1. Тема 4. Технології введення просторових даних

ПЛАН

1. Введення даних у ГІС. 
2. Джерела вхідних даних для ГІС. 
3. Джерела атрибутивних даних. 
4. Технології введення просторових даних. 
5. Контроль якості створення цифрових карт 

2. Введення даних в ГІС

Введення даних є обов'язковою операцією, необхідною для функціонування ГІС. Для різних типів даних розроблені спеціальні технології введення, що відповідають функціональним можливостям, включеним до складу програмного ГІС-забезпечення, розроблені спеціалізовані периферійні пристрої.

ГІС складається з підсистем.

Введення даних — процедура кодування даних у форму, яку може прочитати комп’ютер і здійснити їх запис у базу даних ГІС. Цифрування — процес перетворення даних із паперових карт у комп’ютерні файли.

Підсистема збереження, оновлення й управління базами даних призначена для організації просторових даних із метою їх вибірки (обслуговування запитів на інформаційний пошук), відновлення та редагування. Вона повністю відповідає уявленням про функції комп’ютера як ефективного засобу для збереження й обробки інформації.

Підсистема обробки, моделювання й аналізу даних призначена для організації їх обробки, перетворення, математичного моделювання та поєднаного аналізу шляхом генералізації, агрегації, встановлення параметрів і обмежень за допомогою моделюючих функцій.

Підсистема контролю, візуалізації та виведення інформації призначена для відображення всієї бази даних або її частини в табличній, діаграмній або картографічній формі.

В даній лекції більш детальніше зупинимося на підсистемі введення, підготовки та попередньої обробки даних.

Залежно від типу джерел вхідних даних застосовуються різні технології введення даних. У першу чергу розділяються методи введення просторових і атрибутивних даних, для чого розроблені різні види графічних і табличних редакторів. Залежно від виду і якості вхідних матеріалів можуть використовуватися методи ручного або автоматизованого введення.

Основний вплив на вибір джерел даних і технологію їхнього введення чинить сфера застосування оброблюваної в ГІС інформації. Залежно від цілей роботи розрізняються вимоги до просторової і семантичної точності вхідних даних, часу їх збирання (створення), методів попередньої підготовки і формалізації даних. Наприклад, вхідні дані, придатні для створення електронного або паперового атласу адміністративної області, не можуть без додаткової підготовки використовуватися для створення системи земельного кадастру, де вимоги до точності вимірювання довжин і площ об'єктів у кілька разів вищі. Для систем, що моделюють природні або суспільні процеси, також необхідні особливо підготовлені й описані блоки даних, отриманих як зі стародавніх рукописних текстів, так і за допомогою найсучасніших систем збору інформації з космосу.

На технологію збору і введення даних також впливають методи подальшого аналізу і подання підсумкової інформації.
Введення даних, незважаючи на впровадження автоматизованих технологій, як і раніше, залишається найбільш складною і трудомісткою операцією при створенні і функціонуванні ГІС. Найбільш часто використовуються технології сканування паперових картографічних матеріалів, геометрична корекція сканованого зображення для усунення просторових похибок, цифрування паперових або сканованих карт із використанням ручної або напівавтоматизованої технології розпізнавання картографічних об'єктів.

За оцінками різних експертів, вартість введення даних може досягати 80% вартості всього ГІС-проекту, включаючи вартість апаратних засобів і зарплати висококваліфікованого персоналу. 

Помилки і пропуски, допущені при введенні даних, можуть призвести до перекручування інформації на наступних етапах її обробки і цілком знецінити кінцевий результат. Тому перед введенням даних виконується оцінка інформаційних потреб системи на всіх етапах її функціонування, підбираються джерела даних, улаштовується перелік інформаційних об'єктів, створюються їх докладні формалізовані описи, розробляється план послідовного цифрування. Обов'язковим елементом введення даних є вибірковий або повний контроль точності і повноти введення.

Географічні зображення для використання в ГІС вводяться у векторному або растровому вигляді безпосередньо (якщо такі дані вже існують у потрібному цифровому форматі) або за допомогою дигітайзера чи сканера. Кожен елемент або об’єкт зображення має географічну прив’язку. Тим самим будь-які властивості й характеристики цих об’єктів або елементів мають посилання на місце розташування.

Диво техніки — дигітайзер — з'явився в 1970-ті рр., a RAND Tablet (електромагнітний тип) — ще в 1964 р. Це не просто сканер, а графічний планшет, який паперове або векторне зображення перетворює на цифровий формат. Складається він із сенсорного екрана (планшет) і приладу, що наносить малюнок (стилус). Сучасний пристрій — магнітний дигітайзер — настільки точний, що навіть чутливий до розташованих поруч металевих предметів (обладнання, стільці, комп'ютери), які можуть спричинити спотворення картинки.

Засоби маніпулювання являють собою різні способи перетворення й виділення даних, наприклад приведення всієї географічної інформації до єдиного масштабу й проекції для зручності спільної обробки. Для зберігання, структурування та управління даними в ГІС найчастіше використовують реляційні бази даних, де для зв’язування таблиць існують загальні поля.

