komp_kart

Л. В. Атоян

КОМПЬЮТЕРНАЯ

КАРТОГРАФИЯ

Курс лекций

МИНСК

БГУ

2004

ВВЕДЕНИЕ

Внедрение вычислительной техники и информационных технологий во все сферы научной деятельности и отрасли народного хозяйства явля- ется отличительной чертой нашего времени. Необходимость оперативно- го решения многочисленных народнохозяйственных задач с использова- нием картографических материалов требует внедрения в картографиче- ское производство новой техники и технологий.

Традиционные методы создания картографических произведений, основанные на ручном труде и производственном опыте картографа, во многом перестали отвечать современным требованиям и не в полной ме- ре стали обеспечивать решение поставленных перед картографией задач, а именно: современный дизайн, качественное красочное издание, опера- тивность изготовления картографического произведения, компактное хранение картографической информации, ее постоянное оперативное об- новление и многократное использование и т. д. К тому же традиционная технология обладает громоздким технологическим процессом и больши- ми трудозатратами, что значительно увеличивает сроки и стоимость вы- полнения работ по созданию картографических произведений.

Все более широкое внедрение новых технологий в картографиче-

ское производство на всех этапах создания карт позволяет значительно сократить производственный цикл, повысить эффективность производ- ства и качество создаваемой картографической продукции. В связи с этим в теории и практике картографии возникла необходимость переос- мысления, пересмотра и уточнения старых и разработки новых теорети- ческих положений, технологий и совершенствования терминологии.

В силу таких тенденций и под влиянием компьютерных технологий родилась новая область картографической науки и производства – ком- пьютерная картография, базирующаяся на современных быстродейст- вующих компьютерах и других технических средствах обработки графи- ческой информации, а также на использовании соответствующего про- граммного обеспечения.

Как традиционное картографическое производство до недавнего прошлого находилось в постоянной зависимости от развития полиграфи- ческого оборудования и технологий и совершенствовалось вместе с ни-

2

ми, так и современная картография тесно связана с компьютерными сис- темами.

Применение персональных компьютеров оказало революционизи- рующее влияние на картографическое производство. Появилась возмож-

ность обрабатывать большие объемы информации в интерактивном (диалоговом) режиме, получать качественное изображение, долговре- менно хранить информацию на машинных носителях, многократно ис- пользовать ее для составления карт разнообразной тематики, а главное –

исключить многие ручные рутинные и дорогостоящие фотографические процессы по созданию картографического изображения (например, пу- тем объединения составления и подготовки карт к изданию в один про- цесс).

Создание картографического произведения – это творческий про- цесс, и в этом процессе очень важен человеческий фактор. Во-первых, само по себе создание карты требует непосредственного участия челове- ка на всех этапах, начиная с постановки задачи и заканчивая печатью ти- ража. Во-вторых, применение компьютерных технологий, какими бы они ни были совершенными, невозможно без участия человека. Следова- тельно, здесь следует говорить об автоматизированном способе в отли- чие от автоматического, при котором полностью исключается участие человека.

Наличие технических средств и графических программ, позволяю- щих осуществлять формирование (построение) любых графических изо- бражений, существенно облегчает работу картографа на всех этапах соз- дания карты. Однако в этом же скрыта и большая опасность, заключаю- щаяся в том, что неспециалистам процесс создания карты с помощью компьютера представляется как построение обычной графики. В данном случае на первое место выходит сам процесс формирования изображе- ния, что при наличии техники, соответствующих программ и определен- ных навыков, в принципе, не вызывает особых затруднений. При этом

мало учитывается специфика построения именно картографического изображения, создание которого требует знания законов картографии. Поэтому важной задачей является овладение специалистами-

картографами и географами компьютерных технологий при создании картографических произведений.

Освещению именно этих вопросов посвящен курс лекций, предна- значенный для студентов географических специальностей, а также всех тех, кто интересуется применением компьютерных технологий в карто- графии.

3

1.КОМПЬЮТЕРНАЯ КАРТОГРАФИЯ

ВСИСТЕМЕ НАУК И ТЕХНОЛОГИЙ

Вэпоху больших ЭВМ техническую дисциплину, занимающуюся разработкой методов и программ для ввода, преобразования и визуали- зации информации с помощью технических устройств, называли машин- ной графикой [9, 24, 33]. С широким распространением персональных

компьютеров эту область деятельности стали именовать компьютерной графикой [23, 26, 32, 37]. Она охватывает разнообразные методы генера- ции, отображения, вывода и сохранения графических изображений.

