Электронные карты.
Цель создания.
Развитие методов цифрового картографирования привело к появлению так называемых электронных карт (ЭК). Они представляют собой динамическую визуализацию цифровых карт при помощи видеомониторов и соответствующего программного интерфейса.
Основой для создания и обновления электронных карт являются изображения, которые получаются при съемке местности специальной аппаратурой, размещенной на борту воздушно-транспортных средств.
Электронную карту можно рассматривать как многокомпонентную модель реальности. Основными целями ее создания являются:
· графическая коммуникация пространственных отношений и распределений;
· улучшение возможности анализа, обработки и отображения геоинформационных данных;
· визуальное отображение цифровых моделей явлений, не видимых для человеческого глаза;
· автоматизация отображения и картографического анализа в системах управления;
· исследование объектов, явлений и процессов с учетом динамики их развития и возможного использования;
· получение экспертных решений в графическом виде в режимах реального и разделенного времени.
Цифровая картографическая информация (ЦКИ) является частью информационной основы ГИС и обусловливает возможности ЭК при геомоделировании.
Визуализация пространственных данных в форме ЭК исполняет роль интерфейса, обеспечивающего пользователю динамическое двустороннее взаимодействие с базой пространственных данных.
Принципы построения. Свойства ЭК.
Для электронных карт, как и для традиционных, характерны следующие принципы построения и свойства:
· пространственно-временное отображение геоинформационных объектов реального мира;
· системность отображения главных элементов с учетом генезиса, структуры и иерархии объектов;
· избирательность (синтетичность), раздельное представление или выделение характерных особенностей действительности, которые проявляются совместно или изолированно;
· метричность, обеспечиваемая математическими законами построения, точностью составления и воспроизведения карты;
· наглядность, возможность зрительного восприятия пространственных форм, размеров, связей, воспроизводимых с эффектами освещения и текстуры поверхности, изображаемых объектов;
· обзорность, возможность охвата обширных пространств с выделением главных элементов содержания при учете генерализации и взаимосвязей;
· возможность тематической направленности.
К электронной карте как средству, построенному на принципах цифрового моделирования и использующему ЦММ, предъявляются следующие требования:
· структурная определенность и моделепригодность;
· возможность многоцелевого использования;
· наличие набора форм представления графической информации;
· возможность построения динамических моделей и наличие анимационных свойств;
· формирование картографического изображения в интерактивном и автоматизированном режимах;
· возможность интеграции геоинформации с данными дистанционного зондирования.
Электронная карта как автоматизированная система характеризуется качественно новыми свойствами при обработке пространственной информации:
· автоматическое поддержание информационного поля в различных временных режимах;
· комплексное изображение совместно обрабатываемых априорных и оперативных данных. Например, в навигационных системах на картооснове могут отображаться данные координирования и радиолокационная ситуация;
· оперативная селекция данных и построение изображения, синтезированного на основе послойного представления данных;
Системы электронных карт можно рассматривать как специализированные информационные системы, ориентированные на визуализацию картографических данных. Технологически такие системы могут функционировать независимо и образовывать некие специализированные ГИС либо входить как подсистемы в глобальные ГИС.
Хотя электронные карты как модели картографической информации относятся к классу динамических моделей, они могут создаваться в двух режимах: в режиме разделения времени (например, электронные атласы) - аналоги обычных карт и в режиме реального времени (навигационные системы).
Такие особенности электронных карт объясняются следующими факторами:
1. Обычная аналоговая карта не допускает существенного ее изменения. Это обусловлено тем, что в ее основе заложена невариабельная статическая модель данных. В электронной карте форма и содержание визуализируемой информации варьируются неограниченно.
2. Электронная карта реализует мобильную или адаптивную модель данных, позволяющую настраивать состав, объем и форму отображаемых данных в соответствии с запросами пользователя.
3. В отличие от обычных карт ЭК представимы в различных картографических проекциях благодаря набору трансформационных методов, что создает возможность дополнительного анализа и сопоставления, т.е. повышает уровень автоматизации и производительности исследований.
Режимы реального масштаба времени являются основой в технологиях электронных карт. Это накладывает повышенные требования к вычислительным ресурсам таких систем, а именно к компактности оборудования в сочетании с высоким быстродействием.
В отличие от многих ГИС в ЭК корректировка и визуализация данных осуществляются без прямого участия человека-оператора.
Метод создания ЭК.
Основной метод создания электронных карт - математико-картографическое моделирование содержания, нагрузки и условных знаков с использованием визуальной оценки получаемого изображения.
Технология создания электронных карт зависит от их вида; требований, предъявляемых к их точности, содержанию и условным знакам; исходных картографических данных; снимков; структур входных/выходных информационных массивов.