Запит і аналіз у ГІС можна виконувати на різних рівнях складності: від простих запитань (де розташований об’єкт і які він має властивості) до пошуків за складними шаблонами та сценаріями типу «а що, якщо...». Важливими в ГІС є засоби аналізу близькості та накладання об’єктів. Перший інструмент пов’язаний із виділенням буферних зон навколо заданих об’єктів за комбінацією різних параметрів (наприклад, виділити населені пункти, розташовані в радіусі 2 км від автодороги). Другий — дозволяє обчислювати перетин, об’єднання та інші поєднання двох і більше площинних об’єктів, розташованих у різних тематичних шарах (так звані оверлейні операції).

Розвинені засоби візуалізації дають змогу ГІС легко управляти відображенням даних. Традиційним результатом обробки й аналізу просторових даних є карта, яка легко доповнюється звітними документами, тривимірними зображеннями, таблицями, діаграмами, фотографіями, засобами мультимедіа.

3. Джерела вхідних даних для ГІС

Основними джерелами даних для ГІС виступають літературні (текстові) дані, звіти експедицій, статті, книги тощо.

За способом отримання дані в геоінформатиці поділяють на первинні та вторинні. Первинні дані отримують шляхом вимірювань або спостережень безпосередньо на об’єкті, що досліджується (шляхом аерокосмічних зйомок, вибіркового дослідження в польових умовах, дистанційного зондування за допомогою GPS). Вторинні дані отримують на основі обробки первинних даних або з уже наявних моделей даних (сканування карт, знімків).

Сукупність упорядкованої інформації, що використовується під час функціонування ГІС, створює її інформаційну базу. Джерела просторових даних для ГІС — основа їх інформаційного забезпечення. Це сукупність методів, засобів і процесів, спрямованих на збір, систематизацію та класифікацію інформації для створення баз даних.

Підсистема введення, підготовки та попередньої обробки даних призначена для збору просторових даних із різних джерел і відповідає за перетворення різних їх типів (наприклад, від ізоліній топографічної карти до моделі рельєфу ГІС) у цифровий формат.

Значні можливості збору даних для ГІС надає GPS (Global Positioning System) — технологія, створена на основі космічних систем глобальної навігації NAVSTAR (США), Gallileo (ЄС) та ГЛОНАСС (Росія). Вона призначена для збору високоточної цифрової інформації про місцевість, фактичні топографічні дані (географічні координати та позначки висоти рельєфу в певній точці місцевості), де точність вимірів досягає декількох сантиметрів.

До джерел вихідних даних для створення ГІС відносяться:

·        картографічні джерела (топографічні карти; загальногеографічні карти різного тематичного змісту; архітектурні плани і плани землевпорядкування)

·        дистанційне зондування Землі (ДДЗ) і фотографічні дані

·        польові інструментальні дослідження

·        дані різноманітних кадастрів

·        інтернет

·        гідрометеорологічні дослідження

·        дані статистики

·        текстові джерела, фотографії й ілюстрації;

·        рукописні карти і тексти.

4. Джерела атрибутивних даних

Джерелом атрибутивних даних для ГІС можуть бути стандартні звітні форми різних державних, комерційних і громадських організацій, наукові звіти і публікації, дані спостережень на гідрометеорологічних станціях та ін. Велика частина таких документів створюється і подається в цифрованому вигляді у форматах програмних пакетів обробки документів Word, Excel, Access. До складу більшості пакетів ГІС, що працюють з реляційними таблицями для збереження атрибутивних даних, входять спеціальні модулі імпорту й експорту даних у формати Excel і Access. Для обробки текстових даних розробляються методи їх групування, формалізації, переведення в табличну форму. При обробці паперових джерел можуть використовуватися методи автоматизованого розпізнавання тексту.

5. Технології введення просторових даних

Автоматизоване введення даних та ручне введення даних. До автоматизовного введення даних належить сканування, векторизування та геокодування. До ручного введення даних належить апаратне дегітизування, екранне дегітизування, автозахоплення та автотрасування, редагування існуючих картографічних обєктів,  уведення і редагування з використанням з використанням існуючих графічних обєктів, групове редагування.

5.1. Сканування

Сканування у наш час є одним з основних видів перетворення зображень з паперових (плівкових та ін.) типів носіїв у різні формати електронних зображень. Сам термін "сканування" означає, що площина вихідного зображення проглядається послідовно по смугах, кожна смуга, у свою чергу, поділяється на окремі елементи. Відбите оптичне електромагнітне випромінювання кожного елемента зображення реєструється світлочутливим датчиком, при цьому відбувається осереднення колірних і яскравих характеристик (елемент зображення тепер може вважатися пікселем); залежно від поточних настроювань сканера піксела присвоюється визначений код у бітовому, сіро-кольоровому чи RGB-форматах, після чого інформація про порядкове положення і колір піксела записується в растровий графічний файл. 

Якість сканування визначається точністю місцеположення елементів сканера, що зчитують (різниця між положенням піксела на вихідному документі й в електронному файлі, що може бути розрахована за допомогою спеціального програмного забезпечення), і якістю передачі кольору (у більшості випадків визначається користувачем на око). Якість сканованих картографічних документів вимагає контролю й у більшості випадків – геометричної корекції сканованої копії карти.

Матеріал, що сканується, повинен бути відповідним чином підготовленим, не зім’ятим, не мати складок, розривів. Сильно зношені документи бажано підклеїти на картон. За необхідності на документ можуть бути нанесені маркери для позначення області сканування чи для орієнтації щодо лінії північ-південь (верх-низ). Підготовлений документ укладається на поверхню сканера (заправляється в ролики, закріплюється на барабані).

