автореферат диссертации по геодезии, 05.24.03, диссертация на тему:Разработка методики редактирования мелкомасштабных карт в интерактивном режиме

Введение.

1. Специфика автоматизированной картографической генерализации.

1.1 Основные положения картографической генерализации.

1.2 Теоретические основы автоматизированной картографической генерализации.

2. Подходы к автоматизации процессов обобщения линейных объектов картографирования (отечественный и зарубежный опыт).'.

2.1 Картометрические и морфометрические характеристики линейных объектов для обеспечения автоматизации прбцесса обобщения.

2.2 Анализ алгоритмов автоматизированного обобщения линейных объектов.

2.3 Этапы автоматизированного обобщения линейных объектов.

2.4 Обобщение линейных объектов на примере создания цифровых карт-основ.

3. Методика автоматизированной генерализации (отбора) линейных объектов (на примере рек).

3.1 Характеристики рек

3.2 Факторы, влияющие на отбор рек.

3.2.1 Масштаб.

3.2.2 Густота речной сети.

3.2.3 Значимость речной сети.

3.2.4 Размеры картографических условных знаков и подписей линейных объектов.

3.3 Графическая нагрузка карты линейными объектами.

3.4 Реализация методики автоматизированного отбора рек.

4. Апробация методики автоматизированного отбора линейных объектов.

4.1 Изготовление цифровых карт-основ элементов гидрографии Московской области и бассейна реки

Оки масштаба 1:2 500 ООО.

4.1.1 Подготовка информации о реках к цифрованию.

4.1.1.1 Разработка графа.

4.1.1.2 Образование абсолютных кодов рек.

4.1.1.3 Формирование ведомости кодирования.

4.1.2 Изготовление и редактирование цифровой карты-основы.

4.2 Определение графической нагрузки рек на исходном картоматериале.

4.3 Вычисление графической нагрузки линейных объектов для создания производных цифровых карт-основ.

4.4 Создание производных цифровых карт-основ.

4.5 Программное обеспечение.

4.6 Техническое обеспечение.

Бурное развитие и использование программно-технических комплексов на базе современной вычислительной техники обусловили автоматизацию технологических и информационных процессов в самых разнообразных отраслях народного хозяйства. Не осталось в стороне и картографическое производство, где крупномасштабное цифровое картографирование и ее продукт - цифровые топографические карты, относительно давно и широко используются во всем мире. Мелкомасштабное цифровое картографирование, основанное на цифровании мелкомасштабных общегеографических карт, только начинает развиваться. Этому будет способствовать создание геодезическими службами РФ и СНГ базовой общегеографической карты России и сопредельных государств масштаба 1:2 500 ООО (ОКР и СГ), которая, наряду с другими традиционно широкими возможностями по ее применению, должна стать основным исходным картографическим материалом (ИКМ) для цифрования с одновременным формированием и использованием цифровой картографической информации для автоматизации технологических и информационных процессов.

Для повышения информативности цифровой общегеографической карты, одновременно с ИКМ, необходимо использовать дополнительную справочно-статистическую информацию в традиционной и цифровой форме, включая взаимообмен нормативной информацией между картографическими автоматизированными системами и автоматизированными системами поставщиков-потребителей информации. Это не только обогатит цифровую карту, но и позволит организовать дежурство и оперативное обновление цифровой картографической информации.

Элементы гидрографии являются важными картографическими объектами, показываемые на карте и в отличие от других объектов, являющихся искусственными, то есть "изобретенными" человеком, включают в себя естественные физико-географические объекты. Поэтому, помимо политико-административной привязки, удовлетворяющей технологический процесс цифрования исходного картографического материала, элементы гидрографии для обеспечения автоматизации информационных процессов должны иметь еще и географическую привязку по бассейнам, реализующую связь "океан-море-река" и обеспечивающую логическую связь рек между собой, которая выражается в абсолютных кодах рек.

Таким образом, ставится задача не только создать цифровую общегеографическую карту, но и сформировать цифровую базу картографических данных для реализации и функционирования технологической (автоматизированной системы мелкомасштабного картографирования - АСМК) и информационной (картографической автоматизированной информационной системы - КАИС) систем, которые в конечном результате должны образовать мелкомасштабный банк картографических данных (МБКД).

