63361

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Книга

Информатика, кибернетика и программирование

Современные ГИС это автоматизированные системы имеющие большое количество графических и тематических баз данных соединенная с моделями и расчетными формулами для манипулирования и преобразования данных в пространственную и картографическую информацию.

Русский

2014-06-19

10.85 MB

38 чел.

74

ВЛАДИМИМРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

МУРОМСКИЙ ИНСТИТУТ

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

(Учебное пособие)

Составитель Симаков Р.А.

Муром 2005


Тема 1. Теоретические основы ГИС.

§1.1 Составные части ГИС.

Современные ГИС - это автоматизированные системы, имеющие большое количество графических и тематических баз данных, соединенная с моделями и расчетными формулами для манипулирования и преобразования данных в пространственную и картографическую информацию.

Под геоинформатикой понимают научно-технический комплекс, объединяющий одноименную область научного знания, техническую и производственную деятельность, которая связана с разработкой и реализацией ГИС.

А.М. Берлянд: «Геоинформатика - научная дисциплина, изучающая природные и социально-экономические геосистемы посредством компьютерного моделирования на основе баз данных и географических знаний, однако, с другой стороны - это технология сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения пространственно-координатной информации, имеющая целью обеспечить решение задач инвентаризации, оптимизации, а также управления геосистемами и, наконец, геоинформатика, как производство (геоинформационная индустрия) - это изготовление аппаратных средств и программных продуктов, включая создание баз данных, систем управления стандартными ГИС.»

Геоинформационная индустрия включает разнообразные приложения технологий ГИС, т.е. проектирование, создание, эксплуатацию ГИС в рамках выполнения определенных проектов.

Геоинформатика тесно связана с картографией, их взаимосвязь проявляется в следующих фактах:

  1.  тематические и топографические карты - это главный источник пространственно-временной информации,

системы географических и прямоугольных координат, а также картографическая разграфка служат основой для координатной привязки (географической локализации) всей информации, поступающей и хранящейся в ГИС,

карты - основное средство географической интерпритации и организации данных дистанционного зондирования, а также другой, используемой в ГИС, информации статистической и аналитической,

картографический анализ - один из наиболее эффективных способов выявления географических закономерностей, связей, зависимостей при формировании баз знаний, входящих в ГИС,

математико-картографическое и ЭВМ-картографическое моделирование - главное средство преобразования информации в процессе обеспечения принятия решения,

картографическое изображение - это целесообразная форма представления информации потребителю.

В большинстве ГИС в качестве одного из основных элементов выступает блок визуализации данных, где важную роль играют графические и картографические построения. Высококачественная картографическая графика, эмитирующая традиционные средства картографического языка, а также способы картографического изображения (мультипликация, анимация) при поддержке разнообразных устройств отображения, принадлежащих к числу обязательных средств программного обеспечения ГИС.

§1.2 Типичные компоненты ГИС.

Любая ГИС работает с БД двух типов: графическими и атрибутивными (тематическими). В графической БД хранится то, что принято называть графической или метрической основой. Атрибутивные БД содержат в себе так называемую нагрузку карты и дополнительные данные, которые не могут быть нанесены непосредственно на карту, к примеру, это описание территории. Оба вида баз представляют из себя файлы цифровых данных, для работы с ними ГИС должна иметь системное управление базами данных. Достаточно часто ГИС имеет две СУБД отдельно для метрической и атрибутивной информации. С их помощью осуществляется поиск, сортировка, добавление и удаление данных.

Система визуализации данных существует для вывода на экран имеющейся информации в виде карт, а также таблиц, схем и т.п. Системы визуализации, обработки и анализа данных являются составными частями СУБД. Также двумя составными компонентами является система ввода-вывода информации.

Система ввода - программный блок, отвечающий за получение данных, источниками которых могут являться разнообразные электрические устройства, такие как дигитайзер, а также сканер, электронные теодолиты и др. геодезические приборы. Информация может быть введена с клавиатуры или получена из другой компьютерной системы. Также источниками могут быть аэрофото- и космические снимки, обработанные на специальных станциях.

Систему вывода - составляют приборы: принтер, магнитные носители, монитор, плоттер, а также внешние системы. Система вывода существует для представления результатов работы в наглядном виде для потребителя.

§1.3 История развития ГИС.

Истоки развития ГИС следует искать в работе группы канадских ученых под руководством Томсона (1963г.). Эта работа получила название «CGIS».

Вторым в производстве ГИС являлась Швеция. В 1976г. была составлена система автоматизации и учета земельных участков.

Разработки Гис в России начались с 80-х годов. В 1987г. географическим факультетом МГУ была создана система АКСМГУ, ориентированная на нужды тематического картографирования.

§1.4 Область применения современных ГИС.

Зарубежный и отечественный опыт последних 10-15 лет показал, что приоритетными и наиболее жизнедеятельными информационными системами являются компьютеризованные ГИС, которые служат информационным базисом для решения следующих задач:

  1.  принятие решений управленческого уровня;

научно-обоснованное перспективное и оперативное планирование развития города и его отдельных территорий;

оптимальное проектирование объектов промышленного и гражданского назначения на территории города;

разработка генерального плана города и контроль за его реализацией;

изучение состояния экологических, социально - экономических, природно - ресурсных условий территорий и их экономическая оценка;

совершенствование учета и рационального использования городских земель и недвижимости (зданий и сооружений);

получение достоверной информации о местоположении и эксплуатации инженерных сетей городского коммунального хозяйства;

сбор горно-геологических данных, сведений о техногенных процессах и природных запасах недр многоцелевого применения;

проведение налогообложения, взимание платежей за использование природных ресурсов, недвижимости, за загрязнение окружающей среды;

охрана прав пользователей, собственников, других потребителей региональных ресурсов.

Опыт длительной эксплуатации ГИС показал широкое применение накопленной информации в узковедомственных и потребительских сферах - транспорт, ценообразование, туризм, купля -продажа, справочные услуги и пр.

Широко используется ГИС в области кадастра.

Кадастр - это упорядоченная совокупность сведений о правовом, природном, хозяйственном и экономическом положении физических объектов и явлений среды во времени, в структурном, организационном, функциональном и информационном аспектах. К потенциальным потребителям геоинформации можно отнести:

городские структуры распорядительной и исполнительной властей;

планирующие органы;

налоговые инспекции;

юридические и правоохранительные органы;

архитектурно - планировочные и земельные службы города;

организации,  эксплуатирующие  (коммуникации, транспорт, здания и сооружения);

научно-исследовательские и проектные институты;

строительные организации;

торговые организации, биржи всех назначений;

инспекции и контрольные органы социально-экономического и технического надзоров;

иностранных партнеров и инвеститоров;

коммерческие образования, предпринимателей;

частных лиц.

1.5 Виды архитектуры ГИС.

Классифицировать ГИС можно исходя из ее архитектурного построения:

1. Закрытые системы - не имеют возможности расширения функций, нет встроенных языков программирования, не предусмотрено описания приложения. Выполняют те функции, которые были заложены в программе на момент покупки. Эти системы недороги.

2. Системы данного типа обычно предлагаются вместе с библиотекой приложений и строятся из определенного набора этих приложений, необходимого пользователю. В таких системах хорошо то, что вначале они требуют небольших вложений, но если вам потребуются новые возможности, цена на пополнение такой системы может быть непредсказуемо большой.

3. Открытые системы - имеют от 70-90% встроенных функций и на 10-30% могут быть достроены пользователем при помощи специального аппарата создания приложений. Эти системы более долговечны, универсальны, а также имеют высокую стоимость.


Тема 2. Основы картографии

§2.1 Определение картографии

Государственный стандарт картографических терминов называет картографией область науки, техники и производства, охватывающую изучение, создание и использование картографических произведений.

Характерная черта современной картографии состоит в энергичном расширении познавательных функций карт как средства исследования объективного мира и приобретения новых знаний. Познавательная сила географических карт проистекает из их создания и использования как пространственно-временных моделей реальных явлений. Отсюда более закономерно прийти к более глубокому пониманию картографии. Это наука об отображении и исследовании явлений природы и общества - их размещения, свойств, взаимосвязей и изменений во времени посредством карт и других картографических изображений.

§2.2 Элементы географической карты.

Для создания и полноценного использования географических карт необходимо знать их свойства и особенности.

Содержание карты - главная часть любой географической карты - заключает в себе совокупность сведений о показанных на ней природных и социально-экономических объектах, а также их размещение и свойства.

Математическая основа, определяющая математические законы построения карты и геометрические свойства картографического изображения, устанавливает координатную связь между объектами и изображением на карте.

В математическую основу входит: картографическая проекция, координатная сетка, масштаб и опорная геодезическая сеть.

Легенда карты - систематический свод используемых на карте знаков с необходимым к ним описанием. Она служит ключом к чтению карты, а также анализу ее содержания. Легенда размещается на полях карты внутри планшетной рамки.


Тема 3. Картографические знаки

§3.1 Картографические знаки, их виды и функции

Картографическими  условными  знаками  называют графические символы, применяемые на картах для обозначения различных объектов и их характеристик. Картографические знаки обозначают предметы, явления, процессы (нефтяная вышка, линия электропередачи, болото, населенный пункт, рельеф местности, температура воздуха, морские течения и т. д.). Их используют для реальных и абстрактных объектов, например для отображения конкретных населенных пунктов и плотности населения, представляющей абстрактное понятие. Таким образом, картографические знаки могут иметь предметное и смысловое значение. Они находятся в определенных отношениях к обозначаемым объектам. В знаках различают их форму и значение. На разных картах знаки одной и той же формы (например, кружки) могут иметь различное значение (например, населенные пункты, месторождения полезных ископаемых и др.), но на конкретной карте значение каждого знака неизменно — он не имеет омонимов.

Картографические знаки отдельных объектов выполняют две основные функции: во-первых, указывают в ид объектов (колодец, шоссе, болото и др.) и некоторые их количественные и (или) качественные характеристики (например, дебит колодца, вид покрытия и ширину проезжей части шоссе, проходимость болота), во-вторых, определяют пространственное положение, плановые размеры и формы этих объектов, или, короче, моделируют их пространство». Нередко знаки отображают изменения явления во времени (рост городов, разливы рек и т. п.), перемещения (маршруты экспедиций, траектории циклонов) и другие процессы.

Свойство картографических знаков моделировать пространство отображаемых объектов предопределяет основное подразделение знаков на:

внемасштабные, применяемые для изображения дискретных объектов, «точечных» в натуре (пункты геодезической сети, указатели дорог и т. п.) или площади которых не выражаются в масштабе карты;

линейные, употребляемые для объектов линейного характера (границы, дорожная сеть, реки, уступы и т. п.); они сохраняют подобие линейных очертаний, оно могут преувеличивать ширину объекта (например, знаки дорог на мелкомасштабных картах);

площадные, используемые для заполнения площадей объектов, сохраняющих свои контуры в масштабе карты (леса, кустарники, плантации, солончаки, болота и т. п.); они дают зрительное представление о местоположении, очертаниях, протяженности и площади объектов; такие же знаки используются для пространственной дифференциации явлений, сплошных в пределах географической оболочки (например, климатических) или в рамках карты (например, для почвенного покрова).

При картографировании массовых рассредоточенных явлений, таких, как сельское население, посевные площади, животные и другие, нередко прибегают к особым знакам, передающим характер их размещения.

Наконец, специальную категорию образуют знаки для характеристики явлений, известных в суммарных величинах (численность сельского населения, площадь лесов, продукция сельского хозяйства и т. п.) или относительных показателях (плотность населения, процент пахотных земель и т. д.), приуроченных к ячейкам какой-либо территориальной сетки — административного деления, регулярной сети прямоугольных координат и др. Они не ставят целью показ реальной локализации конкретных объектов.

Иногда различают также картографические знаки:

именованные (номинативные), указывающие только вид объектов (например, шахты, нефтепроводы, торфоразработки);

порядковые, отмечающие относительное значение или величину объектов (например, крупные, средние и малые города; границы государственные, союзных республик и т. д.);

количественные, определяющие величину объектов (например, 1 мм2 знака города соответствует 100 тыс. жителей) или градации их величин (например, города более 1 млн. жителей, от 100 тыс. до 1 млн., менее 100 тыс.). Рис. 4.1 показывает такое подразделение на примерах внемасштабных, линейных и площадных знаков.

Очень важно, что при реализации двух функций картографических знаков — по определению положения и содержательной характеристики объектов — плоское пространство карты, так сказать ее рабочее поле, выполняет двойную роль, во-первых, показывает пространство объектов, математически формализованное посредством картографической проекции и координат, во-вторых, используется для передачи вида, качественных и количественных (непространственных) особенностей объектов. Например, при мелкомасштабной передаче городов кружками, величина которых пропорциональна населению, знаки, локализуемые по центру, могут занимать на карте площади, далеко выходящие за реальные границы города в масштабе карты.

Рис. 4.1. Некоторые картографические знаки.

Графические средства, используемые в картографии, представляют неограниченные возможности для проектирования и построения условных знаков, и их сколь угодно полных систем. Для этого прибегают к дифференциации знаков по форме, цвету, ориентировке, светлоте и внутренней структуре  (рисунку) . Строго говоря, цветные знаки могут различаться также по насыщенности цвета. Рассмотрим, как проявляются эти различия во внемасштабных, линейных и площадных знаках.

Значки или фигурки, которые обычно применяют для внемасштабных знаков, удобно различать по форме, величине значков и их цвету. Другие различия значков — по ориентировке, светлоте и внутренней структуре (внутреннему рисунку, «зернистости») — зрительно менее ощутимы и не всегда возможны для использования. Например, нельзя говорить об ориентировке круговых и неудобно менять ориентировку наглядных знаков. Слабо воспринимаются различия в светлоте малых значков. Однако применение структурного рисунка позволяет разнообразить значки, особенно геометрические.

В линейных знаках их форма (и ориентирование) определяет на карте пространственное положение линейных объектов. Для дифференциации знаков используют их ширину, цвет, рисунок (структуру) и в меньшей степени светлоту.

Плановые очертания объектов, выражаемых в масштабе карты, — их положение, форма и размеры — определяются контурами, в силу чего а площадных знаках внутри контуров используются различия заполняющих обозначений: цвет, светлота и насыщенность фоновых расцветок; цвет, светлота, интервалы н ориентировка линейных и пунктирных штриховок: структура, рисунок и ориентировка заполняющих обозначений, «позитивная» и «негативная» формы знаков на цветных фонах и другие их особенности.

Построение отдельных знаков на карте, обеспечивающее правильную пространственную локализацию обозначаемых объектов, в принципе подчинено элементарным правилам: во внемасштабных знаках действительное положение объектов должно совпадать с определенными точками знаков — центрами знаков правильной формы (кругов, квадратов и т. н.), серединой основания наглядных перспективных знаков (указателя дорог, маяка и т. п.) и т. д.; в линейных знаках оно указывается их осевыми линиями; площадные знаки размещаются внутри соответствующих контуров.

Положение осложняется в местах концентрации внемасштабных изображений (налегающих друг на друга), при необходимости показа нескольких знаков (например, ряда промышленных предприятий) в одном пункте — «точке», при совмещении различных знаковых систем и т. д. Эти трудности проистекают из особенностей картографического языка, В противоположность тексту естественного языка с его линейным построением и последовательным чтением слов карта воспринимается читателем сразу, в целом в двух измерениях — в пространственном сочетании и взаимосвязях знаков; ее последующее детальное изучение может начинаться в любом месте карты, идти по любому направлению и распространяться на различные ее части. Поэтому рациональная локализация и сопряжение знаков, особенно в местах скопления внемасштабных обозначений, требуют также учета содержательного, смыслового значения знаков.

Рис. 4.2. Значки, различающиеся по: а - форме; б - величине;

в - ориентировке; г - светлоте; д - внутренней структуре.

Рис. 4.3. Линейные знаки, различающиеся: а - по ширине; б - рисунку; в - светлоте.

Рис. 4.4. Площадные знаки, различающиеся: а - по светлоте;

б - структуре; в - рисунку заполняющих обозначений;

г - ориентировке штриховок.

Очень важно, что знаки, отображая размещение предметов и явлений, могут также передавать: перемещение явлений, например пути экспедиций, динамику линий фронтов, миграции населения, ветры (перемещения масс воздуха), течения (перемещение водных масс) и другие; развитие явлений, например рост городов, увеличение грузопотоков, прирост посевных площадей, расширение территорий государства, годовой ход температуры и др. Дальше будет показано, что эти задачи решаются в отношении явлений любых по характеру размещения: локализованных в «точках» (рост городов, движение «точечных» объектов, например космических кораблей); линейных (перемещение фронтов, рост грузопотоков); площадных (расширение территории государства); массовых рассредоточенных (миграции животных, прирост посевных площадей), а также оплошного распространения (перемещения масс воздуха, вековой ход магнитного склонения). При этом надо учитывать, что многие явления не выражены на местности в явном виде, например физические поля Земли.

Картографические знаки как специфический формализованный язык картографии образуют одну из частно научных знаковых систем, общее изучение которых (т. е. теория знаковых систем вообще) входит в задачи семиотики — особого раздела философских знаний.

§3.2 Способ локализованных знаков

Локализованные значки как особый способ картографического изображения используется для указания местоположения объектов, не выражающихся в масштабе карты или занимающих площадь меньшую, чем картографический знак, и вообще для передачи явлений, локализованных в конкретных пунктах.

По своей форме значки могут быть:

абстрактными,

буквенными,

наглядными.

Среди абстрактных знаков наиболее употребительны геометрические фигуры: круги, квадраты, треугольники, прямоугольники, ромбы и т.д.  Они просты для выполнения, хорошо опознаются по легенде, занимают относительно мало места, точно указывают местоположения объекта, а также легко сравнимы по величине. Количество элементарных фигур не велико, но число обозначений можно увеличить, используя для значков разные цвета с внутренним рисунком.

Рис. 4.5. Виды значков: а - геометрические; б - буквенные;

в - наглядные; г - структурные; д - раздельные;

е - нарастающие.

Буквенные значки - это одна или две начальные буквы названия изображаемого объекта или явления (значки фосфора P и железа Fe - используют для указания месторасположения данных элементов). Буквенные значки обычно используются когда требуется отчетливо выделить какую-либо категорию объектов. Среди других изображаемых геометрическими значками объектов данные обозначения являются наиболее наглядными.

Наглядные значки напоминают по рисунку изображенные объекты. Среди них различают:

  1.  символические, форма которых вызывает какие-либо ассоциации с изображаемым объектом. Например, для изображения театра на плане используется маска).
  2.  натуралистические. Например,  для обозначения тракторного завода используются трактора.

