КАК СОЗДАТЬ И ВЕСТИ «ПЯТИСОТКУ»
Чтобы переход от планшетов к цифровым геоданным не растянулся на долгие годы

А.Антонов,

гл.редактор ГИС-обозрения.
"ГИС-обозрение"  2001г.

на предыдущую страницу

Это интересная статья Александра Антонова в последнем номере ГИС-обозрения. Статья - дискуссионная, и мы хотим написать свои комментарии к этой статье в ближайшее время. Кто хочет подискутировать раньше, - милости просим в телеконференцию "МИС"

Масштаб 1:500 является основным для архитектурного, дорожного, инженерного проектирования, в нем вычерчиваются результаты геодезических изысканий и исполнительной съемки, он, без сомнения, необходим всем эксплуатирующим организациям жилищно-коммунального комплекса - всем тем, кто уже осознал преимущества компьютерной графики, в том числе САПР и ГИС-технологий, и знает, как эффективно с ними работать. Кроме того, существует мнение, что, имея актуальную векторную «пятисотку», не составит труда создать путем генерализации и карты более мелких масштабов. Готов с этим поспорить, но данная проблема лежит за пределами тематики статьи.

Примечание: В процессе обсуждения статьи был высказан весь диапазон мнений - от "генерализация - проблема неразрешимая, но практически - в принципе возможно" до "генерализация - процесс полуавтоматический, который требует некоторых правил при создании объекта". (А.А.)

На векторной карте М 1:500 основывалось создание муниципальных ГИС еще на заре геоинформатики в России. Итоги плачевны: городов, сумевших оцифровать более чем 50 процентов планшетов 500-го масштаба, не наберется и десятка. А городов, которые реализовали технологию обновления (дежурства) векторных карт по данным исполнительной съемки, объединив в единую цепочку изыскательские организации, орган архитектуры и проектные фирмы - и того меньше. Автору известны лишь два таких города - да и там доля векторизованных планшетов составляет менее 50% от общей территории. Готов пообещать внеплановую статью в ближайший номер о том, как в городе с населением более 80 тыс. жителей создана и ведется векторная карта М 1:500.

Примечание: Похоже, число городов, успешно ведущих пятисотку в статье несколько занижено. По словам Андрея Зисмана в Белгороде, который имеет население около 400 тыс.человек, отвекторизовано 95% планшетов: из 1500 плоншетов масштаба 1:500 имеют растры 1432, при этом векторизовано 1411 бумажных носителей.(А.А.)

На другой чаше весов - тысячи и тысячи отвекторизованных планшетов в сотнях городов, которые из-за их фрагментарности (имеются в виду фрагменты города, а не фрагменты планшетов) и окаменелости на момент создания формируют скорбный памятник начального этапа внедрения геоинформационных технологий.

Давайте окончательно признаемся себе: денег на создание полного комплекта векторных карт 500-го масштаба пусть даже на самую небольшую административную единицу сегодня нет - ни методом геодезической съемки, ни даже оцифровкой планшетов. Нет, и в ближайшее время не будет. Да это и не нужно - и, что самое интересное, с этим уже мало кто спорит.

Сегодня основным технологическим решением во всем мире становится объединение растровой и векторной графики. Рассмотреть пропорции растра и вектора, способы реализации и развитие во времени этого картографического «симбиоза» — задача данной статьи.

Бумажная технология

Отвлечемся на минуту от компьютера и вспомним бумажную технологию ведения крупномасштабных карт. Во времена Царя Гороха, когда большинство из Вас, уважаемые читатели, еще ходило в школу, ГУГК СССР создал планшеты М 1:500 на территории городских поселений. Если быть более точным, произошло это в 50-70-е годы. Тот, у кого планшеты 80-х, - везунчик.

Планшеты на алюминиевой, фанерной или картонной основе были переданы в архив управления архитектуры, после чего началась их самостоятельная жизнь. К ним обычно обращаются по двум поводам:

• если нужно выбрать участок, выдать задание на проектирование или получить топогеодезическую информацию для иных целей, планшет берется из архива, копируется (обычно частично) и возвращается в архив в тот же день (так должно быть, но ничто не может помешать одному из сотрудников УАиГ оставить планшет у себя на рабочем месте на день-два, а то и более).

