицы с исходными и расчетными показателями и справочники.

Структура таблицы для хранения исходных и расчетных данных может различаться в зависимости от характера и детальности самих данных. Каждая таблица имеет связи с несколькими справочниками. Справочник содержит набор уникальных значений того или иного признака объекта, хранящегося в базе данных (например, перечень показателей, источников данных, единиц измерения, список единиц административно территориального деления (АТД) и их коды, алгоритмы расчета, прочее). На рис. представлен фрагмент схемы БД, иллюстрирующий структуру таблиц и их отношения.

Наборы пространственных объектов, представленные векторными, растровыми и сетевыми моделями данных, также хранятся в виде связанных реляционных таблиц под управлением РСУБД. Для взаимно-однозначного соединения статистических и пространственных данных предложена система уникальных идентификаторов для кодировки единиц административно-территориального и статистического учета. При ее разработке использовались Общероссийский классификатор объектов АТД (ОКАТО), Общероссийский классификатор муниципальных образований (ОКТМО), ТЕРСОН код Росстата, классификатор стран ООН.

Исключительно важным является создание и поддержка файлов метаданных.

Пространственные метаданные (геометаданные) – данные о пространственных данных в виде стандартизованного набора сведений об их существенных свойствах (Кошкарев, 2010). Для формирования файлов метаданных следует использовать международный стандарт 19115 «Geographic и/или одноименный ISO Information–Metadata» национальный профиль в виде стандарта ГОСТ Р 52573 «Географическая информация.

Метаданные».

С точки зрения функциональных возможностей в атласной демографической информационной системе рекомендуется использовать следующие инструменты и сервисы, перечень которых может варьировать в зависимости от технических решений и целей конкретного исследования:

- геовизуализация (применение различных методов классификации одного из значений атрибутов (для создания аналитических карт), построение трехмерных и анаморфированных геоизображений, а также анимаций);

- пространственная интерполяция (функции Кернела и прочие методы);

- математическая оценка размещения объектов и явлений в пространстве (центр распределения, дисперсия в пространственном размещении объектов и пр.);

- оценки пространственной автокорреляции и пространственной регрессии;

- кластерный анализ;

- аналитические инструменты демографического анализа и прогнозирования (расчет демографических показателей, интегральных индикаторов, выполнение многовариантного прогноза);

- построение динамических графиков, связывающих объекты на карте, в таблице и на графике.

Рисунок 3. Схема статистической базы данных АДИС.

Исходя из предположений о потенциальном круге пользователей и технических подходов к созданию АДИС, смоделировано несколько вариантов архитектуры системы с определением особенностей каждого из них. Пользователь-специалист может работать с настольным геоинформационным программным обеспечением и решать все необходимые задачи, создавая собственную БД или используя уже разработанные.

В случае использования АДИС группой специалистов следует применять корпоративные решения. При ориентации АДИС на широкую общественность целесообразно создавать веб-приложения с простым в освоении пользовательским интерфейсом.

В третьей главе «Использование атласной демографической информационной системы России для исследования демографических процессов на разных территориальных уровнях» изложены элементы адаптивной методологии автора для решения геодемографических задач на общероссийском, региональном и муниципальном уровнях: представлены подходы к полимасштабному моделированию размещения населения как каркасу геодемографических исследований, изложены результаты пространственно-статистического анализа, моделирования и картографирования демографических (в том числе этнических, миграционных, медико демографических) процессов.

Сведения о размещении населения и его отдельных контингентов имеют основополагающее значение при решении множества геодемографических задач, управлении территориальными образованиями различного иерархического уровня. В общем виде процесс моделирования размещения населения состоит в переходе от сетки административно-территориального деления, по которой ведется сбор статистической информации о населении, к его непрерывному представлению в виде регулярной сетки для визуализации и конструирования сложных моделей (рис. 4). Процесс и результат моделирования зависит от целей исследования, географического охвата и особенностей территории, детальности исходных статистических и пространственных данных. С учетом российской специфики административно-территориального деления страны и характера статистических данных нами выделены несколько типов моделей расселения.

Обзорные модели размещения населения создаются на территорию всей страны и крупных регионов по данным о численности городских населенных пунктов и численности сельского населения муниципальных образований. Для построения более точных региональных моделей используют уточненные данные о конфигурации городских населенных пунктов, численности сельских населенных пунктов, географических особенностях территории. При этом получают дазимитрические и уточненные сеточные модели расселения населения. При моделировании размещения населения по территории населенного пункта наиболее оптимальным представляется использование информации о численности населения по переписным, инструкторским или счетным участкам. При отсутствии столь детальной информации возможно привлечение дополнительных сведений о пространственной локализации жилых строений, их этажности и количестве подъездов. Другая разновидность моделей размещения населения – гравитационные модели потенциала поля расселения (демографического потенциала) (Евтеев, Свентэк, Тикунов, 1974;

Тикунов, 1997).