§3.3 Способ линейных знаков

Линейные знаки применяются, во-первых, для передачи линий в их геометрическом понимании (для водораздельных линий, политических и административных границ), во-вторых, для объектов линейного протяжения, не выражающихся в своей ширине в масштабе карты (реки, дороги, линии передач). Некоторые линии могут рассматриваться как зональные границы (береговая линия разграничивает сушу и водное пространство). При значительной ширине линейных значков возникает вопрос о действительном местоположения рассматриваемых объектов. На топографических картах значки обычно располагаются так, чтобы их ось совпадала с действительным расположением объектов. На тематических картах используют и другой прием, располагая цветную или штриховую ленту знака сбоку, вдоль линии, обозначающей положения объекта, или даже вынося ее в сторону.

Перемещение линейных объектов, например изменение положения линий фронта, легко передается сочетанием линейных знаков, отнесенных к разным моментам времени.

Рис. 4.6. Линейные знаки: а - политических и административных границ; б - гидрографической сети;

в - автомобильных дорог; г - основных направлений альпийской складчатости; д - типов берегов; е - изменяющегося положения фронта.

§3.4 Способ изолиний

Изолиниями называют линии на карте, проходящие по точкам с одинаковыми значениями каких-либо количественных показателей. Характерный пример изолиний - горизонтали или изогипсы, т.е. линии, соединяющие на земной поверхности точки одинаковой высоты. Данный способ изображения рельефа  является основным для топографических карт.

Система изолиний отображает реальные объекты, например, рельеф местности, или абстрактные, например, поверхность годового слоя выпавших осадков. Схема составления заключается в следующем: в начале на карте отмечают точки, на которых были определены величины, характеризующие данное явление; затем соединяют соседние точки прямыми линиями, после чего находят промежуточные точки, в которых явление должно выражаться в реальных числах. Затем через эти точки проводят кривые, называемые изолиниями. Для правильного построения изолиний, особенно на картах мелкого масштаба, необходимо учитывать особенности картографируемого явления, общие закономерности его размещения, а также учитывать связи с другими явлениями. Например, связь рельефа с гидрографической сетью при нанесении горизонталей, температуры воздуха с рельефом при построении изотерм. Местные особенности явления определяют своеобразие рисунка изолиний.

Интервал между изолиниями желательно сохранять постоянным. Тогда частота изолиний позволяет  зрительно следить за направлением быстрейшего горизонтального измерения показателя - горизонтального градиента. Величина интервала зависит в первую очередь от пределов, в которых колеблются значения явления. Чем шире пределы, тем больше интервал и наоборот. К другим факторам, влияющим на величину интервала, относятся: масштаб карты (чем он крупнее, тем мельче интервал), ее назначение и детальность использованных данных. При мелких масштабах карты постоянство интервалов не выгодно. Например, сечение оптимальное для передачи рельефа низменности может дать перегруженное изображение возвышенности.

Оформление изолиний аналогично оформлению горизонталей. В разрывах и на концах изолиний подписывают соответствующие числовые значение. При многоцветном издании промежутки  между изолиниями обычно окрашивают разными цветами, изменяют их светлоту и насыщенность или применяют штриховку различного вида и силы.

Изолинии широко применяются для отображения временных изменений и динамики явлений. Ими показывают: изменения величины явлений с течением времени, перемещения в пространстве (время пробега волны цунами), время наступления явления (продолжительность сезона дождей), длительность и повторность явлений. Принцип изолинии применяется для отображения дискретных явлений с целью наглядного воспроизведения  их плотности.

§3.5 Способ качественного фона

Способ качественного фона применяют: а) для подразделения территории на группы однородных в качественном отношении участков, выделяемых по тем или иным природным, экономическим или политико-административным признакам, и б) для индивидуального районирования территории ее дифференциации на целостные, неповторяющиеся районы. Способ используется для характеристики явлений, сплошных на земной поверхности (например, ландшафтов), занимающих на ней значительные площади (например, для лесов) или имеющих массовое распространение (например, для населения).

Основной путь выделения групп однородных участков дифференциация территории по типам местности в соответствии с принятой классификацией, например геоботанической, ландшафтной, сельскохозяйственной и т. п. В этом случае выбирают классификацию, используемую в соответствующей науке (генетическую, морфологическую, хронологическую и т. д.), или такую классификацию разрабатывают; далее в соответствии с ней ограничивают на карте однородные участки, после чего однотипные выделы окрашивают в присвоенный данному типу цвет или покрывают установленной штриховкой. Такие карты называют типологическими.  Вообще говоря, в них можно заменять раскраску или штриховку выделов индексами или надписями, но этот прием лишен наглядности.

Линейные знаки границ участков, выделяемых по способу качественного фона, можно рассматривать как элемент этого способа, их наносят либо в процессе полевых съемок (геологических, почвенных, геоботанических и т.д.), т.е. в результате наблюдений и измерений в натуре, а также по аэрокосмоснимкам, либо на основании различных картографических и литературных источников. Эта задача не представляет принципиальных трудностей, когда границы закреплены на местности (например, границы политико-административного деления) или прослежены в натуре (например, границы горных пород различного возраста). Дело осложняется, когда смена одного типа другим происходит постепенно через переходную зону, с чем, например, можно встретиться при картографировании размещения народов. Указание линейных границ может скрыть постепенность смены этнического состава населения. Выход находят в использовании для переходной зоны чересполосной или «шашечной» окраски; варьируя ширину полос или размеры шашек, можно передавать различные соотношения в зонах перекрытия.

Способ качественного фона легко сочетается с другими способами изображения.

Рис. 4.7. Применение способа качественного фона:

1 - торфяно-глеевые почвы; 2 - торфянисто-глеевые в комплексе с торфяно-глеевыми; 3 - пойменные дерновые;

4 - таежно-поверхностно-глеевые; 5 - таежно-поверхностно-глееватые; 6 - охристо-эдювиально-глеевые; 7 - подзолы элювиально-глеевые; 8 - дерново-слабоподзолистые.

§
3.6Способ количественного фона

Способ количественного фона применяют для подразделения (дифференциации) территории по определенному количественному показателю, например модулю стока, густоте и глубине расчленения рельефа, или комплексу показателей, например, характеризующих уровень экономического развития территорий. При этом способе обычно используют один из двух путей картографирования:

  1.  предварительное деление (районирование) территории по надлежаще выбранному основанию (например, по бассейнам рек, зонам деятельности школ, больниц и т. п.), определение для каждого территориального подразделения значения картографируемого показателя (например, модуля стока, степени обеспечения населения школьной или больничной сетью и т. д.) или комплекса показателей и, наконец, отнесение подразделений к соответствующим ступеням шкалы (или классам комплекса количественных характеристик); 
  2.  определение значений количественного показателя (например, крутизны склонов) по всей площади карты и далее проведение границ участков, относящихся к различным ступеням шкалы крутизны скатов, густоты расчленения рельефа и т. д. Оформление сходно с принятым для способа качественного фона, но насыщенность расцветки или сила штриховки ступеней шкалы отражает рост показателей. Возможны и другие приемы оформления, например передача количественных показателей диаграммными знаками, размещаемыми в пределах соответствующих участков.

Для этого способа важен рациональный выбор шкалы. При комплексе показателей синтетические характеристики, получаемые на ЭВМ математико-статистическими расчетами, обычно имеют смысл сравнительных оценок и служат для соответствующей группировки территориальных подразделений (стран, районов и т. п.).

Возможно сочетание способов качественного и количественного фона, например подразделение территории на карте народов по национальному составу населения с дополнительной характеристикой его плотности в пределах выделенных участков.

Рис. 4.8. Применение способа количественного фона для характеристики преобладающих углов наклона земной поверхности. Участки поверхности с крутизной: 1 - до 20;

2 - 2-80; 3 - 8-200; 4 - более 200.

§3.7 Способ ареалов

Ареалом (от латинского «area» площадь, пространство) называют область распространения какого-либо явления, например вида растений, животных, пахотных земель и т. п. По характеру размещения явление в пределах своего ареала может быть непрерывным, сплошным   (например, оледенение) или рассеянным (например, ареал возделывания хлопчатника).

Различают ареалы абсолютные и относительные. Абсолютным называют ареал, вне которого данное явление, например некоторый вид животных, не встречается совсем. Относительный ареал более узокон охватывает территорию, на которой то же явление обладает определенными свойствами, например вид животных (белка, крот) имеет плотность распространения, достаточную для промысловой охоты.

Для передачи ареалов на картах используются различные приемы: ограничение ареалов сплошной или пунктирной линией определенного рисунка; окрашивание ареала; штриховка ареала; равномерное размещение в пределах ареала штриховых знаков, нередко без указания его границы; указания ареала надписью, раскинутой в его пределах, или отдельным рисунком (например, значок пингвина для обозначения колонии пингвинов).

Рис. 4.9. Различные приемы изображения ареалов (заманиха высокая, по Атласу ареалов и ресурсов лекарственных растений СССР, 1976): аграница ареала; бштриховка ареала; взначки без указания границы ареала; г—надпись и граница ареала; д—надпись без границы ареала; е сочетание границ ареалов трех растений.

Если ареал располагается в пределах картографируемого района только частично, то на карте он может выразиться одной незамкнутой линией. Приемы с четкой границей предпочтительны для точно установленных на местности ареалов, тогда как оформление без обводки удобно для ареалов схематических, лишь приближенно указывающих область распространения явления.

В качестве главного способа картографического изображения ареалы используются преимущественно на зоогеографических картах, показывающих области распространения различных видов животных. Чаще они применяются в качестве вспомогательного, дополнительного способа.

§3.8 Способ локализованных диаграмм

Локализованные диаграммы, приуроченные к определенным точкам, широко используются для дискретных характеристик сезонных явлений и других периодических явлений сплошного и линейного распределения - их хода, величины, продолжительности, повторяемости и т.д. Например, диаграмма ветров, динамика снежного покрова и т.д. Точки для построения диаграмм выбираются в пунктах, наилучшим образом отражающих особенности прилегающих пространств.

Рис. 4.10. Применение локализованных диаграмм для характеристики повторяемости и скорости ветра.

Диаграммы, регистрирующие изменения во времени некоторого количественного показателя, часто строятся в декартовой или полярной системах координат в виде кривой распределения или столбчатой диаграммы. В виде «роз», т.е. в виде графиков распределения повторяемости направлений и величин явлений, локализованные диаграммы применяются для таких тем, как повторяемость и сила ветров разного направления, повторяемость ветрового волнения и зыби и т.д.

§3.9 Точечный способ

Точечный способ используется для картографирования массовых рассредоточенных явлений, таких, как население, особенно сельское, посевные площади, животноводство и т.д. Обозначают определенное количество объектов (единиц) картографируемого явления посредством точки, располагаемой на карте там, где соответствующее явление фактически размещено.

Рис. 4.11. Применение точечного метода для картографирования сельского населения Алтайского края.

В результате на карту наносят некоторое количество точек равной величины и одинакового значения, группировка которых дает наглядную картину размещения явления - мест концентрации и рассеяния, а часто позволяет определить его размеры. Способ наиболее эффективен для явлений контрастного размещения.

В точечном способе существенен целесообразный выбор «веса» точки, т.е. установление количества объектов, выражаемых одной точкой. При большом весе точки облегчается размещение точек в местах наибольшей плотности явления, но возникает трудность изображения отдельно расположенных групп объектов, меньших, чем вес точки. В последнем случае несколько групп, в сумме составляющих вес одной точки, как бы объединяют вместе и обозначают по месту наибольшей группы.

Точки малого веса удобны для районов малой плотности явления, но они могу сливаться там, где она велика.

§3.10 Способ знаков движения

Знаки движения служат для показа различных пространственных перемещений, относящихся к природным, социально-экономическим явлениям (морские течения, маршруты путешественников, перевозка грузов и т.д.). Очень часто их используют для наглядной передачи планов и хода военных действий, а также для отображения различных связей - транспортных, экономических, торговых, финансовых, политических, культурных и т.д. Знаки движения применимы для явлений, любых по характеру размещения:

1. Для точечных (движение корабля);

2. Линейных (перемещение фронтов);

3. Площадных (рост лавового поля);

  1.  Рассеянных (миграция животных);

Сплошных (перемещение масс воздуха).

Основным графическим средством для отображения движения и связей служат векторы, то есть направленные отрезки, которые могут различаться по ориентировке, форме, величине, цвету, светлоте, внутренней структуре.

Другое распространенное графическое средство - ленты, различная ширина которых выражает мощность потоков пассажиров, грузов и т.п. Соизмеримость лент может быть абсолютной или условной, непрерывной или ступенчатой.

Рис. 4.12. Векторы, различающиеся: а - по форме; б - величине; в - светлоте; г - внутренней структуре.

Знаки движения разделяются на точно перепадающие трассы перемещений и схематические. Первые совпадают с железными дорогами, автомагистралями, водными путями и т.п. или показывают реальные маршруты, вторые вычерчиваются произвольно между пунктами (или районами) начала и конца движения.

§3.11Картодиаграммы

Картодиаграммой называется способ изображения распределения какого-либо явления посредством диаграмм, размещаемых на карте внутри единиц территориального деления и выражающих суммарную величину явления в пределах каждой территориальной единицы. Картодиаграммы используют для наглядного сравнения, например, валовой продукции промышленности в ее натуральном или ценностном выражении.

Рис.4.13. Различные виды диаграмм, характеризующие соотношение одних и тех же величин: а - линейные; б и в - площадные; г и д - объемные.

В картографии наиболее употребительны: 

  1.  линейные диаграммы - столбики, полоски и т.д., длина которых пропорциональна сравниваемым величинам;
  2.  площадные диаграммы - квадраты, круги и т.д., площадь которых пропорциональна сравниваемым величинам;
  3.  объемные диаграммы - кубы, шары и т.д., объем которых пропорционален сравниваемым величинам.

В то же время диаграммные фигуры могут быть структурными, если, например, квадраты, круги и другие фигуры подразделяются на части соответственно составу изображаемого явления, например сообразно составу земельных угодий, пахотных площадей, структуре экспорта и импорта и т.д. Для структурных диаграмм используют и другие построения, например звездные диаграммы, в которых длина лучей пропорциональна составным частям явления.

§3.12 Картограммы

Картограммой называют способ изображения средней интенсивности какого-либо явления в пределах определенных территориальных единиц, не связанных с действительным, географически обоснованным районированием этого явления. Например, посредством картограммы можно указать по областям и районам среднюю плотность населения , выраженную количеством человек на 1 км2  площади. В отличие от картодиаграмм, для составления которых служат абсолютные величины (например, количество населения по областям) в картограммах используются относительные показатели (например, средняя плотность населения), получаемые в результате деления двух рядов абсолютных величин, исчисленных для одних и тех же территориальных единиц, или же из подсчета процентных отношений.

Картограммы часто привлекаются для иллюстрации изменений во времени с помощью относительных показателей, например в процентах прибыли или убыли населения по отдельным административным единицам. Для наглядности изображения каждую территориальную единицу обычно раскрашивают или штрихуют так, чтобы по насыщенности цвета или штриховки можно было судить об интенсивности явления. Обычно используют ступенчатую шкалу интенсивности. Расцветку (или штриховку), присвоенную какой-либо ступени шкалы, накладывают на те территории, где интенсивность попадает в интервал, назначенный для этой ступени.

Рис. 4.14. Картограмма плотности населения Алтайского края, построенная с использованием различных шкал:

а - исходные данные; б - картограмма со шкалой в арифметической прогрессии; в и г - соответствующие блок-диаграммы.

§3.13 Сеточно-площадной способ 

Съемки на местности - топографические, геологические и т.д. - состоят в пространственной фиксации точек и линий с определением площадных объектов их граничным линиям-контурам. Классические элементы сохраняют в своей разработке господство точечно-линейных элементов над площадными. Между тем многие тематические карты нуждаются для своего совершенствования не только в детальной дифференциации изображения на однородные в количественном и качественном отношении участков, но и в показе постепенных пространственных изменений явлений.

Сеточно-площадной способ пригоден для передачи количественных характеристик, осредненных по элементарным площадкам, например крутизны склонов, с воспроизведением их в серых или цветных шкалах.


Тема 4. Способы изображения рельефа

§4.1 Высотные отметки, цифровые модели рельефа

Высотными отметками называют подписанные на карте высоты точек местности, абсолютные или относительные. Любой способ изображения рельефа связан с использованием высотных отметок, от количества, выбора и точности которых зависит качество передачи рельефа. Вместе с тем они облегчают чтение рельефа, выделяют важные или характерные высоты, указывают относительные высоты мелких форм рельефа, не выражающихся горизонталями.

Сами по себе высотные отметки не создают ясного и наглядного представления о формах земной поверхности. Поэтому в качестве самостоятельного метода они использовались лишь для изображения рельефа морского дна - на морских навигационных картах, важнейшим элементом которых является отметка глубины.

На суше абсолютные высотные отметки обозначают наивысшие  и наинизшие точки местности и позволяют определять характерные превышения и профили. Существенно указание высот легко опознаваемых точек местности:  пересечений дорог, тригонометрических пунктов и т.д. Для подводного рельефа особенно внимательно отбирают опасные для плавания глубины - минимальные отметки на мелях, банках и т.д. Относительные высоты подписывают для характерных уступов террас, обрывов берегов, водопадов, курганов и т.д. Количество указанных отметок определяются специальными руководствами по созданию карт.

Высоты суши считают от среднего уровня моря, определяемого из многолетних наблюдений. Ноль глубин на морских навигационных картах принимается различно на морях с малыми (менее 0,5 м) и большими приливами. Для первых отметки глубины отсчитывают от среднего уровня моря, для вторых - от наинизшего уровня моря, который называют теоретическим нулем глубин.

В теории информации регистрация непрерывного явления по средствам дискретных отчетов называют квантованием. Определения высотных отметок явлений будет равно , z - значение высот в точках с координатами x, y. z  может выполняться различно - в вершинах регулярных сеток, узлах картографических сеток, вдоль профилей, по горизонталям. В качестве примера приводится квантование по профилю.

Рис.5.1. Преобразование модели рельефа в цифровую форму: а - исходная модель и построение профилей;

б - размещение профилей в одной плоскости;

в - линейная развертка высотных отметок.

