Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор информационных систем дорожной отрасли. анализ методов интеграции пространственных данных 12
1.1 Обзор отечественных и зарубежных систем, разработанных в дорожной отрасли 12
1.2 Теоретические и методологические основы системы электронных карт 22
1.3 Основные функции многоуровневой базы пространственных данных (БПД). 30
1.4 Анализ моделей систем управления базами данных 38
2 Разработка методов автоматизации и оптимизации обработки пространственной информации в гис при создании электронных карт 47
2.1 Классификация моделей цифровых пространственных данных 47
2.2 Методика создания электронных карт и подготовки карт к печати на основе интеграции издательских и геоинформационных технологий 56
2.3 Метод автоматизированного оформления электронных автодорожных карт с использованием линейной системы координат 70
2.4 Метод автоматизированного отбора населенных пунктов на основе топологической модели транспортной сети 79
2.5 Автоматизация оформления и обновления электронных автодорожных карт с использованием двуязычной базы данных географических названий 90
3 Разработка системы электронных автодорожных карт в проблемно-ориентированной ГИС 101
3.1 Информационное обеспечение ГИС для дорожной отрасли (на примере ГИС «Автомобильные дороги Московской области») 101
3.2 Технология создания электронных автодорожных карт в отраслевой ГИС 111
3.3 Создание пользовательского интерфейса системы электронных автодорожных карт 118
3.4 Подготовка карт к печати и разработка мультимедийной картографической информационно-справочной отраслевой системы 122
4 Разработка методики обновления электронных автодорожных карт 128
4.1 Основные и дополнительные источники для создания информационного обеспечения многоуровневой модели БПД 129
4.2 Разработка методики топологического, геометрического и семантического согласования базовых уровней БПД 136
4.3 Обоснование и выбор функциональных средств ГИС для проведения автоматизированной генерализации БПД 146
4.4 Методика обновления электронных автодорожных карт на основе информационного обеспечения БПД 157
Заключение 166
Литература... 169.
Приложения 183
- Теоретические и методологические основы системы электронных карт
- Методика создания электронных карт и подготовки карт к печати на основе интеграции издательских и геоинформационных технологий
- Технология создания электронных автодорожных карт в отраслевой ГИС
- Разработка методики топологического, геометрического и семантического согласования базовых уровней БПД
Введение к работе
Одной из особенностей дорожной отрасли по сравнению с другими областями экономики является то, что ее основные объекты (автомобильные и городские дороги) являются сложными линейно-протяженными инженерными сооружениями с ярко выраженной географической природой [119].-В связи с. этим отображение автомобильных дорог должно представляться в картографическом виде на топографической основе. Вместе с тем, для хранения описательной информации по автомобильным дорогам и объектам дорожной инфраструктуры широко используются отраслевые банки данных. Поэтому среди различных видов компьютерных технологий при информатизации дорожной отрасли наиболее эффективно применение геоинформационных систем (ГИС), предназначенных как для обработки и анализа пространственных данных, так и управления данными и хранения их атрибутивных характеристик.
Хотя разработчиками отраслевых систем накоплен определенный опыт создания банков данных об автомобильных дорогах и объектах .дорожной инфраструктуры, в автодорожной отрасли на сегодня нет единого подхода, обеспечивающего учет состояния автомобильных дорог на разных территориях на основе общих стандартов и подходов. Для управления данными и их отображения используются как коммерческие ГИС, так и внутренние отраслевые разработки, при этом лишь в некоторых отраслевых информационных системах применяются пространственные данные на основе развитой картографической визуализации.
Помимо задач информационного обеспечения дорожной отрасли, автодорожные карты являются одним из активно развивающихся видов электронных карт в связи с потребностями автомобильных навигационных систем. Рынок систем навигации и навигационных услуг в России сдерживается из-за ограничения доступа к данным [34], что связано не только с режимом секретности, но и с отсутствием качественных автодорожных карт. Актуальные
электронные карты отсутствуют даже на территорию наиболее заселенной Европейской части Российской Федерации, что связано не с быстрым темпом строительства дорог, а с медленным обновлением картографической основы [28]. Качественная навигационная картографическая основа даст мощный стимул для развития отечественных производителей навигационной аппаратуры и систем навигации. Кроме того, поскольку одной из задач развития автотранспортного комплекса является вхождение России в мировые интеграционные процессы в области навигационных технологий, то создание электронных автодорожных карт для международного использования позволит обеспечить потребности рынка и повысить конкурентоспособность отечественных предприятий.
