Фадюшин С.Г. Компьютерные технологии в судовождении

Подождите немного. Документ загружается.

это мощные инструменты с возможностью создания фотореалистич-

ных коллажей. Граница между векторной и растровой графикой по-

степенно исчезает. И то, что вчера возможно было только в растровых

редакторах, сегодня доступно счастливым пользователям таких паке-

тов, как Adobe Illustrator 9, Expression 2, Deneba Canvas 8.

В векторных программах гораздо удобнее работать с текстом, лег-

че создавать геометрические фигуры, более простая и легкая работа с

цветом. Векторные программы называют еще иллюстративными.

Особенное удобство иллюстративных программ в том, что рису-

нок в них состоит из отдельных частей графических объектов. По-

этому такие программы еще называют «объектно-ориентированными»

редакторами, в отличие от «пиксель-ориентированных» растровых ре-

дакторов.

Такая объектность даѐт векторной графике необычайную гибкость

в работе. В любой момент вы можете легко изменить любой компо-

нент, добавить что-то новое или ввести новый текст (данные).

Другая, немаловажная деталь это независимость иллюстраций от

размеров физического носителя. Плакат или значок-логотип из одного

и того же векторного рисунка получаются с неизменным качеством, в

то время как растровые, или, как еще говорят, фотоизображения при

всех операциях по изменению размера резко теряют свое качество.

Из-за этой способности к масштабируемости векторные файлы зачас-

тую занимают гораздо меньше места на жестком диске, чем аналогич-

ные растровые файлы.

В последнее время наметилась интересная тенденция. В связи с

выросшими мощностями компьютеров многие растровые редакторы

приобрели ряд функций для работы с векторной графикой. При этом

ряд преимуществ векторной графики стал доступен и для пользовате-

лей программ типа Photoshop, Paint Shop Pro, Fireworks и т. д. Так,

композиция размером на лист А4 при разрешении 300 dpi в формате

Photoshop 6 при использовании только векторных объектов занимает

всего 700 КБайт против 12 Мбайт в формате Photoshop 5!

А с другой стороны, векторная графика по той же самой причине

вплотную подошла к растровой по возможности создания фотореали-

стичных эффектов. Особых успехов в этом достигли пакеты Illustrator

9 от компании Adobe, Expression 2 от CreatureHouse и Canvas 8 от De-

neba.

Основные способы оцифровки навигационных карт

Для оцифровки бумажных навигационных карт применяются та-

кие способы, как: цифровой ввод ввод по координатам, обработка

результатов аэро- и космической фотосъемки, оцифровка с помощью

дигитайзера и сканера. Рассмотрим перечисленные способы оцифровки.

С цифровым вводом в той или иной мере имеют дело практически

все пользователи ГИС. Наиболее ярким примером такого ввода явля-

ется ввод регистрационных точек тиков. Как правило, они вводятся

в реальных координатах по результатам съѐмки местности и исполь-

зуются для привязки всей последующей вводимой информации.

Методы ввода могут быть разными. Например, ввод координат с

клавиатуры или запись в обычный текстовый файл, набираемый по

итогам топосъѐмки или выдаваемый какой-либо системой обработки

результатов топосъѐмки.

Самые совершенные и точные способы цифрового ввода полу-

чение цифровых данных на машинном носителе непосредственно в

процессе топосъѐмки с помощью электронного теодолита и использо-

вание систем глобального позиционирования (GPS).

Фотосъѐмка это очень удобный способ получить свежую и точ-

ную картографическую информацию на машинном носителе. Прово-

дят аэрофотосъѐмку и обрабатывают еѐ результаты специализирован-

ные организации Главного управления геодезии и картографии. Ме-

тодики, программно-технические средства всѐ это разработки Глав-

ного управления геодезии и картографии и военных. На выходе вы

получаете картографическую информацию на твердом носителе. Как

правило, все эти разработки выполнены на достаточно высоком уров-

не, в своѐм стандарте.