• если в городе что-то построено (закопано, проложено, введено в строй), оно приобретает юридический статус только после государственной приемки, которая невозможна без проведения исполнительной съемки (это тоже - в теории, а фактически приемка без исполнительной съемки - вещь вполне обычная, особенно если застройщиком выступает местная власть или ее УКС). Лицензированная геодезическая фирма берет планшет и наносит на него новую съемку, предварительно подчистив (стерев, срезав лезвием и т.д.) это место на планшете. Эти действия также могут выполняться самим геодезическим подразделением УАиГ. Данные съемки принимаются главным геодезистом города или другим уполномоченным лицом УАиГ, о чем ставится соответствующая запись на обороте планшета. Время отсутствия планшетов в архиве, а также качество съемки и методы контроля геодезистов варьируются в широких пределах.

Примечание: Обращение к планшетам, хранящимся в управлении архитектуры, производится (и на достаточно длительные сроки - иногда месяцы) и по третьему, самому существенному поводу - проведение изысканий (досъемка, съемка текущих изменений) для проектируемых городских объектов. (Александр Пигин).

Естественно, процессы 1 и 2 не могут протекать параллельно, поскольку планшет только один. Недостатков у сложившейся бумажной технологии много, но есть одно неоспоримое преимущество: это ТЕХНОЛОГИЯ - каждый участник процесса занимает в нем свое место, знает свои права и обязанности и машинально, не задумываясь, выполняет предписанные процедуры. И хотя упомянутая технология претерпевает значительные различия от города к городу - в каждом из них она доведена до автоматизма.

В геоинформатике, несмотря на множественность вариантов решения проблемы, технология если и создана фрагментарно, то пока далека от промышленной эксплуатации, что повсеместно подтверждается фактами. Каким же может быть технологический процесс ведения цифровой «инженерной» геоподосновы, соответствующей по точности планшетам М 1:500 и позволяющей решать весь комплекс традиционных для данного масштаба задач? Намеренно не употребляю термин «цифровая карта масштаба 1:500», поскольку это может быть и не карта (ЦМР, к примеру), да и понятие масштаба в отношении цифровых данных расплывчато, вернее - имеет другую интерпретацию - точность данных.

Переход к компьютерным технологиям

Чтобы рассматривать технологический процесс в максимальном приближении к реальности, разделим его на три ступени по сложности, решающие соответственно задачу-минимум, оптимум и максимум в применении к ведению инженерной геоподосновы. По мере расширения круга задач возрастают затраты, сложность и стоимость программного обеспечения, объем организационных усилий и сложность самих данных.

В процессе обсуждения статьи выяснилось, что фирмы-разработчики ПО всячески приветствуют программу, решающую максимальные задачи и прохладно относятся к половинчатым решениям. Примерно такая же реакция наблюдается и со стороны фирм, выполняющих работы по созданию цифровых карт.

Зачем же понадобились две градации упрощения задачи и в чем, собственно, оптимальность предлагаемого решения. Очевидно, что разработчики ПО, выполняющие стимулирующую роль при внедрении информационных технологий, заинтересованы в том, чтобы технологии были максимально «информационными» - т.е. в компьютере все и по максимуму (т.е. в векторе и, желательно, - в 3-D). И практически все представленное на рынке ПО сориентировано на решение задачи-максимум. Заниматься внедрением дешевых - «примитивных» с точки зрения функциональных возможностей - продуктов, а тем более, ухудшать свою функциональность, опускаться до уровня «конечного» пользователя - невыгодно.

Поставщикам данных вредит даже понимание пользователем того факта, что его задачи могут решаться проще и дешевле - в этом случае фирмы остаются вне процесса создания цифровых карт, который переходит на уровень пользователя. Хорошо это или плохо, не нам судить. Неоспоримый факт - дежурить «пятисотку» могут только службы, получающие исполнительную съемку (обычно это УАиГ или его геослужба, но бывают и исключения). В крайнем случае - геодезические или проектные фирмы, работающие при данной службе. И рано или поздно им придется научиться делать это с использованием компьютера, а в перспективе - освоить самые передовые технологии из тех, что уже сегодня предлагается на рынке.

