Авторизация

Логин:
Пароль:
Восстановить пароль
Регистрация
  • Форум
  • Блоги
  • Контакты
  • Новости
  • Продукты
  • Отрасли
  • Обучение
  • Поддержка
  • События
  • О компании
  • 2 (37) | 2006 Единая модель данных для цифровых топографических карт и планов, или как нам обустроить ЦММ

    Нина Лебедева, Елена Смирнова, DATA+

    Цифровая топографическая информация – важнейший элемент информационного обеспечения и пространственного моделирования в ГИС. Цифровые топографические карты (ЦТК) часто ассоциируют с базовыми пространственными данными - основами, на которые наносят тематическую информацию. Базовые пространственные данные являются одним из трех основных элементов национальной и глобальной инфраструктуры пространственных данных.

    Потребность в цифровых топографических основах велика, однако предложение хронически отстает от спроса: найти на нужную территорию и нужного масштаба качественные векторные данные, такие как гидрография, рельеф, социально-экономическая инфраструктура, пригодные для решения пространственных задач, - большая проблема.

    В отсутствие централизованной информации и при действующем режиме секретности, естественно, сформировался стихийный рынок. Многие пользователи вынужденно решали не свою задачу, оцифровывая топографические карты по своему усмотрению. Следствием информационной разобщенности стало дублирование топографических основ разными ведомствами и организациями. При попытках обмена пространственными данными неизбежно возникают трудности, связанные с совместимостью данных из разных источников в единой информационной среде. Одна из главных проблем – отсутствие, в силу разных причин, описания координатной системы и параметров проекции, без которых невозможно совмещение данных в едином координатном пространстве. Другая проблема - однозначного восприятия и толкования топографической информации – возникает из семантической несовместимости данных, полученных из разных источников, вследствие того, что они разнородны по структуре, способам кодирования и представления семантической информации.

    Нередко предлагаемые цифровые топографические карты пригодны, в лучшем случае, для визуального воспроизведения их бумажного источника и не выдерживают критики с точки зрения топологической корректности. Чтобы довести эти данные «до ума», требуются значительные затраты сил и времени.

    Ситуация с ЦТК - ЦММ обсуждается ГИС сообществом давно и мучительно. Важным шагом в ее решении должны служить разрабатываемые национальные стандарты. Специалисты DATA+ принимали активное участие в дискуссиях по данной проблеме. Наша позиция такова: необходимо осознание того, что для успешной работы в ГИС требуется открытая информационная среда, четко прописанные стандарты на цифровые картографические основы, а также доступные для разных категорий пользователей банки цифровых пространственных данных.

    Хотелось бы перейти от дискуссий к реальному делу, чтобы сдвинуть с мертвой точки решение этой проблемы. Мы предлагаем для обсуждения и пользования разработанную в отделе картографических проектов цифровую модель местности, единую для топографических карт и планов. Модель предназначена для реализации в реляционной СУБД и апробирована на картах разных масштабов. Наша модель разрабатывалась в течение ряда лет как ответ на практические потребности широкого круга пользователей в интеграции пространственных данных в многоуровневую геоинформационную систему. При разработке данной модели мы исходили из следующих положений:

    1.  Цифровая топографическая основа не должна слепо копировать бумажный оригинал, а создаваться с учетом требований работы с пространственными данными в ГИС. Отсюда, по нашему мнению, необходимо четко разделить понятия цифровой топографической карты (ЦТК) и цифровой модели местности (ЦММ), хотя они, безусловно, взаимосвязаны. Пока эти термины практически тождественны.

    Мы считаем, что законы формирования и жизни бумажной карты и цифровой принципиально различны. Бумажная карта ориентирована, в основном, на визуальное восприятие и анализ картографического изображения. Цифровая карта предоставляет несравнимо большие возможности для работы с пространственными данными, но и требования к таким картам должны быть иными, поскольку обработка данных рассчитана не только и не столько на зрительный анализ, сколько на компьютерные технологические возможности. Во избежание терминологической путаницы предлагаем закрепить за термином ЦТК цифровой аналог бумажной топографической карты, включая параметры проекции листа карты, весь набор объектов и их атрибутов, в принятых для топокарт условных знаках, а также элементы зарамочного оформления, с сохранением за этими данными соответствующего режима секретности. Основное назначение ЦТК – поддержка и воспроизводство бумажного оригинала.

    В отличие от ЦТК, цифровые модели местности (ЦММ) нацелены на моделирование местности, а не бумажной основы, с которой они могут производиться. При этом, основная задача – дать правильное представление о местоположении, метрических параметрах и взаимоотношениях между пространственными объектами, а не их отображениями на бумаге.

