Картография и ГИС. Ввод данных и современные проблемы цифрового картографирования. Структурные элементы современных ГИС

Лекция 5

Картография и ГИС. Ввод данных и современные проблемы цифрового картографирования. Структурные элементы современных ГИС.

1. Общие сведения о картах

Карта - вычерченное в определенном масштабе и оформленное на плоской основе изображение участка поверхности Земли.

Работа над любой картой начинается с определения ее назначения и масштаба. Затем решаются вопросы математической основы, т.е. способа и точности изображения на плоскости участка сферической поверхности Земли. Считается, что при картографировании в очень крупных масштабах (1:5000 и более) искажение уровенной поверхности невелико и его не учитывают. Такое изображение называется топографическим планом и используется при строительстве небольших городов, промышленных объектов, портов, крупных транспортных узлов и дорог.

Изображение масштабов 1:10000-1:1000000 называется топографической картой. Такие карты составляются в одной проекции, имеют определенные пределы точности, создаются в системе государственной топографо-геодезической службы по строгим инструкциям. Основа этих карт создается в процессе наземной мензульной и фототеодолитной съемки или путем стереотопографической съемки с использованием аэро- или космических снимков.

Топографические карты относятся к общегеографическим, поскольку их содержание отражает различные природные особенности территории (рельеф, растительность, водные объекты) и структуру хозяйственного освоения (населенные пункты, дороги, сельскохозяйственные угодья). Помимо топографических карт к общегеографическим принадлежат карты, на которых изображаются многокомпонентные территориальные объекты: ландшафты, экономические районы, природные зоны.

На основе топографических карт создаются различные тематические карты, на которых более детально показываются: геологическое строение, рельеф, почвы, промышленные комплексы или транспортная сеть. Предназначенные для решения узких и специальных задач, тематические карты весьма разнообразны по масштабу, площади и содержанию. Часто они схематичны, не обладают достаточной точностью, но имеют большую научную и практическую ценность.

По методике подхода к картографированию природных и социально-экономических объектов карты подразделяются на аналитические и типологические (синтетические).

На аналитических картах объекты картографирования характеризуются с точки зрения тех или иных характеристик (параметров), показателей или свойств. Наиболее частные и специализированные карты посвящаются отображению одного параметра, например, уклона местности, объема фитомассы фитоценоза или площади эродированных почв. Компонентные аналитические карты содержат несколько характеристик соответствующего компонента. На климатических картах возможно отображение величин давления, направления и скорости ветра.

Типологические карты представляют собой итог районирования территории по совокупности показателей. На них могут выделяться природные комплексы (ландшафтные категории) или районы определенного типа хозяйственного освоения. Характеристики типологических карт обычно качественные, дающие общее представление о выделенных объектах.

2. Классификации экологических карт

Вопросы классификации экологических карт решаются по-разному, в зависимости от того, что положено в основу классификации.

Относительно устоявшейся и общепризнанной в настоящее время является классификация экологических карт по научно-прикладной направленности:

инвентаризационные, т.е. нацеленные на учет и описательные характеристики природных объектов;
оценочные, т.е. характеризующие соответствие состояний и условий природной среды каким-либо критериям и/или нормативам;
прогнозные, т.е. отображающие предполагаемые и/или недоступные для непосредственного изучения природные объекты и их свойства;
рекомендательные, т.е. направленные на оптимизацию и гармонизацию отношений в природной среде, предотвращение или смягчение неблагоприятных явлений и их последствий.

Географы Института географии РАН, составившие наиболее полный каталог фактически существующих отечественных карт экологического содержания подразделили их на следующие группы:

карты оценки природных условий и ресурсов для жизни и деятельности человека;
карты неблагоприятных и опасных природных условий и процессов;
карты антропогенных воздействий и изменений природной среды;
карты устойчивости природной среды к антропогенным воздействиям;
карты охраны природы и природоохранных мероприятий;
медико-географические карты;
карты рекреации;
комплексные экологические (эколого-географические, геоэкологические карты).

