Лекция 4. Создание цифровых топографических карт

Как отмечалось ранее, информация - это любые сведения о состоянии окружающей среды и о процессах, в ней происходящих. Пространственные данные представляют собой совокупность поступающей в систему, хранимой и выдаваемой потребителям информации об элементах и объектах местности, их географических названиях, организационно-технической и вспомогательной (сервисной) информации. Динамику пространственных данных определяют такие параметры, как частота обращения к массивам, период обновления информации.

Основой формирования пространственных данных должны быть следующие принципы:

1. Использование системного подхода как основы создания и применения картографических моделей, как методологии исследования и проектирования системы и как научного метода разработки эффективных компьютерных технологий.

2. Применение математико-картографического моделирования как способа отображения элементов и объектов местности.

3. Управляемость цифровыми картографическими данными.

4. Однократный сбор и обработка пространственных данных и их многократное использование многими потребителями.

Картографические модели формируются в виде структурированных цифровых данных в рамках номенклатурных листов карт отечественного издания.

Структура представления этих данных в массивах должна обеспечивать доступ к информации о любом пространственном элементе и объекте, а также возможность внесения изменений и дополнений в ранее подготовленную информацию.

Цифровая информация о местности должна удовлетворять следующим требованиям:

-формироваться в рамках номенклатурных листов базовой крупномасштабной топографической карты;

-создаваться в принятой системе координат и картографической проекции, например в равноугольной поперечно-цилиндрической проекции Гаусса-Крюгера;

-иметь классификацию элементов и объектов местности, соответствующую классификации, принятой для базовой крупномасштабной топографической карты;

-иметь минимально необходимый для решения пользовательских задач объектовый состав;

-обеспечивать возможность машинного определения данных о месторасположении объектов и их характеристик;

-обеспечивать сшивку изображения по элементам и объектам на отдельные участки (районы) местности и территории;

-иметь структуру представления, обеспечивающую возможность внесения изменений и дополнений без искажения имеющихся данных и ухудшения их точностых характеристик;

-обеспечивать преобразование программным путем информации из векторной формы представления в растровую и наоборот.

Взаимодействие геоинформатики и картографии стало основой для формирования нового направления - геоинформационного картографирования, суть которого составляет автоматизированное информационно-картографическое моделирование природных и социально-экономических геосистем на основе ГИС и баз данных.

Четкая целевая установка и преимущественно прикладной характер - наиболее важные отличительные признаки геоинформационного картографирования. Согласно подсчетам до 80 % карт, составляемых с помощью ГИС, являются оценочными или прогнозными либо отражают то или иное целевое районирование территории.

Программно-управляемое картографирование по-новому освещает многие традиционные проблемы, связанные с выбором математической основы и компоновки карт (возможность перехода от проекции к проекции, свободное масштабирование, отсутствие фиксированной нарезки листов), введением новых изобразительных средств (например, мигающие или перемещающиеся на карте знаки), генерализацией (использование фильтрации, сглаживания и т. п.).

Происходит соединение двух ветвей картографии: создания и использования карт. Многие трудоемкие прежде операции, связанные с подсчетом длин и площадей, преобразованием изображений или их совмещением, стали примитивными процедурами. Эти вопросы решаются на основе электронной динамической картометрии. Создание и использование карт, в том числе цифровых моделей, стало единым интегрированным процессом, поскольку в ходе компьютерного анализа происходит постоянное взаимное трансформирование изображений.

На основе ГИС-технологий сформировалось новое направление оперативного картографирования, т. е. создание и использование карт в реальном или близком к реальному масштабе времени для своевременного информирования пользователей и воздействия на ход процесса. При этом под реальным масштабом времени понимают скорость создания-использования карт, т. е. темп, обеспечивающий немедленную обработку поступающей информации, ее картографическую визуализацию для оценки, мониторинга, управления, контроля процессов и явлений, изменяющихся в том же темпе. Оперативные карты предназначены для инвентаризации объектов, предупреждения (сигнализации) о неблагоприятных или опасных процессах, слежения за их развитием, составления рекомендаций и прогнозов, выбора вариантов контроля, стабилизации или изменения процессов в самых разных сферах - от экологических ситуаций до политических событий. Исходные данные для оперативного картографирования - материалы аэрокосмических съемок, непосредственных наблюдений и замеров, кадастровая и мониторинговая информация, статистические данные, результаты опросов, переписей, референдумов.