Просторова точність при скануванні карти залежить від дрібності деталей вихідного зображення. Для топографічних карт зазвичай досить установити 200 чи 300 dpі (іноді для систем автоматизованого розпізнавання об’єктів може використовуватися точність 400–600 dpі), для контурних чи виконаних вручну планів може бути досить 100–150 dpі. Залежно від розміру області сканування, глибини кольору і просторового дозволу автоматично розраховується розмір підсумкового файлу (для нестиснутого формату TІFF).

Процес сканування карт зазвичай здійснюється із середовища якого-небудь графічного редактора, що дозволяє робити збереження і первинні перетворення отриманої копії. Більшість сучасних програмних пакетів для введення даних за допомогою сканера (MapEdіt, Easy Trace, Descartes) призначені для роботи з растровими зображеннями і дозволяють робити два основних типи перетворень: змінювати кількість пікселів у зображенні, змінювати місце розташування групи пікселів усередині площини зображення (геометрична корекція); змінювати колірний режим чи колірні характеристики всього зображення чи групи обраних пікселів (яскрава і колірна корекція).

Перекіс зображення є однією з найбільш поширених помилок, що виникають у процесі сканування. Навіть незначні відхилення на частки градуса від базової лінії при великих розмірах карт призводять до лінійних перекручувань у кілька міліметрів. Це особливо помітно на стиках окремих фрагментів при зшиванні великих аркушів. За наявності ліній координатної сітки чи маркерів перекіс може бути усунутий за допомогою функцій «Поворот зображення на довільну величину». Кут повороту визначається шляхом задання базових ліній (північ-південь, лінія рамки і т. ін.), відносно яких розраховується виправлення. Поворот може здійснюватися покроково з візуальним контролем відносного положення ліній сітки карти з лініями координатної сітки робочого поля пакета обробки графіки. У разі потреби може здійснюватися поворот усього поля зображення на 90° “за” чи “проти” годинникової стрілки чи розворот зображення на 180°.

Часто сканування вихідного зображення проводиться зі значним "запасом" по краях. За необхідності краї, де лінійні і кутові перекручування найбільш значні, можуть бути обрізані, а фрагмент, що залишився, зберігається у вигляді нового графічного файлу.

У багатьох випадках доводиться створювати необхідне зображення з окремих фрагментів. Таке зшивання може здійснюватися як у вигляді злиття окремих файлів, так і складанням "мозаїк" з окремих файлів. Зшивання двох фрагментів (один із яких є базовим) здійснюється різними методами, що використовують указання декількох загальних точок у площині зображення, у зв’язку з чим фрагменти, що зшиваються, повинні значно перекривати один одного. Може бути зазначено дві, три і більше загальних точок; при зв’язуванні фрагментів здійснюються кутові повороти, лінійні чи площинні трансформації зображень.

Афінне перетворення може виправити зрушення, поворот і розтягання окремо по осі X і Y. Усі перетворення лінійні для всього растра, тобто рівнобіжні лінії залишаються рівнобіжними (а, б). Для запуску перетворення досить 3 точок, що не лежать на одній прямій.

Поліноміальне перетворення виправляє більш складні, у тому числі і нелінійні перекручування. Якщо афінні перетворення допомагають позбутися неправильного положення листа на площині, то квадратичні допомагають виправити прогин листа, перекручування сканування та ін. (в, г). Для запуску перетворення необхідно кілька точок і розташовуватися вони повинні максимально хаотично. Якщо, наприклад, які-небудь чотири точки будуть утворювати прямокутник, рівнобіжний осям координат, то перетворення буде працювати некоректно.

Скановане зображення (наприклад, листа карти) з точністю 200–400 dpі утворить графічний файл розміром порядку 50–100 Мб. Загальний розмір сканованих даних для великого міста чи району може складати десятки і сотні гігабайт. Апаратні комплекси, що використовуються для сканування і підготовки вихідних картографічних даних, повинні мати значні обсяги оперативної і магнітної пам’яті, графічні прискорювачі, системи створення резервних копій даних на оптичні носії. Для зменшення розмірів файлів при їхньому збереженні і пересиланні використовуються різні технології стиску графічної інформації, наприклад, для збереження і швидкого розпакування великих масивів стиснутих графічних даних використовується формат MrSіD.

Геометричні трансформації растрових зображень:

а) афінні перетворення кутових перекручувань; б) афінні перетворення перекосів; в) поліноміальні перетворення перекручувань сканування;

г) поліномінальні перетворення перекручувань при прогині листа

5.2. Векторизація

Скановані растрові картографічні матеріали використовуються для створення векторних цифрових карт. При хорошій якості вихідних карт (хороше розрізнення ліній і контурів, відсутність фону і забруднень, чітка передача кольору) можуть використовуватися системи розпізнавання графічних образів і автоматичного промальовування їхніх контурів. Процедури розпізнавання растра і промальовування векторних графічних примітивів позначаються терміном векторизування. Векторизування може бути ручним і напівавтоматичним. Напівавтоматичне векторизування в основному застосовується для лінійних даних, точкові об’єкти вводяться в ручному режимі, полігональні об’єкти також замикаються в ручному режимі.

