Автоматизированные информационные системы кадастра

Введение

В экономически развитых странах кадастр земель и другой недвижимости прошел этапы становления и развития на протяжении последних 200-400 лет. В настоящее время эти государства имеют юридически полноценный, организационно оформленный инструмент учета и ведения налогообложения, что является важнейшей составляющей экономической и социальной стабильности государства. Учитывая современные технические возможности по сбору, обработке, хранению и выдаче данных о кадастре, его возрастающее значение, изменения, происходящие в общественном переустройстве России, опыт ведущих европейских стран, США и Канады, целесообразно сформировать современный подход к структуре кадастров России, и городского кадастра в частности, решить правовые и юридические вопросы создания, ведения и мониторинга кадастра. Это касается не только отдельных видов кадастра, но и системы Государственного кадастра России, для успешного воплощения которого необходимо подготовить и принять соответствующие законодательные и нормативно-технические акты и как можно быстрее разработать стандарты на термины и определения. Конечным продуктом при ведении государственных кадастров должны быть банки кадастровой информации. Пользователями информации, хранящейся в таких банках данных, могут быть органы управления территориями, администрации городов, областей, краев, республик в составе Российской Федерации и Федеральные органы управления. Для того, чтобы эффективно возможности банков данных использовались органами управления, необходимо соблюдение трех условий.

1. Любой банк кадастровых данных должен содержать достоверную и полную информацию о кадастрах.

2. Доступ заинтересованных служб к кадастровой информации, хранящейся в банках данных, должен быть мгновенным, что достижимо благодаря терминальной связи между банками данных и соответствующими службами.

3. Форматы и классификаторы банков данных всех объектов кадастровой информации должны быть едиными.

В настоящее время отмечается неудовлетворительное положение в области учета природных и муниципальных объектов, что приводит к значительным экономическим потерям, снижению доходов федерального и местного бюджетов и другим негативным результатам. Государственные кадастры, созданные в условиях отраслевого управления экономикой, отличаются ведомственной разобщенностью, несовместимостью содержащейся в них информации, а поэтому не могут служить для комплексной оценки объектов и ресурсов. Единая система государственных кадастров (ЕСГК) должна представлять собой взаимосвязанный комплекс территориально - распределенных государственных кадастров, ведущихся на единой географической информационной основе и в соответствии с определенными правовыми, технологическими и экономическими нормами. В состав Единой системы государственных кадастров должны войти следующие основные группы государственных кадастров:

- кадастры природных ресурсов (земельный, водный, местрождений полезных ископаемых, экологический, растительного и животного мира);

- кадастры недвижимости (инженерных сетей и коммуникаций, жилых и нежилых строений, транспортных магистралей, улично-дорожных сетей);

- регистры (населения, предприятий, административно - территориальных образований).

Создание и ведение всех видов кадастра остается одной из важнейших проблем управления территориями на современном этапе. Данные кадастров необходимы для информационного обеспечения хозяйственной деятельности в регионах и городах, экологического мониторинга и рационального использования природных ресурсов.

1. Общие положения

Уровень и объемы имеющейся сейчас информации о городской жизни настолько велики, что уже не возможны ее обработка, анализ и понимание без современных аппаратно-программных средств. Поэтому становится крайне необходимой создание автоматизированной системы для городского кадастра на основе современных компьютерных технологий и телекоммуникаций как единого комплекса для получения полной информации об окружающем мире, имеющихся ресурсах, возможностях и тех последствиях, которые оказывает на мир наша деятельность. Поскольку кадастр оперирует с данными и информацией, имеющими пространственную привязку, то взаимосвязь его автоматизации с проблематикой ГИС очевидна. Но здесь следует помнить, что как и при создании любой автоматизированной системы задача разделяется на разработку отдельных видов обеспечения : организационного, технического, программного, информационного и, в том числе, картографического. При этом обязательным является требование совместимости картографической системы с остальными компонентами.

Решение задач кадастра на современном уровне требует не только применения современных программных средств, но и глубокой технологической проработки проектов информационных систем.

Набор функциональных компонент информационных систем кадастрового назначения должен содержать эффективный и быстродействующий интерфейс, средства автоматизированного ввода данных, адаптированную для решения соответствующих задач систему управления базами данных, широкий набор средств анализа, а также средств генерации изображений, визуализации и вывода картографических документов.

При выборе программных продуктов необходимым условием является обеспечение устойчивых связей с различными системами через файловые стандарты обмена геометрическими и тематическими данными. С учетом фактора постоянной модернизации аппаратных средств информационных систем и модификации программных средств, необходимым условием функционирования систем является обеспечение сохранности и переносимости данных в новые программно-аппаратные среды.

К технологическим проблемам обеспечения работы информационных кадастровых систем относятся проектирование математической основы электронных карт, проектирование цифровой модели местности, задачи преобразования данных в цифровую форму, геометрическое моделирование пространственной информации, проблемное моделирование тематических данных и т.д.

Наибольший интерес вызывают новые ГИС-технологии, обеспечивающие оперативность, полноту и достоверность информации как о существующем состоянии городской среды в пределах той или иной территории города, так и о предлагаемых мероприятиях по ее изменению в ходе освоения и реконструкции.

В настоящее время традиционно применяются литературные, статистические, картографические, аэро - и космические материалы. Как правило, их подборка и систематизация для последующего использования осуществляется вручную. Такой путь хорошо известен. Другое направление, активно развивающееся, связано с геоинформатикой, позволяющей формализовать и реализовать в машинной среде значительную часть рутинных операций накопления, хранения, обработки и использования пространственно координатных данных с помощью средств географических информационных систем (ГИС).

