Лекция 5. Гис-технология создания цифровых тематических карт

Планы и карты в большинстве случаев создают двумя методами: по результатам наземных геодезических съемок и с использованием материалов дистанционного зондирования местности. К таким материалам относят полутоновые как цветные, так и черно-белые космические или аэрофотоснимки, полученные с помощью различных аэрофотосъемочных систем, устанавливаемых на борту искусственных спутников Земли, космических станций, самолетов, вертолетов, дельтапланов и пр.

Комплекс работ по созданию земельно-ресурсных (в том числе и земельно-кадастровых) карт осуществляют по определенной технологической схеме, обобщенная блок-схема которой показана на рисунке 4.4. Основные крупные блоки:

фотограмметрическая подсистема, при помощи которой осуществляются ввод и преобразование полутоновых цветных или черно-белых снимков, обработка или выдача конечной продукции в виде ортофотопланов (полутоновые изображения участка местности в ортогональной проекции) или штриховых кадастровых планов;

подсистема цифрования ортофотопланов и карт, при помощи которой преобразуются в цифровой вид имеющиеся планы и карты;

подсистема цифровой обработки, хранения и отображения картографической информации, которая служит для создания цифровой модели местности (ЦММ) путем преобразования растровых изображений в векторную форму, формирования тематических слоев, создания специальных хранилищ информации (баз данных) и электронных карт, выдачи готовой продукции в виде цветных земельно-кадастровых и других тематических карт.

Центральным ядром технологической схемы является подсистема цифровой обработки, хранения и отображения графической информации.

Цифровая карта - это цифровое выражение векторного или растрового представления общегеографической или тематической

Рис. 4.4 Блок-схема создания земельно-ресурсных карт

карты, записанное в определенном формате, обеспечивающем ее хранение, редактирование и воспроизведение.

Электронная карта (англ. electronic map) - это картографическое изображение, визуализированное на дисплее (мониторе) компьютера на основе данных цифровых карт или баз данных ГИС, или картографическое произведение в электронной (безбумажной) форме, представляющее собой цифровые данные вместе с программными средствами их визуализации.

Полная цифровая модель объекта цифровой карты, отображающая в определенной системе координат пространственное положение и геометрическое описание объектов карты, включает: геометрическую (метрическую) информацию; атрибуты-признаки, связанные с объектом и характеризующие его; неметрические (топологические) характеристики, которые объясняют связи между объектами (ориентация одного объекта по отношению к другому, наличие общей границы и точек, сложность контуров, наложение одного объекта на другой).

Информация об объекте, содержащаяся в базе данных ГИС, должна состоять из обязательных и необязательных компонентов (табл. 4.1)

4.1. Компоненты информации об объекте

Обязательные	Необязательные
Информация идентификации	Информация интерпретации	Информация положения	Характеристика объекта	Информация о пространственно-логических связях объектов	Графическая информация
Позволяет выделить данный конкретный объект из множества прочих объектов	Позволяет однозначно интерпретировать (трактовать) сущность объекта	Информация, содержащая описание положения объекта, его формы, размеры	Сущность и значение свойств объекта. Могут быть качественными и количественными	Характерные отношения между объектами, определяющие их взаимное пространственное положение	Правила графического отображения объекта и его характеристик на картографическом изображении
Уникальный идентификатор (номер или имя)	Код объекта по классификатору	Метрическая информация. Синтаксис	Семантическая информация (атрибуты). Код и значение характеристики	Топологические отношения. Логические связи	Цвет. Стиль линий. Условные знаки. Шрифты

Не обязательно хранить все атрибутивные данные слоя в одной таблице - информацию из разных источников можно держать в разных таблицах и связывать их логически в одну большую таблицу. Для этого можно использовать одинаковое во всех таблицах и в то же время уникальное в пределах отдельно взятой таблицы поле (номер объекта или его идентификатор), т. е. каждая таблица должна иметь так называемый первичный ключ (индекс) - поле или набор полей, содержимое которых однозначно определяет запись в таблице и отличает ее от других. Связь между таблицами обычно образуется при добавлении в первую таблицу поля, содержащего значения индекса второй таблицы. Благодаря этому становится возможным объединять какие угодно большие объемы данных и при помощи специальных программных средств осуществлять отбор записей, производить группировки, объединения и сортировки, а также поиск в базе данных по запросу пользователя, что не только актуально, но и создает большие удобства пользователю, поскольку не требует перестройки всей БД, достаточно лишь обновить только одну из исходных таблиц.

