Цифровые карты и ГИС-технологии
Лебедев Сергей Васильевич,
кандидат геолого-минералогических наук, доцент
Картография – наука об исследовании, моделировании и отображении пространственного расположения, сочетания и взаимосвязи объектов и явлений природы и общества. В более широкой трактовке картография включает технологию и производственную деятельность.
Объектами картографии являются Земля, небесные тела, звёздное небо и Вселенная. Наиболее популярными плодами картографии (понятными большинству людей) являются образно-знаковые модели пространства в виде плоских карт, рельефных и объёмных карт, глобусов. Они могут быть представлены на твёрдых, плоских или объёмных материалах (бумага, пластик) или в виде изображения на видеомониторе.
Поскольку на картах отображается информация, относящаяся к самым различным наукам, выделяют такие разделы картографии, как геологическая картография, почвоведческая картография, экологическая картография, экономическая картографияи т. д. Эти разделы относятся к картографии лишь как к методу, а по содержанию к соответствующим наукам.
Относительно недавно появилась цифровая (компьютерная) картография, занимающаяся компьютерной обработкой картографических данных. Цифровая картография – это не столько самостоятельный раздел картографии, сколько её инструмент, обусловленный современным уровнем развития технологии. Например, не отменяя способов пересчёта координат при отображении поверхности Земли на плоскости, цифровая картография изменила способы визуализации картографических произведений.
Если раньше авторский оригинал карты чертился вручную (перо, карандаш, ручка), то, начиная с конца XX века, он изготавливается с помощью компьютера. Для этого используют Автоматизированные картографические системы (АКС), созданные на базе специального класса программного обеспечения (ПО). Например, Esri ArcGIS, GeoMedia, Intergraph MGE, EasyTrace, Панорама и др.
Раздел картографии, изучающий географические карты, их элементы, свойства, виды, а также способы использования карт, называется картоведением. Карта – это очень эффективный и информативный способ хранения, представления и передачи имеющей пространственную привязку географической информации. Карта во многих случаях гораздо нагляднее, чем десятки страниц отчетов с таблицами.
Картоведение дает общее представление о видах и типах картографических произведений, их математической основе, способах картографического изображения, приемах составления, генерализации, об оформлении и принципах картографического дизайна, методах использования карт и атласов в географии, геологии и других науках о Земле. Современный курс картоведения обязательно должен включать и первоначальные сведения о геоинформатике, геоинформационнном картографировании.
Карта – это математически определенное, уменьшенное, генерализованное изображение поверхности Земли, другого небесного тела или космического пространства, показывающее расположенные или спроецированные на них объекты в принятой системе условных знаков [Берлянт А.М. и др., 2003].
В самом определении карты обозначены основные ее свойства:
- математический закон построения – применение специальных картографических проекций, позволяющих перейти от сферической поверхности Земли к плоскости карты;
- знаковость изображения – использование особого условного языка картографических символов;
- генерализованность карты – отбор и обобщение изображаемых объектов.
Свойства карты хорошо понятны при сопоставлении с аэро- и космическими снимками. Снимки дают подробный портрет, копию местности, но без условных знаков. На снимках территория предстает такой, какова она есть. Картографические условные знаки во многом обогащают изображение. Они позволяют передать количественные и качественные характеристики объектов (например, возраст геологических пород, типы почв, проходимость болот), отразить объекты, недоступные взору человека (рельеф дна океана, строение земной коры на больших глубинах и т.п.), наглядно показать даже то, что не воспринимается органами чувств (магнитные склонения, аномалии силы тяжести и др.), передать динамику процессов, их ход во времени и перемещение в пространстве (перемещение границы суша-море в результате абразии берегов, миграция магнитных полюсов и др.). Наконец, с помощью условных знаков на карте можно представить расчетные показатели и научные абстракции, скажем, градиент температурного поля или комфортность проживания человека на данной территории.
Картограф сам выбирает знаки и способы изображения, решает, что и как будет показано на карте. Одновременно он производит отбор и обобщение объектов, т.е. определяет, что важно для данной карты и обязательно должно быть на ней показано, а что не очень существенно и может быть частично или полностью исключено. При этом составитель карты руководствуется не только определенными научными принципами, правилами и инструкциями, но и привлекает свои знания, свое собственное понимание сути отображаемого явления, его генезиса и значимости в картографируемой геосистеме.
Многие решения, которые принимает картограф, индивидуальны в каждой конкретной ситуации и поэтому трудноформализуемы! Карта, в отличие от снимка, не является копией местности, это изображение реальности, пропущенное через сознание картографа. Образно говоря, на снимке представлены только факты, а на карте еще и научные понятия, обобщения, логические абстракции.
