Цифровая картография.Геоинформатика

Существуют профессии, для которых карта — основной и часто единственный источник полной, точной и вполне достоверной информации. Это, например, штурманы, военные, строители, дорожники. Возьмем проектировщиков шоссейных дорог. Сколько расчетов и прикидок нужно выполнить им только для того, чтобы выбрать лучший вариант прокладки дороги между двумя населенными пунктами! В этих расчетах приходится учитывать и рельеф местности (крутизна подъемов и спусков), и тип грунтов, и требуемый объем земляных работ, и растительность на трассе (за порубку леса или отчуждение пашни полагается платить), и многое другое. Информацию для расчетов можно получить, или, как говорят географы, снять с крупномасштабной местности.
Другой пример — очень популярная ныне задача о расчете зон действия станций радиотелефонной связи. Как известно, радиолучи используемых для этой связи диапазонов распространяются практически прямолинейно, поэтому каждое встретившееся на пути препятствие ухудшает качество сигнала. Значит, чтобы выбрать лучшее место для антенн передающей станции, нужно проанализировать размещение всех окрестных горок и оврагов, высоких лесов, зданий и тому подобного. Можно, конечно, глядеть на карту и рисовать на ней “радиотени” от всяких возвышенных объектов, но легко понять, какой это адски долгий и кропотливый труд.
Сегодня, когда чуть ли не в каждой квартире стоит персональный компьютер, возлагать на людей подобные вычисления просто грешно. Все расчеты с успехом может сделать машина. Но для этого ей опять-таки нужны снятые с карты данные о местности — абсолютные высоты по всей трассе дороги, пространства, покрытые лесом, местоположение населенных пунктов и прочее. Сбор и ввод в память компьютера такой информации ложится на человека, а потому выигрыш получается не слишком большим.
А как было бы хорошо, если бы ЭВМ сама смогла читать и анализировать карту! Первыми, кому эта мысль пришла в голову, были военные. Еще бы: читающий карту компьютер — просто идеальная вещь для управления ракетами и другим самонаводящимся оружием. Вслед за военными подобные мысли посетили и гражданских специалистов. Вот отсюда и начинается рождение машинной (цифровой) картографии и геоинформатики.
Первое основное направление применения цифровых карт на практике — автоматизация решения сложных и громоздких вычислительных задач. Их спектр необычайно широк — проектирование и строительство, транспорт и связь, экология и чрезвычайные ситуации, кадастры земель и природных ресурсов.
Второе направление внедрения цифровых карт — оперативное отображение обстановки — также берет свое начало в военном деле. Наверняка всем знакомы по фильмам и литературным произведениям о войне огромные карты, лежавшие в штабах и отражавшие обстановку на фронте. Понятно, что обстановка эта постоянно менялась и карту постоянно приходилось перерисовывать. Но на это нужно время, и немалое. А если обстановка меняется ежеминутно, как бывает, скажем, при отражении воздушного нападения, и решения командующему нужно принимать мгновенно? Никакой картограф не сможет наносить на карту условные знаки с такой скоростью.
Наконец, оперативная информация может поступать от автоматизированных систем, то есть уже в цифровой форме. Вот тут-то особенно нужны цифровые карты. На экране дисплея можно очень удобно и быстро наносить новые и удалять старые условные значки, а если информация поступает уже закодированной, то это совсем хорошо — на фоне карты сами собой будут появляться и передвигаться различные объекты.
Оперативное отображение нужно не только военным. Скорости сегодня растут везде, и наблюдать за постоянно меняющейся обстановкой должны диспетчеры аэропортов, сотрудники органов гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций и многие другие.
С постоянно меняющейся обстановкой связано и третье направление использования цифровых карт. Речь идет об издании обычных бумажных карт. До сих пор подготовка к изданию даже не очень сложной карты была делом весьма трудоемким — требовалось вручную нанести на пластик ее изображение. Затем, при переизданиях, тем же путем вносить произошедшие изменения. Наличие цифровой карты делает этот процесс почти автоматическим. Стоит только указать, какими условными знаками изображать объекты местности, как карта будет готова к выводу. Картографу останется только подправить, подчистить (опять-таки на экране) полученное изображение.
