Разработка методик автоматизированного формирования и визуализации справочной информации о географических объектах на основе картографической базы данных

Во введении обоснована актуальность темы исследования, описана
степень разработанности проблемы, сформулированы цель и задачи, указаны научная новизна, теоретическая и практическая значимость, степень досто- верности и апробация результатов исследования.
В первом разделе проведен анализ размещения справочной информа- ции в картографических, справочных и учебных изданиях, а также на образо- вательных, научно-популярных электронных ресурсах и геопорталах. Уста- новлены и проанализированы наиболее распространенные способы пред- ставления справочной информации (таблицы, диаграммы, графики, блоки структурированного текста) и определены существующие методы и исполь- зуемое программное обеспечение для их создания. Рассмотрены альтерна- тивные, редко используемые в настоящее время, но перспективные способы представления справочной информации, среди которых наиболее удобными и оптимальными для зрительного восприятия пользователя на взгляд автора являются картографические изображения (иллюстрации) и структурные схе- мы. Определено назначение и способы использования картографических ил- люстраций, выявлены их типичные недостатки, являющиеся следствием не- правильного выбора картографической проекции, некорректного порядка размещения объектов в блоке и необоснованного выбора количества объек- тов. Для структурных схем приведен обзор, определены характерные черты и способы их применения, проанализирован существующий опыт создания. Выявлено широкое распространение структурных схем транспортных сетей и недостаточное использование схем для передачи справочных сведений об объектах гидрографии.
Во втором разделе для автоматизированного формирования и визуали- зации справочных сведений о географических объектах предлагается концеп-
туальная модель, основанная на использовании картографической базы дан- ных. Данную модель предлагается реализовать в виде подсистемы камераль- ного геоинформационного картографирования, решающей задачи по автома- тизированному созданию таблиц, диаграмм, блоков структурированного тек- ста, структурных схем и картографических иллюстраций и их использованию в картографических и других видах продукции. Выделяются четыре блока предлагаемой подсистемы.
Блок No1. «Информационное обеспечение». Включает в себя картогра- фическую базу данных; разработанную систему классификации и кодирова- ния географических объектов, для которых возможно получить и предста- вить справочную информацию, и их характеристик; методы сбора, обработки и интеграции дополнительных источников в картографическую базу данных. Выделены три основные группы объектов: государства и политико- административные единицы, природные объекты, социально-экономические объекты. Определены четыре группы характеристик: 1) определяющие про- странственные свойства объекта, 2) определяющие пространственные (топо- логические) связи объектов, 3) социально-экономические показатели, 4) по- казатели, характеризующие объекты природной среды. Для каждой группы объектов и характеристики присвоен уникальный код.
Блок No2. «Выбор справочной информации об объекте и определение способа ее визуализации». Обеспечивает формализацию выбора оптимальных и доступных способов представления справочных сведений для выбранного класса географического объекта. Для этого предлагается технология (рис. 1), в процессе работы которой определяется количественный и качественный состав информации для заданного объекта; учитываются характер локализа- ции пространственного объекта, минимальное количество объектов, необхо- димое для формирования того или иного способа визуализации, наличие в картографической базе данных дополнительных объектов.
Рисунок 1 – Технология автоматизированного определения способов представления справочной информации о географическом объекте.
При определении количества объектов следует учитывать объекты, имеющие близкие значения характеристик. Для этого разработан алгоритм, основанный на учете устойчивости границ, определенных методом есте- ственных интервалов, который группирует близкие значения и подчеркивает различия между классами. Например, при анализе 29 крупнейших островов Российской Федерации можно выделить 7 групп с шестью устойчивыми гра- ницами (рис. 2).
Выбор способа представления справочной информации осуществляется поэтапно на основе матрицы выбора и с помощью системы подсказок. Для структурных схем и картографических иллюстраций возможен дальнейший выбор, основанный как на определении их вида и назначения, так и на анали- зе пространственных свойств и связей изображаемых объектов.
Рисунок 2 – Результат работы алгоритма анализа устойчивости границ при классификации крупнейших островов РФ.
