Типы топографических данных, используемых при создании ЦММ

ВВЕДЕНИЕ

1. Координаты точек свободной фотограмметрической сети определяются в пространственной прямоугольной системе координат, масштаб которой в общем случае по всем направлениям постоянный. Это обеспечивает определение координат без каких-либо методических ошибок

2. Плановые координаты опорных точек даются в плоской прямоугольной системе координат, которая в пределах каждой 6⁰ зоне имеет своё начало. Плановые координаты в этой системе вычисляются в проекции Гаусса, масштаб которой непостоянный и на границе зоны может достигать величины 1:1000.

3. Высоты опорных точек заданы в Балтийской системе высот и отсчитываются по нормалям к поверхности Референс-эллипсоида, то есть от уровенной поверхности, а фотограмметрические высоты от плоскости по перпендикулярам.

4. При построении фототриангуляции на большие расстояния она может располагаться в нескольких 6⁰-х зонах.

ВОПРОС 1 ВИДЫ ЦИФРОВЫХ МОДЕЛЕЙ МЕСТНОСТИ (ЦММ)

Понятие ЦММ

Тенденция увеличения использования ЦММ объясняется ростом требований практики к адекватностям моделей используемых в задачах научного и практического значения. Перечислим только некоторые группы этих задач.

1) Вычисление таких данных, как высоты, углы наклона и экспозиции склонов, зоны видимости (невидимости), профили поперечного сечения рельефа, величины объемов, линии рельефа (водоразделы, сети тальвегов) и т.д.

2) Проведение точных картометрических расчетов (определение расстояний, площадей).

3) Оценка проходимости местности. При определении проходимости учитывается не только дорожная сеть, гидрография, растительность и грунты района, но и рельеф местности. Учет рельефа необходим не только для определения условий проходимости вне дорог, но и при решении задач связанных с выбором рациональных маршрутов движения. В этих задачах учет рельефа местности необходим для определения допустимой скорости движения по дорогам боевой и транспортной техники в условиях ограниченной видимости (ночное и вечернее время) и неблагоприятных погодных условий (гололед, туман, снегопад).

4) Учет защитных свойств местности от воздействия поражающих факторов как ядерного, так и обычного оружия требует анализа рельефа местности. Программная реализация имеющихся методик невозможна без использования ЦМР. Использование ЦМР необходимо также и при прогнозировании последствий применения оружия.

5) Оценка условий маскировки и наблюдения с наземных наблюдательных пунктов, воздушных и космических средств наблюдения.

6) Автоматизация задач выбора мест наилучшего обзора, выбора укрытий от средств воздушного наблюдения и т.д. Изучение условий ведения огня, связанное с выбором позиций для средств поражения также проводится с учетом рельефа.

7) Расчет последствий весенних паводков, таяния снегов и прорыва плотин водохранилищ. Расчет уровня затопления в этих и других ситуациях требует в качестве исходных данных ЦМР. Эти задачи связаны также с задачами расчета переноса отравляющих веществ дождевой водой (паводковыми водами) и их накопление на местности.

8) Прогнозирование развития низовых лесных и степных пожаров. Использование ЦМР повышает адекватность используемых моделей, что необходимо для планирования действий не только противопожарных служб, но и войсковых подразделений выполняющих задачи в непосредственной близости от очагов этих пожаров.

9) Повышение качества дешифрирования данных дистанционного зондирования Земли. Использование ЦМР может повысить точность получаемых данных средствами радиолокации.

10) Решение задач планирования развертывания сетей УКВ – связи. ГИС, ориентированные на этот класс задач, разрабатываются в Санкт-Петербурге в Военной Академии Связи и в отраслевом НИИ Радио.

11) Использование методики цифрового моделирования рельефа применительно к геофизическим полям различной природы, например для моделирования барических полей, позволяет создавать инструментальные средства исследования синоптических, геологических и других явлений.

Приведенный перечень возможных направлений применения цифровых моделей рельефа свидетельствует об актуальности рассмотрения вопросов использования ЦМР.

Цифровая модель рельефа местности (ЦМРМ) является составной частью электронной карты. Рассматривая роль и место ЦМРМ в технологии обработки, анализа и хранения информации, необходимо дать определение ЦМРМ и электронных карт (ЭК).

Под ЦМРМ понимается численное представление участка земной поверхности, где точечные, линейные и площадные объекты характеризуются кодами составленного словаря объектов и пространственными координатами X, Y, Z в соответствии с системой координат исходной картографической основы. Координата Z несет информацию о превышении или понижении точки в трехмерной модели изображаемого пространства, но использование величины Z не ограничивается её применением только как характеристики земной поверхности.

Под ЭК понимается объединенная общим замыслом, упорядоченная и согласованная на математической основе, содержанию, нагрузке и условным знакам совокупность картографических моделей, сформированных в соответствии с требованиями пользователем на машинных носителях (магнитных лентах и дисках, оптических дисках) программными и техническими средствами с использованием разработанных ЦМРМ, снимков и других источников информации о местности.

