Программные продукты и системы

Целью данной статьи является рассмотрение общих задач, связанных с использованием картографической информации в электронном виде. Приводится возможная структура геоинформационной системы (ГИС), учитывающая рассмотренные особенности электронного представления карт.

Соотношение бумажных и электронных карт

Географические карты, представляемые на ЭВМ (далее – электронные карты), и карты, созданные традиционным типографским способом (далее – бумажные карты), выполняют сходные функции – визуальное представление пространственных объектов, локализованных либо на плоскости, либо на поверхности эллипсоида. Оба вида карт включают в себя:

-    картографическую информацию (описание пространственного положения представленных на карте объектов);

-    семантическую информацию (прочие данные, связанные с объектами);

-    набор картографических знаков, с помощью которых передаются картографические и семантические данные;

-    справочную информацию по карте, задающую правила ее чтения (легенду).

В отличие от бумажных карт, в электронных картах разделена собственно картографическая информация, семантическая и набор знаков. Параметры внешнего представления электронной карты (масштаб просмотра, нагрузка карты объектами, набор картографических знаков для представления) могут меняться пользователем. В отличие от бумажных карт, электронные не ограничены размером листа – данные, относящиеся к смежным районам, при просмотре могут объединяться.

Важнейшим преимуществом электронной карты является возможность автоматической обработки картографической и семантической информации.

Программные комплексы, работающие с электронными картами (ГИС), по функциональному назначению подразделяются на средства поддержки создания карт (как электронных, так и бумажных) и средства, обеспечивающие их применение. Под применением электронных карт понимается как обычная задача просмотра карты пользователем, так и обработка данных карты в автоматическом режиме. ГИС могут использоваться и изолированно для решения стандартных задач работы с картами, и в составе более крупных программных пакетов, решающих иные задачи. В последнем случае реализация ГИС должна удовлетворять дополнительным требованиям, определяемым программным пакетом.

В данной статье основное внимание уделяется подтипу ГИС, обеспечивающих применение электронных карт.

Внутреннее представление данных электронной карты

Как уже отмечалось, характерной особенностью электронных карт является раздельное представление картографических, семантических данных и их визуального представления. Внутреннее представление включает в себя картографические и семантические данные.

Внутреннее представление семантических данных, как правило, является реляционной базой данных со ссылками на связанные картографические характеристики.

По пространственному положению картографические данные карты подразделяются на поля и локализованные объекты. Поля задают равномерное распределение физических величин на основе значений, заданных в опорных точках. Примером поля является описание рельефа местности. Локализованные объекты задаются набором точек. По возможности изменения данные карты подразделяются на статические и динамические. Статические данные представляют неизменные объекты и свойства реального мира. Динамические данные представляют объекты, которые могут возникать, изменять свои свойства и удаляться.

Локализованные объекты подразделяются на точечные, линейные и площадные. Иногда в особый вид локализованных объектов выделяются подписи, но, как правило, их внутреннее представление осуществляется с помощью объектов первых трех типов. Пример локализованных объектов трех типов на мелкомасштабной карте – город, река, административный район.

Для внутреннего представления картографических данных общего вида используются матричные квадродеревья, точечные квадродеревья и различные их модификации. Данные структуры оптимизированы для выполнения запросов вида: «найти объект, ближайший к данной точке», «найти все объекты, расположенные на заданном расстоянии от точки». Структуры для работы с пространственными данными различаются по времени предварительной обработки, среднему времени запроса, времени модификации структуры и объему памяти, необходимой для ее хранения. Конкретный выбор структуры хранения зависит от общих требований к ГИС.

