Лекция №13 ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ДАННЫХ

План:

1. Картографическая визуализация.

2. Изображения в неевклидовой метрике.

3. Виртуально-реальностные изображения.

4. Картографическая анимация.

1. Картографическая визуализация.

Невозможность непосредственного восприятия человеком цифровых мо­делей, представляющих пространственные данные в ГИС, и использование их исключительно в среде компьютера обусловливает необходимость визуализа­ции данных. На практике графическое воспроизведение данных приобретает черты картографического изображения, поэтому почти всегда, говоря о визуа­лизации данных в ГИС, имеется в виду их картографическая визуализация.

Спектр взаимодействия картографии и геоинформатики в части разработ­ки новых типов карт и других геоизображений, существующих в цифровой среде или порождаемых ею, чрезвычайно широк. Так, ранее говоря о цифровых картах, мы имели в виду, что и сами эти карты, а вернее цифровые модели кар­ты и технология их создания и использования принадлежат области картогра­фии, а именно, картографии цифровой, а в еще более общем смысле - автома­тизированной картографии.

Электронные карты (ЭК) - это картографические изображения на видео­экране компьютера как результат визуализации некоторых цифровых данных. Такое толкование опирается на исторически сложившееся в научной литерату­ре по геоинформатике и автоматизированной картографии разделение двух ти­пов картографических изображений, генерируемых компьютером, на бумажные компьютерные карты (и атласы), в изобилии производившиеся с помощью разного рода устройств компьютерной графики еще в 70 - 80-е годы XX в. и электронные видеоэкранные карты, которыми стали обозначать изображения, генерируемые тем же компьютером не на «твердом» материале (преимущест-

венно бумаге), а на экране дисплея (монитора, видеомонитора), т.е. на видеоэк­ране.

Генерация электронных карт поддерживается более или менее много­функциональным программным средством типа картографических визуализа-торов и браузеров (броузеров, просмотровщиков, обозревателей), а также ви-зуализационными модулями систем настольного картографирования или ГИС. Поэтому производители продукции электронного картографирования (ЭК) или электронных атласов (ЭА) стали понимать под ними не сами актуально визуа­лизированные данные (изображения), а цифровые записи, предназначенные для их картографической визуализации, вместе с программным средством, ее обес­печивающим.

Два значения сути ЭК как изображения и как электронного произведения (электронного издания) может быть объединено в их определении, утверждаю­щем, что электронная карта это:

1) картографическое изображение, визуализированное на дисплее (видеоэкране) компьютера на основе данных цифровых карт или баз данных ГИС в отличие от компьютерных карт, визуализируемых невидеоэкранными средствами графического вывода;

2)картографическое произведение в электронной (безбумажной) форме, представляющее собой цифровые данные (в том числе цифровые карты или слои данных ГИС), как правило, в записях на диске CD-ROM, вместе с про­граммными средствами их визуализации, обычно картографическим визуализа-тором или картографическим браузером (map browser), предназначенное для генерации электронных карт.

Анализируя картографические возможности ГИС-пакетов, можно отме­тить, что в них реализованы далеко не все известные картографические спосо­бы изображения. В одной из наиболее развитых в этом отношении ГИС Arc-View реализованы способы, названные в мастере тематического картографиро­вания отдельным символом, цветовой шкалой, уникальным значением, локали­зованной диаграммой, плотностью точек (для полигональных слоев), масшта-

бируемым символом (для точечных и линейных слоев). Если перевести этот пе­речень с языка деловой графики на язык классификации способов, принятый в отечественной картографии, то получим картограммы, картодиаграммы, лока­лизованные диаграммы, линейные знаки, значки, точечный. Использование описанных далее функций зонирования, районирования, оконтуривания и по­строения изолиний позволяет добавить также способы ареалов, изолиний, псев­доизолиний, качественного и количественного фона.

Большое значение при реализации способов имеет возможность перехода от непрерывных шкал количественных характеристик к дискретным шкалам с разным числом градаций и различными методами определения границ интерва­лов дискретных шкал. Например, в ArcView GIS 3.2 это пять методов: равно-площадной, равных интервалов, естественных границ, квантилей и стандарт­ных отклонений.

Равноплощадной метод позволяет классифицировать полигоны по интер­валам в значениях атрибутов так, чтобы общая площадь полигонов в каждом классе составляла примерно одну и ту же величину.

Метод равных интервалов позволяет выделить интервал, в пределах ко­торого находятся значения атрибута, делящийся на равные части.

В методе квантилей границы интервалов атрибутов определяются таким образом, чтобы в каждый из них попало равное количество объектов.

