Цифровое картографирование. Картография цифровая. Преимущества цифровой картографии

Цифровая Техника Счетчик для электронных часовКоротаев Г.1981, № 1, с. 46. Музыкальная шкатулкаПолин А.1981, № 2, с. 47. Цифровой экспозиметрПсурцев В.1981, № 3, с. 23. Цифровой экспозиметрПсурцев В.1981, № 4, с. 30. Секундомер-таймер из Б3-23Для Народного Хозяйства И БытаЗальцман Ю.1981, № 5, с.

Цифровая подпись.

Цифровая подпись. Огромным преимуществом публичной криптографии также является возможность использования цифровой подписи, которая позволяют получателю сообщения удостовериться в личности отправителя сообщения, а также в целостности (верности) полученного

8.1. Сущность и задачи курса «Цифровая картография»

Курс «Цифровая картография» – составная часть картографии. Он изучает и разрабатывает теорию и методы создания цифровых и электронных карт, а также автоматизацию картографических работ.

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

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

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

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

8.2. Определения цифровых и электронных картографических произведений

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

Цифровые карты – цифровые модели объектов, представленные в виде закодированных в числовой форме плановых координат x и y и аппликат z .

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

Главное назначение цифровых карт – служить основой для формирования баз данных и автоматического составления, анализа, преобразования карт .

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

Цифровая карта – представление объектов карты в форме, которая позволяет компьютеру сохранять, манипулировать и выводить значение их атрибутов.

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

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

Электронные атласы – компьютерные аналоги обычных атласов.

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

Существует несколько типов электронных атласов:

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

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

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

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

Рис. 8.1. Национальный атлас России

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

Картографические анимации – динамические последовательности электронных карт, которые передают на экране компьютера динамику и перемещение изображаемых объектов и явлений во времени и пространстве (например, движение атмосферных осадков,

перемещение транспорта и т. п.).

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

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

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

− изменение внешнего вида условных знаков (размеров, цвета, формы, яркости, внутренней структуры). Например, населенные пункты могут быть показаны в виде пульсирующих пунсонов и т. д.;

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

− панорамирование, вращение компьютерных изображений;

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

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

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

Трехмерные анимации, сочетающиеся с фотоизображением, называются виртуаль-

ными картами (создается иллюзия реальной местности).

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

8.3. Понятие геоинформационных систем (ГИС)

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

В отечественной научной литературе существуют десятки определений ГИС.

Географические информационные системы (ГИС) – аппаратно-программные ком-

плексы, обеспечивающие сбор, обработку, отображение и распространение пространст-

венно-координированных данных (А.М. Берлянт). Одна из функций ГИС – создание и использование компьютерных (электронных) карт, атласов и других картографических произведений.

Геоинформационная система – это информационная система, предназначенная для сбора, хранения, обработки, отображения и распространения данных, а также получения

на их основе новой информации и знаний о пространственно-координированных объектах и явлениях.

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

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

Рис. 8.2. Получение информации об объекте из базы данных

Кроме того, геоинформационные системы работают с картографическими проекциями, что позволяет осуществлять проекционные преобразования цифровых и электронных карт

Рис. 8.3. Выбор картографической проекции в ГИС MapInfo Professional

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

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

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

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

Таким образом, отличительными особенностями ГИС являются:

− географическая (пространственная) привязка данных;

− хранение, манипулирование и управление информацией в базе данных;

− возможности по работе с проекциями географической информации;

− получение новой информации на основе имеющихся данных;

− отражение пространственно-временных связей между объектами;

− возможность быстрого обновления баз данных;

− цифровое моделирование рельефа;

− визуализация и вывод данных.

8.3.1. Подсистемы ГИС

ГИС состоит из ряда блоков, важнейшими из которых являются блок ввода, обработки

и вывода информации (рис. 8.6).