В отличие от ЦМРМ электронные карты, наряду с указанными параметрами ЦМРМ, имеют условные знаки (рисунок, размеры, цвет), подписи названий (шрифт, размеры, цвет) и, что весьма важно, пространственно-логические связи между объектами и элементами изображения. Более того, ЭК разных видов и масштабов могут иметь связи между собой.

Объект является основной информационно-логической единицей ЭК, соответствующей объекту (части объекта) местности и сохраняющей постоянными значения имеющихся качественных и количественных характеристик. Информация об объектах включает семантическую часть (сведения о качественных и количественных характеристиках) и метрическую часть (данные о координатах). Для адекватного отражения в цифровом виде всем объектам и их характеристикам присваиваются кодовые обозначения.

Электронные карты классифицируются:

1. По назначению:

– для отображения обстановки на экранах индивидуального и коллективного пользования, моделирования ситуаций и решения расчетных задач с использованием компьютерных средств;

– для применения в автоматизированных системах управления и навигации (наземной, воздушной и космической);

2. По тематике, видам и масштабам:

– тематические карты разных масштабов;

– электронные карты планов городов масштабов 1:10000 и 1:25000;

– электронные топографические карты масштабов 1:25000, 1:50000, 1: 100000, 1:200000, 1:500000 и 1:1000000;

– электронные авиационные карты масштабов 1:500000, 1:1000000, 1:2000000,1:4000000, 1:8000000 и 1:32000000:

– электронные космонавигационные карты масштабов 1:5000000, 1:10000000,1:20000000 и 1:40000000;

3. По способам представления пространственной информации:

– двухмерные модели (X, Y);

– трехмерные модели (X, Y. Z), основой которых являются ЦМРМ;

– четырехмерные, или пространственно-временные модели (X,Y,Z,T),

4. По форме представления

– линейные,

– векторные,

– матричные,

– растровые.

Под линейной формой понимается способ представления метрической картографической информации (информации о местоположении объектов) в виде последовательного набора координат точек контура объекта.

Под векторной формой – способ представления метрической картографической информации в виде наборов векторов заданной длины и ориентации.

Под матричной формой – способ представления метрической и семантической картографической информации в виде характеристик, отнесенных к узлам сетки с известными значениями их координат.

В линейной, векторной и матричной формах обеспечивается координатно-кодовая привязка объектов, а, следовательно, и возможность управления ЭК до уровня объекта и его характеристик.

Под растровой формой понимается способ представления информации ЭК в виде матрицы, элементами которой являются значения кодов цвета картографического изображения ЭК в растровой форме обеспечивает управление изображением на уровне цвета, в соответствие с которым могут быть поставлены определенные типы объектов.

Создание ЭК в линейной или векторной формах осуществляется путем символизации ЦКО с использованием определенной системы правил цифрового описания картографической информации и библиотек условные знаков для различных видов и масштабов ЭК. В процессе символизации осуществляется привязка условных знаков в соответствии с местоположением объектов на местности и правилами их отображения, размещение подписей названий, согласование информации в пределах листа карты и с соседними листами.

Создание ЭК в матричной и растровых формах может осуществляться на основе информации, представленной в линейной или векторной форме, а также в растровой форме – путем непосредственного сканирования картографического изображения и его последующего редактирования.

Примером ЭК в растровой форме, предназначенной в основном для отображения информации, служит так называемая телевизионная (видеодисковая) карта, являющаяся изображением обычной карты, записанным телевизионной камерой по кадрам на видеодиске.

Основными этапами технологии создания ЭК в векторной форме являются:

1. Подготовка исходных картографических материалов.

2. Цифрование, обработка и редактирование цифровой картографической информации.

3. Символизация, формирование и хранение ЭК в архиве.

Цель первого этапа – приведение в определенную систему предстоящих действий оператора по цифрованию методом прослеживания линий сложного и большого по объему картографического изображения, а также подготовка к вводу семантической информации. Для указания оператору необходимой последовательности цифрования элементов содержания на листах прозрачного пластика изготавливаются специальные оригиналы. Для подготовки к цифрованию семантики объектов составляются таблицы, в которые заносятся код объекта номер в пределах листа карты, признак локализации объекта (точечный, линейный, площадной), качественные и количественные характеристики.

Второй этап выполняется на АРМ оператора. При этом выходными материалами являются массивы цифровых данных семантики и метрики, контрольные копии.

Важнейшей частью технологии создания ЭК являются общее и специализированное программное обеспечение. Общее программное обеспечение (ПО) предназначено для загрузки специализированного ПО и выполнения низкоуровневых операций ввода-вывода. Специализированное ПО предназначается для выполнения следующих технологических операций: подготовка исходных данных для обработки информации, привязка листа исходной карты, цифрование объектов (точечных, линейных и площадных), исправление семантической и метрической информации, трансформирование метрической информации, воспроизведение контрольных копий, автономный ввод семантической и метрической информации, формирование ЭК в выходной структуре на машинном носителе с использованием библиотеки условных знаков и контроль.