Первоначально рельеф рассекается через равные промежутки х, рядом параллельных плоскостей, фиксирующих профили рельефа. После этого вдоль каждого профиля через промежутки  у=x определяются высотные отметки в точках 11, 12, .... Далее легко представить последнее размещение всех профилей в одной плоскости, что ускоряет координату х, а затем выборку всех величин и их последние равномерное построение на прямой линии. Таким образом, реальная поверхность, определенная высотными отметками в заданных точках, преобразуется в линейную развертку, регистрирующая величины z (высоты) в цифровой форме.

Высотные отметки цифровых моделей получают либо при обработке стереотопографической съемки, либо определяют по имеющимся топографическим картам измерением высот в вершинах сгущенной сетки прямоугольных координат.

§4.2 Изображение рельефа горизонталями

Главное достоинство горизонтали - возможность непосредственного определения абсолютных высот, относительных превышений, направления и крутизны скатов. Вместе с тем горизонтали создают зрительное представление о формах и расчленении рельефа, отражающих его происхождение и развитие. Горизонтали удобны для цифрования, а также автоматизированной обработки и построения.

Отдельно взятая горизонталь не достаточна для суждения о формах рельефа. Для передачи поверхности необходимо использовать систему линий. Полнота и подробность изображений зависит от разности высот смежных горизонталей,  называемой высотой сечения  рельефа. Выбор сечения обусловлен масштабом и назначением карт, а также характером рельефа. Очевидна величина сечения от масштаба.

                                                    В

                                                     h

                 

       А                                         С

Рис. 5.2.

С математической точки зрения минимальная величина сечения обуславливается предельной крутизной склонов, подлежащих изображению в горизонталях, и издательскими возможностями. В одном мм практически невозможно провести более четырех параллельных линий, сохраняя их различимость. Поэтому, если предположить, что  - предельный угол склона, изображаемого в горизонталях, а АС -минимальное расстояние между горизонталями (0,25 мм на карте или 0,25N в натуре, где N - знаменатель численного масштаба  карты), то величина минимальной высоты сечения h определяется по следующей формуле

Горизонтали позволяют изображать склоны, крутизна которых не превышает 400. При большей крутизне горизонтали начинают сливаться. Например, 20-метровое сечение на карте масштаба 1:100000 недостаточно для отображения таких форм холмистого рельефа, которые не превышают 20 метров.

Для изображения сложных объектов, т.е. имеющих множество верши, нужно использовать дополнительные горизонтали или применять сечения различной величины для горных и равнинных районов. Дополнительные горизонтали, вычерчиваемые прерывистыми линиями, применяются по мере надобности для деталей и форм рельефа, существенных в данном масштабе, но не отображаемых основными горизонталями. Например, для  эрозионного рельефа такими деталями могут быть бровки, линии скатов.

На топографических картах в пределах каждого листа высота сечения обычно остается постоянной во всех высотных зонах, что необходимо для правильного восприятия крутизны склона.

Укрупнение сечения, пропорциональное уменьшению масштаба, неприемлемо для карт мелкого масштаба. Иначе, например, в масштабе 1:1000000 пришлось бы установить 200-метровое сечение, т.е. отказаться от изображения рельефа низменности. Выход из подобного положения находят в увеличении сечения с высотой - постепенно или по зонам. Ряд горизонталей с изменяющимся сечением называется шкалой горизонталей. В качестве примера приведем шкалу горизонталей для рельефа суши, принятую в СССР для карт масштаба 1:1000000.


Таблица 5.1

Шкала горизонталей карты масштаба 1:1000000

                 Высота пояса, м

Интервалы сечений, м

от 150 (ниже уровня моря) до 500м

 50

от 500 до 1000м

 100

выше 1000м

  200

Шкалу горизонталей выбирают в результате изучения рельефа картографируемой территории. Большую помощь в этом оказывает построение профиля, дающего наглядное представление о вертикальном расчленении и относительных перегибах местности по характерным направлениям. Важно, чтобы  в шкале интервал сечения в каждом высотном поясе был меньше относительной высоты тех форм рельефа, изображение которого обязательно. Увеличение интервала должно проходить достаточно медленнее увеличения преобладающих углов наклона, характерных для каждого высотного пояса.

При использовании способа горизонталей важно видеть в горизонталях не только математические линии равных высот, но и линии, рисующие формы рельефа. По начертанию горизонталей судят о типе рельефа. Мягким формам рельефа свойственны округлые, плавные горизонтали, резким формам рельефа - извилистые и угловатые линии. Каждому типу рельефа свойствен неповторимый рисунок горизонталей.

§4.3 Изображение элементов рельефа, не выражающихся горизонталями

Горизонтали незаменимы для изображения форм рельефа, которым присуще постепенное изменение высоты. Но они не приспособлены для передачи резких нарушений рельефа, например, скалистых гребней, тектонических трещин, обрывов, нависающих скал и т.д. Горизонтали не могут улавливать микроформы рельефа и мало пригодны для показа тех его элементов, у которых высота менее установленного для карты сечения.

По характеру изображаемых форм можно судить об их происхождении и развитии, но горизонтали сами по себе не предназначены для передачи динамических элементов рельефа. Эти недостатки преодолеваются с помощью введения специальных знаков.

Первоначально обратимся к резким нарушениям рельефа. Простейшей и наиболее удовлетворительный прием их изображений состоит в применении единого трафаретного штрихового знака, не отражающего ни характера нарушения, ни высотных соотношений.

При картографировании микроформ применяют метод ареалов: указывают внешний контур микроформ, внутри которого размещают штриховые знаки соответствующих форм, если надо сопровождая эти знаки количественными характеристиками микроформ.

Специальные знаки допускают отображение подвижных форм рельефа, например барханов, неустойчивых форм, быстро развивающихся форм и т.д.

Рис. 5.3. Изображение контурными знаками различных форм рельефа песков.


Тема 5. Надписи на географических картах

§5.1 Виды надписей

Географические названия необходимы как при общем обозначении карты, так и при детальном изучении ее отдельных частей и элементов.

Среди географических названий можно выделить несколько групп по назначению и изменению параметров:

1. Названия описательные, определяющие какое-либо качество объекта или его положение. Например, р.Белая, п-ов Низменный, гора Лысая, мыс Северный.

2. Собственные имена, т.к. г.Рязань, Азия

Подобные знаки лишены для нас очевидного национального или смыслового значения.

3. Названия мемориальные: о-в Октябрьской революции, пик Победы, Первомайск.

4. Названия указательные: Костромская область, Севастопольская бухта. Данные названия обозначают один объект по отношению к другому, ранее и более известному.

5. Названия-титулы: Соединенные Штаты Америки, Федеративная Республика Бразилия, иногда имеющие параллельно сокращенные формы: США, Бразилия.

Другая весьма разнообразная форма записей - пояснительные подписи: она указывает род изображаемых на карте объектов, их характеристики и показатели. К пояснительным подписям относятся:

1. Термины нарицательные, определяющие род объекта.

Море, залив, колодец, гора, вулкан

2. Указатели качественных особенностей объектов, не отражаемых условными знаками, например, преобладающие породы леса, количество воды в водоемах.

3.Количественные характеристики объектов, например, обозначение цифрами высоты деревьев, среднее расстояние между деревьями в лесу, число домов в населенном пункте.

4.Обозначение хронологических рамок, например, время оккупации страны, дата открытия острова, присоединения территории, положение линии фронта.

5. Пояснения к знакам движения

Дрейф станции “Северный полюс-1”.  

Поход на Астрахань в 1556 году.

6.Собственные имена и названия, которые не относящиеся к географическому объекту, например, фамилия начальника участка, название корабля, надпись маршрута корабля на карте.

7. Пояснения к линиям картографической сетки, например, экватор, северный полярный круг.

Надписи обогащают карты, но могут ухудшить ее читаемость в том случае, если надписей слишком много или если сама надпись перекрывает часть рельефа. Поэтому при изготовлении карты нужно ограничиться только необходимыми надписями. Географические названия можно передать на карте только надписями, но для указания рода объектов, их качественных и количественных особенностей имеется другой путь - использования картографических знаков.

Нарицательные термины надписываются, когда они неразрывно связаны с названием, например, Ладожское озеро, Черное море, или подобные надписи полезны для определения принадлежности к конкретному географическому объекту, например, к перевалу. Излишне подписывать термины у названий, принадлежность которых очевидна, например, у названия реки, следующего ее изгибам. Подпись нарицательных терминов, не сопровождающих названия, оправдана в исключительных случаях, когда это помогает выделению на карте важных объектов (например, обозначения колодцев в песчаных пустынях), ориентиров (отдельных озер с горной местности), когда их знаки слабо выделяются среди прочего содержания карты.

§5.2 Шрифты надписей

Шрифты часто выполняют роль картографических знаков, характеризуя некоторые качественные, количественные особенности объектов, к которым подписи относятся. Подобно условным знакам шрифты могут различаться по форме (рисунку, виду шрифта), по размеру (высота, ширина), цвету, ориентировке, светлоте, структуре.

Например, на советских картах масштаба 1:1000000 для названия городов и поселков городского типа используют прописные буквы прямого шрифта, для сельских поселений - строчные буквы наклонных шрифтов.


Тема 6. Картографическая генерализация

§6.1 Сущность и факторы генерализации

Важнейшее свойство географических карт как образно-знаковых моделей действительности состоит в возможности непосредственно обозревать и изучать явления земной оболочки в любых ее пределах, охватывающих район, область, страну, материк или даже Землю в целом. Оно основано на использовании масштаба и передаче картографируемых явлений в генерализованном виде.

Государственный стандарт терминов определяет картографическую генерализацию как отбор и обобщение изображаемых на карте объектов соответственно назначению и масштабу карты и особенностям картографируемой территории. Основной смысл генерализации — отображение картографируемой части действительности в ее основных типических чертах и характерных особенностях. Понимание карт как моделей геосистем или их частей (аспектов) позволяет увидеть в генерализации средство к выделению в геосистемах их ведущих (главных) элементов, связей и процессов, а также путь к отображению систем более высокого ранга и получению о них качественно новых знаний в результате абстрагирования и устранения информации, излишней для анализа этих систем.

В самом определении генерализации указаны основные факторы, се определяющие: назначение карты, ее масштаб и особенности картографируемой действительности. К ним следует еще присоединить тематику карты и степень изученности объектов картографирования (качество источников).

§6.2 Виды генерализации

Генерализация проявляется в отборе картографируемых явлений, графическом обобщении геометрической формы (пространства) объектов, в обобщении их количественных и качественных характеристик, наконец, в переходе от простых объектов или понятий к более сложным посредством введения собирательных обозначений.

Отбор картографируемых явлений — это ограничение содержания карты необходимыми явлениями и объектами и исключение прочих. Карта всегда моделирует лишь некоторые явления (стороны) действительности, а среди них сохраняет только то, что существенно с точки зрения назначения карты, ее тематики, масштаба и особенностей картографируемых явлений. Цензы, т. е. границы отбора объектов разных категорий, нередко определяются количественными или качественными показателями. Они устанавливаются двояко: как исключающие цензы, определяющие объекты, устраняемые с карты (например, все реки длиной менее 1 см в масштабе карты), либо как избирательные цензы, указывающие объекты, обязательно сохраняемые на карте (например, все районные административные центры).

Другой путь объективизации отбора состоит в разработке норм отбора, указывающих в соответствии с густотой объектов на местности (или на карте-источнике) их «норму представительства», т. е. количество (или долю) сохраняемых объектов, например количество населенных пунктов, наносимых в среднем на 1 дм2 карты.

Отметим их принципиальное различие: при цензовом отборе подход к объектам индивидуален (удовлетворяет или нет объект требованиям ценза), норма же отбора имеет статистический смысл - определение степени представительства совокупности объектов.

Цензы и нормы отбора устанавливают, исходя из назначения и масштаба карт, а в пределах одной и той же карты изменяют для различных географических районов, чтобы учесть и отобразить на ней особенности размещения картографируемых объектов. Например, количество населенных пунктов, показываемых на 1 дм2 карты масштаба 1:1000000, изменяется от 140 до 20 и менее в зависимости от плотности и величины населенных пунктов на местности.

Наиболее очевидна геометрическая пространственная сторона генерализации. Она состоит в продуманном упрощении очертаний изображаемых объектов — линейных и площадных, при котором сохраняются особенности формы объектов, существенные и (или) необходимые с точки зрения назначения карты, и вместе с тем выявляется порядок взаимного размещения этих объектов. Решение этой задачи нередко приводит к преувеличению отдельных деталей, некоторой утрировке изображения (рис. 7.1), а иногда к его предельному упрощению, например, при замене контура населенного пункта пунсоном.

Рис. 7.1. Геометрическая пространственная генерализация:

а -залив Сан-Франциско на карте масштаба 1:1000000;

б - генерализованное изображение в масштабе 1:5000000;

в - увеличение генерализованного изображения до масштаба 1:1000000, наглядно показывающее геометрическое обобщение линейных и площадных объектов.

Обобщение количественной характеристики состоит в переходе от непрерывной шкалы к ступенчатой и далее в укрупнении интервалов (ступеней), внутри которых изменения количественного показателя, характеризующего данную категорию объектов, не находят на карте отражения. Иллюстрацией может служить сокращение числа ступеней в группировке населенных пунктов по их людности, при котором интервалы ступеней расширяются. Пример - замена четырехступенной группировки сельских поселении (более 1000 жителей, от 500 до 1000, от 100 до 500 и менее 100 жителей) двухступенной (более 1000 жителей и менее 1000 жителей) при переходе от топографических карт масштабов 1:10000 - 1:100000 к карте масштаба 1 : 1000000.

Обобщение  качественной характеристики  имеет целью сокращение качественных различий в данной категории объектов: во-первых, посредством замены дробных классификаций обобщенными (например, при замене особых знаков для лесов хвойных, лиственных и смешанных единым знаком леса); во-вторых, в результате исключения низших ступеней классификации (например, при характеристике населенных пунктов по административному признаку путем исключения особых знаков для центров районов и сельсоветов).

Последняя из названных сторон генерализации — переход от простых объектов или понятии к более сложным посредством введения собирательных обозначении реализуется через совместное использование знаков простых объектов (например, замена перемежающихся контуров кустарника и луга знаками кустарника но лугу без указания отдельных контуров) или, что более существенно, через их замену знаками обобщающих понятий; переход от изображения золотоносного бассейна путем обозначения отдельных месторождений к указанию ареала бассейна).

Выделение отдельных сторон генерализации имеет методический смысл; оно позволяет представить возможные пути генерализации; в действительности же все ее стороны тесно связаны и не отделимы одна от другой.

Существуют и другие подходы к выделению различных сторон генерализации. Например, Вернер Витт в немецком «Лексиконе картографии» (1979) различает: чисто геометрические проявления генерализации, включающие упрощение планового рисунка объектов, их преувеличение и взаимные смещения; количественную генерализацию - отбор и (или) объединение объектов; качественную генерализацию — типизацию (включая преобразование условных знаков) и усиление.

Еще более схематично представление о генерализации как состоящей из двух процессов: во-первых, абстрагирования пространства явлении отвлеченно от их содержания, во-вторых, обобщение содержания путем перехода от менее к более общим качественным и количественным характеристикам и понятийным определениям. Но эти процессы в действительности не отделимы один от другого и не учитывают важнейший компонент генерализации — отбор.

Среди ряда условий, необходимых для правильной генерализации, особенно важны понимание сущности изображаемых явлений (например, для рельефа - его морфологии) и выполнение генерализации учетом основных требовании материалистической диалектики. Прежде всего обязателен учет связей:

между объектами, входящими в один из элементов содержания карты, например принадлежащих к гидрографии (исключение небольшого по величине озера, но являющегося звеном водной системы, приводит к ее разрыву);

между различными элементами содержания карты, например между населенными пунктами и путями сообщения (устранение второстепенных населенных пунктов влечет исключение местных путей, связывающих эти пункты с магистральными линиями);

между элементами данной карты и других родственных карт, например между рельефом, почвами и растительностью, изображенными на разных тематических картах.

Учет развития явлений предохраняет при генерализации от недооценки объектов относительно малых, но имеющих перспективы роста (например, возникающих населенных пунктов в местах крупного промышленного строительства).

Очень ценно сохранение количественных граней (ступеней), связанных с качественными особенностями объектов.

Генерализация на карте приводит к противоречиям между требованиями геометрической точности и требованиями содержательной верности (географического соответствия), что можно рассматривать как противоречие между формой и содержанием.

Геометрическая точность карты, определяемая по государственному стандарту терминов, как степень соответствия местоположения точек на карте их местоположению в действительности, предполагает изоморфность изображения, т.е. возможно точный показ каждого объекта (явления) на своем месте, в своих действительных плановых очертаниях и размерах, что обеспечивает правильное взаиморасположение объектов и сохраняет расстояние между ними, разумеется, в масштабе карты. Это качество часто характеризуется средними (или предельными) ошибками в положении на карте предметов я контуров местности.

Содержательная   верность (соответствие) обусловливает передачу действительности в ее главных, типических чертах, отображение пространственных взаимосвязей явлений н сохранение их географической специфики. Чтобы реализовать это требование, в процессе генерализации на карте показывают объекты и детали, исчезающе малые и трудно воспроизводимые в масштабе карты, но важные но своему значению. Для этого используют внемасштабные знаки или преувеличивают (утрируют) характерные детали.

§6.3 Влияние картографических знаков на генерализацию

Использование знаков влечет само по себе воспроизведение пространственной информации в абстрагированной понятийной форме (например, в виде знаков общих соответственно для городов, поселков городского типа и сельских поселении), воспринимаемой в мысленных образах объективной реальности. Вместе с тем система знаков, разработанная для конкретной карты, определяет возможность отображения пространства картографируемых объектов, их плановой конфигурации, равно как возможную подробность передачи знаками непространственных характеристик, что влияет на содержание карты, в первую очередь на пределы обязательного отбора. Например, если выбранные знаки леса позволяют выделять на карте контуры площадью не менее 4 мм2, то это значит, что на карте масштаба 1:100000 могут быть показаны участки леса от 4 га и более, на карте масштаба 1:1000000 - от 4 км2 и т.д. Очевидно, границы отбора и обобщения зависят от минимальной площади контуров, размеров знаков и детализации линий. Они определяются физиологической способностью глаз видеть и различать детали изображения при чтении карты, поскольку другой фактор - техническая возможность выполнения и воспроизведения знаков - теперь не ставит ограничений.