В настоящее время практически вся картографическая продукция выпускается в виде цифровых карт. ГОСТ 28441-99 (Картография цифровая. Термины и определения) даёт следующие определения понятиям «цифровая карта» и «цифровая модель»:
- Цифровая карта; ЦК: цифровая картографическая модель, содержание которой соответствует содержанию карты определенного вида и масштаба.
- Цифровая (картографическая) модель: логико-математическое представление в цифровой форме объектов картографирования и отношений между ними.
Первое определение не раскрывает суть понятия цифровой карты, а второе может быть понятно лишь узкому кругу специалистов, работающих непосредственно в области цифровой картографии.
Как уже говорилось, только пропущенная через сознание картографа, причем не просто картографа, а специалиста в конкретной области тематической картографии, цифровая карта может стать тем продуктом, который будет соответствовать своему назначению по существу и содержанию. Поэтому наша задача – познакомить широкий круг специалистов, для которых и существует тематическая картография, с инструментарием цифровой картографической продукции и основными принципами, на которых он основан.
Для создания и эффективной работы с картами сейчас используют Географические информационные системы (ГИС). ГИС – это компьютерные системы для сбора, хранения, управления, анализа и представленияпространственно определенной информации. Другими словами, это инструменты, позволяющие пользователям искать, анализировать и редактировать цифровые карты.
ГИС-технология объединяет традиционные операции при работе с базами данных, такими как запрос и статистический анализ, с преимуществами визуализации и пространственного анализа, которые предоставляет карта. ГИС включают в себя возможности редакторов растровой и векторной графики и аналитических средств и применяются в картографии, природопользовании, геологии, метеорологии, землеустройстве, экологии, муниципальном управлении, транспорте, экономике, обороне и др.
Возникновение и бурное развитие ГИС было предопределено богатейшим опытом топографического и тематического картографирования, успешными попытками автоматизировать картосоставительский процесс, а также революционным достижениями в области компьютерных технологий, информатики и компьютерной графики в конце ХХ века.
Как и другие информационные технологии, ГИС подтверждает известный тезис: лучшая информированность помогает принять лучшее решение. Можно достаточно быстро рассмотреть и проанализировать несколько вариантов обработки запросов и обосновать наиболее эффективное решение. Однако ГИС – это не инструмент для выдачи решений, а средство, помогающее ускорить и повысить эффективность процедуры принятия решений. Первое (постановка задачи) и последнее слово (принятие решений) – всегда остается за человеком!
Говоря о достоинствах ГИС-технологий, нельзя забывать и о проблемах цифровой картографии. Есть множество подводных камней на пути проектирования и реализации ГИС-проектов. Самое главное препятствие, как это ни странно, психологическое. Мы привыкли к тому, что компьютер нам «строить и жить помогает!» При этом забываем негативный опыт прямого копирования в технике объектов живой природы.
В истории человечества нет числа попыткам сделать летательный аппарат с машущими, как у птицы, крыльями. Величайшими изобретениями являются такие, которым аналогов в живой природе нет, например, колесо или пропеллер винта.
Вредно и нерационально требовать от ГИС, как и от любой другой компьютерной системы, наличия таких человеческих свойств, как способность к ассоциативному мышлению. Покажите 2-летнему ребенку несколько раз картинки с животными – и он никогда уже не перепутает кошку с собакой, а лошадь с коровой.
Мы уже говорили о том, что многие решения, которые принимает картограф, индивидуальны в каждой конкретной ситуации и поэтому трудноформализуемы. А любая компьютерная технология, наоборот, требует формализации!
Можно ли построить на основе формальных, «понятных» компьютеру условий такую абстракцию, которая различала бы, например, образы? Конечно, да! Но для этого нужно ясно представлять себе возможности и ограничения той или иной компьютерной технологии.
Первое, что должен изучить картограф, знакомясь с той или иной ГИС, – это форматы данных, поддерживаемые программным обеспечением и свойства создаваемых моделей карт, построенных с использованием того или иного формата.
И последнее, важное замечание, прежде чем перейти к изучению ГИС. Осознание технологических преимуществ ГИС привело к тому, что теперь во всех развитых странах, включая Российскую Федерацию, государственные фонды геологической, географической, экологической и прочей геоинформации переведены или переводятся в электронную форму.
