О системе картографических понятий, определений, терминов ГИС

Л.М. Бугаевский, В.Я. Цветков

Московский Государственный Университет Геодезии и Картографии

Геоинформационные системы имеют своих предшественников - информационные системы общего типа, породившие методы и технологии работы с информацией. Отличием и сущностью ГИС является то, что в таких системах объекты и явления рассматриваются с точки зрения их размещения на поверхности Земли (или относительно поверхности Земли), т.е. информация в ГИС специальным образом пространственно привязана. Именно это отличает геосистемы от других природных социальных и смешанных систем [1] и позволяет рассматривать ГИС как инструмент моделирования геосистем [2]. Основой для интеграции такой информации, т. е. теоретической и практической основой любой ГИС, является базовая карта или система карт [4]. Кроме того, с помощью карт во многих случаях осуществляется отображение информации для различных приложений. Каждая карта должна создаваться в определенной геодезической системе координат, в принятой картографической проекции, в заданной системе размерностей с использованием теории, методов и технологий соответствующих научных дисциплин. Одной из важных задач создания теории ГИС является разработка и уточнение совокупности определений, понятий и терминов - в том числе связанных с созданием и использованием карт. При этом представляется вполне обоснованным использование терминологии, понятий и определений, разработанных в научных дисциплинах, на которых базируется ГИС, вводя новые термины лишь в тех случаях, когда это требуется для описания принципиально новых понятий [6]. В настоящее время в технической документации к различным программным оболочкам ГИС существуют достаточно сильные разночтения в терминах и определениях, связанных с картографией. В документации к отечественным пакетам, таким, например, как GeoDraw/GeoGraph и Панорама, картографическая терминология, как правило, используется корректно, но без подробных объяснений. Для зарубежных продуктов, которые сами по себе в большинстве случаев вполне приемлемы, характерны определенные неточности, содержащиеся в сопровождающей их документации. Документация эта к тому же не всегда корректно переводится и редактируется. Причиной отсутствия подробных объяснений является то, что первоначально документация предназначалась пользователям, прежде работавшим с картами и более или менее профессионально владеющим терминологией геодезии и картографии. Некорректность и неточность формулировок вызваны, по-видимому, тем, что некоторые специалисты, работающие над созданием и использованием программных оболочек и конкретных ГИС, весьма успешно решают задачи создания разнообразных программных продуктов и, не получив образования по научным дисциплинам - теоретической базе ГИС, например, в областях географии, геодезии, картографии, формулируют и используют предложенные ими понятия, термины и определения, которые не раскрывают существа рассматриваемых положений, являются ошибочными или неточными. Тревожит тот факт, что переводная литература с ошибочной или неточной терминологией может применяться в учебном процессе (в первую очередь при практических работах) и при этом создавать совершенно неправильные представления и понятия у студентов. В качестве примера можно рассмотреть фрагменты справочной информации к популярному в нашей стране инструментальному пакету ГИС ArcView 3.05 ArcView разработан американским Институтом Исследований Систем Окружающей Среды (Environmental System Research Institute, ESRI). Более 25 лет этот институт, фактически являющийся частной фирмой, возглавляемой Д. Дангермонодом, занимается исследованием и разработкой ГИС. Несмотря на это, в русском переводе описания к ArcView (и в определенной мере в самом оригинале) имеется большое число грубых ошибок, на которые авторы настоящей статьи хотели бы обратить внимание разработчиков и пользователей. Это касается по существу всей системы понятий, терминов и определений ГИС, например, понятия о географической и картографической информации, геодезических системах координат, о создании, использовании, полноте содержания карт и т.п.

В статье нет возможности и необходимости дать разъяснения по каждому из ошибочных определений и понятий. Приведем для иллюстрации только несколько примеров таких определений и дадим по ним некоторые пояснения.

