Понятия о математической цифровой модели рельефа, ее создании и использовании

В автоматической цифровой картографии наряду с картой как картографической моделью появились новые понятия и категории как результат внедрения цифрования и аналитических методов в обработку информации:

- цифровая карта местности;

- модель картографического изображения объекта или явления действительности, представления в цифровой форме (ЦМИ- цифровая модель изображения);

- математическая модель картографируемого объекта или явления, представленная в цифровой форме и организованная для ее хранения и дальнейшей обработки на ЭВМ в табличном, матричном или аналитическом виде.

Процесс автоматизированного составления карты, как и обычный технологический процесс картографирования, сводится к преобразованию исходной информации и выдачи результатов преобразования в необходимой форме. Необходимые преобразования производятся вручную и при помощи технических и математических средств, основу которых составляют ЭВМ и соответствующее математическое обеспечение. Возникает задача преобразования картографической информации в цифровом виде, удобной для ввода в ЭВМ. Операция ввода информации в ЭВМ – это процесс машинного описания параметров изображения объектов. Эта операция называется цифрованием. Она выполняется разными способами или на специальных считывающих устройствах, называемых цифрователями, или вручную образуют начальную стадию в общей схеме автоматизированного создания карты.

Поэтому, наряду с автоматической генерализацией, ставится зада­ча по обработке ЦКИ в интерактивном режиме, т.е. в режиме диалога человека с ЭВМ. Этот режим осуществляется на основе использования средств диалога - графических и алфавитно-цифровых дисплеев и т.п., а также специального программного обеспечения.

В результате обработки исходной ЦКИ на выходе ЭВМ получается генерализированная ЦКИ. Но для потребителей информации о местности она чаще всего в окончательном виде должна быть представлена не в цифровой, а в традиционной графической форме.

Поэтому, последняя задача, которая возникает при автоматизи­рованном составлении карт - это преобразование ЦКИ в вид, привычный для потребителя, т.е. вывод из ЭВМ генерализованной ЦКИ в виде оригиналов карты, пригодных для издания.

Вывод генерализованной ЦКИ из ЭВМ в графической форме -последняя стадия в общей схеме автоматизированного составления карты. Для вывода информации из ЭВМ используются различные устройства. К ним относятся алфавитно-цифровые печатающие устройства (АЦПУ), входящие в состав перифирийного оборудования ЭВМ, а также автоматические графопостроители разных видов: автома­тические координатографы, устройства вывода на ЭЛТ (дисплеи), устройства вывода на микрофильм и др.

Решение в определенной последовательности этих трех основных задач, подчиненных единой идеологии, составляет технологический процесс автоматизированного составления карт(рис.45).

Дисплей - устройство ввода-вывода информации на экран ЭЛТ. Начало решения проблемы автоматизации в картографии относится к 50-м годам. За рассматриваемый период решены многие принципиальные вопросы. В первую очередь это относится к вопросам разработки технических средств автоматизации. Сейчас на первый план выдвигаются проблемы программирования технологических процессов цифрования и обработки ЦКИ.

Развернувшаяся в России и за рубежом успешная работа по авто­матизации в картографии велась и ведётся по следующим направлениям:

I). Автоматизированное вычисление, преобразозание и построение математической основы карт

2). Исследование содержания карт и автоматизация процессов кар­тографической генерализации;

3). Сбор и преобразование данных в цифровую форму, пригодную для обработки в автоматизированных устройствах и системах;

4). Создание автоматизированных картографических информационно-поисковых систем и в их рамках банков цифровых картографических данных;

5). Автоматизация картосоставительских оформительских работ;

6). Разработка комплексных автоматизированных картографических систем.

Особый интерес и сложность, а также конечную цель автомати­зации в картографии представляет разработка комплексных автоматизированных картографических систем.

Автоматизированные картографические системы, их структура и функции.

Решение всех задач, составляющих технологическую схему автоматизированного составления карт, осуществляется с помощью автоматизированных картографических систем (АКС). Словарь специальных терминов по автоматизации в картографии дает следующее определение АКС: АКС - это средства автоматизированного создания карт и картографических произведений в графической и цифровой форме с целью радикального сокращения затрат времени на их изготовление".

Из определения следует, что АКС представляет собою комплекс связанных по технологическим признакам автоматизированных устройств, подчиненных единому конструктивному решению. Эти устройства, математический аппарат и средства электронно-вычислительной техники обеспечивают создание графических и цифровых оригиналов топографических и специальных карт в сжатые сроки в соответствии с требованиями руководящих документов.