Зачастую выделяются отдельные важные типы данных со специфическими требованиями по их обработке, что определяет особые виды структур для них. Например, данные рельефа включают в себя отметки высот, горизонтали и области равной высоты. Все эти данные разумно свести в единую структуру (топологию), например, триангуляцию. Работа с рельефом как с целым позволяет сократить время выполнения важного запроса «получение значения высоты в точке». Так же дорожная сеть объединяется в граф, что позволяет упростить выполнение запросов вида «найти кратчайший маршрут из A в B». Вместе с тем применение подобных структур увеличивает необходимое время предварительной обработки и затрудняет модификацию соответствующих данных.

Иногда использование сложных структур данных не оправдано – возникает необходимость свести к минимуму временные потери на модификацию данных и предварительную обработку. Например, ограниченное число движущихся точечных объектов эффективнее хранить просто в виде линейного списка.

Использование различных систем координат и проекций

При отображении карт и внутренней обработке картографических данных возникает проблема выбора формы представления точек для пространственных объектов. Это может быть стандартная прямоугольная система координат или сферические координаты. При отображении в любом случае осуществляется перевод в прямоугольные координаты. Проекцию (правило пересчета координат) имеет смысл выбирать ту, которая наиболее распространена для бумажных карт. Это проекция Гаусса-Крюгера – для топографических карт, проекция Меркатора и поперечная проекция Меркатора – для морских навигационных карт. Отображение карт в данных проекциях обеспечивает совместимость электронных и бумажных карт. Не столь однозначен вопрос о выборе внутренней формы хранения данных.

При отображении требуется использование прямоугольной системы координат; алгоритмы обработки точек в прямоугольной системе координат гораздо более разработаны, чем в сферической. С другой стороны, использование сферических координат требуется при решении задач картометрии (прямая и обратная геодезические задачи и проч.); хранение данных в сферических координатах не связывает разработчика конкретной выбранной проекцией. Переход от сферических координат к прямоугольным и обратно для всего массива данных карты является достаточно длительным. Таким образом, выбор системы координат зависит от того, какие задачи более важны в конкретной реализации ГИС.

Визуальное представление электронной карты

Несмотря на использование сходных наборов картографических значков, визуальное представление электронных карт несколько отличается от бумажных карт. Вторые жестко ограничены размером листа и масштабом. В первом случае масштаб и границы отображения настраиваются пользователем.

·     Бумажная карта является результатом долгой работы картографов, в которой, в частности, решаются проблемы с наложением значков друг на друга. Семантическая информация карты представляется также через картографические знаки (например, число жителей города обозначается различными вариантами значка «город»). Сложность исполнения значка особого значения здесь не имеет.

·     Визуальное представление электронной карты зависит от пользователя, меняющего масштаб просмотра, границы просматриваемого района и проч. Отрисовка карты должна происходить быстро, что определяет серьезные требования к процедурам отрисовки значков и их разводки. Здесь использование слишком сложных по исполнению значков нежелательно. Семантическая информация может быть представлена отдельно в виде таблиц, интерактивно связанных с изображением пространственной информации.

Преимущество электронных карт – также в более широких возможностях представления динамических объектов. Использование клипов позволяет непосредственно показывать изменяющиеся объекты. В бумажных картах динамическая информация представляется лишь косвенно – изображением нескольких состояний движущегося объекта и направлений движения (например, динамика фронтов на военно-исторических картах).

Таким образом, для электронных карт полное копирование способов отображения бумажных не всегда разумно. Исключением может быть моделирование бумажной карты, когда такое копирование является самоцелью, и вывод изображения карты на принтер.

Внешнее представление данных электронной карты: хранение, создание и обмен

Хранение электронных карт на диске осуществляется в виде набора листов – данных, связанных с определенным районом и хранящихся в одном файле. Набор файлов с листами электронных карт обычно организуется в виде архива. Его структура может строиться на простом перечислении листов, на основе классификации для бумажных карт (например, системе адмиралтейских номеров или номенклатуре топографических карт) или на основе собственного способа иерархической разбивки картографируемой области на районы.

