загрузка...

Картографическая визуализация

 
Невозможность непосредственного восприятия человеком цифровых моделей, представляющих пространственные данные в ГИС, и использование их исключительно в среде компьютера обуслов

ливает необходимость визуализации данных. Не всякая визуализация цифровых данных может удовлетворить пользователя ГИС. Просмотр на экране компьютера списков координатных пар, описывающих линейные объекты — занятие не только скучное, но и бессмысленное. Другое, казалось бы, дело — таблицы атрибутов пространственных объектов. Их создание, редактирование, обновление, корректура, верификация — необходимые операции подготовки данных как основы информационного обеспечения системы. Однако целостного представления о пространственных данных, полностью адекватного их пространственной сути, ни текст, ни таблица дать не могут. Его может дать только графическая визуализация данных, выражающая и отображающая данные в единстве их позиционной и непозиционной составляющих. На практике графическое воспроизведение данных приобретает черты картографического изображения, поэтому почти всегда, говоря о визуализации данных в ГИС, имеется в виду их картографическая визуализация. Ее объект чаще всего не сами данные (цифровые модели), а описываемые ими реальные пространственные объекты. Исключения немногочисленны, и из немногих примеров визуализации собственно данных можно назвать графику, иллюстрирующую результаты создания топологии, объектами отображения которой являются дуги, узлы, псевдоузлы, висячие линии, дубликаты линий и другие артефакты — абстрактные конструкции, не имеющие прообраза в реальности (на местности).
Графика в ГИС становится собственно картографической с введением в нее математической основы и традиционной для карт символики. Назначение картографической графики в ГИС различно. Большая ее часть генерируется пользователем в утилитарных целях реализации геоинформационного проекта и служит рабочим материалом для разработчиков и пользователей. Главная функция картографической графики в ГИС — служить интерфейсом между человеком и машиной. Это своеобразный картографический интерфейс, дополняющий графический интерфейс пользователя, обычный для любого программного продукта, включая программные средства ГИС. Наращивание функциональности современных программных средств ГИС привело, однако, к тому, что их визуа- лизационно-картографические возможности приблизились к возможностям специализированных средств автоматизированного картографирования, автоматизированных картографических систем (АКС), например систем настольного картографирования. Блок картографической визуализации в ГИС стал использоваться не только как средство документирования ее результатов, но и как один из инструментов автоматизированного картографирования.
Спектр взаимодействия картографии и геоинформатики в части разработки новых типов карт и других геоизображений. существующих в цифровой среде или порождаемых ею, чрезвычайно широк; речь о них уже шла при характеристике цифровых (см. 2.1.3) и электронных карт. Так, ранее говоря о цифровых картах, мы имели в виду, что и сами эти карты, а вернее цифровые молели карты и технология их создания и использования принадлежат области картографии, а именно, картографии цифровой, а в еще более общем смысле — автоматизированной картографии.
Электронные карты (ЭК) — это картографические изображения на видеоэкране компьютера как результат визуализации некоторых цифровых данных. Такое толкование опирается на исторически сложившееся в научной литературе по геоинформатике и автоматизированной картографии разделение двух типов картографических изображений, генерируемых компьютером, на бумажные компьютерные карты (и атласы), в изобилии производившиеся с помощью разного рода устройств компьютерной графики еще в 70—80-е годы XX в. и электронные видеоэкранные карты, которыми стали обозначать изображения, генерируемые тем же компьютером не на «твердом» материале (преимущественно бумаге), а на экране дисплея (монитора, видеомонитора), т.е. на видеоэкране. Англоязычная традиция закрепила обозначение этих типов изображений (не только картографических), «бумажных» и «безбумажных», в терминах «hardcopy» и «softcopy» соответственно. Происхождение термина «электронная карта» принято связывать с наименованием главного конструктивного элемента видеоэкрана того времени — электронно-лучевой трубки (ЭЛТ; от англ, cathode ray tube, CRT), с термином, в свое время употреблявшемся как синоним дисплея. Электронные карты, в том числе организованные в виде электронных атласов, — сфера обоюдных интересов и картографии, и геоинформатики.
Генерация электронных карт поддерживается более или менее многофункциональным программным средством типа картографических визуализаторов и браузеров (броузеров, просмотровщиков, обозревателей), а также визуализационными модулями систем настольного картографирования или ТИС. Поэтому производители продукции электронного картографирования — ЭК или электронных атласов (ЭА) как систем, поддерживающих генерацию ЭК для внешнего использования вне программной среды их создания (в том числе при тиражировании коммерческих ЭК и ЭА), а следом и пользователи этой продукции стали понимать под ними не сами актуально визуализированные данные (изображения), а цифровые записи, предназначенные для их картографической визуализации, вместе с программным средством, ее обеспечивающим. С этой точки зрения, как продукт, тиражируемый в настоящее время обычно на компакт-дисках, ЭК являются средством генерации электронных карт в приведенном выше смысле слова, цифровыми записями, которые, если иметь соответствующие аппаратно-программные средства (привод CD-ROM и какое-либо сред- ciво визуализации, картографический визуализатор, как правило, прилагаемый к записям), потенциально могут быть воспроизведены на дисплее (или, при необходимости, и на «бумаге»).
Два значения сути ЭК как изображения и как электронного произведения (электронного издания) может быть объединено в их определении, утверждающем, что электронная карта это: картографическое изображение, визуализированное на дисплее (видеоэкране) компьютера на основе данных цифровых карт или баз данных ГИС в отличие от компьютерных карт, визуализируемых невидеоэкранными средствами графического вывода; картографическое произведение в электронной (безбумажной) форме, представляющее собой цифровые данные (в том числе цифровые карты или слои данных ГИС), как правило, в записях на диске CD-ROM, вместе с программными средствами их визуализации, обычно картографическим визуализатором или картографическим браузером (map browser), предназначенное для генерации электронных карт.
Различные толкования ЭК основаны, по существу, на двух значениях слова «электронный» в составе аналогичных терминов «электронный офис», «электронный документ», «электронные средства связи», «электронное цветоделение» и т.п.: это альтернатива «бумажного» и синоним «компьютерного». Как произведение, публикуемое нетрадиционными средствами, ЭК (и электронные атласы) принадлежат к типу электронного издания, которое толкуется как «издание, представляющее собой электронную запись информации (произведения) на магнитном диске, компакт-диске и т.д., рассчитанную на использование с помощью электронных технических устройств» [А. Э. Мильчин, 1998].
Анализируя картографические возможности ГИС-пакетов, можно отметить, что в них реализованы далеко не все известные картографические способы изображения. В одной из наиболее развитых в этом отношении ГИС ArcView реализованы способы, названные в мастере тематического картографирования отдельным символом, цветовой шкалой, уникальным значением, локализованной диаграммой, плотностью точек (для полигональных слоев), масштабируемым символом (для точечных и линейных слоев). Если перевести этот перечень с языка деловой графики на язык классификации способов, принятый в отечественной картографии, то получим картограммы, картодиаграммы, локализованные диаграммы, линейные знаки, значки, точечный. Использование описанных далее функций зонирования, районирования, оконтури- вания и построения изолиний позволяет добавить также способы ареалов, изолиний, псевдоизолиний, качественного и количественного фона.
Большое значение при реализации способов имеет возможность перехода от непрерывных шкал количественных характеристик к дискретным шкалам с разным числом градаций и различными методами определения границ интервалов дискретных шкал. Например, в ArcView GIS 3.2 это пять методов: равноплошадной, равных интервалов, естественных границ, квантилей и стандартных отклонений.
Равноплошадной метод позволяет классифицировать полигоны по интервалам в значениях атрибутов так, чтобы общая плошадь полигонов в каждом классе составляла примерно одну и ту же величину.
Метод равных интервалов позволяет выделить интервал, в пределах которого находятся значения атрибута, делящийся на равные части.
В методе квантилей границы интервалов атрибутов определяются таким образом, чтобы в каждый из них попало равное количество объектов.
В методе стандартных отклонений построение интервалов начинается со среднего значения атрибута, а значение интервалов выражается в долях стандартного отклонения (корень из дисперсии) в зависимости от числа интервалов.
Мастер построения тематических карт в системе Maplnfo Professional предлагает семь способов картографического изображения диапазонов, столбчатых и круговых диаграмм, значков, точечный, отдельных значений и поверхностей.
Все способы кроме последнего аналогичны подобным для системы ArcView GIS. Так же, как в ArcView GIS, переход от непрерывных шкал количественных характеристик к дискретным может происходить по нескольким алгоритмам; равное количество записей, равный разброс значений, естественные группы, на базе дисперсий и квантилей. Есть отличия как в наборе алгоритмов, так и в сути способов, имеющих одинаковое наименование.
Особого внимания заслуживает способ поверхностей или растровых поверхностей. По точечным данным исходной таблицы выполняется интерполяция значений в центрах ячеек регулярной сетки одним из предлагаемых программой способов. Полученный файл сетки отображается в окне карты. Естественно, что этот способ используется преимущественно для показа явлений, имеющих непрерывное распространение на картографируемой территории.
Maplnfo содержит модули, которые предусматривают чтение некоторых файлов поверхности, например: DEM-USGS Text (*.dem), DTED-levels 1,2,3 (*.dtO, *.dtl, *.dt2), GTOPO30 (*.dem).
В Maplnfo Professional включены два алгоритма интерполяции для создания GRID-поверхностей: IDW (средневзвешенная интерполяция с весами, обратно пропорциональными п-й степени от расстояния) и TIN (линейная интерполяция по нерегулярной триангуляционной сети).

IDW-метод. для которого значение показателя Т в точке с координатами а и b выполняется по формуле
(2.47)
где Pj = l/pn{xhyha,b) — вес, обратный п-й степени расстояния от точки с координатами х„ у, до точки с координатами a, b; Т, — значение показателя Т в точке с координатами а, Ь.
Усреднение производится по всем исходным точкам, попавшим в круг заданного радиуса с центром в точке с координатами а, Ь.
Для обработки неоднозначных ситуаций задаются расстояние, на котором исходные точки считаются совпадающими, и метод обработки совпадающих исходных точек (минимум, среднее, сумма и т.п.).
TIN-метод предполагает строительство нерегулярной триангуляционной сети на базе исходных точек. Далее для любой точки с координатами х, у значение показателя Т может быть вычислено по значениям показателя в вершинах того треугольника сети, в который попадает эта точка, и координатам этих вершин (7'|,л|,у’|), (Т2,Х2,Уг)gt; (7з,х3,у3) по формуле линейной интерполяции:
(2.48)
где S— площадь треугольника с вершинами в точках (xj.yi), (л2,у2), (*зgt;Уз); ^ — площадь треугольника с вершинами в точках (х,у), (хг.-Кг). (а3,уз); S2 — площадь треугольника с вершинами в точках (х,у), (Х|,у|), (х3,у3); Si — площадь треугольника с вершинами в точках (х,у), (х2,у2), (х,,gt;gt;,)•
На базе GRID-моделей реализовано построение 3D-изображений, которые можно вращать, сдвигать, менять точку наблюдения, масштабировать, включать режим освещения, «натягивать на них» другие слои. Само визуальное представление может иметь вид обычной поверхности и каркасной модели (см. 2.3.3).
В Maplnfo Professional реализован еще один эффектный метод представления информации, который назван «карта-призма». В картах-призмах высота создаваемых на полигонах, как на основаниях, призм зависит от показателя в выбранном столбце таблицы базы данных. На карте-призме можно цветом отобразить изменение еще одного показателя. Такое изображение составители документации назвали бивариантным.
Часто ГИС рассматривают лишь как средство автоматизированного построения карт и, соответственно, переносят на геоинформатику все требования и понятия картографии. Конечно, геоинформатика позаимствовала многое из картографии, однако, с одной стороны, возможности ГИС во многих элементах существенно

превосходят возможности традиционного создания и использования карт, а, с другой, отношение к цифровым данным у пользователей ГИС гораздо более строгое, чем к аналоговой информации у пользователей традиционных карт.
С учетом изложенных выше представлений об электронной карте пол электронным атласом понимается система, включающая цифровые данные и средства генерации электронных карт.
Это аппаратно-программное средство генерации ЭК, а также иных некартографических элементов, образующих содержание ЭА в составе систем автоматизированного картографирования и/или ГИС на основе цифровых моделей карт или цифровых представлений (моделей) пространственных объектов в виде самостоятельных продуктов (произведений) электронной картографии (электронного картографирования).
Прообразом всех электронных атласов считают широко известный в свое время британский проект «Domesday» — электронную энциклопедию Великобритании на оптических носителях с разнообразными картографическими материалами, изданную во второй половине 80-х годов XX в.
Первым ЭА, получившим широкий международный резонанс, в том числе и на Международной картографической конференции в Мексике (1987), был Атлас Арканзаса. По содержанию он мало отличался от традиционных комплексных атласов штатов США (мы бы назвали его «комплексным региональным»), включал около 100 карт, объединенных в 16 глав и отражающих физико-географические, социально-экономические и историко-географические характеристики штата, выполняя обычные справочные и обучающие функции. Однако этим схожесть с традиционным атласом ограничивалась. С точки зрения пользователя он представлял собой совокупность видеоэкранных изображений, разбитых на страницы и сюжетные группы, «перелистываемые» и просматриваемые командами с клавиатуры. Других функций первое издание ЭА не предусматривало. Вполне ординарные аппаратно-программные средства, необходимые для работы с ним, делали его общедоступным. Предполагалось, что обновленная электронная версия атласа будет изготовляться ежегодно, а параллельная ей бумажная — один раз в три года. Создатели приводят один из главных аргументов в пользу ЭА как основного продукта (наряду с очевидными преимуществами в оперативности создания и, в особенности, обновления) — малозатратное™. Расходы на подготовку ЭА не превысили 118 тыс. долл., в то время как затраты на «бумажный» атлас штата составляли от 500 тыс. до 1 млн долл.
В настоящее время ЭА и другие произведения и издания на компакт-дисках и в Интернете, существенный элемент содержания которых составляют электронные карты, вполне обычны. Современное разнообразие продукции электронного атласного картографирования требует ее анализа и классификации.
Классификация ЭА может быть проведена по двум основаниям.
Во-первых, по их содержанию, назначению и территориальному охвату, т.е. по традиционным принципам, сформировавшимся в атласном картографировании; это классификация атласов как «бумажных» изданий.
Во-вторых, по функциональным особенностям и возможностям ЭА, которые отличают их от традиционной бумажной продукции. В основе второй классификации лежат функции программных средств, поддерживающих визуализацию цифровых записей в форме электронных карт, а также дополнительные функции, присущие современным средствам типа картографических ви- зуализаторов или браузеров с возможностями, дублирующими некоторые операции полномасштабных программных средств ГИС.
Нетрудно заметить, что электронные атласы копируют все типы продукции бумажного атласного картографирования. Электронные издания, воспроизводя набор свойств, традиционных для атласного картографирования, добавляют к нему множество функциональных возможностей, которые могут быть реализованы исключительно в цифровой среде. Поэтому типологию ЭА разумно строить, исходя из их функций. Одна из функциональных классификаций предложена Ф.Ормелингом в виде трехмерной матрицы классификации «атласных информационных систем», выделяющих визуализационные, интерактивные и аналитические функции и соответствующие им типы ЭА [F.Ormeling, 1995].
В более широком смысле функциональные рубежи, которые могут использоваться при типологии, связаны с форматами ЭК (как правило, растровыми и векторными), интерактивностью/не- интерактивностью работы с ними, возможностью/невозможнос- тью оперирования атрибутивной частью данных, ввода новых пространственных объектов и их атрибутирования, встраивания некартографических элементов содержания ЭА (поддержки много- средности), генерации нефиксированного (произвольного) набора карт по множеству исходных данных с использованием развитых средств их графического оформления, использования операций пространственного анализа. Функциональная классификация ЭА может быть представлена набором их типов, отражающих богатство функций, обслуживающих их использование, включая визуализацию картографической и иной графики, а также доступ к неграфическим формам данных (статистическим таблицам, БД, тексту, элементам мультимедиа — см. 3.4), поиск информации и обработку запросов к БД, организацию интерфейса пользователя, возможности дополнения тополого-геометрической и атрибутивной части данных данными пользователя, импорта данных из иных программных средств, генерации карт произвольного содержания с использованием широкого набора графических средств (в отличие от жестко регламентированного их набора в виде растровых копий ЭК или композиций векторных карт), аналитические операции с атрибутивной частью данных (расчет производных статистик) или пространственно-аналитические возможности, сближающие ЭА с программным средством ГИС, настраиваемость на требования пользователя и дополняемость функций с помощью встроенных макроязыков программирования.
Опираясь на известные примеры ЭА, можно выделить пять типов, соответствующих ступеням практически непрерывного ряда расширения функциональных возможностей ЭА (предполагается, что старшие типы наследуют или могут наследовать функции младших типов; из-за невозможности поставить каждому из них сколько-нибудь краткий термин, они пока попросту пронумерованы) (А. В. Кошкарев, 1999]:
Тип 1. Фиксированные наборы видеоэкранных копий («слайдов»), или иной растровой картографической графики в широко распространенных форматах графических файлов (GIF, TIFF, bitmap и др.), «пролистываемые» постранично с помощью простого браузера, обычно из меню с перечнем сюжетов карт (оглавлением атласа). Наиболее примитивный тип ЭА, к которому принадлежали первые экспериментальные ЭА, включая хрестоматийный пример атласа Арканзаса, о котором упоминалось выше.
ЭА этого типа может дублировать содержание издаваемой параллельно бумажной версии атласа, допускает ускоренное и малозатратное обновление содержания в новых версиях по сравнению с атласами, изданными традиционными полиграфическими средствами. Электронная версия атласа в столь незамысловатом, дешевом, но крайне ограниченном функционально исполнении может временно заменять более функционально богатый его вариант. ЭА такого типа не требуют специализированных программных средств для его использования (просмотр обеспечивает обычно примитивный браузер собственного изготовления или общедоступные средства подготовки демонстраций или презентационной графики).
Тип 2. Средство генерации масштабируемых векторных карт, чаше всего их фиксированных наборов, подготовленных на основе цифровых карт или набора слоев ГИС, с визуализаций фиксированного перечня элементов содержания (возможно с их разгрузкой). Средства просмотра допускают масштабирование изображения и его центрирование, скроллинг', средства навигации включают возможность визуализации искомого фрагмента карты по иерархическим рубрикаторам (спискам объектов политико-административного деления, населенным пунктам, аэропортам, объектам туристического бизнеса и т. п.). Обычно содержат крайне ограниченный набор атрибутов (площади территориальных единиц, людность населенных пунктов, таблицы расстояний и т. п.), некоторые картометрические средства (расчет расстояний между указанными пунктами или по маршруту движения), текстовые комментарии к картам или текстовую часть с вербальными характеристиками объектов. Как правило, не содержат средств доступа к атрибутивной части данных, возможностей ее дополнения иными данными, в том числе производными на основе исходных или данными пользователя.
Типичным примером подобных атласов могут служить ЭА мира на CD-ROM. Сюда же могут быть отнесены фиксированные наборы растровых ЭК, используемые в качестве основы для векторных (обычно — точечных) атрибутированных элементов тематической нагрузки. Программные средства ЭА такого типа: картографические ви зуал и затор ы/lt;?б/осдь/ с ограниченными возможностями (обычно общедоступные типа public domain или намеренно функционально усеченные версии программных средств настольного картографирования, картографических визуализаторов или ГИС, программные средства собственной разработки под функции конкретного электронного продукта).
Тип 3. ЭА второго типа с дополнительными возможностями, включающими доступ к атрибутивной части данных, ее дополнение данными пользователя, введение новых (обычно точечных) объектов и их атрибутирование, а также визуализация, что обеспечивается доступом к графическим средствам (библиотекам картографических символов) или средствам их проектирования. В отличие от ЭА второго типа программные средства их использования должны включать простые функции графического (картографического) редактора.
Тип 4. Гибридные ЭА, обеспечивающие визуализацию и навигацию в разнородных графической и неграфической средах. Основное содержание ЭА этого типа составляют фиксированные композиции векторных карт с возможностью дополнения их объектами пользователя в избранной им схеме символизации атрибутов и значительная не картографическая сопроводительная информация в форме текстовых описаний карт и их объектов, табличной статистики, дублирующей или дополняющей содержание генерируемых карт, «слайдов» с фотографиями объектов, космическими снимками, деловой графикой, иллюстрирующей обобщенную по территории статистику. В наиболее совершенной форме этот тип ЭА может включать традиционные элементы мультимедиа (анимацию, цифровое видео, звук — см. 3.4). Картоцентрическая мультимедийная организация картографической и некартографической составляющих содержания ЭА — не единственный из применяемых подходов, аналогичная многосредность может поддерживаться средствами гипертекста, где организующим началом материала служит текст с перекрестными ссылками на элементы иного типа, включая ЭК (типичный пример — картографические страницы
Интернета). Рекомендуемое программное средство для пользования атласом этого типа — достаточно многофункциональный картографический визуализатор с мультимедийными возможностями или гипертекстовый браузер.
Тип 5. Аналогичен четвертому типу ЭА, дополненный возможностями проектирования и создания картографических изображений, близкими или идентичными полнофункциональным картографическим визуализаторам. Содержит набор слоев, визуализируемых средствами создания композиций карт, включая выбор картографических проекций, выбор визуализируемых слоев с заданным порядком графической композиции, средств картографического изображения из достаточно полного их набора (картодиаграмма, картограмма, масштабируемые значки и т.п.) с палитрами графических средств (штриховка, цветовая заливка полигональных объектов; стиль, цвет и толщина линий для линейных объектов; векторные масштабируемые значки для точечных объектов и т.д.), автоматическое или интерактивное размещение географических названий, шкалирование диапазона изменчивости количественных характеристик, проектирование легенды карты в целом, компоновка картографического изображения (название карты, легенда, численный и графический масштаб, стрелка «север-юг», карты-врезки, иное текстовое и графическое дополнительное оснащение и т. п.). Такой ЭА представляет собой по существу инструмент проектирования ЭА произвольного содержания самим пользователем, «виртуальный» ЭА, потенциально заложенный в исходных данных и тематически определенный множеством объектов с их атрибутами (которые, к тому же, могут быть отредактированы, дополнены, изменены и актуализированы, по крайней мере в своей атрибутивной части) и доступными операциями обработки. Может рассматриваться в качестве одного из результатов реализации геоинформационного проекта с использованием многофункционального программного средства ГИС или средства настольного картографирования. Среда пользователя — полнофункциональный картографический визуализатор, в том числе в составе программного средства ГИС, обычно с некоторыми функциями пространственного анализа (это интерактивный аналитический ЭА).
Пятая и последняя группа ЭА функционально не ограничена, приближаясь по своим возможностям к ГИС. Атласные информационные системы (АИС) имеют развитые моделирующие функции, могут включать в себя экспертные системы и оформляться как полномасштабные мультимедийные конструкции (см. 3.4 и 5.3).
В условиях функционального сходства интерактивных аналитических ЭА высокого уровня с ГИС, один из их отличительных признаков видится в том, что электронному атласу, в отличие от ГИС, присуща повествовательная, а не диалоговая парадигма структурной организации.
Контрольные вопросы Является ли визуализация необходимым атрибутом картографического изображения? В чем различие электронной карты и электронного атласа? Чго могло бы означать понятие «электронного глобуса», если бы такой продукт был создан? Каковы критерии классификации ЭА? Какими возможностями располагают ЭА по сравнению с традиционной (бумажной) атласной продукцией? Не заменят л и (в перспективе полностью) бумажные атласы их электронные аналоги? Где грань, разделяющая многофункциональные ЭА и ГНС информационно-справочного назначения? В чем различия способов описания реального мира, используемых в традиционной картографии и геоинформатике? 
<< | >>
Источник: Е. Г. Капралов,  А. В. Кошкарев, В. С. Тикунов. Геоинформатика: Учеб, для студ. вузов. 2005

Еще по теме Картографическая визуализация:

  1. Визуализация данных
  2. Прижизненная визуализация мозговых структур.
  3. § 21. Картографические проекции
  4. Картографические анимации
  5. Математико-картографическое моделирование
  6. Конструктивный или картографический способ
  7. Контрольный тест
  8. КРИЯ-ТАНТРА
  9. Введение
  10. Информационное н программное обеспечение
  11. Базы данных сети мониторинга