1. "Что такое масштаб карты? Масштаб карты - связь между расстоянием на карте и расстоянием на поверхности земли. Масштаб обычно выражается как отношение (коэффициент) между расстоянием на карте и расстоянием на земной поверхности, например, 1 : 63360..." [7, 8] Во-первых, на картах не устанавливается непосредственная связь точек реальной поверхности Земли и точек карты. Поверхность Земли вначале отображается на поверхность референц-эллипсоида, а при создании карт устанавливается связь точек поверхности эллипсоида и карты. В связи с этим существуют следующие определения [3] и пояснения. Масштабы подразделяются на линейные масштабы и масштабы площадей. Линейные масштабы подразделяются на главные (общие) масштабы и частные масштабы длин. Главный масштаб длин (карты) - это показатель общего уменьшения линейных размеров всего эллипсоида (сферы) или его части до отображения картографируемой поверхности на плоскость. Этот масштаб подписывается на карте, но он сохраняет свое значение только в отдельных точках или на некоторых линиях. Главный масштаб и его изменения не влияют на свойства проекции и соответственно карты. Фактически масштаб карты изменяется при переходе из одной точки в другую, а в каждой точке, за исключением конформных и квазиконформных проекций, он меняет свои значения при изменении направлений (азимутов), по которым выполняются измерения (вычисления). Характеристику таких изменений и их значений дает понятие частного масштаба длин, под которым понимается отношение бесконечно малых отрезков на карте к соответствующим бесконечно малым отрезкам на поверхности эллипсоида (шара). Частным масштабом площадей называют отношение бесконечно малых площадок на карте к соответствующим бесконечно малым площадкам на поверхности эллипсоида (шара). Использование этого понятия позволяет оценить искажения площадей на карте относительно их размеров на поверхности эллипсоида (шара).

2. "Картографические проекции. Картографические проекции позволяют представлять области на земной поверхности (эллипсоиде) на карте (плоской поверхности). Таким образом, точное положение объекта на земной поверхности может быть вычислено по карте. Все картографические проекции в некоторой степени искажают форму объектов, площадь, расстояние или направление. Воздействие этого искажения на вашу работу зависит от предназначения вашей карты и от ее масштаба." [7, 8]

В этом разделе отсутствует собственно определение картографической проекции. Кроме того, создается впечатление, что авторы отождествляют понятия отображения реальной поверхности Земли и эллипсоида. Приведем два определения:
* Картографической проекцией называется математически выраженный закон отображения поверхности Земли или других небесных тел, принимаемых за поверхность шара, эллипсоида вращения или другие регулярные поверхности, на плоскость.
* Картографической проекцией называется способ установления взаимно-однозначного соответствия точек отображаемой поверхности и плоскости.

В связи с этим на карте существует взаимно-однозначное соответствие координат отображаемой поверхности и проекции по главным элементам содержания и топологическое соответствие других элементов содержания. Не картографические проекции искажают форму объектов, площади, расстояния или направления, а в проекциях имеются различные виды искажений, вытекающие из их особенностей. При этом, в зависимости от назначения карт и решаемых по ним задач, выбирают проекции с различным соответствующим характером искажений. Если предполагается измерение площадей объектов, то выбирают равновеликие проекции, в которых отсутствуют искажения площадей, но имеют место другие виды искажений. Если необходимо измерять расстояния, углы, определять градиенты, то выбирают равноугольные проекции, в которых отсутствуют искажения углов между направлениями бесконечно малых отрезков, сохраняются постоянные значения частных масштабов длин соответственно в каждой точке вне зависимости от направлений, по которым выполняются измерения. Если необходимо получить наиболее верное представление о форме объектов (площадных), то также более предпочтительны равноугольные проекции, в которых отсутствуют искажения форм бесконечно малых фигур, а искажения форм конечных фигур меньше, чем в других неравноугольных проекциях.

Таким образом, не "воздействие искажений на вашу работу зависит от предназначения вашей карты и ее масштаба" [7, 8], а в зависимости от назначения карты выбирают проекцию, в которой соответствующий вид искажений отсутствует, а другие искажения с учетом географического положения картографируемой территории, ее размеров и конфигурации были бы минимальны. При этом, используя особенности проекции, представляется возможным, при необходимости, вычислить и ввести поправки в измеренные величины, учитывающие искажения проекции.

3. "В большинстве бизнес-приложений характеристики картографической проекции не имеют принципиального значения." [7, 8] Такое утверждение не совсем верно, вне зависимости от того, будут ли пользователи выполнять по картам какие-либо измерения или только ограничиваться визуальным изучением явлений. Можно сказать, что конечному пользователю не всегда обязательно знать, какая проекция выбрана для карты, с которой он работает, если эта проекция предварительно кем-то определена в соответствии с задачей. Для правильного зрительного восприятия изображения необходимо, чтобы искажения проекции не превосходили определенного порога. Исследования, выполненные в ЦНИИГАиК, показали, что при искажении длин и площадей до 7% и искажении углов до 7(, они при зрительном восприятии не ощущаются, а при больших искажениях создаются неверные представления о различных аспектах рассматриваемых изображений. Тем более это важно при решении по картам различных картометрических, навигационных задач, использовании карт в различных отраслях народного хозяйства, при создании и использовании ГИС, решающих разнообразные пространственно-локализованные задачи и т.п. При этом важно, чтобы для более верного решения поставленных задач, используемые картографические проекции имели соответствующий характер искажений, при которых отсутствует заданный вид искажений, а другие виды искажений имеют минимальные величины.

