Цифровая картография

Цифровая картография и ГИС

В последнее десятилетие картография переживает период глубо­ких перемен и технологических инноваций, вызванных информатиза­цией науки, производства и общества в целом. Возникла необходимость пересмотра и переопределения многих понятий этой научной дисцип­лины. Например, еще в 1987 году в составе Международной Картогра­фической Ассоциации были созданы две рабочие группы по картографическим определениям и концепциям. Причем одним из главных воп­росов, подлежащих изучению и разрешению, был вопрос о том, мож­но ли определить картографию без понятия "карта" и должны ли в это определение включаться ГИС или ее элементы. В 1989 году. рабочая группа предложила следующую дефиницию: "Картография - это организация и коммуникация географически привязанной информации в графической или цифровой форме; она может включать все этапы от сбора до отображения и использования данных". Понятие "карта" не включено в это определение, а предложено рассматривать ее отдель­но как "холическое (т. е. целостное, структурное) отображение и мыс­ленную абстракцию географической реальности, предназначенную для одной или нескольких целей и трансформирующую соответствующие географические данные в произведения, представленные в визуальной, цифровой или осязательной формах".

Приведенные дефиниции вызвали широкую дискуссию среди картографов, и в результате появился альтернативный вариант определения картографии, в котором она рассматривается как "организация, отображение, коммуникация и использование пространственно коор­динированной информации, представляемой в графической, цифровой и осязательной формах; может включать все этапы от сбора данных до их использования при создании карт, либо других информационных пространственных документов ".

По мнению большинства современных картографов, технологичес­кие аспекты картографии не являются главными в эпоху информатики и все определения картографии через технологию - ошибочны. Картография остается прикладной, преимущественно визуальной дисципли­ной, в которой большое значение имеют коммуникационные аспекты. Ошибочна также и оценка компьютерных карт в смысле их похожести, неотличимости от карт, создаваемых вручную. Действительное зна­чение ГИС-технологии как раз и состоит в возможности создания про­изведений нового типа. При всем этом главной задачей картографии остается познание реального мира, и здесь весьма трудно отделить форму (картографическое отображение) от содержания (отражаемая действительность). Прогресс геоинформационных технологий лишь увеличил диапазон данных, подлежащих картографированию, расширил круг научных дисциплин, нуждающихся в картографии. Экранные (дисплейные) карты и электронные атласы, которые становятся теперь частью национальных картографических программ во многих странах, лишь усиливают связи картографии с компьютерной графикой и ГИС, не меняя, однако, сущности картографирования.

Следует отметить, что цифровая картография в генетическом пла­не не является прямым продолжением традиционной (бумажной) кар­тографии. Она развивалась в ходе общего развития программного обеспечения ГИС и поэтому часто рассматривается как второстепенная ГИС-составляющая, которая, в отличие от программного обеспечения ГИС, не требует вложения больших сил и средств. Так, неподготовленный пользователь с помощью существующего программного обеспечения ГИС после нескольких дней обучения уже может создать простую цифро­вую карту, однако даже за месяц он не в состоянии создать работоспо­собное программное обеспечение ГИС. С другой стороны, как отмеча­ют специалисты-картографы, из-за видимой легкости и простоты про­исходит недооценка цифровой картографии со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Цифровая картография стала жить собственной жизнью и ее связь с традиционной картографией зачастую рассматривается как совершенно лишняя. Как известно, для создания традиционной бумажной карты требуется довольно сложное оборудование, а также коллектив опыт­ных специалистов (картографов-дизайнеров), создающий и редактиру­ющий карты, выполняющий рутинную работу по обработке первичного материала. Это технически и технологически очень сложный и тру­доемкий процесс. С другой стороны, для создания цифровой карты ну­жен лишь персональный компьютер, внешние устройства, программ­ное обеспечение и исходная (в общем случае бумажная) карта. Иными словами, любой пользователь получает возможность создавать цифро­вые карты в виде готовой продукции - цифровых карт на продажу. В результате в настоящее время цифровым картографированием занято очень много непрофессионалов, а отрыв от теории и методики тради­ционной картографии приводит к потере качества передачи геометри­ческих и топологических форм объектов карты, ибо умения хорошо чертить на бумаге недостаточно для качественного цифрования (дигитизирование - процесс более сложный, так как приходится качественно аппроксимировать непрерывные кривые отрезками прямых). При этом страдает и качество оформления: зачастую карты, выведенные на печать, "напоминают некий чертеж с набором цветовых пятен, но никак не карту".

Лишь в последнее время с развитием рынка ГИС начала возрастать потребность в качественных цифровых картах; пользователи стали обращать внимание не только на скорость цифрования карт и их низкую цену, но и на качество. Растет количество мест, где осуществляется подготовка специалистов с использованием ГИС-технологии; западные системы русифицируются и украинизируются, расширяя круг потенциальных пользователей ГИС. Таким образом, налицо тенденция каче­ственного развития цифровой картографии в фарватере общего развития ГИС-технологии.

Рассмотрим некоторые особенности технологии цифрового картографирования и основные параметры цифровых карт. Прежде все­го необходимо отметить, что в силу многообразия задач, решаемых с помощью цифровых карт, трудно однозначно определить универсаль­ные критерии их качества, поэтому наиболее общим критерием долж­на быть способность обеспечить решение поставленной задачи. В насто­ящий момент ситуация на рынке цифровых карт такова, что в основ­ном они создаются для конкретного проекта, в отличие от традицион­ной картографии, где в качестве картоосновы используются уже существующие картографические материалы. Поэтому чаще всего создание цифровой карты определяется не устоявшимися и проверенны­ми временем инструкциями, а разрозненными и не всегда профессионально составленными техническими заданиями.