Рис. 8.6. Структура ГИС

Блок ввода информации включает в себя сбор данных (тексты, карты, снимки и др.) и устройства для преобразования информации в цифровую форму и ввода ее в память компьютера или в базу данных. Раньше для этой цели широко применялись специальные устройства дигитайзеры – устройства с ручным обводом объектов и автоматической регистрацией их координат. В настоящее время они полностью заменены автоматическими устройствами – сканерами . Отсканированное изображение цифруется с помощью специальных программных средств. Все характеристики цифруемых объектов, в том числе статистические данные, вводят с клавиатуры компьютера. Вся цифровая информация поступает в базу данных.

База данных – набор информации, организованной таким образом, чтобы ее можно было хранить в компьютере.

Формирование баз данных, доступ и работу с ними обеспечивает система управления базами данных (СУБД) , которая позволяет быстро находить требуемую информацию и проводить ее дальнейшую обработку.

Совокупности баз данных и средств управления ими образуют банки данных.

Блок обработки информации включает в себя использование различного программного обеспечения, которое позволяет привязывать растровое изображение к определенной системе координат, выбирать нужную проекцию, осуществлять автоматическую генерализацию элементов содержания, преобразовывать растровое изображение в векторное, подбирать способы изображения, строить тематические и топографические карты, совмещать их друг с другом, а также выполнять дизайн картографических произведений.

Блок вывода информации – включает устройства, которые позволяют выводить результаты картографирования, а также тексты, таблицы, графики, схемы, трехмерные изображения и др. Это экраны (дисплеи), печатающие устройства (принтеры), плоттеры и др.

ГИС производственного назначения включает в себя еще подсистему издания карт, которая позволяет изготовлять печатные формы и осуществлять печать тиража карт.

8.3.2. Организация данных в ГИС

Данные, используемые в ГИС, могут быть самыми различными: результаты геодезических и астрономических наблюдений, данные натурных наблюдений (геологические профили, почвенные разрезы, материалы переписей и др.), различные карты, снимки, статистические данные и др.

Данные в ГИС имеют послойную организацию, т. е. сведения об объектах одного тематического содержания хранятся в одном слое (гидрография, рельеф, дороги и т. д.).

Таким образом, карта в ГИС состоит из набора информационных слоев (рис. 8.7). Каждый слой содержит разные виды информации: области, точки, линии, тексты, а все вместе они составляют карту.

Распределение объектов по слоям позволяет быстро редактировать объекты, работать с запросами, вносить различные изменения. Слоями на карте можно управлять: менять местами, отключать видимость, блокировать, замораживать, удалять и т. д.

При оформлении цифровой карты слои должны располагаться в определенной последовательности, поэтому при создании нового слоя его помещают в определенное место. Слои фоновых элементов необходимо располагать ниже слоев штриховых элементов, чтобы они не закрывали собой изображение. Последовательность размещения слоев передает правильность наложения штриховых и фоновых элементов карты.

Количество слоев для каждой карты может быть различным и зависит от назначения карты и задач, которые будут решаться по данной карте. Очень важной задачей является правильное составление слоев и распределение объектов по слоям. Следует помнить, что большое количество слоев может затруднять работу с картой.

Цифровые карты могут непосредственно восприниматься человеком, при визуализации электронных карт (на видеоэкранах) и компьютерных карт (на твёрдой основе), а могут использоваться как источник информации в машинных расчётах без визуализации в виде изображения.

Цифровые карты служат основой для изготовления обычных бумажных и компьютерных карт на твёрдой подложке.

Создание

Цифровые карты создаются следующими способами или их комбинацией (фактически способы сбора пространственной информации):

· оцифровка (цифрование) традиционных аналоговых картографических произведений (например, бумажных карт);

· фотограмметрическая обработка данных дистанционного зондирования;

· полевая съёмка (например, геодезическая тахеометрическая съёмка или съёмка с использованием приборов систем глобального спутникового позиционирования);

· камеральная обработка данных полевых съёмок и иные методы.

Способы хранения и передачи

Т. к. модели, описывающие пространство (цифровые карты), весьма нетривиальны (в отличие, например, от растровых изображений), то для их хранения часто используют специализированные базы данных (БД, см. пространственная база данных), а не одиночные файлы заданного формата.