Помимо качества электронных карт, при использовании современных типов цифровой пространственной информации (ДЗЗ, GPS-съемки, глобальных банков рельефа) требуется оптимизация организационно-технологических особенностей их подготовки. Таким образом, возникает необходимость разработки методов и технологий создания электронных автодорожных карт с учетом требований современных высокотехнологичных источников данных и специфики дорожной отрасли. Поэтому целью данной диссертационной работы является разработка методики создания электронных автодорожных карт на основе базы разномасштабных данных в рамках единой технологии ввода, обработки, оформления и обновления пространственной информации. Для реализации поставленной цели потребовалось решение следующих задач:
Обобщить отечественный и зарубежный опыт разработки информационных транспортных систем и их картографическое обеспечение с учетом анализа современных теоретических концепций и методологических подходов;
Разработать требования, предъявляемые к пространственным данным в отраслевых информационных дорожных системах и обосновать их картографическое обеспечение;
Разработать методику и технологию создания электронных карт и подготовки карт к изданию на основе интеграции издательских и
геоинформационных технологий в рамках единого программно-аппаратного комплекса с учетом требований и специфики дорожной отрасли;
Разработать методы автоматизации и оптимизации обработки цифровых пространственных данных для создания электронных автодорожных карт на основе ГИС-технологий и геоинформационных моделей данных;
Разработать методику обновления электронных автодорожных карт на основе базы разномасштабных пространственных данных с использованием современных высокотехнологичных источников - цифровых космических изображений и детальных спутниковых GPS-съемок дорожной сети.
Объектом исследования является система электронных автодорожных карт различных масштабов и пространственного охвата. Предмет исследования -методы и технология создания базового и специализированного-картографического обеспечения проблемно-ориентированной автодорожной ГИС. Сюда относятся: цифровая топографическая основа разных масштабов (1: 200 000, 1: 500 000, 1: 1 000 000); специальные съемочные данные, полученные по результатам высокоточных полевых GPS-измерений дорожной сети Московской области; а также информация, имеющая важное значение для электронной картографии: базы данных географических названий, космические изображения высокого разрешения, результаты глобальной спутниковой съемки рельефа.
Методы исследования, используемые в диссертации, опираются на теоретические и методологические основы геоинформационного картографирования, отраженные в трудах отечественных (А.И.Мартыненко, А.А.Лютый, С.Н.Сербенюк, А.М.Берлянт, Л.М.Бугаевский, А.Г.Иванов и др.) и зарубежных ученых (T.Kilpelainen, L.Sarjakoski, S.Spaccapietra, B.Bedard, L.Harrie, M.Sester и др).
Средства исследований, примененные в диссертационной работе, опираются на современные информационные и телекоммуникационные технологии. В работе автором применялось более 10 программных продуктов, разработанных как в России (GeoDraw/GeoGraph, MapEdit, EasyTrace), так и за
рубежом (ArcGIS 9.0, ArcView 3.2, Maplnfo 6.5, ENVI 3.4, Adobe Acrobat 6.0, Adobe Illustrator 10.0, Freehand 8.0, QuarkXpress 4.0, Microsoft Visio), а также программирование на языках MapBasic и Avenue.
Научная новизна работы состоит в комплексном подходе, разработанном на основе единой технологии ввода, обработки, оформления и обновления пространственной информации при создании электронных автодорожных карт. На защиту выносятся:
Методика создания электронных автодорожных карт и подготовки карт к печати на основе интеграции издательских и геоинформационных технологий в рамках единого программно-аппаратного комплекса;"
Методы автоматизации и оптимизации обработки цифровых пространственных данных при создании электронных автодорожных карт на основе ГИС-технологий и геоинформационных моделей данных;
Технология создания системы электронных карт в проблемно-ориентированной автодорожной ГИС на основе . разномасштабной картографической информации;
Методика обновления электронных автодорожных карт с использованием GPS-съемки дорожной сети и космических изображений высокого разрешения.
В первой главе диссертационной работы проведена систематизация существующих информационных систем дорожной Отрасли, с точки зрения их картографического обеспечения и анализ методов интеграции пространственной информации. Дорожные сети, как класс инженерных сетей, имеют большую протяженность и разветвленность, разный характер покрытия и степень развитости объектов дорожной инфраструктуры. Таким образом, картографическое обеспечение является важной частью общего информационного обеспечения дорожной отрасли.
Анализ отечественных и зарубежных разработок показывает, что существует несколько подходов к интеграции пространственной информации: на основе системы электронных карт и на основе многоуровневой модели базы
разномасштабных данных. Первый подход отражен в разработанной в нашей стране Системе электронных карт (Мартыненко, 2002) и заключается в переходе от отдельных электронных карт (ЭК) к информационной системе, состоящей из совокупности ЭК, объединенных общим замыслом. Второй подход основан на множественном (разномасштабном) представлении одного и того же цифрового объекта в единой базе пространственных данных.
Во второй главе представлена разработанная автором методика создания электронных автодорожных карт на основе интеграции издательских (НИС) и геоинформационных (ГИС) технологий. Там же рассматриваются используемые в' методике преимущества ГИС-технологий и геоинформационных моделей данных при обработке пространственной информации на основе разработанных методов.
В третьей главе рассматриваются практические задачи картографического обеспечения информационных систем дорожной отрасли, многоцелевая функциональная направленность которых требует комплексного подхода. В результате при подготовке картографического обеспечения ГИС «Автомобильные дороги Московской области» создана система электронных автодорожных карт, подготовлена к изданию карта автомобильных дорог и разработана отраслевая картографическая информационно-справочная система для пользователей, не имеющих навыков работы с ГИС.
