Геоинформационное картографирование. Взаимодействие геоинформатики и картографии стало основой для формирования нового направления — геоинформационного картографирования

Взаимодействие геоинформатики и картографии стало основой для формирования нового направления — геоинформационного картографирования, т. е. автоматизированного моделирования и картографирования объектов и явлений на основе ГИС.

С внедрением ГИС традиционная картография испытала кардинальную перестройку. Ее можно сравнить разве что с теми изменениями, которые сопровождали переход от рукописных карт к печатным полиграфическим оттискам. Картографы прошлых эпох в самых смелых фантазиях не могли предвидеть, что вместо гравирования на литографском камне можно будет вычерчивать карту, водя курсором по экрану компьютера. А в наши дни геоинформационное картографирование почти полностью заменило традиционные методы составления и издания карт.

Программно-управляемое картографирование заставляет по-новому взглянуть на многие традиционные проблемы. Принципиально изменился выбор математической основы и компоновки карт, компьютерные карты можно достаточно быстро переводить из одной проекции в другую, свободно масштабировать, менять «нарезку» листов, вводить новые изобразительные средства (например, мигающие или перемещающиеся по карте знаки), использовать для генерализации математические фильтры и сглаживающие функции и т. п. Трудоемкие прежде операции подсчета длин и площадей, преобразование карт или их совмещение стали рутинными процедурами. Возникла электронная картометрия. Создание и использование карт стало единым процессом, в ходе компьютерной обработки изображения постоянно трансформируются, переходят из одной формы в другую.

ГИС-технологии породили еще одно новое направление — оперативное картографирование, т. е. создание и использование карт в реальном или близком к реальному масштабе времени. Появилась возможность быстро, а точнее сказать, своевременно информировать пользователей и воздействовать на ход процесса. Иначе говоря, при картографировании в реальном времени поступающая информация немедленно обрабатывается и составляются карты для оценки, мониторинга, управления, контроля за процессами и явлениями, изменяющимися в том же темпе.

Оперативные компьютерные карты предупреждают (сигнализируют) о неблагоприятных или опасных процессах, позволяют следить за их развитием, давать рекомендации и прогнозировать развитие ситуаций, выбирать варианты стабилизации или изменения хода процесса. Такие ситуации создаются, например, при возникновении в тайге лесных пожаров, когда приходится оперативно следить за их распространением и быстро принимать меры по ликвидации пожара. В период таяния снегов и во время катастрофических ливней приходится отслеживать разливы рек и наводнения, а в чрезвычайных ситуациях — изменения экологического состояния территории. В период ликвидации Чернобыльской аварии картографы день и ночь не отходили от компьютеров, составляя оперативные карты перемещения облаков радиоактивного загрязнения над территориями, прилегающими к очагу катастрофы. Так же ведут слежение за развитием политических событий и военными действиями в горячих точках планеты. Исходные данные для оперативного картографирования — это аэро- и космические снимки, непосредственные наблюдения и замеры, статистические материалы, результаты опросов, переписей, референдумов и др. Огромные возможности и порой неожиданные эффекты дают картографические анимации. Модули анимационных программ способны перемещать карты или трехмерные диаграммы по экрану, менять скорость демонстрации, передвигать отдельные знаки, заставлять их мигать и вибрировать, менять окраску и освещенность карты, «подсвечивать» или «затенять» отдельные участки изображения и т. п. Например, на карте меняется цвет районов, подверженных лавинной опасности: «безопасная» голубоватая окраска ледников постепенно переходит в розоватую, а потом в ярко-красную, пунцовую, что означает: опасно, возможен сход лавин! Совершенно необычные для картографии эффекты создают панорамы, изменения перспективы, масштабов частей изображения (можно делить «наплывы» и удалять объекты), иллюзии движения над картой (выполнять «облет» территории), в том числе с разной скоростью. В обозримом будущем перспективы развития картографии в науках о Земле связываются, прежде всего, и почти целиком с геоинформационным картографированием, когда отпадает необходимость готовить печатные тиражи карт: по запросу можно будет всегда в режиме реального времени получить на экране компьютера изображение изучаемого объекта или явления. Некоторые картографы полагают, что внедрение электронных технологий «означает конец трехсотлетнего периода картографического черчения и издания печатной картографической продукции». Взамен карт и атласов пользователь сможет затребовать и сразу получить все необходимые данные в машиночитаемом или визуализированном виде. И даже само понятие «атлас» предлагается пересмотреть.

Картографические материалы и географические информационные системы (ГИС) применяются в повседневной деятельности человека, например при ориентировании на местности, поиске той или иной организации в городах, подсчета запасов полезных ископаемых проектирования и т.д.

В настоящее время практически перестали использоваться бумажные варианты картографических материалов, а все больше переходят к компьютерным ГИС при этом отказываясь от плоскостных и внедряя трехмерные географические информационные системы.