Электронные карты можно сравнить с набором справочников, которые должны храниться в библиотеках (банках данных), содержать подробную информацию, занимать минимальный объем и быть доступными в кратчайший период времени.
Электронные карты позволяют применять интерактивный режим работы с картографическими данными, описаниями и оперативной информацией. Это создает возможность в процессе планирования или проведения исследований по картам оперативно вторгаться в процесс проектирования карты и задавать новые проектные критерии, решения или ограничивающие условия.
Электронные карты создаются в соответствии с технологией, принципами и правилами цифрования. Данные в ГИС организуются различными способами. Наиболее распространённым является послойный принцип: все кадастровые объекты карт разнесены на разные слои и имеют разные характеристики в соответствии с классификатором.
Слои являются типом картографических моделей, которые построены на основе объединения (типизации) пространственных объектов (или набора данных), имеющих какие-либо общие свойства или функциональные признаки. Такими свойствами могут быть: принадлежность к одному типу пространственных объектов (жилые здания, подземные коммуникации, административные границы и т. д.); отображение на карте одним цветом; представление одинаковыми графическими примитивами (линиями, точками, полигонами) и т.д.
Классификатор объектов векторных карт городов РФ:
Объект |
Слой |
Цвет |
Стиль |
Толщ. |
Характер локализации |
Граница города |
10 |
3 |
4 |
6 |
линейный |
ВУЗ |
15 |
3 |
0 |
6 |
точечный |
Граница района |
20 |
5 |
7 |
3 |
линейный |
Гидрография |
25 |
1 |
0 |
0 |
линейный |
Железные дороги |
30 |
0 |
0 |
2 |
линейный |
Автомагистраль |
31 |
6 |
0 |
1 |
линейный |
Жилые кварталы |
35 |
4 |
0 |
1 |
комплексный |
Промышленные кварталы |
36 |
14 |
0 |
1 |
комплексный |
Более перспективным является бесслоевой объектно-ориентированный подход к представлению объектов на цифровой карте. В соответствии с ним объекты входят в классификационные системы, которые отражают определённые логические отношения между объектами предметных областей. Группировка объектов разных классов для разных целей (отображения или анализа) производится более сложным способом, однако, объектно-ориентированный подход более близок к характеру человеческого мышления, чем послойный принцип. Следование ему ведёт к более продуктивным построениям данных в ГИС при решении самых сложных задач. Граница сложности задач, решаемых с помощью простой "послойной" технологии организации данных ГИС, лежит значительно ниже, чем при использовании объектно-ориентированной технологии.
В качестве отдельных слоев можно объединять данные, полученные в результате сбора первичной информации. Принадлежность объекта или части объекта к слою позволяет использовать и добавлять групповые свойства объектам данного слоя. А, как известно из теории обработки данных, именно групповая обработка данных является основой повышения производительности автоматизированных систем.
Данные, размещенные на слоях, могут обрабатываться как в интерактивном режиме, так и в автоматическом. С помощью системы фильтров или заданных параметров объекты, принадлежащие слою, могут быть одновременно масштабированы, перемещены, скопированы, записаны в базу данных. В других случаях (при установке других режимов) можно наложить запрет на редактирование объектов слоя, запретить их просмотр.
Многослойная организация электронной карты при наличии гибкого механизма управления слоями позволяет объединить и отобразить не только большее количество информации, чем на обычной карте, но существенно упростить анализ картографических данных путем селекции данных, необходимых для текущего рассмотрения, и применения механизма "прозрачности" электронной карты.
Анализ выводимых на экран промежуточных результатов (слоев), учет динамики исследуемого процесса (или поиска), использование правил пространственно-структурного анализа и образно-зрительных ассоциаций позволяют изменять ход обработки данных и приходить к искомому результату, не имея четкого начального плана исследования.
Современные электронные карты используют набор возможностей мультимедиа, что придаёт им большую выразительность и наглядность по сравнению с обычными картами.
Обмен данными.
Существует большое количество форматов векторных ЭК. Рассматривая эти форматы и способы их применения в России, можно условно выделить два подхода к обмену данными.
Первый подход заключается в применении форматов, которые описывают разные виды объектов с помощью графических примитивов, не используя системы классификации и кодирования объектов. Например, так применяется формат DXF. Он имеет простую структуру и поддерживается многими прикладными системами.
Второй подход состоит в применении системы классификации и кодирования, которая позволяет исключить описание внешнего вида объектов из файлов, предназначенных для обмена и хранения данных. Такой подход гарантирует однозначную интерпретацию объектов при конвертировании данных между этими форматами, в том числе, когда используются разные классификаторы, но их содержимое (т.е. соответствие кодов и объектов) известно.