В четвертой главе разработана методика обновления электронных карт на-основе многоуровневой модели базы пространственных данных (БПД). Для реализации этой цели обоснован выбор дополнительного информационного обеспечения отраслевой ГИС. В качестве уровней .детальности многоуровневой модели БПД, в дополнение к исходной основе добавлены ЦТК обзорных масштабов. Для интеграции информации разработана методика согласования идентичных объектов, представленных на разных уровнях детальности. Кроме разработки связей, это позволяет повысить точность данных и выявить автоматизированным путем закономерности выполненной ранее вручную картографической генерализации.
Основные этапы исследования и их содержание показаны ниже.
Анализ и обобщение
рааработок отечественных и аарубежиых информационных
систем дорожной отрасли
Обзор отечественных автодорожных ИС
Анализ современных теоретических концепций и
методологических подходов:
Система электронных карт (СЭК); База разномасштабных данных
Обзор зарубежных автодорожных ИС (ИНТЕРНЕТ)
II
Разработка методов
автоматизации и оптимизации обработки
пространственной информации в ГИС
Разработка методики создания электронных карт
и подготовки карт к печати на основе интеграции НИС и ГИС
в рамках единого программно-аппаратного комплекса
Метод автоматизированного оформления
электронных автодорожных карт на основе
линейной модели
Автоматизация оформления электронных автодорожных карт с
использованием двуязычной БД
географических названий
Метод автоматизированного отбора
населенных пунктов на основе
топологической модели
Разработка электронных автодорожных карт в проблемно-ориентированной ГИС
«Автомобильные дороги Московской области»
Информационное обеспечение проблемно-ориентированной автодорожной ГИС
Технология создания электронных автодорожных карт в отраслевой ГИС
Создание пользовательского интерфейса системы автодорожных электронных карт
Оформление и подготовка к изданию офисной карты «Автомобильные дороги Московской области»
Разработка мультимедийной картографической информационно-справочной отраслевой системы
IV
Разработка методики обновления электронных автодорожных карт на основе многоуровневой модели БПД
Метод топологического, геометрического
и семантического согласования базовых
уровней БПД
Исследование функциональных средств ГИС для проведения автоматизированной генерализации
Методика обновления электронных автодорожных карт
на основе разномасштабного информационного
обеспечения БПД
Основные и дополнительные
источники для разработки многоуровневой модели БПД
Разработка технологической схемы создания
трехмерных моделей
местности
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:
на Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития картофафии», посвященной 60-летию Картофафического факультета Московского государственного университета геодезии и картофафии (МИИГАиК), Москва, 27-28 мая 1996 г.;
на I Всероссийской научной конференции по картофафии «Картофафия на рубеже тысячелетий», Москва, 7-10 октября 1997 г.;
на Международной научно-технической конференции, посвященной 220-летию со дня основания Московского государственного университета геодезии и картофафии (МИИГАиК), Москва, 24-27 мая 1999 г.;
на IV Всероссийской конференции «Геоинформатика и образование», Москва, РАГС, 7-8 июня 2000 г.;
на XX Международной картофафической конференции ICA (International Cartographic Association), Китай, Пекин, 10-16 августа 2001 г.;
на Международной конференции ИНТЕРКАРТО 8 «ГИС для устойчивого развития территорий», Хельсинки - С.-Петербург, 30 мая-2 июня 2002 г.;
на Международной конференции ИНТЕРКАРТО 9 «ГИС для устойчивого развития территорий», Украина, Севастополь, 25-29 июня 2003 г.;
на Международной научно-технической конференции «Геодезия, картофафия, кадастр на службе России», посвященной 225-летию со дня основания Московского государственного университета геодезии и картофафии (МИИГАиК), Москва, 24-27 мая 2004 г.;
на Международной конференции ИНТЕРКАРТО 10 «ГИС для устойчивого развития территорий», Владивосток, 12-19 июля 2004 г;
на XXII Международной картофафической конференции ICA, Испания, Ла Корунья, 9-16 июля 2005 г.;
на Международной конференции ИНТЕРКАРТО 11 «ГИС для устойчивого развития территорий», Ставрополь, 25-27 сентября 2005 г.
Автор также принимал участие в научных исследованиях, выполненных при
поддержке РФФИ, результаты которых использовались в данной работе:
Моделирование картографического дизайна при компьютерном создании фундаментальных произведений с использованием ГИС (проект 99-05-65087);
Программно-аппаратный комплекс моделирования и аналитической обработки рельефа для Интернет-картографирования (проект 02-05-64337).
Результаты проекта «Моделирование картографического дизайна при компьютерном создании фундаментальных произведений с использованием ГИС». * положены в основу разработки предложенной методики создания электронных карт и подготовки их к печати (Главы 2 и 3).
