Построение цифровой картографической основы для муниципальных и региональных ГИС

В.Н. Милич, А.И. Мурынов

При создании автоматизированных картографических систем (АКС) в составе муниципальных и региональных ГИС возникает комплекс взаимоувязанных вопросов, определяющих характер, содержание и возможности использования цифровой картографической основы для территорий городов и регионов. К таким вопросам относятся:
• выбор масштаба исходных картматериалов;
• определение содержания создаваемой цифровой карты;
• обеспечение требуемых нормативов точности;
• обеспечение возможностей оперативного приведения цифровой карты в соответствие с текущим состоянием местности (мониторинг);
• обеспечение совместимости пространственно-координированных данных различного тематического (отраслевого) характера, полученных различными средствами и представленных в различных формах;
• разработка структуры автоматизированной картографической системы, обеспечивающей эффективное многоцелевое использование цифровой карты.

Обсуждение этих вопросов часто приобретает дискуссионный характер с выдвижением противоречивых аргументов технического, организационного и экономического характера. Свою специфику этой дискуссии придают также местные условия - наличие и качество исходных картматериалов, ограниченность технических и финансовых ресурсов, расхождение интересов различных групп разработчиков и пользователей. Авторы полагают, что отмеченная дискуссионность не является принципиальной, а возникает в результате механического переноса традиционных картографических представлений в область ГИС-технологий, где эти представления и их концептуальные основы подвергаются в настоящее время существенной трансформации [1, 2]. Проведя анализ содержания понятий цифровой карты и автоматизированной картографической системы с позиций геоинформационного картографирования, выявив их особенности (выходящие за рамки традиционных картографических представлений) и руководствуясь принципом рациональной достаточности можно найти взаимоувязанные решения перечисленных вопросов и обнаружить необходимый компромисс между желаемым и возможным.

Первой обращающей на себя внимание особенностью создаваемых цифровых карт городов и регионов является их размер; должны быть сведены и сшиты десятки, сотни или тысячи номенклатурных листов карт (планов). Это порождает противоречие между стремлением выбрать возможно более крупный масштаб исходных картматериалов и объемом работ по цифровому картографированию. При увеличении масштаба карт (планов) суммарная их площадь возрастает в квадратической зависимости и соответственно увеличиваются стоимость и сроки выполнения работ. В то же время, чем крупнее масштаб, тем выше полнота содержания, детальность и точность создаваемой цифровой карты. Это противоречие отягощается двумя факторами. Во-первых, при переходе к более крупным масштабам снижается кондиционность всей совокупности исходных картматериалов, что проявляется в неполноте охвата территории и в разновременности листов карт и планов. Во-вторых, при визуализации электронных карт и при документировании компьютерных карт на "твердом" носителе в мелких масштабах необходимо многомасштабное представление данных в АКС, т.к. диапазон изменения масштабов от исходного до обзорного, обеспечивающего охват всей территории, изменяется в несколько сотен или тысяч раз. Первый фактор с неизбежностью приводит к необходимости использования разномасштабных и разновременных исходных картматериалов на различных участках территории и последующего доведения цифровой карты до современного состояния и требуемых полноты содержания, детальности и точности. Учет второго фактора требует выполнения специальных работ по генерализации цифровой карты с формированием ее производных оригиналов для всего используемого масштабного ряда [4-6], т.к. простое уменьшение масштаба карты превращает ее в малосодержательную картинку, не отвечающую картографическим требованиям.

Второй отличительной особенностью цифровых карт является их многослойный характер с потенциальной неограниченностью числа тематических слоев. При этом, если содержание первичной цифровой картографической основы в основном диктуется требованиями к содержанию топографических карт и планов [3-6], то последующее ее использование предполагает совмещение с ней тематических (отраслевых) данных, получаемых различными способами, различающихся по точности и содержанию, представляемых в различных масштабах и проекциях и отнесенных к различным участкам территории и моментам времени. Нормативная точность некоторых типов данных превосходит точность исходных картматериалов при любом выборе их масштаба [7]. Часто тематические данные представляются на картах, проекция которых неизвестна. Кроме того, при использовании материалов аэрокосмических съемок необходима фотограмметрическая обработка данных. Как следствие, возникают проблемы координирования этих данных в цифровой карте и сбалансированного представления картографической информации в АКС при реализации электронных и компьютерных карт различных масштабов.

Третьей важной особенностью цифровых карт (часто упускаемой из виду) является (по крайней мере, должен являться) их объектный характер. Если под цифровой картой понимается модель территории, а не просто графическое ее воспроизведение в принятой системе условных знаков, то должны быть определены пространственные объекты, их местоположение, характеристики и взаимосвязи. Иначе, АКС должна "понимать" карту примерно так, как это делает человек, визуально воспринимая и распознавая ее. Поэтому, пространственно-координированные данные должны представляться в цифровой карте в уже "распознанном" виде. Практически это достигается за счет использования таких технологий цифрового картографирования, которые обеспечивают:
• формирование пространственных объектов путем атрибутирования элементов карты;
• определение пространственных отношений на основе использования векторных топологических представлений данных;
• определение концептуальных отношений объектов за счет использования объектно-ориентированных средств представления и обработки данных.

