Геоинформационные системы и особенности моделирования земной поверхности
Развитие средств вычислительной техники совместно с достижениями в области космических технологий привели к буму в развитии картографии, связанному с появлением географических информационных систем (ГИС).
ГИС - программно-аппаратный комплекс, предназначенный для сбора, управления, анализа и отображения пространственно-распределенной информации.
Общие задачи ГИС, связанные с анализом и визуализацией данных:
1. Запрос и анализ. При наличии ГИС и географической информации можно получать ответы на простые вопросы типа «Кто владелец данного участка местности?», «На каком расстоянии друг от друга расположены точки земной поверхности?», «Где находится ближайший объект выбранного класса?» и более сложные запросы, требующие дополнительного анализа («Где есть места для строительства новых объектов?», «Как повлияет на транспортные потоки строительство новой железнодорожной магистрали?»).
Задача анализа предполагает применение процессов буферизации и наложения. Буферизация применяется при анализе взаимного расположения объектов друг относительно друга и позволяет ответить на вопросы типа: «Сколько железнодорожных переездов находится в радиусе 50 км от станции?», «Какова интенсивность движения на дороге на участке, находящемся в пределах 5 км от данной транспортной развязки?». Процесс наложения включает интеграцию данных, расположенных в разных тематических слоях. В простейшем случае это операция отображения, но при ряде аналитических операций данные из разных слоев объединяются физически. Наложение, или пространственное объединение, позволяет, например, интегрировать данные о почвах, уклоне, растительности и землевладении со ставками земельного налога.
2. Визуализация. Для многих типов пространственных операций конечным результатом является представление данных в виде карты или графика. Карта - это эффективный и информативный способ хранения, представления и передачи географической информации. ГИС предоставляет новые инструменты, расширяющие и развивающие искусство и научные основы картографии. С ее помощью визуализация самих карт может быть легко дополнена отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками и таблицами, фотографиями и другими средствами, в т.ч. мультимедийными.
3. Принятие обоснованных решений. ГИС - это средство, помогающее ускорить и повысить эффективность процедуры принятия решений, обеспечивающее ответы на запросы и функции анализа пространственных данных, представления результатов анализа в наглядном и удобном для восприятия виде. ГИС помогает, например, в решении таких задач, как предоставление разнообразной информации по запросам органов планирования, выбор оптимальных (с разных точек зрения и по разным критериям) мест для размещения объектов и т.д. Требуемая для принятия решений информация может быть представлена в лаконичной картографической форме с дополнительными текстовыми пояснениями, графиками и диаграммами.
4. Создание карт. Процесс создания карт в ГИС намного более прост и гибок, чем в традиционных методах ручного или автоматического картографирования. Он начинается с создания базы данных. На основе таких баз данных можно создавать карты (в электронном виде или как твердые копии) на любую территорию, любого масштаба, с нужной нагрузкой, с ее выделением и отображением требуемыми символами. В любое время база данных может пополняться новыми данными (например, из других баз данных), а имеющиеся в ней данные можно корректировать по мере необходимости.
На транспорте ГИС могут использоваться для решения трех групп задач:
· управление инфраструктурой и ее развитие;
· управление парком подвижных средств и логистика;
· управление движением.
В настоящее время на железнодорожном транспорте ГИС успешно применяются для управления недвижимым имуществом, управления объектами инфраструктуры (энергоснабжение, путевое хозяйство, сигнализация и связь), слежение за поездами и грузами, анализ грузопотоков, мониторинг и реагирование на чрезвычайные ситуации, информирование пассажиров, маркетинг, оценка рисков, планирование развития сети, распределение средств на ремонт и развитие и т.д.
Основным преимуществом ГИС является наиболее «естественное» (для человека) представление как собственно пространственной информации, так и любой другой информации, имеющей отношение к объектам, расположенным «в пространстве» (т.н. атрибутивной информации).