Для проекта «Программно-аппаратный комплекс моделирования и аналитической обработки рельефа для Интернет-картографирования» автором создан экспериментальный прототип банка данных геоизображений рельефа. Кроме того, при участии автора разработана технологическая схема создания пространственных моделей местности (см. Приложение 3).
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена на кафедре технологий издания карт и центра тематической картографии Картографического факультета МИИГАиК. Автор считает своим долгом выразить благодарность научному руководителю, доктору технических наук, профессору А.И. Мартыненко __ и научному консультанту, доктору физико-математических наук, профессору К.Б. Шингаревой. Автор также благодарит заведующего кафедрой доцента С.К. Бескова, декана КФ МИИГАиК профессора Т.П. Нырцову, доцента кафедры физической географии и геоэкологии МГПУ кандидата технических наук Л.А. Фокину и выражает глубокую признательность всем сотрудникам кафедры и центра тематической картографии, в особенности С.А. Коробцову, за содействие и ценные советы в процессе разработки темы, а также М.В. Дьяконову, С.Н. Мишиной, Т.Б. Пахомовой, С. Градсковой и О. Пилипенко за помощь при подготовке рукописи.
Автор благодарен Центру геоинформационных исследований ИГ РАН под руководством кандидата технических наук H.H. Казанцева за предоставление в пользование программного обеспечения GeoDraw/GeoGraph и модуля динамической сегментации, и выражает искреннюю признательность ведущему специалисту Центра, кандидату технических наук М.Э. Флейс за поддержку и консультации.
Автор также благодарит ООО ДАТА+ за предоставление на время исследований для тестирования программы и модулей ArcGIS 9.0 (лицензия ArcEditor), которые были использованы в данной работе при выборе функциональных средств ГИС для проведения автоматизированной картографической генерализации, а также при обосновании организационно-технологического обеспечения для создания пространственных моделей местности.
Все используемые в диссертационном исследовании цифровые пространственные даннвіе (ЦТК, базы данных, электронные карты, космические изображения, цифровые модели рельефа), являются собственностью ООО «Ассоциированный Картографический Центр» и любезно предоставлены для иллюстрации материала тех проектов, в которых автор принимал непосредственное участие в качестве руководителя группы ГИС-технологий.
Теоретические и методологические основы системы электронных карт
Наиболее эффективными средствами создания электронных карт являются методы геоинформационного картографирования (ГК), которое формируется на пересечении различных направлений: автоматизированного создания карт, аэрокосмических методов (ДЗЗ), системного картографирования и ГИС [5].
В свою очередь, электронные карты, будучи суммой высоких технологий - результатов обработки ДДЗ, GPS, тематических и статистических банков данных на основе методов геоинформатики . — являются необходимым инструментом для визуального представления результатов анализа и моделирования пространственно-распространенных объектов и явлений. Выявление их закономерностей на основе электронных топографических и тематических карт, космических изображений, справочной текстовой информации дает возможность получения и системного обобщения пространственной информации, что привело к идее накопления этих знаний на глобальном уровне с созданием Базы знаний о Земле [96, 98]. Решение этой фундаментальной проблемы лежит в разработке и. применении суммы геоинформационных технологий, куда включены подготовка и проведение совокупности мероприятий по разработке и внедрению концепций и методологических основ, методов, технических и программных средств, технологий сбора, накопления, анализа и обработки цифровой картографической информации, изготовления" и доведения до пользователей традиционных и электронных карт; по созданию и внедрению Базы метаданных и Банка пространственных данных, цифровых моделей местности и электронных карт, ГИС различного назначения. При этом отмечается, что сущность суммы геоинформационных технологий
Система электронных карт (СЭК) понимается как «объединенная общим замыслом, упорядоченная по единым требованиям и согласованная по математической основе, содержанию, нагрузке, условным знакам совокупность электронных топографических, обзорно-географических и авиационных карт, электронных фотокарт, планов городов, аэро- и космических снимков», включая также их метаданные и другую справочную информацию [100]. СЭК является основой для интеграции разнородной информации с использованием многомерной картографической модели строения и- развития нашей планеты для комплексного анализа результатов географических, геодезических, геологических, геофизических и других исследований в области наук о Земле.
Как следует из теоретических основ СЭК, электронные карты, входящие в систему, не только сохраняют свойства традиционных (бумажных) карт по точности, полноте содержания, достоверности и наглядности, но и обеспечивают управление пространственными данными, в том числе, возможность оперативной, в режиме реального времени, передачи картографической информации с необходимой подробностью по любым направлениям, районам и участкам местности.
Основополагающим принципом СЭК является переход от отдельных ЭК к информационной системе, объединенной общим, замыслом, технологией, унифицированной и согласованной по масштабам, системам координат, проекциям, содержанию и условным знакам совокупности ЭК, выдаваемых в соответствии с требованиями пользователей. Информационной основой Системы электронных карт служат: единая система классификации и кодирования картографической информации, единые правила ее цифрового описания, единая система условных знаков и единый формат обмена данными электронных карт.