Цифровые карты классифицируют:

-по видам использующих их автоматизированных систем: для использования в автоматизированных системах управления (АСУ); выполнения в автоматизированных системах навигации (АСН): наземной, воздушной, водной, космической; автоматизированных систем хозяйственного комплекса;

-назначению: для решения расчетных задач отображения и моделирования оперативной информации и местности; задач отображения обстановки и местности на экранах коллективного и индивидуального пользования;

-видам и масштабам: цифровые карты городов масштабов 1:10000, 1:25000; электронные топографические карты различных территориальных образований масштабов от 1:25000 до 1:1000000; электронные авиационные карты масштабов от 1:500000 до 1:4000000; электронные тематические карты;

-способам представления (изображения) информации: двухмерные модели (х, у); трехмерные модели (х, у, H); четырехмерные или пространственно-временные модели (х, у, Н, t);

-формам представления: векторные; растровые.

В хозяйственных системах цифровые карты (ЦК) должны обеспечивать оперативное управление хозяйственным комплексом в целом по отраслям, планирование использования материальных и природных ресурсов страны, анализ социальных процессов, моделирование управления ресурсами и принятия решений при действиях в экстремальных ситуациях, мониторинг экологической обстановки, создание и ведение государственных и ведомственных кадастров,

В АСУ ЦК можно оценивать обстановку, принимать решение, ставить задачи и организовывать взаимодействие ведомств и хозяйствующих субъектов, изучать географические особенности территории страны, регионов и территориальных образований, а также выполнять необходимые расчеты при оценке обстановки, планировании, моделировании действий, определении свойств местности, прогнозировании изменений местности, определении координат объектов на местности в реальном времени.

Для унификации цифровой картографической информации (ЦКИ) необходимы также правила цифрового описания картографической информации, которые определяют способы учета главного отличия ЦКИ от ее традиционного графического аналога - требования топологически согласованного отображения картографических данных. При этом основополагающими в нем являются следующие термины и определения.

Правила цифрового описания картографической информации - свод систематизированных предписаний, регламентирующих содержание, структуру и порядок формирования цифровой картографической информации при создании цифровых топографических карт.

Объект топографической карты - структурная единица картографической информации, отображающая в соответствии с требованиями нормативной документации объект местности или другую информацию, являющуюся обязательной для отображения на топографической карте.

Цифровое описание объекта цифровой топографической карты (ЦТК) - формализованное представление в цифровом виде данных об объекте топографической карты, которое включает цифровое описание пространственного распространения объекта (метрика объекта ЦТК), его смыслового содержания (семантика объекта ЦТК) и пространственно-логических связей объекта с другими объектами данного номенклатурного листа топографической карты.

Два основных раздела правил цифрового описания картографической информации определяют:

-требования к содержанию и структуре цифрового описания картографической информации в составе ЦТК;

-правила цифрового описания картографической информации.

Основные требования, которым должно удовлетворять цифровое описание картографической информации, следующие:

-обеспечение возможности представления в цифровой форме любой информации, содержащейся на топографических картах соответствующих масштабов;

-включение в цифровое описание объектов ЦТК данных как об их месторасположении и плановом очертании, так и о смысловом содержании с точностью и полнотой, соответствующей требованиям основных положений по созданию и обновлению топографических карт масштабов от 1:10000 до 1:1000000;

-реализация представления объектов в объектно-ориентированной форме;

-обеспечение однозначности интерпретации цифровой картографической информации при ее обработке;

-обеспечение возможности автоматического формирования машинных записей объектов, предусмотренных структурой и составом ЦТК.

Цифровое описание картографической информации проводят в такой последовательности: определяют характер локализации объектов; формируют метрику и семантику объектов; осуществляют цифровое описание пространственно-логических связей объектов.

Объекты ЦТК описывают с учетом следующих основных параметров: характера локализации, сложности формирования цифрового описания и ориентирования относительно системы координат.

Характер локализации предусматривает дискретные, линейные, площадные объекты ЦТК, а также подписи. Правила предусматривают, что в качестве объекта ЦТК "Подпись" могут быть только имена собственные объектов, границы которых невозможно уверенно определить на местности. Специфическим объектом ЦТК является его паспорт, содержащий набор метаданных, которые характеризуют информацию в границах номенклатурного листа (НЛ) ЦТК в целом.

