Требования к картографической информации

Сведем основные требования к картографической информации в четыре группы: технологические; требования к содержанию информации; масштабам карт; форматам картографической информации.

Технологические требования. При построении картографической ин­формации используются известные в теории ГИС понятия: примитивы; про­стой, сложный объекты; тематический слой; сети; графы. Кратко поясним эти технологические понятия.

Примитивы - простейшие элементы структуры данных ГИС - точки, ли­нии, площади (полигоны):

1) точки (Р):

Р={ХЛ, (3.1)

гдеХ,7- пространственные координаты;

2) линии (L) (ломаные линии, дуги):

L = {Xi,Yi, ... X_mY_n}, (3.2)

где 1,..., п - номера точек;

3) площади (полигоны) (F):

F— {X],Y], ..., X_n,Y_n>... X_hYj}. (3.3)

В теории ГИС различают простые и сложные объекты.

Простым объектом принято считать такой, который состоит из одного примитива и одной строки атрибутов.

Атрибутами объекта называют различные числовые или символьные характеристики, например, название населенного пункта.

Сложным объектом называют упорядоченную группу примитивов, к которой присоединяется новая атрибутивная строка.

За примитивами и атрибутами, на третьей иерархической ступени в структуре ГИС, находятся тематические слои.

Тематический слой — это объединение объектов одной темы. Напри­мер, точки, представляющие опасные объекты, объединяются в один слой; полигоны, представляющие участки леса, объединяются в другой слой; и т. п. Свойства этих слоев характеризуют атрибуты со значением, опасные объекты, растительность.

Кроме названных иерархических образований (примитивов, атрибутов, тематических слоев, простых и сложных объектов) выделяются сложные объ­екты с особой внутренней структурой, например сети, графы.

Сеть — это сложный графический объект, который задается совокупно­стью узлов и связей между ними.

С помощью сетей моделируются поля воздействия (интенсивности земле­трясения, избыточные давления, химические концентрации, температуры и т.п.).

Графы — это сложные элементы структуры данных ГИС, представлен­ные совокупностью узлов и дуг, их связывающих. В отличие от сетей графы не относятся к регулярным структурам. С их помощью моделируются системы разломов земной коры, системы трубопроводов, дорожная сеть и некоторые другие объекты.

Картографическая информация может быть представлена в растровой или векторной форме.

Растровая форма получается сканированием изображения, т.е. разложе­нием его на отдельные пиксели. Эта форма является мало изменяемой и нахо­дит широкое применение на завершающих этапах технологической цепочки при документировании, подготовке картографической продукции к тиражиро­ванию и презентациям.

Векторная форма представления графических данных предполагает использование пространственных прямоугольных или угловых координатных систем. Координатное представление данных позволяет более эффективно из­менять их содержание, производить сопряжение математических моделей с графической информацией. Следует отметить, что работы по созданию век­торных массивов картографической информации на порядок более дорогостоящие по сравнению с растровой информацией. Тем не менее, именно век­торные формы рекомендуется использовать в специализированной ГИС.

Требования к содержанию картографической информации

Объем картографической информации должен быть достаточным для ре­шения вопросов повышения безопасности объектов НТК. Исходя из этих усло­вий, в состав тематических слоев необходимо включить карты, характеризую­щие объект, элементы объекта, природные условия; урбанизацию территории; природные опасности техногенные опасности; как самого объекта, так и сил и средств PC ЧС. Кратко рассмотрим содержание слоев и карт.

Природные условия. В состав картографической информации следует включить рельеф; гидрографию (моря, реки, водоемы, болота и т. п.); расти­тельность. Рельеф, в зависимости от уровня решаемых задач, может быть раз­личной детальности.

Элементы урбанизации территории. Минимальный перечень должен включать планы объектов, рядом расположенные населенные пункты; границы субъектов и районов; автомобильные и железные дороги; линии электропере­дачи.

Планы объектов и населенных пунктов, в зависимости от решаемых за­дач, могут картироваться с разной детальностью: в виде точки; площади; квар­талов; отдельных домов, хранилищ.

Природные опасности. В состав базы данных ГИС необходимо включить карты природных опасностей, характеризующие геофизические, геологические, метеорологические и гидрологические опасные явления. Эти карты, в зависи­мости от уровня решаемых задач, могут быть разной детальности: общего рай­онирования (на территорию России), детального районирования (на отдельные регионы), микрорайонирования (на город или площадку). Перечислим основ­ные опасности, учитываемые при оценке рисков.

Геофизические явления: землетрясения; вулканы.

Геологические опасные (экзогенные) явления: оползни; сели; лавины; про­садки, карсты; абразия, эрозия.

Метеорологические явления: бури; ураганы; смерчи; крупный град; силь­ный дождь; сильный снегопад; сильный мороз; сильная жара.

Техногенные опасности. Месторасположение объектов с техногенными опасностями приводится на планах городов и местности. Для анализа рисков используются также более подробные планы - ситуационные и генеральные планы объектов: пожароопасных; взрывоопасных; химически опасных; ра­диационно-опасных; гидротехнических сооружений; нефтепроводов, газо­проводов.

