Вопрос 13.Основы цифрового картографирования и геоинформационных систем. Электронно-картографическое обеспечение икнс.

Исходными материалами для цифровой картографии являются топографические цифровые модели местности (ЦММ), то есть участков земной поверхности .

Цифровое картографирование местности – это сбор и обработка цифровой картографической информации, формирование на ЭВМ ЦММ, хранение, дополнение и обновление ее в базе картографических данных, получение по ЦММ аналитических и графических материалов.

Основные этапы получения цифровых карт:

1. Сбор цифровой информации (аэрофототопосъемка, наземная топосъемка, дигитализация или цифрование имеющихся бумажных карт и планов).

2. Первичная цифровая обработка (вычисление координат и высот, формирование контуров).

3. Формирование ЦММ.

4. Формирование цифровой карты (выделение структур ЦММ, генерализация, формирование условных знаков).

5. Контрольное графическое отображение и редактирование цифровой карты.

ЦММ содержит информацию о трех типах элементов местности:

- рельеф местности (ЦМРельефа);

- ситуация (ЦМСитуации – застройка, контуры и т.д.);

- топографические объекты (ЦМТопографических Объектов).

Ц и ф р о в а я к а р т а является цифровой к а р т о г р а ф и ч е с к о й

моделью части земной поверхности, сформированной с учетом законов карто-

графической генерализации в принятых для карт проекции, разграфке, системе

координат и высот (ГОСТ 28441-90 "Картография цифровая. Термины и опре-

деления.").

Отличие цифровой карты от ЦММ состоит в том, что первая моделирует

местность специфическими средствами картографии, а ЦММ – специфичес-

кими средствами вычислительной техники. Например, участок дороги в циф-

ровой карте моделируется двумя параллельными линиями либо в аналити-

ческой, либо в дискретной форме, а в ЦММ – дискретной моделью опорных

точек осевой линии дороги с указанием ширины проезжей части. Цифровая

карта имеет единственное назначение: предоставлять пользователю цифровой

эквивалент бумажной топографической карты. ЦММ может иметь самые

различные применения, в том числе – в ТИУРЭС.

Исходным базовым понятием цифрового картографирования является

понятие топографического объекта местности. Топографическими объектами

являются тела или системы тел естественного и искусственного происхож-

дения, расположенные на (над, под) земной поверхности (дом, квартал, город,

дорога, трубопровод, линия электропередач и т. п.). Топографические объекты

представляют собой целостные элементы или структуры и, в силу этого, обла-

дают пространственной связностью составляющих их частей.

К топографическим объектам относятся только стационарные объекты,

имеющие с земной поверхностью физический контакт в течение многих меся-

цев и лет. Топографические объекты могут быть площадными, полосными, ли-

нейными и точечными; простыми или составными. Модель топографического

объекта представляет собой совокупность моделей контура и местного пред-

мета. Местные предметы изображаются на топографических картах тремя

способами: точками, линиями, полигонами (участками карты, ограниченными

замкнутыми контурами).

В зависимости от масштаба карты точечным местным предметом может

быть столб, озеро, лес, населенный пункт, целый город и т. д.

Цифровая модель точечного объекта представляет собой совокупность

координат точки местоположения объекта и характеристик объекта: номер

точки, код объекта (например, код оси дороги, угла здания, поселка и т.п.),

характеристика связи объекта с другими объектами.

Цифровая модель контура может быть растровой (матричной) или век-

торной. Растровая модель контура представляет собой совокупность характе-

ристик всех точек контура, отнесенным к узлам сетки с известными значениями

их координат. В векторной модели контур моделируется набором векторов,

заданных характерными точками (то есть набор моделей точек с указанием

связи их в контуре). Векторная модель – основная, но она требует ручной

дигитализации (цифрования). Растровая может быть получена автоматической

дигитализацией карт, планов и снимков мелкого масштаба.

Дигитализация (цифрование) картографических материалов в настоящее

время является самым распространенным и надежным способом получения

цифровой топографической и картографической информации.

Для геометрической информации существуют три основных способа диги-

тализации: точечный, отслеживания линий и сканирование. Результатом пер-

вых двух является векторная модель, а третьего – растровая модель контуров.

Для точечной дигитализации (цифрования) топоинформации, содержа-

щейся на бумажных топографических картах, применяются специальные элек-

тронные планшеты – дигитайзеры. Дигитайзер представляет собой планшет,

на поверхности которого закрепляется топографическая карта. По карте

вручную или механически перемещается специальный прицел-“мышка”), кото-

рый может быть установлен относительно точек карты с точностью ±0,05 мм.

Прицел связан с электроникой дигитайзера, а последний – с компьютером.

Перед дигитализацией прицел наводится на углы оцифровываемой карты –

компьютер строит дигитайзерную систему координат. Далее все отмечаемые

точки автоматически получают свои дигитайзерные (пикселные) координаты.

При отслеживании линий дигитайзер автоматически вводит в компьютер соот-

ветствующую цифровую картографическую информацию об этой линии.

Сканирование производится с помощью специальных ручных или авто-

матизированных сканеров, в которых при пропускании карты мимо свето-

чувствительных элементов получается оцифрованная поточечная развертка

картографического изображения, аналогичная кадровой развертке в цифровом

телевизоре.