По мнению А. М. Берлянта : " Сегодня геоинформатика предстает в виде системы, охватывающей науку, технику и производство ... Геоинформатика - научная дисциплина, изучающая природные и социально - экономические геосиcтемы (их структуру, связи, динамику, функционирование в пространстве - времени) посредством компьютерного моделирования на основе баз данных и географических знаний. С другой стороны, геоинформатика - это технология (ГИС - технология) сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения пространственно - координатной информации, имеющая целью обеспечить решение задач инвентаризации, оптимизации, управления геосистемами... Наконец, геоинформатика, как производство (или геоинформационная индустрия) - это изготовление аппаратных средств и программных продуктов, включая создание баз и банков данных, систем управления, стандартных (коммерческих) ГИС разного целевого назначения и проблемной ориентации ". Добавим, что "геоинформационная индустрия" включает разнообразные приложения технологий ГИС , реализованных в стандартных коммерческих программных продуктах , т. е. проектирование, создание (разработку) и эксплуатацию ГИС в рамках выполнения территориально-, проблемно- и предметно- конкретных геоинформационных проектов.

Карта - один из наиболее важных источников массовых данных для формирования позиционной и содержательной части баз данных ГИС в виде цифровых карт - основ образующих единую основу для позиционирования объектов, и набора тематических слоев данных, совокупность которых образует общую информационную основу ГИС. Послойное представление пространственных объектов имеет прямые аналогии с поэлементным разделением тематического и общегеографического содержания карт.

Многие процедуры обработки и анализа данных в ГИС основаны на методическом аппарате, ранее разработанном в недрах отдельных отраслей картографии. К ним принадлежат операции трансфомации картографических проекций и иные операции на эллипсоиде, опирающиеся на теорию и практику математической картографии и теории картографических проекций, операции вычислительной математики, позволяющие осуществлять расчет площадей, периметров, показателей форм геометрических объектов, не имеющие аналогов в карто - и морфометрии.

В большинстве ГИС в качестве одного из основных элементов выступает блок визуализации данных, где важную роль занимают графические и картографические построения. Картографический модуль ГИС обеспечивает картографическое представление исходных, производных или результирующих данных в виде цифровых, компьютерных и электронных (видеоэкранных) карт, являясь элементом интерфейса пользователя и средством документирования итоговых результатов. Высококачественная картографическая графика, имитирующая традиционные средства картографического языка и способы картографического изображения (и некоторые возможности, доступные реализации исключительно машинными средствами, например, мультипликационные и анимационные возможности) при поддержке разнообразных устройств отображения, принадлежит к числу обязательных средств программного обеспечения ГИС.

Однако задачи ГИС выходят далеко за пределы картографии, делая их основой для интеграции частных географических и других (геологических, почвенных, экономических и т. д.) наук при комплексных системных геонаучных исследованиях.

Методический аппарат геоинформационных технологий прямо или опосредованно связан с различными областями прикладной математики (вычислительной геометрии, аналитической и дифференциальной геометрии, откуда заимствованы алгоритмические решения многих аналитических операций технологической схемы ГИС), с машинной графикой (в частности машинной реализации визуализационно - картографических возможностей ГИС), распознаванием образов, анализом сцен, цифровой фильтрацией, и автоматической классификацией в блоке обработки цифровых изображений растровых ГИС, геодезии и топографии (например, в модулях обработки данных топографо - геодезических съемок традиционными методами или с использованием глобальных навигационных систем GPS).

Развитие геоинформатики как профессиональной производственной деятельности привело к диверсификации единой прежде специальности "геоинформатика" с выделением отдельных профессий и специализаций:

ГИС - менеджеров (общее и системное управление ГИС, ее информационным обеспечением);

разработчиков (системных аналитиков, обеспечивающих трансляцию информационных потребностей заказчика в термины информационной модели, программистов и проектировщиков как посредников между аналитиками и программистами);

пользователей ("широкого профиля" и с узкой предметной специализацией).

Контрольные вопросы:

Взаимосвязь проблематики ГИС с решением задач кадастра.

Понятие геоинформатики.

Цифровая карта как элемент ГИС.

Направления деятельности специалистов в области ГИС.

2. Понятие о географических информационных системах

2.1 Структура и классификация

Обязательными элементами более или менее полного определения ГИС следует считать указание на "пространственность", операционно - функциональные возможности и прикладную ориентацию систем.

Считалось, имея ввиду ГИС профессионально - географической направленности, что пространственность является необходимым условием для квалификации некоторой информационной системы как географической (например, автоматизированные радионавигационные системы, хотя и оперируют пространственно определенными данными, к географическим информационным системам не принадлежат). Основанием для отличия " географических " от " негеографических " информационных систем не может служить и содержание собираемых данных: идентичные по своему содержанию базы данных могут обслуживать совершенно различные (в том числе чисто географические и явно негеографические) приложения. Наоборот, системы разного целевого назначения вынуждены аккумулировать одинаковые сведения. Например, база данных с цифровым представлением рельефа используется для автоматизированного вычерчивания изогипс на топографической карте (топографическая картография), расчета и картографирования морфометрических показателей (геоморфология и тематическая картография), поиска оптимальных трасс шоссейных дорог или иных коммуникаций (инженерные изыскания и проектирование).

Одной из разновидностей ГИС становятся системы, основанные на материалах дистанционного зондирования, объединяющие функциональные возможности геоинформационных технологий с развитыми функциями обработки дистанционных изображений, так называемые интегральные (интегрированные) ГИС .

Минимальный набор критериев, позволяющих идентифицировать каждую конкретную геоинформационную систему, образует " систему координат " трехмерного пространства, осями которого являются: территориальный охват и связанный с ним функционально масштаб (или пространственное разрешение), предметная область информационного моделирования и проблемная ориентация.