Картографирование и анализ потенциала поля расселения позволяют определять ядра расселения, оценивать их распространение и влияние в пространстве (рис. 4).

Рисунок 4. Модели размещения населения: обзорная (а), региональная, уточненная по сети населенных пунктов и природным особенностям территории (б), городская, уточненная по жилым строениям (в) и потенциал поля расселения (г), 2010 год.

На основе методов, предлагаемых нами в качестве функциональных возможностей АДИС, автором проведены модельные исследования демографических и связанных с ними процессов на трех территориальных уровнях. На общероссийском уровне были проанализированы основные тенденции демографического развития России в сравнении с регионами и странами мира, а также отдельными европейскими государствами. Особое внимание сфокусировано на совершенствовании методов визуализации динамики изменения численности и структуры населения. Предлагается использование различных подходов к геоинформационному картографированию пространственно-временной динамики населения на основе создания серии традиционных разновременных карт, анимированных изображений, анаморфоз, трехмерных изображений, а также за счет комбинирования упомянутых подходов.

Для отображения прогноза численности населения нами применяются анаморфированные изображения, представленные в виде анимации. При этом в качестве исходных данных для анаморфирования следует использовать не абсолютные прогнозные значения численности населения, а относительные данные, соответствующие годовым темпам изменения численности населения. Такой подход позволяет в наглядном виде представить результаты прогнозирования и сформировать правильную с содержательной точки зрения картину динамики численности населения.

С целью совершенствования способов геовизуализации мультистатусных демографических прогнозов нами предложен новый способ отображения, основанный на смешении элементов цветовой палитры (красный, зеленый, синий) RGB пропорционально доле той или иной группы населения в общей численности.

Применение подобной универсальной шкалы позволяет проводить сравнение не только регионов в пространстве, но и отслеживать изменение структуры населения во времени.

Данный способ был апробирован для отображения образовательной структуры населения стран мира по данным за 1970-2050 гг. (Lutz, 2007, 2011). На рис. 5 представлен пример визуализации по реконструированным данным за 1970 год.

Сложившаяся возрастно-половая структура населения, снижение уровня рождаемости и повышение продолжительности жизни населения определяют процесс демографического старения населения (увеличение доли лиц старших возрастов) во многих европейских странах, в том числе и в России, что несет определенные экономические и социальные последствия. Автором разработана серия карт, отражающих как традиционные, так и перспективные индикаторы старения населения на текущий (2009) и прогнозный (2030) года. При анализе процессов старения использование различных подходов может привести зачастую к противоречивым результатам. К примеру, согласно традиционному подходу для России характерно умеренное по сравнению с европейскими странами старение, однако использование перспективного показателя кардинально изменяет ситуацию, что требует дополнительного системного анализа.

Рисунок 5. Пример авторской методики картографического отображения мульти статусных данных (на примере, образовательной структуры населения, 1970 г.) Вслед за изучением демографических процессов в России в сравнении с зарубежными странами следует углубление анализа за счет исследования региональных различий в демографическом развитии субъектов Российской Федерации. В качестве примера нами был проведен комплексный пространственно-временной анализ этно миграционных процессов в регионах России. АДИС была успешно применена для разработки информационно-аналитического бюллетеня «Миграция в Российской Федерации» (http://demoscope.ru/weekly/app/plakat/licevaja.pdf), отражающего информацию о миграционных процессах в картографическом, графическом и табличном виде. При проектировании содержания бюллетеня мы руководствовались следующими основными принципами: доступностью и надежностью статистической информации, использованием набора наиболее существенных и показательных характеристик, признанностью показателей в качестве индикаторов миграционных процессов, стремлением к максимальной объективности используемых показателей. Бюллетень дает оценку места и роли России в глобальных миграционных потоках, содержит информацию о региональных особенностях постоянной, трудовой и учебной миграции, состоянии региональных рынков труда, а также выполняемых мигрантами денежных переводах.

С изучением миграционных процессов тесно связано исследование пространственно-временных особенностей этнической структуры населения России и бывшего СССР. Для этих целей нами разработан индекс этнического разнообразия (EDIj), методика расчета которого базируется на стохастическом подходе и оценивает вероятность того, что два случайно выбранных в одном регионе человека имеют разную этническую принадлежность (Тимонин, 2012, Ryazancev, 2013). Формула для расчета следующая:

( ), где j – регион;

i – этническая группа в регионе;

– доля i этнической группы в j регионе;

E – общее число этнических групп в регионе1.