Из экспериментальных исследований минимальных размеров графических элементов следует, что черная точка на белом фоне видима при угле зрения в 1’ (линейный размер на расстоянии наилучшего зрения - 0,09 мм), линия - при угле в 0,7’ (т. е. при ширине в 0,06 мм), залитый квадратик опознается при угле в 6' (0,5 мм), прозрачный квадратик (рис. 7.2) — при угле в 7’ (0,6 мм), выступы сложной фигуры (силуэта) отчетливы при угле зрения в 4-5' (0,3 - 0,4 мм). Две тонкие параллельные линии кажутся сливающимися при промежутке между ними в 2' (0,17 мм); жирные линии различаются при несколько меньшем просвете (1,7' или 0,15 мм); такой же просвет минимален между смежными залитыми фигурами; просвет между линиями, заливаемый краской, увеличивается до 6' (0,5 мм).

Рис. 7.2. Минимальные размеры знаков в миллиметрах.

Рис. 7.3. Минимальные размеры извилин в миллиметрах.

Однако для уверенного чтения точки в качестве детали знака ее размер увеличивают до 2' (0,2 мм), в качестве самостоятельного знака (при точечном способе) - до 6-7' (0,5 - 0,6 мм). Вместе с тем россыпь точек (в знаках песков) воспринимается в их тончайшем рисунке. Линейная величина геометрических и наглядных знаков обычно превышает 1 мм. Например, на топографических картах масштаба 1:10000 наиболее употребительный размер знаков 2 - 2,5 мм (для упрощения здесь и далее указываются только линейные размеры на расстоянии наилучшего зрения). У отдельной линии толщиной в 0,1 мм ее извилины, близкие к овалу или окружности, читаются при диаметре не менее 0,5 мм; угловатый рисунок распознается, когда его стороны достигают 0,6 - 0,7 мм; прогиб линии становится отчетливым при основании в 0,6 - 0,7 мм и глубине в 0,4 мм (рис. 7.3).

На минимальный размер площадей объектов, передаваемых с сохранением свойственных им очертаний (конфигурации), воздействуют многие факторы: вид площадных обозначений для характеристики объекта, его значение, определенность границ объекта на местности, географическое окружение объекта и др.

Относительное значение объектов различных категорий побуждает назначать для более важных категорий меньший предел, чем для второстепенных. Предел повышается для объектов, слабо выраженных на местности или имеющих неясно очерченные границы.

Разумеется, на определение минимальных размеров обозначений и контуров сильно влияет назначение карты и способ пользования ею. Например, для стенных карт минимальные размеры определяются исходя из угловых величин и расстояния, на котором должна читаться карта в кабинете или аудитории.

Многотемность содержания и различия в назначении географических карт разнообразят и усложняют генерализацию. Ее изучение применительно к отдельным видам карт относится к задачам тематических разделов картографии, например почвенной картографии в отношении почвенных карт, экономической картографии в отношении карт населения и народного хозяйства и т. п. Однако в картографической генерализации различных явлений, обладающих сходством по характеру размещения, есть ряд общих черт.

§6.4 Генерализация явлений локализованных по пунктам

Для картографирования явлений, локализованных по пунктам употребляется способ значков. Одна из сторон генерализации - обобщение плановых очертаний - в  данном случае теряет свое значение. Но другие стороны - обобщение количественной и качественной характеристик, отбор и замена индивидуальных объектов собирательными образами - проявляются в полной мере.

Обобщение количественной характеристики выражается первоначально в переходе от непрерывной шкалы величин к ступенчатой, а далее в сокращении числа интервалов или ступеней. При обобщении шкал важно учитывать и сохранять границы ступеней, имеющие качественный смысл, например, определяющие подразделение населенных пунктов по типу поселений на города и сельские поселения. В частности, например, в Канаде к городам относятся все поселения, имеющие более 1000 жителей, в США - более 2500, в Индии - 5000. Для обобщения качественной характеристики используют разные пути: отказ от передачи некоторых качественных особенностей изображаемых объектов; замена видовых понятий родовыми, например, посредством объединения характеристик предприятий различных отраслей; переход к системам высшего уровня, например, от отдельных промышленных предприятий к промышленным пунктам, а далее к промышленным узлам.  

Отбор локализованных объектов часто подчиняется «цензовому» показателю.  Например, на общегеографической карте страны наносят только те населенные пункты, людность которых 1000 и более человек или на карте промышленности оставляют только те предприятия, стоимость годовой валовой продукции которых превышает 10000000 рублей(советских). Для одной и той же карты иногда устанавливают не один цензовый показатель, а несколько, в зависимости от географических условий, например,  для отбора населенных пунктов существуют густо-, средне-, слабо-, редко- и малонаселенные районы.

Другой прием отбора - нормативный, когда определяют степень отбора объекта, т.е. «нормы представительства». Она может быть различной в разных географических районах. Например, на общегеографических картах степень отбора населенных пунктов иногда выражают в виде процента исключаемых пунктов. Этот показатель может возрастать по мере перехода от района с малой густотой населения пунктов к районам , где плотность населения велика. Он зависит также от величины населенного пункта.

Весьма существенный путь отбора - это полное устранение второстепенных в качественном отношении объектов, например,  на мировой карте полезных ископаемых отказ от изображения месторождений строительных материалов, имеющих местное значение.

Рис. 6.4. Генерализация карт промышленности посредством перехода от изображения отдельных промышленных предприятий (а - западная часть Варшавы и прилегающие районы) к изображению промышленных пунктов (б - Варшава, Прукшув и др.) и далее к промышленным узлам

(в - Варшавский, Лодзинский и др.).

На отбор локализованных объектов влияет способ оформления значков, а также необходимость сопровождать значки надписями. Например, на общегеографических картах мелкого масштаба населенные пункты изображаются пунсонами - условными знаками правильной геометрической формы, общими для определенных групп населенных пунктов. Они очень экономичны по площади и поэтому позволяли бы на многих картах  показывать населенные пункты без отбора, если бы не было необходимости сопровождать их названиями. Лучшие карты, на которых применены четкие и убористые шрифты, убеждают, что количество названий, подписанных на площади 1 дм2, не должны превышать 140 км на карте масштаба 1:1000000, 300 - 400 на мелкомасштабных картах справочных атласов.

Использование абсолютных шкал - ступенчатой и непрерывной - может привести к значкам большего размера, имеющих площадь в несколько см2. В местах сгущения объектов образуются скопления перекрывающих друг друга значков. Если указывать все названия необязательно, то количество знаков возрастает до 20-25 на см2. Подобные гроздья знаков выявляют места концентрации картографических объектов, определяют положение каждого их них, но заслоняют речную и дорожную сеть и таким образом скрадывают особенности географического размещения.

§ 6.5 Генерализация явлений, локализованных на линиях

Явления, локализованные на линиях, обычно передаются способом линейных знаков, очертания знаков указывают пространственное положение картографических объектов и очень часто определяют их характеристики. Например, по контуру береговой черты можно судить о типе морского побережья. Правильное обобщение очертаний линий объектов имеет первичное значение. Рассмотрим геометрическое обобщение линий на примере обобщения гидрографической сети.

Подробность передачи плановых очертаний реки с сохранением масштабных со размерностей зависит от возможной детализации линий рисунка. Подобные изображения имеют предельную детальность, т.к. реки изображаются линиями. Отсюда очевидна неизбежность обобщения очертания гидросети, начиная с карт крупного масштаба. Обобщение проявляется в исключении незначительных островов, лишних изгибов и т.д. За счет второстепенной особенности более выпукло возможно изобразить характер извилистости реки. Наличие руководства для топографических карт существенно облегчает работу картографа при изображении рек шириной 5, 10, 20 м для масштабов 1:50000, 1:100000, 1:200000.

 

Рис 7.5. Обобщение гидрографической сети:

а - изображение в масштабе 1:300000: б - тот же участок в масштабе 1:1500000; в - увеличение (б) до масштаба 1:300000.

Во многих случаях целесообразна намеренная схематизация линейных начертаний. Например, линии электропередачи на мелкомасштабной карте, когда важно показать не топографические особенности положения линий, а связи выработки и потребления энергии. Обобщенные качественные характеристики применяют линейные знаки применения линейных знаков наиболее очевидно в упрощение классификации картографических объектов. Например, многосторонние подразделения железных дорог по числу путей и т. д., где ограничиваются лишь выделением магистралей, т. е. главных линий. При упрощенной классификации для линейных объектов, относящихся к объединенным ступеням классификации, используется общий условный знак. Другой путь обобщения качественной характеристики, не связанный с упрощением классификации состоит в разбиение на малые линейные объекты или линии. Примером может быть морские карты, на которых побережье с дробным чередованием берегов разного типа, при уменьшение масштаба изображаются значками преобладающего типа. Если в таком чередовании трудно выделить преобладание берегов определенного типа, то сохраняется обозначение берегов того типа, который обязан современному процессу развития картографического побережья. Количественные характеристики линейного объекта, например, водности рек, напряжения линий электропередачи, связаны, главным образом, с обобщением используемых шкал, суть которых - анализ, описанный выше для явлений, локализованных по пунктам. При экономическом обозначение объекты могут быть изображены без специального отбора даже на картах мелкого масштаба. Примером может служить карта городской сети комплексного атласа. Цель таких паутин карт показать реальное пространственное различие в густоте путей сообщения. Например, карта объектов экономического развития районов по речной сети, карта климатических условий и т. д. Когда же линейные объекты показывают в связи с другими объектами отбор необходим, чтобы сохранилось существующие соответствия. На картах мелкого масштаба, предназначенных для обзора большой территории, например, страны в целом, становится излишним изображение путей местного значения. Отбор линейных объектов при переходе к меньшему масштабу не редко подчиняется количественному или качественному цензу. Распространен случай использования количественного ценза. Например, отбор сети реки на общегеографической карте, когда сохраняются реки, длина которых в масштабе карты превышает заданную величину, которая устанавливается с учетом назначения карты. Часто устанавливают следующие цензы: 1 см - для топографических карт, 0,5 см - для мелкомасштабных, 2 см  - для учебного атласа. В некоторых случаях возможны исключения, например, реки меньшей величины сохраняются, если они являются стоком озер или обрисовывают водораздел. Цензы дифференциально применяют к особенностям географического ландшафта, в частности можно рассчитать цензы отдельно для каждого из выделенных регионов, чтобы обеспечить повсеместную передачу относительно густоты рек.

§ 6.6 Генерализация явлений сплошного распространения и локализованных по площадям

При картографирование явлений сплошного распространения, таких как рельеф земной поверхности, растительный покров и т. д., преимущественно используется способ изолиний и способ качественного фона. К первому способу прибегают количественно, ко второму - качественно. Существование названных способов во многом определяет особенности генерализации. Применительно к изолиниям генерализация проявляется в укреплении интервалов между изолиниями, а также в обобщении очертаний изолиний. Этот процесс удобно рассматривать в применении к изображениям рельефа горизонталей, очевидно, что нельзя гарантировать передачу горизонтальных форм, высота которых менее принятого сечения. Для мелкомасштабной карты шкалу горизонталей выбирают в результате тщательного изучения рельефа территории, в частности по средствам построения профиля. Стремятся, чтобы в каждой высоте пояса величина интервала была меньше относительно высоты форм рельефа. Нарастание интервала происходит относительно медленнее, чем увеличение преобладающего углового наклона. Обобщенный рисунок горизонталей не имеет ничего общего с механизмом упрощения отдельных линий. Суть процесса заключается в обобщении форм, передаваемых системой горизонталей. Например, при исключении лощины согласованно обобщают изгибы всех горизонталей, рисовавших лощину. Обобщение заключается в удалении сначала деталей форм, затем самих форм, которые являются малыми или второстепенными. Процесс можно проследить по рисунку, где по мере уменьшения масштаба сокращается число показанных долин, что приводит к объединению смежных возвышенностей.

Соответственно ход изолиний отражает на региональных картах местные колебания рельефа. На карте мира - влияние горных систем. Мелкие детали горизонталей при использование метода качественного фона генерируются, проявляясь в обобщение класса изображенного явления. В общем случае можно представить как переходят от отдельного объектов и их деталей к видовым и далее к родовым понятиям или системе высокого уровня. Для равнины, в качестве деталей формы, можно назвать наветренные и подветренные склоны бархан, в качестве отдельных форм - отдельные барханы, в качестве группы форм - барханные пески, в качестве типа рельефа эоловую равнину. Дробность классификации устанавливается с учетом назначения карты, а также степени изученности и сложности картографического явления. Данные факторы связанны с масштабом карты, а именно с возможностью графической передачи на карте наименьших по площади участков, которые оговорены в классификации. Например, опыт детальных геологических карт показывают, что минимальные размеры могут быть 2, 3, 1 мм для контурно простой формы. Зная размеры выделов в натуре нетрудно выбрать подходящий масштаб. Приведенная схема, действуя на практике, может усложнятся и изменятся, в зависимости от назначения карты, специального изображения явления и т. д. Ценз отбора может быть различный для разных членов классификации, в зависимости от их важности. Он может изменятся для одной и той же рубрики в различных географических условиях. Принятые, относительно к общегеографической карте, показатели используются на карте для отбора участков (растительности и грунтов) неодинаковы для разных растительных угодий и грунтов. Для лесов они дифференцируются в зависимости от залесенности местности. При включение мелких участков следят за тем, чтобы не исказить действительного соотношение площадей важных угодий, например, залесных и безлесных пространств, и передать относительную дробность угодий, свойственную различным ландшафтам.

При обобщении явлений, изображаемых способом качественного фона допустимо: в местах скопления мелких участков переходить к обобщенному обозначению следующей ступени классификации, исключать второстепенный мелкий контур, рассматривая на их обозначение преобладающий контур, преувеличивать отдельные мелкие, но важные контуры до таких размеров, позволяющих сохранить их на карте, объединять мелкие однокачественные контура более крупными, но с сохранением соотношения площадей и относительно дробного контура.

Возможности отображения мелких контуров увеличивается при замене малых участков ареальными внемасштабными штриховыми значками, разработанными на ряду с площадным обозначением для каждой ступени классификации. При введении собирательных обозначений для типичного чередования мелких контуров. Два последних приема позволяют избежать переполнения карты мелкими контурами, что значительно облегчает ее чтение. При генерализации явлений картографии по способу качественного фона уделяют большое внимание обобщению границ участка, ставят целью сохранить присущий ему характер естественным испытанием. Например, на топографических картах округляют и продолжают форму перелесков, правильно ориентируют песчаный массив; на почвенных картах рисуют границы, обусловленные особенностями процессов почвообразования и т. д. При обобщении границ учитывается также их пространственная определенность или размытость при переходе от одного раздела к другому. При отображении явлений способа количественного фона генерализация выполняется по средствам обобщения шкал количественных показателей, а также укрупнением выделов.

§ 6.7 Генерализация явлений рассеянного распространения

Картография распространения является наиболее разнообразной по способам изображения, только для этих явлений применяется  такой способ, а также используется качественные фоновые ареалы, как картодиаграмма - генерализация при таком способе сводится к увеличению веса точки. Могут возникнуть трудности в изображении особенностей размещения явлений в местах их слабых концентраций. Чтобы сохранить возможность передачи характера размещения в районах малой плотности и избежать слияния точек в районах с большой плотностью, вводятся точки одного-, двух-, трех-, четырех весов.

Генерализация ареалов проявляется наиболее очевидно в их отборе и обобщении границ. Отбор неизбежен для раздробления разобщенных ареалов. Например, место обитания какой-либо народности. Основной путь отбора - исключение небольших по площади ареалов по заранее установленному цензу. Такой процесс не может быть механическим. Следует сохранять малые, но важные ареалы. Например, очаги северного земледелия. Нередко используются строго локализованные внемасштабные штриховые знаки. Иногда существенна правильная передача соотношений площадей по средствам их взаимной компенсации сохраняемых ареалов. Очень важен географический подход при обобщении границ, когда учитывается особое распространение различных массовых явлений. Например, сопряжение ареалов сельскохозяйственных культур с определением элементов рельефа.

Сопряжение ареалов животных с границей мест обитания. Необходимо различать группы ареалов строго локализованных. Например, совпадение с естественными рубежами реки, границы мало-определенные размытые. Например, свойственные зональным ареалам некоторых растений на равнинах. При генерализации сохраняется различие в рисование границ. Говорить о генерализации в приложениях к картографии и картодиаграммах можно лишь с определенной долей условности. Для этих способов используется в порядке генерализации: 1-переход к территориальной сетки более высокого ранга. Например, от регионального деления к областному; 2-сокращение числа интервалов в ступенчатой шкале знаков или в картографической шкале интенсивности. Однако, в этом нет подлинного обобщения, отбора главного типа существующего, а есть простое суммирование.

§ 6.8 Генерализация показателей движения и связей

При картографирование перемещений и связей широко используются все виды генерализации. Геометрическое обобщение планового рисунка заключается в схематизации линий перемещения и связей. Например, при картографировании потоков обычно теряет значение топографическая точность положения лент, т.к. для раскрытия темы важны лишь пункты, где измеряется объем и структура грузов, число пассажиров и т.д. Особо необходима схематизация в ориентировки систем векторов, когда они показывают генерализацию направления движения. Например, направление морских течений.

Для некоторых форм, например, для импорта и экспорта товара интересны не конкретные трассы, а только исходные и конечные пункты перемещения, либо исходные и конечные ареалы. В подобных случаях ленты и векторы располагаются произвольно между соответствующими пунктами, районами или странами. Отбор потоков часто подчиняется количественным цензам. Например, может быть изображены железные дороги, которые имеют наиболее важное значение, т.е. годовой грузооборот, который более 2 миллионов тонн. Таким образом, очень существенно географическое районирование цензов. Например, на карте миграции населения значение отдельных потоков определяется не только количеством эмигрантов, но и процентным соотношением мигрантов и коренного населения. Поток эмигрантов из малой страны может быть сравнительно невелик, но по своему большому проценту может представлять значительный интерес. Очень эффективно введение собирательных знаков. Например, замена множества траекторий циклона немногими основными путями их перемещения. Например, отдельно для морских и континентальных циклонов с указанием их повторяемости или объединение стрел боевых ударов для перехода от тактических действий к характеристики оперативных значений, далее к достижению стратегических целей.

§ 6.9 Отбор надписей

Отбор надписей зависит от тематики, масштаба и назначения карты, а также от географических особенностей территории. Последний фактор воздействует на общее количество реально существующих названий. Оно больше в обжитых экономически развитых регионах, в которых много названий населенных пунктов, природных объектов и хозяйственных угодий. В мало обжитых районах не только уменьшается число названий, но и видоизменяется их состав. Чем слабее освоенность местности, тем выше доля физико-географических названий.