Блок No3. «Проектирование способов визуализации». Включает методо- логические решения и алгоритмы по автоматизированному созданию следу- ющих способов визуализации справочной информации о географических объектах: таблиц, диаграмм, блоков структурированного текста, картографи- ческих иллюстраций и структурных схем (раздел 3).
Блок No4 «Реализация способов визуализации». Содержит в себе про- граммные комплексы по автоматизированному созданию таблиц, диаграмм, блоков структурированного текста, картографических иллюстраций и струк- турных схем, а также методические решения по размещению справочной ин- формации в конечном продукте в зависимости от его вида и целей использо- вания (раздел 4).
В третьем разделе сформулированы требования и разработаны мето- дические аспекты и подходы к формированию справочной информации о географических объектах и их визуализации в виде таблиц, диаграмм, струк- турированного текста (рис. 3а), картографических иллюстраций (рис. 3б) и структурных схем рек (рис. 3в).

а) б) в)
Рисунок 3 – Методики представления справочной информации (а – таблицы, структурированный текст, диаграммы; б –
картографические иллюстрации; в – структурные схемы рек)
14
Для автоматизированного создания таблиц, диаграмм и блоков струк-
турированного текста предлагается методика, основанная на использовании картографических и тематических баз данных. Единый информационный блок, полученный каждым из этих способов, состоит из изображения, пере- дающего справочную информацию (таблицы, диаграммы, текст), и дополни- тельных элементов (заголовки, ссылки на источники и т.п.). Формат блока может быть известен заранее или рассчитан на основе размеров изображения и дополнительных элементов.
Для картографических иллюстраций разработаны методические осно- вы по проектированию их содержания в зависимости от выбранного геогра- фического объекта, выбору оптимальной картографической проекции, вы- числению масштаба и размещению изображений в блоке. Сформулировано понятие картографической иллюстрации – «упрощенное мелкомасштабное геоизображение территории в принятой проекции, системе координат и условных обозначениях, предназначенное для представления ее правильной формы и особенностей географического расположения, а в случае использо- вания совокупности территорий – для сопоставления размеров отображаемых объектов».
Основными объектами, для которых целесообразно создавать карто- графические иллюстрации, являются: политико-административные единицы; материки, континенты, части света; океаны, моря; архипелаги и острова; за- ливы; озера; бассейны рек; водохранилища; природные страны; ООПТ; насе- ленные пункты. Содержание картографической иллюстрации представлено картографическим изображением территории и текстовым описанием объек- та, которое может включать наименование, пояснительный текст, характери- стики объекта. При этом само картографическое изображение может быть дано в виде контура территории или в сочетании с дополнительными объек- тами (например, с изображением рельефа, административных центров и их названий) для более информативного и выразительного представления.
Серия картографических иллюстраций размещается в одном блоке в
определенной очередности в зависимости от отображаемого показателя. При использовании площади объектов иллюстрации должны быть упорядочены в блоке по размеру территории. Определение отображаемых в блоке объектов выполняют на основе использования количественных и качественных пока- зателей, состав которых зависит от объекта картографирования. Например, для показа крупнейших морских островов России применяются характери- стики: площадь объекта, тип острова, принадлежность к стране. Рекомендуе- мое содержание картографических иллюстраций для разных видов географи- ческих объектов представлено в тексте диссертации.
Картографическая иллюстрация должна быть создана в оптимальной картографической проекции и в заданном масштабе изображения. Для сово- купности иллюстраций, размещенных в блоке, проекция должна выбираться для каждой рассматриваемой территории в зависимости от ее формы и рас- положения, а также от требуемого характера искажения. Исключение состав- ляют близкорасположенные территории, для которых можно выбрать одну проекцию. Для выбора оптимальной картографической проекции использу- ется методика, рассмотренная в тексте диссертации. Расчет масштаба одного изображения в блоке осуществляется по его формату. При показе нескольких изображений предлагается вначале рассчитать минимальный масштаб, кото- рый обеспечит передачу правильной формы и характерных черт объектов и, соответственно, различимость объектов, а затем определить итоговый мас- штаб изображения в зависимости от размера блока.