Процес напівавтоматичного чи ручного простежування лінії за її зображенням на растрі називається трасуванням. У різних програмних пакетах для векторизування різні інструменти трасування, заздалегідь прив’язані на визначені комбінації растрових елементів. Зазвичай це основний трасувальник, призначений для простежування суцільних і пунктирних ліній, а також трасувальник ортогональних (що вигинаються тільки під прямим кутом), ламаних, точкових ліній, замкнутих прямокутних контурів, інструмент оконтурювання заштрихованих ділянок і інструмент оконтурювання залитих плям. Процес векторизування керується набором параметрів трасування, які можна поєднувати в стратегії трасування.

Для початку трасування суцільної чи пунктирної лінії в автоматичному режимі зазначається початкова точка на "правильній" ділянці, де для автоматичного трасувальника не передбачається ускладнень. Для початку трасування пунктирної чи точкової лінії потрібно послідовно вказати дві сусідні точки, задавши, таким чином, зразковий крок і напрямок. Додаткові операції трасування ліній передбачають: максимальну відстань розриву між фрагментами лінії, максимальний кут повороту лінії і максимальну відстань пошуку початку іншої лінії під кутом від напрямку попередньої лінії, максимальну і мінімальну товщину лінії, що трасується, відстань між опорними точками вздовж лінії й ін. При виникненні затримок оператор у будь-який момент може взяти керування процесом векторизування на себе.

Для автоматизованого векторизування необхідне використання попередньо підготовлених растрових матеріалів. Рекомендується використовувати матеріали із заздалегідь розділеними тематичними шарами, тобто на карті, що векторизується, повинні бути елементи одного типу – горизонталі рельєфу, річкова мережа, дороги, контури будинків та ін. Для підвищення яскравості і контрастності растрової карти використовується процедура інвертування кольору, за якої білий колір стає чорним і навпаки. На рис. зображений екран програмного пакета для векторизування Easy Trace з фрагментом міського плану, що векторизується, в масштабі 1:500 з використанням процедури інвертування кольору.

Робочий екран векторизатора Easy Trace з ділянкою міського плану

У процесі створення векторних об’єктів здійснюється присвоєння ідентифікаторів (номерів трубопроводів, будинків, назв вулиць, висот горизонталей рельєфу і т. ін.). Одним із режимів автоматичної ідентифікації є присвоєння значень висот лініям горизонталей рельєфу, глибин та інших ізоліній з рівним кроком зміни значень. Для автоматичної ідентифікації група близько розташованих ліній перекреслюється перпендикулярним відрізком, для якого задаються початкове значення і крок зміни значень. Аналізують послідовність перетинання ліній і виконують присвоювання значень у порядку проходження ліній.

Відомим в Україні векторизатором є пакет Digital державного науково-виробничого підприємства “Геосистема”, м. Вінниця.

5.3. Геокодування

Геокодування – метод і процес позиціонування просторових об’єктів відносно деякої координатної системи і їхніх атрибутів. Для геокодування необхідні табличний набір координатних даних – широта і довгота, координатиХіУ, вулична адреса, файл просторової бази даних, у координатах якої буде здійснюватися пошук місця розташування точки, а також установлення в ці координати точкового об’єкта з заданими атрибутами.

У наш час у різних ГІС-пакетах (Mapіnfo, ArcVіew і ін.) реалізовані функції адресної прив’язки даних з використанням файлів спеціального формату, у яких формалізована інформація з вуличних мереж (StreetMap). Вулична мережа міста розбивається на окремі квартальні відрізки, для кожного відрізка в базі даних описані назва вулиці, номер будинку початкової точки відрізка по правій стороні, номер будинку останньої точки відрізка по правій стороні, номер будинку початкової точки по лівій стороні і номер будинку кінцевої точки по лівій стороні вулиці. Права і ліва сторони визначаються напрямком цифрування відрізка вулиці. При геокодуванні адреси будинку, описаної назвою вулиці і номером будинку, знаходиться відрізок з необхідною назвою й інтервалом

Представлення вуличної мережі у форматі StreetMap

номерів будинків, далі на відповідній стороні (парні чи непарні номери) знаходиться приблизне місце розташування будинку за різницею між номерами будинків на початку і кінці ділянки. Розміри будинків і можливі пропуски між ними в даному методі не враховуються.

Методами геокодування можна досить швидко створювати картографічні бази даних для інформації, що має текстову координатну прив’язку. Крім вуличних адресних координат, існують шаблони для створення об’єктів ( точкових чи площинних) за назвами міст і адміністративних одиниць, по кодах поштових округів та ін.. Необхідно контролювати ідентичність адресних координат у геокодованій базі і базі координатної прив’язки – географічні і топографічні координати повинні бути в одному числовому форматі з базовою системою координат; назви вулиць в обох наборах даних не повинні мати різночитань, скорочень; буквені ідентифікатори будинків (наприклад, корпус 3а) повинні зберігається в окремому полі й ін.

Ручне введення даних. Апаратне та екранне дигітизування

Ручне дигітизування (дигіталізація, цифрування) на сьогодні є найбільш поширеним способом введення просторових даних у бази даних ГІС. Сам процес ручного дигітизування являє собою розпізнавання користувачем об’єкта на карті-джерелі і створення векторного елементарного графічного об’єкта шляхом обведення границь цього об’єкта. Карта-джерело може використовуватися як у вигляді паперового оригіналу, що закріплюється на дигітайзері, так і у вигляді її сканованої копії, яка виводиться на екран дисплея в спеціальному картографічному редакторі. У першому випадку виконується апаратне дигітизування, у другому – цифрування з використанням стандартного пристрою введення миша (екранне дигітизування).

