15.2. Проблемы качества векторных цифровых карт для гис

В силу многообразия задач, решаемых с помощью цифровых карт, трудно четко и однозначно определить универсальные критерии их качества. Наиболее общим критерием является способность карт обеспечивать решение поставленной задачи.

Ситуация на рынке цифровых карт такова, что в основном они создаются для конкретного проекта, в отличие от картографии традиционной, где в качестве картосновы проекта выбираются уже существующие карты. Таким образом, чаще всего создание цифровых карт определяется не устоявшимися и проверенными временем инструкциями, а разрозненными и не всегда профессионально составленными техническими заданиями (ТЗ).

Очень важное значение приобретает грамотное составление ТЗ, которое в конечном итоге и определит пригодность созданной в его рамках цифровой карты для нужд проекта. Важной характеристикой качественной цифровой карты является также способность обеспечивать решение перспективных задач, т.е. задач, которые не ставились в момент написания ТЗ, но появились в дальнейшем. Например, администрация заказывает создание цифровой карты города и предполагает ее последующее использование лишь для отобразительных целей (выкопировка, размножение, создание буклетов, прорисовка транспортных маршрутов и т.п.). Под эти цели создается цифровая карта, отвечающая правилам создания традиционных карт. В ней соблюдена графическая точность, правила прорисовки рельефа и т.д. То есть полигональные объекты могут быть не замкнуты, но при выводе в масштабе оригинала незамкнутость незаметна, так как составляет, к примеру, 0,05 мм (программное обеспечение не предусматривает функции подсоединения с образованием узла или оператор «на глаз» подсоединял или замыкал линии). Соответствующие границы в разных слоях (если разбивка на слои проводилась) не совпадают - существует «биение» границ (программное обеспечение не обеспечивает функции захвата границ или оператор при цифровании не использовал эти функции), но при выводе в масштабе оригинала это незаметно, поскольку «биения» перекрываются толщиной линии при печати и так далее. Далее появляются новые задачи - ведение кадастра, решение сетевых задач для нужд городского транспорта и множество других. И тут выясняется, что имеющаяся цифровая карта не отвечает новым требованиям, а ее переделка по времени и стоимости превышает создание новой цифровой карты. Следует отметить, что трудозатраты при создании «качественной» и «некачественной» цифровой карты примерно одинаковы.

Качество цифровых карт складывается из следующих составляющих:

• информативность,

• точность,

• полнота,

• корректная внутренняя структура.

Информативность. Карта как модель действительности обладает следующими гносеологическими свойствами:

1. Содержательное соответствие (научно-обоснованное отображение главных особенностей действительности).

2. Абстрактность (генерализованность карты, переход от индивидуальных понятий к собирательным, отбор типичных характеристик объектов и устранение второстепенных).

3. Пространственно-временное подобие (геометрическое подобие размеров и форм, временное подобие и подобие отношений, связей, соподчиненности объектов).

4. Избирательность и синтетичность (раздельное представление совместно проявляющихся явлений и факторов, а также единое целостное изображение явлений и процессов, которые в реальных условиях проявляются раздельно).

Эти свойства, влияют на качество завершенного продукта - цифровой карты, однако в основном относятся к компетенции создателей исходного картографического произведения. То есть создатели традиционной карты - источника цифрования несут ответственность за ее информативность, и при создании цифровой карты важно правильно подобрать источник и правильно передать, учитывая особенности цифрового картографирования, заложенную в карту информацию.

Точность. В понятие точности вкладывается ошибка положения контуров цифровых карт относительно источника, передачи размеров и форм объектов при цифровании, а также ошибка положения контуров цифровых карт относительно местности, связанная с источником получения цифровых карт (деформация бумаги, искажения растрового изображения при сканировании и т.п.). Точность зависит от программного обеспечения, используемого оборудования, источника цифрования, используемой технологии. Количественная оценка точностных показателей при создании векторной карты в среднем составляет 0,2 – 0,3 мм.