4. "Некоторые заранее заданные проекции (например, сохраненные в файле default.prj в каталоге etc ArcView, которые отображаются как "стандартные" проекции в окне Свойства проекции) связаны с определенным типом эллипсоида в зависимости от их использования..." [7, 8] Здесь имеются неточности и смешение понятий о геодезической системе координат и использование картографических проекций.

В каждой стране принята определенная система геодезических координат, включающая:
* исходный референц-эллипсоид;
* исходные геодезические даты (datum) - широту и долготу начального пункта, азимут на ориентирный пункт, превышение эллипсоида над геоидом в начальном пункте.

При создании карт, прежде всего, используют принятую в стране геодезическую систему координат. Если исходный материал составлен в другой системе геодезических координат, то вначале преобразуют исходную геодезическую систему координат в систему геодезических координат данной страны. Далее составление карт выполняется в этой геодезической системе с использованием соответствующих картографических проекций, выбираемых в соответствии с назначением, особенностью картографируемых территорий, масштабом создаваемых карт по особо разработанным правилам [3].

5. "...Когда мы говорим о подробности карты, мы говорим о количестве представленной на ней географической информации. Точность карты, с другой стороны, является показателем качества этой информации. Крупномасштабные карты обычно показывают большее количество подробностей, чем мелкомасштабные карты, но нет никакого стандартного правила для определения того, сколь детально должна отображать все черты местности карта данного масштаба и с какой точностью. Это определяется картографической задачей и числом обозначений на доступном пространстве, без помех для просмотра..." [7,8] Действительно задача определения полноты и подробности содержания создаваемых карт является одной из самых сложных, но правила и способы решения этой задачи существуют и определяются закономерностями выполнения картографической генерализации. Картографической генерализацией называется установление и отображение на картах типичных свойств и характерных особенностей картографируемых объектов и явлений. Она осуществляется в зависимости от факторов, влияющих на степень и полноту генерализации: назначения карты, ее главного масштаба, особенностей картографируемой территории, исходного картографического материала, системы условных знаков, способа использования карты (как настольной, настенной, в атласе, в склейке или одиночно), особенностей считывания информации по картам. При выполнении картографической генерализации используется в основном три способа: способ обобщения качественных и количественных показателей, способ отбора и способ обобщения контуров. Несмотря на некоторые недостатки всего этого процесса, в общем используемые способы позволяют достаточно объективно решать задачу отображения объектов и явлений местности и общества (на тематических картах) с необходимой полнотой, подробностью и точностью. Точность карты зависит от ряда факторов, и это отдельный разговор. Более подробно о картографической генерализации можно прочитать, например, в работе [5]. В рассматриваемой технической документации имеется и много других подобных ошибок и неточностей. Приведенные примеры позволяют подчеркнуть пагубность использования таких ошибочных утверждений и понятий не только с точки зрения правильного понимания сущности рассматриваемых вопросов, но и при практическом решении задач ГИС. Нет необходимости рассматривать все эти ошибочные определения, понятия, термины, которые допускаются в различных работах и которых очень много. Необходима разработка строгой системы картографических понятий, терминов и определений, используемых в описаниях ГИС, на основе существующих терминологических баз с привлечением соответствующих специалистов различных областей знаний. Такая система должна оперативно изменяться в соответствии с современным состоянием геоинформатики. Решение этой проблемы является важной и актуальной теоретической и практической задачей развития и верного использования геоинформационных систем.

Литература
1. Арманд А.Д. "Сильные" и "слабые" системы в географии и экологии// сб. Устойчивость геосистем, М.:Наука, 1983, с. 50-60
2. Берлянт А.М., Жалковский Е.А. К концепции развития ГИС в России// "ГИС- Обозрение", 1/1996, с. 7-11
3. Бугаевский Л.М. Математическая картография, М.: Златоуст, 1998.
4. Мартыненко А.И., Бугаевский Ю.Л., Шибалов С.Н. Основы ГИС: теория и практика, М., 1995
5. Салищев К.А. Картография, М.: Высшая школа, 1966
6. Флейс М.Э. К вопросу определения математической основы ГИС// Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации, № 2 (19), 1999, с. 47
7. ArcView. Версия 3.05. Руководство пользователя, 1998, 367 с.
8. ArcView. Версия 3.05. Электронный справочник (Help).