Методологической основой СЭК является интеграция отдельных ЭК, имеющих разные масштабы, на основе общего географического пространства и единой системы координат. Современное развитие этого подхода нашло отражение в разработке базисных систем координат [103]. В данной работе отмечается, что преобразования систем координат связаны в общем случае либо с интеграцией данных, взятых из различных источников, в единые базы данных, в которых системы координат и сами пространственные объекты должны быть согласованы. Интеграция разнородной информации в единую пространственную БД требует не только стандартизации, но и разработки методов взаимодействия данных. При этом, как считают авторы предлагаемого подхода, определение основных (базисных) систем координат существенно упростит как объединение данных, так и обмен информацией между различными системами, разными странами и областями знаний.
Основываясь на эволюции понятия математической основы при переходе от традиционной карты к электронной и затем к пространственной базе данных ГИС, авторы определяют структуру базиса, который должен содержать: 1. геоцентрическую систему координат, 2. связанную с ней систему геодезических координат, 3. картографическую проекцию (плоскую прямоугольную систему координат, заданную на поверхности относимости - сфере, эллипсоиде). Исходя из этой структуры, авторы предлагают в качестве базисных систем координат геоцентрические системы WGS-84 и ПЗ-90, систему геодезических координат 42 года (СК-42), систему геодезических координат 95 года (СК-95), прямоугольные системы координат в проекциях Гаусса-Крюгера и UTM. Нам представляется, что для интеграции и обмена данными, а также их хранения предпочтительнее в качестве базисной выбрать географическую систему координат (долгота/широта). Такой подход связан с тем, что в этом случае во многих программных средствах ГИС при отображении возможно динамическое преобразование данных в избранную проекцию. При использовании географической системы координат следует учитывать, что непосредственное отображение данных на экране осуществляется в нормальной цилиндрической проекции, где х = Я, У = ф, что соответствует равнопромежуточной (точнее квадратной) проекции Plate Carree на сфере единичного радиуса. Проекция не является ни равноугольной, ни равновеликой, а в том случае, когда ср и Я относятся к эллипсоиду вращения не остается строго равнопромежуточной [122].
Из этого следует, что при использовании географического базиса для интеграции данных мелких масштабов (где поверхность относимости - сфера) геодезическая система координат не имеет значения ввиду низкой точности мелкомасштабных данных, а при более крупных масштабах для перехода от одной геодезической системы к другой слишком высокая точность не требуется [122]. При работе с крупномасштабными данными, особенно при интеграции со съемочными данными, полученными на основе спутниковых измерений, также удобно работать с географической системой координат (на референц-эллипсоиде), что дает возможность прямого перехода к любой проекции без физического пересчета данных, который может привести к потере точности данных, особенно на стадии обработки.
Методика создания электронных карт и подготовки карт к печати на основе интеграции издательских и геоинформационных технологий
К современным средствам создания карт относится широкий спектр программного обеспечения - от многофункциональных ГИС и специализированных приложений по редактированию космических изображений и фотограмметрической обработки данных до средств иллюстративной графики общего назначения. Среди этих средств различают основное и дополнительное программное обеспечение. К первой группе относятся программы для создания карт в виде законченной продукции. К дополнительным программам относят те, которые применяются на отдельных технологических этапах: цифровой фотограмметрической обработки данных (Photomod), дешифрирования космических и аэрофотоснимков (Erdas, ENVI), перевода растровой информации в векторную (MapEdit, EasyTrace), виртуального моделирования трехмерных (3D) поверхностей (GlobalMapper, Wilbur, MapRender, SpatialAnalyst), обработки растровых графических изображений (PhotoShop).
Для картографического производства, связанного одновременно как с точностью данных, так и высокими требованиями к оформлению, предпочтительно, чтобы все функции по обработке и редактированию пространственной информации велись в рамках единого технологического процесса, основанного на общности типов и форматов картографических данных. Поэтому при выборе основного (базового) программного обеспечения для создания карт необходимо учитывать следующие важные общие критерии: Возможность многосторонней обработки пространственных данных (многофункциональность); Точность представления информации; Возможность использования данных из других -программ (многоформатность); Простота и легкость в освоении и применении программ и технологий; Возможность создания новых пользовательских прикладных программ; Поддержка многопользовательской среды.
Совокупность программно-аппаратных средств, предназначенных для создания карт, называют автоматизированными картографическими системами (АКС). Различают общие АКС для производства любых типов карт- и узкоспециализированные АКС, предназначенные для изготовления какого-либо типа картографических произведений (например, топографических или морских карт) или выполнения какой-либо из функций (например, векторизация данных или pre-press подготовка). От выбора базового обеспечения зависят технологии создания карт, обусловленные принципиальными свойствами различных программ, среди которых можно выделить программные средства на основе полиграфических (издательских) технологий, ГИС-технологии, а также специализированное программное обеспечение.