Качество цифровой карты

Качество цифровой карты складывается из ряда составляющих, но основными являются информативность, точность, полнота и коррект­ность внутренней структуры.

Информативность. Карта как модель действительности обладает гносеологическими свойствами, например, такими, как содержатель­ное соответствие (научно-обоснованное отображение главных особен­ностей действительности), абстрактность (генерализованность, пере­ход от индивидуальных понятий к собирательным, отбор типичных характеристик объектов и устранение второстепенных), пространствен­но временное подобие (геометрическое подобие размеров и форм, вре­менное подобие и подобие отношений, связей, соподчиненности объек­тов), избирательность и синтетичность (раздельное представление со­вместно проявляющихся явлений и факторов, а также единое целост­ное изображение явлений и процессов, которые в реальных условиях проявляются раздельно). Эти свойства, естественно, влияют и на качество конечного продукта - цифровой карты, однако в основном относятся к компетенции создателей исходного картографического произведения: создатели традиционной карты-источника несут ответствен­ность за ее информативность, и при создании цифровой карты важно правильно подобрать этот источник и корректно передать, учитывая особенности цифрового картографирования, заложенную в исходную карту информацию.

Полнота Передачи содержания. Величина этого параметра зависит в основном от технологии создания цифровой карты, т. е. от того, на­сколько строго осуществляется контроль пропусков операторами объектов цифрования. Для контроля может использоваться твердая копия цифровой карты, выведенная на пластик в масштабе оригинала. При последующем наложении на источник цифрования проводится сверка содержания цифровой карты и исходного материала. Такой метод мо­жет также использоваться для оценки качества передачи форм объек­тов, но он неприемлем для оценки ошибки положения контуров, так как устройство вывода всегда дает заметные искажения. При вектори­зации растра совмещение слоев созданной цифровой карты и растро­вой подложки позволяет оперативно выявить пропущенные объекты.

Точность. В понятие точности цифровой карты входят такие пара­метры, как ошибка положения контуров относительно источника, точ­ность передачи размеров и форм объектов при цифровании, а также ошибка положения контуров цифровой карты относительно местности, связанная с источником цифрового картографирования (деформация бумаги, искажения растрового изображения при сканировании и т. п.). Кроме того, точность зависит от программного обеспечения, использу­емого оборудования и источника цифрования. В настоящий момент па­раллельно существуют и дополняют друг друга две технологии оцифровки карт - дигитайзерный ввод и цифрование по растру (сканирова­ние). Практика показывает, что сейчас трудно говорить о преимуще­стве какой-то одной из них. При дигитайзерной оцифровке основной объем работ по вводу цифровых карт выполняется оператором в руч­ном режиме, т. е. для ввода объекта оператор наводит курсор на каж­дую выбранную точку и нажимает кнопку. Точность ввода при цифро­вании в решающей степени зависит от квалификации оператора. При векторизации растровых карт субъективные факторы влияют меньше, так как растровая подложка позволяет все время корректировать ввод, однако на передачу формы объектов влияет качество растра и при изрезанных краях растровой линии начинают появляться изгибы про­водимой векторной линии, которые вызваны не общей формой линии, а локальными нарушениями растра.

Корректность внутренней структуры.

Готовая цифровая карта должна иметь корректную внутреннюю структуру, определяемую тре­бованиями, предъявляемыми к картам данного типа. Например, ядром картографической подсистемы в ГИС, использующих цифровые векторные карты, является многослойная структура карт (layers), над ко­торыми должны выполняться операции сквозного поиска, наложения с созданием производных цифровых карт и сохранением связи иденти­фикаторов объектов исходных и производных карт. Для поддержки этих операций к топологической структуре цифровых карт в ГИС предъяв­ляются требования, значительно более жесткие, чем, например, к картам, которые используются для решения задач автоматизирован­ного картографирования или навигации. Это связано с тем, что контуры объектов с разных карт (слоев) должны быть строго согласованы, хотя на практике, несмотря на достаточно точное цифрование исход­ных карт по отдельности, это согласование не достигается, и при на­ложении цифровых карт образуются ложные полигоны и дуги. Несов­падения могут быть визуально неразличимы до определенного масш­таба увеличения, что вполне допустимо для задач автоматизированного картографирования, ориентированных на создание традиционных карт фиксированного масштаба с помощью ЭВМ. Однако это совер­шенно неприемлемо для функционирования ГИС, когда для решения различных задач анализа используется строгий математический аппа­рат. Например, топологическая карта должна иметь корректную ли­нейно-узловую (полигоны должны собираться из дуг, дуги должны соединяться в узлах и т. д.) и многослойную структуру (соответствующие границы из разных слоев совпадают, происходит точное примыкание дуг одного слоя к объектам другого и т. д). Создание корректной струк­туры цифровой карты зависит от возможностей программного обеспечения и от технологии цифрования.

В настоящее время в мире уже сформировалась целая индустрия цифрового картографирования, сложился обширный рынок цифровых карт и атласов. Первым успешным коммерческим проектом здесь, по-видимому, следует считать Цифровой Атлас Мира (производитель - фирма Delorme Mapping Systems), выпущенный в 1988 году. Затем пос­ледовал британский Domesday Project /100/, в результате которого был создан цифровой атлас Великобритании на оптических дисках (в качестве исходных карт и топооснов использовались материалы воен­но-топографической съемки). С 1992 года Картографическое агенство Министерства обороны США выпускает и корректирует цифровую карту мира (Digital Chart of the World - DCW) масштаба 1:1 000 000. Во мно­гих странах мира уже созданы национальные цифровые атласы и общегеографические карты. На Рис. 5.1 представлен черно-белый вари­ант распечатки одного из фрагментов цифрового атласа мира.