Для обмена цифровыми картами между различными информационными системами используют специальные обменные форматы. Это могут быть или популярные форматы каких-либо производителей программного обеспечения (ПО) (например, DXF, MIF, SHP и др.), ставшие стандартом «де-факто», или международные стандарты (например, такой стандарт Open Geospatial Consortium (OGC), как GML).

Картография

Картогра́фия (от греч. χάρτης - бумага из папируса, и γράφειν - рисовать) - наука об исследовании, моделировании и отображении пространственного расположения, сочетания и взаимосвязи объектов, явлений природы и общества. В более широкой трактовке картография включает технологию и производственную деятельность.

Объектами картографии являются Земля, небесные тела, звёздное небо и Вселенная. Наиболее популярными плодами картографии являются образно-знаковые модели пространства в виде: плоских карт, рельефных и объёмных карт, глобусов. Они могут быть представлены на твёрдых, плоских или объёмных материалах (бумага, пластик) или в виде изображения на видеомониторе.

Разделы картографии

Математическая картография

Математическая картография изучает способы отображения поверхности Земли на плоскости. Поскольку поверхность Земли (приблизительно сферическая, для описания которой часто пользуются понятием земного сфероида) имеет определенную, не равную бесконечности кривизну, её нельзя отобразить на плоскости с сохранением всех пространственных соотношений одновременно: углов между направлениями, расстояний и площадей. Можно сохранить только некоторые из этих соотношений. Важное понятие в математической картографии - картографическая проекция, - функция, задающая преобразование сфероидических координат точки (то есть координат на земном сфероиде, выражающихся в угловой мере) в плоские прямоугольные координаты в той или иной картографической проекции (проще говоря, в лист карты, который можно разложить перед собой на поверхности стола). Другой значительный раздел математической картографии - картометрия, которая позволяет по данным карты измерять расстояния, углы и площади на реальной поверхности Земли.

Составление и оформление карт

Составление и оформление карт - область картографии, область технического дизайна, изучающая наиболее адекватные способы отображения картографической информации. Эта область картографии тесно взаимосвязана с психологией восприятия, семиотикой и тому подобными гуманитарными аспектами.

Поскольку на картах отображается информация, относящаяся к самым различным наукам, выделяют также такие разделы картографии, как историческая картография, геологическая картография, экономическая картография, почвоведческая картография и другие. Эти разделы относятся к картографии лишь как к методу, по содержанию они относятся к соответствующим наукам.

Цифровая картография

Цифровая (компьютерная) картография является не столько самостоятельным разделом картографии, сколько её инструментом, обусловленным современным уровнем развития технологии. Например, не отменяя способов пересчёта координат при отображении поверхности Земли на плоскости (изучается таким фундаментальным разделом, как математическая картография), цифровая картография изменила способы визуализации картографических произведений (изучаются разделом «Составление и оформление карт»).

Так, если раньше авторский оригинал карты чертился тушью, то на сегодняшний момент он вычерчивается на экране монитора компьютера. Для этого используют Автоматизированные картографические системы (АКС), созданные на базе специального класса программного обеспечения (ПО). Например, GeoMedia, Intergraph MGE, ESRI ArcGIS, EasyTrace, Панорама, Mapinfo и др.

При этом не следует путать АКС и Географические информационные системы (ГИС), так как их задачи различны. Однако на практике один и тот же набор ПО является интегрированным пакетом, используемым для построения и АКС, и ГИС (яркие примеры - ArcGIS, GeoMedia и MGE).

Создание электронных карт (контуров) полей.

Для эффективного управления сельхозпредприятием не лишним будет точно знать какими посевными площадями Вы располагаете. Не редко руководители и агрономы хозяйств лишь приблизительно знают размеры своих полей, что негативно влияет на точность расчета необходимых удобрений и подсчета урожая. С помощью GPS-приемника, полевого компьютера и специального программного обеспечения (ПО) можно получить электронные карты (контура) полей с сантиметровой точностью!