Оцифровка карт с помощью дигитайзера это старый, проверен-

ный и отлаженный способ ввода картографической информации. Ди-

гитайзер представляет собой планшет для оцифровки (digitizing tablet,

или по-русски координатограф). Обычно он включает внутреннюю

координатную систему с высоким разрешением, поверх которой по-

мещается карта или графическое изображение. Как правило, все раз-

витые системы ГИС поддерживают работу с дигитайзером напрямую,

либо имеют возможность импорта данных через AutoCAD, который

имеет развитые средства поддержки работы с дигитайзером. Для эф-

фективной оцифровки с помощью дигитайзера необходимо подгото-

вить пространственные данные к обработке и приобрести опыт, чтобы

улавливать различные аспекты информации.

Хорошей альтернативой традиционному способу оцифровки карт

с помощью дигитайзера может стать сканирование карт с последую-

щей векторизацией растровых изображений. Довольно широко рас-

пространено мнение, что это, в принципе, самый дешевый и эффек-

тивный способ оцифровки. На самом деле все не так однозначно.

Здесь следует выделить две проблемы:

выбор модели сканера;

выбор метода векторизации.

Методика работы может быть разной, в зависимости от типа ска-

нера и избранного метода векторизации. Сканеры бывают ручные,

планшетные и проекционные. Векторизовать полученные растры

можно вручную, автоматически или полуавтоматически при помощи

специализированных программ.

Ручные сканеры мало пригодны для обработки картографической

информации. Они обладают небольшим рабочим полем, что влечет за

собой дополнительную проблему склейки различных частей одной

карты. Кроме того, точность ввода с помощью ручного сканера зави-

сит от состояния оператора.

Планшетные сканеры это отлаженная технология, гарантиро-

ванный результат, простота, удобство в работе. Но вместе с тем это

жесткая привязка к формату сканера, высокая стоимость, растущая с

увеличением формата. Обычный сканер формата А4 с приемлемой

стоимостью малопригоден для обработки картографической инфор-

мации, т. к. небольшое рабочее поле влечет за собой дополнительную

проблему склейки различных частей одной карты. Профессиональные

сканеры больших форматов стоят довольно дорого.

Проекционные сканеры позволяют уйти от жесткой привязки к

формату, но необходимость использования специальных объективов,

средств юстировки, подбора освещения также резко увеличивают

стоимость работ.

Существуют программные средства оцифровки навигационных

карт, например, пакет Didger, разработанный фирмой Golden Software.

Didger служит для преобразования бумажных вариантов карт,

графических изображений, аэрофотоснимков, а также другой графи-

ческой напечатанной информации в цифровой формат. Это позволяет

трансформировать различные графические объекты (точки, линии или

площадные участки) в данные, которые могут использоваться в дру-

гих приложениях.

Didger это 32-разрядная программа оцифровки, работающая в

среде Windows 95/NT и служащая для преобразования графической

печатной информации в цифровой формат, который может использо-

ваться в других приложениях. Оцифровка карт выполняется либо с

использованием планшета, либо на экране монитора с помощью мы-

ши или даже клавиатуры. Разумеется, здесь точность ввода будет ог-

раничена разрешающей способностью экрана, а снимать координаты

можно будет только с уже имеющегося электронного изображения

карты. Но для полноценного использования Didger при работе с бу-

мажными носителями потребуется дигитайзер.

Рекомендовать какой-либо способ оцифровки в качестве единст-

венно верного практически невозможно по целому ряду причин, как

чисто организационных, так и экономических. В каждом конкретном

случае будет выбран способ или ряд способов в соответствии с

имеющимися ресурсами и доступностью той или иной информации.

Векторизация растровых изображений

Векторизовать полученные растры можно вручную, автоматиче-

ски или полуавтоматически с помощью специализированных про-

грамм, например, Easy Trace.

Наиболее эффективна векторизация карт с однородной информа-

цией например, рельеф в виде изолиний. При наличии хорошей ос-

новы в этом случае возможно применение программ автоматического

распознавания типа VECTORY.

Существуют также программы полуавтоматической векторизации

и векторизации в режиме экранного дигитайзера. Все, что ранее было

сказано о подготовке карт к оцифровке обычным дигитайзером, оста-

ется в силе и для них.