При всем многообразии операций, целей, областей информационного моделирования, проблемной ориентации и иных атрибутов, характерных для создаваемых и действующих ГИС, логически и организационно в них можно выделить несколько конструктивных блоков, называемых также модулями или подсистемами, выполняющими более или менее четко определенные функции. Функции ГИС в свою очередь вытекают из четырех типов решаемых ею задач:

Что касается классификации ГИС, то здесь наметилось тоже несколько направлений. Например, классификация по их проблемной ориентации :

Инженерные;

Имущественные (ГИС для учета недвижимости), предназначенные для обработки кадастровых данных;

ГИС для тематического и статистического картографирования, имеющие целью управление природными ресурсами, составление карт переписям и планирование окружающей среды;

Библиографические, содержащие каталогизированную информацию о множестве географических документов;

Географические файлы с данными о функциональных и административных границах;

Системы обработки изображений с Ландсата и др.

Однако быстрая изменчивость и множественность вариантов решаемых проблем требует введения иных классификаций, учитывающих структуру и архитектуру ГИС. Разработана и представлена 3 - х компонентная классификация ГИС по следующим признакам:

1) характеру проблемно - процессорной модели;

2) структуре модели баз данных;

3) особенностям модели интерфейса.

На верхнем уровне классификации все информационные системы подразделены на пространственные и непространственные. ГИС, естественно, относятся к пространственным, делясь на тематические ( например социально - экономические) и земельные (кадастровые, лесные, инвентаризационные и др.). Существует разделение по территориальному охвату (общенациональные и региональные ГИС); по целям (многоцелевые, специализированные, в том числе информационно - справочные, инвентаризационные, для нужд планирования, управления); по тематической ориентации (общегеографические, отраслевые, в том числе водных ресурсов, использования земель, лесопользования, туризма, рекреации и др.).

2.2 Источники данных и их типы

Среди источников данных, широко используемых в геоинформатике, наиболее часто привлекаются картографические, статистические и аэрокосмические материалы. Помимо указанных материалов гораздо реже используются данные специально проводимых полевых исследований и съемок, а также текстовые источники. Важный признак используемых данных - в какой цифровой или нецифровой (аналоговой) форме получается, хранится и используется тот или иной тип данных, от чего зависят легкость, стоимость и точность ввода этих данных в цифровую среду ГИС.

Использование географических карт как источников исходных данных для формирования тематических структур баз данных удобно и эффективно по ряду причин. Сведения, считанные с карт, обладают следующими достоинствами:

имеют четкую территориальную привязку,

в них нет пропусков, "белых пятен" в пределах изображаемой территории,

они в любой своей форме возможны для записи на машинные носители информации.

Картографические источники отличаются большим разнообразием кроме общегеографических и топографических карт насчитываются десятки и даже сотни типов различных тематических карт.

Следует отметить особую роль серий карт и комплексных атласов, где сведения приводятся в единообразной, систематизированной, взаимосогласованной форме; по проекции, масштабу, степени генерализации, современности, достоверности и другим параметрам. Такие наборы карт особенно удобны для создания тематических баз данных. Прекрасным примером может служить трехмерный Атлас океанов, содержащий подробные сведения о природных условиях, физико - химических параметрах, биологических ресурсах Мирового океана, представленных на сериях карт разной тематики, разновременных и разновысотных (глубинных) срезов.

Одним из основных источников данных для ГИС являются материалы дистанционного зондирования. Они объединяют все типы данных, получаемых с носителей космического (пилотируемые орбитальные станции, корабли многоразового использования типа "ШАТТЛ", автономные спутниковые съемочные системы и т.п.) и авиационного базирования (самолеты, вертолеты и микроавиационные радиоуправляемые аппараты) и составляют значительную часть дистанционных данных (remotely sensed data) как антонима контактных (прежде всего наземных) видов съемок, способов получения данных измерительными системами в условиях физического контакта с объектами съемки. К неконтактным (дистанционным) методам съемки помимо аэрокосмических относятся разнообразные измерительные системы морского (наводного) и наземного базирования, включая например фототеодолитную съемку, сейсмо - , электро - магниторазведку и иные методы геофизического зондирования недр, гидроакустические съемки рельефа морского дна с помощью гидролокаторов бокового обзора, иные способы, основанные на регистрации собственного или отраженного сигнала волновой природы.

Материалы аэрофотосъемки используются в основном для топографического картографирования, также широко применяется в геологии, в лесном хозяйстве, при инвентаризации земель. Космические снимки начали поступать с 60 - х годов и к настоящему времени их фонд исчисляется десятками миллионов.

В последние годы в среде ГИС широко используются портативные приемники данных о координатах объектов с глобальной системы навигации (позиционированная) GPS, дающие возможность получать плановые и высотные координаты с точностью от нескольких метров до нескольких миллиметров, что в сочетании с портативными персональными ЭВМ и специализированным программным обеспечением обработки данных с системы GPS позволяет использовать их для полевых съемок в условиях необходимости их сверхоперативного выполнения (например, при ликвидации последствий стихийных бедствий и техногенных катастроф).

Обратившись к статистическим материалам, имеющим цифровую форму, можно сказать, что они удобны для непосредственного использования в ГИС, среди которых особое место занимает государственная статистика. Основное ее предназначение - дать представление об изменениях в народном хозяйстве, составе населения, уровне его жизни, развитии культуры, учете недвижимости, наличии материальных резервов и их использовании, соотношении в развитии различных отраслей хозяйства и др.