При создании цифровых карт используются две наиболее распространенные технологии: дигитайзерный ввод и векторизация растра, которые существуют параллельно и дополняют друг друга. Практика показывает, что сейчас нельзя говорить о преимуществе какой-то одной технологии. Так, с помощью дигитайзера лучше цифровать сложные, насыщенные многоцветные карты, так как оператору лучше понятна ситуация. Полуавтоматическая векторизация дает хорошие результаты при цифровании четких контуров на растре хорошего качества, например, расчлененных оригиналов рельефа на пластике.

При дигитайзерном вводе основной объем работ по вводу цифровых карт выполняется оператором в ручном режиме, т.е. для ввода объекта оператор наводит курсор на каждую выбранную точку и нажимает кнопку. Существует еще полуавтоматический режим ввода, когда фиксируется пара координат X, Y через заданный интервал времени или через определенное расстояние. Полуавтоматический режим экономит время, но для точного ввода не годится. Точность ввода при цифровании в огромной степени зависит от квалификации и индивидуальных качеств оператора.

При векторизации растра субъективные факторы влияют меньше, так как растровая подложка позволяет все время корректировать ввод. Программы векторизации растровых изображений условно можно разделить на три группы: ориентированные на ручную векторизацию, полуавтоматическую и автоматическую. Алгоритмы автоматической векторизации для ввода картографической информации на данный момент не используются для массового ввода картографического материала. Точность ввода информации у опытного оператора при ручной векторизации выше, так как при полуавтоматической на передачу формы влияет качество растра и при изрезанных краях растровой линии начинают появляться изгибы проводимой векторной линии, которые вызваны не общей формой линии, а локальными нарушениями растра. Оператор же в таких и подобных случаях форму объекта передает более точно, ориентируясь на дополнительные материалы (источник получения растра) и анализируя ситуацию. Нужно отметить, что при векторизации растра точность ввода значительно выше, чем при цифровании дигитайзером, и в основном зависит от качества исходного растра.

Используемое оборудование также оказывает влияние на качество цифровых карт:

1. При дигитайзерном вводе на качество цифровых карт влияет формат дигитайзера, температура окружающей среды, тип съемника информации дигитайзера:

• под форматом дигитайзера подразумевается размер его рабочего поля. Если цифруемая карта не умещается полностью на дигитайзер, т.е. формат дигитайзера меньше формата карты, то это принципиально не препятствует оцифровке карты (большинство программ имеет функции обеспечения цифрования в единой системе координат при сдвиге карты по рабочему полю дигитайзера либо возможность склейки «кусков» в единую карту), но сохранить точность при такой работе крайне проблематично. Таким образом, для создания цифровой карты при решении задач не только обзорного плана требуется иметь дигитайзер соответствующего формата. В среднем точность дигитайзеров колеблется в пределах 0,15 - 0,25 мм,

• температурный интервал - интервал температур, в котором обеспечиваются декларированные в документации параметры и характеристики прибора,

• тип съемника информации. Используется два типа съемников информации: курсор и перо. Для качественного ввода карт перо использовать нельзя в связи с низкой точностью. Для курсора важны следующие характеристики: отсутствие параллакса, наличие увеличивающей линзы, подсветки, эксцентриситет, качество визирных линий - цвет, форма, толщина и т.д. (например, перекрестье черных тонких визирных линий часто теряется внутри границ объектов, выполненных черной краской),

• эргономические показатели курсора и количество кнопок также крайне важны, однако критичными не являются.

2. Сканирование изображений. По способу сканирования сканеры подразделяются на роликовые, барабанные и планшетные. Существуют также сканирующие головки, устанавливаемые на некоторые перьевые плоттеры. Каждый из перечисленных типов вносит искажения при сканировании, что в конечном итоге оказывает непосредственное влияние на точность цифровой карты, полученной векторизацией растрового изображения. Например, в роликовых сканерах наблюдается «проскальзывание» материала под роликами, причем эти сканеры могут сканировать только гибкие материалы. При использовании же материалов на жесткой основе (толщиной до 3 мм) существенно снижается точность сканирования, причем величина погрешности не определена. Барабанные сканеры более дорогие, но и более точные. Эффект вибрации при вращении барабана вносит погрешности в растровое изображение, однако вполне обеспечивается разумная точность исходного изображения для последующей векторизации. Наиболее точные сканеры - планшетные. Сканирующая головка в силу низкой точности для сканирования картографического материала применяется редко.