Точність і повнота ручного введення даних визначаються декількома факторами. У першу чергу, це якість вихідних картографічних матеріалів (зношеність паперової карти, якість сканування); точність установки системи координат на цифрованому джерелі чи його сканованій копії; кваліфікація оператора, що виконує введення даних.

Апаратне дигітизування

При апаратному дигітизуванні з використанням спеціального пристрою – дигітайзера, застосовуються оригінальні паперові чи пластикові картографічні матеріали високої якості. До складу багатьох програмних ГІС-пакетів входять спеціальні модулі для настроювання і керування роботою різних моделей дигітайзерів.

Лист карти, що цифрується, кріпиться на поверхні планшета дигітайзера за допомогою притискних планок чи прозорого листа пластику. На початку роботи виконується процедура установлення координат – на карті вказуються чотири і більше контрольних точок, із клавіатури вводяться їхні координати, визначається похибка установлення системи координат. Можуть також відзначатися крайні кутові координати області дигітизування для зменшення обсягу просторових розрахунків.

Також у межах робочої області дигітайзера можуть бути виділені області для операцій, наприклад, накладних інструментальних панелей. Для полегшення роботи оператора для деяких ГІС-пакетів (наприклад, для програмних продуктів фірми ІNTERGRAPH) розроблені спеціальні накладні меню інструментів для введення і редагування просторових об’єктів. При переміщенні курсора дигітайзера в область меню пристрій автоматично переключається на вибір відповідного інструмента.

Лист із таким меню укладається на поверхню дигітайзера. Оператор за допомогою курсора дигітайзера здійснює обведення контурів просторових об’єктів, вручну чи в напівавтоматичному режимі зчитуючи координати опорних точок. При натисканні кнопки зчитування координати точки записуються у відповідний активний файл бази даних; відповідні атрибутивні дані вводяться із клавіатури комп’ютера. Точність і швидкість уведення даних залежать від кваліфікації оператора. У моделях дигітайзерів, призначених для роботи під керуванням ОС Wіndows, передбачене переведення пристрою в режим роботи маніпулятора "миша", тобто за допомогою дигітайзера можна керувати екранним інтерфейсом системи.

При зміні листів карт, випадковому зрушенні листа карти, що цифрується, чи вимиканні дигітайзера необхідно заново переустановлювати систему координат дигітайзера.

Останніми роками у зв’язку з великою залежністю від малодоступних паперових оригіналів карт, наявністю перекручувань і ушкоджень паперових карт, складністю редагування цифрових карт, а також високою вартістю самих пристроїв, технології апаратних дигітайзерів поступово були витіснені технологіями екранного дигітизування.

Екранне дигітизування

При екранному дигітизуванні вхідний попередньо сканований і просторово-прив’язаний картографічний матеріал знаходиться на задньому плані екрана. На нього накладаються один чи кілька похідних шарів, у межах яких, візуально звіряючи з контурами оригінальних об’єктів на шарі-підкладці, виконують обведення об’єктів-копій.

Таким чином, перед початком роботи на екран повинна бути виведена сканована карта-підкладка і, як мінімум, один з раніше створених на базі цієї підкладки шарів. Для введення, видалення чи зміни яких-небудь просторових об’єктів необхідно, щоб робочий шар був редагованим (Edіtable).

Для цифрування різних типів просторових об’єктів існують спеціально розроблені "інструменти". Залежно від типу інструментальної ГІС і моделі просторових даних (топологічна, нетопологічна, CAD) набір таких інструментів і організація інтерфейсу користувача для роботи з ним може істотно розрізнятися. Звичайно інструментарій для цифрування і редагування векторних даних зібраний у спеціальному меню інструментального ГІС-пакета і дубльований на піктографічних меню. Залежно від конкретного пакета набір таких інструментів може мати різну комплектацію і позначатися різними термінами і піктограмами.

Для будь-якого активного об’єкта чи групи об’єктів доступні операції копіювання в буфер обміну і вставка з буфера обміну в інше місце цього ж картографічного шару чи в інший шар. Об’єкт може бути переміщений в інше місце робочої області шляхом перетаскування курсором "миші" (drag and drop). Можуть бути змінені розміри і пропорції активного об’єкта, виконане його дзеркальне перетворення по вертикалі, горизонталі чи діагоналі, поворот об’єкта на заданий кут чи довільну величину.

Одночасно з закінченням уведення графічного об’єкта створюється новий запис у зв’язаній базі даних. Описова інформація може заноситися в базу даних як безпосередньо в момент уведення просторового об’єкта, так і в будь-який інший час вручну з клавіатури, копіюватися з інших джерел, обчислюватися різними аналітичними процедурами та ін.

Автозахоплення і автотрасування

Багато задач просторового і мережного аналізу вимагають, щоб просторові об’єкти, що беруть участь у розрахунках, не мали перетинань чи розривів, границі сусідніх об’єктів точно прилягали один до одного, об’єкт на одному шарі точно повторював контури об’єкта на іншому та ін. При цифруванні суміжної границі з використанням нетопологічної моделі (див. розділ 3) кожна границя вводиться окремо для кожного об’єкта. Таким чином, на границі є дві лінії, що можуть утворювати розриви чи заступи на територію сусіднього об’єкта. Для створення топологічно коректної границі суміжних об’єктів (наприклад, доріг і адміністративних границь, адміністративних границь і рік) чи стикування двох ліній (двох ділянок дороги, припливу й основного русла ріки) використовуються два інструменти: автозахоплення і автотрасування.

