Золотова О.А., к.г.н., доцент., e-mail: zolga_vologda@mail.ru
Скупинова Е.А. к.г.н., доцент. e-mail: scupin@mail.ru, Лаборатория геоэкологии Вологодского государственного педагогического университета
Бондаренко Д.А., Учитель, ГОУ Вологодский многопрофильный лицей. e-mail: bondarenko_vml@mail.ru
Дробышев В.Е., Директор ООО «Геоком», г.Вологда. e-mail: ValeriDr@Gmail.com
Области применения технологии геоинформационных систем (ГИС) чрезвычайно разнообразны. Одним из направлений ее широкого использования является сфера тематического картографирования, охватывающая создание не только отдельных карт, но и таких сложных картографических произведений, как атласы, в том числе и региональные.
С переходом к рыночной экономике создание региональных атласов, например по субъектам федерации, как правило, напрямую не финансируется государством. Теперь их подготовка, разработка и издание в основном осуществляются силами региона, за счет собственных интеллектуальных и финансовых ресурсов. Именно поэтому региональные атласы большинства субъектов Российской Федерации вышли еще в 70-80-е годы XX века. Региональные атласы, как правило, многофункциональны и предназначены для очень широкого круга пользователей – от учеников школ и студентов вузов до специалистов различного профиля и уровня. Это определяет набор и содержание карт, применение картографических способов отображения и даже общие подходы к оформлению произведения в целом.
Накопленная, систематизированная и поддерживаемая в актуальном состоянии под управлением ГИС тематическая информация позволяет создавать региональные атласы качественно нового уровня в части отображения и интерпретации данных, причем с меньшими затратами труда и ресурсов. При создании стандартного набора картографических произведений используются шаблоны компоновки, соответствующие масштабному ряду карт атласа, и унифицированные атрибутивные данные, связанные с тематическими слоями. По нашему опыту, при таком подходе построения «вручную» потребуют не более трети всех карт атласа.
Оценить возможности и перспективы применения ГИС для атласного картографирования нам позволила работа над «Атласом Вологодской области», который вышел в свет в сентябре 2007 года [1].
В истории комплексного картографирования территории Вологодской области до последнего времени было единственное картографическое произведение, датируемое 1965 годом и отражавшее ситуацию на середину XX века. Этот атлас давал сведения по природным условиям, естественным ресурсам, населению, экономике и культуре области. Теперь это издание стало библиографической редкостью, его широкое использование, например в учебном процессе, теперь невозможно. Кроме того, содержание карт в нем не соответствует современной ситуации: изменилось административное деление, появились и утвердились в науке новые взгляды на геологическую историю и строение территории, изменились подходы к учету хода показателей климата, изменился и сам климат, стали иными контуры типов растительности и связанных с нею почв, в некоторых случаях изменились применяемые сейчас классификации и типологии. Да и академичность издания, которая, безусловно, была очень важна для такого произведения, создавала определенные сложности применения атласа в школе, так как ограниченность времени, отведенного на изучение своей области, не позволяла привлечь атлас в качестве источника знаний. Он использовался лишь фрагментарно и только как средство иллюстрации.
Реализация программы регионализации школьного образования в Вологодской области создала благоприятные условия для разработки полного комплекта пособий по географии Вологодской области, в том числе и атласа (рис. 1). Появившийся в сентябре «Атлас Вологодской области» – самый новый из всех региональных атласов России. По полноте содержания и новизне представленных в нем материалов он является уникальным картографическим произведением. В нем, впервые за последние 40 лет, средствами картографического изображения отражены природные и социально-экономические особенности одного из динамично развивающихся субъектов Российской Федерации.
Рис. 1. Обложка Атласа.