Но пока они к этому не готовы. Посему, начинать предлагается с минимума - не требующего особых затрат на ПО и, главное, - на обучение персонала. Если отбросить исключения в виде закрытых городов (В телефонном разговоре г-н Рейзвих привел пример геодезической службы в г.Озерске из 50 - пятидесяти! - рабочих мест, хотя, возможно, я ослышался. А.А.), наукоградов и столиц крупных регионов, ситуация с квалифицированными кадрами в муниципальных структурах аховая. Именно это является основной причиной того, что электронного дежурства карт практически нигде нет - а не отсутствие денег в бюджете или, тем более, слабость программных решений.

Примечание: Будучи в командировке в декабре, автор получил блестящее подтверждение написанного. В одном небольшом, весьма благополучном в финансовом отношении городе, в конце 1998г. (только что случился дефолт!) органом архитектуры было закуплено несколько рабочих мест ценой более $2000 каждое и электронный тахеометр известной марки. Результат - ПО стоит на полке, тахеометр - в ящике, а дежурство "пятисотки" сегодня в городе не ведется вовсе - даже бумажно-ручным методом.

Под оптимизацией задачи понимается достижение качественно лучшего результата при небольшом приращении затрат (финансовых и организационных). Программа-максимум выводит результат на еще больший качественный уровень, отвечающий сегодняшним возможностям программных продуктов. В этом случае разница в стоимости программных средств по сравнению с минимально необходимыми несравнима с разницей в качественных характеристиках получаемых данных (стоимость рабочего места может отличаться всего в 3-5 раз). Но вот объем организационных затрат, включающих прежде всего подбор и расстановку кадров, а также масса других подводных камней, сегодня, скорее всего, явятся непреодолимым препятствием, которое загубит идею перехода на компьютерные технологии на начальном этапе, да еще отобьет желание (читай - закроет финансирование) заниматься этим в будущем.

Ориентация на задачу-оптимум при сравнительно небольших затратах дает сравнительно качественный результат и характеризуется высокой вероятностью

Задача-минимум

Для начала постараемся решить всего две проблемы - ветхости и уникальности планшета. Технологический процесс в общем случае может выглядеть следующим образом:

1. все планшеты сканируются полностью или по частям в зависимости от формата сканера;

2. обрабатываются растровые образы планшетов (обрезка зарамочного оформления, сшивка или нарезка на более мелкие части, геометрическая трансформация растра);

3. производится чистка и повышение четкости растра;

4. регистрация растровых файлов в местной системе координат: создается единое растровое поле путем размещения каждого планшета «на своем месте» с привязкой по углам и последующей сшивкой или без нее (не забудьте, погрешности сканирования, хранения и ведения планшетов уже минимизированы на предыдущих этапах).

Результат:

Для просмотра и выкопировки постоянно доступен весь город (по внутренней сети управления архитектуры с соответствующим решением проблем ограничения доступа и секретности), планшеты можно распечатать целиком - если плоттер позволяет (правда, без зарамочного оформления, поскольку оно отрезано), частями или комбинировано, а также вырезать часть растра на требуемую территорию вне зависимости от ее формы и площади и выдать файл проектировщику или вставить в градзадание.

Геодезической фирме выдается твердая копия планшета или его части, на которой вручную вычерчивается новая съемка, после чего она сканируется, при необходимости трансформируется и помещается на свое место. Старый кусочек растра отправляется в архив.

Все процедуры сопровождаются соответствующим документооборотом, позволяющим отследить исполнителя и контролера каждой операции. В данной технологии вообще никаких векторных данных не появляется. Единственно возможная программная надстройка позволяет по номенклатуре планшета создавать стандартное зарамочное оформление - но так ли уж это необходимо?

Предложенное решение далеко от идеала, но оно - наименее затратное. На то она и программа-минимум. Используется программное обеспечение одного класса - для обработки растра. Не требуется решать организационные проблемы с поставщиками и потребителями геоданных (соблюдение требований к составу и содержанию данных и т.д.).

Баланс желаемого и возможного

После решения задачи-минимум попробуем обеспечить «компьютерное» обновление растровых планшетов. Не секрет, что все больше геодезических фирм обзаводится электронным оборудованием. А уж камеральную обработку результатов изысканий, наверное, все теперь делают на компьютере - для этого есть несколько «фирменных» решений, да и геодезистами написано несметное число собственных прикладных программ и программочек. Так что съемка наверняка существует в электронном виде - как минимум в текстовом файле в виде перечня пар (троек) координат.