Расчеты, проводимые по данным всесоюзных и всероссийской переписей населения 1970, 1979, 1989 и 2002 годов, показывают, что в целом российское население становилось этнически более разнообразным. Вместе с тем, наблюдаются существенные региональные различия в этнической композиции и динамике ее изменения. Очевидно, что рост этнического разнообразия главным образом отмечен на территориях, принявших значительное число мигрантов из разных регионов страны и из-за рубежа.

Автором также предложена типология регионов России по полиэтничности структуры населения (Рязанцев, Тикунова, Тимонин, 2011). Для этих целей использовались ручные и автоматизированные методы создания типологических классификаций для получения наилучшего результата с содержательной точки зрения (Тикунов, 1997). В результате было выделено 6 кластеров, представленных на рис. 6.

Для выявления наличия и степени пространственной взаимосвязи в распределении этносов по территории России автором использовались методы пространственной автокорреляции. Для каждого российского этноса был вычислен глобальный показатель пространственной автокорреляции – индекс Морана (Moran`s I) и z-оценка, численно характеризующая отличие анализируемого распределения от случайного:

индекс этнического разнообразия может изменяться от 0 (этнически однообразный регион) до 100 (полное разнообразие). Значение «0» означает, что только одна этническая группа представлена в регионе, в то время как значение индекса «100» может быть интерпретировано следующим образом - 2 случайно выбранных человека имеют нулевую вероятность быть одной и той же этнической принадлежности.

n – число анализируемых объектов (равно количеству субъектов РФ);

xi – значение атрибутивного признака у i-го объекта;

xj - значение атрибутивного признака у j-го объекта;

– величина, характеризующая пространственную близость объектов i и j (пространственный вес);

– показатель, равный сумме всех весов.

- ожидаемое значение индекса Морана (при случайном распределении), – стандартное отклонение.

Рисунок 6. Типология регионов России по уровню полиэтничности населения, 2002 г.

Результаты расчетов индекса Морана2 и для некоторых z-оценок национальностей свидетельствуют о наличии пространственных закономерностей в размещении большинства из анализируемых этносов по территории РФ (табл. 2).

Таблица 2. Результаты расчетов индекса Морана и z-оценок, 2002 год.

Национальность Индекс Морана z - оценка Индекс Морана z-оценка (весовая матрица (весовая матрица на основе наличия на основе обратных общих границ) расстояний) Китайцы 0,64 9,93 0,35 9, Армяне 0,59 8,98 0,24 6, Чем ближе значение индекса Морана к 1, тем выше степень пространственной автокорреляции.

При |z-оценка| 2,58, вероятность того, что анализируемое распределение является случайным, менее 0,01.

Немцы 0,51 7,49 0,50 10, Украинцы 0,46 6,55 0,42 8, Русские 0,46 6,25 0,39 7, Киргизы 0,41 6,98 0,24 7, Таджики 0,20 3 0,10 2, Вьетнамцы -0,04 -0,52 -0,02 -0, Для выделения кластеров (групп близко расположенных в пространстве объектов с высокими или низкими значениями атрибутов) и выбросов (объектов в пространстве, атрибутивные признаки которых значительно отличаются от атрибутивных значений соседних объектов) были вычислены локальные индикаторы пространственной автокорреляции – LISA (local indicators of spatial associations, Anselin, 1995, Тимонин, 2012). Выделенные для трех национальностей (русские, немцы, китайцы) типы представлены на рис. 7.

Рисунок 7. Пространственные кластеры в размещении этнических групп.

Атласная демографическая информационная система может быть эффективно использована в качестве инструмента поддержки принятия решений при управлении демографической ситуацией на уровне муниципальных образований. Нами проведен детальный медико-демографический анализ и предложены подходы к оптимизации медицинского обслуживания населения на примере Московского региона. Составленная серия медико-демографических карт на территорию Москвы и области позволила выявить характер размещения населения, тенденции изменения численности и структуры населения, а также пространственные закономерности смертности от различных причин смерти.

В продолжение медико-демографических исследований автором построена модель оптимального размещения новых родильных домов в Москве с учетом размещения женщин репродуктивного возраста по территории города, удаленности территории от существующей сети родильных домов и числа родильных домов, находящихся в зоне 15-ти минутной доступности. Результатом является карта районирования территории города по степени необходимости размещения новых родильных домов и перинатальных центров (рис. 8).