Для автозахоплення навколо курсора (чи іншої активної точки або всіх точок об’єкта) установлюється зона пошуку. При влученні в зону цього пошуку іншої точки чи точок іншого об’єкта, активній точці автоматично привласнюються координати захопленої точки. Після підтвердження введення досягається повний збіг опорних точок на границях суміжних об’єктів, змикання двох лінійних об’єктів, накладення точкових об’єктів та ін.

Простежуючи границю існуючого об’єкта і послідовно захоплюючи його опорні точки, можна провести границю об’єкта, що прилягає, на значній довжині. Однак при великій довжині і складності суміжної границі (іноді сотні і тисячі точок) більш доцільно використовувати разом з автозахопленням і автотрасування. Для цього необхідно встановити одну початкову точку на границі існуючого полігона (лінії). Після переміщення курсора на передбачувану кінцеву точку спільної ділянки границі необхідно дочекатися встановлення захоплення. При натисканні кнопки введення нової вершини від першої точки через усі проміжні до кінцевої точки буде проведена нова ділянка границі полігона (лінії), що цифрується.

У деяких ГІС-пакетах (наприклад, пакетах сімейства ArcGIS) для автотрасування досить вести курсор поруч із трасованою лінією (границею полігону).

При цифруванні границь із замкнутим полігоном іноді необхідно визначати, вздовж якої сторони пройде спільна границя. Для указання напрямку автотрасування найбільш часто використовуються кнопки "Shіft" і "Ctrl". При натиснутій кнопці "Shіft" лінія пройде по короткій стороні полігона, при "Ctrl" – по довгій стороні. Варто враховувати, що довжина сторони полігона виміряється не в лінійних одиницях виміру, а кількістю проміжних точок, що утворюють цю ділянку.

5.4. Редагування існуючих картографічних об’єктів

У процесі введення об’єктів може виявитися розбіжність границь (контурів) об’єктів на карті-підкладці й цифрованих векторних об’єктів. Для виправлення таких помилок передбачений інструмент ручного редагування форми об’єкта, при включенні якого користувач має доступ до кожної опорної точки на границі об’єкта, має можливість переміщати точки, створювати нові чи видаляти зайві.

Іноді в процесі цифрування чи при внесенні змін у вже існуючі цифрові карти виникає необхідність об’єднання чи розбивки на частини полігонів чи ліній.

Для об’єднання двох і більше об’єктів в один призначена операція “Об’єднання” (Combіne). Поєднувані об’єкти повинні знаходиться на одному шарі й бути активізовані. Якщо об’єкти мали суміжну границю, то вона стирається. Якщо поєднувані об’єкти містили у своїх записах які-небудь атрибутивні дані, то для кожного поля таблиці пропонується вибрати метод об’єднання: порожню комірку, підсумовування, усереднення, довільно призначуване значення. Після виконання операції об’єднання всі обрані для об’єднання об’єкти одержують посилання на один загальний запис в атрибутивній базі даних.

“Розбивка” (Splіt) об’єктів на частини може відбуватися різними методами. Використовується розбивка полігона чи лінії за допомогою лінії, розбивка полігона з використанням границь іншого полігона. При розбивці полігона іншим полігоном один чи група полігонів є метою розбивки (target), на іншому шарі полігон чи група полігонів є шаблоном для вирізання частини чи установки границь частин, що розбиваються. Можливі такі варіанти розбивки: розбивка на частини зі збереженням всіх отриманих частин (Splіt); розбивка на частини з видаленням фрагмента, що знаходиться під шаблоном (Erase); розбивка на частини з видаленням фрагментів, що знаходяться поза границями шаблона (Erase Outsіde).

Розрізування об’єктів з використанням шаблонів:

А) зі збереженням усіх фрагментів; Б) з видаленням внутрішніх фрагментів; В) з видаленням зовнішніх фрагментів.

Уведення і редагування з використанням існуючих графічних об’єктів

У практиці створення і редагування цифрових карт часто зустрічаються ситуації, коли нові об’єкти наносяться з урахуванням місцеположення вже існуючих об’єктів на цьому ж чи на інших картографічних шарах. Один чи кілька об’єктів, місце розташування чи контури яких беруться за еталонні, є основою для розрахунку місця розміщення знову створюваних об’єктів. Наприклад, місце розташування точкового об’єкта щодо базової точки може бути визначено указанням кута відхилення і відстані. Цей метод широко застосовується для нанесення на цифрову карту даних польових вимірів, виконаних за допомогою різних кутомірних інструментів.

За необхідності створення нової точки, розміщеної на визначеній відстані від початку якої-небудь лінії (наприклад, зупинки чи заправні пункти вздовж дороги) можливе використання відповідного методу.

Місце розміщення нової точки щодо базової лінії також може бути зазначене у вигляді визначеного відступу під прямим кутом від лінії. У цьому випадку вказуються відстань уздовж лінії до точки відступу, напрямок і відстань відступу.

За необхідності можуть використовуватися більш складні алгоритми, що відновлюють контури об’єкта на основі його існуючого фрагмента і створення нового точкового об’єкта на основі місця розміщення відновлених фрагментів. Так, дві лінії, що не перетинаються, можуть бути продовжені до передбачуваної точки їхнього перетинання, у якій міститься створюваний об’єкт. Так само можуть бути розраховані місця перетинання лінії і відновленої по дузі кол, точки перетинання двох кіл, відновлених по окремих дугах та ін.