Для получения государственной статистики на территории страны обычно используется единая методика ее сбора. В России кроме Госкомстата страны эту работу проводят также некоторые отраслевые министерства, например Министерство путей сообщения о железнодорожном транспорте и т.д. Статистическая отчетность различается по периодичности, она может быть суточной, недельной, полумесячной, квартальной, полугодовой и годовой. Кроме того, отчетность может быть и единовременной.

Для упорядочения всей совокупности данных государственной службой определены показатели по отраслям статистики. В качестве таких групп в нашей стране использовались отрасли статистики:

1) промышленности;

2) природных ресурсов и окружающей среды;

3) технического прогресса;

4) сельского хозяйства и заготовок;

5) капитального строительства;

6) транспорта и связи;

7) торговли;

8) труда и заработной платы;

9) населения, здравоохранения и социального обеспечения;

10) народного образования, науки и культуры и т. д.

Специализированная геоинформационная система ABRIS-Cadastr

Геоинформационные системы являются сегодня важным инструментом сбора и планирования географических объектов. Существующие сегодня в мире ГИС можно достаточно четко разбить на три основных категории:

Мощные полнофункциональные ГИС на основе рабочих станций на UNIX-системах и RISC-процессорах.

ГИС средней мощности ( или ГИС с редуцированными возможностями) класса MAPINFO на PC-платформе.

Программы строящиеся по принципу ГИС и имеющие малые потребности в ресурсах ЭВМ.

Последние обычно более узкоспециализированные, ориентированные на конкретный рынок работ. К таким системам относится ABRIS-Cadastr. Эта система ориентирована на обработку данных инвентаризации земель. Благодаря ей можно, введя информацию, оперативно получать все необходимые справочные данные установленной формы.

ГИС ABRIS-Cadastr одна из ГИС семейства ABRIS, разрабатываемых в Московском Университете Геодезии и Картографии с 1993 года.

Данная система служит целям земельного кадастра. Она позволяет вводить картографическую информацию снятую с помощью дигитайзера либо из файлов полученных GPS-приемниками. На основании информации можно вести оперативный учет земель и проводить сравнение учетных данных и результатов измерений, получать документы в виде распечаток (ведомости вычисления площадей, сравнительные ведомости занимаемых земель по учетным данным и по результатам измерений, ведомости вычисленных площадей, экспликация земель, планы различных масштабов и др.). Существует возможность редактирования и изменения как графической, так атрибутивной информации. Это позволяет всегда иметь обновленные данные.

В целом, ABRIS-Cadastr позволяет быстро и удобно автоматизировать работы в области земельного кадастра, хранить данные земельного кадастра в электронном виде.

Контрольные вопросы:

Функции и компоненты геоинформационной системы.

Классификация ГИС.

Разновидности данных для ГИС.

3. Современное состояние процесса автоматизации в цифровой картографии

Работы по автоматизации в тематической картографии в настоящее время зависят и опираются в первую очередь на технические средства, используемые для этих целей, и знания, формализованные при помощи математики.

В основном автоматизация коснулась процессов, требующих больших вычислительных и временных ресурсов, а также многих черновых работ, которые приходилось выполнять в картографии ранее. Однако, всем этим процессам присуще одно свойство - четкая алгоритмизация.

Именно это не позволяет, и скорее всего не позволит в ближайшие годы, решить многие, наиболее важные проблемы цифровой картографии. В первую очередь это касается автоматического чтения информации, процесса генерализации, некоторых других вопросов. Т.е. всех тех задач, при решении которых мы не можем описать четкую последовательность элементарных шагов, приведших к решению, и используем наши собственные субъективные ощущения. Успех в автоматизации этих задач зависит от прогресса в области распознавания образов и искусственного интеллекта.

Хотя, конечно, постоянно ведутся исследовательские работы по созданию более совершенных алгоритмов и новых технических средств, способных взвалить на себя больший груз проблем, связанный с интеллектуальной деятельностью человека, до решения этих проблем еще далеко.

Средства автоматизации в цифровой картографии условно можно разделить на две группы: аппаратные и программные.

К аппаратным средствам относится все оборудование, используемое на различных этапах технологического цикла создания карт. Это ЭВМ, сканеры, дигитайзеры, плоттеры, принтеры, видеотерминалы и различные специализированные устройства для выполнения некоторых узких задач (цветоделители, фотонаборные автоматы и т.д.).

Однако, существует тенденция - заменять специализированные устройства соответствующим программным обеспечением (ПО). Цифровая картография становится все более "цифровой".

Преимущество аппаратных средств перед программными состоит в том, что они выполняют свои функции иногда намного быстрее, но они дороги, а по мере увеличения мощности ЭВМ разница в скорости исчезает. По-видимому, единственными специализированными устройствами, которые никогда не исчезнут, кроме самой ЭВМ, обеспечивающей функционирование программных средств, будут устройства ввода-вывода, без которых диалог человека с машиной невозможен. Сейчас устройствами, автоматизирующими ввод, являются сканеры, устройства фото- и телеввода, позволяющие в короткое время вводить в ЭВМ изображения в растровой форме: дигитайзеры различных конструкций и автоматические отслеживатели, используемые для ввода исходной графической информации в векторной форме.

Устройства для ввода растровой информации выгодно отличаются от других тем, что позволяют быстро и точно перенести графические образы в ЭВМ и сразу же отказаться в дальнейшем от бумажной технологии. При этом достигается высокая степень автоматизации: современные промышленные сканеры требуют минимального участия человека в процессе работы благодаря автоматической подаче материала, настройке, цифровой фильтрации, сжатию и передаче информации.