Рисунок 8. Многофакторная модель оптимального размещения новых родильных домов в г. Москве, 2010 год.

ОСНОВНЫЕ ИТОГИ РАБОТЫ.

В результате проведенного исследования удалось достичь основных поставленных перед диссертантом целей – была предложена и обоснована методика создания атласной демографической информационной системы России, а также создан авторский прототип АДИС, с помощью которого было проведено исследование демографических процессов на общероссийском, региональном и муниципальном территориальных уровнях.

Основные результаты диссертационного исследования следующие:

Проведен детальный анализ отечественного и зарубежного опыта создания 1.

геоинформационных и атласных информационных систем социально-демографической тематики, предложена классификация имеющихся разработок по направлениям и возможностям их использования;

Введено понятие атласной демографической информационной системы 2.

России и сформулированы принципы ее создания. Оценены источники данных, определена научно-обоснованная система демографических показателей и алгоритмы их расчета;

предложена оригинальная структура базы данных АДИС;

Методологически изложены подходы к пространственно-статистическому 3.

анализу и моделированию демографических процессов, которые определили функциональные возможности АДИС. Сформулированы варианты архитектуры системы в зависимости от круга потенциальных пользователей и технических решений;

создан авторский прототип АДИС;

Представлены примеры использования авторского прототипа АДИС для 4.

исследования демографических процессов на различных территориальных уровнях:

динамики численности и структуры населения России на фоне зарубежных стран;

миграционных процессов и этнического разнообразия в регионах России и бывшего РСФСР;

медико-демографической ситуации в Московском регионе. На основе АДИС разработаны серии карт демографических характеристик населения на территорию Европы, России и Московского региона, подготовлен информационно-аналитический бюллетень «Миграция в Российской Федерации».

По результатам диссертационного исследования опубликованы следующие основные работы:

в рекомендованных ВАК изданиях:

Тимонин С.А. Методы математико-картографического и 1.

геоинформационного моделирования для изучения демографических процессов в регионах Российской Федерации // Вестн. Моск. ун-та, Серия 5. География. - М.:

Издательство МГУ, 2010. - №5 - с.11-18.

Кошкарев А.В., Тикунов В.С., Тимонин С.А. Геопортал «Демография»:

2.

методика и технологии картографирования // Научно-технический и производственный журнал «Геодезия и картография». - М.: Изд-во Полипресс, 2010. - №1– с. 24-31.

Сомов Э.В., Тимонин С.А. Применение геоинформационных методов в 3.

решении задач оптимизации медицинского обслуживания населения г. Москвы // Врач и информационные технологии, М.: «Менеджер здравоохранения», № 2 – 2012. – с. 30-41.

в зарубежных рецензируемых журналах:

4. Riazantsev S, Tikunov V. and Timonin S. Mathematical cartographic approaches toward evaluation and forecasting of ethnic composition in the Russian regions // Annals of GIS, 2013 – Vol.19 –№1 – pp.17- в коллективных монографиях:

Тимонин С.А. и др. Атлас демографического развития России. Под 5.

редакцией Осипова Г.В. и Рязанцева С.В. // М.: Изд-во «Экономическое образование», 2009. – 220 с.

в других изданиях:

Кошкарев А.В., Тикунов В.С., Тимонин С.А. Картографические Web 6.

сервисы геопорталов: технологические решения и опыт реализации // Журнал «Пространственные данные». - М.: «Технология ЦД», 2009. – №3 – с.6-12;

№4 – с. 16-20.

Михайлов Д.И., Тимонин С.А., Ушаков Д.А. Разработка информационной 7.

системы для обеспечения мониторинга социально-экономического развития регионов России // Материалы международной научной конференции ИнтерКарто/ИнтерГИС-16.

«Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт». - Ростов н/Д: Изд во ЮНЦ РАН, 2010. – с. 65-72.

Тимонин С.А. Геовизуализация и пространственно-статистический анализ 8.

прогнозов населения Использование геоинформационных систем и данных // дистанционного зондирования Земли при решении пространственных задач: сб. науч. тр.

–Пермь, 2011 – с.44-49.

Сомов Э.В., Тимонин С.А. Геоинформационный подход в решении задач 9.

оптимизации медицинского обслуживания населения (на примере родильных домов г.

Москвы) // Материалы международной научной конференции ИнтерКарто/ИнтерГИС-17.

«Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт». - Барнаул, 2011. – с. 372-378.

Тимонин С.А. Пространственно-статистический анализ демографических 10.

процессов // Материалы международной научной конференции ИнтерКарто/ИнтерГИС 18. «Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт». – Смоленск, 2012. – с. 435-443.