Вот по этим трем основным направлениям и началось вторжение геоинформатики в управление, хозяйство, науку.
Проблем у новой отрасли информатики сразу же оказалось много. Научить машину читать карту значило представить карту в виде, который легко и просто укладывался бы в память ЭВМ и был бы доступен анализу с помощью традиционных машинных операций. Первое, что приходит в голову, — поступить так же, как для обработки изображений, то есть представить карту в виде частой прямоугольной сетки точек, каждая из которых кодируется соответствующим цветом, и заложить всю последовательность этих кодов в память ЭВМ. Сделать это было совсем нетрудно — существует большое семейство устройств, называемых сканирующими, которые выполняют такие операции в считанные минуты. Но как ни бились кибернетики, научить ЭВМ анализировать совокупность разноцветных точек (ее стали называть растровой картой), которые изображали карту, сделать это не удалось. В сущности, проблема машинного чтения карты не менее сложна, чем одна из главных задач искусственного интеллекта — распознавание образов.
Оставался другой путь — преобразовать карту так, чтобы она стала максимально понятной для ЭВМ. Для этого всю информацию о земной поверхности нужно было перевести из графической формы в цифровую, то есть вместо изображения карты ввести в ЭВМ список всех изображенных на них объектов, причем каждый из них должен обозначаться кодом, характеризующим тип объекта (например, река, лес, дом, дорога), и числами, определяющими его координаты.
Тут встретилась первая трудность. Хорошо, если объект невелик по размеру и его положение можно передать парой координат. А если он (например, река) представляет на карте длинную извилистую линию? Значит, вслед за кодом должна выстраиваться длинная цепочка координат, определяющих положение некоторых точек этой реки. А как часто должны стоять эти точки? Понятно, что чем чаще, тем лучше, но память ЭВМ небеспредельна. Значит, необходимо расставлять эти точки так, чтобы они служили приближением действительного положения объекта с некоторой определенной точностью.
Проблемы возникали и решались, и в результате получилось то, что сегодня называют цифровой картой в векторной форме, или просто — векторной картой. Это и есть построенная по четко зафиксированным правилам последовательность объектов, представленных своими кодами и координатами.
По способу представления координат объекты векторной карты делятся на точечные (те, которые можно представить одной парой координат), линейные (для их представления потребуется цепочка координат, определяющих траекторию объекта) и площадные (они также представляются цепочкой координат, которые определяют границу этих объектов).
Какие объекты включаются в цифровые карты? Это целиком зависит от того, какие задачи вы собираетесь решать. Скажем, вам надо найти кратчайшие дороги между городами. Для этого вполне достаточно цифровой карты, состоящей из населенных пунктов и дорог.
А для задач посложнее, типа тех, что были описаны в начале статьи, нужна как можно более полная информация о местности. Получается, что информация, содержащаяся в различных цифровых картах, примерно соответствует информации, которую несут обычные (то есть бумажные) карты того же назначения и масштаба. Поэтому когда в обиходе говорят о “масштабе” векторной цифровой карты, это означает, что по своему составу она соответствует бумажной карте указанного масштаба, а вовсе не о том, во сколько раз по сравнению с натурой уменьшено изображение. Для цифровых карт понятие масштаба, как меры уменьшения, попросту бессмысленно — ведь в вашей власти в любой момент умножить значения координат в памяти ЭВМ на любой коэффициент.
Каждый, кто видел обычную топографическую карту, хорошо представляет себе, насколько она сложна. Как правило, один лист такой карты содержит изображения десятков тысяч объектов. И если нужна достаточно полная цифровая карта такого “масштаба”, то координаты их всех придется представлять последовательностями, каждая из которых, в свою очередь, может содержать тысячи многозначных чисел.
