Теоретические основы цифровой картографии

8.1. Сущность и задачи курса «Цифровая картография»

Курс «Цифровая картография» - составная часть картографии. Он изучает и разрабаты
вает теорию и методы создания цифровых и электронных карт, а также автоматизацию кар
тографических работ.

Картография в настоящее время перешла на новый качественный уровень. В связи
с развитием компьютеризации полностью изменились многие процессы создания карт. Поя
вились новые методы, технологии и направления картографирования. Можно выделить раз
личные направления, которыми сегодня занимается картография: цифровое картографирова
ние, трехмерное моделирование, компьютерные издательские системы и т. д. В связи с этим
появились новые картографические произведения: цифровые, (электронные и виртуальные)
карты, анимации, трехмерные картографические модели, цифровые модели местности. Кро
ме создания компьютерных карт стоит задача формирования и ведения баз цифровой картогра
фической информации.

Цифровые карты неотделимы от традиционных карт. Теоретические основы картогра
фии, накопленные веками, остались прежними, изменились только технические средства
создания карт. Использование компьютерной техники привело к значительным изменениям
технологии создания картографических произведений. Намного упростилась технология вы
полнения графических работ: исчезли трудоемкие чертежные, гравировальные и другие руч
ные работы. В результате вышли из употребления все традиционные чертежные материалы
и принадлежности. Картограф, знающий программное обеспечение, может быстро и качест
венно выполнить сложные картографические работы. Также появилось много возможностей
выполнять на очень высоком уровне дизайнерские работы: оформление тематических карт,
обложек атласов, титульных листов и др.

С внедрением компьютерной технологии объединились процессы составления и подго
товки карт к изданию. Отпала необходимость делать высококачественную ручную копию
составительского оригинала (издательский оригинал). Оформительский оригинал, выпол
ненный на компьютере, позволяет очень легко редактировать и исправлять корректурные за
мечания без ухудшения его качества.

Преимуществами компьютерных технологий являются не только идеальное качество
графических работ, но и высокая точность, значительное увеличение производительности
труда, повышение полиграфического качества картографической продукции.

8.2. Определения цифровых и электронных
картографических произведений

Первые работы по созданию цифровых карт были начаты в нашей стране в конце
70-х гг. В настоящее время цифровые карты и планы в основном создаются по традицион
ным оригиналам карт и планов, составительским оригиналам, тиражным оттискам и другим
картографическим материалам.

Цифровые карты - цифровые модели объектов, представленные в виде закодирован
ных в числовой форме плановых координат х и у и аппликат I.

Цифровые карты являются логико-математическими описаниями (представлениями)
картографируемых объектов и отношений между ними (отношения объектов местности в ви
де их сочетаний, пересечений, соседства, разновысотности по рельефу, ориентации по сторо
нам света и т. д), сформированные в принятых для обычных карт координатах, проекциях,
системах условных знаков с учетом правил генерализации и требований к точности. Подобно
обычным картам они различаются по масштабам, тематике, пространственному охвату и т. п.

Главное назначение цифровых карт - служить основой для формирования баз данных и ав
томатического составления, анализа, преобразования карт [1].

По содержанию, проекции, системе координат и высот, точности и разграфке цифровые
карты и планы должны полностью отвечать требованиям, предъявляемым к традиционным
картам и планам. На всех цифровых картах должны быть соблюдены топологические отно
шения между объектами. В литературе существует несколько определений цифровых
и электронных карт. Некоторые из них приведены в данной теме.

Цифровая карта - представление объектов карты в форме, которая позволяет ком
пьютеру сохранять, манипулировать и выводить значение их атрибутов.

Цифровая карта - это база данных или файл, которые становятся картой, когда
ГИС создает твердую копию или изображение на экране (В. Хаксхольд).

Электронные карты - это цифровые карты, визуализированные в компьютерной сре
де с использованием программных и технических средств, в принятых проекциях, системах
условных знаков при соблюдении установленной точности и правил оформления.

Электронные атласы - компьютерные аналоги обычных атласов.

Капитальные атласы традиционными методами создаются очень долго, десятки лет.
Поэтому очень часто еще в процессе создания их содержание устаревает. Электронные атла
сы позволяют значительно сократить сроки их изготовления. Поддержание электронных карт
и атласов на уровне современности, их обновление делается в настоящее время очень быст
ро и качественно.

Существует несколько типов электронных атласов:

- Атласы только для визуального просмотра («перелистывания») - вьюерные атласы.

- Интерактивные атласы, в которых можно изменять оформление, способы изобра
жения и классификацию картографируемых явлений, получать бумажные копии карт.

- Аналитические атласы (ГИС-атласы), позволяющие комбинировать и сопоставлять
карты, проводить их количественный анализ и оценку, выполнять наложение карт друг на
друга.

Во многих странах, в том числе и России, созданы и создаются Национальные атласы.
Национальный атлас России является официальным государственным изданием, созданным
по поручению Правительства Российской Федерации. Национальный атлас России дает ком
плексное представление о природе, населении, хозяйстве, экологии, истории и культуре
страны (рис. 8.1). Атлас состоит из четырех томов: том 1 - «Общая характеристика террито
рии»; том 2 - «Природа. Экология»; том 3 - «Население. Экономика»; том 4 - «История.
Культура».