Пространственная информация в ГИС может быть представлена в растровом и векторном видах. Растр применяется в основном там, где пользователей не интересуют отдельные пространственные объекты, а интересует точка пространства как таковая с ее характеристиками (высотная отметка или глубина, влажность или тип почв, точка принадлежит дороге или находится вне ее и т.п.)
Векторные данные исторически используются в большинстве ГИС для представления информации, которая имеет объектную природу и нуждается в анализе и манипулировании. Наличие атрибутов позволяет интерпретировать информацию, например, как тип почв, гидрологическую сеть или жилые строения. Такая информация обычно хранится в сопутствующих базах данных.
Для большинства ГИС-программ требуется, чтобы данные были представлены в векторной модели, хотя в ряде систем допускается использование растра в качестве «подложки» или в качестве атрибута (иллюстрации), например, таким образом может быть использовано изображение или фотография здания. Многие ГИС используют растровую модель для представления информации о непрерывных полях (рельефе, температуре, давлении и т.п.).
Таким образом, в ГИС данные делятся на две категории:
· пространственные (местоположение);
· непространственные (атрибуты).
Пространственные данные включают географические объекты, представляемые точками, дугами и полигонами, которые хранятся в виде последовательности пар координат х,у.
Точки на карте моделируют точечные объекты окружающего мира: деревья, фонарные столбы и другие предметы, расположение которых описывается единственной точкой.
Дугами являются те реальные объекты, которые можно рассматривать как линии. Дуга состоит из отрезков линий и дуг окружностей. В реальном мире дуга может быть дорогой, рекой, ЛЭП или подземной коммуникацией, например, водопроводной и канализационной системой.
Полигоны - это замкнутые области, которые представляют однородные по некоторым критериям участки. Полигонами обозначают типы почв, избирательные округа, земельные участки или контуры зданий.
Однако, дополнительную информацию, касающуюся пространственных связей между объектами, человек интерпретирует мысленно. Например, по карте городских улиц он может найти необходимый ему маршрут или распознать два смежных земельных участка и улицу, на которой они расположены. Человек интерпретирует эти связи, распознавая связанные линии вдоль маршрута, определяя участки, ограниченные этими линиями, или определяя соседние участки.
На цифровых картах такие связи описываются с помощью топологии. Топология - это математическая дисциплина, занимающаяся определением пространственных связей. Применительно к картам, топология определяет связи между объектами, устанавливает соседство полигонов и представляет один объект, например участок, в виде набора других объектов (например, линий). При использовании топологии данные хранятся более эффективно. Поэтому обработка данных ускоряется, и становится возможным обрабатывать наборы данных больших размеров. При наличии топологических связей можно выполнять различные операции анализа, в частности, моделирование потоков посредством связывания линий в сеть, объединение смежных полигонов с одинаковыми характеристиками и наложение географических объектов. Основные топологические концепции ГИС, как правило, заключаются в следующем:
· дуги соединяются между собой в узлах (связность);
· дуги имеют направление, а также левую и правую сторону (непрерывность).
По определению, внутренние точки (пары х,у), называемые вершинами (vertices), задают форму дуги. Конечные точки дуги называются узлами (nodes). Каждая дуга имеет два узла: начальный узел (from-node) и конечный узел (to-node). Дуги могут соединяться только в конечных точках.
Полигоны представляются последовательностями координат х,у, которые соединяются, образуя границу площадного объекта. Некоторые системы хранят полигоны в этом формате. Другие хранят дуги, определяющие полигон, а не замкнутые наборы пар координат х,у. Список дуг, образующих каждый полигон, в этом случае также хранится и при необходимости используется для создания полигона (например, при его рисовании). Хотя дуга может входить в списки дуг нескольких полигонов, все же каждая из них хранится только в одном месте. Такой способ хранения дуг уменьшает количество данных и исключает перекрывание границ соседних полигонов.