Поначалу цифровые карты изготавливали с помощью планшетов-кодировщиков. Оператор как бы обводил объекты положенной на планшет бумажной карты считывающим устройством, и координаты этих объектов автоматически заносились в память машины. Чтобы создать цифровую карту таким способом, требовалось иногда до полугода работы.
Потом появились программы-векторизаторы. Помните растровые карты, о которых шла речь выше? Так вот, векторизаторы способны выделить и представить в виде последовательностей координат линии или пятна, содержащиеся на растре, а иногда и установить, что эта линия или пятно означают. Векторизаторы сняли с человека значительную часть работы, но все равно — создать цифровую карту по всем правилам может лишь человек.
Одна из самых внушительных программ цифрового картографирования осуществляется сегодня федеральной службой геодезии и картографии России (Роскартографией). С 1993 г. ведется работа по созданию цифровых топографических карт (ЦТК), то есть наиболее полных и точных карт на всю территорию страны. Сначала были изготовлены карты “масштабов” 1:1 000 000 (в одном сантиметре 10 километров) и 1:200 000 (в одном сантиметре два километра). Сейчас делают карты более крупных “масштабов” (1:25 000 и 1:50 000), то есть гораздо более подробные, на ряд территорий нашей страны, а также цифровые карты крупных городов и промышленных центров.
Цифровые топографические карты и планы являются чрезвычайно сложной и информационно емкой продукцией. Их созданием занимаются шесть специальных центров геоинформации, размещенных во всех концах страны, а также многие аэрогеодезические предприятия Роскартографии.
Практически вся эта информация накапливается в центральном банке цифровых карт, ведущемся* в Государственном центре геоинформационных систем и технологий (Госгисцентре), где создается Центральный фонд цифровых топографических карт и планов Федеральной службы геодезии и картографии России. Основной задачей Центрального фонда является обеспечение цифровой картографической продукцией центральных органов государственной власти, а также других заказчиков, нуждающихся в цифровой картографической информации на всю страну или на ее большие территории. Центральный фонд осуществляет методическое руководство деятельностью региональных фондов.
* Несколько необычное по отношению к словам “банк” и “фонд” применение глагола “ведется” объясняется тем, что данные не только составляют этот банк, фонд, но постоянно дополняются и исправляются по мере изменения объектов или наших знаний о них. — Прим. ред.
В настоящее время основу хранимой в фонде информации составляют цифровые топографические карты “масштабов” 1:1 000 000 (всего 144 номенклатурных листа) и 1:200 000 (3495 листов), покрывающие всю территорию страны.
Региональные фонды ведутся при региональных центрах геоинформации, расположенных в Петербурге, Екатеринбурге, Новосибирске, Иркутске, Хабаровске. Региональные фонды ЦТК в пределах своих зон ответственности обеспечивают цифровой картографической продукцией местные органы власти и иных заказчиков.
А заказчиков, которым требуется подобная информация, достаточно много. Поэтому одна и та же цифровая карта продается несколько раз, а это дает возможность сделать цену ее продажи намного ниже себестоимости ее изготовления.
В Центральном фонде накапливаются самые сложные — топографические — карты, и это вовсе не случайно. Выше уже говорилось, что в зависимости от решаемой задачи каждому потребителю требуется различная информация о земной поверхности, то есть разные цифровые карты. Можно представить себе, сколько трудов понадобится для создания всех этих различных карт. Но если сделать своего рода заготовку, содержащую максимум доступных данных, то потом достаточно отбирать из нее необходимые тому или иному клиенту объекты.
Вся содержащаяся на цифровых топографических картах информация используется, как правило, для автоматизации расчетов при проектировании путей сообщения, линий связи, промышленных предприятий и иной застройки, а также для моделирования развития природных и антропогенных процессов, определения последствий чрезвычайных ситуаций и планирования устранения их последствий.
Потребители, решающие более простые задачи, например, использующие цифровые карты в качестве фона для отображения тематической информации, могут сами определить те объекты, которые им требуются и получить ЦТК сокращенного объектового состава.