При создании базовой цифровой карты-основы наиболее оптимальным принципом цифрования и накопления является формирование цифровой картографической информации не по номенклатурным листам или листам карты, а по политико-административным единицам [23]. Так, в пределах РФ по административным единицам 1-го порядка, то есть по субъектам (республикам, краям, областям, округам). Это объясняется следующими причинами:

• Формирование ЦКИ по номенклатурным листам даже максимального 1:1 ООО ООО масштаба слишком раздробит информацию, а по номерам листов масштаба 1:2 500 ООО, чрезвычайно укрупняет ее;

• На основании ЦКИ и известным границам номенклатурных листов или номерам листов карт всегда возможно программным путем пересчитать информацию в требуемые рамки;

• Источником формирования ЦКИ является не только базовая общегеографическая карта, но и справочно-статистическая информация других организаций (например, Госкомстата), которые, как правило, хранят свою информацию по принципу политико-административного деления;

• Появляется возможность (хотя бы на первом этапе) использовать более дешевые, малоформатные устройства ввода и вывода информации за счет небольших размеров картографируемой территории.

Важной проблемой в цифровом картографировании является задача создания автоматизированным способом производных цифровых карт на основе уже оцифрованных карт более крупного масштаба, при этом возникает необходимость решения проблемы генерализации, которая сильнее проявляется с уменьшением масштаба картографирования. Особенные трудности возникают при обобщении линейных объектов, которые трудно поддаются формализации, то есть автоматической (программной) реализации. Формализации поддается отбор картографических объектов (рек) в зависимости от масштаба карты и особенностей картографируемой территории (густоты расположения объектов). Отбор объектов влияет на общую графическую нагрузку карты, которую необходимо определить посредством картометриче-ских работ и для которой необходимо создать условия для манипул и

А -4 ' ' ^ у рования ее в интерактивном режиме «картограф -ЭВМ», посредством разработки системы меню, диалогов и подсказок.

Для практической реализации этого необходимо одновременно с цифрованием ИКМ выполнять картометрические работы с учетом размеров картографических условных знаков (КУЗ) и подписей и определить оптимальную нагрузку карты, что в традиционной картографии сделать достаточно сложно. В условиях автоматизированного создания карт эта задача может быть решена без дополнительных затрат в процессе цифрования и конструирования условных знаков и подписей к ним. Таким образом, появляется реальная возможность не только визуально оценивать нагрузку проектируемых карт, но определять числовое значение нагрузки, манипулировать ею и тем самым держать нагрузку карты в определенных пределах автоматизированными методами, то есть появляется реальная возможность автоматизировать сложнейший картографический процесс - генерализацию в части отбора картографических объектов.

Основная цель данной диссертации - разработка методики редактирования мелкомасштабных карт в интерактивном режиме, определения графической нагрузки и манипулирования ею посредством автоматизированной генерализации (отбора) картографических объектов (рек).

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи:

• Обобщение исследований отечественных и зарубежных картографов по отбору речной сети применительно к созданию производных цифровых карт автоматизированным способом;

• Разработка предмашинного формата записи информации о реках, обеспечивающего решение не только технологических и информационных задач, но и задачи автоматизированного редактирования рек;

• Определение графической нагрузки рек на ИКМ (ОКРиСГ) в технологическом процессе создания основной базовой цифровой карты-основы (ЦК-О) масштаба 1:2 500 ООО и формирование цифровой базы данных о реках в виде табличного документа для обеспечения интерактивного отбора рек;

• Разработка процесса автоматизированного отбора рек с учетом следующих факторов: масштаба создаваемой карты; количества (густоты) рек на ИКМ; степени значимости рек; размеров условных знаков и подписей рек на карте;

• Практическая апробация разработанной методики на основе одновременного отображения табличного и графического документов на дисплее с использованием программно-технического комплекса.

Материал диссертации организован следующим образом: в первой главе даны основные положения, факторы и принципы картографической генерализации, приведена специфика автоматизированного процесса генерализации в цифровом картографировании и выделены основные части генерализации. Во второй главе анализируется отечественный и зарубежный опыт автоматизации процесса генерализации в части обобщения линейных элементов. Приведены основные карто-метрические и морфометрические характеристики линейных объектов и выделены основные этапы автоматизированного обобщения линейных объектов. В третьей основной главе рассматривается предлагаемая методика автоматизированного отбора речной сети, определения графической нагрузки карты реками, манипулирования этой нагрузкой в процессе создания цифровой базовой общегеографической карты масштаба 1:2 500 ООО. Приведены основные характеристики рек и факторы, влияющие на отбор рек. В ходе экспериментальных исследований, описанных в четвертой главе, была выполнена апробация разработанной методики на примере создания цифровой карты-основы (ЦК-О) масштаба 1:2 500 ООО Московской области с одновременным формированием цифровой базы данных о реках для автоматизированного создания производных ЦК-0 масштаба 1:4 ООО ООО и 1:8 ООО ООО. Также дан обзор используемого программно-технического обеспечения.