Картографические объекты логически организуются в наборы слоев или тем информации. Базовая карта может быть представлена слоями гидрографии, почв, скважин и административных границ. Кроме того, более мелкие территории, обычно соответствующие листам карты, часто могут комбинироваться в более крупные единицы или «исследуемые области».
Атрибутивные данные могут включать идентификатор объекта, любую описательную информацию, изображение и многое другое. Способы представления атрибутивной информации различны: это может быть числовое значение датчика, таблица из базы данных (как локальной, так и удаленной) о характеристиках объекта, его фотография или реальное видеоизображение.
ГИС - это не только и не столько информационные системы для географии, а информационные системы с географически организованной информацией. В простейшем варианте геоинформационные системы - это сочетание обычных баз данных (атрибутивной информации) с электронными картами. Основная идея ГИС - связь данных на карте и в обычной базе данных.
Но ГИС, как отмечалось выше, - это и аналитические средства для работы с любой координатно-привязанной информацией. В принципе, ГИС можно рассматривать как некое расширение концепции баз данных. В этом смысле ГИС фактически представляет собой новый уровень и способ интеграции и структурирования информации.
В окружающем нас мире большая часть информации относится к объектам, для которых важную роль играет их пространственное положение, форма и взаиморасположение. Поэтому ГИС во многих применениях значительно расширяют возможности обычных СУБД, как минимум предоставляя дополнительные удобства пользования и наглядность, картографический интерфейс для организации запроса к базе данных («Что это?») и средства генерации «картографического отчета» («Где это находится?»). Но ГИС придает обычным СУБД и новую функциональность, использующую пространственные взаимоотношения между объектами («Что рядом?», «Какой путь короче?», «С какими объектами связан или граничит данный объект?», «Какие объекты пересекаются (накладываются), и в какой мере?»).
Связывание объектов и атрибутов. В связывании графических (пространственных) и табличных (описательных) данных заключается преимущество ГИС. Существует три заслуживающие особого внимания характеристики этой связи:
· однозначность («один-к-одному») связи между объектами карты и записями в таблице атрибутов объектов;
· связь между объектом и записью поддерживается с помощью уникального идентификатора, присваиваемого каждому объекту. Для полигонов идентификатор присваивается идентификационной точке;
· уникальный идентификатор физически хранится в двух местах: в файлах, содержащих пары координат х,у, и в соответствующей записи в таблице атрибутов объектов.
Таким образом, номер объекта связывает его атрибуты с координатами, поддерживая связь типа «один-к-одному» между записями координат и атрибутов. После того, как такая связь установлена, можно обращаться к карте для получения атрибутивной информации об объектах или создавать карту на основе атрибутов, хранящихся в таблице атрибутов объектов.
ГИС предлагает новый путь развития картографии. Преодолеваются основные недостатки обычных карт - их статичность и ограниченная емкость как носителя информации. В последние десятилетия бумажные карты из-за перегруженности информацией становятся нечитабельными. ГИС же обеспечивает управление визуализацией информации. Появляется возможность выводить (на экран, на твердую копию) только те объекты или их множества, которые интересуют нас в данный момент. Фактически осуществляется переход от сложных комплексных карт к серии взаимоувязанных частных карт. При этом улучшается структурированность информации, а, следовательно, повышается эффективность ее обработки и анализа.
В ГИС карта становится действительно динамическим объектом в смысле:
· изменяемости масштаба;
· преобразования картографических проекций;
· варьирования объектным составом карты (что выводится);
· возможности "опрашивать" через карту в режиме реального времени многочисленные базы данных;
· изменения способа отображения объектов (цвет, тип линии, символ и т.п.) в зависимости от содержимого баз данных;
· легкости внесения любых изменений.
15.2. Проблемы качества векторных цифровых карт для ГИС
В силу многообразия задач, решаемых с помощью цифровых карт, трудно четко и однозначно определить универсальные критерии их качества. Наиболее общим критерием является способность карт обеспечивать решение поставленной задачи.
