Карта, як модель географічних даних.

Карта являє собою графічну форму подання просторових даних. Відповідно, вона є і основною мовою геоінформаційних технологій. Ця графічна форма подання просторових даних складається з різних координатних систем, проекцій, наборів символів, методів спрощення та генералізації.

Карта є моделлю, що відображає просторові явища, але вона не є мініатюрним відображенням дійсності і не відображає усі деталі області дослідження. Нажаль, користувачі карт не завжди пам’ятають про це. Головною причиною такої переоцінки можливостей карт є те, що карта – дуже вдалий графічний інструмент для передачі просторової інформації. Звичайність використання, компактність карт, їх зовнішній вигляд – створюють у користувача уяву про безпомилковість карт. Проте кожний користувач карт повинен бути обізнаним в мові карт, рівні подання просторової інформації, способах символізації та методах її виробництва, які у сукупності створюють карту, як кінцевий продукт.

Карти існують різних типів. З них виділяються два основні типи – загальногеографічні та спеціальні (тематичні). Найбільш частіше в геоінформаційних системах ми маємо справу зі спеціальними картами, хоча загальногеографічні та топографічні карти також використовуються для введення в ГІС, головним чином для створення загальногеографічної основи створення складних спеціальних карт.

Головна мета створення будь-якої спеціальної карти – показати важливі відомості для окремого регіону без відволікання уваги на надлишкові подробиці. Ступінь спрощення визначається, головним чином, рівнем деталізації, який потрібний для дослідження нашої області. А це залежить в першу чергу від масштабу карти.

Масштаб карти – термін, що використовується для позначення ступеню зменшення на картах. Він показує відношення довжини відрізку на карті до довжини того ж самого відрізку на місцевості. На практиці використовують три основних способи виразу масштабу карти.

Вербальний масштаб – масштаб, що показується словами (наприклад, в одному сантиметрі п’ятсот метрів).

Чисельний масштаб – коли відстань на карті і відстань на місцевості подаються у єдиних одиницях виміру, як дріб (1: 50 000).

Лінійний масштаб – коли дійсна відстань на місцевості показується прямо на карті.

Крім масштабу до основних характеристик карти відносяться картографічна проекція, система координат, система умовних знаків (легенда карти). Тому далі більш докладно розглянемо ці характеристики.

Карти, як зображення оточуючого середовища, яке ми моделюємо, показують нам як положення об’єктів у просторі і їх форму, так і кількісні та якісні їх характеристики. Ці взаємопов’язані геометричні об’єкти і атрибути необхідні для карти. Символи, за допомогою яких передаються об’єкти місцевості, повинні мати ключ до їх розуміння, що подається у виді легенди карти. Вона фактично поєднує геометричні об’єкти з їх атрибутами, після чого кожний з них може бути сприйнятий у якості подання дійсного об’єкту з відповідними йому кількісними характеристиками. Таким чином, користувач карти може уявити собі усі об’єкти, які спостерігалися на місцевості в дійсності.

Картографічні проекції. Нам відомо, що Земля має форму сфери (еліпсу). Тому картографами були розроблені набори методів, що називаються картографічними проекціями, і які призначені для зображення з достатньою точністю сферичної поверхні Землі на плоскому носію. Існують різні види проекцій при проектуванні зображення глобуса на поверхню циліндру, конуса або на площину (рис.2.2). Кожний з цих методів визначає групу (родину) проекцій. Тому на практиці існує родина планових проекцій, родина циліндричних проекцій, родина конічних проекцій. Існує і четверта група проекцій – азимутальні проекції. В їх основі полягає процес проектування паралельними променями світла на плоский матеріал.

 

 

Крім цих чотирьох основних груп проекцій розроблені і інші. Але потрібно пам’ятати, що проекція – не абсолютно точне подання географічного простору. Кожній проекції притаманний свій набір типів і величин систематичних помилок та спотворень на карті.

Тому, користувачі повинні знати, що у залежності від характеристик карт, які повинні зберігатися для точних аналітичних операцій, здійснюється вибір тієї чи іншої картографічної проекції. Ці характеристики включають кути, відстані, напрямки, площі об’єктів. При застосуванні будь-якої однієї картографічної проекції неможливо зберегти одночасно усі ці характеристики. Тому користувачі повинні знати їх основні властивості і в разі необхідності вибрати проекцію, що буде найбільшим чином відповідати встановленим вимогам. Тепер більш докладно розглянемо кожну з цих основних характеристик окремо.

Масштабний коефіцієнт. Його ще називають відносним масштабом і він визначається, як частка від ділення місцевого масштабу на загальний масштаб. За визначенням він повинен дорівнювати одиниці. Однак, під час переходу від сферичної поверхні (якою є Земля) до двовимірної карти, відносний масштаб змінюється, оскільки плоска і сферична поверхні не співпадають. Відповідно масштабний коефіцієнт буде різним в різних точках карти. Це необхідно постійно пам’ятати.