Первые четыре шага совпадают с описанными выше. Последующие действия:

1. Единое растровое поле попадает в чертежную программу. При этом привязка к местной системе координат теряться не должна. В идеале - трансформация и регистрация производятся в том же ПО, что и последующее черчение;

2. Файл(ы) передаются геодезической фирме, которая вычерчивает на компьютере результаты съемки. Как это происходит (скачивается файл напрямую из тахеометра, набиваются отдельные координаты, какое ПО для камеральной обработки используется и т.д.) - производственная проблема геодезистов. Если в УАиГ есть сильная геодезическая группа, эта работа выполняется ее силами;

3. В УАиГ передается векторный файл, вычерченный в условных знаках, соответствующих ГОСТу, в заранее оговоренной структуре слоев (объектов). Геодезист УАиГа осуществляет контроль на экране монитора, имея возможность наложить друг на друга старую съемку (в растре) и новую (в векторе). Но фактически контроль осуществляется по старинке - визуально, хотя инструмент контроля улучшился;

4. Векторная топосъемка дублируется в растровый слой, после чего впечатывается в растровый планшет. Старый кусочек растра, а лучше - целый планшет - отправляется в архив. Техническая реализация последнего шага может варьироваться в зависимости от конкретного программного пакета. Сложность в том, что вектором обычно не покрывается вся захватываемая им (находящаяся под вектором) растровая подложка, и растр приходится вычищать почти вручную, выборочно, а не полигоном (пусть и сложным). Это все равно как объединять, синтезировать два близких текста, пытаясь сохранить сильные стороны каждого, т.е. просто выкинуть кусок и вставить другой - не получится.

Когда один растр замещает другой, чаще всего приходится что-то сохранять из старого. В процессе участвуют два монохромных растра. Один накладывается поверх другого. Новый слой блокируется от редактирования. А со старым нужно работать как с вектором - это допускают такие пакеты как CAD Overlay и RasterDesk - и одновременно как с растром, т.е. легко выбрать все лишнее и оставить нужное.

Результат - в каждый момент времени мы имеем на территорию города следующий набор данных в единой системе координат:

• Актуальное на данный момент растровое покрытие всей территории (в одном файле или множестве файлов по-планшетно).

• Актуальное на данный момент, постоянно растущее кусочное векторное покрытие города съемкой М 1:500. Каждый фрагмент имеет запротоколированную историю.

• Набор архивных планшетов.

• Набор архивных векторных данный -в том случае, если на каком-то одном месте часто происходят изменения уже после запуска компьютерной технологии ведения инженерной геоподосновы.

Потребителю (проектировщику, эксплуатирующей организации) по его запросу и в соответствии с его оснащенностью передается набор из имеющихся 4-х типов данных, которые он может «нанизать» на координатную систему в собственном программном обеспечении. А может распечатать и чертить вручную. Главная задача -обеспечить (и как-то стандартизировать) передачу информации о привязке растровых файлов к координатной системе.

Вариантов решения два - вписывать в заголовок растрового файла информацию о его координатах или сопровождать растр текстовым «привязочным» файлом. Теоретически, информация о привязке может просто содержаться в имени файла (как номенклатура планшета или его части.), но это очень спорное решение. При использовании чертежным ПО собственного формата растра (CREDO, MicroStation) реализуется 1 вариант, но в таком случае «родные» растровые файлы обычно не читаются в других пакетах. Возможно, такая ситуация сохранится непродолжительное время - ведь работа с «чужими» векторными форматами сегодня стала нормой для ведущих ГИС. GeoTIFF - общеупотребительный растровый формат, воспринимаемый большинством ГИС и графических редакторов, позволяет вносить в заголовок информацию о координатах привязки в географической системе координат (градусы, минуты, секунды).

Таким образом, формирование текстового файла является наиболее универсальным способом передачи информации о местоположении растра в местной системе координат. Думаю, стандартизация описания подобной информации не за горами. Отдельные примеры есть и сейчас. Например, файлы tfw понимают ArcView и CAD Overlay; sdw - MrSID Viewer и CAD Overlay, tab - Maplnfo и CAD Overlay. Векторизатор Mapedit уже выдает привязочные данные в tab-файлы для работы в Maplnfo, в разработке находится экспорт привязок растра в ArcView.