В методе стандартных отклонений построение интервалов начинается со среднего значения атрибута, а значение интервалов выражается в долях стан­дартного отклонения (корень из дисперсии) в зависимости от числа интервалов.

Мастер построения тематических карт в системе Maplnfo Professional предлагает семь способов картографического изображения диапазонов, столб­чатых и круговых диаграмм, значков, точечный, отдельных значений и поверх­ностей.

Все способы кроме последнего аналогичны подобным для системы Arc-View GIS. Так же, как в ArcView GIS, переход от непрерывных шкал количест­венных характеристик к дискретным может происходить по нескольким алго-

4

ритмам; равное количество записей, равный разброс значений, естественные группы, на базе дисперсий и квантилей. Есть отличия как в наборе алгоритмов, так и в сути способов, имеющих одинаковое наименование.

Особого внимания заслуживает способ поверхностей или растровых по­верхностей. По точечным данным исходной таблицы выполняется интерполя­ция значений в центрах ячеек регулярной сетки одним из предлагаемых про­граммой способов. Полученный файл сетки отображается в окне карты. Естест­венно, что этот способ используется преимущественно для показа явлений, имеющих непрерывное распространение на картографируемой территории.

Часто ГИС рассматривают лишь как средство автоматизированного по­строения карт и, соответственно, переносят на геоинформатику все требования и понятия картографии. Конечно, геоинформатика позаимствовала многое из картографии, однако, с одной стороны, возможности ГИС во многих элементах существенно превосходят возможности традиционного создания и использова­ния карт, а, с другой, отношение к цифровым данным у пользователей ГИС го­раздо более строгое, чем к аналоговой информации у пользователей традици­онных карт.

С учетом изложенных выше представлений об электронной карте под электронным атласом понимается система, включающая цифровые данные и средства генерации электронных карт. Это аппаратно-программное средство ге­нерации ЭК, а также иных некартографических элементов, образующих содер­жание ЭА в составе систем автоматизированного картографирования и/или ГИС на основе цифровых моделей карт или цифровых представлений (моделей) про­странственных объектов в виде самостоятельных продуктов (произведений) элек­тронной картографии (электронного картографирования).

В настоящее время ЭА и другие произведения и издания на компакт-дисках и в Интернете, существенный элемент содержания которых составляют электронные карты, вполне обычны. Современное разнообразие продукции электронного атласного картографирования требует ее анализа и классифи­кации.

Классификация ЭА может быть проведена по двум основаниям.

Во-первых, по их содержанию, назначению и территориаль­ному охвату, т.е. по традиционным принципам, сформировавшимся в ат­ласном картографировании; это классификация атласов как «бумажных» изда­ний.

Во-вторых, по функциональным особенностям и возможно­стям ЭА, которые отличают их от традиционной бумажной продукции. В ос­нове второй классификации лежат функции программных средств, поддержи­вающих визуализацию цифровых записей в форме электронных карт, а также дополнительные функции, присущие современным средствам типа картографи­ческих визуализаторов или браузеров с возможностями, дублирующими неко­торые операции полномасштабных программных средств ГИС.

Нетрудно заметить, что электронные атласы копируют все типы продук­ции бумажного атласного картографирования. Электронные издания, воспроиз­водя набор свойств, традиционных для атласного картографирования, добавля­ют к нему множество функциональных возможностей, которые могут быть реа­лизованы исключительно в цифровой среде. Поэтому типологию ЭА разумно строить, исходя из их функций. Одна из функциональных классификаций пред­ложена Ф. Ормелингом в виде трехмерной матрицы классификации «атласных информационных систем», выделяющих визуализационные, интерактивные и аналитические функции и соответствующие им типы ЭА [F. Ormeling, 1995]

Опираясь на известные примеры ЭА, можно выделить пять типов, соот­ветствующих ступеням практически непрерывного ряда расширения функцио­нальных возможностей ЭА (предполагается, что старшие типы наследуют или могут наследовать функции младших типов; из-за невозможности поставить каждому из них сколько-нибудь краткий термин, они пока попросту пронуме­рованы) [А. В. Кошкарев, 1999]:

Тип 1. Фиксированные наборы видеоэкранных копий («слайдов»), или иной растровой картографической графики в широко распространенных фор­матах графических файлов (GIF, TIFF, bitmap и др.), «пролистываемые» по-

странично с помощью простого браузера, обычно из меню с перечнем сюжетов карт (оглавлением атласа).