Логическая связь будет действовать следующим образом: при выделении атрибутной информации объекта в одной таблице, что отобразится во всех других. Таким методом можно связать несколько таблиц не только логически, но и физически "сшить" их в одну большую.

Чтобы система могла свободно оперировать с огромным числом таким образом организованной пространственной информации, ее наборы необходимо определенным образом соотнести с элементами изображения карты. Для этого в большинстве случаев используют метод квантования информации - разделение ее на ряд уровней (слоев). В цифровой картографии данный подход получил название послойного принципа (первый принцип) организации элементов изображения.

Второй принцип организации элементов изображения - объектно-ориентированный, когда объекты группируют в соответствии с логическими связями между ними, с построением различных иерархий и зависимостей.

В наиболее общем виде ГИС-технология создания цифровых карт следующая.

1. Подготовка исходных материалов и ввод данных со следующих источников информации:

с накопителей электронных тахеометров;

приемников GPS;

систем обработки изображений;

на основе дигитализации (цифрования) материалов обследований, авторских или составительских оригиналов, а также имеющихся планово-картографических материалов;

на основе сканирования исходных материалов и трансформирования полученного растрового изображения.

2. Формирование и редактирование слоев создаваемой карты и таблиц к ним, а также формирование базы данных.

3. Ввод табличных и текстовых данных с характеристиками

объектов (атрибутов).

4. Разработка знаковой системы (легенды карты).

5. Совмещение слоев, формирование картографического изображения тематической карты и его редактирование.

6. Компоновка карты и формирование макета печати.

7. Вывод карты на печать.

В картографии насчитывается 11 способов изображения тематического содержания: значковый; линейных знаков; качественного фонда; количественного фонда; изолиний; локализованных диаграмм; знаков движения; ареалов; точечный; картограммы; картодиаграммы.

Такое разнообразие способов вызвано тем, что различные объекты и явления могут изменяться во времени и пространстве, иметь разный характер распространения, а именно - сплошной повсеместный (воздушные массы, почвы), ограниченный по площади (месторождения полезных ископаемых), рассредоточенный (посевы сельскохозяйственных культур), локализованный по пунктам (промышленные предприятия), линейный или полосной (транспортные пути). Для их отображения на тематических картах используют следующие способы изображения объектов и явлений.

Рис. 4.5. Изображение объектов способом значков

Способ значков (рис. 4.5) применяют для изображения объектов, локализованных в пунктах и не выражающихся в масштабе карты (населенные пункты, промышленные предприятия и т. п.). Различают три вида значков: геометрические (простые и структурные), буквенные и наглядные, которые показывают месторасположение объекта, его качественные и количественные характеристики посредством формы, внутреннего рисунка, цвета и размера. Размеры значков не соответствуют площади, занимаемой объектами, они позволяют только определить месторасположение, свойства, динамику объекта.

Рис. 4.6. Изображение линейных объектов способом линейных знаков

Способ линейных знаков (рис. 4.6) применяют для изображения на картах различных линейных объектов, ширина которых не выражается в масштабе карты. К таким объектам относятся границы, реки, дороги и др. Для передачи качественных и количественных характеристик объектов используют рисунок, цвет, структуру линейных знаков.

Способ качественного фона (рис. 4.7) применяют на картах для подразделения территории на однородные в качественном отношении участки, выделяемые по тем или иным природным, экономическим или политико-административным признакам.

Рис. 4.7. Изображение отдельных участков способом качественного фона

Его используют для характеристики явлений, сплошных на земной поверхности (климат, растительность), занимающих на ней значительные площади (почвенный покров) или имеющих массовое распространение (население). Площади раскрашивают разными цветами или различными видами штриховки. Этот способ применяют как основной для оформления почвенных, геоботанических, геологических и других карт.

Способ количественного фона применяют на картах для подразделения территории по одному или нескольким количественным показателям. При этом изображенную на карте территорию разделяют на отдельные участки в соответствии со значениями показателя. Для каждого участка указывают количественную характеристику показателя согласно установленной ступенчатой шкале. Так же, как и для способа качественного фона, на карте используют окраску (или штриховку) участков территории различными цветовыми тонами. В отличие от способа качественного фона окраску выполняют разными по насыщенности тонами одной цветовой гаммы. С увеличением количественного значения показателя увеличивается насыщенность тона.

Способ количественного фона применяют, например, на агрохимических картах (содержание в почвах подвижного фосфора, обменного калия).