В приложении даются графические и табличные документы, полученные в ходе экспериментальных работ, а также коды программ разработки диалогов, систем меню, необходимых для обеспечения интерактивного режима.

Основные результаты разработанной методики используются при проведении практических работ со студентами картографического факультета по курсам «Цифровая картография» и «Автоматизация процессов создания и использования карт».

В дальнейшем, после завершения аналогичных разработок по отбору населенных пунктов и путей сообщения и формирования цифровой картографической базы данных на Центр Европейской части РФ (17 субъектов) данная методика с базами данных будет передана в картографическое производство (ПКО «Картография»),

Автор считает своим долгом выразить благодарность А.Г. Иванову, без помощи и наставлений которого эта диссертация вряд ли была написана, а также всем сотрудникам кафедры картографии МИИГАиК за помощь и советы в написании и оформлении диссертации. Особо хочется отметить Т.В.Верещаку, Л.МБугаевского за их критические замечания, способствующие устранению неточностей.

При написании диссертации автор опирался на идеи, изложенные в трудах К.А.Салищева, В.И.Сухова, Н.М.Волкова, А.М.Комкова,

A.С.Васмута, Е.И.Халугина, А.Г.Иванова, С.Н.Сербенюка,

B.М.Богинского и многих других.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с поставленной целью выполнены теоретические и экспериментальные исследования, которые привели к следующим основным результатам и выводам.

• Обобщены исследования ведущих картографов по критериям отбора речной сети для создания производных цифровых карт автоматизированным способом;

• Разработан предмашинный формат записи семантической информации о реках в виде табличного документа (ведомости кодирования), обеспечивающий помимо технологических и информационных процессов автоматизацию процессов редактирования (отбора) рек;

• Процесс определения графической нагрузки на основе карто-метрических работ включен («вписан») в технологический процесс создания ЦК-0 масштаба 1:2 500 ООО и обеспечивает формирование цифровой базы картографических данных о реках, необходимых для реализации отбора;

• Разработан комплекс специализированных программ, учитывающих основные факторы отбора (масштаб, густота, значимость, размеры КУЗ и подписей), обеспечивающих решение формализованной части отбора и реализующих его количественный аспект;

• Методически отработан диалоговый режим работы «картограф-ЭВМ», обеспечивающий реализацию качественного аспекта процесса отбора рек путем одновременного отображения на дисплее табличных и графических документов и манипулирования с их информацией;

• Выполнен значительный объем экспериментальных работ по апробации разработанной методики на примере создания как основной базовой ЦК-0 масштаба 1:2 500 ООО, так и производных ЦК-0 масштаба 1:4 ООО ООО и 1:8 ООО ООО Московской области с использованием программно-технического комплекса.

Сравнительный анализ содержания созданных образцов цифровых карт-основ с аналогичными традиционными картами показал хорошую их сходимость как по количественному (количеству рек), так и по качественному (идентичности рек) аспектам, что подтверждает правильность и корректность разработанной методики.

В заключение следует отметить, что разработанная методика не только позволяет реализовать сложнейший картосоставительский процесс отбора рек в автоматизированной технологии создания производных карт, но и создает условия для автоматизации информационных процессов. Для этой цели при подготовке ИКМ к цифрованию в ведомости кодирования предусмотрена соответствующая информация, которая позволяет программным путем образовать абсолютный код рек, отражающий их соподчиненность, то есть логическую связь от основных рек до притоков п-го порядка. К тому же это обеспечит, помимо реализации информационного запросно-ответного режима, решение технологической задачи -отображения рек (их разнотолщи-ности) на карте.

1. Баранский H.H. Генерализация в картографии и в географическом текстовом описании //Ученые записки МГУ. Вып. 119. География. Кн. 2. -М.: Изд-во Московского ун-та, 1946, с. 180205.

2. Бауэр П. Об одном практически испытанном варианте автоматизированной генерализации линейных объектов картографического изображения //Геодезия и картография, 1973, №8, с. 49-53.

3. Берлянт A.M. Картографическое моделирование и системный анализ //Пути развития картографии. Сборник, посвященный 70-летию профессора К.А.Салищева. -М.: Изд-во Московского унта, 1975, с. 98-106.