Поэтому при проектировании и разработке АКС, ориентированных на обработку ЦКИ, кроме общих принципов, таких, как низкая стоимость, надёжность в работе, простой язык общения оператора с ЭВМ, возможность решения всего спектра задач в данной области, соблюдение режима секретности и т.д. исходят из следующих условий:

- какие исходные материалы будут использоваться и каким образом они будут вводиться в ЭВМ;

- как будут храниться, отыскиваться, редактироваться, преобразовываться эти данные;

- какого вида продукция должна получиться в итоге автоматизированного процесса.

Иными словами, любая АКС должна выполнять одинаковую последовательность функций автоматизированного процесса создания карт: ввод данных - обработка данных - вывод данных. Но для реализации этих функций в каждой конкретной области деятельности в ее структуру должна включаться ЭВМ и связанный с нею свой, определенный комплект устройств ввода, обработки и вывода информации.

Допустим, в качестве исходного материала используются тиражные оттиски карт или расчлененные диапозитивы. Тогда для ввода информации с них в ЭВМ в структуру АКС должно быть включено полуавтоматическое считывающее устройство (цифрователь), позволяющее в результате ручного обвода линий и контуров считывающим органом автоматически регистрировать коды объектов и координаты их местоположения. В этом же случае может быть использовано и автоматическое сканирующее считывающее устройство, которое позволяет при движении электронного луча по строкам с определенной частотой автоматически регистрировать и записывать на носитель цифровой информации координаты объектов.

Если в качестве исходного материала используются аэрофотоснимки, то для ввода информации с них в ЭВМ в структуру АКС включается аналитический стереоприбор.

Этот стереоприбор посредством системы кодирования соединяется с регистрирующей системой, которая выполняет запись координат изображения на носитель цифровой информации. Элементы изображения вводятся непосредственно путем прослеживания каждого контура пс стереомодели с записью текущих координат х, у.

Если необходимо автоматизировать ввод в ЭВМ данных полевых измерений, то в структуру АКС включается электрооптический тахеометр, позволяющий переводить измеренные в поле данные в цифровую форму с записью на носитель цифровой информации.

При применении обычных геодезических инструментов (теодолит, нивелир и т.д.) данные записываются в полевой журнал, а затем переводятся в цифровую форму с помощью полевого регистратора, включенного в состав АКС.

Для обработки информации служит входящая в структуру АКС электронно-вычислительная машина. Она обрабатывает информацию автоматически по заранее разработанным программам. Кроме того, для обработки информации в состав АКС могут включаться связанные с ЭВМ графические и алфавитно-цифровые дисплеи. Они позволяют обрабатывать информацию в автоматизированном режиме диалога человека с ЭВМ на основе соответствующего программного обеспечения.

Для вывода информации в графической форме в состав АКС включаются различные регистрирующие устройства.

Рис.52. Общая схема процесса автоматизированного составления карт.

Так, если необходимо получить распечатку координат объектов в виде таблицы на бумаге, то в состав АКС включается алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ). Если необходимо получить гравюры, диапозитивы или негативы штриховых элементов содержания, то в состав АКС включается автоматический координатограф планшетного или барабанного типа, управляемый ЭВМ. Исполнительное устройство автоматического координатографа может быть выполнено в виде световой головки для засвечивания фотопленки или в виде гравировальной (чертежной) головки.

Если на выходе системы необходимо получить микрофильм (микрофишу), то в состав АКС включается устройство вывода на микрофильм, позволяющее с высокой точностью и разрешающей способностью получать на пленке элементы графического изображения путем её засвечивания электронным или лазерным лучом.

В связи с этим разработанные и действующие в настоящее время АКС сильно различаются по своей структуре, ибо структура их зависит от области применения. Достичь удовлетворения нужд всех учреждений и организаций, использующих тот или иной вид картографической продукции, можно путем создания комплексной АКС, которая бы включала в себя все существующие устройства ввода, обработки и вывода информации.

ЦИФРОВЫЕ КАРТЫ МЕСТНОСТИ И МЕТОДЫ ИХ СОЗДАНИЯ.

Цифровые карты местности, их сущность и назначение.

Первой задачей, определяющей возможность решения проблемы автоматизированного создания карт с помощью ЭВМ, является перевод содержания различных источников информации о местности в цифровую форму. В связи с решением этой задачи в картографию прочно вошли такие термины, как„цифровая картографическая информация, цифровая модель местности, цифровая модель рельефа и т.п. Наряду с ними в последнее время широко употребляемым стал термин цифровая карта местности (ЦКМ). Этот термин наиболее подходит для автоматизирован­ной картографии, т.к. полно и конкретно определяет существо цифровой картографической информации.