Современная картография широко использует результаты развития информатики, кибернетики, вычислительных устройств и совершенству- ется вместе с ними. Именно на стыке традиционной картографии, ин- формационных технологий, компьютерной графики возникла автомати- зированная картография. Как научная и практическая дисциплина она охватывает весь комплекс работ по созданию и использованию карто- графических произведений на основе электронных вычислительных ма- шин и технических устройств.

Компьютерная картография — это раздел автоматизированной картографии, рассматривающий способы создания картографических

произведений с использованием компьютерных технологий для целей их полиграфического воспроизведения. Представляет собой техническое направление развития современной картографии [8].

Это новая область картографической деятельности, которая нахо- дится в стадии становления и формирования своей структуры. Одновре- менно она постоянно обогащается результатами теоретических и научно- практических исследований в области традиционной, цифровой карто- графии, геоинформационного картографирования, издательских систем, интернет-технологий, картографической информатики, генерализации, картографического дизайна.

Всвою очередь, под компьютерными технологиями понимается комплекс программно-аппаратных средств, позволяющий автоматизиро- вать те или иные процессы.

4

Таким образом, компьютерная картография изучает и разрабатывает методы и технологию автоматизированного создания карт на базе персо- нальных компьютеров и графических программ так же, как один из раз-

делов картографии – проектирование и составление карт – изучает и разрабатывает методы и технологию лабораторного (камерального) изго- товления карт традиционным способом. При этом компьютерная карто-

графия рассматривает построение картографического изображения на экране компьютера в интерактивном (диалоговом) режиме в реальном времени, в то время как в традиционной картографии все процессы соз- дания карты разнесены во времени. Например, составление карты всегда предшествует процессу подготовки карты к изданию. При компьютер- ном построении картографического изображения эти два процесса про- изводятся одновременно.

Карта является образно-знаковой моделью действительности, по- этому создание карт с помощью компьютера можно назвать компьютер- ным моделированием. Компьютерное моделирование является основным методом компьютерной картографии.

Помимо технической стороны компьютерная картография рассмат- ривает также теорию и методы картографического отображения объек- тов и явлений природы и общества, то есть построения языка карты, сис- тем картографических знаков; художественное проектирование карт (картографический дизайн), их красочное оформление применительно к новым информационным технологиям, основываясь на разработках

оформления карт и картографической семиотики.

Поскольку картография является областью науки, техники и произ- водства, то она имеет широкий спектр взаимодействия с комплексом фи- лософских, естественных и технических наук. В картографии находят применение общая теория отражения, теория моделирования, основные положения системного подхода, лингвистика, психология восприятия, математические науки (математический анализ, математическая стати- стика, теория информации, теория графов), технические дисциплины (автоматика, электроника, приборостроение, полиграфия). Картография тесно связана с топографией, геодезией, аэрокосмическими методами, с комплексом наук о Земле и планетах и с социально-экономическими науками [33].

Помимо традиционных отраслей науки и техники современная кар- тография взаимосвязана с геоинформационными системами (ГИС), пред- ставляющими систему технических средств, программного и информа- ционного обеспечения и предназначенную для сбора, обработки, хране-

5

ния, отображения и распространения пространственно-координирован- ной информации в целях решения комплекса народнохозяйственных за- дач по инвентаризации, анализу, оценке, прогнозу, планированию и управлению окружающей средой и территориальной организацией об- щества [9, 10, 12, 18, 33]. Разработка технологии создания и реализации

ГИС является одной из основных задач нового научного направления географии – геоинформатики [33]. По другим источникам геоинформа-

тика как область знания является разделом прикладной информатики [25]. В любом случае геоинформатика формируется на стыке географии, картографии, дистанционного зондирования, информатики, теории ин- формационных систем и других дисциплин с использованием общенауч- ных методов познания (в частности, системного подхода) и вычисли- тельной техники [24, 33].

«Картография и геоинформатика взаимодействуют по многим на- правлениям. Единство двух отраслей науки и техники определяется сле- дующими факторами:

∙общегеографические и тематические карты – главный источник пространственной информации о природе, хозяйстве, социальной сфере, экологической обстановке;

∙системы координат и разграфка, принятые в картографии, слу-

жат основой для географической локализации всех данных в ГИС;

∙карты – основное средство интерпретации и организации данных дистанционного зондирования и любой другой информации, по- ступающей, обрабатываемой и хранимой в ГИС;

∙геоинформационные технологии, используемые для изучения пространственно-временной структуры, связей и динамики гео- систем, в основном опираются на методы картографического анализа и математико-картографического моделирования;

∙картографические изображения – самая целесообразная форма

представления геоинформации потребителям, а составление карт

– одна из основных функций ГИС» [12, с. 267].

Существует несколько точек зрения на взаимодействие картографии с геоинформатикой и смежными дисциплинами, в частности, дистанци- онным зондированием (рис. 1).