Картографические иллюстрации в блоке предлагается размещать в виде строк и в виде столбцов. При этом, если исследуемый количественный пока- затель — площадь, то при наличии объекта в несколько раз превышающего по размеру остальные, для экономии места в строке может применяться ком- пактная компоновка с выделением дополнительных подстрок, на которых размещаются последующие объекты. Помимо картографических иллюстра- ций предлагается выделять в блоке подписи наименований и характеристик
объектов; внутренние поля иллюстрации; строки/столбцы, подстроки в слу-
чае компактной компоновки (рис. 4).
Рисунок 4 – Основные элементы в блоке картографических иллюстраций.
Для структурных схем рек на основе проведенного анализа и изучения возможного их использования выделены основные группы, даны краткие их характеристики, приведены примеры и разработана их классификация по ви- ду и назначению (рис. 5). Выявлены перспективные направления использо- вания структурных схем рек для образовательной, туристской, исследова- тельской деятельности.
Рисунок 5 – Классификация структурных схем рек по их виду и назначению
При создании схемы рек необходимо выбрать связующий объект и
главную реку. Под связующим понимается объект, соединяющий воедино содержание структурной схемы и включающий в себя одну или несколько главных рек, показываемых на схеме. Главная (основная) река структурной схемы – река наименьшего порядка, принадлежащая отображаемой на схеме связанной группе рек одной речной сети. Изображается на схеме, как прави- ло, прямой линией и занимает центральное положение.
В ходе исследования определены параметры структурных схем рек, ис- пользуемые при их автоматизированном построении: вычисляемые или зада- ваемые параметры (масштаб и формат схемы), параметры, требующие выбо- ра уникального значения (ориентировка основной реки), и параметры, со- держащие совокупность значений (например, отображаемые на схеме обще- географические и/или тематические объекты). В тексте диссертации приве- дены предлагаемые значения отдельных параметров в зависимости от вида и назначения схемы.
Этапы автоматизированного построения схемы рек:
 формирование таблицы отбора рек, а также общегеографических и тематических объектов, отображаемых на схеме, с учетом критериев отбора притоков, установленных на начальном этапе (например, порядок реки, при- знак судоходности, длина реки). Для других объектов отбор зависит от выбо- ра пользователя и от заданной ширины зоны исследования вокруг рек. Пред- ложения по содержанию формируемых таблиц отбора общегеографических и тематических объектов представлены в тексте диссертации;
 определение месторасположения притоков на схеме в зависимости от выбранного способа их изображения и берега впадения притока (левый, правый). Для автоматизации данной задачи разработан алгоритм, который последовательно определяет положение притоков на схеме от ближайшего к истоку главной реки до ближайшего к устью и рекурсивно используется для притоков, в которые в свою очередь впадают реки;
 вычисление знаменателя масштаба при известном размере схемы
или расчет размера схемы, при известном масштабе. При параллельном изображении рек на схеме также вычисляются высота ряда (ширина колонки) и масштаб буферной зоны;
 расчет и анализ графической нагрузки элементов схемы. Зная объ- ектовый состав и размеры условных обозначений отображаемых объектов, вычисляется предполагаемая графическая нагрузка (общая и по элементам) и проводится анализ на ее соответствие рекомендованным в диссертации ми- нимальным и максимальным значениям коэффициентов графической нагруз- ки структурных схем рек;
 корректировка содержания схемы на основе анализа полученных значений графической нагрузки и визуальной оценки созданной схемы. Если рассчитанная общая графическая нагрузка меньше минимального значения, то целесообразно рассмотреть возможность уменьшения масштаба и соответ- ственно формата схемы. В случае превышения максимального значения гра- фической нагрузки рекомендуется провести корректировку содержания схе- мы путем удаления менее значимых объектов, находящихся в нижней части соответствующих таблиц отбора;
 построение линий рек схемы в установленном масштабе и нанесе- ние общегеографических и тематических объектов, а также подписей. При этом из-за упрощений и трансформаций, которые претерпевает изображение рек на схеме, размещение на ней дополнительных объектов должно следо- вать разработанным в диссертации правилам.
