Общие сведения о цифровых и электронных картах

Вычерчивание оригиналов топографических планов и фотопланов

Топографические планы получают в результате проведения съемок и создания съемочных оригиналов.

В настоящее время для создания съемочных оригиналов применяются преимущественно данные тахеометрической съемки, а также аэросъемки и космические спутниковые данные, доступ к которым возможен даже посредством Интернет. Аэросъемка и другие виды наземных съемок (мензульная, теодолитная) в связи с высокими затратами применяются редко.

Тахеометрическая съемка применяется в масштабах 1 : 500 – 1 : 5 000 для небольших участков местности. Во время съемки для каждой станции составляется абрис, представляющий собой план местности, на котором записываются и зарисовываются данные, относящиеся не только к ситуации, но и к рельефу.

Данные съемки обрабатываются с помощью программных средств, по абрису и таблицам условных знаков выполняется составление топографических планов.

Составление съемочных оригиналов выполняется в следующей последовательности:

1) опорные пункты и ориентиры;

2) гидрография;

3) населенные пункты и промышленные объекты;

4) пути сообщения;

5) линии связи: нефтепроводы, ЛЭП и др.;

6) контуры почвенно-растительных покровов;

7) рельеф;

8) зарамочное оформление.

Оформление фрагмента начинают с выполнения внутренней рамки, по которой ориентируют условные знаки. Затем последовательно наносят условные знаки опорных пунктов, гидрографии, населенных пунктов, дорожной сети и их сооружений, границ и ограждений, растительного покрова и рельефа. Далее выполняются внешняя рамка с надписями и зарамочное оформление.

Электронная карта. Векторная или растровая карта, сформированная на машинном носителе (например, на оптическом диске) с использованием программных и технических средств в принятой картографической проекции, системе координат и высот, условных знаках, передающих требуемое содержание, и предназначенная для отображения совместно со специальной (статистической) информацией, анализа и моделирования, а также решения информационных и расчетных задач.

Цифровая карта. Цифровая модель земной поверхности, сформированная с учетом законов картографической генерализации в принятых для карт проекции, разграфке, системе координат и высот (ГОСТ 28441-90).

Различные виды картографической продукции в виде электронных и цифровых карт широко используются при оперативном управлении промышленностью, транспортом и сельским хозяйством, анализе социальных процессов, планировании использования материальных и природных ресурсов, поиске полезных ископаемых, мониторинге экологической обстановки, принятии решений в чрезвычайных ситуациях. Эти средства картографического обеспечения позволяют получать новые знания о земной поверхности, местности, характеристики ее элементов и объектов (например, плотность населения, густота дорожной или речной сети, количество объектов определенных классов, данные о расстояниях и площадях).

По существу различные карты (картографические модели) являются образно - знаковым, математически определенным и генерализованным отражением реальной трехмерной местности. Изображение динамики происходящих событий (обстановки), привязанное к карте или другой картографической модели, имеет и четвертое измерение - время. Таким образом, важнейшим преимуществом карт, особенно электронных карт, является их способность передавать информацию об обстановке в режиме реального времени.
Требования к электронным и цифровым картам, вытекают из перечня решаемых в ней задач. Картографическое обеспечение системы создается как единая информационная база на всю территорию страны или отдельные регионы. Включение в него данных о текущих изменениях объектов и явлений значительно расширяет возможности системы: она становится пространственно-временной (многомерной).

Одним из основных требований является обеспечение системы картографической информацией для изучения страны и ее регионов. Картографическая информация должна характеризовать важнейшие объекты. Полная и достоверная картографическая информация должна передаваться в простой и наглядной форме. Объем картографической информации, циркулирующей в системе, определяется характером решаемых задач. Поскольку в современных условиях местность изучается преимущественно с использованием различной картографической продукции, все эти средства картографического обеспечения должны позволять получать наглядное, доходчивое и обобщенное отображение местности с наименьшими затратами времени для уяснения необходимых сведений и их оценки. Картографический способ передачи информации о местности должен обеспечивать не только изучение территории страны и ее регионов, но и выполнение расчетов и моделирование ситуаций.

Картографические проекции, применяемые при создании карт, должны обеспечивать сплошное (без разрывов) картографирование отдельных регионов и значительных по протяженности территорий, а также максимально возможной для отображения на плоскости части земной поверхности с минимальными искажениями углов, линий и площадей.

Масштабный ряд карт должен обеспечить отображение местности с детализацией и точностью, необходимой для решения задач всеми пользователями. В соответствии с масштабом карты должны достоверно и полно отображать современное состояние местности, ее типичные черты и характерные особенности, а также обеспечивать нанесение элементов оперативной информации и определение координат объектов. Они должны наглядно выделять главные элементы и объекты, позволять быстро оценивать местность и ее свойства. В целях упрощения обмена информацией между различными пользователями, унификации средств передачи информации, система карт должна быть максимально возможно согласована по содержанию и унифицирована по математической основе, условным знакам и форматам листов.