При этом важной особенностью такого способа является то, что вводимые данные представляют собой просто описание графического образа карты без указания на смысловое значение каждого элемента изображения. Те объекты, которые мы видим на карте, на изображении в растровом формате нет. Они существуют только в нашем сознании, интерпретирующем группы пикселов, связывая их в какой-то целостный объект. Реально такой связи в растровых данных нет, все пикселы равноценны между собой и отличаются только цветом или яркостью. Поэтому машина не может непосредственно интерпретировать растровое изображение. Вот почему такие данные необходимо для дальнейшей обработки перевести в векторный формат. Но недостаток такого способа то, что преобразованная информация еще никак не обработана в содержательном плане, имеет малое количество семантических атрибутов и требует дальнейшего распознавания и множества операций по обработке.

Напротив, устройства для ввода информации в векторном виде позволяют одновременно с вводом произвести все необходимые операции по идентификации объектов и их оцифровке. Причем, данные в ЭВМ передаются практически в том самом виде, в каком они и будут храниться как ЦК, а поэтому требуют минимальной дальнейшей обработки.

При кажущемся преимуществе этот способ имеет свой недостаток: он требует большого количества человеческого труда, менее поддается автоматизации из-за наличия в нем большего количества электромеханических компонентов. Сравним хотя бы сложность создания программы - автоматического отслеживателя линий и устройства, преследующего ту же цель.

Несмотря на всю громоздкость оборудования для ввода информации в векторном виде, его дороговизну, малую производительность и значительное участие человека в процессе работы, способ ввода информации в растровом виде с последующей автоматической обработкой и преобразованием в векторный формат тоже пока не получил должного распространения из-за сложности создания программ, способных автоматических распознавать и преобразовывать графическую информацию. Поэтому в настоящее время существуют оба способа первичного ввода графической информации в ЭВМ. Хотя, анализируя развитие современной науки и техники, предпочтение следует отдать растровым устройствам ввода изображений. Тем более, что в настоящий момент активно развивается гибридный способ ввода картографической информации в ЭВМ, использующий именно эти устройства. Он предполагает преобразование изображения на физическом носителе в растровую форму с последующей записью цифрового кода на машинный носитель. После этого изображение векторизуется способом, похожим на применяемый при работе с дигитайзером, в ручном, полу- и автоматическом режиме. Изображение контролируется на экране видеотерминала. При этом достигаются преимущества, даваемые обоими вышеописанными методами, и одновременно частично компенсируются их недостатки: уменьшается громоздкость оборудования, его общая стоимость, осуществляется переход на "безбумажную" технологию, увеличивается возможность автоматизации процессов, растет точность и производительность труда.

К устройствам, автоматизирующим вывод информации, относятся графические видеотерминалы, матричные, струйные и лазерные принтеры, графопостроители (плоттеры). Все они используются в различных случаях.

Для быстрого динамического вывода картографической информации без ее дальнейшего сохранения и с высокой изобразительной способностью используются всевозможные типы графических видеотерминалов. Для быстрого получения твердых копий карт в зависимости от требований к качеству, скорости и материалу носителя применяют разные типы принтеров. А для получения высококачественных материалов для долговременного пользования применяют графопостроители.

В качестве ЭВМ, используемых в современной цифровой картографии, существовали попытки использовать все наиболее известные типы ЭВМ и аппаратные платформы. Зачастую в автоматизированных комплексах используются и персональные компьютеры, и рабочие станции, связанные в ЛВС (локальную вычислительную сеть) и имеющие выход на мейнфрейм, осуществляющий централизованное хранение и обработку информации.

Программное обеспечение, управляющее всеми устройствами и выполняющее многочисленные операции по сбору, хранению и обработке картографической информации, постоянно совершенствуется. Автоматизация в цифровой картографии в наибольшей степени зависит от того, какое ПО разработано и используется на данный момент. Учитывая, что в последние годы наметилась тенденция использования в цифровой картографии не специализированного картографического, а стандартного компьютерного оборудования, ясно, что все специальные функции ложатся на программное обеспечение и его роль в автоматизации картографии достигла практически 100 процентов.

Современное ПО позволяет производить предобработку введенного изображения для повышения его качества, автоматизирует процесс перевода его в форму ЦК, управляет сложными базами картографических данных, представляющими из себя огромное количество информации.

Это ПО дает в руки пользователей мощные аналитические возможности для пространственного анализа информации. Существуют прикладные пакеты, позволяющие моделировать различные процессы природной среды (например, рельефообразующие) и использовать данные моделирования в картографировании явлений.

Велико значение программных систем, используемых в производстве карт. Цветоделение, расчет различных проекций и автоматический подбор лучшей для заданного участка местности, выбор оптимальной компоновки листа и оформления - вот далеко не полный список операций, производимых ПО уже в наше время и поднимающих технологию производства на качественно иной уровень.

Поэтому сегодня хорошо видно повышение роли человека-картографа в автоматизированных комплексах, где его труд применяется для решения каких-то принципиальных вопросов, а рутинные операции возлагаются на технику.

Контрольные вопросы:

Провести анализ современного состояния процесса автоматизации при создании цифровой топографической основы для автоматизированных информационных систем государственного кадастра недвижимости.

4. Технические и программные средства преобразования картографической информации в цифровую форму и ее обработки

Описав общие особенности и принципы автоматизации в цифровой картографии, попытаемся сделать небольшой обзор конкретных технологических схем, предлагаемых сегодня производителями. Все они базируются на основе ГИС.

Сейчас широко распространено понимание того, что ГИС - это не класс или тип программных систем, а группа технологий, базовая технология ("umbrella technology") для многих компьютерных методов и программ, относящихся к работе с пространственными данными.