Возможность формирования простых и сложных, а также стандартно и нестандартно ориентированных объектов ЦТК определяется в значительной степени генетической связью между традиционной и цифровой формами описания картографической информации. Вместе с тем ее используют не только для решения аналитических задач, но и для визуализации результатов анализа, где способы отображения должны иметь информационную поддержку.

Цифровое описание каждого объекта ЦТК в обязательном порядке должно включать его номер, идентификатор, метрику и семантику. В цифровом описании объектов ЦТК могут также иметься данные о пространственно-логических связях.

Правила представления объектов цифровых топографических карт предусматривают, что их метрика должна описываться координатами точек в заданной системе координат, определяющими его месторасположение и плановые очертания с точностью, которая удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ЦТК соответствующего масштаба.

Метрика линейного объекта ЦТК должна быть представлена массивом координат точек, расположенных на осевой линии объекта по всей его длине. Формирование массива должно обеспечивать возможность описания: криволинейных объектов - точками, плотность которых обеспечивает сохранение извилистости линии при последующем воспроизведении объекта; объектов, состоящих из прямолинейных отрезков, - точками, фиксирующими вершины углов поворота ломаной линии.

Семантика объекта ЦТК должна характеризовать сущность и свойства этого объекта и содержать:

-код объекта в соответствии с его наименованием по классификатору объектов;

-код характера локализации;

-цифровое описание характеристик объекта.

Цифровое описание характеристик объекта ЦТК должно содержать:

-код характеристики в соответствии с ее наименованием по классификатору объектов ЦТК;

-значение (при наличии);

-координаты точки (точек) привязки (при необходимости).

Значение характеристики, если в соответствии с классификатором объектов ЦТК она имеет множество значений, должно соответствовать одному из следующих вариантов:

-для количественных характеристик - числовое значение;

-качественных характеристик - код соответствующего значения;

-характеристик типа "имя собственное" - собственное имя объекта в текстовой форме.

Сложный объект ЦТК должен содержать семантику нескольких взаимосвязанных объектов, входящих в его состав.

Правила цифрового описания пространственно-логических связей объектов ЦТК требуют обеспечения топологически согласованного отображения картографических данных. Выполнение этого требования достигают либо метрической согласованностью объектов ЦТК, либо введением в цифровое описание семантики объектов специальных характеристик, определяющих отношения описываемого объекта с другими объектами.

Процесс создания ЦК включает:

-автоматизированное преобразование исходной картографической информации в цифровую форму;

-символизацию картографической информации (КИ) и автоматизированное составление ЦК;

-разработку пользовательской системы управления базами данных (СУБД) для работы с ЦК.

Информационное обеспечение технологии создания системы ЦК включает:

-систему классификации и кодирования картографической информации;

-правила цифрового описания картографической информации;

-систему (библиотеки) условных знаков ЦК;

-формат данных ЦК.

К основным методам создания ЦК относят следующие:

-автоматического распознавания образов (растровых изображений, получаемых при сканировании);

-картографической генерализации с использованием теории графов и логико-процедурного подхода, аппарата экспертных систем;

-многосредного (multimedia) программного обеспечения;

-экспертных систем;

-установления пространственно-логических связей.

Все основные качества и преимущества ЦК проявляются при их использовании. Поэтому наряду с собственно цифровой картой потребителю может выдаваться СУБД ЦК, которая реализует следующие основные задачи:

-создание и ведение базы данных ЦК;

-работа с картографическим изображением:

-отображение, масштабирование, перемещение картографического изображения в произвольном направлении;

-управление динамическим окном, уровнями нагрузки визуализируемого изображения;

-формирование и использование цифровой картографической информации;

-использование фотоснимков.

Наиболее перспективны методы, использующие цифровую картографическую информацию и аэрофотоснимки.

Разработка экспертной системы формирования содержания пространственных моделей местности (ПММ) должна обеспечить решение задач проектирования пространственных изображений путем отбора объектового состава, его обобщения и символизации и вывода на экран отображения в требуемой картографической проекции. При этом потребуется разработать методику описания не только условных знаков, но и пространственно-логических отношений между ними.

Решение задачи разработки методов организации цифровых данных в банке ПММ и принципов построения банков ПММ определяется спецификой пространственных изображений, форматами представления данных. Для этого потребуется создавать пространственно-временной банк с четырехмерным моделированием (х, у, H, t), где будут генерироваться ПММ в режиме реального времени.

Во многом создание цифровых карт зависит от используемых геоинформационных систем.

Дата добавления: 2014-01-07