На поверхні глобусу напрямки сторін світу завжди відстоять від сусідніх на 90 градусів. Це відношення кутів повинно зберігатися і в картографічній проекції. Проекції, які зберігають цю властивість кутової відповідності, називають конформними, або рівнокутовими картографічними проекціями. В такому випадку масштабний коефіцієнт не буде дорівнювати одиниці в кожній точці карти, але паралелі і меридіани будуть проходити під прямим кутом одна до другої. Але в той же час площі об’єктів будуть спотворені. Конформні проекції спотворюють величини площ, а це робить вимірювання площин об’єктів некоректним.

На практиці ми можемо зберегти величини площ, використовуючи для цього рівновеликі, або рівноплощинні проекції, в яких добуток масштабних коефіцієнтів по напрямам горизонту дорівнює одиниці. Однак така проекція передбачає, що масштабний коефіцієнт буде різним по різних напрямках для всіх точок карти, крім точок, які лежать на особливих лініях проекції. Іншими словами, зберігаючи площі, ми спотворюємо кути. Існує така фундаментальна залежність цих двох параметрів при проектуванні карт – неможливо одночасно зберегти площі і кути.

В випадку, коли проектування карти виконується з метою вимірів відстаней, потрібно визначити проекцію, яка буде зберігати відстані неспотвореними. Такі проекції називаються рівнопроміжними, або еквідистантними. Вони вимагають збереження масштабу карти постійним. Існує два способи досягнення цієї мети. Перший спосіб – зберігає масштабний коефіцієнт рівним одиниці вздовж однієї або більше паралельних ліній, які називаються стандартними паралелями. Другий підхід полягає в збереженні одиничного масштабного коефіцієнту вздовж усіх напрямків з однієї точки, або з двох таких точок. Але для інших точок – ця умова не буде виконуватися. В такому випадку дуже важливим є вибір цієї точки.

В випадку застосування карт для вирішення завдань навігації, найбільший інтерес являє збереження напрямків. В такому випадку використовують азимутальні проекції. Для цієї проекції ми визначаємо дві точки або одну, з яких будуть зберігатися неспотвореними величини напрямків. Напрямки з будь-яких інших точок не будуть відповідати дійсним значенням.

На практиці, при створенні топографічних та навігаційних карт використовують рівнокутну поперечно–циліндричну проекцію Гауса, Меркатора, поперечну Меркатора, конічну конформну Ламберта, конформну стереографічну. Загальногеографічні та навчальні карти найчастіше потребують використання рівновеликих проекцій. При створенні аеронавігаційних карт, для яких потрібно визначати найкоротшу відстань, використовують азимутальні проекції, рівновелику Ламберта, стереографічну, ортографічну, гномонічну та азимутально еквідистантну проекції.

Як ми бачимо, загальний перелік картографічних проекцій дуже великий тому вибір необхідної проекції – один з основних процесів в технології ГІС – аналізу.

Системи координат. Система координат необхідна для визначення відстаней і напрямків на місцевості. Географічна система координат (широта і довгота) дозволяє визначити положення об’єкту місцевості на поверхні Землі. Так, як ми маємо справу з двовимірними картами, то нам потрібні системи координат на площині. Такі системи координат називаються картографічними (геодезичними) прямокутними системами координат. Вони дозволяють точно вказати положення об’єкта на карті за допомогою двох координат х та у. Початкову точку відліку розміщують так щоб не було від’ємних значень координат точок. Найбільш поширені системи координат: плоска прямокутна система координат Гауса-Крюгера; поперечна Меркатора.

Крім визначення масштабу, проекції і системи координат користувач геоінформаційної системи повинен мати відомості про основні етапи процесу створення карти. Існує чотири основних етапи в процесі картографування: збір даних; обробка даних; створення карти; тиражування (друк) карти.

Процес обробки даних включає в себе вибір та розробку базової карти, на якій будуть розміщуватися всі дані, що були зібрані. Для подання точок, ліній, площ та поверхні використовують набори символів (умовних знаків), кожний з яких може зміщуватися відносно свого точного місцеположення на карті для того, щоб було можливо розмістити інші. Під час здійснення обробки даних картограф здійснює: символізацію даних; їх класифікацію та графічне спрощення. Результатом цих дій є скорочення обсягу даних. Це потрібно обов’язково враховувати під час введення картографічної інформації в ГІС, крім того його результати здійснюють вплив на подальший аналіз та результати вимірів.

Користувачам потрібно завжди пам’ятати, що масштаб карти обмежує обсяг даних, які можуть бути подані на ній тому, що від нього залежить ступінь генералізації об’єктів місцевості та їхній зсув відносно точного місцеположення для забезпечення сприйняття карти іншими користувачами.