Рассмотрим основные возможности программы-векторизатора

Easy Trace.

Easy Trace является пакетом программ для полуавтоматической

интерактивной векторизации цветных и черно-белых растровых изо-

бражений, работающим под Windows 95/NT. Он предназначен для пе-

реноса графической информации с бумажных носителей в компьютер

и ориентирован, прежде всего, на обработку картографических мате-

риалов. Для подготовки растровых изображений навигационных карт

можно использовать непосредственно Easy Trace или дополнительный

модуль для векторизатора Easy Trace пакет Rainbow.

Перед сканированием необходимо разбить карту на отдельные

растровые участки и поставить на них опорные точки (тики), которые

должны быть общими для двух соседних растров. Для соединения

растров используется команда Сшивка из меню Редактирование.

Данная команда предназначена для соединения растров по двум опор-

ным точкам. Соединяемые растры могут иметь разный цветовой ре-

жим, но итоговый документ будет создан в цветовом режиме того рас-

тра, который был загружен первым.

Основной режим при работе с пакетом Easy Trace режим векто-

ризации, главное средство которого трассировка.

Трассировкой называется процесс полуавтоматического или руч-

ного прослеживания линии по еѐ изображению на растре.

Инструментами векторизации в программе Easy Trace являются:

трассировщик сплошных (пунктирных) линий;

трассировщик ломаных линий;

трассировщик ортогональных линий;

трассировщик точечных линий;

трассировщик заштрихованных областей;

трассировщик залитых областей;

прямоугольник;

3D полилиния.

Управление всеми этими инструментами описано в соответст-

вующих темах справочной системы Easy Trace.

В зависимости от качества растра, плотности изображения и ха-

рактера линии целесообразно применять ручной или полуавтоматиче-

ский режим трассировки или их комбинацию. В любом случае про-

цесс ввода полностью находится под контролем пользователя.

В ручном режиме трассировки точки полилиний добавляются на-

жатием левой клавиши «мыши». В полуавтоматическом режиме в об-

щем случае достаточно указать точку затравки в любом месте трасси-

руемой полилинии. При этом рекомендуется использовать достаточно

большое увеличение (2 : 1 и выше) и выбирать для точки затравки

участок полилинии, на котором не предвидится осложнений для трас-

сировщика.

Последней, заключительной стадией работы пакета Easy Trace яв-

ляется операция Экспорт.

В процессе векторизации Easy Trace хранит координаты и другие

параметры оцифрованных объектов в своем внутреннем формате. Со-

вместимость с практически любыми конечными системами (в основ-

ном, ГИС) достигается за счет поддержки экспорта в общепринятые

обменные форматы.

Для выполнения операции Экспорт необходимо вызвать данную

команду и определить параметры экспорта в открывшемся диалого-

вом окне Экспорт, в котором выпадающий список позволяет выбрать

один из следующих выходных форматов:

DXF (обменный формат AutoCAD);

DGN (обменный формат Intergraph Microstation);

GEN (обменный формат ARC/INFO);

MIF/MID (формат графических и атрибутивных данных пакета

MapInfo);

SHP (формат ArcView);

ASC (формат WinGIS);

TOP (формат CREDO);

CSV (формат, определяемый пользователем).

Помимо замены растровых изображений на векторные примитивы

с последующей передачей их в ГИС (САПР), программа Easy Trace

позволяет решать в процессе векторизации следующие задачи:

минимизация числа векторных примитивов (две пересекаю-

щиеся линии разных слоев должны остаться двумя линиями, а

не четырьмя, сошедшимися в одной точке);

восстановление информации, частично утраченной или иска-

женной из-за износа бумажного носителя, дефектов чертежных

инструментов, дефектов исполнения, погрешностей сканирова-

ния;

«расслоение» изображения по его смысловому содержанию

(например, карта может содержать слои рельефа, коммуника-

ций, границ, изобат и т. д.);

введение атрибутивной информации для графического объекта

(например, высота линии электропередач, литер навигационно-

го знака и т. п.);

построение корректной топологической структуры информа-

ции, соответствующей требованиям конечной ГИС или САПР.