Сюжет карты воздействует и на количество надписей. На общегеографической карте число надписей относительно велико, но на многих тематических, например, климатических картах надписи оказываются единичными. По мере уменьшения масштаба содержание карты подвергается генерализации, т.е. исключаются все менее значимые объекты, обобщаются детали, отбираются надписи. Отбор надписей проявляется в резком сокращении всякого рода пояснительных надписей и устранения названий, принадлежащих к нижним ступеням топологической иерархии. Например, названия населенных пунктов низших рангов. Ранг определяется по административному значению, людности и т.д. После генерализации остаются лишь названия высших рангов. Например, название «Среднерусская возвышенность» отсутствует на топографических картах. Однако является обязательным для общегеографической карты Европейской части СССР.

§ 6.10 Влияние генерализации на отбор способов изображения

Представление о характере размещения конкретных явлений может изменятся вследствие уменьшения масштаба и с переходом к системе более высокого ранга. Пространственное ограничение при последовательном уменьшение масштаба нередко приводит к исчерпанию возможностей принятых способов изображения и вызывают генерализации качественные скачки, связанные с переходом к другим характеристикам и способам изображения. Например, на топографических планах населенные пункты изображаются по средствам точно локализованных знаков для отдельных строений. С уменьшением масштаба сначала приходится переходить к показу пунктов в виде кварталов, далее ограничиваться внешним контуром пункта. Затем использовать для них внемасштабные значки, которые отображают какие-либо особенности пунктов.


Тема 7. Организация информации в ГИС 

Первым шагом к проекту ГИС является создание пространственной базы данных. Для переведения карты в цифровую форму, необходимо организовать структуры для хранения данных и их использования. В ГИС эти структуры специфичны и сильно отличаются от принятых в CAD и Mapping-системах. Вся мощь ГИС лежит в объединении, хранении и управлении связями между объектами.

Двумя основными типами информации для ГИС являются пространственные и тематические базы данных. Пространственная информация описывает расположение и очертания географических объектов. Тематическая информация содержит описания связей между объектами, их количественных и качественных характеристик.

§7.1. Понятие объекта

Данные, встречающиеся на карте, представляют из себя связанные объекты, состоящие из геометрических примитивов и их атрибутов. К ним относятся прежде всего точки, линии и площади.

Некоторые ГИС добавляют собственные примитивы, например, SYSTEM 9 вводит понятие примитива "спагетти", многие используют эллипсы, круги и т.п.

Атрибуты - это числовые или символьные характеристики, содержащиеся в базе данных, они могут относиться как к самим примитивам, так и к объектам. Данные, хранящиеся в атрибутах, принадлежат к целым, вещественным и символьным типам, например, атрибуты для установления типа дороги можно задать следующим образом (табл. 1.1).

Совокупность атрибутов и примитивов образует простой объект. Совокупность простых объектов образует сложный или составной объект (рис. 1.1 - 1.2). Иерархия объектов очень удобна, поскольку позволяет избежать дублирования информации и обеспечивает наследование: изменения объекта или атрибута порождают изменения во всех объектах, частью которых он является.

Не все ГИС допускают обращения к сложному объекту, состоящему из нескольких примитивов или объектов, как к целому. Некоторые старые системы, например ARC/INFO, различают только точечные, линейные и площадные объекты, наследственность в них отсутствует. В какой-то степени ее можно иммитировать, но это трудоемкий процесс и недостатки организации информации в таких ГИС становятся все более заметными.

Таблица 7.1 Задание значении атрибутов

Атрибут

Значение

Тип дороги

1 -автострада

2-главная дорога

3-вспомогательная дорога

4-ремонтируемая дорога

5-строящаяся дорога

Материал покрытия

1-бетон

2-асфальт

3-грунт

Ширина

величина в метрах

Число полос

количество полос

Имя

название дороги

Первый подход называется объектно-ориентированным, и современные ГИС основаны, как правило, в основном на нем; он активно вытесняет классическое представление.

Все объекты и примитивы должны иметь свой номер или идентификатор, при помощи которого можно привязать к графической информации тематическую (рис. 1.3). Использование идентификаторов открывает широкие возможности для просмотра и анализа. Пользователь может указать на объект, например курсором, и система определит его идентификатор, по которому найдет относящиеся к объекту одну или несколько баз данных и, наоборот, по информации в базе можно определить графический объект.

Рис. 7.1. Организация информации в ГИС

Рис. 7.2. Иерархия объектов.

Рис. 7.3. Связь графических и тематических баз данных а ГИС.

§ 7.2. Понятие слоя

Физически геометрические примитивы записываются как последовательность пар координат (рис. 1.4). Точке соответствует одна пара координат - х,у. Окружности и кривые показываются ломаными линиями. Прямая задается двумя парами координат, а площадь записывается как серия пар, которая образует замкнутый контур, для чего его последняя точка должна иметь те же координаты что и первая, иначе контур не будет замкнут. Совокупность точек, линий и площадей образует цифровое представление карты.

Карта логически организована как набор слоев информации. Слой составляют объекты, объединенные одной темой, например, вся гидрография. В традиционной картографии этому примерно соответствуют цветные слои карты, могут существовать слои дорог, построек и т.п. В некоторых ГИС в слое могут содержатся объекты одного типа, а не одной темы: слои точек, слои линий, слои площадей. Иногда в слое могут быть объекты, разные и по типу и по теме, но чаще всего встречается все-таки логическая разбивка информации на слои (рис. 1.5 - 1.6).

Рис. 7.4. Табличное представление координат.

Рис. 7.5. Деление содержания карты на слои.

Рис. 7.6. Пример хранения слоя и описывающей его информации

§ 7.3. Системы координат

Все объекты земной поверхности, представляемые на карте, являются двумерными, т.е. задаются координатами X, Y. Картографическая информация может поступать с карт, выполненных в различных системах координат: свои системы координат имеют также дигитайзеры. Актуальной проблемой ГИС поэтому является преобразование координат в некую единую систему для работы или в такую, которая нужна для выдачи конечного продукта.

Обычно ГИС работают с распространенными проекциями: Меркатора, Ламберта, прямоугольной и др. Список из 10 -15 поддерживаемых проекций имеет .практически каждая система, однако такое большое количество, как правило, не нужно для систем, работающих с крупными масштабами, в которых используются максимум 1-2 проекции.


Тема 8. Ввод графической информации в ГИС

§ 8.1. Растровый и векторный форматы

Пространственная информация в ГИС может быть представлена в растровом и векторном форматах. Растровые данные получаются, подобно фотографии, в виде отдельных точек, которыми манипулируют компьютерные программы как по одной, так и группами. Растр применяется в основном там, где графическая информация должна быть просмотрена, но не нуждается в модификации или анализе. Настольные издательские системы являются прекрасным примером работы с растровыми изображениями.

Векторные данные исторически используются в ГИС и CAD системах для представления информации, которая нуждается в анализе и манипулировании. Как показывает название, они хранятся в виде точек и линии, связанных геометрически и математически. Эти связи означают, что информация может толковаться как серия индивидуальных точек, а может образовывать новые сложные структуры данных. Наличие атрибутов позволяет интерпретировать информацию, например, о типе почв, гидрологической сети или жилых строениях. Такая информация обычно хранится в сопутствующих базах данных.

Большинству ГИСовских программ требуется, чтобы данные были представлены в векторном формате, хотя в ряде систем допускается использование растровых картинок в качестве "подложки" или иллюстраций, например, изображение примечательного здания.

В общем случае растровые данные хорошо сжимаются и занимают в системе места меньше, чем векторные с сопутствующей информацией. Часто для сжатия растровой информации используется метод "кодирования цвета". Поскольку при хранении последовательности пикселов (pixel - Picture Element - отдельная точка, из последовательности которых строится изображение на экране монитора) одного цвета достаточно знать только его номер и количество пикселов, то таким образом можно закодировать все изображение. При больших одноцветных площадях размер файла может быть уменьшен в 5 раз.

Другим методом является "сжатие по столбцам". Выбирается базовый столбец пикселов, в соседнем столбце кодируются точки, отличающие его от базового, при значительных отличиях он принимается за новую базу и т. д. Оба эти способа хороши для черно-белых изображений, но малоэффективны для серых и цветных.

§ 8.2. Способы ввода графической информации в ГИС

Существует несколько способов ввода информации в ГИС методом цифрования: по точкам, потоком, по "подложке", автоматическое и интерактивное.

Цифрование по точкам

Этот способ является самым старым из всех перечисленных. Оператор обводит курсором дигитайзера контур, нажимая при этом необходимые клавиши. При каждом нажатии в компьютер посылается код клавиши и/или координаты точки пересечения нитей курсора. Изображения обведенных линий и объектов появляются на экране монитора. Этот метод не требует специализированной аппаратуры (кроме дигитайзера) и сложного программного обеспечения, однако является чрезвычайно трудоемким процессом, подверженным к тому же ошибкам со стороны оператора.

Цифрование потоком

Этот метод практически ничем не отличается от предыдущего, это скорее просто другой режим работы дигитайзера, при котором с планшета дигитайзера, по сути представляющего собой проволочную сетку, сигнал будет подаваться не при нажатии на клавишу, а при пересечении курсором линий сетки, что избавляет оператора от необходимости постоянно нажимать на клавишу. С этим методом связано неудобство хранения большого количества лишних координат, получающихся при пересечении линий сетки. Таким режимом работы обладает большинство распространенных дигитайзеров, таких, как Aliek, CalComp, Mutoh, Numonics, Summagraphics.

Цифрование по "подложке"

Этот метод также называют цифрованием на экране. Он требует специализированного, сложного программного обеспечения и мощной аппаратуры, так как связан с большим быстродействием и использованием значительных объемов памяти. Отсканированное изображение из файла выводится на экран монитора, и само цифрование осуществляется по этой "подложке", обычно при помощи "мыши". Здесь каждый объект, как и в традиционном цифровании, оператор должен 'обвести", только не на планшете, а на экране. В основе метода лежит "умение" машины распознать направление "обхода" объекта в его поточечном изображении. Эта задача прямо связана с качеством исходного материала и сложностью карты. Несмотря на трудоемкость, этот способ позволяет добиться гораздо большей точности, чем при обычном цифровании, поскольку линии проводятся прямо по линиям, полученным со сканера.

Примером создания и успешной реализации технологии цифрования на экране является совместный проект фирмы INTER-GRAPH и Московского земельного комитета. На начальной стадии этой работы требовалось осуществлять ввод на машинные носители геодезических планов Москвы, а также зон ограничения планировки и застройки. За три месяца на сканере семейства EAGLE было отсканировано более 2,5 тысяч планов Москвы масштаба 1:2 000, Одновременно были запущены процессы геометрической коррекции отсканированных планов методом аффинных преобразований 3-го порядка и размещения откорректированных планов в относительной системе координат г. Москвы. На этом этапе были использованы продукт IRAS и разработанные на его основе силами специалистов Мосгеотреста и Москомзема

программные средства, учитывающие специальные требования к представлению введенной топоосновы. Технология позволила получить растровые образы отсканированных планов, удовлетворяющих требованиям точности, предъявляемым к геодезическим планшетам. Она может использоваться конечными пользователями для сканирования планшетов любых масштабов. На следующем этапе создавались тематические слои и, в частности, слои "землепользование", "названия улиц", "зоны действия и ограничения". Например, слой "землепользование" состоял из объектов, имеющих полигональную топологию (участки). Технология создания данных объектов основана на возможности подгружать растровый образ в качестве подложки для нанесения участков уже в векторном формате методом интерактивной оцифровки на экране. Так как растровое и векторное представления существуют в одном координатном поле, то нет необходимости производить сшивку векторизованных планов, являющуюся серьезной проблемой при оцифровке дигитайзером. Одновременно с интерактивной оцифровкой можно производить назначение графическим объектам семантических атрибутов. Для этого в MGE существуют унифицированные формы для ввода семантических данных, которые при необходимости могут быть заменены на формы, разработанные пользователем. Векторизация может происходить в специальном режиме, позволяющем сцеплять концы прямых с математической точностью. Если объекты были векторизованы в другом режиме (дигитализация), то в MGE существуют средства, позволяющие замыкать контуры, соединять линии и отсекать "висящие" отрезки, образованные при нечетком соединении прямых.

Автоматическое цифрование

Когда об этом методе было заявлено впервые, он расценивался многими как панацея от всех бед. Автоматическое цифрование подразумевает очень небольшое по сравнению со всеми остальными способами вмешательство оператора в работу системы.

§ 8.3. Выбор способа ввода графической информации

Выбирая нужную технологию, приходится учитывать ряд факторов, к которым относятся оценка характера документов, подвергающихся обработке, цели работы, стоимость программного продукта, трудовые затраты, количество документов и т. п. Конечно, автоматический перевод из растрового формата в векторный выглядит наиболее привлекательным, однако часто встречающиеся на карте перекрытия символов, большое количество текста, нестандартная знаковая система, значительный диапазон масштабов, неодинаковое качество исходных карт заставляют отказаться от такой технологии. Представляется необходимым в качестве базовой иметь технологию цифрования в любом случае и дополнительно что-то еще в зависимости от конкретных условий.

При выборе (табл. 2.1) нужно учитывать цели работы, цену на программный продукт и трудовые затраты операторов, количество документов, которые необходимо обрабатывать ежегодно, уже имеющиеся программные и аппаратные средства.

Цена на программный продукт играет очень большую роль при выборе нужного метода работы, однако ориентироваться только на нее нельзя, поскольку, как правило, низкая цена на программный продукт оборачивается значительными затратами времени и, как следствие, высокими расходами на зарплату операторов, которым много приходится доделывать в полуавтоматическом режиме или вручную. Исследование, проведенное фирмой INTERGRAPH, показывает, что применение методов цифрования по "подложке" при ежегодных 3 000 документах экономит до 500 000 USD в год.

Количество документов, подвергающихся обработке, также чрезвычайно важно. Так, например, при 10-ти часовых затратах на один документ один оператор сможет обработать 200 документов в год, и если ежегодное количество документов составляет 1000 (небольшое число для производства), понадобится пять рабочих мест.

Таблица 2.1

Сравнительное описание методов

получения векторной информации

Цифрование

Достоинства

Недостатки

Лучше всего использовать

По точкам

простота обучения,

отсутствие зависимости от исходного материала,

отработанная методика

большие затраты времени и труда значительная зависимость точности цифрования от квалификации оператора и внешних условий

для цифрования картографического материала, имеющего нестандартный размер, масштаб, систему координат при плохом качестве исходного материала его большой сложности, изобилии перекрывающихся символов и текста, наличии пропусков

Потоком

простота обучения,

незначительная зависимость от качества исходного материала и его сложности, отработанная методика

большие затраты времени и труда необходимость большого объема памяти значительная зависимость точности полученных данных от квалификации оператора и внешних условий

для цифрования картографического материала, имеющего нестандартный размер, масштаб, систему координат при плохом качестве исходного материала его большой сложности, изобилии перекрывающихся символов и текста, наличии пропусков

По "подложке"

одновременная работа с растровым и векторным изображениями, удовлетворительная точность, возможность цифрования карт большого размера,

отсутствие проблем "сшивки"

средние время трудозатраты, точность полученных результатов зависит от квалификации оператора и внешних условий,

исходный материал должен быть высокого качества

для изображении средней сложности для изображении, которые необходимо лишь частично перевести в векторный формат

Автоматическое

эффективная векторизация линейных данных, возможна пакетная обработка,

большая скорость работы,

отсутствие проблем «сшивки»

необходим квалифицированный персонал,

применяется в основном только для карт с преобладанием линейных элементов,

ограниченное количество распознаваемых символов и шрифтов,

предподготовка и редактирование векторной информации может быть весьма время- и трудоемкими,

значительные трудности при необходимости векторизации только части растровой информации

при большом количестве несложных документов,

для карт с преобладанием линейных элементов,

для карт и рисунков с повторяющимися символами,

при хорошем качестве исходного материала

Интерактив-ное

возможность обучения,

отсутствует необходимость в редактировании после векторизации,

возможно добавление атрибутов и образование новых слоев в процессе работы,

возможна выборочная векторизация,

отсутствие проблем «сшивки»

зависимость от качества исходного материала,

точность связана с внимательностью и квалификацией оператора

для подготовки данных к гибридным векторно-растровым приложениям,

для карт с небольшим количеством сложных объектов,

для карт, требующих введения среднего количества атрибутов с ограниченным числом слоев,

при хорошем качестве исходного материала


Тема 9. ГИС как средство принятия решений

Хотя хранящаяся в ГИС информация и представляет собой основную ценность, она приносит практическую пользу только при решении прикладных задач. Каждая ГИС кроме модулей, занимающихся вводом и выводом информации, обязательно комплектуется средствами, предназначенными для решения специфических задач пользователя. К настоящему времени сложился круг обязательных функций, наличие которых требуется от любой ГИС, это прежде всего арифметические и геометрические функции, сетевой анализ, анализ перекрытий, выделение объектов в новый слой и утилиты работы с полями баз данных.

§ 9.1. Утилиты работы с полями баз данных

Функции работы с полями баз данных включают в себя поиск имени поля и его значения, поиск по маске, создание, редактирование и удаление поля, калькуляцию, классификацию и перегруппировку.

Калькуляция - генерирование нового значения по полям старых значений баз данных согласно введенной формуле. Например, рассчитать площадь земельного участка по масштабу карты и координатам.

Классификация - генерация нового значения поля по классификационным правилам. Примером классификации может служить задача определения площадей земельных участков - крупных, средних и мелких по численному значению старых полей.

Перегруппировка - генерирование нового значения по группам подобных значений. Например, группировать площади земельных участков подсчетом общей площади каждого типа участка.

§ 9.2 Геометрические и арифметические утилиты

Геометрические утилиты используются для анализа пространственных данных и связей между ними. Очень часто в них создается так называемая буферная зона - район, отстоящий на заданном или высчитанном расстоянии от объекта. Например, когда расширяется дорога из-за растущей транспортной нагрузки, функциями ГИС создается район вокруг нее. В этот район попадают участки земли, но которым пройдет расширенная дорога, т.е. может быть решена задача определения владельцев этих участков и сумма компенсаций за проложение дороги но их землям.

Другие утилиты используются для подсчета необходимой площади осушаемых земель, площадей лесов, теряемых в результате пожаров и т.п. Когда в анализе участвует не одна дорога или площадь, функциями создается требуемое количество буферов.

Перекрытие. Распознает перекрывающиеся площади.

