Глава 5. Визуализация пространственных данных

Тематические карты

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

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

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

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

Условные знаки

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

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

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

Точечными условными знаками (рис. 5.1) на карте изображают объекты или явления, размеры которых в масштабе карты пренебрежимо малы (обычно меньше 1 мм). При этом размер условного знака выбирается не пропорционально размеру изображаемого объекта, а так, чтобы он хорошо воспринимался человеком. Именно поэтому, например, города на мелкомасштабных картах Российской Федерации обычно изображают точечными условными знаками в виде кругов, а не многоугольниками с точными границами, при этом размер таких кругов существенно больше точных многоугольников.

Рис. 5.1. Некоторые стандартные точечные условные знаки, применяемые
для составления топографических карт в Российской Федерации

 

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

Линейными условными знаками (рис. 5.2) на карте изображают объекты или явления, существенно протяженные в масштабе карты, однако имеющие пренебрежимо малую ширину (обычно меньше 1 мм). Например, на мелко- среднемасштабных картах малые реки, магистральные нефтегазопроводы, воздушные линии электропередачи, автомобильные и железные дороги обычно изображаются линиями.

 

 

Рис. 5.2. Некоторые стандартные линейные условные знаки, применяемые
для составления топографических карт в Российской Федерации

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

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

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

Площадными условными знаками (рис. 5.3) на карте изображают регулярные объекты или явления, существенно протяженные в масштабе карты и не представимые точечными или линейными условными знаками. Термин «регулярные» означает, что внешний вид площадного условного знака не зависит от порядка задания точек в контуре объекта. Те условные знаки, которые не являются регулярными, обычно относят к специальным условным знакам - особому подвиду площадных знаков (см. ниже).

 

Рис. 5.3. Некоторые стандартные площадные условные знаки, применяемые
для составления топографических карт в Российской Федерации

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

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

Специальными условными знаками (рис. 5.4) на карте изображают такие объекты или явления, которые не удается представить обычными площадными условными знаками. Например, специальными условными знаками на картах отображают различные виды откосов. Откосы, хоть и занимают на карте некоторую область и имеют некоторую границу, к обычным площадным знакам не относятся, т.к. при задании формы откоса на карте необходимо дополнительно указать, какие отрезки контура откоса определяют его верхнюю границу откоса, а какие - нижнюю. Эта информация не может быть сохранена в обычной модели многоугольника.

Помимо точечных, линейных, площадных, в геоинформатике к категории условных знаков иногда также относят текстовые условные знаки (рис. 5.5), которые включают в себя описание способа представления текстовых надписей на карте.

Рис. 5.4. Некоторые стандартные специальные условные знаки, применяемые
для составления топографических карт в Российской Федерации

 

 

Рис. 5.5. Некоторые текстовые условные знаки, применяемые для составления карт

 

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

На рис. 5.6 показан фрагмент типичной топографической карты, демонстрирующий применение различных условных знаков.

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

 

Рис. 5.6. Фрагмент топографической карты, демонстрирующий применение различных условных знаков

 

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

Точечные условные знаки задают такими способами, как (рис. 5.7):

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

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

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

 

Рис. 5.7. Различные способы задания точечных условных знаков в ГИС

 

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

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

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

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

 

Линейные условные знаки задают такими способами, как (рис. 5.8):

 

 

Рис. 5.8. Различные способы задания линейных условных знаков в ГИС

 

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

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

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

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

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

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

 

Площадные условные знаки задают такими способами, как (рис. 5.9):

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

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

3. Закраска по шаблону. В этом способе задается некоторая матрица размером 8 х 8, каждый элемент которой имеет значения 0 или 1. При отрисовке вся область заполняется такими шаблонами попиксельно, используя два цвета для отрисовки значений 0 и 1 в матрице. В этом способе нельзя масштабировать рисунок закраски, а это приемлемо только для изображения пространственных данных на экране компьютера, т.к. на принтере пиксели настолько малы, что рисунок на печати будет выглядеть как обычная одноцветная закраска. Недостатком является также то, что можно использовать только 2 цвета. Этот способ во многом устарел, но по-прежнему имеется во многих ГИС.

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

 

Рис. 5.9. Различные способы задания площадных условных знаков в ГИС

 

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

6. Заполнение параллельными линиями. В этом способе отображаемая область заполняется параллельными линиями под некоторым углом и на некотором расстоянии друг от друга. Каждая из параллельных линий определяется как некоторый линейный условный знак.

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

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

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