Цифровая нарта - цифровое отображение содержания карты, за­писанное на магнитной ленте или каком-либо другом носителе (ГОСТ 21667-76).

Из определения следует, что это цифровая информация, полученная в результате цифрования топографической карты и адекватная ей по содержанию. Следовательно, ЦКМ создается по определенным правилам, которые логично вытекают из определения.

Во-первых, так как ЦКМ создается по карте, то её целесообразно создавать в пределах номенклатурного листа современной карты наиболее крупного масштаба, содержащей самую подробную и точную информацию. Это позволит автоматизировать процесс создания всех производных карт более мелкого масштаба.

Во-вторых, ЦКМ целесообразно создавать в той же проекции, системе координат и высот, что и цифруемая топографическая карта.

В-третьих, ЦКМ по точности должна соответствовать цифруемой топографической карте.

В-четвертых, классификация объектов содержания ЦКМ должна соответствовать классификации объектов, принятой на топографических картах крупного масштаба.

В-пятых, ЦКМ должна позволять определять координаты и высоты, качественные и количественные характеристики объектов местности.

В-шестых, ЦКМ должна быть ориентированна на решение широкого круга задач различными пользователями (так же как и топографическая карта).

В-седьмых, ЦКМ должны создаваться по единой технологии и приводиться к единому виду, обязательному для всех организаций и предприятий, занимающихся их созданием.

В-восьмых, так как обработка ЦКМ осуществляется с помощью ЭВМ, то целесообразно принять для ЦКМ такой вид представления информации, который бы соответствовал условиям ввода и обработки на ЕС ЭВМ.

Перечень правил создания ЦКМ всецело зависит от их назначения.

Методов создания ЦКМ три:

1 по топографическим картам (с помощью автоматических и полуавтоматических считывающих устройств цифрователей);

2 по фотоснимкам (основан на цифровании стереомодели, созданной по аэро- или космическим снимкам с помощью аналитических стереоприборов, сочлененных с ЭВМ).

3 полевой метод создания ЦКМ. Основан на применении при полевых измерениях электрооптических тахеометров.

Методы считывания и кодирования информации при создании ЦКМ по топографическим картам.

При создании ЦКМ по топографическим картам в настоящее время используются следующие методы считывания и кодирования информации:

- Картометрический метод;

- Полуавтоматические методы;

- Метод автоматического сканирования.

Каждый из них характеризуется своими особенностями, вызванными уровнем развития науки и техники, условиями применения, наличием сил и средств и т.д.

Картометрический метод считывания и кодирования информации характеризуется тем, что считывание информации с карты в данном методе осуществляется человеком вручную или с помощью простейших вспомогательных средств. Считанная информация заносится в бланки, ведомости или таблицы, созданные по определенной форме. Затем эта информация кодируется в соответствии с принятым кодом и записывается на определенный носитель ЦКИ с целью дальнейшего хранения или обработки на ЭВМ.

Картометрический метод применяется в тех случаях, когда отсутствуют автоматические или полуавтоматические устройства, реализующие тот или иной способ считывания и кодирования информации.

Иными словами, данный метод применяется тогда, когда существует насущная необходимость в ЦКМ для решения какой-то задачи, а соответствующих устройств цифрового преобразования пока нет.

В связи с этим вариантом использования картометрического метода существует множество. Мы с вами будем использовать технологию создания цифровой карты рельефа картометрическим методом, базирующем на модели рельефа с регулярным расположением точек.

Цифровая карта рельефа, ограниченная размерами номенклатурного листа, представляет собой в данном случае систематизированную запись абсолютных высот точек местности, расположенных в пересечении линий условной ортогональной сетки (палетки) выбранной дискретности, параллельной сетке прямоугольных координат х,у топографической карты.

Исходными материалами для составления ЦКР являются цветные тиражные оттиски топографических карт.

Работы по изготовлению ЦКР включают следующие этапы:

а) подготовительные работы;

б) контроль точности исходных картматериалов и палеток;

в) ориентирование палетки и оцифровка координатных линий;

г) определение высот точек местности;

д) составление "Ведомости высот";

е) составление "Ведомости средних высот";

ж) общий контроль, сдача и приёмка оформленных материалов.

а) Подготовительные работы.