ГИС имеет тесные взаимосвязи (отчасти генетические) со многими типами программных средств. С одной стороны, это графические средства САПР, векторные графические редакторы, с другой - реляционные СУБД.

Данное обстоятельство объясняет, почему наряду с полностью самостоятельными системами существуют ГИС, базирующиеся на этих средства. Яркие примеры - MGE, корпорации INTERGRAPH, использующая графический редактор MicroStation и СУБД типа Oracle и ArcСAD (ESRI, Inc.), созданная на основе AutoСАD и внешней СУБД, совместимой с dBASE.

На современном рынке предлагаются ГИС практически для всех компьютерных платформ. В 1993 году число предлагаемых ГИС-пакетов составило около 400, с базовой ценой от $50 до $250,000. В основном цены колеблются в пределах от $400 до $60,000. Разумеется, в большинстве своем предлагаются специализированные системы, разрабатываемые мелкими фирмами. Реально на рынке полнофункциональных ГИС (full GIS) общего назначения серьезных игроков не так много - не более 20. В основном ПО для ГИС разрабатывают специализированные фирмы, только в некоторых случаях это продукты крупных фирм, для которых ГИС - не основной продукт (Intergraph, IBM, Computervision, Westinghouse Electric Corp., McDonnel Douglas, Siemens Nixdorf). По числу инсталляций и по числу известных пакетов резко преобладают ПК (MS-DOS, MS Windows) и UNIX рабочие станции.

Конечно, областью распространения полнофункциональных ГИС общего назначения сейчас в мире являются почти исключительно рабочие станции с UNIX. На ПК функционируют в основном системы с редуцированными возможностями (РС ARC/INFO) или даже не "full GIS", а продукты класса "desktop mapping" (типичный пример - MapInfo). Это определяется, отчасти, спецификой пользователей ПК, которые обычно являются конечными (а для них полноценная система может оказаться "тяжеловесной"). Но главная причина - требования к аппаратуре.

Серьезные проекты с использованием ГИС требуют работы с большими объемами данных - часто необходимо иметь диск емкостью не менее 1 Гбайт. При использовании в ГИС растровых изображений, их обработке требования к величине RAM, ее быстродействию еще более ужесточаются, т.к. требуется обработка в режиме, максимально приближенном к режиму реального времени.

Современные рабочие станции еще кое-как справляются с такой задачей, для ПК же она еще слишком трудна. Вот почему все известные ГИС-пакеты (Arc/Info, MGE и т.д.) в полном объеме функционируют пока только на станциях с RISC-архитектурой. Практически под "всеми известными ГИС" следует понимать как раз эти две (Arc/Info), т.к. при общем доходе от продаж ГИС в мире в 1993 году, составившим $46,000,000, доход ESRI (Arc/Info) составил $126,015,000 (27,10%), а INTERGRAPH (MGE) - $117,180,000 (25,20%). Для сравнения - доходы других компаний не составили >5,5%. Кроме продуктов, относящихся в той или иной степени к ГИС, существует рынок более простых и более специализированных систем, предназначенных исключительно для конвертирования растрового изображения в векторный формат. Следует отметить популярные пакеты I/RAS B, I/RAS C, I/RAS 32, I/GEOVEC, I/VEC (производимые Intergraph Corporation), OptiDRAFT Workstation и MAGNUS (производства Optigraphios Corporation), CADCore Hybrid и CADCore Tracer (Information & Graphios Systems, Inc.), GTX Raster CAD и Expert Conversion Series (GTX Corporation) и ScanEdit (SCAN-GRAPHICX, Inc.). Все фирмы, представленные здесь списком своих продуктов, отличаются стабильным финансовым положением, за исключением, может быть, GTX Corp., что гарантирует в будущем поддержку, сопровождение и модернизацию продуктов. Цены на предоставленные ПО находятся в пределах от $1,995.00 у GTX Raster CAD (программа интерактивной дигитализации для РС) до $15,000.00 у I/VEC (ПО автоматического преобразования, работающее в пакетном режиме, для Intergraph UNIX-workstation).