При отборе материала для атласа предпочтение отдавалось тому, который, во-первых, соответствует школьной программе (как основной, так и углубленной), во-вторых, представляет интерес для специалистов и широкого круга пользователей. При этом для создания карт природы использовались, преимущественно, опубликованные источники. Для составления карт социально-экономического блока применялись официальные, опубликованные Территориальным органом Федеральной службы государственной статистики данные, в основном по состоянию на 01.01.2006 и 01.01.2007. Динамика социально-экономических явлений на картах показана за период с 1990 года, в диаграммах и графиках – с 1980 года. Атлас содержит: 168 карт, собранных в 20 тематических блоков; 97 диаграмм и графиков; 75 фотографий; 32 рисунка; 4 модели рельефа и 4 статистические таблицы. Разнообразный и адресный фоторяд является не только элементом оформления атласа, но и дополнительным источником информации.
В соответствии с требованиями времени и потребностями школ, многие из которых по базисному плану 2005 года перешли на изучение «Географии Вологодской области» в объеме 34 часов, разработка атласа и подготовка его к изданию осуществлялись в весьма сжатые сроки. Работа над атласом началась в мае 2006 года, подготовка картографической основы была завершена к январю, а тираж выпущен в сентябре 2007 года. Ускорению всех работ во многом способствовало применение ГИС.
В качестве геоинформационной составляющей работы над атласом использованы результаты геоинформационного картирования, выполненные при подготовке к изданию двух томов Красной книги Вологодской области («Особо охраняемые природные территории» и «Растения и грибы»), книги «Геолого-экономический потенциал Вологодской области» и целого ряда других работ. Исходная информация объединена в базах геоданных, выполнены классификация и кодирование пространственных объектов, определены домены атрибутивных данных, описаны метаданные. Все это позволило при создании атласа эффективно использовать возможности геоинформационной системы на основе ПО ArcGIS. Для атласа Вологодской области выполнены следующие виды работ:
- актуализировано положение объектов транспортной инфраструктуры (автомобильные и железные дороги, трубопроводы, ЛЭП).
- выполнены создание и компоновка базовых картографических объектов для актуализации картографической основы:
а) карт физико-географического и экономико-географического содержания трех масштабов (1: 2500000, 1: 5 000000, 1: 7 500000)
б) карт мира (масштаб 1: 100 000000) и Европы (масштаб 1: 30 000000)
в) карт городов Вологодской области масштабов 1: 100000, 1: 50000, 1: 25 000;
- построено 10 тематических карт на основе результатов пространственного анализа средствами модуля Spatial Analyst, для 4 карт такие данные использованы в качестве исходного материала;
- выполнено моделирование форм рельефа для физической карты масштаба 1:2 500000 и основных типов рельефа Вологодской области (рис. 2).
- проведены статистические расчеты для построения 7 диаграмм.
Рис. 2. Один из типов рельефа.
Каждый из названных выше видов работы имеет свои специфические особенности, связанные с тем, что результатом должна быть твердая копия – печатное изображение с жестко регламентированными параметрами, такими как толщина линий, размер и тип шрифта, технологический «просвет» между контурами объектов и т.п. При построении тематических карт в ходе работы выяснилось, что наиболее приемлемыми способами картографического изображения являются значковый, способы ареалов (значков-ареалов), картограммы, изолиний и псевдоизолиний. При применении каждого из них также выявляются некоторые особенности подготовки и использования баз данных и оформления конечной карты. Рассмотрим эту специфику на конкретных примерах.
В качестве источника данных для актуализации картографических объектов были широко использованы фрагменты космических снимков с Google Earth, дешифрирование которых упрощалось возможностью* экспорта в Google Earth векторных слоев в формате *.kml из существующей базы геоданных средствами приложения Xtools Pro 4.2 для ArcGIS (разработка компании «Дата Ист», г. Новосибирск).
Все линейные и полигональные объекты базовой картоосновы по каждому из масштабов были созданы в результате выполнения программной генерализации и сглаживания при постоянном визуальном и топологическом контроле результатов геообработки и обязательном контроле корректного вывода на печать, исключающего «шумы», «слипания» и прочие визуальные искажения линий.
