Московский экономический журнал 4/2017

image_pdfimage_print

УДК 528.9

Bezymyannyj-12

Лебедев Петр Петрович,

доктор технических наук, профессор

Маркелов Данила Андреевич,

Доктор технических наук, профессор

Государственный университет по землеустройству, г. Москва

Lebedev Petr Petrovich,

doctor of technical sciences, professor

Markelov Danila Andreevich

doctor of technical sciences, professor

State University of Land Use Planning, Moscow

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ВЕКТОРНЫХ И РАСТРОВЫХ ГИС

RESEARCH OPPORTUNITIES OF VECTOR AND PATTERN GIS

Аннотация

Выполнен анализ и показаны состав, функции и развитие картографического метода исследования. Дана характеристика и оценка его состояния в         условиях цифровых технологий.

Abstract

The analysis and the composition, functions and development of the cartographic method of investigation are performed. The characteristic and an estimation of its condition in the conditions of digital technologies is given..

Ключевые слова: картографический метод исследования, картографическая структура, исследовательские приемы и операции, растровые и векторные ГИС и карты.

Keywords: cartographic method of research, cartographic structure, research techniques and operations, raster and vector GIS and maps.

Географическая карта за малым исключением является не самоцелью, а средством информирования и получения по ним геометрических данных, а также новых сведений и знаний. Средства исследований по географическим картам в традиционной картографии подразделяются на устройства и приемы, из них в первую группу входят чертежные, измерительные и компьютерные  устройства, а во вторую – графические, картометрические (измерения по карте геометрических величин), морфометрические (определение по карте показателей формы) и математические (применение при работе с картой математических методов) приемы, а исследовательские операции – на анализ, синтез и преобразование картографических структур [1]. Кратко сущность и возможности указанных средств заключаются в следующем. Графические приемы включают в себя различного рода наглядные графические построения по картам: графики, профили, разрезы, блок-диаграммы, роз-диаграммы и т.п., позволяющие отобразить выборочные распределения с целью проведения с ними операций сглаживания, сравнения, обобщения и некоторых других. Картометрические приемы применяются для измерения по картам геометрических величин: географических и прямоугольных координат, абсолютных и относительных высот, длин линий, расстояний, площадей, объемов, горизонтальных углов, направлений и некоторых других. Морфометрические приемы заключаются в измерениях по картам геометрических величин и вычислении по ним показателей формы: густоты, плотности и характера (равномерности) размещения элементов структур; извилистости линий и контуров; горизонтального и вертикального расчленения, уклонов, углов наклона и градиентов поверхностей. Математические приемы основаны на применении формул математического анализа, математической статистики и теории информации. Формулы алгебраических многочленов, полиномов, сплайнов и тригонометрических функций применяются для анализа поверхностей посредством разложения их на обобщающие и остаточные составляющие первой, второй и т.д. степени, которые отражают территориальные уровни соответственно, закономерностей и отклонений от них (особенностей). Самую обширную группу представляют собой приемы математической статистики, включающую в себя формулы: статистических характеристик (моды, медианы, средних, отклонений, вариаций); видов распределений и критериев согласия; коэффициентов корреляций (парные прямолинейный и криволинейный, ранговый, частный, множественный); показателей связи (полихорический, тетрахорический); дисперсионного, факторного и компонентного анализов. С их помощью изучают полученные по картам выборочные совокупности всех видов картографических структур (поверхностей, контурных, линейных и точечных), в частности, общие характеристики и закономерности, динамику, форму и тесноту связей, факторы, и некоторые другие аспекты. Приемы теории информации, основанные на формулах простой, совместной и условной энтропий применяются для оценки сложности структуры, степени пространственного соответствия и зависимости картографических структур.

К началу внедрения в картографию геоинформационных знаний и цифровых технологий перечень математических приемов картографического метода несколько расширился. Он дополнился, в частности, приемами теории вероятностей, теории графов, теории классификации, теории нечетких множеств, теории фракталов и некоторых других теорий. Приемы теории вероятностей, основанные на законе Пуассона (вероятности попадания точки в ячейку регулярной сетки), позволяют оценивать характер размещения элементов точечных структур. Приемы теории графов позволяют представлять линейные и контурные сети в виде графов, описывать их матрицами и получать по ним в результате обработки топологические показатели: степень связности, цикломатическое число, топологические доступность, расстояние и диаметр и некоторые другие. На основе положений теории множеств сформулированы четкие правила образования подмножеств и построения классификационных систем, широко применяемых при исследованиях элементов картографических структур как множеств. Существуют разнообразные логические и количественные подходы к разработке классификационных систем, включая систему территориальной классификации или районирования. Аппарат теории нечетких множеств применяется в тех случаях, когда качественный классификационный признак проявляется в элементах множества неопределенно, а принадлежность их к подмножествам (классам или районам) определяется на основе значений вероятности. Разделение множества на классы или районы в такого рода системах получается неоднозначным, размытым. Аппарат фрактальной геометрии позволяет несложными функциями описывать линии любой сложности, в частности, береговые линии или границы природных ландшафтов и тем самым с необходимой точностью выполнять измерения их протяженности и площади замкнутых ими областей. Многие из этой группы приемов были обеспечены специально разработанными программами для исследования по картам с помощью компьютеров.