Затем, на основе оцифрованной топоинформации, строится цифровая

модель местности. ЦММ строится путем многократного преобразования топо-

информации и последовательного формирования моделей простых и составных

элементов местности и ЦММ в целом. Точка представляется в виде значений

прямоугольных координат в заданной системе координат. Контур пред-

ставляется в виде плоского ориентированного раскрашенного графа, дуги

(вершины) которого соответствуют частям контура, узлы (вершины) – точкам

концов этих частей, а раскраска означает: прямолинейная эта дуга или криво-

линейная. Дуги графа ориентируют так, чтобы точки модели объекта в окрест-

ности дуги оставались, например, всегда слева. Ориентирование дуги имеет

смысл для площадных объектов, когда одна дуга является границей двух

объектов.

На основе ЦММ формируется цифровая топографическая карта. Цифровые

топографические карты записываются в базы картографических данных, кото-

рые хранятся в банках цифровых карт.

Б а з а д а н н ы х – это организованная совокупность связанных между

собой данных, структура которой независима от обрабатывающих эти данные

программ пользователей.

Б а н к д а н н ы х есть совокупность базы данных, системы управления

базой данных (СУБД), специальных программ пользователей, предназначенных

для обращения в базу данных (к цифровой картографической информации), и

системы администрирования банка и базы данных.

Программы пользователей содержат три основные программы:

- программы формирования модели контура;

- программы формирования модели объекта;

- программы формирования модели местного предмета.

На основе банков цифровых карт создаются различные цифровые геогра-

фические информаионные (геоинформационные) системы (ГИС), предназ-

наченные для различных пользователей топогеографической информации.

На основе различных ГИС создаются электронные карты, то есть пакеты

прикладных программ, которые позволяют отображать на дисплее данного

персонального компьютера цифровые карты земной поверхности, а также

анализировать их и решать различные картографические задачи с исполь-

зованием дополнительной информации, в том числе – отображать текущее

местоположение НТС.

За рубежом в 1990-х годах была создана целая индустрия цифровых авто-

дорожных карт (ЦАДК) для РЭС сухопутной навигации. Совместно с пакетом

прикладных программ пользователя и банком картографических данных ЦАДК

образуют электронно-картографическое обеспечение ТИУРЭС с програм-

мными средствами визуализации и диалога с данным персональным ком-

пьютером.

Электронно-картографическое обеспечение (ЭКО) ТИУРЭС предназна-

чено для выполнения следующих четырех основных функций:

- адресная привязка (переход от геодезических координат к адресу объекта

и обратно – с точностью до 15 м) посредством геодезического кодирования

(geocoding);

- прокладка оптимального маршрута НТС (pathfinding);

- припассовка (подгонка) к карте (переход от геодезических координат

НТС и (или) данных датчиков счисления пути к его точному месту на

городской улице – map matching);

- проводка по маршруту (route guidance).

Одной из первых фирм, разработавших ЦАДК для ТИУРЭС, является

американская корпорация "Etak", которая в 1984 г. включила ЭКО в свою

систему "Navigator". В настоящее время за рубежом разработкой ЭКО для

ТИУРЭС занимается целый ряд фирм. Ведущими являются пять из них:

японская "Japan Digital Road Map Association" (JDRMA), американские "Etak",

"Navigation Technologies" (NavTech), европейская "European Geographic Techno-

logies" (EGT) и международная ассоциация "European Data Pool" (EDP), объе-

динившая фирмы "Bosch", "TeleAtlas" и "Etak". Цифровые карты производят

также "Geographic Data Technology" (GDT) – из Нью Хэмпшира, "De Lorme

Mapping" – из Майна, "MapInfo" – из Нью-Йорка, "GeoSystems" – из Пен-

сильвании, "Roadnet Technologies" – из Мэриленда и др.

ЦАДК являются составной частью картографической базы данных ГИС,

которая, в свою очередь, входит в состав программно-картографического обес-

печения ТИУРЭС и обеспечивает в ТИУРЭС также двустороннее динамическое

взаимодействие операторов с базой картографических данных в форме элек-

тронных карт (человеко-машинный интерфейс). С помощью электронной карты

оператор ТИУРЭС может добавлять или убирать информацию с экрана, менять

масштаб и проекцию, получать псевдообъемные, псевдоцветные и динами-

ческие геоизображения, использовать дисплейные эффекты, проводить автома-

тическую картометрию (определение координат и направлений, расстояний и

длин, площадей и объемов) и т. п. Электронная карта позволяет применять

интерактивный (диалоговый) режим работы с картографическими данными,

описаниями и оперативной информацией. Электронная карта обычно органи-

зуется как множество слоев (покрытий): гидрография, рельеф, дорожная сеть,

лесопокрытие, линии электропередач и т. п.

Примером коммерческой электронной карты является цифровая карта

мира (суши) "Digital Chart of the World" фирмы ESRI. Эта карта создана на

основе тактических навигационных карт Министерства обороны США мас-

штаба 1:1 000 000 и выполнена в формате ArcInfo. Карта помещена на четырех

дисках CD-ROM (объем данных – 1,7 Гбайт), разбита на 2094 листа размером

5о×5о. Число тематических слоев – от 3 до 27. Для просмотра и работы с картой

можно использовать любой ГИС-пакет фирмы ESRI.

Широко распространен также формат MapInfo.

При использовании электронных карт возникает еще одна система коор-

динат: дисплейных. Экран дисплея разбит на ячейки (пикселы), которые упо-

рядочены по строкам и столбцам. Это порождает дискретную плоскую систему

дисплейных прямоугольных координат (xд, yд). Поэтому в ГИС, используемых в

ТИУРЭС, предусматриваются программы выбора необходимого для отобра-

жения НТС участка цифровой карты местности, соответствующего преобразо-

вания координат Гаусса-Крюгера (x, y) или Меркатора в дисплейные коорди-

наты (xд, yд) и отображения местоположения НТС на фоне электронного

изображения соответствующего участка местности.