Ситуация на рынке цифровых карт такова, что в основном они создаются для конкретного проекта, в отличие от картографии традиционной, где в качестве картосновы проекта выбираются уже существующие карты. Таким образом, чаще всего создание цифровых карт определяется не устоявшимися и проверенными временем инструкциями, а разрозненными и не всегда профессионально составленными техническими заданиями (ТЗ).
Очень важное значение приобретает грамотное составление ТЗ, которое в конечном итоге и определит пригодность созданной в его рамках цифровой карты для нужд проекта. Важной характеристикой качественной цифровой карты является также способность обеспечивать решение перспективных задач, т.е. задач, которые не ставились в момент написания ТЗ, но появились в дальнейшем. Например, администрация заказывает создание цифровой карты города и предполагает ее последующее использование лишь для отобразительных целей (выкопировка, размножение, создание буклетов, прорисовка транспортных маршрутов и т.п.). Под эти цели создается цифровая карта, отвечающая правилам создания традиционных карт. В ней соблюдена графическая точность, правила прорисовки рельефа и т.д. То есть полигональные объекты могут быть не замкнуты, но при выводе в масштабе оригинала незамкнутость незаметна, так как составляет, к примеру, 0,05 мм (программное обеспечение не предусматривает функции подсоединения с образованием узла или оператор «на глаз» подсоединял или замыкал линии). Соответствующие границы в разных слоях (если разбивка на слои проводилась) не совпадают - существует «биение» границ (программное обеспечение не обеспечивает функции захвата границ или оператор при цифровании не использовал эти функции), но при выводе в масштабе оригинала это незаметно, поскольку «биения» перекрываются толщиной линии при печати и так далее. Далее появляются новые задачи - ведение кадастра, решение сетевых задач для нужд городского транспорта и множество других. И тут выясняется, что имеющаяся цифровая карта не отвечает новым требованиям, а ее переделка по времени и стоимости превышает создание новой цифровой карты. Следует отметить, что трудозатраты при создании «качественной» и «некачественной» цифровой карты примерно одинаковы.
Качество цифровых карт складывается из следующих составляющих:
· информативность,
· точность,
· полнота,
· корректная внутренняя структура.
Информативность. Карта как модель действительности обладает следующими гносеологическими свойствами:
1. Содержательное соответствие (научно-обоснованное отображение главных особенностей действительности).
2. Абстрактность (генерализованность карты, переход от индивидуальных понятий к собирательным, отбор типичных характеристик объектов и устранение второстепенных).
3. Пространственно-временное подобие (геометрическое подобие размеров и форм, временное подобие и подобие отношений, связей, соподчиненности объектов).
4. Избирательность и синтетичность (раздельное представление совместно проявляющихся явлений и факторов, а также единое целостное изображение явлений и процессов, которые в реальных условиях проявляются раздельно).
Эти свойства, влияют на качество завершенного продукта - цифровой карты, однако в основном относятся к компетенции создателей исходного картографического произведения. То есть создатели традиционной карты - источника цифрования несут ответственность за ее информативность, и при создании цифровой карты важно правильно подобрать источник и правильно передать, учитывая особенности цифрового картографирования, заложенную в карту информацию.
Точность. В понятие точности вкладывается ошибка положения контуров цифровых карт относительно источника, передачи размеров и форм объектов при цифровании, а также ошибка положения контуров цифровых карт относительно местности, связанная с источником получения цифровых карт (деформация бумаги, искажения растрового изображения при сканировании и т.п.). Точность зависит от программного обеспечения, используемого оборудования, источника цифрования, используемой технологии. Количественная оценка точностных показателей при создании векторной карты в среднем составляет 0,2 – 0,3 мм.
При создании цифровых карт используются две наиболее распространенные технологии: дигитайзерный ввод и векторизация растра, которые существуют параллельно и дополняют друг друга. Практика показывает, что сейчас нельзя говорить о преимуществе какой-то одной технологии. Так, с помощью дигитайзера лучше цифровать сложные, насыщенные многоцветные карты, так как оператору лучше понятна ситуация. Полуавтоматическая векторизация дает хорошие результаты при цифровании четких контуров на растре хорошего качества, например, расчлененных оригиналов рельефа на пластике.