Силы и средства РСЧС. На картах показывают места размещения орга­нов управления, сил и средств всех подсистем РСЧС - территориальных и функциональных. Отмечают также уровень подсистемы: федеральный, регио­нальный, территориальный, местный и объективный.

Требования к масштабам карт

При определении требований к точности и детальности информации о местности в ГИС необходимо учитывать два противоречивых фактора. С одной стороны, есть стремление к увеличению точности прогноза последствий, веду­щее к увеличению затрат на моделирование. С другой стороны, затраты требу­ется снижать, чтобы сделать систему экономически эффективной.

Анализ точности оценок прогнозирования показывает, что систему мож­но считать хорошей, если ошибка составляет q < 30 %, а удовлетворительной, если 30 % < q < 60 %.

Стоимость системы зависит от ее качественных показателей, в том числе от масштаба карт. Чем выше качество, тем дороже система. С другой стороны, очень качественная система может оказаться необоснованно дорогой, и ее ис­пользование будет экономически не выгодно.

На пути к решению оптимизационной задачи по обоснованию приемле­мых масштабов карт следует сделать следующие шаги:

1. Установить зависимость между качественными показателями модели местности (масштабом карт) и их стоимостью.

Привести зависимость между качественными показателями моделей местности и достоверностью прогноза.

2. Привести зависимость между классом ЧС и ущербом.

3. Определить приемлемый масштаб карт, непосредственно обусловлен­ ный размером ущерба от ЧС, в соответствии с Постановлением Правительства № 1094 от 13.09.1996 г. «О классификации ЧС природного и техногенного ха­рактера» и №240 от 15.07.2002 г. «О порядке организации мероприятий по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов на террито­рии РФ».

5. Определить приемлемый масштаб карт в зависимости от допустимых значений погрешностей прогноза.

6. Установить оптимальный масштаб карт в зависимости от класса ЧС. Приведем показатели в соответствии с установленным алгоритмом. Зависимость между качественными показателями моделей местности и их стоимостью приведена в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Стоимость цифровой картографической информации

Масштаб картографического источника	Стоимость картографической информации 1 км2 ,$ долл. США
1:2 000	100
1:10 000	10
1:100 000	0,2
1:200 000	0,05
1:500 000	0,005
1:1000 000	0,001
Примечание - Усредненные нормы по состоянию на 2003 г. при условии, что источником информации являются бумажные карты.

Из анализа таблицы 3.1 следует, что с уменьшением детальности карт стоимость цифровой картографической информации быстро снижается, что может обеспечить приемлемую стоимость необходимых карт.

Зависимость между масштабом карты и ошибкой планового положения объектов приведена в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Зависимость между масштабом карты и ошибкой планового положения объектов

Масштаб карты	Средняя ошибка планового положения объектов, м
1:2 000	1
1:5 000	2,5
1:10 000	5
1:100 000	50
1:200 000	100
1:500 000	250
1:1000 000	500
Примечание - Показатели приведены на основании «Основных положений по созданию то­пографических карт».

Зависимость между классом ЧС и ущербом приведена в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Классификация ЧС и возможный размер ущерба

Наименование класса ЧС	Размер зоны	Материальный ущерб, МРОТ	Социальный ущерб, чел. (пострадало)
Локальные	Объект	До 1 000	До Ю
Местные	Населенный пункт -район	1 000 - 5 000	От 10 до 50
Территориальные	Субъект РФ	5 000 - 500 000	От 50 до 500
Региональные	Два субъекта РФ	0,5 млн - 5 млн	Более 50 до 500
Федеральные	Пределы РФ	Более 5 млн	Более 500
Трансграничные	Сопредельные госу­дарства и РФ	Значительно более 5 млн	Значительно более 500
Примечание - Показатели приведены в соответствии с Постановлением Правительства № 1094 от 13.09.1996 г. «О классификации ЧС природного и техногенного характера».

Для сопоставления стоимости разработки электронных карт с экономиче­скими потерями от аварии или катастрофы различного уровня приведем воз­можные площади пострадавшей территории и экономический ущерб. При оценке возможной площади пострадавшей территории учитывались характер­ные ЧС для рассматриваемого масштаба воздействия (таблица 3.4).

Таблица 3.4 - Возможные площади поражения территории и возможный экономический ущерб

Наименование класса ЧС	Наиболее существенные типы ЧС	Площадь поражения, км2	Экономический ущерб, долл. США
Локальные	Взрывы, пожары, аварии наХОО	1-50	До 10 тыс.
Местные		50-1000	10 тыс.-50 тыс.
Территориальные	Лесные пожары, наводне­ния, аварии на ХОО, раз­лив нефти	1000-50 000	50 тыс. - 5 млн
Региональные		50 000-100 000	5 млн - 50 млн
Федеральные	Землетрясения, наводне­ния, аварии на РОО, раз­лив нефти	100 000-20 000 000	Более 50 млн
Трансграничные		20 000 000-100 000 000	Значительно более 50 млн
Примечание. Экономический ущерб рассчитан в соответствии с Постановлением Правитель­ства № 1094 от 19.09.1996 г.