Так как экологическое картографирование достаточно новое и еще не устоявшееся направление в картографировании, то единого мнения по поводу классификации карт пока не выработано. И географы Института географии Сибири и Дальнего Востока предлагают свою классификацию экологических карт:

карты факторов и условий среды (физико-географические карты, характеризующие условия жизнедеятельности, карты природно-ресурсного и экологического потенциала территорий, устойчивости геосистем);
карты процессов (распространения загрязнений, миграций, эрозии, опасных природных явлений);
карты состояний (современного и прогнозируемых, в том числе карты антропогенных изменений);
карты проблем (остроты экологических ситуаций);
карты организации охраны природы и ресурсопользования (контроля и управления природопользованием).

Классификация экологических карт по назначению включает:

карты для научно-исследовательских работ природоохранной направленности
карты для практической природоохранной деятельности (в том числе инвентаризационно-оценочные, прогнозные, рекомендательные, контрольные);
карты для экологического просвещения, образования и воспитания.

Специфическим для экологических карт является их подразделение по источникам исходной информации, составленные на основе:

дистанционного зондирования;
статистических данных и их обработки;
полевого картографирования и мониторинга;
изучения состояния биоиндикаторов;
обобщения материалов из разных источников.

3. Геоинформационное картографирование

Геоинформационное картографирование – это картографирование, основу которого составляет автоматизированное информационно-картографическое моделирование природных и социально-экономических геосистем на основе ГИС и баз географических (геологических, экологических и др.) знаний.

Основными причинами формирования и развития этого направления в картографии являются:

1. Развитие геоинформатики и дистанционного зондирования, как научных дисциплин, технологий и производств;

2. Практическая потребность в оперативном картографическом обеспечении принятия решений управленческого характера;

3. Внедрение в картографию компьютерного картосоставления и автоматических картографических систем;

4. Включение в научно-практический оборот большого числа новых видов и типов карт, электронных карт, фотокарт и космофотокарт, трехмерных картографических изображений и т. п.

Как и обычное картографирование, геоинформационное картографирование может быть отраслевым и комплексным, аналитическим и синтетическим, различным по пространственному охвату, масштабу, назначению, степени синтеза.

Особенности геоинформационного картографирования:

1. Системность (и, как правило, серийность) создания и использования карт;

2. Оперативность картографирования, вплоть до составления карт в реальном масштабе времени;

3. Многовариантность, то есть возможность создания альтернативных карт-сценариев, их оценки и отбора оптимальных вариантов;

4. Многообразие средств визуализации, создание геоизображений новых видов и типов, сочетание с другими средствами коммуникации, в том числе с мультимедиа;

5. Ориентация на конкретные задачи управленческого характера, четкая целевая установка, прикладной характер.

4. Оперативное картографирование

Оперативное картографирование - это создание и использование карт в реальном или близком к реальному масштабу времени с целью быстрого (своевременного) информирования пользователей и воздействия на ход процесса.

Оперативные карты предназначаются для решения широкого спектра задач, прежде всего, для инвентаризации объектов, предупреждения о неблагоприятных или опасных процессах, слежения за их развитием, составления рекомендаций и прогнозов, выбора вариантов контроля, стабилизации или изменения хода процесса в самых разных сферах - от экологических ситуаций до политических событий. При этом следует различать оперативные карты двух типов: одни рассчитаны на долговременное последующее использование и анализ (например, карты итогов голосования избирателей), а другие - на кратковременное использование для незамедлительной оценки какой-либо ситуации (например, карты созревания сельскохозяйственных посевов).

Исходными данными для оперативного картографирования служат материалы аэрокосмической съемки, непосредственные наблюдения и замеры, статистические данные, результаты опросов, переписей, референдумов, кадастровая информация.

Эффективность оперативного картографирования определяются двумя факторами:

1) надежностью автоматической системы, которая, в свою очередь, зависит от скорости ввода и обработки данных, организации баз данных и системы доступа к ним, быстродействия вычислительных и периферийных устройств;

2) хорошей читаемостью и воспринимаемостью самих оперативных карт, простотой их внешнего оформления, адекватным подбором знаков и шкал, обеспечивающим эффективное зрительное восприятие в условиях оперативного анализа ситуаций.

5. Ввод данных в ГИС

Ввод данных – это процедура кодирования данных в форму понятную компьютеру и их запись в базу данных ГИС.

Обычно процедура ввода данных включает в себя три основных шага – непосредственно сбор данных, редактирование, собранных данных и их очистку, и последний шаг – это геокодирование данных.