Инструктивно закреплено положение, что отчеты по всем видам региональных геологических исследований в нашей стране представляются в формате ГИС – и это накладывает определенные требования к подготовке специалистов. И дело здесь не только в том, что нынешним студентам будет необходимо в свое время создавать ГИС – может быть большинству и не придется этим заниматься непосредственно. Важно то, что все равно это будет кем-то сделано.
Чтобы избавить своих коллег от проблем, уже сами исходные данные должны представляться с пониманием того, как и в какой форме они будут интегрированы в ГИС. А для этого надо хотя бы минимально представлять себе весь путь создания ГИС.
Выбор ГИС. ГИС ArcGIS
Те или иные ГИС (ArcGIS, MapInfo, AutoCAD map и др.) обладают как преимуществами, так и недостатками. Например, лицензионное программное обеспечение ArcGIS стоит первые десятки тысяч долларов. Однако факт остается фактом: все отечественные организации, занимающиеся изготовлением и хранением цифровой картографической продукции (Роскартография, Севзапгеоинформ и др.), остановили свой выбор на программных продуктах ESRI.
Справка. ESRI – Environmental Systems Research Institute (Институт исследований систем окружающей среды) был основан в 1969 г. Джеком и Лорой Данжермонд как частная консультирующая компания в Редлендсе, штат Калифорния, США. В настоящее время ESRI является мировым лидером среди разработчиков ГИС-инструметария. По некоторым оценкам, ее доля на международном рынке ГИС составляет около 35 %. Усилия ESRI сосредоточены на производстве программных продуктов, в том числе семейства ArcGIS, а также на предоставлении особых услуг пользователям.
Конечно, свою роль сыграло волевое (административное) решение. Однако значение в завоевании российского рынка имела и маркетинговая политика компании ESRI. Например, пользователи продуктов ESRI могут повышать квалификацию в специализированных учебных центрах в крупных российских городах – Москве, Санкт-Петербурге, Новосибирске. Для российских высших учебных заведений предоставляются довольно существенные скидки.
С началом XXI века новым товарным знаком ESRI стало семейство программArcGIS. Стоит упомянуть, что компания-разработчик интегрированного на единой платформе семейства программных продуктов ArcGIS изменила в2010 г. свое название наEsri, такова часть ее маркетинговой политики консолидации бренда. Произносится какэсри, ударение на «э».
В настоящее время технология ГИС на платформе Esri развивается по следующим основным направлениям, поэтапно реализуемым в новых версиях программных продуктов семейства ArcGIS:
- Картография и ГИС– это направление интересует всех без исключения специалистов, использующих ГИС в своей работе. Ведь без карт, как одного из важнейших результатов работы, не обходится ни один ГИС-проект.
- ГИС и наука – с помощью ГИС легче понять и проанализировать комплексные системы, содержащие важные пространственные компоненты.
- Корпоративные ГИС– предоставление общей инфраструктуры для создания и развертывания ГИС-решений, позволяющей легко интегрировать данные из разных подразделений организации.
- Серверные ГИС – внедряется развитая среда для предоставления современных сетевых географических информационных сервисов через широкий спектр клиентских приложений и клиентских платформ.
- Мобильные ГИС, которые используют беспроводные технологии для повышения эффективности и производительности организаций и их полевых бригад.
Среди семейства ArcGIS выделяется настольный вариантDesktop ArcGIS. (Настольные ГИС). Термин «Desktop ArcGIS» относится к программамArcView, ArcEditor, ArcInfo, ArcGISExtensions. Эти программы построены в соответствии с единой архитектурой и имеют одинаковый пользовательский интерфейс.
Различие определяется разным уровнем функциональности, доступным пользователю в каждом из продуктов. Доступность, в свою очередь, зависит отуровня лицензии. Самой дешевой является лицензияArcView.Функциональность программ постепенно наращивается по мере перехода от ArcView к ArcEditor и далее к ArcInfo.
Базовые приложения DesktopArcGIS– ArcMap, ArcCatalog, ArcToolbox.
- ArcMap обеспечивает решение разнообразных картографических задач, пространственный анализ и редактирование данных.
- ArcCatalog (менеджер данных) отвечает за просмотр и управление ГИС-данными, обеспечивает доступ к базе данных на отдельном компьютере, по локальной сети или через Интернет.
- ArcToolbox – это набор инструментов для обработки пространственных данных, сгруппированных по типам решаемых задач.
Источник: Цифровая модель геоэкологической карты в ГИС ArcGIS: Учебник для студентов вузов / Лебедев С. В., Нестеров Е. М. — СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2012. — 380 с.