С применением способа значков в атласе Вологодской области построена карта особо охраняемых природных территорий (рис. 3). Данные для построения этой карты содержатся в ГИС Вологодской области в виде полигонального слоя, атрибутивная таблица которого содержит качественную и количественную информацию по каждой из ООПТ. В дальнейшем, для экспорта и картографирования полигоны были заменены их метками (центроидами). При окончательном оформлении карты установленные маркеры были заменены геометрическими значками, форма, цвет и обводка которых несут информацию о категории, профиле и статусе охраняемой территорией в соответствии с характеристиками, выбранными из атрибутивной таблицы.
Рис. 3. Фрагмент карты «Особо охраняемые природные территории».
Способом ареалов в форме значка-ареала в атласе Вологодской области построены карты полезных ископаемых и редких растений. Для замены маркеров в первом случае были выбраны геометрические значки, форма и цвет которых несут информацию о виде ресурсов, а во втором случае – художественные значки, стилизованно отражающие видовую принадлежность растений.
Применение функций пространственного анализа позволило использовать способы картограммы, изолиний и псевдоизолиний и построить карты густоты речной сети, густоты сельских населенных пунктов, плотности сельского населения с учетом их естественной локализации, а не агрегированные, как было ранее, по субъектам административно-территориального деления (муниципальным районам).
На основании исходных векторных слоев и атрибутивных данных к ним был рассчитан GRID-плотности и выполнена его переквалификация по заданным интервалам значений. Полученный GRID конвертирован в векторный слой, в котором проведена программная и «ручная» генерализация контуров и объектов с учетом их природной и логической сущности.
Возможность интерактивного выбора интервалов шкалы значений (с учетом их статистических параметров и последующей визуальной оценки восприятия результатов) является неоспоримым достоинством цифровой формы представления данных, позволяющим наиболее полно отразить особенности в распределении характеристик объектов.
Способом картограммыв атласе Вологодской области построена карта озерности территории (рис. 4). На основе тематического слоя ГИС был произведен расчет площадей озер по региональным бассейнам стока и их ранжирование на классификационные группы, составившие основу легенды карты. Способом изолиний построены карта густоты речной сети и модели рельефа. При переводе карт от слоя ГИС в заданный масштаб потребовалось несколько этапов «ручной» генерализации. Сначала были удалены все контуры с внутренним просветом 0,2кв.мм, которые при переходе на более мелкий масштаб превращаются в «шум». Затем, по возможности, слиты вместе мелкие, но расположенные достаточно близко друг к другу контуры, если их внутренний просвет оказывался больше расстояний между ними. В завершение работы была проведена повторная геообработка, включающая в себя генерализацию, сглаживание контуров и топологический контроль результатов редактирования.
Рис. 4. Карта озерности.
Способом псевдоизолиний построены карты плотности сельского населения и густоты сельских населенных пунктов (рис. 5). Исходным слоем для выполнения расчетов и построений использовался точечный слой населенных пунктов. В соответствии с запросом к атрибутивной таблице из него были исключены города и поселки городского типа. При переводе карт в заданный масштаб потребовалась генерализация, в большинстве своем аналогичная описанной выше. Но так как интенсивность социальных явлений, в частности расселения, изменяется неравномерно и не плавно, а автоматическое построение предусматривает именно такое отражение, потребовалось еще и удаление «эхо»-ареалов с интервалом промежуточных значений вокруг контуров с резкими переходами от высоких значений показателей к низким.
Рис. 5. Карта густоты сельских населенных пунктов.
Помимо непосредственного построения тематических карт ГИС Вологодской области использовалась при создании некоторых карт, отражающих климатообразующие факторы и природно-культурный потенциал. Но поскольку эти карты построены с включением результатов в длительные последующие вычисления и создание карт на основе их анализа, мы здесь воздержимся от изложения последовательности всех стадий, укажем только, что в основу их положены вычисления морфометрических характеристик рельефа (кластерный анализ).