ЭА этого типа может дублировать содержание издаваемой параллельно бумажной версии атласа, допускает ускоренное и малозатратное обновление содержания в новых версиях по сравнению с атласами, изданными традицион­ными полиграфическими средствами. Электронная версия атласа в столь неза­мысловатом, дешевом, но крайне ограниченном функционально исполнении может временно заменять более функционально богатый его вариант. ЭА тако­го типа не требуют специализированных программных средств для его исполь­зования (просмотр обеспечивает обычно примитивный браузер собственного изготовления или общедоступные средства подготовки демонстраций или пре­зентационной графики).

Тип 2. Средство генерации масштабируемых векторных карт, чаще всего их фиксированных наборов, подготовленных на основе цифровых карт или на­бора слоев ГИС, с визуализаций фиксированного перечня элементов содержа­ния (возможно с их разгрузкой). Средства просмотра допускают масштабиро­вание изображения и его центрирование, скроллинг; средства навигации вклю­чают возможность визуализации искомого фрагмента карты по иерархическим рубрикаторам (спискам объектов политико-административного деления, насе­ленным пунктам, аэропортам, объектам туристического бизнеса и т.п.). Обычно содержат крайне ограниченный набор атрибутов (площади территориальных единиц, людность населенных пунктов, таблицы расстояний и т.п.), некоторые картометрические средства (расчет расстояний между указанными пунктами или по маршруту движения), текстовые комментарии к картам или текстовую часть вербальными характеристиками объектов. Как правило, не содержат средств доступа к атрибутивной части данных, возможностей ее дополнения иными данными, в том числе производными на основе исходных или данными пользователя.

Типичным примером подобных атласов могут служить ЭА мира на CD-ROM. Сюда же могут быть отнесены фиксированные наборы растровых ЭК,

используемые в качестве основы для векторных (обычно - точечных) атрибути­рованных элементов тематическом нагрузки. Программные средства ЭА такого типа: картографические визуализаторы/вьюеры с ограниченными возможностя­ми (обычно общедоступные типа public domain или намеренно функционально усеченные версии программных средств настольного картографирования, кар­тографических визуализаторов или ГИС, программные средства собственной разработки под функции конкретного электронного продукта).

Тип 3. ЭА второго типа с дополнительными возможностями, включаю­щими доступ к атрибутивной части данных, ее дополнение данными пользова­теля, введение новых (обычно точечных) объектов и их атрибутирование, а также визуализация, что обеспечивается доступом к графическим средствам (библиотекам картографических символов) или средствам их проектирования. В отличие от ЭА второго типа программные средства их использования долж­ны включать простые функции графического (картографического) редактора.

Тип 4. Гибридные ЭА, обеспечивающие визуализацию и навигацию в разнородных графической и неграфической средах. Основное содержание ЭА этого типа составляют фиксированные композиции векторных карт с возмож­ностью дополнения их объектами пользователя в избранной им схеме символи­зации атрибутов и значительная некартографическая сопроводительная инфор­мация в форме текстовых описаний карт и их объектов, табличной статистики, дублирующей или дополняющей содержание генерируемых карт, «слайдов» с фотографиями объектов, космическими снимками, деловой графикой, иллюст­рирующей обобщенную по территории статистику.

Тип 5. Аналогичен четвертому типу ЭА, дополненный возможностями проектирования и создания картографических изображении, близкими или идентичными полнофункциональным картографическим визуализаторам. Со­держит набор слоев, визуализируемых средствами создания композиций карг, включая выбор картографических проекций, выбор визуализируемых слоев с заданным порядком графической композиции, средств картографического изо­бражения из достаточно полного их набора (картодиаграмма, картограмма,

масштабируемые значки и т.п.) с палитрами графических средств (штриховка, цветовая заливка полигональных объектов; стиль, цвет и толщина линий для линейных объектов; векторные масштабируемые значки для точечных объектов и т.д.), автоматическое или интерактивное размещение географических назва­ний, шкалирование диапазона изменчивости количественных характеристик, проектирование легенды карты в целом, компоновка картографического изо­бражения (название карты, легенда, численный и графический масштаб, стрел­ка «север-юг», карты-врезки, иное текстовое и графическое дополнительное ос­нащение и т.п.). Такой ЭА представляет собой по существу инструмент проек­тирования ЭА произвольного содержания самим пользователем.

В условиях функционального сходства интерактивных аналитических ЭА высокого уровня с ГИС, один из их отличительных признаков видится в том, что электронному атласу, в отличие от ГИС, присуща повествовательная, а не диалоговая парадигма структурной организации.