Внутренние области. Распознавание площадей, целиком лежащих в какой- либо области.

Объединение площадей. Создание геометрического объединения площадей.

Определение линии пересечения.

Создание буферной зоны.

Поиск ближайшего. Поиск ближайшего пространственного объекта расчетом расстояний до объектов зоны.

Поиск точки касания линейного объекта.

Поиск объектов, попадающих в определенный район.

Определение центра прямоугольника, охватывающего объект.

К обязательным арифметическим функциям ГИС относятся расчеты площадей, длин, периметров, площадей склонов, объемов поверхностей.

§ 9.3. Сетевой анализ

Сетевой анализ позволяет пользователю построить и проанализировать такие объекты, как дороги, водопроводы, линии электропередач и т.п. В описании каждого вида сетей наблюдается много общего, но имеются и некоторые различия. Транспортные сети представляют из себя различные классы дорог, объединенные перекрестками. Авиалинии и пути движения судов похожи на дорожные сети, однако их положение не всегда имеет строгую координатную привязку к поверхности. Электрические сети прежде всего характеризует наличие в них различных типов кабелей, а сети воды и газа - большой диапазон объемов труб, типов станций и т.п. Стандартный объект сети схематично представлен на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Сетевой объект

Рис. 3.2. Пример сети

В классическом представлении сеть считается набранной из линий, которые могут иметь не более двух общих точек с другими линиями - начала и конца. Точку касания принято называть узлом (рис. 3.2). Однако далеко не всегда такое представление является естественным, часто оно затрудняет общее представление и анализ. Так, например, в водных сетях крупная труба с серией мелких, отходящих от нее, будет представлена как серия секций крупной трубы, разделенных узлами в местах соединения с трубами малого диаметра. В то же время ее удобнее было бы трактовать как единое целое, и, наконец, при незначительной длине, трубу крупного диаметра можно считать узлом, из которого выходят малые трубы. В зависимости от трактовки результаты анализа могут значительно различаться.

Другим важным фактором, определяющим сеть, является способ соединения ее элементов. Во всех типах сетей встречаются два типа соединений - "из/в", "из/через"

Первый тип соединения относительно прост и встречается чаще всего. Его иллюстрирует рис. 3.3 а.

Второй тип означает, что объект А соединяется с В через промежуточный С (рис. 3.3 б). Такой тип соединения встречается обычно в электрических сетях. Например, серия кабелей подходит к узлу, серия кабелей выходит из него, однако, не все кабели соединяются со всеми. Этот тип соединения нельзя описать конструкциями первого типа.

Рис. 3.3. Типы соединений сети.

Учет типов сетей и особенностей их соединений обязателен при проведении анализа, иначе трудно правильно интерпретировать полученные результаты.

Обычно сетевой анализ применяется для определения ближайшего, наиболее выгодного пути, определения уровней нагрузки на сеть или подобных, для определения зон влияния на объекты сети других объектов. Типичной задачей может быть, например, составление перечня улиц, жители которых отправляют своих детей в одну из наиболее близко расположенных школ. Критериями, позволяющими определить зоны влияния в этом случае, могут служить расстояние до школы, доступность пути, напряженность движения на нем, количество учеников, которых школа может вместить и т.п.

Еще одной типичной задачей сетевого анализа является определение адреса. С картой дорог связывается файл БД, содержащий адреса. Это позволяет определить адрес, при условии указания координат, определить координаты при указании адреса, маршрут и др.

С участками сети обычно связывают понятие направления движения, данные о котором хранятся в БД, связанной с сетью. Другими данными, относящимися к сети, могут быть мощность потока, его временные интервалы и т.п.

§9.4. Выделение объектов в новый слой

Эта функция осуществляет поиск в пространственной базе данных объектов, удовлетворяющих заданному критерию или критериям. Найденные объекты переносятся в новый слой, при этом при желании может быть модифицировано содержимое старого слоя (рис.3.4). Одновременно корректируется содержимое старой тематической базы данных и заводится новая база для вновь образованного слоя.

Рис. 3.4. Образование нового слоя

§ 9.5. Зонирование

Основное назначение функции этой группы состоит в построении зон, до того на карте не существовавших. Например, определяются точечные источники загрязнений и зоны их влияния, могут создаваться карты изменения растительности в зависимости от высот склонов и т. п. Работа может производиться как с растровыми, так и с векторными изображениями. Расчеты производятся как по одной, так и по сумме характеристик и могут быть сглажены или обработаны по заданным пользователем формулам.

§ 9.6. Создание моделей поверхностей

Это утилиты трехмерных изображений. Расчет производится по содержащимся в базах данных численным характеристикам. Моделироваться может как изображение действительного рельефа, современного или с учетом динамических изменений, так и воображаемые поверхности, построенные но одному или нескольким показателям, например, поверхность цен на землю.

§ 9.7. Анализ растровых изображений

В качестве таких изображений в ГИС обычно выступают снимки. Преимущество снимков - в их современности и достоверности, поэтому наиболее часто встречающийся вид анализа в этой группе - временной. Сравниваются и ищутся различия между снимками различной давности, таким образом оценивается динамика произошедших изменений.

К снимкам может быть также применен спектральный анализ, на основе которого производится классификация, выделяются области лесов, рек, полей и т.п.

С растровыми образами производятся картометрические вычисления: длин, площадей, объемов.

§ 9.8. Специализированный анализ

Далеко не все ГИС снабжены возможностями специализированного анализа, например, геологического. Связано это с тем, что четкой схемы проведения таких работ, не существует и организации, занимающиеся ими, предпочитают производить анализ по собственным методикам и правилам. Работа со специфическими данными специфическим образом является характерной чертой этого типа анализа. Кроме того, нельзя не учитывать, что взгляды на приемы его ведения могут меняться с течением времени. Поэтому такие возможности в ГИС представляются средствами создания приложений самими пользователями. Однако некоторые фирмы такие, как INTERGRAPH, предоставляют пользователям возможность укомплектовать систему фирменными модулями, реализующими специализированные анализы, в частности, геологический и нефтедобывающий. В пакет этой фирмы, посвященный геологическому анализу, входят: работа с сейсмическими данными, анализ геологических отложений, геофизическая интерпретация.


Тема 10. Создание приложений.

§ 10.1. Языки создания приложений

Внедряя в организацию долгосрочную систему, подобную ГИС, трудно в начале работы предположить, какие задачи могут появиться со временем, помимо стандартных. Поэтому ГИС снабжаются языками создания приложений - средствами, с помощью которых можно написать программу (приложение).

Языки создания приложений состоят, как правило, из набора команд, подобных командам языка программирования высокого уровня, одной или нескольких объектных библиотек, включающих более сложные функции, и компилятора или интерпретатора, обрабатывающего команды и файлы, содержащие тексты программ.

Строго говоря, в конкретную ГИС может быть встроено более одного специального языка, только один из которых непосредственно предназначен для написания приложений, а другие -для создания небольших командных файлов, которые заменяют ручной набор команд с клавиатуры или выбор из системы меню. Иногда обе возможности реализованы внутри одного языка, как например, в ГИС ARC/INFO. Рассмотрим макроязык SML этой системы подробнее.

§ 10.2. Язык SML ГИС ARC/INFO

Версия 3.4D Plus содержит около сорока команд, составляющих несколько групп, среди которых команды открытия и закрытия файлов, посылки на экран сообщений, управления положением курсора, изменения порядка выполнения программы, присваивания значений переменной.

SML имеет два способа обработки команд - в режиме интерпретации и в режиме компиляции. Интерпретационный режим подразумевает, что все команды записываются в текстовый файл, каждая в своей строке, и обрабатываются поочередно. Если в файле встретится команда, написанная неправильно, это выяснится только тогда, когда в процессе выполнения до нее дойдет очередь.

Макрос, написанный на SML, избавляет пользователя от необходимости набора серии повторяющихся команд. При запуске макроса команды обрабатываются так, как если бы они были набраны вручную, при этом получается значительная экономия во времени, так как посылка макроса на выполнение осуществляется простым указанием его имени в командной строке.

В режиме компиляции файл, содержащий команды, перед выполнением подвергается предварительной обработке (компиляции). При этом проверяется правильность написания команд, затем создаются вначале объектный, а затем исполнимый файлы. Размер такого файла гораздо меньше, чем текстового, а выполняется он гораздо быстрее. Объектные файлы могут объединяться в библиотеки.

Режим компиляции удобен еще и тем, что помимо стандартного набора команд, которые доступны в режиме интерпретации, имеется еще ряд компиляторных директив, служащих для управления процессом компиляции. С помощью этих команд можно поставить компиляцию в зависимость от каких-либо условий, для этого служит группа директив условной компиляции &IF, &ELSE, &ELSEIF.

Циклические директивы &WHILE, &DO позволяют задавать циклы выполнения команд. Имеются также директивы включения &INCLUDE,  присвоения константных строк &DEFINE, а также некоторые другие.

Использование директив компилятора позволяет сделать этот процесс более гибким.

Объектная библиотека SML Developer's Toolkit содержит макросы, при помощи которых можно создавать приложения для ARC/INFO. Версия 3.4D Plus содержит восемь модулей, которые служат для получения справочной информации о системных параметрах, слоях, тематических и пространственных базах данных и содержимом их полей, управляют построением пользовательского интерфейса, манипулируют текстовыми строками. Имеется группа функций рисования, определения расстояний.

Каждый модуль содержит в себе несколько макросов, которые могут быть вызваны как обычная команда в тексте программы с указанием символа @.

В крупных ГИС имеется еще одна возможность, отсутствующая в SML, - встраивание программ, написанных на языках высокого уровня: С, PASCAL, ADA. Это большое преимущество, поскольку встроенные языки, даже развитые, не обладают таким богатством возможностей, как языки высокого уровня. Кроме того, они до тонкостей известны многим программистам, которые могут начать работу по написанию приложений на знакомом для них языке.


Тема 11. Моделирование ГИС.

§ 11.1 Основные виды моделирования

В ГИС можно выделить четыре основные группы моделирования: семантическое, инвариантное, эвристическое, информационное.

Семантическое моделирование взаимосвязано с задачами кодирования и лингвистического обеспечения. Чем более разнородна входная информация по структуре и содержанию, чем менее она унифицирована, тем больший объем семантического моделирования применяется в подсистеме сбора.

В ГИС доля семантического моделирования велика на уровне сбора информации, что обусловлено большим объемом и разнообразием входной информации, сложностью ее структуры, возможным наличием ошибок.

Инвариантное моделирование основано на работе с полностью или частично унифицированными информационными элементами или структурами. Его эффективность доказана опытом применения прежде всего САПР и других АС. Этот вид моделирования предполагает использование групповых операций, что повышает производительность труда по сравнению с индивидуальным моделированием.

Инвариантность создает предпосылки для применения наборов программно-технологических средств безотносительно к конкретному виду (особенностям ) моделируемого объекта. Она предусматривает использование общих свойств моделируемых объектов (свойств типов или классов) независимо от технических средств и специфических характеристик отдельных объектов.

Этот тип моделирования значительно повышает производительность обработки информации, особенно при моделировании (обработке) графических объектов. Однако реализация такого подхода возможна лишь при использовании графических баз данных, неграфических баз данных с возможностью организации векторных файлов и при наличии наборов структурно разделенных графических моделей, нижний уровень которых инвариантен (безотносителен) к особенностям модели, а верхний - открыт для записи индивидуальных свойств объекта моделирования.

Другими словами, такое моделирование требует специализированного программного и лингвистического обеспечения, учитывающего свойства моделируемых объектов и возможность их структуризации на некие "графические примитивы".

В ГИС этот подход выражается в виде создания некоей основы для графического представления информации (карт) за счет использования специальных библиотек, например библиотек условных знаков и библиотек графических элементов.

Эвристическое моделирование применяется при необходимости экспертных решений, учете дуальных свойств объектов на видеоизображениях и при решении специальных нетиповых задач. В основном оно реализуется при интерактивной обработке.

В технологиях ГИС эвристическое моделирование осуществляется путем общения пользователя с ЭВМ на основе сценария, учитывающего, с одной стороны, технологические особенности программного обеспечения, с другой - особенности и опыт обработки данной категории объектов.

В современных информационных системах реализация информационного моделирования комплексно осуществляется путем создания подсистемы документационного обеспечения.

Локально проблема информационного моделирования решается средствами программного обеспечения, в частности средствами СУБД. Современные СУБД дополнительно к возможностям хранения и моделирования информации предоставляют разнообразные методы по созданию отчетов, справок и других документов.

Как правило, информационная емкость видеоизображений велика, т.е. избыточна, по отношению к моделям, хранимым на машинных носителях. Информационная емкость фотоснимков на два-три порядка превосходит информационную емкость существующих магнитных носителей. Она уступает только оптическим, биотехнологическим и генетическим носителям информации. Это обусловливает необходимость обязательного решения задач сжатия информации на уровне сбора и первичной обработки информации. С другой стороны, это порождает необходимость создания так называемых видео-баз данных. Важной характеристикой при создании моделей для любого класса объектов является моделепригодность, которая включает две группы показателей. Первая группа показателей моделепригодности характеризует средства описания объекта, вторая определяется такими техническими данными средств моделирования, как вычислительные ресурсы.

Анализ моделепригодности объектов ГИС широкого класса показывает их сложность для создания набора базовых графических элементов. Поэтому наилучшим средством описания таких объектов являются комплексные модели из метрических множеств и множеств семантико-описательной информации.

Проблема геоинформационного проектирования заключается в получении оптимальных проектных решений на основе использования следующих технологий:

эффективных методов сбора и первичной обработки видеоинформации и вспомогательной информации;

создания унифицированных информационных моделей, позволяющих эффективно использовать разные виды моделирования;

устранения нечеткости исходной видеоинформации и ее сжатия для последующего хранения и обработки;

геометрического моделирования для построения широкого набора цифровых (плоскостных, линейных, объемных и др.) моделей проектируемых объектов;

декомпозиции, унификации, синтеза для оптимальной обработки различных форм видеоинформации;

автоматизированного представления результатов обработки.

§ 11.2 Методологические основы моделирования в ГИС

С современных позиций ГИС является интегрированной информационной системой, что определяет комплексный подход к обработке информации, в частности к методам моделирования.

Комплексность включает в себя процессы автоматизации сбора, обработки, моделирования, унифицированного представления и документационного обеспечения информации.

Концепции моделирования в ГИС базируются на интеграции, которая предусматривает, с одной стороны, переход от автоматизации отдельных частных задач к комплексному решению задач, с другой - интеграцию задач, относящихся к различным этапам жизненного цикла моделируемого объекта (карты), включая проектирование и технологию его производства.

В процессах моделирования реализуется принцип единства информационной модели объекта как системно-организованной сущности на всех этапах процесса моделирования и изготовления карт.

Моделирование в ГИС осуществляется на основе декомпозиции исходных информационных данных с последующим синтезом общего модельного решения.

В процессе синтеза модели используются информационные ресурсы базы данных в условиях диалогового взаимодействия проектировщиков с комплексом средств автоматизации моделирования. Технологии моделирования в ГИС используют следующие принципы:

  1.  создание и применение единой интегрированной информационной основы (модели);
  2.  использование комплексного моделирования;
  3.  интерактивное взаимодействие с цифровой моделью;
  4.  принятие решений на основе математических моделей и процедур, реализуемых средствами вычислительной техники;
  5.  обеспечение единства модели на всех этапах и стадиях обработки информации;
  6.  использование единой информационной базы для автоматизированных процедур синтеза и анализа модели, а также для управления процессом моделирования;
  7.  проведение многовариантного проектирования и комплексной оценки проекта с использованием методов оптимизации;
  8.  наличие хорошо развитых информационных ресурсов, которые в ГИС выступают в форме информационных и математических моделей объектов, пакетов прикладных программ, банков данных и организационно-методических материалов;
  9.  обеспечение максимальной инвариантности организации информационных ресурсов, их слабой зависимости от конкретной области применения, простоты настройки на отраслевую специфику;
  10.  создание специальной информационно-справочной системы и организация взаимодействия с нею как пользователя, так и специалиста по системной поддержке пакета моделирования.

Анализ работ в области применения и развития ГИС показывает, что практически в каждой работе дается индивидуальный вариант технологического решения автоматизации моделирования. В то же время методы описания информационного и лингвистического обеспечения имеют тенденции к единому формальному описанию, т.е. в большей степени инвариантны к задачам моделирования, чем технологии.

Тем не менее можно выделить ряд общих для широкого набора ГИС технологических подходов, которые могут быть классифицированы по степени (уровню) их интеграции:

процедура - элементарная операция обработки информации;

процесс - совокупность задач, обеспечивающих реализацию типового цикла преобразования данных;

функция - группы специализированных задач, выполняющих взаимосвязанные работы, в ходе которых выпускается специализированный комплект проектных документов;

комплекс работ - совокупность работ, заканчивающихся выпуском комплекта проектных документов;                      

интегрированные работы - выпуск комплекта документов; поддержка и автоматическое обновление базы данных; внесение данных в экспертную спетому; выдача наряду с типовым комплектом документации прогнозов, рекомендации экспертных оценок проекта; информационный обмен с сетями баз данных и ГИС.

Задачи эффективного интерактивного общения пользователя с ЭВМ весьма актуальна ввиду невозможности при решении ряда задач полностью автоматизировать процесс моделирования.

Метод имитационного моделирования - один из путей выбора оптимальных решений. Практическое использование этого метода в ГИС обеспечивается системами имитационного моделирования (СИМ).

Для хранения набора типовых моделей и их элементов, хранения информационно-справочной информации необходимо применение специализированных баз данных.

Базы данных могут образовывать распределенную или централизованную систему типа банка данных. Для решения задач обмена информацией между базами данных требуется интегрированная информационная основа. Для удобства общения пользователя с ЭВМ нужно лингвистическое обеспечение.

При выдаче информации пользователю основным технологическим процессом является графическое моделирование. Методы моделирования графики должны быть инвариантны к структуре графической базы данных и техническим средствам. Элементы алгебраической теории автоматных моделей, синтеза типовых конструктивных моделей упрощают процесс получения сложных графических изображений.

В ряде ГИС возникает необходимость графического моделирования сложных трехмерных объектов. При графическом моделировании объект сложной формы целесообразно представлять в виде совокупности модулей информационной и программной среды.

§ 11.3 Особенности моделирования в ГИС

При моделировании в ГИС можно выделить следующие программно-технологические блоки:

операции преобразования форматов и представлений данных;

проекционные преобразования;

геометрический анализ;

оверлейные операции;

функционально-моделирующие операции.