В четвертом разделе представлена реализация способов визуализации справочной информации в виде предложенных методических решений по ав- томатизированному формированию и размещению справочной информации в атласах, разработанного программного комплекса в ГИС MapInfo Pro, со- зданного прототипа многоцелевого справочного веб-картографического ре- сурса, и полученных результатов апробации.
Для автоматизации формирования и размещения справочной информа-
ции в атласах и обеспечения согласованности различных компонентов атласа разработана технология (рис. 6) и предложены следующие принципы:
1. Автоматизированное формирование справочной информации о гео- графических объектах для атласов осуществляется в соответствии с разрабо- танной структурой атласа, с учетом отображаемых объектов карты и на осно- ве выбранных способов визуализации. Основным источником справочно- статистических сведений является картографическая база данных.
Рисунок 6 – Технология формирования справочной информации в атласах
2. Результатом формирования справочной информации является ин- формационный блок преимущественно прямоугольной формы, содержащий изображение одного из способов визуализации и дополнительные данные (заголовки, ссылки на источники, легенду и т.п.). Для диаграмм, структури- рованного текста и картографических иллюстраций возможно помещение в блок серии однотипных изображений с одинаковой структурой данных.
3. Размещение на странице и в области вывода атласа блоков, содер- жащих справочные сведения, должно осуществляться с учетом проектируе- мых свойств издания (размер страницы или области вывода, особенности шрифтового и цветового оформления и т.п.) и других компонентов (карты,
легенды и система обозначений цифрами, фотографии и рисунки, текстовые описания). Также следует учитывать особенности отображения компонентов на странице и развороте атласа, например, возможность разбиения их на ко-
лонки или на части, расположенные на разных страницах.
4. Определение положения компонентов на странице атласа может вы-
полняться либо с учетом свободного места на странице, либо на основе из- вестных размеров информационных блоков, либо путем сочетания этих двух способов.
Разработанный программный комплекс в ГИС MapInfo Pro предназна- чен для картографов и ГИС-специалистов и решает задачи оперативного формирования и визуализации справочной информации о географических объектах на основе картографической базы данных.
Созданный прототип многоцелевого справочного веб- картографического ресурса ориентирован на получение, предоставление и применение справочной информации о географических объектах широким кругом пользователей. Ресурс основан на принципе адаптивности предлагае- мых пользователю вариантов справочной информации и способов ее визуа- лизации к изменениям электронной карты. Например, в случае изменения масштаба карты меняется состав доступных для выбора территорий исследо- вания. При выборе пользователем определенной территории автоматически определяются доступные в картографической базе данных пространственные объекты и оптимальные способы их визуализации (таблицы, диаграммы, тек- стовые блоки, картографические иллюстрации).
Экспериментальное апробирование авторских методик выполнялось с помощью разработанного программного комплекса. Полученные результаты по формированию справочного раздела атласа Липецкой области представ- лены на рисунке 7.

Рисунок 7 – Результаты апробации разработанных методик
22
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенного исследования поставленная цель достигну- та: разработаны методические основы формирования, визуализации и ис- пользования справочной информации о географических объектах. Основные выводы и результаты диссертации:
1. В ходе анализа выявлены закономерности использования справоч- ной информации: частота применения разных групп сведений; виды изданий, в которых они размещаются; характерные черты существующих способов представления информации и средства их формирования.
2. Предложена концептуальная модель автоматизированного форми- рования и визуализации справочной информации о географических объектах, основанная на использовании картографической базы данных.
3. Разработана система классификации и кодирования географических объектов, для которых возможно получить и представить справочную ин- формацию;
4. Предложена формализация выбора оптимальных и доступных спо- собов представления справочных сведений для выбранного класса географи- ческих объектов.
5. Осуществлена разработка методик и алгоритмов автоматизирован- ного создания таблиц, диаграмм, блоков структурированного текста, карто- графических иллюстраций, схем рек. Разработана технология формирования и размещения справочной информации в атласах.
6. Представлены прототипы созданного специализированного про- граммного обеспечения, отвечающего задачам исследования. Осуществлена апробация разработанных методик и технологий.
Сфера применения разработанных в ходе диссертационного исследова- ния решений может быть в перспективе расширена как за счет их адаптации к потребностям тематической картографии, так и за счет появления новых способов визуализации справочной информации.