Это ПО способно выполнять гибридное растрово-векторное редактирование и дигитализацию в различных режимах (ручной, полуавтоматический, автоматический). Базируется в основном на РС и заметная доля на Sun SPARCstation. Среди других платформ - DEC, HP, RISC 6000. Для рассмотрения остановимся подробнее на технологии фирмы INTERGRAPH, как одной из наиболее передовых фирм в области геоинформатики. Один из ключевых моментов этой технологии - преобразование исходных документов в растровую форму, попросту говоря - сканирование. В процессе работы сканера данные в форме изображения на документе преобразовываются в компьютерный файл, который может быть отредактирован, воспроизведен, передан по сети, отпечатан или архивирован. Сканерный механизм использует узкий пучок света для получения сканированного изображения, которое может представляться в цветном (чаще RGB), полутоновом (серая шкала) и бинарном виде. Но в процесс сканирования нужно также включить все возможные операции, вовлекаемые в перевод изображения на документе в компьютерный формат, пригодный для использования. А это, кроме непосредственно считывания информации сканирующим механизмом, процесс корреляции, квантования, сжатия, преобразования данных, их передачи в компьютер и, наконец, файловые манипуляции для создания соответствующего файла. Некоторые из этих операций выполняются аппаратно схемами, встроенными в сканер. Другие осуществляются чисто программным путем. Баланс между ними определяет стоимость и производительность системы, причем зависимость обратно пропорциональная. Ранние, а также более дешевые модели все операции, кроме, разве что, считывания светового сигнала и яркостной коррекции, проводимой для компенсации неоднородностей при освещении соседних элементов изображения, возлагали на компьютер, поглощая его вычислительные и другие ресурсы. Современные промышленные сканеры производства одного из подразделений Intergraph (ANA Tech), все операции по обработке совершают автономно, а в компьютер передают данные уже в формате записываемого файла. Таким образом, экономится место на диске - от единиц до нескольких тысяч мегабайт (в зависимости от размера документа, изображения на нем и режима сканирования). Уменьшается время на обработку документа, освобождается процессор, что очень важно в многозадачных средах и при работе компьютера в сети. До недавнего времени все программные продукты фирмы INTERGRAPH, базировались только на своем "железе" (Intergraph UNIX-station), и только у I/RAS B существовали версии для РС и Sun. Однако, в настоящее время корпорация сделала ставку на процессоры Intel и ОС Microsoft Windows NT. Intergraph и дальше будет поддерживать и развивать приложения для ОС UNIX, но акцент будет перенесен на платформу Intel + Windows NT из-за присущего ей лучшего отношения цена/производительность. Все приложения базируются на векторном графическом редакторе MicroStation. Более того, они выполняются в среде MicroStation и написаны на MDL, встроенном языке разработки приложений. MicroStation поддерживает наиболее совершенные сети, объединяя пользователей в DOS, Windows NT, Macintosh, UNIX и VAX. Пользовательский интерфейс удовлетворяет установленному Фондом Открытого Программного обеспечения (OSF) стандарту Motif. Плюс ко всему этот мощнейший в мире редактор может быть соединен такими мощными СУБД, как Informix и Oracle. Все это позволяет с легкостью строить сложные интегрированные системы, собирая, как бы из кубиков, необходимую конфигурацию из продуктов, исполняемых в единой среде. Спектр приложений, предлагаемых фирмой INTERGRAPH, покрывает весь набор задач, с которыми приходится сталкиваться, создавая и используя автоматизированную картографическую систему. Это приложения для ввода картографической информации в ЭВМ, трансформирования, управления и сложного анализа введенных данных, для обработки аэрокосмических изображений и для стереофотограмметрических измерений. Сюда можно включить пакеты для геодезии, а также специализированные приложения, ориентированные на издание карт и моделирование физических процессов природной среды. Вообще преимуществом этой технологии является то, что все компоненты от необходимого оборудования (сканеры, дигитайзеры, вычислительные системы, др. периферия) до сервисных утилит производятся корпорацией INTERGRAPH, а поэтому не возникает проблем при интеграции этих компонентов друг с другом из-за несовместимости. При этом нет опасности монополии поставщика, так как большое число независимых фирм разрабатывает и предлагает аппаратные и программные продукты, совместимые с этой технологией. Начиная с 1989 года MGE (Modular GIS Environment) - модульная ГИС-среда и программные продукты, примыкающие к ней, начинают добиваться на рынке больших успехов. MGE сегодня является самой распространенной интегрированной ГИС и сквозной производственной картографической системой в мире, имеющей в области картографической издательской деятельности свыше 100 клиентов в 25 странах.

Контрольные вопросы:

Современные технические средства базирования ГИС.

Программное обеспечение в современных ГИС-технологиях.

5. Схема дигитализации карт растровыми методами

5.1 Ручная дигитализация

Из всех методов дигитализации ручной возник самым первым, что является совершенно логичным следствием развития техники и технологии. Вместе с тем, он же является и наиболее употребимым в настоящее время. Правда, со времени своего возникновения эта технология претерпела некоторые изменения. В отличие от традиционного способа дигитализации при помощи физического устройства (дигитайзера) появился альтернативный способ, связываемый с некоей программой, позволяющей оцифровывать изображение, наблюдая его на экране. Благодаря чему эту программу часто называют "экранным дигитайзером", а всю схему обозначают термином "heads-up" (с поднятой головой). По своей сути, не меняя весь смысл метода ручной дигитализации, этот способ добавил множество преимуществ. Перечислим основные из них. Первое - это то, что появилась возможность более точно наводиться на объект, так как появилась возможность увеличить масштаб изображения, т.е. как бы увеличить картинку, приблизить ее. Это кроме непосредственной выгоды дает и то, что теперь уменьшается нагрузка на зрительную систему оператора, т.к. с крупными объектами работать легче. А это уже в свою очередь уменьшает ошибки дигитализации, повышает производительность труда. Вторым преимуществом является возможность визуального контроля за выходной информацией, т.к. оператор может наблюдать след, оставляемый векторной линией, т.е. посмотреть, как точно получаемые вектора описывают исходное растровое изображение, выступающее в качестве подложки, путем одновременного совмещения их на одном экране или в окне. Другие преимущества нельзя было бы отнести непосредственно к экранной дигитализации, как к методу цифрования, но некоторый анализ показывает, что часто это становится стандартными элементами "экранной" технологии. Речь идет прежде всего о функциональных возможностях программных средств, применяемых при работе. Технологическая схема фирмы INTERGRAPH предполагает использование для такого вида работ продукт MicroStation I/RAS B. В этом случае создание самого векторного изображения происходит посредством базового графического редактора среды MS, а возможность работы с растром представляет пакет I/RAS B. Он позволяет загружать до 64 индивидуальных растровых файлов в качестве подложки и визуализировать их любым цветом из палитры в 254 цвета, а также отключать вообще. После того, как необходимые файл или группа файлов загружены, оператор может начинать дигитализацию, пользуясь устройством ввода типа "мышь". Как и при работе с дигитайзером ввод информации осуществляется указанием вершин графических примитивов при непосредственно визуальном распознавании объектов, которые они описывают. Но если в первом случае такими объектами зачастую являются линия (отрезок) и общий случай полилинии (ломаной), то в последнем - существует большое число графических примитивов, ввод которых не возможен при использовании классического дигитайзера. Приведем несколько примеров. При вводе полилинии можно указать, что угол между ее сегментами является фиксированной величиной и равен 90 градусов, что очень часто требуется при оцифровке антропогенных объектов (контура зданий, кварталов в городах и т.д.). При оцифровке объектов, имеющих смежную границу, вновь изображаемая векторная линия может точно повторить другую, которая уже относится к какому-либо объекту посредством привязки ее вершин к вершинам уже существующей. Количество примеров, конечно, не ограничивается только этими двумя, потому что базовый графический редактор среды MicroStation является одним из наиболее мощных векторных графических редакторов, применяемых в промышленности сегодня.