Таким образом, с помощью программ-векторизаторов можно соз-

давать файлы векторных и атрибутивных данных, несущие в себе го-

раздо больше информации, чем исходный бумажный материал, и пре-

вышающие его по точности.

Программы-векторизаторы, как правило, не предназначены для

редактирования содержания растровых файлов (стирание, рисование)

и достижения сходства между исходным растровым изображением и

его векторным аналогом (штриховки, заливки, сложные топографиче-

ские знаки).

На рис. 4 изображѐн фрагмент проекта Easy Trace с участком бе-

реговой линии в растровом и векторном форматах, который позволяет

сравнить два изображения электронных карт: растровых и векторных.

Рис. 4. Растровое и векторное изображения в проекте Easy Trace

Растровые картографические дисплейные системы (РКДС)

РКДС представляют собой растровые навигационные карты (РНК)

и средства электронного позиционирования (определения места суд-

на). Появление и развитие таких систем прошло почти незамеченным,

тогда как все внимание мирового морского сообщества было сфо-

кусировано на электронных картографических дисплейных информа-

ционных системах (ЭКДИС), в которых используются электронные

навигационные карты (ЭНК) векторного формата. Однако в настоя-

щее время по меньшей мере пять национальных гидрографических

служб производят официально признанные РНК, общая продажа ко-

торых за период после 1995 года достигла 1,5 2 миллионов экземпля-

ров, в том числе в США более 600 тыс. растровых карт, которые ис-

пользуются на всех видах транспорта.

Растровое

изображение

Векторное

изображение

В основе технологии производства РНК лежит сканирование

обычных бумажных навигационных карт. В процессе сканирования

создаются компьютерные цифровые файлы, содержащие визуальное

изображение бумажной карты в виде матрицы точек (пикселей) раз-

личного цвета и плотности, называемое побитовым изображением.

Разрешение выбирается таким, чтобы обеспечить качественное и дос-

товерное изображение карты на мониторе компьютера. При этом од-

нако возникают проблемы с объемом файлов, поскольку увеличение

разрешения ведет к увеличению объема файла и соответственно тре-

бует увеличения памяти в геометрической прогрессии. Так, увеличе-

ние низкого разрешения в 75 dpi (пикселей на дюйм) до сравнительно

высокого разрешения 300 dpi приводит к увеличению объема файла в

16 раз.

Затем производится тщательная привязка цифровых файлов к со-

ответствующему референц-эллипсоиду, с тем чтобы навигационное

программное обеспечение могло определять географические коорди-

наты объектов на изображении карты. Полученные файлы дополня-

ются метаданными, которые описывают карту, ее систему геодезиче-

ских координат (нуль карты), проекцию и другую информацию о кар-

те и цифровом файле. После этого специалисты-гидрографы обычно

корректируют цифровые файлы, чтобы получить совершенную карто-

графическую проекцию. При этом устраняются остаточные искаже-

ния, которые могли иметь место на цветовых оттисках или могли быть

внесены в изображение при сканировании. На завершающем этапе ре-

зультирующий массив цифровых данных транслируется в конкретный

растровый формат, готовый для последующего распространения. Ко-

нечный продукт поступает на рынок в виде дискет или лазерных дис-

ков.

Векторные навигационные карты

Векторное представление данных позволяет создать электронную

карту как совокупность отдельных элементов и поэтому даѐт много

дополнительных возможностей.

Судоводитель может включать или выключать на экране отобра-

жение различных классов картографических объектов, подбирая

удобную для данных условий плавания конфигурацию отображения

карты. Можно установить слежение за любым ориентиром, установив

на нем специальный маркер, включить тревожную сигнализацию при

подходе к опасностям и т. п. Векторное представление данных позво-

ляет объединять картографическую информацию с информацией, ко-

торой нет на самой карте, вводить новые информационные слои, на-

пример:

создавать прямо на карте предварительную прокладку, которую

можно записать в виде отдельного файла для использования в

дальнейшем;

наносить на карту различные зоны, линии, надписи, условные

знаки. При этом содержимое самой карты не изменяется;

накладывать на карту данные о целях, получаемые от САРП, и

т. п.

