Визуализация цифровых карт. Тематические карты. Условные знаки. Визуализация векторных и растровых данных, транспортных сетей, поверхностей. Трехмерная визуализация.

 

 

Тематические карты.

Одним из важнейших достоинств геоинформационных систем явля­ется то, что они позволяют очень наглядно представить человеку инфор­мацию о территориально распределенных объектах и явлениях.

В условиях отсутствия карт человеку нужно достаточно долго изу­чать различные таблицы, графики, тестовые данные, тогда как иногда дос­таточно бросить один взгляд на карту и всё становится ясно. Именно по­этому в картографии очень давно появился термин «тематические карты», который описывает карты, созданные для демонстрации каких-либо явле­ний или объектов. Геоинформационные системы дали толчок дальнейше­му развитию тематических карт, внеся новые изобразительные инструмен­ты и новые методики. И самое главное: с помощью ГИС процесс создания новой тематической карты происходит очень быстро.

Особенностью геоинформационных систем является то, что в них данные (геометрия и атрибутика) и их смысл (семантика) разнесены. Именно поэтому для того, чтобы пространственные данные были отобра­жены на карте, необходимо для них указать визуализаторы - наборы пра­вил отображения данных на карте. В некоторых ГИС визуализаторы про­странственных данных называются также символикой отображения про­странственных данных.

Для различных моделей данных существуют различные виды визуа­лизаторов, используя которые, можно создавать разнообразные тематиче­ские карты. Мы их рассмотрим в следующих разделах.

 

Условные знаки.

Базовым элементом всех картографических изображений являются условные знаки, с помощью которых объекты изображаются на карте.

Условные знаки определяют способ отображения одного конкретно­го пространственного объекта на карте. Отметим также, что визуализаторы набора пространственных данных задают правила, по которым будут вы­бираться различные условные знаки для отдельных объектов из этого на­бора данных.

В картографии выделяют 3 основных типа условных знаков: точеч­ные, линейные и площадные.

Точечными условными знаками (рис. 6.1) на карте изображают объ­екты или явления, размеры которых в масштабе карты пренебрежимо малы (обычно меньше 1 мм). При этом размер условного знака выбирается не пропорционально размеру изображаемого объекта, а так, чтобы он хорошо воспринимался человеком. Именно поэтому, например, города на мелко­масштабных картах Российской Федерации обычно изображают точечными условными знаками в виде кругов, а не многоугольниками с точными границами, при этом размер таких кругов существенно больше точных многоугольников.

 

Рис. 6.1. Некоторые стандартные точечные условные знаки, применяемые для составления топографических карт в Российской Федерации

 

Каждый точечный условный знак характеризуется координатами размещения на карте, типом, размером, углом поворота и цветами отобра­жения.

Линейными условными знаками (рис. 6.2) на карте изображают объ­екты или явления, существенно протяжённые в масштабе карты, однако имеющие пренебрежимо малую ширину (обычно меньше I мм). Например, на мелко- и среднемасштабных картах малые реки, магистральные нефтегазопроводы, воздушные линии электропередачи, автомобильные и желез­ные дороги обычно изображаются линиями.

 

Рис. 6.2. Некоторые стандартные линейные условные знаки, применяемые для составления топографических карт в Российской Федерации

 

Каждый линейный условный знак на карте повторяет некоторую ли­нию (ломаную или кривую), дополнительно характеризуясь типом знака, толщиной и цветами отображения.

Линейные условные знаки в некоторых случаях могут включать в себя в качестве составляющих частей точечные условные знаки, которые размещаются вдоль отображаемой линии через определенное расстояние либо в особых характерных точках, в частности в узлах отображаемой ло­маной. При этом точечные условные знаки могут поворачиваться вместе с линией либо быть все одинаково ориентированы.

Например, воздушная ЛЭП может быть описана ломаной, вершины которой представляют опоры, а отрезки - пролёты между опорами. Линей­ный условный знак, описывающий эту ЛЭП, может включать в себя точеч­ные условные знаки опор, при этом пролёты между опорами будут изо­бражены обычными отрезками прямых.

Площадными условными знаками (рис. 6.3) на карте изображают ре­гулярные объекты или явления, существенно протяжённые в масштабе кар­ты и не представимые точечными или линейными условными знаками. Термин «регулярные» означает, что внешний вид площадного условного знака не зависит от порядка задания точек в контуре объекта. Те условные знаки, которые не являются регулярными, обычно относят к специальным условным знакам - особому подвиду площадных знаков (см. ниже).

 

Рис. 6.3. Некоторые стандартные площадные условные знаки, применяемые для составления топографических карт в Российской Федерации

 

Каждый площадной условный знак на карте заполняет некоторую замкнутую область и дополнительно характеризуется типом, его размером и цветами отображения.

Площадные условные знаки состоят из некоторого специального ри­сунка, равномерно заполняющего замкнутую область на карте. В ряде слу­чаев этот рисунок может состоять из точечных условных знаков, которые с определённой регулярностью заполняют всю отображаемую область.