Подготовительные работы включают в себя изучение методики изготовления ЦКР, уяснение задания, детальное изучение особенностей местности по исходным картографическим материалам, сгущение коричневой (красной) тушью подписей горизонталей, изучение допустимых величин деформации исходного материала, ознакомление с требованиями к оформлению сдаваемых материалов.

б) Контроль точности исходных картографических материалов и палеток

Перед началом работы определяется степень деформации исходных материалов и палеток. Для этого контрольной линейкой на тиражном оттиске измеряются рамки и диагонали и результаты измерений сравниваются с их теоретическими значениями, выбранными из "Таблиц Гаусса - Крюгера". Расхождения не должны превышать 0,3 мм для сторон и 0,4 мм для диагоналей. Вдоль рамок смежных листов проверяются не совмещение горизонталей. Допуск 0,3 мм.

На палетках проверяется точность разбивки сетки, её ортогональность и толщина координатных линий. Для этого по четырем сторонам контрольной линейкой измеряют расстояния между всеми координатными линиями. Расхождения должны быть не более 0,1 мм. Затем измеряются длины диагоналей палетки. Расхождения не должны превышать 0,2 мм. Толщина линий палетки должна быть 0,1-0,2 мм. Если тиражный оттиск и палетка не удовлетворяют указанным требованиям, то они заменяются.

в) Ориентирование палетки и оцифровка координатных линий

Палетка накладывается на картографический материал так, чтобы она покрывала весь лист карты. Линии ортогональной сетки совмещаются с имеющимися на карте линиями прямоугольной сетки. Точность совмещения 0,3 мм.

За начальную точку "0" условной системы координат принимается точка пересечения линий ортогональной сетки, ближайших к западной и южной внутренним рамкам листа карты но не пересекающих их.

Оцифровка линий условной ортогональной сетки производится красной тушью, начиная от "О" вдоль оси У от 0 до 40, вдоль оси X от О до 70.

Предварительно лист карты прикрепляется к столу мипофолью, а сверху прикрепляется палетка.

г) Определение высот точек местности

Высоты определяются для каждой узловой точки ортогональной сетки по горизонталям и отметкам высот путем интерполирования между ними, значения высот округляются до целых метров (по правилу Гаусса).

Если узловая точка располагается на формах рельефа, отображаемых внемасштабными условными знаками (курганы, ямы ...) и имеющих подписи относительных высот (глубин),то общая высота определяется с учётом значений этих высот.

Если точка попадает на изображение водопадов, плотин, то при определении высотных отметок учитываются относительные высоты этих объектов.

Если узловая точка попадает в пределы контура растительного покрова, то высота точки записывается в виде дроби, где знаменатель-- высота земли, числитель - сумма этой высоты и высоты растительности (260) взятой с карты. (240)

Высоты точек определяются в пределах трапеции слева направо в каждой строчке, результаты записываются в "Ведомость высот" (см. табл.4).

д) Составление "Ведомости высот" и "Ведомости средних высот"

Перед заполнением "Ведомости высот" производится оцифровка строк и столбцов. Порядок составления ведомости:

- ведомость заполняется значениями высот, определенными в "первую
руку", контроль полноты и правильности заполнения;

Таблица № 4

- ведомость заполняется значениями высот, определенными во "вторую руку", контроль полноты и правильности заполнения;

- выполняется считывание значений высот, определенных в "первую" и "вторую" руку;

- производится осреднение высот из двух определений и заполнение
"Ведомости средних высот";

- выполняется считывание средних значений высот с высотами, определенными в "первую" руку (после осреднения) и внесение необходимых исправлений в "Ведомость средних высот".

Наибольшие расхождения в высотах из двух определений не должны превышать величин, указанных в таблице I.

п/п	Тип рельефа		1:25 000	1:50 000	1:100
I.	Плоскоравнинный с бн =	3°	I м	I м	2м
2.	Всхолмленный с бн =	6°	I
3.	Горный, предгорный, а также
	песчаные пустыни с бн =	15°
4.	Высокогорный с бн =	30°

Если расхождения высот из двух определений превышают указанные в таблице I допуски, то высоты этих точек определяются заново. Все высоты в метрах записываются в виде четырехзначных чисел. «Ведомости средних высот» заполняются вычислительным шрифтом (тушью или шариковой ручкой). Промежуточные "Ведомости высот" заполняются карандашом. До окончания считывания высот "первой" и "второй" руки палетки с тиражных оттисков не снимаются.

Ориентирование палетки и оцифровка ее осей.