Так само широко поширеним методом уведення даних є копіювання раніше введених об’єктів і їх розміщення на визначеній відстані від базового об’єкта. Копія просторового об’єкта може бути поміщена на заданій відстані паралельно базовому об’єкту, із заданим лінійним чи кутовим зсувом щодо базової точки та ін.

Групове редагування

Методи групового редагування можуть застосовуватися до картографічних шарів у цілому. Для обрізання області шару під заданий контур (наприклад, створення бази даних дрібнішої адміністративної одиниці на основі більшої) використовується метод розбивки на частини на основі шаблона з видаленням зовнішньої частини бази даних. В іншому випадку необхідне об’єднання двох і більше полігональних шарів в одній базі даних (наприклад, шару ґрунтів і шару землекористування на якусь територію). При використанні методу “Перетинання границь” (Іntersectіon) створюється нова сітка полігонів на основі перетинання границь ґрунтових виділів і границь робочих ділянок з різними типами землекористування. При методі “Об’єднання” (Unіon) двох картографічних полігональних шарів одночасно з генеруванням нових полігонів відбувається об’єднання баз даних, кожен новий полігон успадковує атрибути обох батьківських полігонів.

При накладенні і подальшому об’єднанні двох картографічних шарів істотний вплив на якість підсумкового шару має відсутність помилок на границях суміжних полігонів кожного батьківського шару. Основними помилками при цифруванні полігонів є поява петель (самоперетинання границі) і злипання вершин на границі. Для виявлення і корекції таких помилок до складу картографічних редакторів входять спеціальні функції.

6. Контроль якості створення цифрових карт

Якість є одним з основних керованих параметрів процесу створення цифрових карт поряд з їхнім складом, вартістю, інформаційними ресурсами.

Залежно від області використання цифрових карт до них ставляться різні вимоги. Ці вимоги (просторова точність, склад об’єктів, точність опису об’єктів) повинні бути сформульовані ще на етапі проектування цифрової карти. Залежно від вимог просторової і семантичної точності підбираються вихідні картографічні матеріали, плануються додаткові польові зйомки чи використання ДДЗЗ, складаються номенклатура і класифікація об’єктів, вибирається програмне забезпечення, периферійні пристрої введення даних та ін.

У наш час можна виділити дві основні сфери використання цифрових карт:

• як основи для створення різних паперових карт чи картографічних ілюстрацій;
• як основи для просторових вимірів, розрахунків, аналізу.

У першому випадку просторова точність визначається точністю поліграфічного відбитка створюваної карти і залежить від методу друку, системи умовних знаків, відображуваного масштабу та ін. При створенні цього типу карт можна обмежиться візуальною подібністю картографічних об’єктів, просторова похибка допускається від 0,1–0,2 мм у видимому масштабі карти. При створенні картосхем величина просторової похибки може не вважатися визначальним фактором якості, іноді в просторову основу свідомо вносяться перекручування для кращого відображення якісних, ілюстративних характеристик відображуваного явища чи об’єктів.

У тому випадку, коли цифрова карта є основою для розрахунків відстаней, площ і обсягів у кадастрових, будівельних чи навігаційних ГІС, просторові похибки можуть призвести до значних перекручувань підсумкових просторових розрахунків, що, у свою чергу, веде до похибок розрахунку вартості земельних ділянок, вартості будівництва, оподатковування та ін. У таких додатках просторова точність визначається точністю використовуваних приладових вимірів (до 0,1 мм на місцевості). Створення таких цифрових картографічних основ вимагає значних ресурсів і виконується тільки спеціалізованими організаціями, що мають відповідне технічне забезпечення і кваліфікованих фахівців.

У наш час в Україні найбільш значний обсяг робіт із уведення картографічних даних здійснюється в процесі перекладу паперових топографічних карт різних масштабів у цифрову форму.

Забезпечення якості створюваних цифрових карт можливо лише за умови високого рівня організації виробництва, що відповідає кваліфікації персоналу, який володіє спеціальними знаннями і навичками.

Підготовка цифрових картографічних матеріалів на базі топографічних карт проводиться відповідно до вимог таких документів:

• Нормативи щодо створення електронних карт місцевості масштабів 1:1 000 000, 1:500 000, 1:200 000 (ГП МЦЕК МНС та Укргеодезкартографія, Київ 1998 р.);
• Положення про редагування цифрових карт місцевості, які виготовляються на основі картографічних матеріалів з використанням растроскануючого обладнання (затверджене Укргеодезкартографією 2.06.97 р.);
• Положення про порядок організації контролю при виготовлені цифрових карт (затверджене Укргеодезкартографією 14.02.97 р.);
• Технічні умови на створення серії топографічних карт областей масштабу 1:200 000 (затверджені Укргеодезкартографією в травні 1996 р.);
• Класифікатор інформації, яка відображується на топографічних картах масштабів 1:10 000, 1:25 000, 1:50 000, 1:100 000, 1:200 000, 1:500 000, 1:1 000 000 (затверджений начальником ГУГКК при КМ України і погоджений з начальником ЦТУ ГШ Збройних сил України в 1998 р.);
• Тимчасові правила щодо збору та встановлення географічних назв при виконанні топографічних робіт (затверджені Укргеодезкартографією в 4.08.94 р.);
• Типові редакційні вказівки на створення карт територій адміністративних районів (затверджені Укргеодезкартографією в грудні 1996 р.);
• Условные знаки для топографических карт масштабов 1:200 000 и 1:500 000 (ВТУ ГШ Москва 1983 г.).