Таким образом, среди широкого спектра программ, используемого в компьютерной картографии, можно выделить несколько групп: 1. Полнофункциональные АКС на основе ГИС-технологий; 2. Многофункциональные АКС на базе издательских технологий; 3. Специализированные АКС. 1. Автоматизированное создание карт на базе программного обеспечения ГИС (ArcGIS 9.0, GeoMedia, Mapinfo, GeoDraw/GeoGraph) называют геоинформационным картографированием, сутью которого является «информационно-картографическое моделирование геосистем» [6]. В геоинформационном картографировании используется специализированный набор функций ГИС-технологий и тематические базы пространственных данных, что позволяет проводить многостороннюю обработку географической информации: Ввод и обработку исходных картографических источников: геометрическое трансформирование, поддержку различных систем координат, преобразования проекций; Интерактивное редактирование и обновление пространственной информации; Формирование атрибутивной базы картографических данных и ее автоматизированное редактирование: калькуляция, классификация, перегруппировка; Выполнение картометрических расчетов с помощью арифметических и геометрических утилит: построение буферных зон, зонирование, выделение групп объектов по заданному критерию; Автоматизированное создание тематических карт на основе классификации объектов по атрибутам; Формирование композиции электронной карты. Создание библиотек условных знаков. Компоновка макета печати. Автоматизированное управление визуализацией. Построение графиков, диаграмм, селекции для управления электронной картой; Обмен данными между различными приложениями. 2. При производстве стандартных карт типа морских или топографических, где все элементы содержания известны и регламентированы заранее инструкциями, используется специализированное картографическое обеспечение. В состав этих систем входят мощные классификаторы объектов, которые позволяют быстро создавать топографические и навигационные карты с их жестко обусловленными требованиями по отображению объектов, где определено все - от условных значков до шрифтов. В качестве примера можно привести отечественные разработки для производства топографических карт «Панорама», а также компании МОРИНТЕХ (морские навигационные карты), разработавшей пакет специализированных программных продуктов «DeKart». Комплекс «DeKart» [158] предназначен для производства электронных навигационных морских карт (ЭНК) с учетом специфики издания навигационных публикаций, с одной стороны, .и особенностей Международного стандарта S-57 [137] - с другой. Комплексность подхода технологии dKart обусловлена тем, что продукты этого семейства позволяют осуществлять [61]: Проведение и обработку данных гидрографической съемки; Составление корректуру и распространение ЭНК; Создание картографических судовых навигационных систем; Издание на основе ЭНК бумажных морских навигационных карт. 3. В настольных издательских системах осуществляется весь спектр предпечатной подготовки (prepress) - от ввода информации до вывода позитивов и получения цветовой пробы. Помимо создания и обработки графических изображений, в них проводится макетирование и верстка картографических произведений, а также электронное цветоделение. Издательские системы создавались для подготовки иллюстративной графики, и их использование в картографии обусловлено, прежде всего, с высокими требованиями, предъявляемыми к картографическому дизайну при подготовке карт к изданию и в связи с созданием мультимедийных картографических произведений. К главным достоинствам НИС относится развитая поддержка средств дизайна, среди которых: Создание сложных графических объектов, фигурных линий, сложных векторных и растровых заливок; Новые решения для работы с текстом — «умная» пунктуация, автоматизация процесса обработки сложных лигатур (трекинг и кернинг); Функции поиска и замены (Find-and-Replace) атрибутов условных знаков с масштабированием, поворотом и заменой стиля, а также всего объекта целиком. Программные средства обычно основаны на одной модели данных (например, растровой или векторной). Поддержка тех или иных моделей данных - один из критериев функциональности и, следовательно, выбора программного средства, удовлетворяющего различным технологическим требованиям при создании карт. Поддержка нескольких моделей данных вызвана необходимостью обмена информацией между различными системами. Ранее эта проблема решалась на основе преобразования форматов данных с помощью специальных программ-конверторов, а также путем создания в различных приложениях своих обменных форматов (DXF - AutoCAD; MIF/MID - Maplnfo; еОО, GEN - Arclnfo).
Кроме того, форматы представления растровых графических данных (PCX, GIF, JPEG, TIFF) являясь универсальными форматами, не ориентированными на какой-либо отдельный продукт, программную систему или область применения, позволяют обмениваться данными между различными ГИС, средствами иллюстративной векторной графики и системами представления и обработки изображений, в том числе данными дистанционного зондирования [31].
Технология создания электронных автодорожных карт в отраслевой ГИС
Для создания картографического обеспечения отраслевой системы, на основе разработанной методики создания электронных карт (см. раздел 2.2) бвша произведена обработка пространственных данных, собранных в ходе подготовки информационного обеспечения ГИС. В соответствии с предложенной методикой . разработана технология создания электронных автодорожных карт в проблемно-ориентированной ГИС «Автомобильные дороги Московской области».