Редактирование электронных карт сводится к обычным методам обработки векторных графических объектов. Основой для создания векторных электронных карт служат растровые карты – снимки бумажных карт, аэрофотосъемка. При этом используется либо поточечное «обведение» растровой подложки, либо программы векторизации. Поскольку абсолютно точной векторизации практически не осуществляется, используется комбинация данных методов. Кроме того, используется ввод объектов по известным координатам.

Растровые электронные карты могут использоваться и непосредственно. Однако широко они не распространены вследствие больших размеров их файлов, невозможности масштабирования изображения и автоматической обработки содержащихся в карте данных.

Электронные карты редко создаются пользователями практической программной системы. Обычно используется основа из карт, созданных профильными картографическими организациями, с которой комбинируется сравнительно небольшой по объему набор пользовательских объектов.

Для рассылки стандартных электронных карт и их корректуры используются обменные форматы. Из их большого числа следует отметить SXF – стандартный топографический формат в РФ, и S57 – стандартный международный формат морских навигационных карт. Обменные форматы имеют основное назначение в обеспечении корректности и полноты передачи картографических данных. Они зачастую являются избыточными и не слишком удобны для хранения листов электронных карт на диске. Поэтому зачастую разработчик электронной картографической системы вынужден применять собственные внутренние форматы файлов для хранения листов карт; при импорте карты осуществляется конвертация из обменного формата. Это позволяет учесть специфику конкретной области применения разрабатываемой ГИС и выбранных внутренних структур хранения.

На рисунке 1 представлена связь различных форм представления электронной картографической информации.

Пример внутренней структуры ГИС для применения карт

Кратко рассмотрим основные компоненты ГИС, предназначенной для применения электронных карт и используемой в составе более крупного программного пакета. В состав такой ГИС входит набор системных программ и набор динамически подгружаемых библиотек.

Системные программы ГИС обеспечивают поддержку ведения архива электронных карт и используются независимо от прочих частей пакета. Системные программы обычно включают набор редакторов, позволяющих создавать пользовательские листы и импортировать карты из обменных форматов, модифицировать данные листов, настраивать параметры визуального представления карт.

Библиотеки содержат систему компонентов, используемых как системными программами ГИС, так и клиентскими программами других частей пакета. Клиентские программы используют библиотеки для отрисовки карт, расчетов по картографии, доступа к картографическим объектам.

Компонент библиотек ГИС – это набор функций, объединенных общностью решаемых ими задач. На основе изложенного ранее представляется естественной система компонентов (рис. 2), включающая в себя блоки:

-    картометрии (обеспечивает решение геодезических задач, вычисление проекций, пересчет координат);

-    внутреннего представления данных (обеспечивает организацию массива картографических и семантических данных в памяти);

-    пользовательского интерфейса (содержит стандартные инструменты и диалоги);

-    визуального представления (отрисовки) (осуществляет вывод изображения карты на экран или на принтер);

-    работы с архивом (обеспечивает механизмы пополнения архива, и выборки из него листов);

-    конверторов и векторизаторов (позволяет использовать внешние источники картографической информации);

-    специфических для прикладного программного пакета методов обработки картографической информации (обеспечивает связь ГИС и остальных компонентов пакета).

Реализация приведенной структуры наиболее естественно проводится с помощью одной из компонентных технологий программирования, например, модели COM.

В развитии ГИС можно выделить две противоположные тенденции: к созданию универсальных ГИС и специализированных. Универсальные в полной мере реализуют все аспекты задач по обработке картографической информации в электронном виде. Такие ГИС предлагаются на рынке многими известными производителями ПО. Однако, как показано выше, оптимальность обработки картографической информации может пониматься по-разному, в зависимости от использующего ее прикладного пакета.

Следовательно, одна универсальная система не может быть одинаково приемлема для всех приложений. В определенных критических случаях возникает необходимость в создании специализированных ГИС. Поэтому вопросы реализации ГИС все еще являются актуальными для разработчиков.