Трехмерные ГИС часто называют виртуальными. Виртуальная ГИС может решать практически все задачи, которые на данный момент реализованы в традиционных ГИС. Таким образом, она может использоваться для городского планирования, оценки состояния растительности, почв, водных путей или дорожных участков, предсказания наводнений и многих других задач. Кроме того, возможность получения детального трехмерного вида отдельных объектов и территорий с любой точки открывает новые перспективы для пользователей ГИС. Проектировщики новых зданий и сооружений могут получить комплексный трехмерный вид ландшафта с предполагаемого места строительства объекта или виртуальный снимок спроектированного сооружения с соседнего здания. Архитекторы могут увидеть макет улиц, зданий и парков и, таким образом, определить границы строительных площадок, возможность возникновения дорожных пробок, оценить освещенность улицы в дневное и ночное время и т.д. С помощью базы данных (БД) ГИС представляется возможным рациональное проектирование размещения торговых точек, школ, детских садов, культурных центров, водопроводных магистралей и множества других социально значимых объектов.

Использование виртуальных ГИС позволит службам МЧС, скорой, аварийной и пожарной помощи немедленно получить трехмерный вид территории, откуда поступил сигнал о бедствии, и соответствующую информацию из БД ГИС о событиях, например, где на предполагаемом пути их следования возникли проблемы с движением из-за строительства или перегруженности дороги.

Опыт выполнения работ по трехмерному лазерному сканированию и моделированию различных по назначению и сложности объектов позволил сделать вывод о следующих достоинствах трехмерных моделей по сравнению с традиционной картой или планом.

››› Информативность.

Наличие третьего измерения само по себе говорит о том, что информационная нагрузка трехмерной модели на порядок выше, чем планов и карт. Однако не только этим фактом объясняется высокая информативность 3D-модели. Во-первых, для города, заводов, площадок сложного технологического оборудования свойственно наличие многоярусных конструкций. Такие объекты из-за наслоения элементов невозможно отобразить детально на плоскости. В этом случае на топографическом плане для многоярусных конструкций, как правило, показывается либо нижний, либо верхний ярус. Во-вторых, многие объекты на плане отображаются в виде точечных условных знаков (например, пожарные гидранты), которые по определению не имеют ориентации. На трехмерной модели такие объекты будут выглядеть аналогично, как на местности (в соответствии с их высотой и направленностью). Отсутствие подобной информации может быть критическим, например, при проведении оперативных мероприятий по пожаротушению.

››› Наглядность.

Традиционные планы содержат информацию о третьем измерении (о высоте) в виде горизонталей, отметок точек местности и отдельных элементов оборудования, т.е. третья координата здесь представлена как атрибут, подпись или отдельный слой (например, слой цифровой модели рельефа). Такая форма отображения и хранения информации во многом затрудняет ее интерпретацию, как для человека, так и для вычислительной системы. Установлено, что 50% мозговых нейронов участвуют при обработке зрительной информации. Это говорит о том, что трехмерная визуализация стимулирует больше нейронов, вовлекая большую часть мозга в процесс решения проблемы. Например, при анализе информации с двумерных карт мозг должен сначала по­строить концептуальную модель рельефа и местности, прежде чем принять какое-либо решение. Эта задача может оказаться довольно сложной, даже для тренированного человека, например, при работе с картографическими материалами на сложные территории. Трехмерное отображение симулирует пространственную реальность, позволяя наблюдателю более быстро оценивать и понимать ситуацию.

››› Непрерывность.

Поскольку отметки на плане показываются только для характерных или контрольных точек, то такую форму графического или электронного представления местности можно назвать дискретной, в то время как трехмерная модель по своей сути является непрерывной.

››› Точность и достоверность.

По точности трехмерные модели не уступают, а в ряде случаев превосходят, традиционные карты и планы. Например, метод трехмерного лазерного сканирования и алгоритмы обработки его данных сами по себе подразумевают, что полученная модель будет более точной, поскольку метрические характеристики объектов определяются не по координатам двух-трех пикетов, а по совокупности множества измерений. Например, если по результатам лазерного сканирования построены две плоскости, отображающие стены здания, то, очевидно, что геометрически линия пересечения двух плоскостей будет определена значительно точнее, чем если бы координаты угла здания были получены по одному измерению, тахеометром на отражатель. Кроме того, безотражательный принцип работы сканера исключает ошибку неточной установки отражателя на объект. Запас точности трехмерной модели также вытекает из свойства ее непрерывности, так как плановые координаты и отметки промежуточных точек местности и оборудования можно получить не интерполированием и аппроксимацией, а непосредственным измерением.

Учитывая перечисленные достоинства трехмерных моделей объектов, трехмерные ГИС можно рекомендовать для решения следующих инженерно-технических задач:

оперативное проектирование реконструкции коммуникаций объектов;

трехмерная презентация объектов с визуализацией всех технологических узлов, связей и т.п.;

компьютерное моделирование технологических процессов работы оборудования на заводах, нефте- и газоперерабатывающих площадках и т.п.;

детальное проведение инвентаризации объектов;

оперативный мониторинг состояния оборудования на основе совмещения трехмерной модели с другими видами наблюдений (например, материалами тепловизионной съемки или данными пьезометров

Дата добавления: 2015-06-04