В рамках создания пилотного ГИС-проекта было предусмотрено издание карты «Автомобильные дороги Московской области», поэтому одновременно с полевыми измерениями автомобильных трасс и инвентаризацией дорог, находящихся в ведении МОСАВТОДОРА, было выполнено обновление не только ведомственной информации, но и атрибутивной БД всего слоя «Автомобильные дороги» исходной ЦТК масштаба 1: 200 000. Кроме того, в ходе ручного дешифрирования по аэрокосмическим снимкам выполнялось обновление пространственного положения прочих дорог, а также населенных пунктов.
Анализ структуры и содержания БД картографической основы. Поскольку на карте должны быть отображены объекты, не входящие в подчинение МОСАВТОДОРА, необходимо выполнять обработку информации в пределах всей территории Московской области. При этом возникла также необходимость топологического редактирования, что было обусловлено геометрическими ошибками исходной основы. Так, мосты, представленные двумя типами (линии и точки), были топологически не согласованы со слоем автодорог и рек. Создание топологической структуры позволяет решать задачи оптимизации транспортных потоков в пределах всей Московской области.
Кроме того, в исходной ЦТК использовался топографический классификатор, тогда как модель данных в проблемно-ориентированной ГИС должна соответствовать отраслевой тематике. Согласно структуре данных дорожной отрасли, автодорожная сеть состоит из набора так называемых титулов. Титул может состоять из отдельных участков, различающихся типом покрытия. Несмотря на использование линейной модели данных, для устранения неоднозначностей при обновлении ведомственных дорог также создавалась корректная линейно-узловая модель дорожной сети.
Сканирование исходных карт оригинал-макетов. В процессе выполнения геодезических работ, при определении положения объектов дорожной инфраструктуры, были получены лишь координатные описания площадных объектов в полосе отвода автодорожных трасс. Прэтому для отображения всей ситуации, складывающейся в полосе отвода дорог, использовались крупномасштабные землеустроительные планово-графические материалы (ПГМ) М 1: 10 000, созданные в местной системе координат. Поскольку предполагалось их- ручное цифрование, то сканирование проводилось с невысоким разрешением, что позволяет экономить дисковое пространство.
Геометрическая коррекция, преобразования проекций. Для устранения погрешностей сканирования ПГМ (сдвиг, поворот) и перехода к теоретической системе координат карт-источников с целью привязки цифруемых объектов производятся следующие действия:
В программной среде GeoDraw оцифровываются узлы географической сетки координат по исходному растру с созданием цифрового слоя опорных (исходных) точек-тиков во внутренней системе координат сканирования -scan.tik. Каждая опорная точка имеет свой уникальный номер (идентификатор). Количество точек может колебаться в зависимости от характера искажений: от 1-2 (сдвиг, порот, масштаб) до 300-400 (неравномерное растяжение бумаги, неизвестная система координат источника). В данном случае использованы только 4 угловые точки планшетов с известными координатами.
Создается цифровой слой теоретических тиков — по известным географическим координатам узлов сетки рассчитываются теоретические координаты этих узлов в проекции карт-источников (или вводятся по каталогу координат) eor.tik. При этом нумерация точек (идентификация) строго соответствует номерам точек исходных тиков в слое scan.tik.
Пересчет координат сканирования (внутренняя система) в теоретическую (метрическую) систему путем локально-аффинных преобразований при помощи исходных и теоретических опорных точек [122].
Переход от теоретической системы координат проекции к географическим координатам, выраженным в градусной мере. Хранение информации о пространственном положении геообъектов в градусной мере позволяет свободно переходить к различным преобразованиям проекций и программным при- ложениям. Поскольку в качестве основной системы координат проекта принята местная система координат, то для удобства обмена данные хранятся в двух теоретических системах: географической (градусной) и плановой (метрической).
Трансформирование цифровой карты Московской области масштаба 1:200 000 из СК-42 в систему координат проекта с использованием преобразований проекций. Разработка Классификатора тематических объектов. Классификатор определяет структуру и состав цифровой информации. В соответствии с ним все объекты, имеющиеся на ПГМ, подразделяются на семантические покрытия, при необходимости с разделением по геометрическому типу объектов (точки, . линии, полигоны) на отдельные слои. При этом структура тематического классификатора должна соответствовать базовому Классификатору, который определяет структуру и состав исходного набора данных, образующего цифровую карту-основу (ЦКО).
Разработка методики топологического, геометрического и семантического согласования базовых уровней БПД
Как показано в разделе 1.3, основные преимущества, которые обеспечивает многоуровневая модель БПД, связаны с. оптимизацией и уменьшением объема редактирования при актуализации информации, а также сохранением информации в едином хранилище данных. Связь уровней поможет выявлению закономерностей, определяющих степень генерализации элементов содержания. Для разработки методики согласования выбраны уровни, с одной стороны, отличающиеся в достаточно широком пределе, с другой, -обеспечивающие преемственность перехода от одного-уровня к другому.