Имеется
определенная гибкость при конвертировании этих форматов в формат DXF, когда для
одних и тех же объектов можно задать разные графические примитивы по требованию
пользователей информации. Это обеспечивается применением таблиц, содержащих
описание кодов объектов с помощью графических примитивов.
Области применения электронных карт.
Различные городские учреждения занимаются так называемым "дежурством" топопланов крупного масштаба (как правило, от М1:10000 до М1:500). Именно на такие топопланы каждодневно вносятся (дежурятся) различные обозначения объектов, имеющихся на территории города. Любое изменение в проведении инженерных коммуникаций, расположении и форме земельных участков, создании и реконструкции других объектов недвижимости, проводится на городских топопланах. В основном этим занимаются управления архитектуры и градостроительства, а в аспекте земельных участков - земельные комитеты. Цифровые топопланы крупных масштабов М1:2000 и особенно М1:500 столь сложны и перегружены деталями, что частые "подтирания" бумажных топопланов и подрисовки приводят, в конце концов, к тому, что работать с ними топографам и геодезистам становится невозможным. Использование ГИС позволяет решить эту проблему, т.к. дежурство в компьютере позволяет в любой момент распечатать любой топоплан не только в чистовом виде - без помарок, но и сделать это в цвете.
Транспортная задача. Те, кто является счастливым обладателем автомобиля, наверняка имеет в салоне атлас дорог. Конечно, такой атлас - мелкомасштабный, но всё равно его можно было бы заменить компьютером, на дисплее которого этот атлас можно было бы наблюдать даже в процессе движения. Современные ГИС могут решать много транспортных задач.
Городская ГИС будущего будет позволять не только получать по запросу семантическую информацию об объектах на карте, но и прогнозировать развитие территории, позволять руководству города проигрывать варианты директивных решений, возможного строительства нового района города и т.п. При этом ГИС вместе с системой имитационного моделирования сможет показать градостроителям, как перераспределятся нагрузки в городских инженерных сетях, мощность транспортных потоков, как изменится цена объектов недвижимости в зависимости от проведения дополнительных магистралей или постройки нового торгового центра в том или ином районе.
Проблема
моделирования инженерных сетей стоит перед многими городскими службами. В
некоторых случаях решение модельных задач с инженерными коммуникациями схоже с
решением транспортных задач. Однако, наиболее сложными являются задачи
моделирования физических процессов, протекающих в инженерных сетях. Особенную
трудность представляет моделирование нестационарных процессов в газо- и водопроводных (тепловых) сетях. Здесь и проблемы
расчёта гидроудара, в определённых случаях способного
создать аварийные ситуации, и задача определения времени опорожнения
отключенного трубопровода и определение ударных нагрузок при переключениях. В
заводских условиях эти процессы могут создавать опасные аварийные ситуации.
ГИС вместе с моделью территории, дополненной моделями физических процессов,
протекающих в коммуникациях, за счёт моделирования могут облегчить жизнь многим
службам.
Отображение многоуровневых структурных схем. На цифровых картах, особенно крупного масштаба, отображается большое количество объектов различного типа. При этом многие из них отображаются в виде символов. Следовательно, ГИС как и любую развитую графическую систему, можно использовать для рисования различных структурных схем, например, принципиальных электрических схем. При этом по каждому нарисованному объекту можно заносить семантическую информацию, получаемую пользователем по запросу. Фактически схемы инженерных сетей и представляют собой структурные схемы, которые распределены в метрическом пространстве.
Абстрактная карта:
отображение многомерных данных.
Различные многомерные данные, которые являются предметом, например, кластерного
анализа, также могут отображаться в ГИС. Определившись с двумя-тремя независимыми
переменными, можно "направить" их по координатным осям в некотором
абстрактном метрическом пространстве и отображать удивительные карты
распределения зависимых величин как точки (объекты) в этом пространстве.
Моделирование рынка недвижимости. Прямой коммерческий интерес для риэлторских фирм, а также для городской власти, представляет моделирование рынка недвижимости, поскольку недвижимость распределена по территории города, и её (недвижимости) рыночная цена определяется многими факторами, имеющими пространственный аспект (например, транспортная доступность и близость к различным центрам влияния).
Статистический анализ. Статистический анализ вследствие своей общности может дать много более полезные результаты, если будет реализован в среде ГИС, а его результаты будут отображаться непосредственно на цифровой карте страны, области, города, района или квартала.
Возможности
ГИС в плане анализа пространственной информации так велики, что только лишь
одно их перечисление способно занять десятки страниц. Объёмы статьи не
позволяют перечислить их даже частично. Разумнее отослать читателей к
специальной литературе. Проще всего сделать соответствующие запросы в Internet
Литература: