Перспективы развития картографии

Перспективы развития картографии (производства и науки) определяются непрерывным и быстрым ростом потребления карт и повышением их роли в народном хозяйстве, культурном строительстве и научно-исследовательской деятельности.

Факторы этого роста разнообразны: необходимость во все более разносторонней, подробной и точной пространственной информации о земной поверхности, природных условиях и ресурсах, населении и производительных силах; вовлечение в орбиту экономической жизни Мирового океана и шельфов; развитие космических исследований; интенсификация существующих отраслей народного хозяйства и появление новых отраслей, нуждающихся в специальном обеспечении географическими картами; развитие народного образования, подъем политического и культурного уровня человечества и его благосостояния; рост народонаселения; планирование народного хозяйства и культурного строительства и управление ими; неотложность решительных и всеобъемлющих мер по охране и контролю природной среды; внедрение картографического метода исследования природных и социально-экономических явлений; наконец, всеобщее воздействие научно-технической революции.

Эти факторы неравноценны и воздействие их различно. Одни из них преимущественно влияют на увеличение тиражей географических карт; другие побуждают к детализации и уточнению содержания, к расширению информационной емкости карт, к их регулярному обновлению; третьи раздвигают пространственные либо тематические пределы картографирования. Очень существенны факторы, порождающие надобность в разработке новых видов и типов карт и в формировании новых отраслей картографирования. Наконец, для прогресса картографии всегда необходимы изыскания более совершенных методов приобретения источников и, конечно, методов изготовления и использования карт, повышающих производительность труда, облегчающих и расширяющих применение карт на практике и в научных исследованиях. Среди факторов, воздействующих на тиражи массовых карт, наиболее очевидны и постоянны рост населения, развитие просвещения и, конечно, подъем благосостояния народа. Например, увеличение населения определяет возрастающую потребность в учебных картах и атласах. Растущее увлечение массовым туризмом вызывает расширяющийся спрос на туристические карты. В капиталистическом мире эти факторы стимулируют деятельность коммерческой, частнопредпринимательской картографии.

Процессы уточнения, детализации и обновления содержания карт преобретают ведущее значение в прогрессе ряда основных отраслей картографического производства. Еще недавно первичное топографическое изучение территорий составляло главную заботу большинства государственных картографических служб. Но теперь для всех континентов имеются обзорно-топографические карты, и можно предвидеть время, когда окажутся завершенными сплошные топографические обследования материков. Это обстоятельство не означает свертывания или сокращения работ по созданию топографических карт. Укрупнение масштабов (связанное с интенсификацией сельского хозяйства, строительством городов и населенных пунктов, концентрацией производства и т. п.), обогащение содержания карт, отображение убыстряющегося изменения лика Земли, приспособление карт к новым требованиям практики и к новым, в частности автоматическим, способам их изготовления и использования определяют необходимость постоянных и систематических работ по совершенствованию и обновлению топографических карт. Поддержание на уровне современности ранее созданных топографических карт стало одной из наиболее актуальных (и вместе с тем трудоемких) задач государственной картографии. В наиболее полном виде последняя задача реализуется и систематически совершенствуется применительно к гидрографическим и аэронавигационным картам.

Расширение пространственных пределов можно наблюдать в энергичном распространении тематического картографирования на Мировой океан. Последний ранее исследовался преимущественно в гидрографическом отношении для обеспечения безопасности судоходства и отчасти для рыболовного промысла. Но уже начато решение проблемы комплексного картографирования Мирового океана, рассматриваемого в перспективе как среда хозяйственной деятельности и жизни человечества с быстро возрастающим использованием биологических, минеральных и энергетических ресурсов на поверхности, в толщах вод и на дне океана. Развивающаяся эксплуатация естественных богатств шельфов и их картографирование - одна из сторон реализации этой проблемы.

Еще более эффектно, научно увлекательно (хотя тематически и объемно ограничено) проникновение картографии в космические пространства ради получения карт небесных тел - Луны и планет

Разумеется, каждая из отмеченных выше сторон развития картографии подвержена влиянию различных факторов, и каждый фактор влияет на разные стороны этого развития. Включение космоса в круг забот картографии повлекло не только расширение ее пространственных интересов, но также появление карт новой тематики. Даже в разработке давно сформировавшихся земных топографических карт дело не ограничивается их обновлением, уточнением, детализацией и постепенным совершенствованием содержания и графических средств. Появились новые типы карт, например с фотоизображением земной поверхности либо разгруженные для определенного круга потребителей, или усложненные в планах городов «многоэтажным» изображением, передающим застройку и городское хозяйство на разных уровнях (включая подземные).

Особенно разносторонни и многофакторны перспективы развития тематического и комплексного картографирования. Очевидна обяза-зательность все более обстоятельного и подробного исследования естественных ресурсов недр, вод, почв, климата, биосферы и создания карт, обеспечивающих их эффективное и правильное хозяйственное использование. Столь же необходимо основательное картографирование природных условий, учитываемых в сельском хозяйстве, транспорте, промышленном и городском строительстве, районных планировках и при организации отдыха населения. Быстро усиливается значение карт населения и экономики как важных пособий при решении проблем рационального использования трудовых ресурсов и территориальной организации производительных сил.

Наряду с тематическими картами, рассчитанными на долговременное применение, усиливается потребность в оперативных картах кратковременного пользования. Они составляются в минимальные сроки для текущей работы и воспроизводят в аналитической форме отдельные элементы природной и хозяйственной обстановки и их изменения, например динамику снежного покрова, состояние посевов, созревание сельскохозяйственных культур и т. п.

В прогрессе тематического картографирования будет быстро возрастать значение его высшей ступени - комплексного географического картографирования как многостороннего и целостного отображения природных и социально-экономических систем различного территориального охвата и сложности. Оно уже нашло широкое распространение в комплексных атласах: региональных, национальных и мировых (§ 8.8, 8.10). Весьма актуально распространение его принципов на государственные и мировые тематические карты. Это позволяет полнее и лучше использовать эти карты для решения задач по рациональной эксплуатации и расширенному воспроизводству природных ресурсов, охране природы, регулированию и управлению окружающей средой, т. е. в конечном счете для решения глобальной проблемы предотвращения угрозы экологического кризиса.

Создание новых карт и атласов означает рост и накопление поистине колоссальной информации о пространственном размещении природных и социально-экономических явлений, их состоянии, связях и временных изменениях. Это реальные знания о мире, которые получаются и вводятся в обиход человечества совместными усилиями картографии и смежных наук. Но разработка и совершенствование методов создания и использования карт входят в удел картографии. Главные цели - повышение производительности труда, всемерное улучшение качества карт и расширение области их применения в практике и науке. Традиционная технология картографического производства с преобладанием ручного труда в разработке оригиналов карт ставила препятствия на пути к этим целям. Преодоление трудностей стало возможно: при широком привлечении в картографию важнейших достижений научно-технической революции, в первую очередь электронно-вычислительной техники, автоматики и дистанционного зондирования; при настойчивом использовании успехов других отраслей знания; и, конечно, при усилении теоретических и экспериментальных исследований по картографии.

Как известно, ЭВМ вошли в практику в 50-х годах, и уже в 1964 г. была сконструирована «автоматическая система для картографии», задуманная для автоматизированного изготовления издательских оригиналов после предварительного перевода в цифровую форму первичных оригиналов карт. Она включала ЭВМ и автоматический координатограф.

Для следующего этапа в развитии автоматизированной картографии, падающего на 70-е годы, характерны: совершенствование автоматизированных картографических систем (АКС) с включением в них цифрователей (приборов для перевода карт в цифровую форму), видеоэкранов (дисплеев) для вывода из ЭВМ информации в графической форме и для ее редактирования, а также графопостроителей - автоматических чертежных машин; начало систематических работ по созданию банков цифровой картографической информации; разработка оригинальных программ для ЭВМ АКС, начало инвентаризации, сводок и публикации программ.

В 80-е годы автоматизированная картография, развивая те же направления, приступила к проектированию сетей взаимосвязанных банков топографической и ведомственной тематической информации с возможным непосредственным ее выводом на удаленные терминалы - автоматизированные рабочие места картографов, оснащенные видеоэкранами и графопостроителями.

Проблема автоматизации может считаться решенной в отношении элементарных аналитических карт с количественными показателями. Она разрабатывается для топографических и многих тематических карт. В основе автоматизации лежит идея математического моделирования процессов составления карт, т. е. их описания на языке математики, например математической формализации процессов генерализации, построения изолиний по сетям точек и т. п. Описание алгоритма для конкретной математической модели картосоставления (требующее понимания сущности картографируемого явления) позволяет расчет модели на ЭВМ и при выводе результатов на графопостроитель автоматическое построение карты. Предварительно необходим перевод исходных данных, например содержания карт-источников, в цифровую форму посредством фиксации координат и кодовых обозначений на магнитных лентах или других накопителях информации.

Разумеется, подготовка алгоритма и программы для автоматического составления карты требует надлежащей квалификации даже для элементарной карты, но однажды полученная программа применима для изготовления других карт аналогичного содержания. Таким образом, генеральная перспектива состоит в постепенном накоплении программ для карт повышающейся сложности.

Но есть много карт и процессов, весьма сложных или даже вовсе неподдающихся математической формализации (сведению к определенной задаче) из-за множества связей или (и) наличия факторов, влияние которых трудно оценить в конкретной мере. Однако новейшая техника предоставляет картографу возможность вторгаться в работу автоматической системы и решать самому неформализованные вопросы (в так называемом диалоге человека с машиной). Именно органическое объединение знаний, мысли и дарований картографа с замечательными техническими возможностями ЭВМ и автоматики рисуется как наиболее важная и увлекательная перспектива последующего развития картографии.

Значение космической информации для совершенствования методов создания карт уже отмечалось в § 5.7. Орбитальные съемки, дающие широкий пространственный обзор и отражающие многие макрозакономерности географической оболочки, освобождают картографа от трудоемких процессов последовательного уменьшения крупномасштабных источников и устранения массы избыточной информации и потому могут решительно ускорить процессы получения ряда средне- и мелкомасштабных тематических карт. Вместе с тем, объединяя в одном изображении многие компоненты геосферы в их горизонтальном и вертикальном распространении, орбитальные снимки делают продуктивным их совместный, факторный анализ, весьма полезный для совершенствования названных карт. Очень важно, что автоматика позволяет непосредственное преобразование в картографическую форму данных, получаемых при аэрокосмических съемках.

Эффективное привлечение достижений научно-технической революции немыслимо без опоры на математические науки (в частности, на математическую статистику, вычислительную математику и теорию информации), на систему географических наук и весь комплекс наук о Земле.

Разумеется, основные научные проблемы картографии из числа традиционных сохранят полную актуальность и в будущем, но их углубленная разработка также повлечет обращение к методам и материалам смежных наук. Приведем пример. Карты не имеют соперников в компактной, наглядной и вместе с тем систематичной и объективной передаче пространственной информации. В этом их извечная сила и значение. Но дальнейшее повышение информационной ценности карт, в частности увеличение их информационной емкости при улучшении наглядности (и, когда необходимо, точности), нуждается в углубленных теоретических и экспериментальных исследованиях проблем генерализации и картографических знаковых систем. Теперь такие исследования редко могут быть продуктивными в отрыве от других наук, скажем семиотики и инженерной психологии в отношении оформления карт.

Рассматривая перспективы картографии как науки, следует ясно видеть две генеральные цели в развитии ее исследований, два главных направления в разработке и совершенствовании ее методов, имеющих в виду, во-первых, создание новых карт, во-вторых, использование карт в науке и практике. Первое направление обращено к относительно узкому кругу профессиональных картографов и других специалистов, участвующих в съемках, проектировании и составлении карт, другое же обслуживает интересы многообразных и потенциально бесчисленных потребителей карты. Именно от последнего направления во многом зависит будущее картографии и оно нуждается в постоянных заботах исследовательской мысли.

Эти заботы различны при разных уровнях использования карт. Многие читатели обращаются к картам преимущественно для справок (информации) той или иной сложности о размещении, состоянии и взаимосвязях природных, социально-экономических и политических явлений, интересных читателю. В подобных случаях основная трудность состоит в привлечении наиболее подходящих источников, часто неизвестных даже квалифицированному картографу. Отсюда актуальность дальнейшей разработки вопросов картографической информатики (и организации информационно-картографической службы, см. § 9.7).

Но карты не только богатейшие хранилища, «кладовые» пространственной информации. Они могучее средство научных исследований, приобретения новых знаний о мире, природе и человечестве, о закономерностях размещения природных и общественных явлений, о структуре и динамике геосистем различной сложности и территориального охвата, наконец, средство прогнозирования, в частности в системе «человек - среда». Поэтому развитие картографического метода исследования стало одной из важнейших проблем и перспектив современной картографической науки. Накопление в картах обширной и достоверной информации, совершенствование аппарата картографического анализа, привлечение новой автоматической техники, усиление связей с смежными науками и теоретическое обоснование картографического метода открыли дорогу для его совершенствования. Картография предстала в новом свете, как наука об отображении и исследовании действительности посредством особых пространственных моделей - географических карт и других картографических построений. В этом качестве ее перспективы беспредельны.

ЦИФРОВЫЕ ТОПОГРАФИЧЕСКИЕ КАРТЫ

Основные принципы построения цифровых карт

Внедрение новой информационной технологии исключает трудоемкие чертежные, гравировальные и другие ручные процессы, открыв широкие пути автоматизации этих работ. Многочисленные попытки дать полное ма­тематическое описание картографической информации, даже с учетом са­мых последних достижений в области информатики с ее статистически-вероятностными и комбинаторными методами, не увенчались успехом.

Поэтому для успешного применения современных ЭВМ и средств автоматиза­ции необходимы не образнознаковые, а цифровые карты, представляющие собой запись картографической инфор­мации о местности в цифровом виде на машинном носителе в заданных кодах, структурах, форматах и системах счисления, удовлетворяющих требованиям прямого ввода и обработки.

Таким образом, цифровая модель карты (или электронная карта) – это модель картографического изображения объекта или явления действи­тельности, представленная в цифровой форме, и организованная для ее хранения и дальнейшей обработки на ЭВМ в табличном, матричном или аналитическом виде. Следует отметить, что это название не совсем соответствует традиционно сложившемуся оп­ределению понятия «карта», поскольку в цифровой карте картографическое изобра­жение представлено не в знаковой форме, а в установленной структуре цифрового описания и кодирования на одном из физических носителей или памяти ЭВМ. Тем не менее, непременным условием восприятий цифровых карт является визуа­лизация закодированного на ней картографического изображения путем высвечивания ее содержания на видеоэкране или преобразования его в графический вид на графопостроителе.

Основными целями создания цифровых карт являются графи­ческая коммуникация пространственных отношений и распределений; улучшение возможности анализа, отработки и отображения геоинформа­ционных данных; автоматизация отображения и картографического анали­за в системах управления; получение экспертных решений в графическом виде в режимах реального и раздельного времени.

Исходная картографическая информация создания цифровых карт и планов может быть получена путем записи пространственных координат объектов местности и кодов их характеристик в числовой форме в процессе полевой топографической съемки либо при фотограмметрической обработке космических или аэрофотоснимков. И в том и в другом случаях информация, получаемая в цифровой и графи­ческой формах, преобразуется в цифровую форму (двоичную систему счисления) и после соответствующей обработки (сшивка, сводка и т.д.) на ЭВМ фор­мируется в цифровые карты.

Процесс преобразования картографического изображения в цифровую форму сводится к его считыванию, т. е. к определению координат графи­ческих элементов, формирующих картографическое изображение, и при­ведению считанного изображения в цифровой машинный код, а также к символьному кодированию смысловых характеристик цифруемых объектов, отображенных на карте.

Иначе говоря, для цифрового кодирования информации используется векторный формат представления. Представление картографического изображения в этом формате облегчает формирование машинной записи содержа­ния цифровых картографических источников по отдельным блокам (фай­лам), что обеспечивает последующую обработку картографического изо­бражения без его предварительной идентификации (распознавания). Достоинство векторного формата представления цифровых карт и записи информации на машинном носителе состоит еще в том, что объем машинного носителя при записи на нем считанной картографической информации по сравне­нию с растровым способом сокращается на один-два порядка.

Свойства электронных цифровых карт и их отличия от традиционных

Для электронных цифровых карт, как и для традиционных, характерны следующие принципы построения и свойства, отмеченные в книге [3]:

пространственно-временное отображение геоинформационных объ­ектов реального мира;

системность отображения главных элементов с учетом генезиса, структуры и иерархии объектов;

избирательность (синтетичность), раздельное представление или вы­деление характерных особенностей действительности, которые про­являются совместно или изолированно;

метричность, обеспечиваемая математическими законами постро­ения, точностью составления и воспроизведения карты;

наглядность, возможность зрительного восприятия пространственных форм, размеров, связей, воспроизводимых с эффектами освещения и тек­стуры поверхности изображаемых объектов;

обзорность, возможность охвата обширных пространств с выделе­нием главных элементов содержания при учете генерализации и взаи­мосвязей;

возможность тематической направленности.

К электронной карте как средству, построенному на принципах циф­рового моделирования и использующему ЦММ, предъявляются следу­ющие требования:

структурная определенность и моделепригодность;

возможность многоцелевого использования;

наличие набора форм представления графической информации;

возможность построения динамических моделей и наличие ани­мационных свойств;

формирование картографического изображения в интерактивном и автоматизированном режимах;

возможность интеграции геоинформации с данными дистанционного зондирования.

Электронная карта, как автоматизированная система характеризуется качественно новыми свойствами при обработке пространственной инфор­мации:

авоматическое поддержание информационного поля в различных временных режимах;

комплексное изображение совместно обрабатываемых априорных и оперативных данных.

оперативная селекция данных и построение изображения, синте­зированного на основе послойного представления данных;

возможность создания оригинального дизайна пользователя. Он мо­жет добавлять или убирать информацию с экрана, менять масштаб и про­екцию, получать псевдообъемные, псевдоцветные и динамические гео­изображения, использовать дисплейные эффекты (мерцание, изменение цвета, яркости);

автоматическая картометрия: определение координат и направлений, расстояний и длин, площадей и объемов; построение линий уровней и по­верхностей.

Хотя электронные карты как модели картографической информации относятся к классу динамических моделей, они могут создаваться в двух режимах: в режиме разделения времени (например, электронные атласы – аналоги обычных карт) и в режиме реального времени. Как системы реального времени электронные карты нашли большое применение в мор­ской навигации. В частности, в Японии в 1984 г. системами электронных карт было оснащено 150 торговых и 4 тыс. рыболовецких судов.

Такие особенности электронных карт объясняются следующими фак­торами.

Обычная аналоговая карта не допускает существенного ее измене­ния. Это обусловлено тем, что в ее основе заложена неизменяемая ста­тическая модель данных. В электронной карте форма и содержание ви­зуализируемой информации варьируются неограниченно.

Электронная карта реализует мобильную или адаптивную модель данных, позволяющую настраивать состав, объем и форму отображаемых данных в соответствии с запросами пользователя.

В отличие от обычных карт цифровые карты представимы в различных карто­графических проекциях благодаря набору трансформационных методов, что создает возможность дополнительного анализа и сопоставления, т. е. повышает уровень автоматизации и производительности исследований.

Основной метод создания электронных карт - математико-картографическое моделирование содержания, нагрузки и условных знаков с исполь­зованием визуальной оценки получаемого изображения.

Технология создания электронных карт зависит от их вида; требований, предъявляемых к их точности, содержанию и условным знакам; исходных картографических данных; снимков; структур входных/выходных инфор­мационных массивов.

Электронные карты можно сравнить с набором справочников, которые должны храниться в библиотеках (банках данных), содержать подробную информацию, занимать минимальный объем и быть доступными в крат­чайший период времени.

Примером коммерческого продукта электронной карты может служить разработка фирмы ESRI Digital Chart of the World (DCW). Это цифровая карта мира (суши) в формате Arclnfo, созданная на основе тактических на­вигационных карт Министерства обороны США. Исходный масштаб 1:1 000000, объем данных 1,7 Гбайта, носитель - четыре диска CD-ROM с книгой описания данных. Карта разбита на 2094 листа размером 5 х 5°. Число тематических слоев ни лист: от 3 до 27 (для России в среднем 17 слоев). Существуют версии DCW для UNIX-рабочих станций и для PC. Для просмотра и работы с картой можно использовать все ГИС-пакеты ESRI.

Основными процессами технологии создания электронных цифровых карт являются подготовка исходных картографических материалов; циф­рование, обработка и редактирование цифровой картографической ин­формации; формирование электронных, цифровых карт для хранения в архиве и выдачи их по запросам.

Электронные карты позволяют применять интерактивный режим рабо­ты с картографическими данными, описаниями и оперативной информа­цией. Это создает возможность в процессе планирования или проведения исследований по картам оперативно вторгаться в процесс проектирования карты и задавать новые проектные критерии, решения или ограничиваю­щие условия.

Особенности функционирования цифровых карт как подсистем цифровых моделей местности

Напомним, что цифровую карту можно определить как подсистему цифровой модели местности, которая работает с пространственными (географическими) данными исследуемого объекта или явления. Более того, цифровую карту как систему можно разделить на две составляющие: объектную и пространственную модели местности.

Объектная модель рассматривает свойства и атрибуты объектов местности (реки, дороги, колодцы и т.п.), тогда как в пространственной модели содержится информация о местоположении вышеописанных объектов. Четкое однозначное расположение объектов в пространстве определяет тесную связь между объектной и пространственной моделью.

С точки зрения пространственной модели любой объект на карте может принадлежать к одной из трех категорий: точечные объекты, линейные объекты и полигональные (или площадные) объекты. Местоположение точечного объекта (например, колодца или буровой скважины) описывается парой координат (x,y). Линейные объекты (такие, как дороги, реки, трубопроводы, ЛЭП) сохраняются как наборы координат (x,y). Полигональные объекты (например, речные водосборы, земляные участки) хранятся в виде замкнутого набора координат (x,y).