4. Берлянт A.M. Картографический метод исследования. М.: Изд-во Московского ун-та, 1978, 255 с.

5. Берлянт A.M., Мусин О.Р., Собчук Т.В. Картографическая генерализация и теория фракталов. -М.: МГУ, 1998, 136 с.

6. Билич Ю.С., Васмут A.C. Проектирование и составление карт. -М.: Недра, 1984.

7. Богинский В.М. Обзор средств и методов автоматизации в картографии //Методика, техника и экономика геодезических, аэрофототопографических и картографических работ. Обзорная информация. №3. м.: ВИЭМС, 1996, 19 с.

8. Бородин A.B., Богинский В.М. Количественные критерии для генерализации на ЭВМ элементов содержания общегеографических карт //Реф. сб., №25. Сер.: Картографическая. -М.: ЦНИИ-ГАиК, 1973, с. 6-12.

9. И. Боумен У. Графическое представление информации /Пер. с англ. -М: Мир, 1971, 225 с.

10. Бугаевский JI.M. Математическая картография М., «Златоуст», 1998,

11. Васмут A.C. Автоматизация в картографии //Итоги науки. Сер.: География. Картография 1967-1969. Вып. 4. -М.: ВИНИТИ, 1970, с. 43-64.

12. Васмут A.C. Моделирование в картографии с применением ЭВМ. -М.: Недра , 1983, 200 с.

13. Васмут A.C. Перспективы и тенденции развития автоматизированных банков картографических данных Научные труды ВАГО, М. 1989

14. Васмут А. С. Цифрование карт и банки картографических данных М.: МИИГАиК, 1989

15. Васмут A.C., Бугаевский JI.M., Портнов A.M. Автоматические и математические методы в картосоставлении М.:Недра, 1991, 391 с.

16. Волков Н.М. Принципы и методы картометрии М., 1950.

17. Волков Н.М. Картография. Часть 2. Составление и редактирование карт. М.: Изд-во геодезической литературы, 1961, 266 с.

18. Давыдов Г.П. Изображение гидрографической сети на общегеографических картах //Труды ЦНИИГАиК, вып. 92, 1953, с.39-104.

19. Иванов А.Г., Гончаров В.В., Крылов С.А., У.В. Малик, Татарников А.Н. Мелкомасштабное цифровое картографирование (концептуальные основы) //Изв. вузов, сер. Геодезия и аэрофотосъемка, 1999, №1, с.98-104.

20. Комков A.M. К вопросу о сущности и методах генерализации //Вопросы географии. Сб. 27. Экономическая география. М.: Географиздат, 1951, с. 237-256.

21. Комков A.M., Николаев С.А., Шилов Н.И. Составление и редактирование карт. Части 1 и 2. М.: Издание ВИА им. Куйбышева, 1958, 246 с.

22. Концепция Национального Атласа России. М.: ЦНИИГАиК, 1996.

23. Крылов С.А. Методика цифрования и одновременного определения протяженности рек //Изв. вузов, сер. Геодезия и аэрофотосъемка, 1998, №2, с. 152-154.

24. Лебедева Н.Я., Илюхин И. А. Создание качественных цифровых карг//ГИС Ассоциация. Информационный бюллетень, 1997, №2(9), с. 24-25.

25. Основы генерализации на общегеографических картах мелкого масштаба /Под ред. Ю.В.Филиппова //Труды ЦНИИЕАиК, Вып. 104. -М.: Геодезиздат, 1955, 336 с.

26. Перспективные направления развития картографии: Сб. науч. тр. ЦНИИ геодезии и картографии им. Ф.Н. Красовского Отв. ред. В.М. Богинский] Б.м. - 1988

27. Проектирование и издание мелкомасштабных карт: Междувед. темат. сб. науч. тр. Гл. упр. геодезии и картографии при Совете Министров СССР Отв. ред. В.М. Богинский] Б.м. - 1986

28. Ратайский Л. К вопросу о видах картографической генерализации //Пути развития картографии. Сборник, посвященный 70-летию профессора К.А.Салищева Л1ер. с польск. М.: Изд-во Московского ун-та, 1975, с. 57-66.

29. Ратоти Б. Изображение элементов гидрографии и непосредственно связанных с ними морфологических формаций //Сб. статей по карте мира масштаба 1:2 500 ООО М.:ОНТИ ЦНИИГАиК, 1977, с. 93-123.

30. Руководство по картометрическим работам для определения гидрографических характеристик. Л., 1979.