Рис. 8.1. Национальный атлас России

Атлас выпускается в полиграфическом и электронном видах (первые три тома, элек
тронная версия четвертого тома будет выпущена в 2010 г.).

Картографические анимации - динамические последовательности электронных
карт, которые передают на экране компьютера динамику и перемещение изображаемых
объектов и явлений во времени и пространстве (например, движение атмосферных осадков,
перемещение транспорта и т. п.).

Анимации нам очень часто приходится наблюдать в повседневной жизни, например,
телевизионные карты прогноза погоды, на которых хорошо видны перемещения фронтов,
областей высокого и низкого давления, атмосферные осадки.

Для создания анимаций используют всевозможные источники: данные дистанционного
зондирования, экономико-статистические данные, данные непосредственных натурных на
блюдений (например, различные описания, геологические профили, наблюдения метеостан
ций, материалы переписей и т. п.). Динамические (двигающиеся) изображения картографиче
ских объектов могут быть различными:

- перемещение всей карты по экрану и отдельных элементов содержания по карте;

- изменение внешнего вида условных знаков (размеров, цвета, формы, яркости, внут
ренней структуры). Например, населенные пункты могут быть показаны в виде пульсирую
щих пунсонов и т. д.;

- мультипликационные последовательности карт-кадров или трехмерные изображения.
Так можно показать динамику таяния ледников, динамику развития эрозионных процессов;

- панорамирование, вращение компьютерных изображений;

- масштабирование изображения, использование эффекта «наплыва» или удаления
объекта;

- создание эффекта движения над картой (облет, объезд территории).

Анимации могут быть плоскими и объемными, стереоскопическими и, кроме того, мо
гут сочетаться с фотоизображением.

Трехмерные анимации, сочетающиеся с фотоизображением, называются виртуаль
ными картами (создается иллюзия реальной местности).

Технологии создания виртуальных изображений могут быть разными. Как правило,
вначале по топографической карте, аэро- или космическому снимку создается цифровая мо
дель, затем - трехмерное изображение местности. Его окрашивают в цвета гипсометрической
шкалы и потом используют как реальную модель.

8.3. Понятие геоинформационных систем (ГИС)

Первые геоинформационные системы были созданы в Канаде, США и Шв еции для
изучения природных ресурсов. Первая ГИС появилась в начале 60-х гг. в Канаде. Главной
целью канадской ГИС была задача осуществить анализ данных инвентаризации земель Ка
нады. В нашей стране такие исследования начались на двадцать лет позже. В настоящее
время во многих странах существуют различные геоинформационные системы, которые
решают самые разные задачи в различных отраслях: в экономике, политике, экологии, ка
дастре, науке и т. д.

В отечественной научной литературе существуют десятки определений ГИС.

Географические информационные системы (ГИС) - аппаратно-программные ком
плексы, обеспечивающие сбор, обработку, отображение и распространение пространст
венно-координированных данных (А.М. Берлянт). Одна из функций ГИС - создание и ис
пользование компьютерных (электронных) карт, атласов и других картографических про
изведений.

Геоинформационная система - это информационная система, предназначенная для
сбора, хранения, обработки, отображения и распространения данных, а также получения
на их основе новой информации и знаний о пространственно-координированных объектах
и явлениях.

Сущность любой ГИС заключается в том, что она используется для сбора, анализа, сис
тематизации, хранения различной информации, создания базы данных. Самая удобная форма
представления информации пользователям - картографические изображения, кроме этого,
информация может быть представлена и в виде таблиц, схем, графиков, текстов.

Отличительной особенностью ГИС является то, что вся информация в них представле
на в виде электронных карт, которые содержат информацию об объектах, а также простран
ственную привязку объектов и явлений. Отличаются электронные карты от бумажных карт
тем, что каждому условному знаку (объекту), изображенному на электронной карте, соответ
ствует информация, занесенная в базу данных. Это позволяет анализировать их во взаимо
связи с другими объектами. Указав курсором мыши, например, на какой-либо район, можно
получить всю информацию, занесенную о нем в базу данных (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Получение информации об объекте из базы данных

Кроме того, геоинформационные системы работают с картографическими проекциями,
что позволяет осуществлять проекционные преобразования цифровых и электронных карт
(рис. 8.3).

Рис. 8.3. Выбор картографической проекции в ГИС Мар!п& Рго&88юпа1

В настоящее время созданы специализированные земельные геоинформационные сис
темы, кадастровые, экологические и многие другие ГИС.

На примере административной карты Томской области рассмотрим возможности ГИС.
Мы имеем базу данных, в которую занесена информация о размерах площади районов Том
ской области и количестве жителей в каждом районе (рис. 8.4). На основе этих данных мы
можем получить информацию о плотности населения Томской области, кроме этого, про
грамма строит карту плотности населения (рис. 8.5).

Рис. 8.4. Создание тематической карты по данным, занесенным в базу данных

Рис. 8.5. Карта плотности населения Томской области, построенная в автоматическом режиме

Таким образом, отличительными особенностями ГИС являются:

- географическая (пространственная) привязка данных;

- хранение, манипулирование и управление информацией в базе данных;

- возможности по работе с проекциями географической информации;

- получение новой информации на основе имеющихся данных;

- отражение пространственно-временных связей между объектами;

- возможность быстрого обновления баз данных;

- цифровое моделирование рельефа;

- визуализация и вывод данных.