Примечание: Обо всем этом мы подробнее поговорим в следующем номере журнала.

Интересно, что описанный подход позволяет ввести в дежурство геоподосновы новый промежуточный шаг - отслеживание проектной информации. С момента выделения отвода под проектирование до окончания строительства и проведения исполнительной съемки может пройти немалый срок. Все это время отведенный участок сохраняет на планшете свои исторические очертания, хотя как минимум один раз кардинально меняет свой статус отвода на стройплощадку Этот этап отмечен сдачей проектной документации и получением разрешения на строительство. Поскольку проектная документация (в том числе генплан и строительный план участка) в подавляющем большинстве случаев вычерчивается в электронном виде и, при использовании вышеописанной технологии, - в местных координатах, не составит труда (при должном изложении требований к формату представления проектов для проектных организаций) формирование и отслеживание постоянно изменяющегося «красного» (проектного) слоя для строящихся объектов на основе проектной документации, наряду со слоями отводов и завершенного строительства.

Нет предела совершенству

Выбор программных средств для реализации описанной выше технологии достаточно широк. Практически все из них имеют дополнительную функциональность, обеспечивающую постепенный переход к ведению векторной инженерной геоподосновы с минимальным использованием растровых планшетов. Пределы совершенству сегодня устанавливают фирмы-разработчики, уже предлагающие то, что массовый потребитель пока не готов воспринять и использовать себе на благо. Вот некоторые наиболее очевидные направления наращивания качества и комплексности данных, повышения эффективности работы.

Цифровая модель местности

Геодезист получает в процессе съемки 3 координаты - проектировщику или эксплуатирующей организации также нужны высотные координаты или объемная модель местности - имеет смысл в векторном виде вести не копию планшета, а цифровую модель местности = ситуации + рельефа (ЦММ=ЦМС+ЦМР), одним из способов визуализации которой и является традиционный «планшетный» вид. Необходимо трехмерное графическое ядро или хотя бы возможность ввода третьей координаты при создании векторных данных. В последнем случае ПО создает и хранит 3-х мерные координаты, но не позволяет их визуализировать (или ограничивает визуализацию, например, только вертикальными разрезами) и полноценно с ними работать. 3-D проектирование и анализ осуществляются в специально предназначенном для этого пакете. Решения на базе полноценного трехмерного графического ядра естественно будут дороже, нежели плоский (гео)графический пакет, но эти траты оправданы и окупятся в самом ближайшем будущем. К тому же это позволит минимизировать проблему трансформации данных от изысканий к проектированию между ПО различных производителей. Интеграция должна быть поистине БЕСШОВНОЙ, все другое - паллиатив!

Интерактивная векторизация

Другой дополнительной возможностью является реализация в программном комплексе векторизатора - обычно полуавтоматического. Говорить о «потоковой» векторизации планшетов (взял растр, создал его векторную копию, растр выкинул, работаешь с вектором) уже не приходится, но возможность избирательной векторизации отдельных объектов (строений, коммунальных сетей) для достижения полного покрытия отдельными информационными слоями всей территории никогда не оказывается лишней. Этим обеспечивается своего рода плавная эволюция растровой подложки в растрово-векторный симбиот в дополнение к методу «кусочечного» создания векторной модели по данным исполнительной съемки.

Контроль геоданных

Важный момент - контроль результатов работы геодезической фирмы. В случае использования общей программной платформы исполнителем-геодезистом и проверяющим в органе архитектуры есть возможность не просто контролировать результаты вычерчивания, но и весь ход геодезических работ, получая электронный журнал съемки и последующей камеральной обработки. Думаю, проблема контроля технически решаема и при использовании специфического геодезического ПО, не объединенного одним разработчиком в единый комплекс с чертежными пакетами. Случаи использования всеми геодезистами в городе единой программной платформы, хотя и встречаются изредка на просторах России, должны рассматриваться скорее как исключение.