Векторная форма представления данных имеет важное значение

для последующей корректуры ЭК. Изменяется не вся карта, а лишь еѐ

отдельные элементы.

Карты фирмы TRANSAS MARINE включают в себя практически

всю информацию о водной части бумажных карт и информацию о

суше, которая важна с точки зрения навигации. Это более 100 слоѐв

информации. Технология производства векторных карт имеет мощ-

ный математический аппарат по пересчѐту различных картографиче-

ских проекций, компенсации деформации и дефектов бумажных карт,

а также аппарат предварительной математической проверки карт, на-

пример, на присутствие нулевых глубин, пустых текстов, наличие

глубин, больших или меньших диапазона безопасных глубин в этом

месте. Точность нанесения объектов на ЭК оценивается в 0,2 мм.

Разработка растровых и векторных навигационных карт

для ЭКС «Кадет»

Для примера рассмотрим по пунктам технологию разработки рас-

тровых и векторных навигационных карт для ЭКС «Кадет».

1. Готовим бумажную карту к сканированию. Для этого выби-

раем область сканирования, включающую в себя не менее

двух растров формата А4 (предполагается, что будет ис-

пользоваться сканер формата А4). Растры должны распола-

гаться друг к другу так, чтобы на общем поле этих растров

можно было указать две общие точки, принадлежащие обо-

им растрам. Отмечаем эти точки на карте.

2. Запускаем программу-векторизатор Easy Trace с помощью

ярлыка на рабочем столе или через кнопку ПУСК и опцию

Программы.

3. В меню Файл выбираем опцию Сканировать, сканируем

подготовленные согласно пункту 1 растры бумажной карты

в чѐрно-белом изображении и сохраняем их в своей рабочей

папке.

4. В меню Файл выбираем опцию Открыть растр и открыва-

ем отсканированные растры.

5. Активизируем первый растр, входим в меню Редактирова-

ние и выбираем опцию Сшивка (эти команды можно выпол-

нить через соответствующие кнопки на панели инструмен-

тов).

6. В появившемся окне указываем второй растр для соедине-

ния. Для этого можно воспользоваться выпадающим спи-

ском, где содержатся уже открытые или недавно использо-

вавшиеся документы, или диалоговым окном Открыть

растровый файл, которое открывается при нажатии кнопки

справа от поля ввода имени файла (данное окно является

стандартным для Windows окном выбора файлов). Когда

второй растр выбран, можно нажать кнопку ДАЛЕЕ для пе-

рехода к следующему этапу.

7. В диалоговом окне Мастер соединения растров (шаг 2 из 3)

необходимо выбрать пару проставляемых точек (по умолча-

нию активизирована первая пара). Затем наводим указатель

мыши в виде перекрестия на первую общую точку, распо-

ложенную на первом растре, и щѐлкаем по ней левой кноп-

кой мыши. После этого переводим указатель-перекрестие

мыши на второй растр, находим на нѐм также первую об-

щую точку и, наведя на неѐ перекрестие, щѐлкаем по ней ле-

вой кнопкой мыши. Для контроля изображения проставляе-

мых точек будут появляться на схеме фрагментов. Далее в

диалоговом окне Мастер соединения растров (шаг 2 из 3)

выбираем вторую пару точек (нажимаем на кнопку с цифрой

«2») и выполняем те же самые команды, что и для первой

пары точек. Когда две пары точек проставлены, можно на-

жать на кнопку ДАЛЕЕ.

8. Если всѐ сделано правильно, то в диалоговом окне Мастер

соединения растров (шаг 3 из 3) появится сообщение, что

программа закончила сшивку растров, и тогда можно нажать

на кнопку ГОТОВО.

9. Третий растр, полученный путѐм сшивки из двух первых,

сохраняем в своей рабочей папке.