Каким образом можно ввести данные - существует несколько способов, а именно:

Ввод с помощью клавиатуры – используется главным образом для ввода атрибутивных данных и очень редко для ввода пространственных данных;
Ручное цифрование – широко используется для ввода пространственных данных, однако этот метод требует очень много времени, предъявляет высокие требования к квалификации исполнителя и допускает наличие ошибок.
Сканирование изображений – очень широко используется для ввода пространственных данных, однако, как и предыдущий метод имеет свои недостатки: часто полученные изображения требуют доработки и редактирования для улучшения качества; изображение должно преобразовываться в векторный формат и т.д.; но есть и свои преимущества, например использование данных дистанционного зондирования.
Ввод существующих цифровых файлов – здесь существуют две проблемы: первая – это наличие необходимой Вам пространственной информации в формате, который "понимает" ваша ГИС и вторая – финансовая, то есть наличие средств, что бы эту информация приобрести.
Получение данных по средствам систем точного позиционирования (GPS) или координатная геометрия – в основном используется для ведения земельного кадастра и учета землепользования. Очень дорогой метод, так как предполагает проведение полевых геодезических измерений или использование спутника.

С какими проблемами нам приходится сталкиваться при подготовке цифровых карт - основные проблемы можно разбить на три группы.

1. Проблемы исходных картографических материалов.

И первая проблема из этой группы – это старение исходных картографических материалов. Недостаточное финансирование предприятий Роскартографии и как следствие, очень большие сроки обновления карт. Например, на некоторые малообжитые, но перспективные нефтегазоносные территории Западной Сибири топографические карты средних масштабов не обновлялись около 30 лет. В результате, в ряде случаев создавать цифровые карты по имеющимся традиционным не имеет смысла по причине старения последних.

Вторая проблема заключается в том, что процесс составления традиционной карты является творческим. Качество получаемой карты существенно зависит от квалификации ее составителя. Но каковы бы ни были его опыт и знания, известно, что человек существо ненадежное и субъективное. Следовательно, ошибки на картах при ручной технологии составления неизбежны, и с этим приходится либо мириться, либо искать альтернативные технологии. Указанные ошибки могут быть исправлены при их обнаружении в процессе составления карты, когда все исходные материалы под рукой. Но при цифровании они, как правило, неустранимы, так как отсутствуют первичные материалы (абрисы, аэроснимки, материалы дешифрирования и т.п.).

Наконец, проблема картографических материалов проявляется и в том, что карта, как канал передачи информации обладает определенными ограничениями, в частности на объем передаваемой информации. Например, при составлении карты из всех элементов ее содержания рельеф принято наделять наименьшим приоритетом. Поэтому при очень высокой плотности элементов ситуации горизонтали или подписи высот земной поверхности на карту не наносятся, чтобы избежать перегруженности карты. Как следствие, нередко на некоторых участках плана застроенных территорий рельеф представлен с недостаточной точностью. При создании цифровой модели рельефа программным путем земная поверхность на таких участках сглаживается так, что ошибки определения высот по модели могут намного превышать допуски, установленные для исходной карты.

2. Технологические проблемы

Сегодня эффективность технологий создания цифровых карт практически полностью определяется качеством программного обеспечения. Мы имеем импортное и отечественное программное обеспечение. Зарубежное программное обеспечение существенно дороже нашего; часто стоимость программных средств для одного рабочего места превышает стоимость оборудования.

Отечественное программное обеспечение более приемлемо по стоимости, но его функциональные возможности часто не оправдывают ожиданий и не удовлетворяют потребностей производства. Кроме того, не всегда последующие версии программного обеспечения совместимы с предыдущими, и тогда приходится заново повторять цифрование.

Одной из серьезных проблем в цифровом картографировании является отсутствие национальных стандартов на классификацию и кодирование топографической информации, и форматы обмена цифровыми топографическими данными.

3. Проблемы готовности потребителя к использованию цифровых карт

У подавляющего большинства потенциальных пользователей отсутствуют возможности внедрения геоинформационных систем, либо нет почти никакого представления о преимуществах их применения для управления территориями или распределенными в пространстве комплексами и системами, так как эти вопросы рассматривались до сих пор преимущественно в специальных изданиях.

