Картографические знаки. Компьютерные методы их построения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

на тему: Картографические знаки. Компьютерные методы их построения



1. Картографические знаки, их роль на карте

Важной особенностью карты в отличие от аэрофотоснимка, картины, рисунка и другого художественного изображения является применение условных знаков для передачи объектов, явлений и процессов реальной действительности.

Картографические знаки как специальные графические символы выполняют следующие функции:

1) показывают на карте вид объекта;

2) определяют их пространственное положение и размещение;

3) позволяют интерпретировать знания об объектах и явлениях;

4) являются средством теоретического исследования.

Картографические знаки функционируют в рамках знаковой системы. Система знаков - совокупность условных обозначений, применяемых на карте определенного масштаба, назначения, содержания и характера использования.

Картографические знаки представляют собой формализованный графический язык карты. Спецификой картографического языка является использование на карте условных обозначений в сочетании с естественным языком слов, которыми могут быть подписи разного вида и размера.

Картографический язык имеет свои конструктивные элементы, основные из которых - точка, линия, площадь.

В соответствии с характером распространения отображаемых явлений и объектов условные обозначения подразделяются на три группы:

1) точечные (значковые) - используют для объектов, локализованных в точках (населенные пункты, отрасли промышленности и др.);

2) линейные - применяют для объектов и явлений, локализованных на линиях (реки, дороги, нефтепроводы, линии электропередач, течения и др.);

3) площадные - предназначают для объектов, сохраняющих на

4) карте плановые очертания и размеры. Площади фиксируются контурами с внутренним заполнением, определенным рисунком или цветом.

Подписи - слова, дополняющие или заменяющие условные обозначения, выделяются в особую группу картографического языка.

Дальнейшая дифференциация знаков обусловливается формой, размером, ориентировкой, внутренней структурой, светлотой и цветом.

Форма знаков. Значковые обозначения - это разнообразные построения (рис.1):

Рис.1. Картографические знаки, отличающиеся по форме:

а) геометрические фигуры - круги, квадраты, прямоугольники, треугольники, пяти- и шестиугольники, трапеции, а также объемные - кубы, шары;

б) наглядные знаки - символические, натуралистические;

в) форма линейных и площадных знаков определяется плановыми очертаниями объекта, его положением и характером пространственного размещения.

Размер (величина) условных знаков определяется в соответствии с принятым масштабом изображения, назначением и характером использования карты.

Необходимо иметь в виду, что размер картографических знаков вызывает противоречие между детальностью изображения и его читаемостью. Уменьшая размер знаков, можно существенно повысить детальность карты, но излишне мелкие знаки затрудняют ее чтение. С другой стороны, крупные, хорошо читаемые знаки требуют существенной генерализации содержания. Поэтому в каждом конкретном случае проектирования знаков необходимо определение их оптимальных размеров.

Внутренняя структура (рисунок) позволяет строить разнообразные картографические знаки всех видов, например значковые, линейные и площадные обозначения, различающиеся по внутренней структуре (рис. 2).

Рис.2. Знаки, различающиеся по внутреннему рисунку

Оперируя системой графических средств, синтактика рассматривает приемы их комплексирования в одном знаке, образование знаковых рядов. В построении обозначений наблюдаются наиболее частые сочетания формы и внутреннего рисунка, формы и цвета. Размер сочетается практически со всеми графическими средствами.

Комплексирование трех и более признаков позволяет строить сложные (структурные, нарастающие и др.) знаки, при этом графическая форма выражения отличается большим разнообразием (рис. 3).

Рис. 3. Знаки, построенные сочетанием графических средств

Изучение комбинационных возможностей обозначений связано с важной особенностью языка карты. В отличие от словесного языка, где построение знаков имеет линейное размещение и последовательное сочетание слов, картографический язык предусматривает многообразные комбинации, связи и отношения знаков в их координатной предопределенности. При этом чтение может начинаться в любом месте и направлении.

Так, формой и ориентировкой целесообразно передавать качественные признаки объектов; светлотой и размером -- количественные показатели, динамику явлений; внутренней структурой и цветом - как качественные, так и количественные данные.

Обычно для передачи нескольких признаков объекта производят комплексирование графических средств. Например, знаки, показанные на рис. 3, сочетающие в своем построении форму, структуру и размер, могут означать при локализации в пункте вид и положение пункта (промышленного или какого-либо другого), состав (отраслевая специализация), величину и соотношение (отраслей).

Отношения между знаками в системе должны отражать отношения между обозначаемыми объектами. Определенными графическими средствами выделяют главные признаки объекта, упорядочивая тем самым чтение карты и облегчая поиск нужной информации. Отношения знаков к обозначаемым объектам определяются в легенде карты словами естественного языка. Легенда поясняет не только смысловую сторону каждого знака, но показывает их группировки, соподчиненность, то есть раскрывает содержание карты.

Смысловое значение картографических знаков имеет несколько уровней:

1. Низший уровень составляют элементарные знаки, например, горизонталь - линия, соединяющая точки с одинаковой абсолютной высотой.