Широкое применение цифровых технологий в картопользовании связано с распространением разнообразных по функциональным возможностям, специализации и формату цифровых данных ГИС, в состав которых как правило входили программы обработки структур геоданных (слоев и цифровых крат). Большая часть этих средств представляли собой запрограммированные традиционные приемы и операции, а другая — гисовские продукты, обусловленные возможностями и особенностями цифровых форм представления и организации картографической информации. Отметим сразу, что в ГИС растрового и векторного типа эти возможности и особенности далеко неодинаковые. Дальнейшая практика применения картографического метода исследования проходит в русле и соответственно в условиях развития цифрового картографирования. Его в условиях цифрового этапа отличают следующие особенности.

Произошло объединение картосоставительских и картопользовательских средств в едином пакете программного обеспечения ГИС и соответственно слияние поддерживаемых ими ранее раздельных процессов в единую картографическую технологию.

Все востребованные практикой измерительно-исследовательские ресурсы картографического метода доцифрового периода за небольшим исключением были переведены на язык гисовских программ и не только сохранены, но и расширены новыми средствами, обусловленными цифровой формой картографической информации, а также особенностями растровой и векторной разновидностями её организации, которые определили не только их состав, но и функциональные возможности. Напомним структурные особенности растровой и векторной моделей организации геоданных.

Растровая модель представляет собой матрицу, каждая ячейка которой имеет память для записи и хранения данных о цвете или атрибутивных данных, а также координатную привязку — положение в пространстве матрицы, которому может быть поставлено в соответствие положение в геодезическом или географическом пространствах. Если объектом, а точнее оригиналом растра является географическая карта, то его матрица охватывает и включает в себя и всё её пространство, и все элементы её формы-содержания; другими словами полностью отображает оригинал — как пространственную, так графическую и атрибутную (сущностную) стороны карты. Географической карте в растровом представлении соответствует один слой, в то время как в векторном представлении — набор слоёв в количестве равном числу компонентов содержания и мерностей их элементного состава, а также связанных ними атрибутивных данных. Комплекту сопряженных карт (серии или атласу) в растровом представлении соответствует набор строго между собой скоординированных, одинакового размера матриц и их ячеек, называемый многослойным или комплексным растром.

Наиболее востребованными в программном обеспечении растровых ГИС являются средства, основанные на многочисленных методах и показателях математического анализа, математической статистики и матричной (картографической) алгебры, которые применяются для анализа, преобразования и синтеза как единичных так и комплексных растров. Операции их обработки могут быть локальные, фокальные, зональные и поверхностные или 3D-операции. Локальные операции выполняются с отдельными ячейками и заключаются в вычислении их значений на одном или нескольких слоях растра. Фокальные операции выполняются с каждой ячейкой и с окружающими её ячейками в пределах определённого окна и заключаются в вычислений для неё новых значений в зависимости от свойств окружения как на одном так и на нескольких слоях. Зональные операции выполняются с группами ячеек, имеющих одинаковые значения и заключаются в вычислении для них новых значений на растре с различным количеством слоёв. 3D-операции выполняются с растрами, описывающими поверхности. Нет возможности представить полный перечень средств работы с растровыми геоданными, поэтому ограничимся главными: ранжирование ячеек; классификация ячеек; арифметические действия с ячейками; оценка вида распределения значений по ячейкам и его отображение; построение зон (буферных и тяготения); оверлей слоёв; анализ изменений разновременных слоёв; трансформирование слоёв ( с использованием алгебраических и тригонометрических функций); морфометрическая обработка ЦМР (определение уклонов, экспозиции склонов и др.).

Векторная модель представляет собой совокупность или последовательность пар геодезических или географических координат элементов одного класса и одинаковой мерности, называемую слоем.