При створенні цифрових карт як вихідні картографічні матеріали використовують топографічні карти тих самих масштабів і незалежно від застосовуваної технології використовують такі параметри оцінки:

·                      повноту і правильність заповнення паспорта номенклатурного листа цифрової топографічної карти;

·                      точність планового положення об’єктів;

·                      повноту об’єктового складу;

·                      повноту характеристик об’єктів;

·                      правильність визначення кодів об’єктів;

·                      правильність визначення характеристик об’єктів;

·                      відповідність формату;

·                      відповідність правилам цифрового опису;

Кількісна оцінка цифрових карт дається за допомогою:

·                      таблиць для оцінки точності планового положення, де наведені максимально припустимі середні квадратичні похибки положення об’єктів. Значення допуску залежать від типу об’єкта, масштабу, характеристик місцевості;

·                      розрахунків для обчислення одиничного показника якості, що визначається для кожного показника (правильність визначення коду об’єкта, повнота характеристик об’єкта і т. ін. ) і виражається у відсотках:

V_j = (J / K)100,

де V_j – одиничний показник якості; J – абсолютна кількість об’єктів з похибками (може виражатися сумою об’єктів з похибками різного типу); К – загальна кількість об’єктів цифрової карти.

Систематичні похибки при створенні цифрової картографічної продукції виникають внаслідок різних об’єктивних і суб’єктивних причин (відсутність необхідного обладнання, невідповідність технічних характеристик обладнання необхідної точності, відсутність чи слабка формалізація класифікаторів об’єктів, що цифруються, помилки уведення через неопрацьовані інструкції з уведення різних ситуацій, низька кваліфікація операторів, відсутність контролю). До найбільш поширених помилок відносять:

• порушення просторово-логічних зв’язків у цифровій карті з багатошаровою структурою, наприклад, на всій цифровій карті в місцях перетинання автомобільних доріг і рік, під об’єктом "міст" (кам’яний, бетонний, залізобетонний) відповідна частина об’єкта "ріка" відсутня;
•  неправильне введення семантичної (атрибутивної) інформації;
•  систематична невідповідність коду об’єкта і його найменування за прийнятим класифікатором цифровій топографічній карті;
• порушення характеру локалізації. Усі полігональні гідрографічні об’єкти на цифровій топографічній карті дані у вигляді лінійних. Лінії проведені по центру об’єктів;
• відсутність регламентуючих документів і вироблення операторами самостійного колективного рішення щодо цифрування тієї чи іншої ситуації;
• відсутність опису правил цифрування подібних ситуацій у регламентуючих документах за відсутності технології взаємодії оператора і коректора карт;
• систематична помилка в плановому положенні точкових об’єктів чи вершин лінійних об’єктів через неточність оператора (наприклад, паралакс візира дигітайзера);
•   всі об’єкти цифрової карти не мають координатної прив’язки;
• неадекватна вихідним матеріалам передача форми об’єктів цифрової карти через низьку кваліфікацію оператора і відсутність вихідного контролю.

У кількісній формі оцінка виражається одним числом – значенням показника якості, що відбиває визначену сукупність властивостей продукції. Наприклад, для показника якості "точність планового положення об’єктів" середня квадратична похибка положення контуру рослинного покриву щодо вихідних картографічних матеріалів у масштабі цифрової топографічної карти 1:200 000 складає 0,2 мм.

Однією з найважливіших складових виробництва цифрових карт, що забезпечує їхню якість, є контроль якості. Виділяють такі види контролю:

•  суцільний, при якому контролюються всі одиниці продукції;
• вибірковий – контролюється відносно невелике число одиниць продукції із сукупності, до якої вона належить;
• статистично-вибірковий контроль, правила якого базуються на законах теорії імовірностей і математичної статистики.

У цілому досягнення необхідного рівня якості цифрових карт досягається цілим комплексом заходів. З одного боку, це точне формулювання замовником і споживачем карти її змістовних характеристик, рівня просторової точності, вихідних матеріалів. З боку виконавця робіт необхідне розроблення чітких інструкцій персоналу щодо цифрування тієї чи іншої тематичної групи об’єктів, ідентифікації і класифікації об’єктів, порядку послідовного введення різних груп об’єктів. Залежно від виду робіт і їхньої критичності для якості карти в цілому організуються контрольні заходи. Технічна документація підсумкової карти є важливим елементом для оцінки усієї виконаної роботи.

У наш час багато цифрових карт, особливо в неспеціалізованих установах і організаціях, виконується в ручному режимі, тому суб’єктивний фактор, тобто кваліфікація оператора і контролера, є основним стримуючим фактором для збільшення кількості якісної цифрової продукції. Для підготовки кваліфікованого оператора для екранного чи апаратного дигітизування необхідно декілька років практичної роботи за наявності відповідної геодезичної, картографічної чи географічної освіти. Внаслідок цього усе більш істотним фактором картографічного виробництва стає зростання вартості кваліфікованої праці фахівців. Тому основною лінією зростання продуктивності цифрового картографування є подальший розвиток автоматизованих методів уведення: підвищення якості розпізнавання картографічних образів сканованих карт і даних дистанційного зондування Землі.

7. Презентація та додаткові відеоматеріали

Презентація