Специальными условными знаками (рис. 6.4) на карте изображают такие объекты или явления, которые не удаётся представить обычными площадными условными знаками. Например, специальными условными знаками на картах отображают различные виды откосов. Откосы, хоть и занимают на карте некоторую область и имеют некоторую границу, к обычным площадным знакам не относятся, так как при задании формы от­коса на карте необходимо дополнительно указать, какие отрезки контура откоса определяют его верхнюю границу откоса, а какие - нижнюю. Эта информация не может быть сохранена в обычной модели многоугольника.

 

Рис. 6.4. Некоторые стандартные специальные условные знаки, применяемые для составления топографических карт в Российской Федерации

 

Помимо точечных, линейных, площадных, в геоинформатике к кате­гории условных знаков иногда также относят текстовые условные знаки (рис. 6.5), которые включают в себя описание способа представления тек­стовых надписей на карте.

 

Рис. 6.5. Некоторые текстовые условные знаки, применяемые для составления карт

 

Каждый текстовый условный знак характеризуется текстом надписи, а также типом, размером и цветом шрифта, используемым для отображе­ния надписей. Кроме того, текстовый условный знак характеризуется уг­лом наклона либо линией, вдоль которой должна быть уложена надпись.

На рис. 6.6 показан фрагмент типичной топографической карты, де­монстрирующий применение различных условных знаков.

Одной из особенностей условных знаков, используемых в традици­онной картографии, является то, что их выбор и размещение на карте не­достаточно формализованы и очень многое зависит от индивидуальных предпочтений и опыта картографа. Именно поэтому, а также из-за техни­ческих сложностей программирования многие распространённые ГИС об­ладают достаточно скудными возможностями по отображению условных знаков, не позволяющими создавать карты в полном соответствии с суще­ствующими стандартами составления картографических материалов.

В геоинформационных системах используется несколько различных способов для создания условных знаков.

Точечные условные знаки задают следующими способами (рис. 6.7):

1. Простые стандартные фигуры, такие как круги, квадраты, ром­бы, треугольники, перекрестия. Этот способ позволяет быстро отображать точечные объекты на экран, и, несмотря на то, что он не соответствует нормам картосоставления, он реализован в большинстве ГИС.

 

Рис. 6.6.Фрагмент топографической карты, демонстрирующий применение различных условных знаков

 

Рис. 6.7.Различные способы задания точечных условных знаков в ГИС

 

2. Стандартные стрелки. Этот способ используется для отображе­ния точечных событий и объектов, имеющих определённую ориентацию в пространстве. Для стрелок задаётся тип, размер, длина и угол поворота. Этот способ применяется во многих ГИС.

3. Растровые изображения. Такие условные знаки задаются в виде прямоугольного растра, при этом некоторые пиксели помечаются как прозрачные. Достоинством этого способа является простота задания условных знаков. К недостаткам же можно отнести: а) пиксельный характер изобра­жения, заметный при увеличении карты (этого можно избежать, только существенно увеличив размер растра); б) технические сложности плавного масштабировании и поворота растров, а также отображения прозрачных частей растра; в) низкая скорость вывода растров по сравнению с выводом векторных рисунков. Тем не менее, в последнее время благодаря развитию программно-аппаратных технологий работы с растрами эти недостатки практически нивелировались. Этот способ реализован во многих ГИС.

4. Символы масштабируемых шрифтов Windows (ОреnТуре, True­Туре, Туре 1). Такие условные знаки состоят из нескольких символов шрифтов, последовательно наложенных друг на друга, и каждый из них характеризуется своим индивидуальным размером, цветом, углом поворо­та и смещением относительно других символов. Главным достоинством является высокая скорость вывода и качество получаемых условных зна­ков на экране компьютера, так как изображение символов на экране осу­ществляется стандартными средствами Windows, обеспечивающими сгла­живание лестничных эффектов символов. Недостатком же метода является сложность создания условных знаков для обычных пользователей ГИС, так как для этого нужно создавать новые символы шрифтов Windows с помо­щью специальных про грамм редактирования шрифтов. Этот способ реали­зован, например, в ArcGIS.

5. Векторные рисунки, создаваемые в специализированных вектор­ных редакторах условных знаков. Данный способ является наиболее гиб­ким, поскольку а) векторные изображения рисуются быстрее, чем другими способами; б) качество изображения на печати (но не на экране) является более высоким, нежели в других способах; в) позволяет пользователю бы­стро и удобно создавать новые условные знаки. Этот способ реализован, например, в технологии ех-шрифтов, используемой системой lndorGIS.

6. Метафайлы. Условные знаки задаются в виде векторных изобра­жений, сохранённых в формате Windows Metafile. Этот способ является достаточно быстрым и качественным, однако неудобен для пользователя, если он хочет создать новые условные знаки.

7. Многослойные условные знаки, состоящие из знаков, заданных разными вышеприведёнными способами. Этот способ используется, на­пример, в ArcGlS, а также в ряде других ГИС.