Создание атрибутивной базы данных

Ничего пока не было сказано о привязке к объектам карты атрибутивных данных. На самом деле, на 500-м масштабе ГИСовские задачи составляют малую долю в сравнении с проектными. И задача технологии ведения геоподосновы - обеспечить геометрическую корректность и целостность данных, а не возможность графического и атрибутивного анализа. Сколь-нибудь серьезные объемы данных, привязанных к объектам плана, появляются при переходе к 2000-му и более мелким масштабам. Вышесказанное не значит, что возможность привязки баз данных полностью отвергается - она не является задачей первой необходимости. Среди дополнительных возможностей можно также упомянуть и связь геодезического плана со схематическим представлением комплекса объектов той же коммунальной сети, на котором решаются расчетные и эксплуатационные задачи.

Список дополнительной функциональности отнюдь не исчерпан. Другие возможности мы рассмотрим по мере описания конкретных программных продуктов. В завершение первой части статьи попробуем в общих чертах сформулировать требования к программному обеспечению для ведения инженерной геоподосновы, подразделив их на базовые и расширенные.

Базовые требования

• сканирование и редактирование растра, чистка и улучшение его качества;

• проективные и нелинейные, основанные на оптимальной триангуляции преобразования растра для компенсации искажений любой природы;

• создание зарамочного оформления планшетов, ведение каталога планшетов, поиск по указанию координат или номенклатуре планшета и т.д.;

• возможность реализации базовых функций документооборота;

• работа с системами координат;

• возможности 2-D черчения;

• наличие библиотеки условных знаков для вычерчивания топопланов;

• функции экспорта в специализированные графические векторные форматы;

• создание «привязочных» файлов-описаний, сопровождающих растровые данные.

Расширенные требования

• возможность задания высотной координаты при вводе геоданных или трехмерное графическое ядро, возможности построения и работы с ЦМР, ЦММ;

• наличие встроенного полуавтоматического векторизатора;

• наличие модуля обработки данных геодезических изысканий или возможность комплектации с подобными программами других разработчиков;

• возможность двойного представления данных - экранного (без лишних условных знаков, затрудняющих восприятие с экрана, с заменой их атрибутами объектов карты), и стандартного - планшетно-геодезического (с зарамочным оформлением и проч.) в соответствии с ГОСТами для печати твердых копий;

• возможность проективных преобразований и геометрической коррекции векторных карт;

• наличие встроенных средств генерализации данных;

• возможность привязки атрибутивных данных к объектам цифровой модели, ГИС-функциональность;

• работа в сети и редактирование данных в многопользовательском режиме;

• возможность публикации данных в Интернет/интранет с обеспечением разграничения доступа

В следующем номере будет рассказано, как на основе изложенных требований построить технологические цепочки АРМов, какое ПО использовать, и сколько все это будет стоить.

Заключение

Задача разработчика - продать свой программный продукт. И разработчики вполне грамотно использовали возможность имиджевой рекламы в статье, написав не про сами пакеты (Кредо, Easy Trace, etc.), а про ИДЕИ, вокруг которых они строятся. Это здорово! Поскольку, во-первых, и сами программные продукты, основанные на этих идеях, - хороши, а во-вторых, именно эти идеи и программные средства нам рано или поздно придется использовать. Но главная задача разработчика - продать ПО! Да, потом - научить, потом - внедрить, чтобы опять продать - новую версию (upgrade) или дополнительные рабочие места. Задача производителя цифровых карт - продать карту - и уж ни в коем случае не научить делать ее кого-либо другого, вырастив, таким образом, конкурента.

Где же те фирмы, которые возьмут денег с пользователя не за конкретный продукт - ПО или карту, а за эфемерный совет, за консультацию, или за услугу по запуску технологии в ежедневную работу? Да - придется платить за воздух, но только такого рода консультационная фирма будет отстаивать интересы заказчика. Где тот пользователь, который сумел-таки внедрить у себя технологию мониторинга инженерной геоподосновы и готов за деньги поделиться своими секретами?

Плата за консультации в сфере геоинформатики - пока экзотика. Но это опять тема отдельного разговора. А пока мы имеем очень неплохой результат продаж и внедрения с точки зрения разработчиков ПО, и весьма плачевную картину в компьютерном дежурстве крупномасштабных карт в городах. Примеров тому - не счесть.