При дигитайзерном вводе основной объем работ по вводу цифровых карт выполняется оператором в ручном режиме, т.е. для ввода объекта оператор наводит курсор на каждую выбранную точку и нажимает кнопку. Существует еще полуавтоматический режим ввода, когда фиксируется пара координат X, Y через заданный интервал времени или через определенное расстояние. Полуавтоматический режим экономит время, но для точного ввода не годится. Точность ввода при цифровании в огромной степени зависит от квалификации и индивидуальных качеств оператора.
При векторизации растра субъективные факторы влияют меньше, так как растровая подложка позволяет все время корректировать ввод. Программы векторизации растровых изображений условно можно разделить на три группы: ориентированные на ручную векторизацию, полуавтоматическую и автоматическую. Алгоритмы автоматической векторизации для ввода картографической информации на данный момент не используются для массового ввода картографического материала. Точность ввода информации у опытного оператора при ручной векторизации выше, так как при полуавтоматической на передачу формы влияет качество растра и при изрезанных краях растровой линии начинают появляться изгибы проводимой векторной линии, которые вызваны не общей формой линии, а локальными нарушениями растра. Оператор же в таких и подобных случаях форму объекта передает более точно, ориентируясь на дополнительные материалы (источник получения растра) и анализируя ситуацию. Нужно отметить, что при векторизации растра точность ввода значительно выше, чем при цифровании дигитайзером, и в основном зависит от качества исходного растра.
Используемое оборудование также оказывает влияние на качество цифровых карт:
1. При дигитайзерном вводе на качество цифровых карт влияет формат дигитайзера, температура окружающей среды, тип съемника информации дигитайзера:
· под форматом дигитайзера подразумевается размер его рабочего поля. Если цифруемая карта не умещается полностью на дигитайзер, т.е. формат дигитайзера меньше формата карты, то это принципиально не препятствует оцифровке карты (большинство программ имеет функции обеспечения цифрования в единой системе координат при сдвиге карты по рабочему полю дигитайзера либо возможность склейки «кусков» в единую карту), но сохранить точность при такой работе крайне проблематично. Таким образом, для создания цифровой карты при решении задач не только обзорного плана требуется иметь дигитайзер соответствующего формата. В среднем точность дигитайзеров колеблется в пределах 0,15 - 0,25 мм,
· температурный интервал - интервал температур, в котором обеспечиваются декларированные в документации параметры и характеристики прибора,
· тип съемника информации. Используется два типа съемников информации: курсор и перо. Для качественного ввода карт перо использовать нельзя в связи с низкой точностью. Для курсора важны следующие характеристики: отсутствие параллакса, наличие увеличивающей линзы, подсветки, эксцентриситет, качество визирных линий - цвет, форма, толщина и т.д. (например, перекрестье черных тонких визирных линий часто теряется внутри границ объектов, выполненных черной краской),
· эргономические показатели курсора и количество кнопок также крайне важны, однако критичными не являются.
2. Сканирование изображений. По способу сканирования сканеры подразделяются на роликовые, барабанные и планшетные. Существуют также сканирующие головки, устанавливаемые на некоторые перьевые плоттеры. Каждый из перечисленных типов вносит искажения при сканировании, что в конечном итоге оказывает непосредственное влияние на точность цифровой карты, полученной векторизацией растрового изображения. Например, в роликовых сканерах наблюдается «проскальзывание» материала под роликами, причем эти сканеры могут сканировать только гибкие материалы. При использовании же материалов на жесткой основе (толщиной до 3 мм) существенно снижается точность сканирования, причем величина погрешности не определена. Барабанные сканеры более дорогие, но и более точные. Эффект вибрации при вращении барабана вносит погрешности в растровое изображение, однако вполне обеспечивается разумная точность исходного изображения для последующей векторизации. Наиболее точные сканеры - планшетные. Сканирующая головка в силу низкой точности для сканирования картографического материала применяется редко.