Стоимостные расходы на создание электронных векторных карт, полу­ченные с учетом данных таблиц 3.2 и 3.4, приведены в таблице 3.5.

Таблица 3.5 - Оценки затрат на модели местности в зависимости от класса и масштаба карты

Наименование класса ЧС	Затраты на модели местности, долл. США, при масштабе карты
	1:2 000	1:10 000	1:100 000	1:200000	1:500 000	1:1 000 000
Локальные	До 5 тыс.
Местные	До 100 тыс.	До 10 тыс,
Территориальные	До 5 млн	До 500 тыс.	До 10 тыс. +5*> тыс.	До 2,5 тыс. +5*) тыс.
Региональные		До 1 млн	До 20 тыс. + 10*) тыс.	До 5 тыс. + 10*) тыс.
Федеральные			До 4 млн	До 1 млн	До 100 тыс. +40*>тыс.
Трансграничные					До 500 тыс.	До 100 тыс. +16*) тыс.
Примечание - *) Дополнительные затраты на карты более крупного масштаба (рельеф вдоль рек, векторные планы объектов населенных пунктов в зоне ЧС).

Приемлемые масштабы карт с учетом стоимостных ограничений таблицы 3.4 показаны в таблице 3.5 выделенными прямоугольниками.

Учитывая данные средних ошибок планового положения объектов, обу­словленных применяемым масштабом карт (таблица 3.2), и надежность оценок возможного ущерба и потерь, получены оценки влияния масштаба карт на точ­ность решения задач прогнозирования последствий в зависимости от класса ЧС (таблица 3.6).

Таблица 3.6 - Влияние масштаба карты на точность прогнозирования последствий

Наименование класса ЧС	Ошибки оценок последствий ЧС, %, при масштабе ка					рты
	1:2 000	1:10 000	1:100000	1:200 000	1:500 000	1:1000 000
Локальные	4	Ло20*	200	400	1000	2000
Местные		10	100	200	500	1000
Территориальные			30	60	150	300
Региональные				30	75	150
Федеральные					30	60
Трансграничные
Примечание - * Указаны верхние пределы ошибок.

Следует отметить, что в таблице 3.6 указаны ошибки за счет неточностей карт. В целом ошибки могут отличаться в сторону увеличения, так как свою долю неточностей вносят математические модели и исходные данные (метео­рологические условия, состояние элементов риска и т.п.).

Принимая во внимание приемлемые интервалы ошибок до 60 %, в таблице 3.6 выделенными прямоугольниками показаны рекомендуемые мас­штабы карт в зависимости от масштаба ЧС.

Объединяя результаты расчетов, приведенные в таблицах 3.5 и 3.6, можно в качестве требования к детальности карт ГИС рекомендовать масштабы, при­веденные в таблице 3.7.

Таблица 3.7 - Рекомендуемые масштабы карт в зависимости от класса ЧС

Наименование класса ЧС	Масштаб карт
	векторных	растровых
Локальные	1:2 000; 1:10 000	Проекты объектов М 1:50 -1:1 000
Местные	1:10 000	Генеральные и детальные планы поселений и мик­рорайонов города 1:1 000 -1:10 000
Территориальные	1:100 000; 1:200 000	Генеральные схемы и планы городов и администра­тивных районов 1:50 000; 1:25 000
Региональные	1:200 000	1:100 000
Федеральные	1:500 000	1:200 000
Трансграничные	1:1000 000	1:500 000

Требования к форматам картографической информации. Понятие формата картографической информации в теории ГИС определяют как набор правил, в соответствии с которыми формируется файл, содержащий информа­цию о картографических объектах. Впервые проблема формата стала обсуж­даться в связи с развитием различных подходов к преобразованию графических данных в цифровую форму. Основными методами преобразования (цифрова­ния) стали дигитализация - обводка по контуру (линии) специальным сенсором-и растризация - сплошное сканирование изображения перемещением сенсорно­го устройства вдоль осей координат. В первом случае данные сразу получаются в векторном формате. Во втором (растровом) случае на первом этапе формиру­ется растр, который может быть преобразован в векторную форму специальной процедурой. Переход от векторного представления к растровому был освоен практически сразу. Над эффективным решением обратной задачи ученые и ин­женеры продолжают работать и в настоящее время.

При создании специализированной ГИС рекомендуется использовать обе формы представления данных - как векторную, так и растровую. Следует ис­пользовать широко известные форматы, например, для растровых данных фай­лы с расширением «PCX, TIF, GIF, BMP», для векторных - «DXF, MID, DWG, WMF, SHP».

Кроме типовых форматов могут применяться внутренние "закрытые" форматы. Применение внутренних форматов приводит к решению проблемы совместимости картографической информации, подготовленной в открытых форматах. Совместимость достигается конвертацией информации с использо­ванием специально разработанных обменных программ.