Ресурсосберегающие технологии и в том числе точное земледелие (precision agriculture) предполагают работу с электронными картами полей. Это та геоинформационная база, на основании которой проводятся практически все агротехнические операции в точном земледелии. Например, одна из самых сложных агротехнических операций точного земледелия - дифференцированное внесение минеральных удобрений основана на картах распределения питательных веществ (N, P, K, Гумус, ph) по полю. Для этого также проводится агрохимическое обследование сельхозугодий.

Но если даже не использовать электронные карты полей для дальнейшего применения технологий точного земледелия, польза от создания таких карт очевидна. Зная точные площади Ваших полей и расстояния между ними, Вы можете более качественно и рационально:

1. Рассчитывать количество необходимых удобрений и агрохимикатов, а также семенного материала

2. Учитывать полученную урожайность

3. Рассчитывать планируемый расход ГСМ

4. Вести ежегодный учет засеянных площадей с высокой точностью по каждой культуре

5. Вести историю полей (севооборотов)

6. При необходимости готовить наглядные отчеты высокой точности (печать карт)

Создание контуров полей проводится с помощью GPS-приемника, полевого компьютера и программного обеспечения объединённых в единый программно-аппаратный комплекс. В режиме "полигон" необходимо объехать или обойти поле по его границе и сохранить полученный контур. При сохранении можно указать название поля и другие необходимые атрибуты и примечания. После сохранения контура нам станет известна точная площадь поля.

Программное обеспечение позволяет также наносить другую геоинформационную информацию: линии и точки. Линиями можно оперировать при разметке рабочих участков на полях. Например, если у Вас уже есть электронные карты Ваших полей за прошлый год и Вам необходимо зафиксировать лишь размещение культур по полям в этом году, то нет необходимости заново оконтуривать поля. Нужно только нанести разграничительные линии между культурами, и то в том случае, если на одном поле возделывается две и более культуры.
Точки используются для нанесения на карту особенностей поля, таких как столбы, большие камни и прочие.

Всю полученную геоинформацию из программно-аппаратного комплекса необходимо перенести на стационарный компьютер для дальнейшего анализа и использования в расчетах и при принятии управленческих решений. На стационарном компьютере также должно быть установлено геоинформационное программное обеспечение (ГИС), которое позволит корректно работать с полученной в полях информацией. Для этих целей мы рекомендуем использовать программу MapInfo ©.

В принципе можно использовать любую ГИС-систему, работающую с форматом.SHP (Shape). Практически все ГИС-системы могут корректно работать с этим форматом. Однако MapInfo © является, на наш взгляд, оптимальным выбором для учета посевных площадей и ведения истории полей. В MapInfo. Вы можете создавать тематические карты, накладывать контура Ваших полей на спутниковые снимки и аэрофотоснимки, а также на оцифрованные топографические карты. Также в MapInfo есть удобный инструмент для измерения расстояний (например для измерения расстояния от гаража до поля).

В наше время преобладает очень высокий уровень автоматизации, и это отражается практически на всех сферах человеческой деятельности. В связи с такой актуальностью технического прогресса возникла цифровая картография, которая представляет собой компьютерную обработку и анализ картографической информации. На данный момент именно цифровая картография является самой популярной в своей научной области, так как сейчас создание любых картографических изображений выполняется именно на компьютере.

Цифровую картографию нельзя назвать отдельной дисциплиной или разделом. Это, скорее всего эффективный инструмент, который позволяет удобно и быстро обрабатывать картографические данные при помощи ПК. Однако влияние цифровой картографии на науку является действительно сильным, и данный способ отображения местности в корне изменил принцип визуализации территории.

Сравним цифровую картографию со старым способом создания карт. В давние времена картографы проводили дни и ночи напролет, находясь у карты, вычерчивая каждый элемент тушью. Такая работа была очень кропотливая, и трудозатраты были просто неоправданны. Сейчас же технология создания карт существенно изменилась, и теперь всю рутинную работу выполняет компьютер, причем гораздо быстрее. Во время обработки картографической информации на ПК используют специальные автоматизированные системы, которые имеют большой функционал, состоящий из инструментов, необходимых для создания карт. Благодаря своей гибкости автоматизированные картографические системы дают массу возможностей современным картографам, которые действительно упрощают и улучшают процесс иллюстрации местности.