Сами по себе цифровые карты никакого эффекта дать не могут. Увидеть их на экране дисплея можно лишь с помощью специальных программ.
Комплексы программных средств, позволяющих решать прикладные задачи с помощью цифровых карт, в сочетании с наборами самих карт называются геоинформационными системами (ГИС). Сегодня они получили широчайшее распространение. Десятки и сотни фирм специализируются на разработке программ и создании цифровых карт, на решении разнообразных задач, связанных с обработкой данных о земной поверхности.
Главным фактором, способствующим быстрому росту популярности автоматизированных геоинформационных систем, является уникальная способность этих систем объединять и синтезировать самую разнообразную информацию об окружающей среде на единой пространственной основе. Это достоинство в сочетании с потребностями и возможностями современного информатизированного общества и обусловило широкое использование ГИС-технологий в самых различных областях: в работе органов государственного управления и местного самоуправления, планировании и регулировании землепользования, благоустройстве городов, управлении различными ресурсами, в том числе сельскохозяйственными, проектировании дорог и трубопроводов, мониторинге и оценке техногенных воздействий на окружающую среду, работах по оценке и продаже земель и недвижимости, пространственном и временном управлении транспортными потоками, оценках демографической ситуации и сопряженных статистических параметров, анализе происшествий — аварий, пожаров, преступности и т. п.
Основной особенностью ГИС, определяющей ее преимущества в сравнении с другими автоматизированными информационными системами, является наличие геоинформационной основы, то есть цифровых карт, дающих необходимую информацию о земной поверхности объекта управления или исследования. Это особенно важно для самого большого по площади государства мира — России. Геоинформационная основа обеспечивает:
— точную привязку, систематизацию, отбор и интеграцию всей поступающей и хранимой информации (единое адресное пространство);
— комплексность и наглядность информации для принятия решений;
— возможность динамического моделирования процессов и явлений;
— возможность автоматизированного решения задач, связанных с анализом особенности территории;
— возможность оперативного анализа ситуации в экстренных случаях.
Но все это, повторим, воплощается в реальность только с помощью программного обеспечения, и не какого-нибудь примитивного, а относящегося к категории сложнейших.
Как бы ни различались геоинформационные задачи, в них всегда можно обнаружить общие элементы. Очевидно, что решение любой задачи требует отображения результатов решения в наглядном виде (то есть в виде тематической карты, диаграммы, графика, таблицы) на экране дисплея. Для ввода и уточнения исходных данных обязательно нужны программы-редакторы, позволяющие удобно и быстро наносить на цифровые карты новые объекты, удалять или перемещать уже имеющиеся.
Поэтому уже сравнительно давно появились так называемые геоинформационные оболочки — наборы базовых программных средств, позволяющие выполнять определенный спектр операций с цифровыми картами, а самое главное — снабженные средствами (специальными языками, библиотеками подпрограмм), упрощающими разработку более сложных и специфических программ для решения геоинформационных задач.
Сегодня на рынке программных средств господствуют зарубежные геоинформационные оболочки, с которыми работают многие организации и предприятия. Но вот тут-то и таится ловушка. Как правило, каждая из этих оболочек имеет собственный стандарт цифровых карт, и стандарты эти зачастую, мягко говоря, своеобразны.
Из-за этого часто возникают ситуации, когда очередной адепт геоинформатики, взяв оболочку в одном месте, а цифровые карты для нее в другом (и затратив на это кучу денег), с изумлением обнаруживает, что эти два важнейших компонента геоинформационной системы несовместимы между собой. Тут начинаются скучные и долгие работы по пригонке, конвертации и прочее.
Избежать этого можно, запомнив основное правило геоинформатики. Оно гласит, что цифровые карты для геоинформационной системы стоят в несколько раз дороже программной оболочки. Следствие из этого постулата очевидно — создание вашей собственной геоинформационной системы нужно начинать с цифровых карт, а потом уже подбирать соответствующую им оболочку.
В добрый путь в страну геоинформатики!