Все три составляющие перекрываются и тесно взаимодействуют между собой в процессе получения, обработки и анализа пространствен- ной информации в модели, где ни одна из сфер не является доминирую- щей. Именно эта модель признается наиболее реалистичной.

6

а

ДЗ ГИС К

б

К

ДЗ ГИС

в

ГИС

ДЗ К

г

ДЗ К

ГИС

Рис. 1. Модели соотношения картографии (К), дистанционного зондирования (ДЗ)

и геоинформационных систем (ГИС) [12]: а) линейная модель;

б) доминирование картографии; в) доминирование геоинформационных систем;

г) модель тройного взаимодействия

Прямым результатом взаимодействия картографии и геоинформати- ки является геоинформационное картографирование, определяемое как отрасль картографии, занимающаяся автоматизированным составлением

7

и использованием карт как моделей геосистем на основе ГИС-

технологий и баз географических и картографических данных и знаний [9, 10, 12, 24]. Оно формируется на пересечении автоматизированного картографирования, аэрокосмических методов, системного картографи- рования и геоинформационных систем (рис. 2).

АК

АКМ ГК ГИС

СК

Рис. 2. Геоинформационное картографирование (ГК)

как узловая картографическая дисциплина [9, 23]:

АК – автоматизированное картографирование; СК – системное картографирование;

АКМ – аэрокосмические методы; ГИС – геоинформационные системы

Поскольку компьютерная картография является частью автоматизи- рованного картографирования, то для нее является справедливой эта же схема взаимосвязи.

Кроме того, компьютерная картография находится в тесном взаимо-

действии с цифровым картографированием [13, 27, 35], также являю-

щимся одним из направлений автоматизации картографической деятель- ности и призванным преобразовать образно-знаковую информацию карт в цифровую форму. Цифровые карты наряду с традиционными материа- лами служат источником информации для компьютерного составления. Одновременно и для цифровых карт в качестве исходных материалов ис- пользуются самые различные графические оригиналы (диапозитивы по- стоянного хранения, тиражные оттиски и др.), а также данные дистанци- онного зондирования.

8

Развитие технических средств оказало значительное влияние также на издание карт, которое традиционно зависит от достижений полигра- фии. Естественно, что и компьютерная картография тесно связана с ее развитием, поскольку способы формирования изображения на экране компьютера, применение изобразительных средств в значительной сте- пени диктуются особенностями используемого в дальнейшем, при печа- ти тиража карты, полиграфического оборудования и технологических процессов печати. В полиграфии этот процесс носит обобщенное назва- ние допечатной подготовки изображений [36, 42, 43, 44]. Вместе с тем и компьютерное изготовление оригиналов карт оказывает влияние на по- лиграфические технологии. Необходимость высокого качества продук- ции предъявляет свои требования к полиграфическому оборудованию.

Таким образом, главной задачей компьютерной картографии являет- ся составление, оформление и подготовка картографических изображе- ний к полиграфической печати с использованием компьютерных техно- логий. С дальнейшим развитием информационных технологий компью- терная картография, скорее всего, претерпит определенные изменения. Будет логично, если она сольется воедино с геоинформационным карто- графированием, поскольку их общей целью является получение высоко- качественных картографических произведений. Однако произойдет это не раньше, чем в геоинформационных технологиях будет обеспечен про- цесс полноценной подготовки карты к полиграфическому воспроизведе- нию. А до этого времени компьютерная картография должна служить делу обеспечения народного хозяйства высококачественными картогра- фическими произведениями, поскольку надобность в картах на твердой основе, видимо, отпадет еще не скоро.

9

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ КАРТОГРАФИИ

2.1. Растровое и векторное представление информации

Растровое изображение представляет собой набор пикселей [1, 23, 32, 37] или пикселов [4, 5] (picture element – элемент рисунка). Это самый минимальный и основной элемент изображения, формируемого на экра- не монитора или при печати [5, 32, 37]. Чем плотнее расположены пик- сели, тем более качественное изображение создается на экране. Плот- ность пикселей измеряется в единицах, называемых dpi (dots per inch – количество точек на дюйм), и общепринята в области компьютерной графики и издательского дела. Она используется для характеристики размеров растрового изображения с указанием ширины и высоты. На- пример, размер изображения 500х546 означает, что оно имеет 500 пиксе- лей по горизонтали и 546 – по вертикали. При этом количество точек, формирующих рисунок, не зависит от разрешающей способности уст- ройства вывода (экрана монитора, принтера и др.). А при увеличении масштаба изображения становится заметной мозаичная структура рисун- ка.

Простейшим видом растрового изображения является черно-белое изображение, состоящее из комбинаций черных и белых точек (рис. 3).

Рис. 3. Пример растрового изображения

10