Операции преобразования форматов и представлений данных

Операции преобразования форматов и представлений данных присутствуют в каждой ГИС, в системах обработки данных дистанционного зондирования и САПР, в силу чего имеют важное значение для ГИС как средство обмена данными с другими системами. По набору форматов ввода-вывода определяются возможности ГИС использовать данные, получаемые в других технологиях.

Исходные пространственные данные и данные, полученные в процессах обработки ГИС, могут иметь различные наборы форматов. Тип формата чаще всего определяется используемыми программными средствами, что особенно характерно при сборе данных по разным технологиям. Преобразование форматов осуществляется с помощью специальных программ - конвертеров.

Векторизация. Данные могут иметь векторное или растровое представление. Между векторными и растровыми изображениями имеется существенное различие, характерное именно для ГИС. Растровые изображения отображают поля данных, т.е. носят полевой характер. Векторные изображения в ГИС, как правило, отображают геоинформационные объекты, т.е. носят объектный характер.

Операции преобразования данных из растрового представления в векторное (векторизация) - одни из наиболее важных при обработке пространственно-временных данных в ГИС.

В технологическом плане преобразование от растра к вектору для ГИС означает переход от полевого представления данных к объектному.

Растрово-векторное преобразование применяется при интерпретации сканированных аэрокосмических изображений (выделение и оконтуривание на них однородных областей), в методах дигитализации цифровых растровых картографических изображений, при обработке данных, полученных с цифровых фотокамер или от видеосъемки, и т.п.

Векторные изображения вычерченных на бумаге чертежей, карт невозможно получить с помощью сканера. При сканировании получается только растровая копия оригинала.

Векторные представления по сравнению с растровыми обладают рядом преимуществ:

многие приложения, использующие графику для расчетов, работают только с векторными файлами, так как векторная технология эффективнее;

при хранении на компьютере векторные файлы занимают меньший (в 100 - 1000 раз) объем памяти, чем растровые оригиналы;

векторные рисунки легко редактируются, масштабирование и трансформирование векторного изображения происходит без искажений, чего нельзя сказать о преобразовании растровых изображений.

Векторные изображения обычно создаются и редактируются с помощью специальных программ - графических редакторов. Такой редактор входит в состав всех инструментальных ГИС-систем. Тем не менее существует большое число специализированных программ - векторизаторов.

Векторизация может быть ручной, полуавтоматической и автоматической. В графических редакторах ГИС обычно используется ручная векторизация, что обусловлено необходимостью решения экспертных задач, создания топологии, присвоения идентификаторов графическим объектам и т.д.

Векторизация позволяет преобразовать растровые изображения, хранящиеся в растровых файлах, в векторные рисунки и сохранять их в векторных файлах.

Задачей преобразования является не только получение векторного образа, практически идентичного исходному растровому, но и сохранение в распознанном векторном объекте геометрических связей растровых аналогов при максимальной информативности векторного образа.

С этих позиций векторизация может быть рассмотрена как способ сжатия растровых данных с сохранением информативности исходного изображения по заданным критериям выделения. В частности, растровое изображение размерной линии со стрелками должно распознаваться именно как размерная линия, а не как совокупность отдельных линий.

Векторно-растровое преобразование. Его можно использовать для генерализации изображения. При этом существенное значение имеет разрешающая способность создаваемой (электронной ) карты. Преобразование типа вектор-растр - более простая задача. Оно осуществляется при выводе векторных данных на устройства печати, при визуализации графики на растровых видемониторах, построении электронных карт или карт-подложек.

Геометрический анализ

Программные средства ГИС позволяют выполнять ряд операций геометрического анализа для векторных и растровых моделей. Для векторных моделей такими операциями являются: определение расстояний, длин ломаных линий, координат центроидов полигонов, расчет площадей векторных объектов, трансформирование точек объекта. Особо следует отметить процедуры поиска точек пересечения линий.

Для растровых моделей технологии ГИС обеспечивают выполнение следующих операций геометрического анализа: идентификацию зон, вычисление площадей зон, расчет периметров зон, определение расстояния от границы зоны, определение формы зоны, трансформирование растрового слоя.

Для векторных моделей, каждая из которых отображает отдельный объект, процедуры геометрического анализа во многом используют традиционную геометрию и выполняются без каких-либо предварительных преобразований как алгоритмы прямого счета. Кроме того, например, площадь и периметр элемента могут входить в число обязательных атрибутов полигонов.

Для растровых моделей, которые создаются не по объектным признакам, проведению практически любой геометрической процедуры должны предшествовать анализ и выделение необходимого объекта (распознавание образа).

В ГИС эти процедуры упрощаются заданием исчерпывающей информации в атрибутах модели. Но даже при таких условиях простая операция типа вычисления площади для растрового объекта существенно отличается от аналогичной для векторного. Например, чтобы измерить по карте площадь объекта (зоны) признака А, необходимо обойти дерево иерархической структуры модели и сложить все листья, содержащие признак А, с учетом веса площади на уровне данного листа.

Более сложные алгоритмы основаны на развитии методов САПР, машинной графики, распознавания и анализа сцен. К таким алгоритмам принадлежат:

задача построения полигонов Тиссена, которые представляют собой геометрические конструкции, образуемые относительно множества точек таким образом, что границу полигонов являются отрезками перпендикуляров, восстанавливаемых к линиям, соединяющим две ближайшие точки;

расчет площадей трехмерных объектов;

определение принадлежности точки внутренней области выпуклого или невыпуклого полигона;

описание геометрических и топологических отношений, линейных и полигональных объектов двух разноименных слоев при их наложении (оверлее).

В связи с возможными погрешностями, локализованными в плановых координатах объектов, применяемых для территорий глобального, семиглобального и регионального уровней, целесообразно использовать равновеликие проекции.

При наличии значительных площадных искажений возможно применение трансформации проекции исходных слоев.

Оверлейные операции

Особенностью цифровой карты является возможность ее организации в виде множества слоев (покрытий или карт-подложек).

Сущность оверлейных операций состоит в наложении разноименных слоев ( двух или более) с генерацией производных объектов, возникающих при их геометрическом наслоении, и наследованием их атрибутов. Наиболее распространены операции оверлея двух полигональных слоев.

Площадь и периметр элемента могут входить в число атрибутов полигонов. Их значения используются в операциях удаления границ полигонов, принадлежащих к одинаковым классам, и в оверлейных операциях.

Для растровых форматов данных такие расчеты достаточно просты. Для векторных представлений используют алгоритмы, основанные на формулах аналитической геометрии.

Практические трудности реализации оверлейных процедур связаны с большими затратами машинного времени на поиск координат всех пересечений, образующих полигоны линейных сегментов (возрастающих экспоненциально при росте числа полигонов); определение топологии полученной производной полигональной сети при так называемом топологическом оверлее, переприсвоение атрибутов производной сети различными методами наследования атрибутов качественного (символьного, типового) или количественного (числового, знакового) характера.

В алгоритмах операций наложения широко применяются методы математической логики и структурного анализа.

В настоящее время оверлейные процедуры ГИС обеспечивают высокопрофессиональные средства анализа и использования географической информации, включая взаимоналожение полигональных, точечных и линейных покрытий, создание буферных зон, объединение полигонов и ряд других функций, основывающихся на пространственной и топологической взаимосвязи данных.

В качестве примера рассмотрим подсистему Overlay широко известной инструментальной системы Arcinfo, которая предоставляет достаточно разнообразные средства обработки и анализа географической информации.

Шесть оверлейных команд, каждая из которых выполняет определенную функцию, обеспечивают максимальную гибкость пространственного анализа. Это команды CLIP, ERASE, IDENTITY, INTERSECT, UNION и UPDATE.

При наложении картографических покрытий в результате пересечений границ полигонов образуется новый набор объектов покрытия. Характеристики новых полигонов определяются характеристиками исходных, что создает новые пространственные и признаковые взаимосвязи данных.

При табличном анализе данных, полученных с использованием функций подсистемы Overlay, можно использовать dBASE-совместимую систему хранения и анализа данных. В частности, можно классифицировать участки территории для выбора оптимальных мест строительства объектов жилых домов, основываясь на таких критериях, как характеристики грунтов, уклоны, близость к зонам затопления и т.п.

Оверлейные процедуры позволяют соединять сетку административных районов, коммуникационные линии, зоны затопления, статистику преступности и другую информацию о городской среде для ежедневного анализа различных аспектов жизни большого города.

В подсистеме Overlay содержится команда BUFFER для создания буферных зон, т.е. зон, границы которых удалены на известное расстояние от любого объекта на карте. Буферные зоны различной ширины могут быть созданы вокруг выбранных объектов на базе таблиц сопряженных характеристик. Например, ширина лесных защитных полос вдоль дорог или водотоков может автоматически задаваться в соответствии с классом дорог или расходом водотока. Подсистема Overlay позволяет автоматически объединять друг с другом буферные зоны, удаляя лишние внутренние границы. Она обеспечивает пользователя профессиональными средствами обработки разноплановых источников информации. В частности, в ней содержатся команды MAPJOIN для соединения смежных листов карты в единое картографическое покрытие и команда SPLIT для разбиения большого покрытия на более мелкие.

Команды DISSOLVE и ELIMINATE позволяют объединять выбранные полигоны в одном картографическом покрытии для создания новых полигональных объектов.

Команда RESELECT позволяет выбирать объекты картографических покрытий в соответствии с пространственными или логическими критериями, заданными пользователем новых полигональных объектов Команда INTERSECT соединяет две карты , оставляя только общие для обеих карт участки. Команда CLIP удаляет все объекты, которые оказываются за пределами указанных пользователем границ. Команда SPLIT разбивает картографические покрытия на покрытия меньшего размера.

Функционально-моделирующие операции

В ГИС используются различные аналитические операции:

расчет и построение буферных зон - областей, ограниченных эквидистантными линиями, построенными относительно множества точечных, линейных и площадных объектов;

анализ сетей;

генерализация;

цифровое моделирование рельефа.

Построение буферных зон. Буферная зона может создаваться вокруг точки, линии или ареала. В результате образуется новый ареал, включающий исходный объект.

Операции построения буферной зоны применяются в транспортных системах, лесном хозяйстве, при создании охранных зон вокруг озер и вдоль водотоков, при определении зон загрязнения вдоль дорог, зоны влияния существующей или проектируемой сети транспортных коммуникаций, связанной с изменением экологической обстановки, и т.д.

В векторных моделях отсутствуют некоторые возможности растровых систем, например моделирования слоя "трения", поэтому построение буферных зон на основе векторных моделей ГИС более трудоемко. При использовании буферных зон растровых моделей используют апробированные методы лексического анализа.

Анализ сетей. Операции анализа сетей позволяют решать оптимизационные задачи на сетях. Они основаны на использовании векторных моделей, на координатном и атрибутивном представлении линейных пространственных структур и на введении в них топологических характеристик (моделей).

Координатные векторные пространственные объекты ( точки, линии, полигоны, ареалы ) определены в векторных моделях наборами упорядоченных пар координат х, у:

точка: (х, у);

линия: (x1,y1), (x2,y2),... , (xn,yn);

полигон: (x1,y1), (x2,y2),... , (xn,yn).

Это обеспечивает идентичность цифрового представления указанных трех пространственных объектов, позволяя использовать групповые процедуры пространственного анализа.

Для построения линии или ареала нужно соединить каждую последующую пару точек прямой линией. Точки не всегда должны соединяться прямыми линиями. Особенности соединения и вида линий могут быть описаны в атрибутивных данных. Атрибуты объектов хранятся в таблицах.

Общая структура векторных моделей, применяемых для анализа сетей, состоит обычно из двух частей: координат и атрибутов.

Координаты хранятся в одном файле, каждая группа координат определяет один объект, обозначенный индивидуальным идентификатором (индексом ID).

Атрибуты содержатся в таблице с одним атрибутом, идентифицирующим объект, к которому привязаны все остальные.

Основу анализа сетей определяет исследование связей между объектами, что задается топологией, или топологическими свойствами векторной модели.

Топологические свойства выражают множество возможных отношений между объектами, например "ближайший к", "пересекает", "соединен с". Этими выражениями пользуются для установления связей между двумя объектами.

Каждому объекту можно присвоить признак, который представляет собой идентификатор ближайшего к нему объекта того же класса; таким образом кодируются связи между парами объектов.

Следует выделить два особых типа связей: связи в сетях и связи между полигонами.

Связи в сетях определяются взаимодействием основных объектов сетей: линий, также известных как дуги, звенья, грани, ребра, и узлов, известных еще как пересечения, соединения, вершины.

Простейший способ кодирования связей между дугами и узлами -присвоение каждой дуге двух дополнительных атрибутов - идентификаторов узлов на каждом конце (входной узел и выходной узел). В этом случае будут иметь место два типа записей:

1) координаты дуг: (x1,y1), (x2,y2),... , (xn,yn);

2) атрибуты дуг: входной узел, выходной узел, длина, вспомогательные атрибуты.

Используя эти записи, можно двигаться от дуги к дуге, отыскивая те из них, у которых перекрываются номера узлов.

Таким образом, механизм анализа сетей основан на особой организации структур данных и кодировании связей. Собственно анализ происходит с использованием информационной основы моделей сети.

Анализ сетей включает в себя три функции: поиск путей, аллокацию и районирование.

Поиск путей обеспечивает оптимизацию перемещения ресурсов по сети, например выбор альтернативных маршрутов движения машин аварийных служб во время максимальной загруженности транспортных магистралей.

Аллокация позволяет отыскать ближайшие центры (минимальную стоимость перемещения) для каждой точки сети в целях оптимизации функционирования последней. Например, аллокация может использоваться при поиске ближайшей станции пожарной охраны для каждой улицы или ближайшей школы для каждого конкретного школьника.

Районирование включает в себя группировку участков, ограниченных элементами сети, например городских кварталов, ограниченных улицами. Это средство ценно при планировании. Районирование может использоваться, например, для определения границ участков доставки газет.

Генерализация. Генерализация в ГИС - это набор процедур классификации и обобщения, предназначенных для отбора и отображения картографических объектов соответственно масштабу, содержанию и тематической направленности создаваемой цифровой карты.

Цифровое моделирование рельефа. Оно заключается в построении модели базы данных, которая бы наилучшим образом отображала рельеф исследуемой местности. Эти процессы связаны с трехмерным моделированием и с задачами пространственного анализа.

Говоря терминами моделирования, происходит переход от аналоговой модели непрерывной поверхности к дискретной модели набора точек, оптимально отображающей форму этой поверхности.

Координаты точек цифровой модели рельефа (ЦМР) расположены на земной поверхности, имеющей сложную форму. Для подробного отображения такой поверхности требуется очень большое число точек, поэтому в ЦМР используют различные математические модели поверхности.

В свою очередь, это определяет проблему выбора оптимального аналитического описания или набора функций для отображения рельефа местности. При этом может возникнуть задача учета возможных картографических представлений и проекций.

В зависимости от характера рельефа местность подразделяют на равнинную, всхолмленную и горную. Вводят понятие пяти основных форм рельефа: гора, котловина или впадина, хребет, лощина, седловина.

Отображают рельеф разными способами: цветом, штриховкой, горизонталями, отметками характерных точек с подписями и т.п.

Одним из наиболее распространенных методов построения рельефа является метод горизонталей. Горизонталью называют геометрическое место точек (линия) с равными отметками (одинаковая высота над уровнем моря).


Тема 12. Системный анализ ГИС

§ 12.1. Системный анализ

Многие разработчики автоматизированных систем (фактически ГИС) не совсем уверенно могут дать ответ на вопрос, относятся эти системы к классу ГИС или нет. Это обусловлено разнообразием технологий и даже терминологией многочисленных существовавших ранее (и существующих теперь) систем сбора и обработки пространственно-временных данных.

Сами ГИС также могут значительно отличаться друг от друга по возможностям, основным технологиям обработки данных (и их числу), по требуемой технической конфигурации, вычислительным ресурсам и т.д. Например, в одних инструментальных пакетах ГИС термин "дуга" заимствован из теории графов и служит для обозначения полилинии, в других пакетах - полилинию называют "полилинией", а дугу -"дугой".

В силу этого особую актуальность приобретает осуществляемая на основе методов системного анализа обобщенная оценка типичных признаков принадлежности информационной системы к классу ГИС и ее отличительных свойств.

Необходимо подчеркнуть, что ГИС относится к классу интегрированных систем. Современные тенденции создания интегрированных автоматизированных систем (в том числе ГИС) включают разные аспекты интеграции - интеграцию данных, технологий и технических средств.

Интеграция данных заключается в применении системного подхода проектирования моделей данных, создании некоей универсальной информационной модели и соответствующих протоколов обмена данными.

Интеграция технических средств в настоящее время выражается в создании распределенных систем обработки, применении концепций "открытых систем" и современных методов проектирования систем на основе CASE-технологий (Computer Aided System Engineering).

Интеграция технологий в информационных системах подразумевает не простое суммирование известных технологических процессов и решений, а получение оптимальных технологических решений обработки информации на основе известных методов и разработки новых, ранее не встречавшихся технологий. Разработка автоматизированной информационной технологии на базе существовавшей неавтоматизированной технологии в подавляющем большинстве случаев оказывается нерентабельной и неэффективной. Элемент новизны, как правило, определяет и эффективность новой автоматизированной технологии.

Для анализа обобщенной ГИС дадим основные понятия иерархии информационной интегрированной системы (рис. 6.1).


Рис. 12.1. Структура интегрированной системы

Верхним уровнем понятий является интегрированная система -независимый комплекс, в котором выполняются все процессы обработки, обмена и представления информации. Схема системы включает в себя системные уровни, подсистемы, процессы, задачи.

Система может быть полной и неполной.

Полной будем называть, систему, которая в процессе работы осуществляет технологический цикл, включающий следующие процессы:

ввод (или возможность ввода) всех видов информации данной предметной области для решения задач, поставленных перед системой;

обработку информации с привлечением набора существующих средств, применяемых для решения данного класса задач;

вывод или представление данных в формах вывода согласно заданию без использования других систем.

Неполной будем называть систему, которая осуществляет частичную обработку данных, частичный ввод данных или использует другие системы в процессе обработки.

Более низким уровнем по отношению к системе является системный уровень. Этим термином определим часть системы, объединяющую подсистемы и процессы обработки по функциональным и технологическим признакам. Системный уровень может включать от одной до нескольких подсистем.

