ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО КАРТОГРАФИРОВАНИЯ
7.1. Определения, особенности и задачи геоинформационного картографирования
Геоинформационное картографирование (ГК) — это программно управляемое создание и использование карт на основе ГИС и баз картографических данных и знаний. ГК — отрасль картографии, его суть составляет информационно-картографическое моделирование геосистем [Картоведение, 2003].
Факторами становления и развития ГК стали теория и методы новой науки — геоинформатики, широкое внедрение в географию и картографию ГИС-технологий, обеспечивающих системный подход к отображению и анализу геосистем, создание картографических ГИС-пакетов и баз данных, развитие технических средств и методов компьютерного картографирования. ГК сформировалось как результат интеграции картографии, геоинформатики и аэрокосмических методов исследования (см. параграф 1.2.3).
Развитие ГК способствует совершенствованию ряда научных направлений современной картографии, поднимая их на более высокий технологический уровень. Наследуя достижения традиционного географического картографирования, геоинформационное картографирование обладает характерными особенностями. основные из которых:
7.1. Определения, особенности и задачи ГК |
263 |
•многовариантность создания карт для специфических проблемно-практических потребностей пользователей с оперативностью, приближающейся к реальному времени, в том числе с использованием данных дистанционного зондирования, баз цифровых картографических данных, распространяемых по сети Интернет;
•интерактивность картографирования, которая позволяет сочетать методы создания и использования карт, автоматические и картографические методы классификации и генерализации объектов и явлений;
•предоставление новых средств анализа данных, основанных на взаимодействии между математическим, статистическим анализом и картографированием;
•снижение временных и экономических затрат на создание карт, что может привести к полной реорганизации картографического производства;
•разработка новых видов и типов карт, которую трудно осуществить вручную, например, трехмерных (ЗЭ-карт) или стереоскопических изображений, динамических карт;
•минимизация использования бумажных карт как средств хранения картографической информации, затрудняющих ее применение в ГИС и ГК.
Главная задача ГК — создание карт как образно-знаковых моделей действительности; ее решение связано с применением стандартных и разработкой специализированных ГИС-технологий и новых методов картографирования на их основе.
Разные виды и типы цифровых данных требуют разработки методов их совместного использования, оценки пригодности для составления карт. Поэтому важно создание проблемно-ориентиро- ванных банков географических и картографических данных и знаний, которые способствуют не только накоплению и обмену информацией, но и повышению качества и достоверности картографирования.
Особенно возрастает роль таких банков для пространственного и
тематического согласования информации при создании комплексных электронных атласов и использовании карт в ГИС. Ключевую роль здесь играют опыт географической картографии и методы географического анализа.
2 6 4 Глава7. Задачи и методы геоинформационного картографирования
Основой для автоматизации в картографии служат матема- тико-картографическиемодели, разрабатываемые с использованием компьютерных технологий. Они способствуют развитию возможностей исследования географического распространения объектов и явлений, представленного дискретной информацией, путем ее аппроксимации непрерывной поверхностью. Картографический результат зависит от применяемых технологий и от полноты отображения в этой дискретной информации географических закономерностей.
Следующее направление исследований в ГК — вопросы автоматизированной генерализации, остающееся приоритетным и далеким от завершения, несмотря на то, что на его разработку были направлены усилия ведущих специалистов. Несомненно, определенные достижения имеются, особенно в области «геометрической» генерализации. Развитие пользовательского интерфейса в ГИС-пакетах позволит опытному картографу решать задачу в интерактивном режиме, редактируя изображение на экране по картографическим правилам генерализации геометрии и содержания. Этому же способствует создание и применение средств экспертных подсистем ГИС.
Совершенствование программного и технического обеспечения определяет и дальнейшее продвижение в области использования данных дистанционного зондирования в качестве одного из основных источников информации для ГИС и ГК, особенно для оперативного и динамического картографирования.