Способ изолиний (рис. 4.8) применяют для изображения на картах явлений, имеющих сплошное, непрерывное и при этом более или менее плавное распределение на значительной территории. Изолинии - это линии равных значений какого-либо количественного показателя (изогипсы, изотермы, изобаты и т. п.). Это очень удобный, гибкий и высокоинформативный способ изображения. Он позволяет передать не только количественные характеристики явлений, но и их динамику, перемещение, связь одних

явлений с другими. Изолинии применяют для реальных непрерывных (рельеф суши и морского дна, температура, количество осадков) и условно-непрерывных (плотность населения, густота овражно-балочной сети) явлений. В этом случае их называют псевдоизолиниями, т. е. изолиниями условно-абстрактных расчетных показателей.

Рис. 4.8. Изображение рельефа местности способом изолиний

Способ локализованных диаграмм (рис. 4.9) - способ изображения, при котором диаграммы привязаны к определенным пунктам. Но при этом характеризуют не только эти пункты, но и прилегающую к ним территорию.

Например, локализованные диаграммы, показывающие динамику метеорологических явлений. Они относятся к пунктам расположения метеостанций и дают представление о климате данного района.

Способ знаков на картах пространственных перемещений (морских течений, перевозок). Этим способом можно изображать различные объекты, например точечные (движение отдельного корабля), линейные (перемещение атмосферных фронтов), площадные (перемещение ледников), а также направления, количество, скорость перемещения, структуру перевозимого груза и другие данные. Для отображения применяют стрелки (векторы) и полосы (эпюры) разного цвета, рисунка, ширины.

Способ ареалов (рис. 4.11) применяют в тех случаях, когда необходимо обозначить район, в пределах которого распространены те или иные однородные объекты (полезные ископаемые, сельскохозяйственные культуры, животные и т. д.). Для передачи ареала на карте используют различные приемы: ограничение ареалов сплошной или пунктирной линией, окраску ареала, штриховку, надписи в пределах ареала, отдельный рисунок или иные графические приемы для указания пределов распространения явления.

Рис. 4.12. Изображение размещения посевов кукурузы и пшеницы точечным способом

Точечный способ (рис. 4.12) - способ изображения на картах явлений рассеянного распространения, неравномерно размещенных на обширных площадях. Для реализации этого способа на карте используют большое число точек. Каждая из них имеет определенный "вес". Например, одна точка соответствует 500 га посевов пшеницы или 1000 голов крупного рогатого скота. С применением точечных обозначений разного размера или цвета на карте достаточно подробно в качественном и количественном аспектах отображают разные явления, их структуру и размещение на территории.

Способ картограммы (рис. 4.13) применяют для отображения относительных показателей по ячейкам территориального, чаще всего административного деления. Относительными показателями могут быть: густота (поселений, речной сети), плотность (населения), доля (земель, посевных площадей) в общей площади района или сельскохозяйственного предприятия.

Показатели изображают на карте окраской или штриховкой в пределах административно-территориальных единиц. С увеличением значения показателя увеличивается насыщенность цветового тона.

Способ картодиаграмм (рис. 4.14) применяют для изображения абсолютных показателей в пределах административно-территориальных единиц. Такими показателями могут быть число жителей по районам, сельскохозяйственным предприятиям или площади под сельскохозяйственными угодьями, культурами и т. д. Для графического оформления на карте используют диаграммные знаки в виде окружностей, квадратов или других геометрических фигур, размеры которых зависят от значения показателя.

Рис. 4.14. Изображение площадей и видов сельскохозяйственных угодий способом картодиаграмм

Картодиаграммы могут быть линейными (столбчатыми), когда длина столбца пропорциональна значению показателя; площадными, когда площади пропорциональны сравниваемым величинам, и объемными. Среди вышеперечисленных различают структурные картодиаграммы, изображающие составные части показателя, а также совмещенные.

Материалы к Лекция 6. СОЗДАНИЕ ТЕМАТИЧЕСКИХ КАРТ СРЕДСТВАМИ ГИС MAPINFO.

Наиболее важным является этап формирования тематических слоев, разработку которых рассмотрим на примере популярной геоинформационной системы MapInfo.

Особенность ГИС MapInfo - ее универсальность, так как система позволяет:

просматривать и обрабатывать графические изображения;

осуществлять поиск по запросу и редактирование карт;

производить построения картографических символов, диаграмм, работать с базами данных;

производить подготовку к печати и печать карт.

Система имеет три возможных типа окна для просмотра данных: текстовое, картографическое и графическое. На экране монитора одновременно могут присутствовать окна различного типа. Например, пользователь может наблюдать картографическое окно, показывающее изображение улиц города, и одновременно просматривать табличные данные, относящиеся к ним, в текстовом окне. Окно, имеющееся на экране, является активным. Если окон больше одного, то они объявляются связанными, так называемыми "горячими окнами". Это означает, что графический объект, соответствующая табличная запись которого выбрана в текстовом окне, будет показан в картографическом, и наоборот.