Основными причинами недостаточного распространения ГИС-технологий в России, являются: низкий общий уровень информатизации, слабая информированность о возможностях ГИС, отсутствие специалистов, дефицит программного обеспечения для решения задач конкретных пользователей и психологическая неготовность к применению новых технологий управления.

Каким образом можно проконтролировать качество цифровой карты:

Система контроля качества строится на определенных принципах:

На отдельных этапах технологий, создающих конечные и промежуточные виды продукции, обязательно выполняется входной и выходной контроль.
Самостоятельный контроль исполнителя - ежесменная самокорректура в конце рабочего дня.
Контроль «во вторую руку», т.е. редактирование более квалифицированным исполнителем.
Контроль и приемка независимым структурным подразделением - ОТК.
Максимальная степень выполнения контроля программным способом.
Реализация принципа «цифрование с одновременным контролем» с наименьшим последующим редактированием.
Автоматизированная диспетчеризация последовательности технологических процессов, позволяющая «не забыть» выполнение каких либо процессов (особенно контрольных).
Постоянное редакционное сопровождение технологий (т.е. консультация с редактором карты).
Ведение формуляра создания цифровой картографической информации [ЦКИ] (этапы создания, исполнители и ответственные на каждом этапе создания и контроля ЦКИ).

Контроль качества исходного картографического материала (ИКМ).

При контроле качества ИКМ проверяются:

наличие основных исходных картографических материалов;
соответствие года издания указанным в редакционно-технических указаниях;
точность математической основы (размеры сторон и диагоналей для топографических карт не должны превышать 0,2 мм и 0,3 мм от теоретических, для обзорно-географических карт и планов годов - 0,3 и 0,4 мм от теоретических).

Для исходных материалов, имеющих отклонения от указанных требований, принимаются отдельные редакционные решения, которые записываются в формуляры цифровых и электронных карт.

Контроль качества сканирования

Контроль качества сканирования включает контроль:

точности и полноты результатов сканирования;
оценку качества растрового изображения.

Точность сканирования контролируется измерением рамки и диагоналей растрового изображения исходного картографического материала. Отклонения не должны превышать 0,2 мм от фактических размеров. Полнота и качество сканирования проверяются методом визуального сравнения растрового изображения на экране монитора с исходным картографическим материалом. На растровом изображении должны быть все элементы исходного картографического материала, а само изображение не должно иметь разрывов, слипаний и посторонних пятен.

Контроль качества цифрования

При контроле качества цифрования проверяются:

точность цифрования;
полнота оцифрованной информации;
достоверность оцифрованной информации.

Точность цифрования пунктов и точек геодезической основы, километровой и картографических сеток проверяется путем сравнения с теоретическими данными (программно) и со списками (каталогами) координат, остальная информация проверяется одним из двух способов: наложением оцифрованной информации на растровое изображение или выводом контрольных графических копий на графопостроителе и совмещением их с исходным материалом. Контроль качества цифрования (векторизации) ОТК должен осуществляться не реже одного раза в два месяца.

Полнота оцифрованной информации проверяется по контрольно-графической копии (для дигитайзерной технологии) или по растровой подложке.

Достоверность цифровой информации проверяется с использованием возможностей программно-технического комплекса для установления соответствия цифровой информации исходному картографическому материалу.

Для контроля используются:

1. Программные средства контроля метрической (графической) информации, которые должны обеспечивать:

контроль достаточности точек для представления линейных, площадных и условно линейных объектов с установленной точностью;
контроль самопересечений;
замыкание и доведение до рамки;
контроль направления цифрования;
контроль вложенности объектов;

2. Программные средства контроля семантической информации, которые должны позволять контролировать:

допустимые коды характеристик (присутствие атрибутов, нехарактерных для данного вида объектов);
соответствие кодов (атрибутов) характеру места;
обязательные характеристики;
допустимые значения характеристик;

3. Программные средства контроля:

структуры формата;
логики пространственно-логических связей объектов;
присвоения абсолютных высот;

4. Визуальный контроль соответствия семантической информации оцифрованным объектам карты, осуществляемый путем последовательной идентификацией объектов и сличения семантической информации объектов с данными растровой карты (подложка) с использованием в случае необходимости исходного картографического материала.

Типичные ошибки цифровых карт