С позиций теории познания, электронная или цифровая карта должна рассматриваться как пространственная, математически определенная и генерализованная образно-знаковая модель действительности. В качестве модели она должна служить средством познания структуры изображаемых на ней явлений и процессов, их взаимной связи, динамики во времени и пространстве.

Содержание карт должно быть полным, достоверным, современным, точным и обеспечивать решение задач в интересах многих пользователей.
Полнота содержания карт означает, что на них должны быть изображены все типичные черты и характерные элементы и объекты местности. Существенное значение для полноты содержания карт разных масштабов имеет согласованный показ на них подробностей местности, а также подписей названий объектов. Карты крупного масштаба должны содержать все элементы, объекты и подписи, имеющиеся на картах более мелкого масштаба.

Достоверность (правильность сведений, изображенных на карте на определенное время) и современность (соответствие современному состоянию отображаемых объектов) карты означают, что содержание карты должно соответствовать местности на момент ее использования.
Требование точности карты (степени соответствия местоположения объектов на карте их местоположению в действительности) состоит в том, что изображенные на ней объекты должны сохранять точность своего местоположения, геометрического подобия и размеров в соответствии с масштабом карты и ее назначением.
Эффективность передачи содержания карты, ее чтения и визуальной оценки информации о местности зависит от используемой системы изобразительных средств - условных знаков. Основными требованиями, предъявляемыми к условным знакам, являются: передача максимального объема информации об изображаемых на картах объектах и явлениях минимальным количеством условных знаков; достижение наибольшей точности и подробности, наглядности картографического изображения и легкости его запоминания; обеспечение автоматизированного считывания, обработки и воспроизведения картографического изображения. Важным средством повышения наглядности картографического изображения, передачи качественных и количественных характеристик объектов служит цвет.
Цветовое оформление карт должно осуществляться с учетом требований потребителей и законов психологии восприятия сочетаний цветов на карте, образующих цветовую гамму картографического изображения. Используемые на карте цвета должны способствовать максимальному расчленению различных элементов ее содержания. Цветовая гамма карты должна обеспечивать наибольший цветовой контраст с изображением оперативной информации, статистических и других данных.

Электронные карты (ЭК) классифицируются:

1)по видам использующих их автоматизированных систем:

- для использования в автоматизированных системах управления (АСУ);

- для использования в автоматизированных системах навигации (АСН): наземной, воздушной, космической;

- в автоматизированных системах народнохозяйственного значения.

2) по назначению:

- для решения расчетных задач отображения и моделирования оперативной информации и местности;

- для задач отображения обстановки и местности на экранах коллективного и индивидуального пользования.

3) по видам и масштабам:

- электронные планы городов масштабов 1:10 000,1:25 000;

- электронные топографические карты масштабов 1:25 000, 1:50000, 1:100 000, 1:200 000, 1:500 000, 1:1 000 000;

- электронные авиационные карты масштабов 1:500 000, 1:1 000 000, 1:2000 000, 1:4 000 000;

-электронные тематические карты.

4) по способам представления (изображения) информации:
-двухмерные модели (х,у);

-трехмерные модели (х,у,Н);

-четырехмерные или пространственно-временные модели (x,y,H,t).

5)по формам представления:

-векторные;

-растровые.

В народнохозяйственных системах электронные карты должны обеспечить оперативное управление народнохозяйственным 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 кадастров.

В автоматических системах управления электронные карты должны позволять в реальном времени оценивать обстановку и принимать решение, ставить задачи и организовывать взаимодействие, изучать географические особенности регионов, территорий и местность, а также выполнять необходимые расчеты при оценке обстановки, планировании, моделировании действий, определении свойств местности, прогнозировании изменений местности, определении координат объектов на местности.

В автоматических системах навигации электронные карты должны обеспечивать наземную, воздушную и космическую навигацию.

Вопросы использования электронных карт в системах народнохозяйственного назначения в общем случае решаются разработчиками этих систем в соответствии с предъявляемыми к ним требованиями, в том числе в части определения содержания и структур картографических баз данных этих систем, способов совместного использования информации о местности со специальной информацией (обстановкой), решения расчетных задач.

Форма цифрового представления электронных карт - векторная и растровая.
Под векторной формой понимается способ представления метрической картографической информации в виде набора векторов заданной длины и ориентации.

Под растровой формой понимается способ представления картографической информации в виде матрицы, элементами которой являются значения кодов цвета карты.

Процесс создания электронных карт включает следующие основные этапы:

1) автоматизированное преобразование исходной картографической информации в цифровую форму;

2) символизация цифровой картографической информации и автоматизированное составление электронных карт;

3) разработка пользовательской системы управления базами данных для работы с электронными картами.

На первом этапе решается задача получения на основе имеющихся исходных картографических материалов (аэрокосмических снимков, расчлененных оригиналов и цветных тиражных оттисков карт) векторной цифровой модели карты - основы электронной карты.