Для ГК важно не только автоматизированное воспроизводство картографического изображения, но и автоматизация использования карт, например, в ГИС, для создания новых карт, автоматизации исследований по картам. Устройства графического вывода данных — экраны мониторов — позволяют автоматизировать процесс проектирования и составления карт. И все же приоритетным остается создание компьютерной карты, оригиналов и печатных форм, а также печать картографических изображений. Все больше внимания уделяется применению картографических принципов оформления, моделированию цветных шкал, знаковых систем, формированию картографической семиотики. Однако постоянно возникает вопрос, действительно ли важен внешний вид карты; распространено утверждение, что компьютерные карты предназначены для непосредственного использования, а не для того, чтобы вешать их на стену или хранить в библиотеках, и поэтому не следует добиваться их соответствия качеству ручной картографии.
7 2 .Основные этапы развития методов и средств автоматизации |
265 |
Составление и изображение карт в ГК должно многое позаимствовать из принципов традиционной картографии, однако ГИС-техно- логии открывают абсолютно новые возможности в этой области. Картографические изображения на экране обладают рядом преимуществ, которых нет в традиционном картосоставлении: возможность быстро строить разные варианты карт, преобразовывать системы координат, создавать трехмерные изображения и динамические фильмы и т. п. Это новое средство моделирования реальной действительности. В то же время интерактивный способ, позволяющий сочетать различные принципы обработки, редактирования и корректуры, ручная генерализация с учетом взаимосвязей явлений и объектов связаны с эффективностью использования опыта и знаний картографа.
Необходимо понимание, что геоинформационное картографирование не сводится только к использованию ГИС-технологий. Это прежде всего картографирование объектов и явлений, основанное на методах анализа и синтеза их содержательной сущности. Инвариантной основой ГК остается комплексное географическое картографирование.
7.2. Основные этапы развития методов и средств автоматизации в картографии
Начальный этап становления автоматизированной картографии как нового направления в картографии относится к концу 50-х годов. Он обусловлен несколькими факторами, связанными с совершенствованием аппаратных средств, особенно графических, и с открытием доступа к ЭВМ, в первую очередь на Западе, не только для пользователей-математиков и системных программистов. Так, в институте географии Вашингтонского университета период наиболее активных исследований — 1958-1961 гг. — ознаменовался развитием статистических методов, программирования в целях компьютерной картографии. В. Тоблером (W. ТоЫег) были разработаны компьютерные алгоритмы для картографических проекций.
В 60-х и начале 70-х гг. персональные интересы определяли направление и приоритеты исследований в области машинной картографии. Стремление к переменам зародилось в двух сообществах:
•среди специалистов разных научных областей, стремившихся
кускоренному составлению карт для того, чтобы отразить
2 6 6 |
Глава7. Задачи и методы геоинформационного картографирования |
результаты моделирования или представить уже оцифрованные данные обширных архивов (например, таблиц переписи), при этом качество карт не имело первостепенного значения;
•среди картографов, стремившихся уменьшить затраты средств и времени на создание и издание карт.
Первым значительным пакетом программ для этих целей стал SYM АР, выпущенный в 1967 г. Гарвардской лабораторией машинной графики и пространственного анализа. SYMAP разрабатывался с 1964 г. как пакет программ общегеографического картографирования. Вывод результатов осуществлялся только на построчнопечатающее устройство, карты имели низкое разрешение и плохое качество. Пакет был функционально ограничен, однако прост в использовании, особенно для пользователей, не имеющих картографической подготовки. Это была первая наглядная демонстрация возможности автоматизированного картографирования, которая пробудила огромный интерес к ранее неизвестным технологиям.
В конце 60-х гг. появился пакет GRID — первый опыт растровых ГИС, в котором для вывода растровых карт использованы способы, аналогичные SYMAP, однако в нем уже были реализованы идеи оверлея.
Для работы с данными переписи населения в 1970 г. возникла потребность в методах точной географической привязки данных переписей — адресное геокодирование для перевода почтовых адресов в географические координаты и привязки к переписным зонам. В результате впервые были созданы массивы цифровой пространственной информации — файлы DIME, которые позже были переведены в формат цифровых файлов границ TIGER, разработанных в Бюро переписей.
Сразу после переписи 1970 г. стали создаваться атласы городов, несложные компьютерные карты которых использовались для целей маркетинга, организации розничной торговли, но в то же время стимулировали разработку современных программ статистического картографирования.