Подсистему определим как часть системы, объединенную по функциональным методам обработки данных, включающим разные алгоритмы и способы моделирования. Подсистема может быть локальной или распределенной.

Распределенной будем считать подсистему, состоящую из фрагментов, которые располагаются на различных узлах сети компьютеров, возможно, управляются различными системами и допускают участие в работе нескольких пользователей из разных узлов сети.

В отличие от распределенной локальная подсистема сгруппирована в одной точке сети и, как правило, обслуживается одним пользователем.

В подсистему входит процесс обработки данных - совокупность методов, обеспечивающих реализацию алгоритма обработки или одного метода моделирования, решающего одну или несколько задач обработки данных. Он подразделяется на локальный, системный, распределенный.

Значение терминов локальный и распределенный аналогично значению их для подсистем. Системный процесс предназначен для обслуживания системы; как правило, он является "прозрачным" (т.е. незаметным) для пользователя.

Задача как элемент системы определяется простейшим циклом обработки типизированных данных. В этом контексте задача может быть связана с алгоритмами обработки (с вычислениями) или технологическими процессами, не связанными с вычислениями типа ввода данных, формирования данных, визуального контроля данных, функционирования автоматизированных датчиков или устройств и т.п.

Отмеченные теоретические подходы имеют небольшие специфические различия в формах пpcдcтaвлeния, но содержат концептуальное единство. Поэтому при их использовании будем применять положения, которые взаимно непротиворечивы и дополняют друг друга.

При практических исследованиях приходится иметь дело с функциональными системами. Для формализации этого класса систем более удобно описание, даваемое М. Месаровичем .

Системный подход позволяет представить процесс построения любой информационной системы в виде схемы, содержащей семь этапов (рис. 6.2), которые определяют создание системы от постановки задачи до ее реализации.

Рис. 12.2. Схема построения автоматизированной системы

Рассмотренные понятия относятся к элементам системы (ГИС). Системный подход позволяет в равной степени анализировать как системы, так и процессы. Поэтому для интегрированных процессов обработки данных (в ГИС) иерархия понятий аналогично рассмотренной выше для систем будет выглядеть так:

интегрированный процесс;

системный уровень обработки;

блок процессов;

процесс;

класс задач;

задача.

Следует подчеркнуть разницу между системным уровнем и подсистемой. Подсистема имеет всегда технологическое назначение, логическое описание и физическую реализацию. Так, подсистема семантического моделирования может быть реализована как составная часть технологии сбора информации или как самостоятельная технология, например, при формировании графических моделей.

Системный уровень является описательным понятием, т.е. имеет технологическое назначение и может иметь ( а может и не иметь) логическое описание.

Физическая реализация осуществляется обычно на уровне подсистемы. Определение основополагающих принципов функционирования любой автоматизированной системы (в том числе ГИС), достижение ее целостности, оптимизация структуры осуществляются на основе методов системного анализа.

Анализ, выполненный с использованием методов формализации общей теории систем, будет отвечать требованиям целостности и единства рассматриваемых проблем и задач, позволит определить структуру обобщенной ГИС и минимальные требования, которым должна удовлетворять такая система.

§ 12.2 Общие сведения о системном построении информационной системы

Для системного анализа обобщенной ГИС необходимо выбрать метод описаний разнородных процессов. Целесообразно использовать положения общей теории систем (ОТС), обоснованные в работах М.Дж. Месаровича и Ю.А. Урманцева, и методы структурного анализа, широко применяемые при разработке программных проектов и систем.

Первый этап - формирование основных требований к системе на словесном (вербальном) уровне без должной формализации.

Второй этап - определение концепции решения проблем и задач или построения системы.

Третий этап - детализация общей задачи создания и применения системы, определение системы описаний для перехода от словесных формулировок к схемному или логически взаимосвязанному описанию функций и задач системы, которое позволит разбить систему на основные составляющие ее части. Говоря другими словами, осуществляется формализованное представление взаимосвязи частей и процессов системы. В результате определится структурная схема системы.

На первых трех этапах происходит формирование инфологической модели.

Четвертый этап - алгоритмизация методов и решений задач, стоящих перед системой, выбор моделей данных, математических и технологических решений.

Пятый этап - оптимизация решений, осуществляемая на основе дополнительного исследования предметной области и специфики решаемых задач. Этим заканчивается построение системы на логическом уровне проектирования.

Шестой этап - реализация системы. В терминах проектирования говорят о переходе к физическому (уровню) построению системы.

Седьмой этап - модернизация создания информационной системы (в том числе ГИС), предусматривающая учет возможных ситуаций функционирования, а также тенденций развития программно-технологических средств.

В соответствии с этой схемой мы находимся на третьем этапе исследований и наша задача - представление обобщенной ГИС как сложной системы в виде основных составляющих ее частей. Для решения этой задачи используем метод общей теории систем (ОТС).

Определим функциональную систему S как отображение входного множества Х (множества первичных элементов ) на выходное множество Y. В формальном представлении ОТС это будет соответствовать записи:

.

В общем случае любая сложная система считается неоднородной (гетерогенной), поэтому целесообразно разбить ее на однородные компоненты (подсистемы) путем построения стратифицированной (многоуровневой) системы (рис. 6.3).

Рис. 12.3. Структура сложной стратифицированной системы

Страты - это уровни, определяемые по совокупности сходных признаков. В зависимости от критериев оценки система может разбиваться по-разному, например на системные уровни, если критерием являются технологические признаки.

Стратификация (разделение системы S на уровни) возможна, если множества входной (X) и выходной (Y) информации неоднородны и представимы в виде декартовых произведений (), т.е. если входная и выходная информация образует два независимых базиса Xi и Yi:

;

(6.1)

В этом случае система S может быть описана в виде совокупности  уровней. Для каждого уровня имеет место

;

;

где E, W- соответственно нисходящие и восходящие информационные потоки, обеспечивающие связь между уровнями (см. рис. 6.3).

Именно наличие нисходящих и восходящих потоков объединяет подуровни в единую систему. Отсутствие таких потоков приводит к тому, что исходная система S разбивается на совокупность независимых более мелких систем.

Возможность разложения входных/выходных данных на независимые группы (6.1) и выявление нисходящих и восходящих информационных потоков позволяет разбивать систему на системные уровни, системные уровни - на подсистемы, процессы - на задачи и т.д.

Многоуровневость может быть обусловлена различными критериями, в частности разнородностью входных/выходных данных или технологическими признаками. Например, выходные множества представляются в виде и документов, и информационных данных. Следовательно, выявление такой разнородности служит основой построения системы в виде совокупности уровней.

ОТС в равной мере применима для анализа как систем, так и процессов обработки данных. Это позволяет определить структуру создаваемой системы и описать ее технологии.

§ 12.3. Построение схемы обобщенной ГИС

При системном подходе процесс разработки ГИС интерпретируется как поиск оптимальной структуры системы путем разбиения ее на подсистемы. При этом реализуется концепция разработки "сверху вниз".

Построение схемы обобщенной ГИС можно осуществить на основе анализа входных/выходных информационных потоков, функционирующих в автоматизированной системе.

Совокупность входных и выходных данных ГИС может быть представлена в виде независимых технологических совокупностей трех групп: сбора, моделирования и хранения, представления. Действительно, сбор информации производится независимо от хранения данных. Данные хранятся независимо от процедур сбора и представления информации. На представление (выдачу) информации в той или иной форме дается задание независимо от способов моделирования.

Эти условия являются достаточными для того, чтобы представить входные Х и выходные Y потоки обобщенной ГИС в виде независимых совокупностей (в форме декартовых произведений), аналогично выражению (6.1):

 ;

 (6.2)

где ТЗс - техническое задание на сбор информации;

ТЗм - техническое задание на хранение, обновление и моделирование;

ТЗп - техническое задание на представление данных после окончательной обработки;

Х1 - множество первичных данных, измеряемых или собираемых с помощью различных технологий;

Ху  - множество унифицированных данных, получаемых после сбора и первичной обработки;

ЦММ  - цифровая модель местности, хранимая в базе данных ГИС;

ЦМК   - цифровая модель карты, сгенерированнная для визуального представления на дисплее или для печати.

В рамках данной теории цифровая модель карты представляет собой отображение цифровой модели местности с помощью средств компьютерной визуализации. Применение ЦММ и ЦМК наглядно прослеживается в технологии работы модульной системы МОЕ (Modular GIS Environment) и ряда других пакетов ГИС. В этой системе аналогом цифровой модели местности выступают объекты базы данных и графическая информация, аналогом цифровой карты - проект (карты). Для отображения проекта осуществляют преобразование проекта в чертеж - генерацию чертежа. Визуальному представлению ЦМК соответствует сгенерированный чертеж. Другими словами, ЦМК можно определить как результат формирования ЦММ для визуального отображения в виде карты.

Множество Х1 представляет собой сложную совокупность данных, получаемых с помощью разных технологий: по фотоснимкам, геодезическими методами на местности, с карт, при помощи систем GPS (Global Position System), из архивных табличных данных и т.д.

На основе ОТС с учетом выражения (6.2) представим обобщенную ГИС в виде стратифицированной трехуровневой структуры (рис. 6.4):

;

; (6.3)

,

где УСО   - системный уровень сбора и первичной обработки информации;

УМХ   - системный уровень моделирования, хранения и обновления;

УП     - системный уровень представления данных;

НТм, НТп - нормативные требования к данным при моделировании и представлении информации соответственно; они являются аналогами промежуточных восходящих информационных потоков.

Рис. 12.4. Структура обобщенной ГИС

Для концептуального построения ГИС согласно (6.3) необходимо определить НТм, НТп , т.е. информационную основу.

Таким образом, применяя системный подход, можно построить структурную схему обобщенной ГИС в виде трехуровневой системы (см. рис. 6.4) и по этим уровням проводить сравнение различных ГИС между собой, а также сравнение ГИС и других автоматизированных систем.

Нормативные требования в (6.3) определяются при дальнейшем анализе, т.е. при переходе к следующим этапам построения.

Мы употребляем термин обобщенная ГИС, так как абстрагируемся от конкретного ее применения.

Функционирование обобщенной ГИС согласно ее формализованному описанию (6.3) и схеме (см. рис. 6.4) осуществляется следующим образом. На первом системном уровне (УСО) происходит сбор первичных данных X1, получаемых с помощью разных методов и технологий и потому имеющих разные структуру, формат и представление. В ходе первичной обработки эти разнородные данные корректируются и унифицируются. В результате формируется некое унифицированное подмножество данных Ху, которое частично хранится в виде архивов и полностью передается на уровень моделирования и хранения.

На втором системном уровне (УМХ) осуществляются: анализ унифицированной информации Xу, установление связей между частями модели; устранение избыточности, если такая имеется; проверка на целостность и непротиворечивость данных; определение первичных и внешних ключей; формирование метаданных и т.д. Подмножество Ху содержит необходимые данные для построения цифровой модели местности, которая хранится в базе данных в виде совокупности графической и символьной информации. ЦММ служит основой для решения прикладных задач на базе различных методов моделирования. Эти процессы также происходят на уровне УМХ. В результате обработки сформированная цифровая модель или результат ее использования подготавливаются для визуального представления. Для этого она передается на третий системный уровень.

На третьем системном уровне (УП) ЦММ преобразуется в цифровую модель карты, которая и служит основой представления информации.

Анализируя группы задач обработки данных на трех системных уровнях, можно отметить следующее.

На первом уровне наиболее широко представлены задачи первичной обработки информации: распознавания, структуризации, декомпозиции, компоновки, измерения, сжатия, контроля, унификации.

Для второго уровня определяющими являются задачи типизации, геометрического преобразования, экспертного типа, построения цифровых моделей, синтеза и т.п.

На третьем уровне наиболее значимы задачи оптимизации, компоновки, синтеза и т.п.

Естественно, что различные задачи и методы моделирования могут в разной степени присутствовать на каждом уровне, но вид уровня определяет их значение.

В общем виде ГИС может включать следующие подсистемы:

семантического моделирования (кодирования) собираемой информации (первый уровень);

имитационного моделирования для контроля входной информации (первый уровень);

геометрического моделирования (первый, второй и третий уровни);

имитационного моделирования для контроля модельных решений (второй уровень);

коррекции информации на основе векторных или скалярных критериев (первый и второй уровень);

интерактивного (эвристического ) моделирования (второй уровень);

семантического моделирования (кодирования) информации, хранимой в БД (второй уровень);

документационного обеспечения (третий уровень).

При сборе первичной информации основным является семантическое моделирование. Инвариантное моделирование имеет приоритет на втором уровне. Эвристическое моделирование занимает ведущее место при интерактивной обработке и в процессах контроля и коррекции. Наконец, информационное моделирование является основным в подсистемах документационного обеспечения.

Таким образом, независимо от вида инструментальной системы, составляющей основу конкретной ГИС, любая ГИС должна обладать общими признаками и свойствами обобщенной ГИС.

Определим ГИС как полную (информационную систему), если в ней присутствуют все три системных уровня, определенных выше. В противном случае будем говорить о неполной ГИС.

Данный метод анализа применим не только к ГИС, но и к любой автоматизированной системе, включая САПР, АСИС, АСУ. Таким образом, любая информационная система, система управления при аналогичных заданных условиях (6.2) представима в виде трехуровневой системы. Эта общность структур систем, различающихся задачами и целями, а также общность преобразования информации дает основание говорить и об общности концепций и методов обработки данных в этих системах. Следовательно, на уровне системной структуры ГИС и других АС существует общность принципов обработки данных для широкого круга прикладных задач, включая управление, организацию производства, проектирование, хранение и обновление данных. Эта общность является следствием интеграции.


Список литературы.

  1.  Коновалова Н. В., Капралов Е. Г. Введение в ГИС: учебное пособие, изд. 2-ое исп. и доп.: М.: ООО «Библион», 1997. - 160с.
  2.  Кошкарев А. В., Тикунов В. С. Геоинформатика: под ред. Д. В. Лисицкого. - М.: «Картгеоцентр», 1993. - 213с.
  3.  Левитский И. Ю., Евглевская Я. В. Решение задач по геоинформационным картам: - М.: Просвещение, 1996. - 159с.
  4.  Полищук Ю. В., Гладкий В. И., Шаповалов Л. А. Создание специализированных планов городов. - М.: Недра, 1988. - 239с.
  5.  Салищев К. А. Проектирование и составление карт. М.: Изд-во Моск. Ун-та,1978. (-)
  6.  Салищев К. А., Картоведение: учебник - 3-е изд. - М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1990. -400с.
  7.  Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. - М.: Финансы и статистика, 1998 - 287с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

50830. Создание web-сайта средствами Flash 154 KB
  Научитесь управлять проигрыванием фильма останавливать и возобновлять его переходить на другие кадры загружать wеbстраницы другие фильмы и графические изображения выполнив последовательно пять заданий согласно инструкциям ниже. вы уже создали публикацию фильма. Управление проигрыванием фильма Пользуясь языком ctionScript можно останавливать фильм снова его запускать а также переходить к заданному кадру. Операторы перехода используются для повторного просмотра или для того чтобы пропустить часть фильма или клипа.
50831. Создание одного однотабличного отчета (для 1-ой таблицы) с помощью мастера и редактирование его в режиме конструктора 154 KB
  Создание одного однотабличного отчета для 1ой таблицы с помощью мастера и редактирование его в режиме конструктора. Создание одного отчета по запросу для 1го запроса с помощью мастера и редактирование его в режиме конструктора. Создание одного многотабличного отчета по двум таблицам связанным связью одинкомногим с группировкой по полям главной таблицы. Создание отчета с помощью мастера и редактирование его в режиме конструктора.
50832. Создание однотабличной ленточной формы для таблиц, которые не являются подчиненными в связях 717.5 KB
  Создание однотабличной ленточной формы для таблиц которые не являются подчиненными в связях т. Создание однотабличной формы в один столбец для подчиненных таблиц т. Создание одной многотабличной формы в табличном виде с помощью мастера. Многотабличные формы создавать по двум таблицам связанным связью одинкомногим.
50833. Создать главную кнопочную форму, позволяющую открыть из нее по нажатию на кнопки 599.5 KB
  Создать главную кнопочную форму позволяющую открыть из нее по нажатию на кнопки следующие кнопочные формы: Список форм Список отчетов Список таблиц Список запросов и последний пункт Выход Каждая кнопочная форма должна содержать список кнопок для открытия ВСЕХ соответствующих объектов базы данных. Формы должны содержать осмысленный заголовок фоновый рисунок список кнопок с подписями. Создание Главной кнопочной формы Для создания главной кнопочной формы в ccess существует специальная служебная программа Диспетчер кнопочных форм....
50834. Создание однотабличной формы (для 2-х таблиц) с помощью мастера и редактирование ее в режиме конструктора 187.5 KB
  Создание однотабличной формы для 2х таблиц с помощью мастера и редактирование ее в режиме конструктора. Создание многотабличной формы с помощью мастера и редактирование ее в режиме конструктора. Обязательно использовать в каждой форме рисунки надписи элементы навигации кнопки заголовок формы. Изучить свойства формы в целом и каждого из ее элементов.
50835. Создание запросо 181 KB
  Создание запросов минимум 1 на создание таблицы запрос должен быть актуален для выбранной темы; Создание запросов минимум 1 на изменение запрос должен быть актуален для выбранной темы. Создание запросов минимум 1 на удаление запрос должен быть актуален для выбранной темы. Краткая теория Кроме запросов на выборку в ccess существует большая группа запросов которые называют запросамидействиями. Эти запросы позволяют быстро изменить создать удалить или же добавить набор данных в некоторую таблицу базы.
50836. Создание однотабличного отчета (для 1-ой таблицы) с помощью мастера и редактирование ее в режиме конструктора 153.5 KB
  Создание однотабличного отчета для 1ой таблицы с помощью мастера и редактирование ее в режиме конструктора. Создание многотабличного отчета с помощью мастера и редактирование ее в режиме конструктора. Отчеты созданные только с использованием мастера не принимаются Краткая теория Понятие отчета Отчет – специальный объект предназначенный для вывода информации из базы данных на принтер. В отчетах данные формируют так чтобы их было удобно размещать на отдельных страницах.
50837. ПРИМЕНЕНИЕ СПЕЦИАЛЬНЫХ ФУНКЦИЙ LOGO! ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СИСТЕМ ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИКИ 400 KB
  Подать сигнал запуска ЛОГ. Через параметризуемое время наблюдать появление высокого уровня ЛОГ. Подать сигнал высокого уровня ЛОГ. 1 на вход I1 сигнал сброса на входе I2 равен ЛОГ.