    ЦММ не ограничены бумажным полем карты, поэтому они, например, будут содержать полные названия и характеристики объектов без вынужденных сокращений из-за отсутствия места для их отображения. Объекты полностью, а не только те отдельные участки, где нанесены надписи (например, названия рек), будут иметь характеризующие их атрибуты. Площадные объекты, выражаемые в масштабе карты, отображаются площадным геометрическим примитивом, а не набором разбросанных значков (например, болота), а те пространственные объекты, которые не выражаются в масштабе карты – точечными примитивами (например, мосты небольшой протяженности). Кроме того, все объекты должны быть топологически согласованными, независимо от того, видны ли дефекты топологии «на глаз» или нет. Речь идет о том, что контуры лесов даже «чуть-чуть» не должны перекрываться водными объектами, а переправы быть в стороне от рек. Кварталы должны быть в пределах границ населенного пункта, а уличная сеть не должна пересекать здания и строения.

    Другими словами, в ЦММ информация должна быть организована так, чтобы при обработке данных машина могла ее однозначно интерпретировать. Для этого придется отказаться от оцифровки штрихов на болоте (как это делается некоторыми поставщиками ЦТК), не допускать разрывов для сетевых объектов – гидрографии, дорог, коммуникаций и т.д., и т.п. Но можно будет в ЦММ не вводить избыточные для цифровой модели элементы, которые необходимы на бумажной карте, такие как бергштрихи, стрелки направления течения или густая координатная сетка.

    2.  Хранение данных в ЦММ может быть организовано единым массивом в виде бесшовных карт. В современных геоинформационных системах, способных обрабатывать большие объемы данных, дробление информации по номенклатурным листам только мешает работе. В случае, если вы держите цифровую информацию полистно, вам нужно подгружать, например, одни и те же слои цифровых данных столько раз, сколько у вас листов, и столько же раз осуществлять запросы к пространственной информации при ее анализе. Если объекты находятся на нескольких листах карты, то они считаются отдельными - то есть имеют отдельную длину, площадь и т.д.

    Деление карт на номенклатурные листы оправдано лишь в том случае, если требуется оформление и производство бумажных карт, но тогда мы будем говорить не о ЦММ, а о ЦТК. Большинству же пользователей нужна бесшовная топографическая основа на конкретную территорию, как правило, в границах административного образования. В идеале нужно стремиться к формированию доступных банков данных на национальном, федеральном и местном (муниципальном) уровнях. Допустимые формы хранения – бесшовное (единым массивом), библиотеками (по номенклатурным листам или административным единицам), отдельными структурными единицами (номенклатурный лист или произвольная территория).

    3.  Для унифицированного представления топографических данных с разным уровнем генерализации (пространственной и семантической) требуется сквозной классификатор объектов местности. Проанализировав объектный состав топографических карт и планов, мы пришли к выводу, что классификатор объектов может применяться в диапазоне масштабов от 1 000 000 до 2 000. Был разработан единый для всего масштабного ряда классификатор, построенный по иерархическому принципу. Метод кодирования объектов идентичен классификатору топографической информации ВТУ. Описание объектов в нем передается 8-значными кодами, каждая его позиция несет информацию об объектах на каждом уровне деления классификатора. Как правило, глубина деления классификационных признаков доведена до условного знака на бумажной карте. Код классификатора несет информацию об объектах местности, независимо от способа их локализации на карте. Так, один и тот же объект, например здание, может передаваться на картах разного масштаба либо точечным, либо полигональным примитивом и, независимо от того, в какой класс объектов он попадает, этот объект будет всегда иметь один и тот же код.

    4.  Весь масштабный ряд цифровых топографических карт и планов вполне укладывается в единую логическую и физическую модели данных, организующих объекты в тематические наборы (слои данных) и их группы. Реализуя модель данных для формата базы геоданных, наиболее пригодного для хранения больших объемов бесшовных карт, нами была разработана единая физическая модель, предназначенная для ЦММ любого масштаба.

    В структуру базы данных заложено принятое для топографических карт деление объектов на тематические группировки, которые выдерживаются и в иерархической структуре классификатора. Применительно к базе данных ЦММ тематическую группировку объектов составляют Наборы классов объектов. Каждый набор формируют объекты, у которых первая позиция восьмизначного кода одинакова. Внутри набора объекты группируются в классы согласно их тематическому содержанию и в зависимости от формы пространственной локализации объекта. Название класса состоит из префикса, однозначно характеризующего принадлежность объекта к тематической группе, и суффикса, определяющего форму пространственной локализации объекта. Например: HDRPOL – полигональный слой (pol) гидрографической группы (hdr). В принципе, запоминание названий групп и их характеристик не требуется. В шаблоне хранятся сопровождающие пространственную информацию метаданные, которые включают псевдонимы названий всех слоев и атрибутивных данных, а также и развернутую характеристику объектов, которые попадают в данную группу или слой.

