В настоящее время накоплен достаточный опыт в создании цифровых карт и цифровых моделей. Этот опыт закреплен теорией и практикой применения геоинформационных технологий. Между понятиями «цифровая карта» (ЦК) и «цифровая модель» (ЦМ) существуют признаки сходства и различия. Оба понятия описывают модели, но это различные модели, поэтому понятия ЦК и ЦМ не являются синонимами. Цифровая карта, как карта, должна содержать все атрибуты, присущие карте. Она должна содержать зарамочное оформление и обязательно быть представлена в одной из возможных или выбранных картографических проекций. Цифровая карта (как дискретная модель) должна создавать возможность визуального отображения в виде аналоговой модели обычной карты. Она должна обладать полной сопоставимостью с обычными картами, получаемыми сразу в бумажной форме. Цифровые карты и цифровые модели являются двумя основными (но не единственными) видами геоинформационных продуктов, создаваемыми методами геоинформатики.
Материалы и методы исследования
В качестве материала использовались существующие описания цифровых моделей и цифровых карт и технологии их получения. В качестве методики исследования применялся системный анализ, качественный анализ и структурный анализ.
Результаты исследования и их обсуждение
Термин «карта» появился в средние века, в эпоху Возрождения, до этого употреблялись слова tabula и descriptionis. Этот термин происходит от латинского «charta» (лист, бумага), производного от греческого χαρτηζ (хартес – бумага из папируса). В России изначально карта назвалась «чертежом», что означало изображение местности чертами, черчением, и лишь в эпоху Петра I появился термин «ландкарты», а потом – «карты». Цифровая карта является моделью обычной карты и сохраняет ее достоинства и недостатки. На рисунке приведена технологическая модель создания обычной карты. В ней имеет место множество условностей.
Технологическая схема составления карт
Искажения являются обязательным атрибутом карты. По характеру искажений проекции подразделяются на равноугольные, равновеликие и произвольные. В равноугольных проекциях отсутствуют искажения углов, картографическая сетка ортогональна, частные масштабы длин не зависят от направлений, сохраняются формы бесконечно малых частей изображения. В этих проекциях наблюдаются большие искажения площадей [1]. В равновеликих проекциях сохраняются длины вдоль одного из главных направлений [2]. В произвольных проекциях имеют место искажения всех видов. Цифровые модели лишены этих искажений. Проекционные преобразования также вносят свои искажения, которые не имеются у цифровых моделей. Картограф при составлении карт также вносит искажения: смещая близкорасположенные объекты или показывая мелкие объекты «с преувеличением» и так далее. Таким образом, карта содержит комплекс искажений, вносимых при ее составление. Это требует при цифровании такой карты участия специалиста картографа, который за счет когнитивного моделирования уменьшит соответствующие погрешности.
Отображение реального мира. Цифровые карты и цифровые модели являются отображением объективной реальности окружающего информационного поля [3]. Они являются компонентами научной картины мира [4, 5]. Оба вида этих информационных продуктов используют при решении практических задач: навигации, проектирования, измерений и анализа. Цифровые карты и цифровые модели являются двумя видами пространственных моделей объектов земной поверхности и самой поверхности. Базовые технологии для создания цифровых моделей фотограмметрические, геодезические и космические. Базовые технологии для создания цифровых карт картографические, фотограмметрические, геодезические и космические. ЦК создается на основе неполной аналогии. ЦМ создается на основе полной аналогии. Цифровая модель, в зависимости от способа ее построения и выбора основы, может в большей степени сохранять геометрические характеристики исходной поверхности Земли или другого небесного тела, пространственным аналогом которого она является. Ряд технологий построения пространственных цифровых моделей создают близкое к реальному расположение точек модели. ЦК зависит от проекции и от модели Земли. ЦК строится независимо. В отличие от цифровой карты цифровая модель представляет собой в общем случае трехмерную пространственную модель не отягощенную специальными картографическими нагрузками и ограничениями.
По признакам моделирования. По признакам моделирования цифровая карта это модель модели. Обычная карта является плоской моделью трехмерной реальности. Цифровая карта может строиться по обычной карте как вторичная модель. Даже если ЦК строится не по картографической информации, а, например, с помощью фотограмметрических методов, то на заключительном этапе построения в нее необходимо вводить картографические преобразования, которые вносят дополнительные искажения, как и в обычную карту. Цифровая карта это плоская модель трехмерной реальности. Цифровая модель это трехмерная модель трехмерной реальности
Масштабный ряд. Карты и цифровые карты создаются на любой масштабный ряд. ЦМ создаются в основном на крупные масштабы, поэтому цифровая модель ближе к плану, чем карте. Тем не менее, по совокупности цифровых моделей можно строить достаточно протяженные объекты, с учетом референцной или общеземной системы. В настоящее время создаются мульти масштабные карты для отображения информации в разных масштабах [6].
Соответствие между оригиналом и моделью. Цифровая модель гомомформна объекту моделирования, цифровая карте гомеомрфна объекту моделирования. Методология цифровых карт основана на преобразованиях меняющих пространство. В них осуществляется переход от трехмерной реальности к плоскости. Методология цифровых моделей основана на концепции моделирования аналогов. В них сохраняется трехмерность.