При этом должна быть обеспечена возможность произвольного объектообразования с формированием иерархических группировок любых элементов карты без ограничений по их типам (точечный, линейный или планарный) и размещению в различных тематических слоях. Таким образом, данные, помещаемые в цифровой карте - разномасштабные, разновременные и неравноточностные, пространственно-координированные различными способами, должны образовывать многослойную иерархически организованную объектную структуру, которая является моделью территории. Естественные требования к модели - точность, детальность, достоверность и современность, вступают в противоречие с характером используемых данных. Ситуация осложняется также часто обнаруживаемой (особенно при проведении ОР8-измерений) недостаточной точностью математической основы крупномасштабных планов; при достаточно точном взаимном координировании близких объектов их привязка к системе координат подвержена довольно нерегулярным погрешностям и в целом вся территориальная структура заметно деформирована. В результате увеличение масштаба исходных материалов не дает ожидаемого увеличения точности цифровой карты.

Сказанное означает, что практически невозможно единовременно (в течение короткого периода времени) создать цифровую картографическую основу, удовлетворяющую всем предъявляемым к ней требованиям. Поэтому обычно единственной реальной возможностью является создание первичной цифровой карты на базе имеющихся картматериалов и организация процесса постоянного последующего ее совершенствования всеми доступными средствами мониторинга. При этом необходимо, чтобы первичная цифровая карта в максимально возможной мере отвечала предъявляемым к ней требованиям, а указанный процесс был достаточно интенсивен, чтобы максимально быстро обеспечить удовлетворение этих требований в полной мере, а в дальнейшем - обеспечил бы мониторинг происходящих на местности изменений в масштабе времени, близком к реальному.

Таким образом, цифровая карта принципиально должна рассматриваться как динамичный объект, в отличие от статичных единовременно создаваемых графических оригиналов карт и планов. Эта динамичность обеспечивается за счет оперативной компьютерной обработки вновь поступающих данных и основная задача состоит в разработке методов их обработки, которые могут быть реализованы на основе модификации понятия цифровой карты, придающей ей новые, отличные от традиционных, качества.

Первое качество - многомасштабность, которая проявляется в следующем:
• в кодификатор цифровой карты включаются коды всех видов объектов, соответствующих условным знакам для всего рассматриваемого масштабного ряда - от максимально детального до обзорного, обеспечивающего охват всей территории;
• кодификатор сопровождается таблицей генерализации, в которой для каждого кода указаны интервалы масштабов его актуализации, а для каждого интервала указана графическая форма воспроизведения соответствующего масштабу условного знака;
• при визуализации производной электронной карты и при документировании производных компьютерных графических оригиналов карт в картографическом изображении воспроизводятся только актуализированные в данном масштабе объекты в соответствующей графической форме;
• кодификатор также сопровождается таблицей требуемых нормативов точности и детальности, в которой для каждого вида объекта (кода) указаны средняя абсолютная погрешность точек его контура в масштабе местности и цензовая характеристика детальности, соответствующая определенному масштабу графических оригиналов карт (планов).

Таким образом, нормативы точности и детальности контуров объектов определяются не масштабом карты, а исходя из требований потребителей, индивидуально и независимо для каждого вида объектов и независимо друг от друга, а содержание карты и ее графическое оформление ставится в зависимость от масштаба ее актуализации. В этом состоит многомасштабность цифровой карты, отличающая ее от графических оригиналов карт и планов.

Второе качество состоит в специальной организации данных в цифровой карте, которая предполагает разбиение ее на совокупность координатно-взаимосвязанных блоков и разнесение данных по этим блокам в зависимости от их назначения и характеристик данных. Координатные взаимосвязи могут быть горизонтальными (примыкание блоков, соответствующих смежным участкам территории), вертикальными (вложенность блока, содержащего данные более высокой детальности и точности, в блок с данными меньшей детальности и точности) и тематическими (совмещение блоков, содержащих данные различного тематического характера). Рациональная организация данных в цифровой карте такого вида предусматривает выделение следующих цифровых карт, образуемых совокупностями указанных блоков (см. рис.).

Базовая цифровая карта (БЦК) образует единую основу (преимущественно топографического характера) для всех остальных цифровых карт, является принципиально многомасштабной и может быть разбита на блоки с горизонтальными координатными взаимосвязями, соответствующие номенклатурным листам исходных картматериалов.
Детальные цифровые карты, имеющие вертикальную координатную взаимосвязь с БЦК, формируются на отдельные выделенные участки территории, для которых необходимы более высокие полнота содержания, детальность и точность воспроизведения пространственной информации и/или доступ к информации по ним должен быть ограничен.
Тематические цифровые карты являются производными от БЦК, содержат информацию по различным аспектам территории (обычно - "атласный" набор) и имеют тематическую координатную взаимосвязь с БЦК.
Отраслевые цифровые карты отличаются от тематических тем, что содержат специализированную информацию (типичный пример - коммуникации), необходимую ведомствам и организациям для осуществления их деятельности, представленную с высокой точностью и детальностью.