Разрешающая способность сканера влияет на качество исходного материала, его читаемость. Особенно важна эта характеристика для работы полуавтоматических векторизаторов. Если оператор при векторизации в ручном режиме при низком качестве исходного материала может разобраться в ситуации (например, используя оригинал в качестве «справочного материала»), то при векторизации в полуавтоматическом режиме в таком случае требуются очень серьезные коррективы результата работы либо опять же переход в ручной режим. Следует помнить, что увеличение разрешения ведет к росту объема отсканированного материала.
Полнота передачи содержания.Полнота передачи содержания источника при переводе в цифровую форму зависит в основном от технологии создания цифровых карт, т.е. от того, насколько технологическая линия обеспечивает контроль пропусков операторами объектов цифрования. Для контроля может использоваться твердая копия цифровых карт (или определенного набора слоев), выведенная на пластик в масштабе оригинала. При последующем наложении на источник цифрования проводится сверка содержания цифровых карт и исходного материала. Такой метод может также использоваться для оценки качества передачи форм объектов, но неприемлем для оценки ошибки положения контуров, так как устройство вывода всегда дает довольно заметные искажения. При векторизации растра совмещение слоев созданной цифровой карты и растровой подложки позволяют оперативно выявить пропущенные объекты. Практика показывает, что в приходящей на первичный контроль цифровой карте в среднем пропущено от 2 до 8% объектов.
Корректная внутренняя структура. Структура цифровой карты может быть топологической и объектной (нетопологической). Готовая цифровая карта должна иметь корректную внутреннюю структуру, определенную требованиями, предъявляемыми к картам данного типа. Создание такой структуры зависит в основном от возможностей программного обеспечения ГИС.
Рассмотрим цифровые карты, используемые в топологических ГИС. Ядром картографической подсистемы в различных ГИС, использующих цифровые векторные карты, является многослойная структура карт (для одной и той же территории или иерархии территорий), над которыми должны выполняться операции сквозного поиска, наложения с созданием производных цифровых карт и сохранением связи идентификаторов объектов исходных и производных карт и др. Для поддержки этих операций к топологической структуре цифровых карт в ГИС предъявляются более жесткие требования, чем, например, к картам, которые используются для решения задач автоматизированного картографирования, обеспечения навигации и др. Это связано с тем, что часто контуры (части контуров) объектов с разных карт должны быть строго согласованы, но при практическом цифровании, несмотря на достаточно точное цифрование исходных карт по отдельности, это согласование не достигается, и при наложении цифровых карт вследствие «биения» соответствующих линий образуются ложные полигоны и дуги. Несовпадения могут быть визуально неразличимы до определенного масштаба увеличения, что вполне допустимо для задач автоматизированного картографирования, имеющих в общем случае конечной целью создание традиционной карты (фиксированного масштаба) с помощью средств автоматизации, и совершенно неприемлемо для ГИС-технологий, где для различных задач анализа используется строгий математический аппарат, а для задач визуализации возможно получение карты в любом масштабе отображения (надо разделять возможность варьировать масштаб увеличения/уменьшения данной цифровой карты и возможность получать карту в другом масштабе, что подразумевает изменение ее нагрузки и правил составления, различных для каждого масштаба). Например, топологическая карта должна иметь корректную линейно-узловую (т.е. полигоны должны собираться из дуг - смежные дуги цифруются только один раз - и быть замкнуты, дуги должны соединяться в узлах и т.д.) и многослойную структуру (соответственные границы из разных слоев совпадают, происходит точное примыкание дуг одного слоя к объектам другого и т.п.). Создание корректной структуры цифровой карты зависит от возможностей программного обеспечения и от технологии ее создания. Корректная внутренняя структура - одно из важнейших качеств цифровых карт.