31. Салищев К.А. Генерализация в ее истории и современном развитии//Итоги науки и техники. Сер.: Картография. Т.5. М.: ВИНИТИ, 1972, с. 6-23.

32. Салищев К. А. Картоведение МГУ, 1992

33. Свентэк Ю.В. Распознавание классов линейных объектов как подход к решению проблемы машинной генерализации //Вестник МГУ. Сер.: География. М.: 1980, №2, с. 28-34.

34. Свентэк Ю.В. Картографическая генерализация и познавательные уровни картографирования //Научно-технический прогресс и проблемы теории картографии. -М.: 1987а, с.35-42.

35. Свентэк Ю.В. Вопросы генерализации и точности при использовании банков цифровых данных //Банки географических данных для тематического картографирования. -М.: 19876, с. 170-175.

36. Сербенюк С.Н., Тикунов B.C. Автоматизация в тематической картографии. -М.: МГУ, 1983, 109 с.

37. Сербенюк С.Н., Мусин О.Р., Собчук Т.В. Кривизна и генерализация линейных объектов на картах //Вест. Московского ун-та, Сер.: География, 1990, №5, с. 49-56.

38. Сухов В.И. Составление и редактирование общегеографических карт-М.: Геодеиздат, 1957

39. Схема толщин рек СССР масштаба 1:2 500 000 //Методические материалы ПКО " Картография".

40. Технический проект по производству работ по составлению и подготовке к изданию базовой общегеографической карты России и сопредельных государств масштаба 1:2 500 ООО -М.: ПКО "Картография", 1994.

41. Флоринский И.В. Генерализация в картографии. Краткий обзор проблемы Пущино, 1991, 55 с.

42. Халугин Е.И., Жалковский Е.А., Жданов Н.Д. Цифровые карты -М.: Недра, 1992

43. Хофманн Ф. Исследования и разработка методов анализа и генерализации линий рек на картах. Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. тех. наук. М.: МИИГАиК, 1972, 25 с.

44. Шайтура С.В. Геоинформационные системы и методы их создания Калуга. Изд-во Н.Бочкаревой, 1998, 251 с.

45. Шапочкин Д.А. База данных для разветвленной речной сети. -М.: 1991.

46. Ширяев Е.Е. Новые методы картографического отображения и анализа геоинформации с применением ЭВМ -М: Недра, 1977, 182 с.

47. Яровых В.Б. Проблемы качества векторных цифровых карт для ГИС //ГИС Ассоциация. Информационный бюллетень №4(6), 1996.

48. Berger A. Computer-assisted generalization and its possibilities of numerically determined manipulation by parameters of design and generalization //Nachr. Karten- und Vermessungswesen, 1976, R. 2, H. 33, s. 5-10.

49. Boyle A.R. The quantised line // Cartogr. J., 1970, Vol. 7, No. 2, pp. 91-94.

50. Jones C.B., Abraham I.M. Line generalization in a global cartographic database // Cartographica, 1987, Vol. 24, No. 3, pp. 32-45.

51. Imhof E. Tasks and methods of theoretical cartography //Int. Jahrbuch fur Kartographie. Bd. 3. Gütersloh: C.Bertelsmann Verlag, 1963, pp. 13-25.

52. Mark D.M. Conceptual basis for geographic line generalization //Auto-Carto 9: Proc. Ninth Int. Symp. On Computer-Assisted Cartography, Baltimore, Apr. 2-7, 1989, Falls Church: ASP&RS, ACS&M, 1989, pp.68-77.

53. McMaster R.B. A statistical analysis of mathematical measures for linear simplification //Amer. Cartogr., 1986, Vol. 13, No. 2, pp. 103116.

54. McMaster R.B. Automated line generalization // Cartographica, 1987, Vol. 24, No. 2, pp. 74-111.

55. McMaster R.B. Introduction to "Numerical Generalisation in Cartography" // Cartographica, 1989a, Vol. 26, No. I, pp. 1-6.

56. McMaster R.B. The integration of simplification anf smoothing algorithms in line generalization // Cartographica, 1989b, Vol. 26, No. 1, pp. 101-121.

57. J Srnka E. The analytical solution of regular generalization in cartography // Int. Jahrbuch fur Kartographie. Bd. 10. Gütersloh: Kartographisches Institut Bertelsmann, 1970, s. 48-62.

58. Thara K. Automatic line generalization using zero-crossings //Photogramm. Eng. & Remote Sensing, 1988a, Vol. 54, No. 4, pp. 511-517.