Кроме того, для обеспечения точной математической основы цифровых карт формируется координатно-объектная база данных (КОБД), содержащая точно измеренные координаты точек, идентифицируемых в цифровых картах, и элементы их взаимного координирования. Координатно-объектная база данных представляет собой единый специальный слой БЦК и детальных цифровых карт и имеет одновременно вертикальные и тематические координатные взаимосвязи с ними.

Для оперирования совокупностью цифровых карт необходим интегратор картографической информации, который осуществляет управление АКС с учетом координатных взаимосвязей цифровых карт и их блоков, а также необходимые внешние функции работы с периферийным оборудованием, с различными форматами данных, поддержки различных картографических проекций и систем координат. В качестве интегратора целесообразно использование полнофункциональных ГИС-оболочек (например, MapInfo). Совокупность цифровых карт с различными видами координатных взаимосвязей между ними по существу представляет собой гиперкарту, как разновидность гипергеоизображения [1, 2] (и по аналогии с понятием "гипертекст"), обобщающую понятие карты. Описанная модификация понятия цифровой карты определяет структуру АКС и регламент ее функционирования, показанные на рисунке. Исходные материалы (картографические, аэрокосмосъемочные и материалы полевых съемок) обрабатываются с целью пространственного координирования содержащихся в них данных для последующего размещения в цифровых картах, входящих в состав АКС. Пространственное координирование включает в себя весь набор необходимых операций - цифрование, координатную привязку, фотограмметрическую обработку, уравнивание сетей, трансформации проекций, геокодирование. Ядром АКС является базовая цифровая карта (БЦК), которая первоначально создается путем цифрования имеющихся исходных картматериалов, характеристики которых (масштаб, дата) приписываются блокам первичной БЦК. В первую очередь цифрованию подвергаются главные элементы содержания исходных топографических материалов, необходимые подавляющему большинству пользователей. Часть информации отраслевого характера помещается в отраслевые цифровые карты и в дальнейшем дорабатывается до уровня, отвечающего соответствующим отраслевым требованиям. Кроме того, в БЦК может помещаться информация нетопографического характера, также необходимая большинству пользователей. Как отмечено выше, характеристики первичной БЦК могут не в полной мере удовлетворять предъявленным к ней требованиям. Поэтому дальнейшая поддержка БЦК осуществляется путем внесения в нее документированных изменений и приписывания изменяемым объектам характеристик данных (точность, детальность, дата).

После создания первичной БЦК формируется координатно-объектная база данных (КОБД), которая в дальнейшем поддерживается путем создания и развития сети опорных точек на картографируемой территории. Уплотнение сети опорных точек в КОБД и анализ поля деформаций плоскости, восстанавливаемого по векторам невязок, позволяют:
• оценить точность создаваемых цифровых карт;
• обеспечить картографическую точность пространственного координирования данных; сравнительно легко решаются задачи компенсации деформаций основы (в т.ч. "мягкой") исходных картматериалов, и трансформации проекций тематических карт (в т.ч. при неизвестных проекциях);
• повышать точность математической основы цифровых карт по мере уплотнения сети опорных точек путем анализа полей деформаций плоскости и проведения соответствующих компенсирующих преобразований.

Описанные принципы построения АКС реализованы в концепциях муниципальной автоматизированной картографической системы г. Ижевска (МАКС-Ижевск) [8,9] и региональной межотраслевой информационно-картографической системы Удмуртской Республики (РЕМИКС-Удмуртия) [10], принятых в 1997г. в качестве основы для разработок ГИС соответствующих территорий.

Литература
1. Берлянт А.М. Геоиконика. М.: 1996, 208с.
2. Берлянт А.М. Геоинформационное картографирование. М.: 1997, 64с.
3. Основные положения по созданию и обновлению топографических карт масштабов 1:10 000, 1:25 000, 1:50 000, 1:100 000, 1:200 000, 1:500 000, 1:1 000 000. М.: РИО ВТС, 1984.
4. Условные знаки, образцы шрифтов и сокращения для топографических карт масштабов 1:25 000, 1:50 000, 1:100 000. М.: ВТУГШ, 1973.
5. Условные знаки для топографической карты масштаба 1: 10 000. М.: Недра, 1977, 143с.
6. Условные знаки для топографических планов масштабов 1: 5 000, 1:2 000, 1:1 000, 1:500. М.: Недра, 1989,286с.
7. Инструкция по межеванию земель / Комитет Российской федерации по земельным ресурсам и землеустройству. -М.: 1996.
8. В.Н. Милич, А.И. Мурынов. Концепция муниципальной автоматизированной картографической системы Ижевска. - "ГИС-Обозрение", 1997, № 3. - С.55-56.
9. Концепция муниципальной автоматизированной картографической системы г. Ижевска (МАКС-Ижевск). Ижевск, 1996.
10. Концепция региональной межотраслевой информационно-картографической системы Удмуртской Республики (РЕМИКС-Удмуртия). Ижевск: 1997.