Текстовое окно имеет вид таблицы, подобной электронной, со строками и столбцами. Каждая строка представляет собой запись, и каждая колонка определяет поле записи. Система позволяет добавлять, редактировать и уничтожать записи. Пользователь может отбирать нужные столбцы для просмотра в окне и менять их размер. Картографическое окно при показе использует послойное изображение, как это принято во многих других ГИС.

Характеристики каждого слоя могут быть показаны выборочно, отредактированы, показаны в порядке, устраивающем пользователя. Внешне картографическое окно оформляется так же, как и текстовое, оно снабжено возможностями горизонтальной и вертикальной прокрутки для показа соседних областей.

Графическое окно используется для работы с объектами типа точка, линия, полигон и т.п.

MapInfo имеет развитые средства генерации отчетов, построения графиков и диаграмм, составления статистических карт. Система позволяет создавать иллюстративные тематические карты, имеет библиотеку условных знаков, шрифтов и заполнений, допускает использование шкал для отображения качественных и количественных зависимостей, описанных в полях базы данных (значение ступени шкалы задается пользователем), а также позволяет формировать легенду карты, снабжать ее подписями, редактировать изображение.

MapInfo - векторная система, использующая для ввода наиболее распространенные типы интерфейсов, что позволяет применять множество современных устройств ввода (дигитайзеров и сканеров). В системе предусмотрена корректировка графических данных в интерактивном режиме, условные знаки выбираются из соответствующей библиотеки. Имеется библиотека шрифтов и заполнений.

До начала составления карты необходимо определить конечный вид получаемой продукции (определить назначение карты, ее масштаб, характеристики картируемой территории, перечень элементов содержания с одновременной их классификацией по степени важности и подробности отображения, определить источники информации).

Подготовка исходных материалов при составлении карты с помощью ГИС-технологий осуществляется с помощью цифрования картографических материалов.

Цифрование может осуществляться двумя способами: дигита-лизацией картографических материалов при помощи специальных устройств с получением изображения в векторном виде или путем сканирования материалов с дальнейшей векторизацией растровых данных.

Цифрование слоев содержит некоторые особенности. Так, цифруя исходные картографические материалы по элементам содержания, необходимо различать внутри каждого элемента следующие подуровни: полигон (объекты, представляющие собой полигон); дуга (объекты, представляющие собой дуги); точка (точечные объекты).

Например, полигон - озера, водохранилища; дуга - реки; точка - источники минеральных вод и т. д.

В MapInfo реализованы только некоторые из способов картографического изображения, описанных выше: способу качественного фона соответствует способ "Отдельные значения"; способу картограммы - "Диапазоны значений"; точечному способу - "Плотность точек"; значковому - "Размерные символы"; способу изолиний - "Поверхность"; способу картодиаграммы - "Столбчатые и круговые диаграммы".

При разработке карты способом "Отдельные значения" MapInfo позволяет тематически выделять точки, линейные и площадные объекты по отдельным значениям из заданного поля таблицы.

Программа присваивает каждому значению свой цвет, который при желании можно поменять вручную. Выделение можно производить по числовым или нечисловым значениям. Способ применяют при составлении карт растительности, почвенных, землеустройства, административных и др.

Административные округа г. Москвы, изображенные на приведенном слое карты, показаны цветом (на рисунке - оттенки серого). Данный слой был создан путем автоматического присвоения цветового тона каждому значению (названию округа) в атрибутивной таблице слоя "Автономные округа" (рис. 4.15).

Слой карты "Диапазоны значений", показанный на рисунке 4.16, отображает ставки земельного налога по территориально-экономическим зонам г. Москвы. При использовании способа "Диапазоны значений" MapInfo группирует записи с близкими значениями тематической переменной и присваивает созданным группам единые цвета, типы символов или линий. Способ используют при изображении на картах относительных картографических показателей по административным или территориально-хозяйственным единицам, т. е. при составлении карт плотности населения, доли земель в общей площади района или области, а также агрохимических карт по хозяйственным или территориальным единицам и др.

При разработке слоя способом "Поверхность" MapInfo отображает тематические данные в виде растровой поверхности с непрерывной цветовой раскраской карты.