    5.  Передача информации на бумажной карте осуществляется через условный знак и текст. Ее адекватное воспроизведение на цифровой карте осуществляется через классификационный код объекта, которому присваивается соответствующий условный знак, и набор атрибутивных полей. Единая структура описания семантической информации должна включать:

    • поле классификационного кода объекта;
    • поле, содержащее собственное название объекта;
    • поля, содержащие дополнительные характеристики объекта (количественные или качественные).

    Отдельные атрибутивные поля, не содержащие уникальные характеристики объекта, ссылаются на справочные таблицы (домены), в которых приведены допустимые значения кодов для атрибутов объектов. Классификатор также включается в структуру базы данных в качестве домена объектного состава ЦММ.

    6.  Важный вопрос обновления данных. Мы считаем, что для ЦММ имеет смысл поддерживать слой обновления данных, который не обязательно будет соответствовать номенклатурному делению на листы. Например, под заказ на определенную территорию возможно обновление данных ЦММ по материалам космической съемки. Информацию об актуальности данных можно получить из слоя номенклатурной разграфки, так как в большинстве случаев ЦММ создается по существующим топографическим картам, а также из слоя, который создается при обновлении данных по другим источникам. Область обновления поддерживается как полигональный объект, к которому приписывается информация об источнике обновления и организации, выполняющей данную работу.

    Актуализация баз данных может осуществляться в многопользовательском режиме. Лучшее решение для этого – сетевые ГИС, которые дают возможность многим пользователям одновременно работать с одним набором пространственных данных и согласованно вносить изменения в данные разными пользователями, не нарушая при этом целостности базы данных.

    7.  Основным препятствием к открытой информационной среде является пресловутая секретность топокарт, обусловленная некоторыми специфическими особенностями их содержания. Однако проблему можно решить, если не включать секретную информацию в ЦММ открытого использования. Такой «объектный» подход к засекречиванию цифровых карт уже не раз предлагался многими ГИС-специалистами, и до сих пор обсуждается на всех конференциях, посвященных этому вопросу. За ЦММ открытого доступа нужно оставить только те объекты топокарт и их характеристики, которые не подпадают под режим секретности и не являются избыточными (как, например, бергштрихи). Хранение таких данных должно осуществляться в одной из открытых координатных систем.

    8.  Условные знаки для объектов ЦММ должны быть упрощены по сравнению с традиционными, поскольку сложные, многослойные условные знаки существенно тормозят вывод карты на экран. Да и с эстетической точки зрения бумажные условные знаки не всегда пригодны для использования на ярком экране.

    Для ЦММ возникает возможность выводить или скрывать некоторые детали содержания и надписи в зависимости от рабочего масштаба отображения цифровой карты, что, следует заметить, невозможно сделать для бумажной основы и неприемлемо для ЦТК. Более того, объект может менять свой условный знак в зависимости от того, в каком масштабе его просматривают.

    9.  Практика показывает, что в ЦММ не обязательно хранить векторные слои, содержащие изолинии высот и отметки высот. Лучше высотную основу сразу создавать как цифровую модель рельефа (ЦМР), позволяющую в ГИС не только передавать в более наглядной форме физическую поверхность Земли, но и моделировать с помощью такой поверхности различные процессы. В случае, когда для территории есть материалы детальной съемки поверхности Земли (скажем, данные ДЗЗ) с шагом, соответствующим детальности ЦММ, можно отказаться от достаточно затратного цифрования слоя рельефа в виде изолиний с бумажных источников.


    Рис. 1. Структура базы данных ЦММ.

    В общем случае, пространственная основа ГИС может состоять из трех самостоятельных информационных блоков – ЦММ, ЦМР и данных дистанционного зондирования. Ключевое звено в пространственной инфраструктуре ГИС – топографическая основа или ЦММ. Принципиальная схема предлагаемой структуры базы данных ЦММ представлена на рис. 1.


    Рис. 2. Шаблон базы данных ЦММ в формате базы геоданных.


    Рис. 3. Шаблон базы данных ЦММ в формате таблицы EXCEL.

    DATA+ намерена разместить на своем веб-сайте шаблон базы данных ЦММ. Для удобства пользователей он реализован в разных форматах:

    • в формате базы геоданных (рис. 2);
    • в обменном формате документа XML;
    • в формате таблицы EXCEL (рис. 3).

    Предлагаемая структура была проверена для карт масштабов 1 000 000 (на всю Россию), 200 000 (Европейская часть РФ и некоторые территории Сибири и Дальнего Востока), 100 000, 50 000 и 25 000 (на отдельные регионы). Исходные данные были получены из разных источников, проверены на топологическую корректность, соответствие по точности и полноте объектного состава бумажным оригиналам, и переложены в ЦММ согласно физической модели данных с помощью специально разработанных для этих целей пакетов программ.




    Версия для печати