Технология создания (ввода) ЭК в растровой форме предусматривает выполнение следующих процессов:

1. Подготовка исходных картографических материалов.

2. Сканирование картографических материалов, редактирование картографической видеоинформации.

3. Запись и хранение ЭК в архиве.

Первый процесс предусматривает соединение в блок (склеивание) исходных листов карт на основе координатной сетки.

Выполнение второго процесса заключается в сканировании блока листов карт по кадрам (по подготовленному сценарию) или считывании отдельных листов карт с использованием сканера.

Содержание третьего процесса заключается в архивировании введенных ЭК.

Картографические изображения, составляющие ЭК, должны быть согласованы и унифицированы по математической основе, содержанию и условным знакам.

Согласование и унификация математической основы картографических изображений могут быть достигнуты применением единого масштабного ряда, позволяющего отображать местность с необходимой детализацией и точностью, а также проекций, обеспечивающих сплошное (без разрывов) картографирование любых территорий земною шара с минимальными искажениями, и принятых систем координат.

Связь между картографическими изображениями, имеющими разные проекции и системы координат, должна осуществляться посредством соответствующих алгоритмов преобразований. Возможен также вариант использования уравнений универсальной равноугольной проекции.

Для согласования и унификации содержания и условных знаков картографических изображений целесообразно разработать методы их анализа и синтеза, управления информативностью, оптимизации содержания и нагрузки, а также создания простой, легко запоминающейся системы условных знаков, имеющей изобразительные средства, позволяющие получать наглядное представление о классификации объектов, их взаимном расположении, связях, семантических и метрических характеристиках.

Обновление ЭК производится с целью приведения их содержания (контуров) в соответствие с современным состоянием местности. Обновление ЭК выполняется путем цифрования исправленных издательских оригиналов карт с привлечением дополнительных и справочных материалов, а также материалов видового наблюдения.

Системой обеспечения ЭК должна предусматриваться поставка для ГИС пакетов прикладных программ, реализующих основные функции управления картографическими изображениями ЭК на экранах индивидуального и коллективного пользования, хранения, ведения и обновления информационных массивов, библиотеки условных знаков и шрифтов, доступа к объектам и различным частям изображения, различных манипуляций с изображениями на экране, масштабирование, вырезка по "окну", передвижение изображения, его разворот, съем координат, "сшивки" смежных листов карт для обеспечения непрерывной визуализации заданного района, редактирования картографического изображения, использования унифицированных интерфейсов, обеспечивающих работу пользователей.

Создание ЭК осуществляется по уровням (слоям), одним из которых является ЦМРМ. На нижнем уровне формируется наиболее подробное представление о местности в виде базовых ЭК. На каждом более высоком уровне степень подробности картографических изображений путем их генерализации постепенно уменьшается. На высшем уровне синтезируется наиболее обобщенное представление о местности. Такой подход позволяет на каждом уровне создавать картографические изображения различной сложности с более четким анализом возможности выполнения предъявляемых к ним требований.

Концептуальной основой создания ЭК служит системный подход, который заключается в разработке методов построения картографических изображений как единой информационной базы, созданной на основе оптимального использования существующих карт и имеющих иерархическую модульную структуру с различными уровнями детализации информации о местности. Принцип блочно-иерархического, логического построения ЭК с последовательным уменьшением масштабов картографических изображений и гибкости поисковой стратегии предусматривает четкое определение места каждого картографического изображения в системе ЭК и указание его связей с изображением, находящимся на том же или других уровнях. По этому принципу ЭК интегрируются в систему, которая обеспечивает закономерную повторяемость изображений (моделей) путем организации их в циклы, а, следовательно, гибкость автоматического поиска и управления картографическими изображениями. В настоящее время существует два основных типа моделей ЦМРМ:

– модель триангуляционной сети (ТС),

– модель регулярной сети (PC).

Каждая из моделей имеет свои преимущества и выбор используемого типа модели в том или ином случае зависит от возлагаемых на нее задач.

Типы топографических данных, используемых при создании ЦММ.

Под топографическими данными (элементами) понимаются любые физические или абстрактные объекты, которые тем или иным образом характеризуют находящиеся на поверхности земли объекты и непосредственно саму земную поверхность.

Под физическими данными понимаются любые, природные или созданные человеком, наблюдаемые объекты на поверхности земли, какими являются, например, русла рек, горные хребты, автомобильная или железнодорожная сети и т.д.

Под абстрактными данными понимаются данные, полученные при первичной обработке информации, характеризующей рельеф местности. Такими данными могут являться вертикальные профили, горизонтали местности, границы исследуемого района и т.д. В процессе синтеза ЦМРМ используются три типа картографических данных: точки, линейно-протяженные объекты и площадные участки местности.