Разработка связей между разномасштабными объектами позволит не только выявить автоматизированным путем закономерности выполненной ранее вручную картографической генерализации, но и даст возможность зафиксировать их в базе данных. При последующих обновлениях базового масштаба, история которых должна сохраняться в базе данных, это даст возможность учета обновлений на более мелких масштабах на основе проведения выборочной картографической генерализации объектов базового масштаба. Исходя из этого, определим задачи, которые необходимо решить в процессе разработки методики согласования многоуровневой модели БПД: 1. Изучение и сравнение структуры баз разномасштабных данных на семантическом, геометрическом и топологическом уровнях; 2. Обработка баз пространственных данных, необходимая для выявления семантических, геометрических и топологических связей объектов на разных уровнях; 3. Разработка и фиксация связей между идентичными объектами, выявленных на разных масштабах на этапе предварительной обработки данных. Поскольку на автодорожных картах дорожная сеть и населенные пункты представляют основное информационное содержание, выберем эти классы объектов в качестве базовых слоев, которыми ограничимся при разработке методики согласования многоуровневой модели БПД.
Первоначальное согласование объектов (маршрутная GPS-съемка и данные исходного базового масштаба) не представляет проблемы, поскольку организационно-технологическая схема выполнения полевых работ построена так, что начало и конец маршрута соответствуют начальной и конечной точкам описания дороги (титула) в базе данных. Предварительная обработка дорожной сети исходной основы была выполнена с построением топологии и обновлением атрибутивной БД, из чего следует, что между этими данными существуют лишь геометрические расхождения, обусловленные картографической генерализацией исходной основы 1: 200 000 масштаба.
Для устранения топологических расхождений между новыми дополнительными уровнями предложено выполнить локально-аффинные преобразования дорожной сети по методике, разработанной в [122]. Локально-аффинные преобразования, в отличие от аффинных, позволят создать полное совпадение топологии между узлами исходного и дополнительных слоев. В качестве опорных точек должны быть использованы местоположения топологических узлов, образованных одними и теми же дорогами на разных уровнях детальности, причем качество трансформирования зависит от количества узлов, участвующих в преобразовании. В методике согласования необходимо выполнение строгого соответствия пар опорных узлов. Топологические узлы являются служебными атрибутами линий, тогда как для выполнения преобразований требуются точечные объекты в виде отдельных слоев. Выбор большого количества соответствующих пар узлов вручную и создание по ним опорных точек представляет достаточно трудоемкую задачу, а несовпадение выбранных для преобразования узлов приведет к ошибкам трансформирования.
Для автоматизации процесса подбора пар узлов разработана методика получения опорных точек с использованием функциональных возможностей ГИС ArcView 3.2, а также модулей PolylineNodesExtractor и ShapeGeometry из коллекции свободно распространяемых программ ESRI [167]. Достоинства разработанной методики заключаются в том, что 1) отбор точек автоматизирован; 2) при выборе пар узлов определяются как топологические (количество пересечений), так и геометрические (длина и азимут линии) свойства объектов, которые могут быть применены для дальнейшего согласования объектных классов на разных уровнях детальности. Перейдем к описанию предлагаемого метода.
Выбор узлов, проведенный на тестовом участке по разработанной методике, показал, что из 73 пар возможных кандидатов 56 были выявлены" на основе полностью автоматизированной методики, что составляет около 80% от общего количества пар узлов. Ужесточение условий поиска (например, проводить отбор среди топологических узлов, где сходятся более четырех линий, исключив из рассмотрения пересечения трех линий) позволяет добиваться более высокого процента нахождения пар точек. Однако в этом случае снижается общее количество возможных пар-кандидатов, что может понизить точность трансформирования, зависящую от числа выбранных точек. Следует также заметить, что помимо согласования топологии, в процессе трансформирования по узлам происходит также и геометрическое согласование дорожных сетей. Таким же образом проводятся топологическое и геометрическое согласования узлов последовательно для слоев дорожной сети следующих уровней при формировании многоуровневой модели БПД. В процессе подбора пар узлов создаются возможности для определения-первоначальных связей между объектами дорожной сети на разных уровнях. Такие связи могут быть созданы в первом приближении, поскольку для окончательного решения вопросов об установлении связей необходимо выполнение семантического согласования. Кроме того, полученный по описанной выше методике набор точек можно использовать для трансформирования всех слоев базовых уровней в пакетном режиме, что позволит улучшить общую точность данных обзорных масштабов. При этом в процессе использования пространственных операторов, согласно вышеизложенной методике, происходит также расширение и обогащение информационного содержания пространственной базы данных за счет извлечения дополнительных сведений, ранее отсутствовавших в структуре, БД в явном виде (азимуты линий, длины отдельных сегментов, количество нормальных и псевдоузлов, «веса» топологических узлов — число пересекающихся в них линий).
После выполнения геометрического и топологического согласования узловых точек и разработки предварительных связей объектов, переходим к процессу семантического согласования для окончательного установления связей между объектами, представленными на разных уровнях детальности. Для семантического согласования БПД на различных масштабах необходимо привлекать основную тематическую информацию, содержащуюся в явном виде в структуре БПД (см. табл. 11-14): тип дорог и характер покрытия, названия дорог и населенных пунктов, тип поселения.