Разрешающая способность сканера влияет на качество исходного материала, его читаемость. Особенно важна эта характеристика для работы полуавтоматических векторизаторов. Если оператор при векторизации в ручном режиме при низком качестве исходного материала может разобраться в ситуации (например, используя оригинал в качестве «справочного материала»), то при векторизации в полуавтоматическом режиме в таком случае требуются очень серьезные коррективы результата работы либо опять же переход в ручной режим. Следует помнить, что увеличение разрешения ведет к росту объема отсканированного материала.

Полнота передачи содержания. Полнота передачи содержания источника при переводе в цифровую форму зависит в основном от технологии создания цифровых карт, т.е. от того, насколько технологическая линия обеспечивает контроль пропусков операторами объектов цифрования. Для контроля может использоваться твердая копия цифровых карт (или определенного набора слоев), выведенная на пластик в масштабе оригинала. При последующем наложении на источник цифрования проводится сверка содержания цифровых карт и исходного материала. Такой метод может также использоваться для оценки качества передачи форм объектов, но неприемлем для оценки ошибки положения контуров, так как устройство вывода всегда дает довольно заметные искажения. При векторизации растра совмещение слоев созданной цифровой карты и растровой подложки позволяют оперативно выявить пропущенные объекты. Практика показывает, что в приходящей на первичный контроль цифровой карте в среднем пропущено от 2 до 8% объектов.

Корректная внутренняя структура. Структура цифровой карты может быть топологической и объектной (нетопологической). Готовая цифровая карта должна иметь корректную внутреннюю структуру, определенную требованиями, предъявляемыми к картам данного типа. Создание такой структуры зависит в основном от возможностей программного обеспечения ГИС.

Рассмотрим цифровые карты, используемые в топологических ГИС. Ядром картографической подсистемы в различных ГИС, использующих цифровые векторные карты, является многослойная структура карт (для одной и той же территории или иерархии территорий), над которыми должны выполняться операции сквозного поиска, наложения с созданием производных цифровых карт и сохранением связи идентификаторов объектов исходных и производных карт и др. Для поддержки этих операций к топологической структуре цифровых карт в ГИС предъявляются более жесткие требования, чем, например, к картам, которые используются для решения задач автоматизированного картографирования, обеспечения навигации и др. Это связано с тем, что часто контуры (части контуров) объектов с разных карт должны быть строго согласованы, но при практическом цифровании, несмотря на достаточно точное цифрование исходных карт по отдельности, это согласование не достигается, и при наложении цифровых карт вследствие «биения» соответствующих линий образуются ложные полигоны и дуги. Несовпадения могут быть визуально неразличимы до определенного масштаба увеличения, что вполне допустимо для задач автоматизированного картографирования, имеющих в общем случае конечной целью создание традиционной карты (фиксированного масштаба) с помощью средств автоматизации, и совершенно неприемлемо для ГИС-технологий, где для различных задач анализа используется строгий математический аппарат, а для задач визуализации возможно получение карты в любом масштабе отображения (надо разделять возможность варьировать масштаб увеличения/уменьшения данной цифровой карты и возможность получать карту в другом масштабе, что подразумевает изменение ее нагрузки и правил составления, различных для каждого масштаба). Например, топологическая карта должна иметь корректную линейно-узловую (т.е. полигоны должны собираться из дуг - смежные дуги цифруются только один раз - и быть замкнуты, дуги должны соединяться в узлах и т.д.) и многослойную структуру (соответственные границы из разных слоев совпадают, происходит точное примыкание дуг одного слоя к объектам другого и т.п.). Создание корректной структуры цифровой карты зависит от возможностей программного обеспечения и от технологии ее создания. Корректная внутренняя структура - одно из важнейших качеств цифровых карт.