Географическая карта в векторном представлении — это набор слоев и связанных с их элементами атрибутивных (сущностных) данных, которые хранятся в отдельной БД. Технологически векторную карту обычно получают «разделкой» (структуризацией и векторизацией) целостной растровой карты разного вида и уровня составляющие:          пространственную и атрибутивную; пространственную — на слои; атрибутивную — на строки и столбцы реляционной таблицы БД. Слой в данном представлении является упрощенной структурой, состоящей из пар координат (точек), образующих места расположения элементов определённого вида, с которыми связаны значения атрибутов. Его пространственная основа содержит не покрытие из ячеек с данными как в растре, а точки, образующие точечные, линейные и контурные структуры. Разделённость векторной карты на слои, отсутствие в качестве пространственной основы сплошного покрытия из ячеек с автономной памятью существенно снижают её информационный и научный потенциал, поэтому оснащенность векторных ГИС средствами исследования отличается от растровых ГИС как составом, так и возможностями. В их программном обеспечении отсутствуют многочисленные средства, основанные на аппарате математического анализа, математической статистики и матричной алгебры, успешно используемые в растровых ГИС; из входящих в его состав программных средств востребованной и по-настоящему исследовательской является единственная программа, выполняющая синтетические операции оверлея, которая в растровых ГИС является одной из многих данного уровня.

Положения картографического метода исследования в условиях двух технологических направлений развития цифрового картографирования сложилась следующим образом [2]. Массовое распространение в стране получили недорогие настольные ГИС- пакеты векторного типа. Они хорошо себя зарекомендовали в составлении цифровых карт, но при этом по причине упрощенной структуры слоев имеют сравнительно небольшой набор средств для выполнения с ними операций анализа, преобразования, синтеза и соответственно исследовательские возможности. Пакет, в котором скромно представлены средства дальнейшей обработки «слоевых» карт, нельзя отнести к полным и эффективным, т.к. он не обеспечивает выполнение всесторонних и глубоких исследований и полного цикла картографирования.

В то же самое время растровые ГИС- пакеты, имеющие в своем составе мощный исследовательский инструментарий обработки «матричных» карт, распространены многократно меньше векторных пакетов, поэтому их реальный вклад в практику применения картографического метода в масштабе страны даже с учетом программ, используемых в комплексах обработки снимков и спутниковых данных, незначительный.

В итоге имеем, что страна наводнена неполными малоэффективными ГИС-пакетами, не дающими главного для чего создаются географические карты — новые информацию, знания и карты. Ожидания значительного подъема массовости и отдачи применения картографического метода исследования в условиях цифровых технологий не оправдались. Более того их уровень не только не подрос по сравнению с доцифровым периодом, но и понизился, поскольку сдерживается слабой картопользовательской составляющей широко используемых настольных векторных ГИС-пакетов.

Выход из тупика, как показывает опыт применения ГИС и системных комплексов других ценовых и функциональных категорий — многомодульных универсальных ГИС и комплексов, состоящих из двух и более видов систем обработки пространственных данных, находится в соединении в рамках недорого настольного ГИС-пакета гибридного типа векторных картосоставительских и растровых картопользовательских программ. Один путь выхода — быстрый и экономичный, основан на использовании огромного парка действующих настольных векторных пакетов и заключается в их дополнении готовыми или специально разработанными исследовательскими модулями обработки растров. Другой путь — более затратный и по времени и по ресурсам заключается в разработке недорогой настольной ГИС нового поколения гибридного типа, обеспечивающего все этапы картографирования: составление цифровых карт, всесторонние исследования цифровых карт, составление операциями анализа, преобразования и синтеза разнообразных производных карт.

Литература

  1. Берлянт А.М. Картографический метод исследования/ Берлянт А.М. – М.: Изд-во МГУ, 1971.
  2. Лебедев П.П. Картографический метод исследования в условиях цифровых технологий / Лебедев П.П. //Землеустройство, кадастр и мониторинг земель.- 2011 №12.
  3. Лебедев П.П. Вопросы кадастрового картографирования правового положения земель./ Лебедев П.П.//Геодезия и картография.- 1998. № 6. С. 49-52.
  4. Широкова B.A., Левин Ю.Ю. Концепция геоинформационной системы об экологическом состоянии водных объектов./Широкова B.A., Левин Ю.Ю. //Землеустройство, кадастр и мониторинг земель.-2012. № 8 (92). С. 75-81.

References

  1. Berlyant A.M. Cartographic method of research. Moscow State University Publishing House 1971.
  2. Lebedev P.P. Cartographic method of research in digital technologies Land management, cadastre and land monitoring 2011 №12.
  3. Lebedev P.P. Questions of cadastral mapping of the legal status of lands. / Lebedev PP // Geodesy and cartography.- 1998. № 6. P. 49-52.
  4. Shirokova V.A., Levin Yu.Yu. The concept of the geoinformation system on the ecological state of water bodies / Shirokova V.A., Levin Yu.Yu. // Land management, cadastre and land monitoring.-2012. No. 8 (92). Pp. 75-81.