В институте исследования систем окружающей среды (ESRI). который был основан Джеком Данжермондом в 1969 г., шло постепенное развитие растровых и векторных систем на базе теоретических идей и методов, разработанных в Гарвардской лаборатории и других организациях. В начале 80-х гг. создана система ARC/INFO.
1 2 .Основные этапы развития методов и средств автоматизации |
267 |
в которой удачно реализованы идеи Канадской ГИС о разделении информации, о позиционной и атрибутивной составляющих данных, осуществлено соединение стандартной реляционной системы управ- ления табличными базами данных (INFO) со специализированной программой ARC, которая позволяет манипулировать объектами, хранящимися в виде дуг. ARC/INFO стала первым ГИС- и картографическим пакетом, использующим преимущества персональных компьютеров.
Из-за высоких цен на аппаратуру интерес к новым технологиям проявляли лишь крупные картографические службы. К1975 г. перво- начальной уверенности в том, что весь процесс создания карт может быть автоматизирован, несколько поубавилось из-за сложностей, связанных с генерализацией и проектированием карт. Возрождению надежд способствовали экспертные системы, позволяющие компью- теру выбирать методику в соответствии с особенностями данных, масштабом и назначением карты, а также совершенствование пери- ферийных графических устройств и соответствующих программных технологий для обеспечения интерактивного взаимодействия карто- графа с компьютером. С этим периодом связаны разработки первых автоматизированных картографических систем (АКС), к числу которых относится и система «АКС-МГУ», созданная на кафедре картографии географического факультета МГУ в 1987 г.
Начав с простых картографических изображений, в основном картофамм, выводимых на геометрически неточное алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ), машинная картография приблизила свои возможности к традиционному картографированию.
На начальных этапах становления (во второй половине 80-х гг.) геоинформационное картографирование воспринималось как процесс автоматизированного воспроизводства карт. Дальнейший этап развития связан с разработкой теории и методов создания картографических баз данных и математико-картографического моделирования, создания картографических моделей как физи- ческих явлений, например, цифровых моделей рельефа (ЦМР), так и моделей картографического изображения для представления карт на стандартных листах АЦПУ универсальных ЭВМ. Эти разработки послужили основой для развития методов геосистемного простран- ственно-временного моделирования и его графического представ- ления посредством картографической символики, что привело не
268 Глава 7. Задачи и методы геоинформационного картографирования
только к взаимодействию, но и отождествлению целого ряда методов и средств картографии и геоинформатики.
Основной причиной прогресса в ГК с начала 90-х гг. явилось бурное развитие электронно-вычислительной техники, и особенно персональных компьютеров (ПК), а также возрастание ее доступности во всем мире. Особенно сказались повышение быстродействия ПК, значительное увеличение оперативной и дисковой памяти и повышение качества графических устройств ввода и вывода картографической информации. Появились доступные программные средства мирового уровня.
Если прежде основные усилия были направлены на получение цифровых карт и обработку больших объемов информации, то теперь, освободившись от необходимости программирования рутинных процедур управления вводом и выводом данных, картографы переключились на методы анализа, проектирования и составления, создания и использования карт в ГИС, базах данных и знаний, экспертных системах. И здесь еще много нерешенных задач.
Карты продолжают оставаться наиболее удобной формой выдачи пространственной информации потребителю, обеспечивающей наглядное представление реальности, которое, как известно, лучше любого абстрактного понятия. Карта сама представляет собой целостную информационную систему. С другой стороны, значительная часть пространственно-определенной информации быстро меняется с течением времени и поэтому использование средств традиционной «бумажной» картографии становится затруднительным.
В новом тысячелетии картография испытывает серьезнейшую перестройку. Уходят в прошлое аналоговые методы создания и использования карт, уступая место новым электронным технологиям. В настоящее время гораздо больше карт составляется с применением компьютеров, чем вручную. Кроме того, ясно, что однажды созданный массив цифровых пространственно-определенных данных можно использовать, помимо составления карт, и для других целей, он имеет дополнительную ценность. Однако при всех явных преимуществах компьютерной картографии — уменьшение затрат на составление простых карт, ускорение производства, большая гибкость в представлении результатов и упрощение процесса приспособления карт к потребностям пользователя, разнообразие возможностей использования цифровых данных — видны и недостатки компью-