По взаимному преобразованию. Цифровая модель может быть преобразована в карту, а карта не всегда может быть преобразована в ЦМ
Трехмерность. Цифровая карта может плоской моделью, но и трехмерной. В этом случае ее аналогом будет рельефная карта, т.е. такая пространственная модель трехмерной криволинейной поверхности у которой высоты предаются без искажений, а в плане сохраняются искажения, обусловленные проекционными преобразованиями, присущие картам. В трехмерной цифровой модели без искажения передаются все три координаты.
Изобразительные характеристики. Цифровая карта имеет широкие изобразительные характеристики и как двухмерная модель очень удобна для визуального анализа человеком. Цифровая карта удобна для визуальной обработки и визуального анализа информации, так как по существу работает с двухмерными образами. Цифровая модель такой изобразительностью не обладает
Временной аспект. Временной аспект как правило включает три фактора долговременный, средневременный и оперативный. С этим аспектом связана характеристика качества информации – актуальность и процедура актуализации данных и баз данных.
Исходные данные. Хотя по технологиям создания цифровые модели и цифровые карты создаются примерно одинаково. Исходные данные у ЦК и ЦМ различны. Для создания ЦК основой служат геоданные [7]. Для создания ЦК основой служит более сложная картографическая модель.
Методы хранения. Цифровая модель хранится в виде структурированных файлов и занимает относительно мало места на машинных носителях. Цифровая карта хранится в виде визуальных изображений. Представление пространственной информации в базах пространственной информации (БПД) осуществляется в виде картографических изображений, 3D-моделей или компьютерных анимаций. Последняя форма представления часто используется при разработке сценариев ситуационного моделирования в «ситуационных» комнатах.
Одно из назначений банка пространственных данных формирование визуальной картографической модели. Этот процесс основан на организации картографических данных в виде тайловой структуры [8]. Тайл ( англ.tile – плитка) [9] в компьютерных картографических сервисах – один из квадратных фрагментов, на которые разбивается растровое изображение. Каждый тайл представляет собой изображение формата jpg (спутниковые снимки) или png (карты, слои) и хранится в файле с уникальным именем, которое определяется координатами этого тайла по осям X и Y. Синонимом термина «тайл» является «текстура». Наложение текстуры является одной из основных задач графического аппаратного обеспечения. Ключевой задачей при наложения текстур является задача хранения и управления большими текстурами на графических процессорах. Тайловая технология позволяет хранить небольшой набор тайлов вместо большого растрового изображения. То есть эта технология на порядки (1000) уменьшает объем хранимых растровых изображений [10]. Однако она выдвигает дополнительную проблему конструирования изображений из тайлов и обновлений изображений из тайлов. Большинство графических программ применяют тайлы размерами 256х256 пикселей. В частности, в ГИС «Панорама-АГРО»[11] принят именно такой размер тайлов.
Топология. Цифровые карты содержат топологию и позволяют отображать пространственные топологические свойства. Цифровые модели пока не имеют механизма отображения топологии. Именно этим обусловлено преимущественное отображение информационных продуктов ГИС в виде цифровых карт. В настоящее время средства компьютерной графики хорошо приспособлены для отображения топологии пространственных моделей.
Структурность. Цифровую модель можно рассматривать как некий структурный пространственный каркас, который служит основой для решения ряда задач, включая и построение карт. Цифровая модель может в большей степени соответствовать реальной поверхности по сравнению с картой. При этом возможны случаи построения цифровых моделей в заданных картографических проекциях.
Проведенные исследования позволяют сформулировать определения для ЦК и ЦМ.
Цифровая карта – двухмерная или пространственная модель земной поверхности, преобразованная в соответствии с заданной картографической проекцией. Проекционные преобразования являются неотъемлемой частью цифровой карты.
Цифровая модель – пространственная модель криволинейной поверхности, которая создается на основе полной аналогии реальной поверхности и может быть преобразована в заданную картографическую проекцию.
Дискуссия
С информационных позиций цифровые карты и цифровые модели являются информационными конструкциями [12], которые имеют сходство и существенное различие. Они не являются эквивалентами. С технологических позиций цифровые карты и цифровые модели являются информационными продуктами, которые по-разному формируются и применяются. Определение цифровой карты через цифровую модель «цифровая карта – цифровая модель…», даваемое в [13] нельзя считать корректным ни лингвистически, ни по содержанию.
Заключение
Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы. Цифровые карты в большей степени подчинены ограничениям по сравнению с цифровыми моделями. Это вытекает из подчинения их требованиям, предъявляемым к отображению карт. Цифровые модели представляют собой в общем случае трехмерные пространственные аналогии реальных объектов. Цифровые карты являются искаженным подобием реальных объектов с большим числом условностей. Цифровые модели предназначены в основном для расчетов, но обладают меньшей визуальной изобразительностью. Цифровые карты хорошо представляются в визуальной форме и хорошо показывают топологию. Они являются упрощенной пространственной моделью, удобной для анализа их человеком. Цифровые карты и цифровые модели представляют собой информационные конструкции, позволяющие строить набор сцен или информационных ситуаций с помощью средств компьютерной графики или электронной полиграфии.