При создании большинства карт с помощью ГИС-технологии появляются возможности автоматического построения разнообразных диаграмм, отражающих размер и соотношение полигонов с одним признаком, который может быть выражен как в абсолютных показателях, так и в относительных. Например, карту густоты речной сети сопровождает диаграмма «Соотношение площадей (тыс.кв.км) с различной густотой речной сети», позволяющая увидеть абсолютные показатели, которые «скрыты» в ступенях шкалы карты.
Зная технические возможности ГИС, уже невозможно себе представить создание картографического изображения без их применения, которое позволяет сэкономить много времени и обеспечить необходимую точность будущей карты. Но следует учитывать и тот факт, что до последнего времени ГИС были скорее инструментом математического моделирования, а не графическим приложением, способным производить готовую к типографской печати продукцию.
С выходом ArcGIS ArcInfo 9.2, включающей расширенные возможности создания карты и управления ее оформлением, появляется возможность практически исключить необходимость использования дополнительных графических пакетов при подготовке картографических печатных изданий, что сделает данный технологический цикл более коротким, управляемым и эффективным. Правда этот программный продукт не дешев и не всем доступен. Поэтому для создания картографических изображений, соответствующих всем полиграфическим нормам и требованиям, нередко все еще приходится использовать такие графические редакторы, как Adobe Illustrator или Corel Draw.
Каждый из них позволяет работать с импортируемыми из ГИС векторными изображениями форматов *.ai или *.emf. Но при импорте объектов из ГИС неминуемо возникают проблемы, которые впоследствии приходится устранять, адаптируя их сначала к графическому редактору, а затем к требованиям картографических стандартов. Вот некоторые из них.
Импортируемые векторные объекты в форматах *.ai или *.emf состоят из огромного числа узловых точек, линии при увеличении выглядят ступенчатыми и становятся трудны в редактировании. Это частично устраняется увеличением от 1000-2000 dpi экспортного разрешения. В результате линия становится более гладкой, а количество узловых точек сокращается в графическом редакторе путем перевода линий в кривые Безье с дальнейшим их сглаживанием. При этом следует помнить, что линии импортируемых объектов не должны быть пунктирными, иначе они «распадутся» на множество маленьких объектов, непригодных для редактирования. Особенность формата *.ai заключается в том, что объекты с большим количеством узловых точек распадаются на части, состоящие не более чем из 1024 точек. Поэтому рекомендуется использовать файлы формата *.emf, в которых подобное ограничение отсутствует.
Размеры импортируемого изображения, как правило, пропорционально искажаются (чаще увеличиваются), так что их необходимо приводить в норму. Для этого удобнее всего использовать точки привязки в узлах рамки карты, которые задаются в ГИС и после корректировки размеров в графическом редакторе удаляются.
После первичной корректировки импортируемых из ГИС объектов необходима их адаптация к требованиям картографических стандартов. При этом необходимо учитывать следующее: минимальная толщина линии на карте должна быть 0,12мм, а технологический разрыв между соседними линиями разного цвета должен быть не менее 0,2мм, иначе при печати в типографии может произойти их слияние за счет смещения цветов.
При исполнении макета карт необходимо использовать палитру CMYK, применяемую в типографской печати. Подбор цветов лучше производить так, чтобы их совокупная плотность по составляющим CMY не превышала 250%, а компоненту K (черный) лучше вообще не использовать для создания цвета, так как она заметно его «грязнит», не давая желаемого эффекта приглушения. Не следует также использовать очень яркие и насыщенные цвета на больших площадях – это делает карту тяжелой для восприятия и портит ее внешний вид. Для линейных объектов небольшой толщины лучше использовать «чистые» цвета палитры CMYK, что исключит возможность их расхождения при печати. Так, например, рамку и сетку координат можно выполнить в 100% голубом цвете (cyan), а автодороги – в 100% розовом (magenta). Для изолиний рекомендуется использовать 70% оттенок серого, который мягко отделяет один цвет от другого, при этом не мешая восприятию надписей, выполненных в 100% черном цвете.