Линейные условные знаки задают такими способами (рис. 6.8):

1. Простые стандартные линии, отрисовка которых встроена в Windows (реализована в Windows GDI). Это сплошные, штриховые, пунк­тирные, штрихпунктирные и штрих-штрихпунктирные линии. При этом только сплошные линии могут отображаться не единичной толщиной. Этот способ позволяет быстро отображать линейные объекты на экране, однако он не соответствует нормам создания картографических материа­лов. Способ реализован в большинстве ГИС.

 

Рис. 6.8.Различные способы задания линейных условных знаков в ГИС

 

2. Штриховые линии, в которых можно задавать толщину и длину штрихов, а также промежутки между ними. Этот способ немного улучшает изобразительные возможности ГИС, но не решает проблемы отображения полноценных условных знаков. Этот способ реализован во многих ГИС.

3. Рубленые линии. Вдоль отображаемой линии с определённой пе­риодичностью рисуются небольшие отрезки под заданным углом к линии. Рубленые линии характеризуются размером и формой маленьких отрезков, а также промежутками между ними. Данный способ реализован только в некоторых современных ГИС.

4. Точечные условные знаки, повторяемые вдоль линии с определён­ной периодичностью, а также отдельные знаки, повторяемые на концах линии. Этот способ реализован во многих современных ГИС.

5. Многослойные условные знаки, состоящие из знаков, заданных разными вышеприведёнными способами. Этот способ используется, на­пример, в ArcGIS, а также в ряде других ГИС.

Основная проблема при компьютерном изображении линейных ус­ловных знаков заключается в изображении концов линий и мест перегиба. Дело в том, что для многих условных знаков, применяемых в картографии, есть разнообразные строго не формализованные ограничения, например, если линейный условный знак является штриховой линией, то её проме­жутки не должны приходиться на концы и точки поворота отображаемой линии. Именно поэтому многие линейные условные знаки на реальных картах имеют неформальную (не строго периодическую) структуру.

 

Рис. 6.9.Различные способы задания площадных условных знаков в ГИС

 

Площадные условные знаки задают такими способами (рис. 6.9):

1. Одноцветная закраска. Отображаемая область закрашивается од­ним цветом. Этот способ имеется во всех ГИС.

2. Градиентная закраска. Отображаемая область заполняется плав­ным переходом цветов в соответствии с некоторым цветовым шаблоном. Этот способ реализован, например, в ArcGIS.

3. Закраска по шаблону. Задаётся не которая матрица размером 8 х 8, каждый элемент которой имеет значение 0 или 1. При отрисовке вся об­ласть заполняется такими шаблонами попиксельно, используя два цвета для отрисовки значений 0 и 1 в матрице. В этом способе нельзя масштаби­ровать рисунок закраски, а это приёмлемо только для изображения про­странственных данных на экране компьютера, так как на принтере пиксели настолько малы, что рисунок на печати будет выглядеть как обычная од­ноцветная закраска. Недостатком является также то, что можно использо­вать только два цвета. Способ во многом устарел, но по-прежнему имеется во многих ГИС.

4. Текстурная закраска. Этот способ является логическим развитием предыдущего, позволяя задать текстуру - произвольное растровое изо­бражение, которым будет заполнена отображаемая область на карте. В от­личие от предыдущего способа, текстуры могут масштабироваться. Недостатком данного способа является то, что при определённом увеличении становятся видны отдельные пиксели текстуры. Этот способ сейчас ис­пользуется во многих ГИС.

5. Заполнение точечным условным знаком. Заданный произвольный точечный условный знак размножается внутри отображаемой области. Ес­ли точечный условный знак попадает на границу рисуемой области, то в зависимости от настроек он может либо не рисоваться совсем, либо отсе­каться вдоль границы рисуемой области. Этот способ сейчас реализован во многих ГИС.

6. Заполнение параллельными линиями. Отображаемая область запол­няется параллельными линиями под некоторым углом и на некотором рас­стоянии друг от друга. Каждая из параллельных линий определяется как некоторый линейный условный знак. Этот способ реализован, например, в ArcGIS.

7. Многослойные условные знаки, состоящие из знаков, заданных разными вышеприведенными способами. Этот способ используется, на­пример, в ArcGIS, а также в ряде других ГИС.

В заключение отметим, что все условные знаки бывают масштаби­руемыми и немасштабируемыми. Для первых размер задаётся в единицах системы координат карты, а потому при увеличении изображения размер знака на экране пропорционально увеличивается. В немасштабируемых знаках размер задаётся в некоторых единицах (например, в миллиметрах; это удобно, если карта готовится для печати) или в системе координат эк­рана (в пикселях), а потому знак на экране изображается всегда одного размера вне зависимости от текущего масштаба отображения.

В большинстве ГИС (например, в ArcGIS) все условные знаки явля­ются немасштабируемыми. В некоторых ГИС (например, в IndorGIS) ус­ловные знаки могут быть масштабируемыми.