Эта задача решается следующими основными методами:

1) методом цифрования исходных картографических материалов на планшете (цифрователе) путем отслеживания контуров объектов, подготовки и ввода семантики, структуризации цифровой информации;

2) методом сканирования исходных картографических материалов с последующей автоматической или интерактивной векторизацией и распознаванием растрового изображения на экране дисплея, ввода требуемой семантики и структуризации цифровой информации.

При этом для автоматизации распознавания и векторизации растрового изображения целесообразно использовать аппарат картографической экспертной системы для настройки и обучения программного обеспечения на заданные параметры распознаваемых элементов и объектов местности и карты. Реализуемые в настоящее время сканерные технологии автоматизированного получения векторной цифровой информации обеспечивают автоматизацию распознавания порядка 90% по рельефу, 50-60% по гидрографии и растительному покрову при использовании издательских оригиналов карт. Ориентировочная производительность - 70-100 часов на один номенклатурный лист.

На втором этапе решаются задачи:

- символизации векторной модели;

- составления электронной карты по уровням нагрузки;

- контроля и редактирования символизированных электронных карт;

- получения архивной графической символизированной копии электронной карты.

Сущность процесса символизации состоит в присвоении каждому объекту кода (N) соответствующего условного знака из библиотеки условных знаков по классификационному коду, характеристикам объектов и их значений. Этот процесс выполняется автоматически в зависимости от масштаба и вида электронных карт. При этом создается унифицированная библиотека условных знаков и шрифтов. Каждый условный знак имеет свое цифровое описание - векторное или (и) растровое. Кроме этого для последующей визуализации готовится массив последовательности вывода картографического изображения.

Одной из существенных характеристик ЭК является уровень нагрузки. Исходное изображение, например, для электронной карты масштаба 1:50000 принимается за базовое. Далее каждому объекту в зависимости от его значимости присваивается один из уровней нагрузки (1,2,3,4). Такой подход обеспечивает читаемость картографического изображения на экране дисплея практически при любом его территориальном охвате (окне) в пределах всего номенклатурного листа.

Составление электронной карты по уровням нагрузки реализуется на экране дисплея в интерактивном режиме по окнам, начиная от наименьшего окна, в пределах которого читаются все объекты, с последующим увеличением размеров окон по методу квадродерева. При этом обеспечивается согласование нагрузки и сводка объектов между окнами как в пределах одного номенклатурного листа, так и между соседними номенклатурными листами для каждого уровня нагрузки. Для решения этой задачи целесообразно использовать аппарат экспертных систем для принятия решения по оптимизации отбора объектов по уровням нагрузки с учетом целого ряда факторов. При этом требуется аппарат установления пространственно - логических связей.

В процессе составления электронных карт по уровням нагрузки осуществляется программный и визуальный контроль и редактирование информации, которое, в основном, сводится к размещению подписей объектов. Процесс создания электронных карт завершается получением символизированной графической копии последовательно для каждого уровня нагрузки, начиная с первого (с наиболее значимыми объектами).

Формирование электронных карт осуществляется в универсальной структуре данных, обеспечивающей возможность записи векторной информации как в последовательном, так и в цепочно-узловом представлении, в растровом виде, справочной информации, а также формирование сегментов данных пользователей. Технология реализуется на комплексе автоматизированных рабочих мест, объединенных в локальную вычислительную сеть.

Информационное обеспечение технологии создания системы электронных карт включает:

- систему классификации и кодирования картографической информации;
- правила цифрового описания картографической информации;
- систему (библиотеки) условных знаков электронных карт;
- формат данных электронных карт.

К основным методам создания электронных карт относятся:

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

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

- методы многосредного (multimedia) программного обеспечения;

- методы экспертных систем;

- методы установления пространственно-логических связей.

Все основные качества и преимущества электронных карт проявляются при их использовании. Поэтому наряду с собственно электронными картами потребителю может выдаваться системы управления базами данных электронной карты, которая реализует следующие основные задачи:

1) создание и ведение базы данных электронной карты;

2) работа с картографическим изображением:

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

- управление динамическим окном, уровнями нагрузки визуализируемого изображения;

- получение справок об объектах местности;

- редактирование изображения;

- ведение классификатора и библиотеки условных знаков;

- формирование, хранение, нанесение на электронных картах пользовательских слоев и их редактирование;

- ведение пользовательских классификаторов о библиотеке условных знаков (например, библиотеки специальных условных знаков);

- вывод картографического изображения совместно со спецнагрузкой на графопостроители и другие устройства.

3)связь со стандартными базами данных;

4)пользовательский интерфейс по решению прикладных информационных и расчетных задач (расчет матрицы высот рельефа, построение профилей местности, зон видимости, определение координат и высот в точке, расстояний, азимутов).

Следует отметить, что технология создания электронной карты и пользовательской системы управления базами данных реализуется на одних и тех же программных модулях, что позволяет унифицировать программное и информационное обеспечение в целом.