Подписи населенных пунктов и картографические значки следует располагать так, чтобы они по возможности не «секли» линейные объекты, особенно реки или линии сходной окраски. Если населенный пункт располагается по одну сторону от реки или дороги, его маркер и подпись названия должны быть поставлены на той же стороне, не перекрывая эти линейные объекты и не выходя за границы муниципального района, которому принадлежит населенный пункт.
Для подписи объектов на карте лучше использовать специальные шрифты, принятые в отечественной картографии (До-431 – древний курсив островной, Д-432 – древний курсив полужирный, Р-131– рубленый шрифт, Бм-431 БСАМ – курсив малоконтрастный, Т-132 – топографический полужирный). Следует стремиться к тому, чтобы подписи объектов равномерно заполняли пространство карты, не перегружая отдельных ее частей, если в этом нет особой необходимости.
Особенно опасны ошибки при создании физической карты на основе ГИС. Вот некоторые рекомендации по этому поводу. Не стоит использовать градиентную заливку между горизонталями – это ухудшает восприятие информации о рельефе. В послойной окраске следует использовать цвета, соответствующие принятым шкалам высот и глубин. Изображение горизонталей необходимо, особенно если это карта учебного пособия. Они четко отделяют один цвет от другого, улучшая восприятие ступеней рельефа. Цвет горизонталей лучше сделать коричневым, а не серым – это придаст карте более «теплый» оттенок, что приятно для глаза и менее утомляет при долгой работе с ней.
Для усиления эффекта рельефности на карту можно нанести отмывку. Для этого на первом этапе нужно создать в ГИС трехмерную монохромную (в оттенках серого цвета) модель поверхности и применить к ней эффект бокового освещения. Возникшая светотень создаст иллюзию рельефа. Сохранять отмывку следует в форме bitmap. На втором этапе придется работать в пакете Photo Shop. Инструментом «Волшебная палочка» или через меню «Select Color Range» выделяются только наиболее темные оттенки серого цвета, соответствующие тени на рельефном изображении. Их надо немного размыть при помощи фильтра «Blur» и сохранить как bitmap с прозрачной подложкой. На третьем этапе сохраненный bitmap с тенью переносится в векторный редактор на верхний слой. Интенсивность отмывки регулируется через необходимый коэффициент прозрачности. Простое использование монохромного bitmap, созданного ГИС и регулируемого только коэффициентом прозрачности, приводит к сильному искажению исходных цветов послойной окраски и портит карту.
В заключение хотелось бы обратить внимание разработчиков ГИС-приложений на необходимость создания блоков, позволяющих минимизировать работу по адаптации созданных в ГИС карт к имеющимся стандартам картографического изображения с дальнейшей возможностью их типографского издания.
Работа над атласом Вологодской области позволила нам реально оценить значение и возможности применения ГИС для атласного картографирования. В то же время мы реально увидели недостатки использованной нами ранее созданной региональной ГИС, которые позволили использовать технические возможности построения карт не более чем на 20%. Например, способом картограммы на основе ГИС в атласе построена только одна карта, а без применения ГИС, так сказать «вручную», этим же способом построено более 90 карт. «Игнорирование» ГИС в таких случаях объясняется тем, что в имеющихся базах данных не было необходимых сведений, а ввиду ограниченности сроков подготовки и людских ресурсов не было возможности быстро создать требующуюся базу с нужным наполнением.
В целом можно сказать, что применение ГИС Вологодской области с использованием программного обеспечения ArcGIS компании ESRI позволило создать новый атлас в немыслимо короткие для такого продукта сроки и наполнить его серией оригинальных карт и моделей. Их построение в обычных условиях было бы невозможно, но, на наш взгляд, именно они придали атласу Вологодской области оригинальность и, в какой-то степени, уникальность.