5.2 Интерактивная дигитализация

Дальнейшим развитием технологии дигитализации растровых изображений стало появление ПО, позволяющего работать в полуавтоматическом интерактивном режиме. Облегчая векторизацию линейных элементов карт, такие пакеты позволили увеличить скорость растрово-векторного преобразования и избавить человека-оператора от утомительной процедуры ручной дигитализации.

На сегодняшний день такие пакеты являются наиболее часто используемыми, благодаря своей универсальности. Большинство не предлагают аналогичные услуги, отличаясь интерфейсом, заложенными алгоритмами, точностью преобразования, способностью разбираться в сложных ситуациях и скоростью работы.

Таким продуктом из серии приложений, предлагаемых известной фирмой, является пакет I/GEOVEC. Его работа базируется на MicroStation и I/RAS B или I/RAS 32.

C его помощью можно, используя технику "heads-up digitizing", интерактивно вводить векторные данные поверх существующего растрового изображения. Для этого достаточно визуально идентифицировать растровый объект на экране и поставить первую точку рядом с ним. I/GEOVEC отслеживает растровую линию, пока она не закончится или он не достигнет точки, требующей дальнейших инструкций оператора.

Пользователь может установить параметры отслеживания для преодоления некоторых трудностей (разрывов в растре, пересечений с др. линиями, развилок, касаний контуров и наложений текста). Отслеженную линию можно подвергнуть фильтрации и сглаживанию для спрямления векторов с малым углом расхождения, удаления избыточных узлов и скругления резких перегибов. Эти операции также доступны, как постпроцесс, запускаемый в пакетном режиме. I/GEOVEC позволяет вводит криволинейные изображения объектов в 4 или 5 раз быстрее и более точно, чем при ручном методе.

Функция REVERS VIDEO позволит отслеживать не сам растр, а фон, считая его как бы изображением. Эта возможность не заменима при обработке дорог, которые изображаются двумя параллельными линиями.

Настроив параметр "величина разрыва в растре" и "угол обзора", можно заставить приложение отслеживать линии, состоящие из точек или штрих-пунктирные линии, что применимо при вводе контуров растительности и разнообразных границ. При встрече пересекающихся линий (развилок) есть возможность установить действие программы по умолчанию - останавливаться, поворачивать налево или направо, следовать прямо, присоединиться к пересекаемой векторной линии, присоединиться и разорвать пересекаемую векторную линию для создания узла.

Довольно уникальной для такого рода ПО является способность I/GEOVEC распознавать текст и одиночные условные знаки. Этот пакет увеличивает эффективность работы, расширяя набор инструментальных средств другими менее часто используемыми, но полезными функциями, ускоряющими процесс преобразования и позволяющими его контролировать.

В настоящее время существует версия только для UNIX(CLIX). В скором времени ожидается выход версии для другой известной ОС - Microsoft Windows NT.

5.3 Автоматическая дигитализация

Как известно, до сих пор не создано программы, позволяющей полностью в автоматическом режиме осуществлять ввод обычных топографических карт. Это происходит по целому ряду причин, здесь нами нерассматриваемых. Поэтому, говоря об автоматической дигитализации, следует сразу же оговориться, что речь идет о линейных элементах карт.

Уже из того, что речь идет об автоматической дигитализации, следует то, что программа должна работать в пакетном режиме. Отсюда получаем, что, скорее всего исходными данными для такой программы будут изображения с простой топологической структурой. Например, рисунок горизонталей. Причем эти случаи имеют место только в 10% всех задач дигитализации. Для решения таких задач по векторизации растровых изображений INTERGRAPH предлагает пакет I/VEC. Этот продукт конвертирует бинарные растровые данные в векторные данные (полилинии, точки и контуры многоугольников). Базовые функции векторной графики основываются на MicroStation 32, а функции растрового редактирования - на пакете I/RAS 32. Функционально I/VEC делится на три этапа: предобработку, обработку и постобработку, каждый со своими специфическими установками, управляемые пользователем. Все вместе это в себя включает:

- преобразование линейных растровых объектов в векторный формат в пакетном режиме;

- манипуляции с введенным изображением или указанной пользователем области;

- вывод полученных векторных данных по сети;

- функции постобработки: генерирование соединений векторных полилиний, сжатие данных, удаление висячих концов, заполнение разрывов, автоматическое обнаружение и коррекция ошибок, генерация очереди нерешенных проблем (предлагается пользователю);

- специальные параметры для обработки упакованных пакетов данных;

- миграцию отсканированных данных в другое Intergraph'овское картографическое ГИС приложение (MGE);

- экспорт в другие, стандартные для индустрии платформы САПР.

5.4 MicroStation MDL, как среда разработки пользовательских приложений

MicroStation - это векторный графический редактор и одновременно программная среда для исполнения и создания приложений. Она включает полный набор средств разработки, состоящий из компилятора, полностью поддерживающего стандарт ANSL, редактора связей, символьного отладчика и утилиту make.