Цифровые и электронные топографические карты

ВВЕДЕНИЕ

Инженерно-геодезические работы являются чрезвычайно важной частью комплекса работ по изысканиям, проектированию, строительству и эксплуатации сооружений различного назначения. Эти работы во многом определяют как стоимость и качество строительства, так и условия последующей эксплуатации инженерных объектов.

С развитием научно-технического прогресса происходят фундаментальные изменения технологий и методов проектно-изыскательских работ и строительства инженерных объектов, что находит отражение в изменении состава и методов производства инженерно-геодезических работ, а также в качественном изменении парка используемого геодезического оборудования. В проектно-изыскательских и строительных процессах широко применяются системы автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированные системы управления строительством (АСУС), геоинформационные системы (ГИС) и т. д.

Инженер-строитель должен работать как с традиционными видами инженерно-геодезической информации – топографическими картами и планами, так и с их электронными аналогами – электронными картами (ЭК), являющимися основой ГИС, цифровыми (ЦММ) и математическими (МММ) моделями местности, на базе которых осуществляется системное автоматизированное проектирование инженерных объектов на уровне САПР.

В связи с тем, что при проектировании на уровне САПР резко увеличивается необходимый объем геодезической информации, инженер-строитель на современном этапе развития научно-технического прогресса должен владеть не только традиционными методами геодезических работ, но и методами, построенными на последних достижениях науки и техники.

Для выполнения инженерно-геодезических работ в настоящее время нашли широкое применение электронные тахеометры, электронные цифровые нивелиры, лазерные сканирующие системы, приборы спутниковой навигации и др.

Использование такого оборудования позволяет максимально сократить объемы и стоимость полевых работ за счет увеличения камеральных работ при широком применении средств автоматизации и вычислительной техники.

1. электронные карты, цифровые
и математические модели местности

Понятие «геоинформационная система»

Геоинформационная система (ГИС) – это автоматизированная интегрированная информационная система, предназначенная для обработки пространственно-временных данных, основой интеграции которых служит географическая информация.

Одним из основных принципов организации пространственной информации в ГИС является послойный принцип (рис. 1) [16].

Концепция послойного представления графической информации была заимствована из САПР, однако она получила новое качественное развитие, так, например: тематические слои в ГИС представляются не только в векторной как в САПР), но и в растровой форме; векторные данные в ГИС обязательно являются объектными, т. е. несут информацию об объектах, а не об отдельных их элементах, как в САПР; тематические слои в ГИС являются определенными типами цифровых картографических моделей, построенными на основе объединения пространственных объектов, имеющих общие свойства или функциональные признаки.

Рис. 1. Пример совокупности тематических слоев как интегрированной основы графической части ГИС

Совокупность тематических слоев образует интегрированную основу графической части ГИС, в которых объединяющей основой (подложкой) являются цифровые и электронные карты.

Цифровые и электронные топографические карты

Цифровая карта (ЦК) – цифровая модель местности, записанная на машинном носителе информации в установленных структурах и кодах, сформированная на базе законов картографии в принятых для карт проекции, разграфке, системе координат и высот, по точности и содержанию соответствующая карте определенного масштаба.

Электронная карта (ЭК) – векторная или растровая топографо-тематическая карта, сформированная на машинном носителе информации в принятой проекции, системе координат и высот, условных знаков, предназначенная для отображения, анализа и моделирования, а также для решения расчетных и информационных задач по данным о местности и обстановке.

Векторное представление графической информации (векторная модель данных) – цифровое представление точечных, линейных и полигональных пространственных объектов в виде набора координатных пар с описанием только геометрии объекта.

Растровое представление графической информации (растровая модель данных) – цифровое представление пространственных объектов в виде совокупности ячеек растра (пикселей). Пиксель – это неделимый двухмерный элемент изображения, наименьшая из его составляющих, получаемая в результате сканирования изображения или электронного фотографирования и характеризуемая прямоугольной формой и размерами, определяющими пространственное разрешение изображения.

При растровом представлении графической информации разрешение получаемого графического изображения характеризуется минимальным линейным размером наименьшего участка пространства (поверхности), отображаемым одним пикселем или числом пикселей на единицу длины изображения (например, dpi – число пикселей на дюйм). Существуют способы и технологии перехода от одних представлений графической информации в ГИС к другим, например векторно-растровое или растрово-векторное.

Традиционные технологии подготовки цифровых и электронных карт в ГИС с использованием для этой цели топографических карт на бумажных носителях представлены на рис. 2.

Рис. 2. Технология полуавтоматического цифрования (а)
и сканерная технология (б) подготовки электронных карт в ГИС

Данные космических съемок, аэросъемок и наземных фототеодолитных съемок, осуществляемые с использованием специальной электронной съемочной аппаратуры в цифровом виде (электронная фотография), вводят непосредственно в память компьютера, минуя бумажную стадию при подготовке графических данных в ГИС.

В отличие от цифровых карт точечные, линейные и площадные объекты которых характеризуются пространственными координатами и кодовыми обозначениями, электронные карты, наряду с указанными параметрами цифровых карт, имеют систему условных знаков (со своими размерами, шрифтом и цветом) и пространственно-логические связи между объектами и элементами изображения.

Представление и хранение картографической информации в виде ЭК имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционным хранением и использованием топографических карт на бумажных носителях (твердой основе) – это возможность:

постоянного внесения изменений и корректировок (обновления карт);

объединения в единой системе картографической и некартографической информации и различных взаимосвязей между ними;

оперативного обращения к ЭК как путем ввода запросов через клавиатуру, так и путем непосредственного указания на экране монитора интересующих пользователя картографических объектов;

за счет целостности модели проведения различных анализов и обобщений, отслеживания динамики изменения различных параметров с формированием необходимых справок, таблиц, диаграмм и т. д.;

создания по требованию пользователя любых нужных ему карт – требуемой тематики, масштабов и степени детализации как в электронном виде, так и на твердых носителях;

постоянного изменения работающих с моделью программ;

трехмерной визуализации цифровых моделей, невидимых для человеческого глаза, включая перемещение над поверхностью (режим «Полет») с визуальным эффектом полета в трехмерном пространстве;

возможность получения экспертных решений в режиме реального времени.

Принципиальной особенностью ЭК как картографической основы ГИС является ее многослойная организация с гибким механизмом управления слоями, позволяющая не только отобразить существенно большее количество разнообразной информации, чем на обычной топографической карте, но и значительно упростить ее анализ путем селекции картографических данных, необходимых для текущего рассмотрения с применением механизма «прозрачности» электронной карты и режима реального масштаба времени.

Электронные карты классифицируют:

по форме представления (векторные, растровые, векторно-растровые);

по назначению (ГИС, АСУ, навигация);

по тематике, видам и масштабам (тематические карты разных масштабов, ЭК городов, электронные топографические карты, электронные кадастровые карты и т. д.);

по способам представления пространственной информации:

двухмерные модели (X, Y);

трехмерные модели (X, Y, Н);

пространственно-временные модели (X, Y, Н, t).

Пространственно-временные модели ЭК являются картографической основой современных ГИС.