Тематические карты поверхности используются во многих геоинформационных системах и других программах, где точечные данные имеют какое-либо числовое значение, относящееся к месту дислокации этих точек. Например, можно использовать тематическую растровую поверхность для иллюстрации изменений температуры, толщины снежного покрова или изображения рельефа топографической поверхности. Приведенный ниже пример показывает участок рельефа, изображенный изолиниями с послойной окраской (рис. 4.17).

Слой "Размерные символы" можно использовать для любых типов графических объектов на карте. Наилучшим образом этот тип подходит для отображения числовых данных. При создании карты способом "Размерные символы" можно настраивать три следующих атрибута: цвет, тип и предельные допустимые размеры символов. Чтобы изменить любой из этих атрибутов, надо нажать на кнопку символа в диалоге "Настройка размерных символов". Появится диалог "Стиль символа". Стандартный вид размерных символов - красные кружочки. При настройке допустимых размеров символов появляются окошки, содержащие значения данных и соответствующие им размеры символов. При построении карты используются все размеры символов - от нуля до указанного максимального размера. Чтобы малым значениям соответствовали более крупные символы, следует увеличить их допустимый максимальный размер. Можно отображать символами даже отрицательные значения. В отдельном окошке можно выбрать символы, которые бы отличались по виду от символов, сопоставляемых с записями с положительными значениями. При этом появляется новый диалог "Стиль символа", в котором можно выбрать тип символа, изменить его цвет и/или допустимый размер. Стандартный вид размерных символов, изображающих отрицательные значения, - синий кружок. Способ используют при составлении карт численности населения по городам или округам и др.

Тип "Плотность точек" используют, чтобы отобразить на карте данные, сопоставленные с некоторой областью или территорией. Общее число точек внутри каждой из областей обозначает значение, которое соответствует этой области. Карта со слоем "Плотность точек", приведенная ниже (рис. 4.18), показывает сумму поступивших платежей за аренду земельных участков по административным округам Москвы.

В этом слое объекты, представленные точками, показывают расположение и характеризуют размер поступивших платежей в каждом округе. Способ также используют для создания карт посевов сельскохозяйственных культур, карт плотности населения, животноводства и др.

При создании тематической карты методом "Плотность точек" можно регулировать значение, изображаемое одной точкой, вводя понятие "веса" точки. Точки внутри областей расставляются случайным образом.

Тип "Круговые диаграммы" позволяет анализировать значения нескольких тематических переменных одновременно. На такой карте значения переменных определяют размер соответствующего сегмента диаграммы, его можно сравнивать с другими сегментами в той же диаграмме или с аналогичными сегментами в других диаграммах.

На слое с типом "Круговые диаграммы" (рис. 4.19) отображено целевое назначение земель по административным округам Москвы. Размер кружка показывает общую площадь земель в округе. Секторы в диаграмме обозначают различные категории земель, а площади секторов - относительную площадь этих земель в общей структуре землепользования.

Далее необходимо осуществить процесс настройки тематического слоя. Под термином "настройки" в MapInfo понимается процедура разработки числовых и графических шкал, а также определение стилей оформления объектов, принадлежащих каждому диапазону.

В зависимости от метода создания карты и выбранного способа изображения тематического содержания полуавтоматическая разработка числовых шкал легенды в MapInfo возможна следующими пятью методами: "Равное количество записей", "Равный разброс значений", "Естественные группы", "На основе дисперсии" и "Квантование". Диапазоны можно также задать вручную.

Метод "Равное количество записей" создает диапазоны с одинаковым числом записей в каждом из них в зависимости от установленного порядка округления, т. е. в каждый диапазон будет включено примерно равное число картографируемых показателей.

Метод "Равный разброс значений" разбивает записи на диапазоны, исходя из разброса значений данных.

Методы "Естественные группы" и "Квантование" позволяют анализировать неравномерно распределенные данные.

В режиме "Естественные группы" диапазоны создаются с помощью алгоритма, использующего среднее значение в каждом диапазоне для того, чтобы добиться наиболее равномерного распределения данных в пределах каждого диапазона. Значения распределяются таким образом, чтобы среднее значение в каждом диапазоне было как можно ближе к каждому из значений в данном диапазоне.

Метод "Квантование" позволяет строить диапазоны, определяющие распределение тематической переменной по некоторому сегменту данных. Например, можно применить режим "Квантование" к населению области по отношению к численности городского населения, чтобы показать, как распределено городское население на территории России.

При использовании метода "На основе дисперсии" два средних диапазона разделяет среднее значение, а размер этих диапазонов равен стандартному отклонению (дисперсии).

На окончательном этапе осуществляются компоновка карты и формирование макета печати.

Дата добавления: 2014-01-07