2. Пространственное сочетание знаков, например, система горизонталей, обеспечивает более высокий уровень информации: передачу различных форм рельефа, их высот, крутизну и т.п.

3. Сочетание определенных форм рельефа, изображенных горизонталями, образует новое понятие -- тип рельефа.

2. Методы и приемы построения картографических знаков

Для построения картографических обозначений существуют правила, которые определяются способами изображения. Они взаимосвязаны с характером пространственного отображения явлений.

В значковом способе условные обозначения указывают положение конкретного объекта. При использовании геометрических фигур их центр определяет точную локализацию объектов на карте. При наличии в одном пункте нескольких объектов применяют структурные знаки различной формы с локализацией в одной точке. При большой разнородности объектов возможны разнообразные графические приемы их взаимного расположения относительно пунсонов соответствующих пунктов (рис. 4).



Рис.4. Графические приемы локализации знаков

Локализованные диаграммы, строящиеся по пунктам наблюдения, можно рассматривать как модификацию значкового способа. Эти диаграммы и графики имеют вид геометрических фигур, их графическая форма отличается большим многообразием (рис. 5).

Аналогичные значковому способу геометрические знаки применяются в картодиаграмме.

Это - столбиковые диаграммы, площадные (круги, квадраты) и объемные (шары, кубы). Они не передают точного местоположения объекта или явления. В картодиаграмме размещение знаков привязано к сетке административного (или другого территориального) деления (рис.6).



Рис. 5. Графический вид локализованных диаграмм и графиков

Рис. 6. Расположение знаков внутри картографируемой территории - способ картограмм

Линейные обозначения (линии, ленты, стрелки) реализуются и способах линий движения, линейных знаков, изолиний и др. Особенности их построения связаны с точностью картографирования (рис. 7).



Рис.7. Графические приемы построения линейных обозначений

а - точное расположение; б - схематичное.

Площадные знаки используются в способах качественного и количественного фона, картограмм, ареалов.

Картографические знаки, подразделяющие площадь на однородные в качественном отношении участки, строят с использованием цвета и, внутреннего рисунка знаков или штриховок различного вида, ориентировки и цвета. Они должны зрительно показать лишь качественные различия объектов.

Площадные знаки, отображающие количественные изменения явлений способами картограммы, количественного фона и другими, строят в основном с использованием таких графических средств, как цвет, рисунок знаков и светлота. Для передачи различий в интенсивности, росте, развитии явлений применяют многообразные виды штриховок различной светлоты или рисунок значков изменяющейся плотности (рис.8).



Рис.8. Графический вид картограммы

Площадные знаки для оформления ареалов выделяются многообразными графическими средствами. Помимо рисунка знаков, штриховок применяются линии разного рисунка, полосы (цветные или штриховые), буквенные обозначения, натуралистические, художественные знаки (рис. 9).

Рис.9. Различные приемы оформления ареалов



3. Компьютерное построение картографических знаков

Выделяют два способа изготовления картографических знаков - рукописный и компьютерный.

В рукописном исполнении условные обозначения строят на бумаге или пластике с использованием простейших чертежных инструментов: ручки с чертежными перьями, рейсфедеры (одинарные и двойные), вращающиеся рейсфедеры (кривоножки), циркули и кронциркули. Вычерчивание отдельных условных обозначений производится также с помощью разнообразных трафаретов (металлических или пластмассовых). Толщина линий определяется по шкале толщин. Штриховки выполняются с применением штриховальных приборов.

Метод рукописного выполнения знаков является традиционной технологией создания карт. Он предусматривает изготовление оригиналов двух видов: составительских (первичных) и издательских.

Использование компьютерной техники позволяет воспроизводить картографические знаки средствами автоматизации.

4. Программное обеспечение

Оформление карт на компьютере предполагает использование специального программного обеспечения, позволяющего работать с векторной графикой. Его можно условно разделить на три группы:

1) векторные графические программы общего назначения (Corel Draw, Adobe Illustrator и др.), которые, как правило, не комплектуются готовыми наборами знаков, однако пользователь имеет возможность сохранять созданные им знаки в виде библиотек символов или в виде обычных файлов используемой программы;

2) картографические блоки геоинформационных систем (ArcInfo, MapInfo, ГеоГраф, WinGIS и др.), имеющие наборы готовых картографических знаков, которые могут быть использованы при оформлении карт стандартного содержания.

3) специализированные картографические программы, входящие в состав программно-аппаратных картоиздательских комплексов, предназначенных для картографических производств. Основное назначение таких программ - создание большого количества карт однотипного содержания (атласы автодорог, административные карты и т.д.) в производственном режиме. Средства для создания новых знаков могут сильно отличаться в |разных программах, даже в пределах одной группы. Так, графические программы общего назначения имеют гораздо больше возможной ей по созданию сложных, нестандартных, художественных картографических знаков.

5. Способы построения точечных картографических знаков

При создании знаков, локализованных в пунктах, применяются следующие основные приемы:

· использование в качестве элементов знака базовых (элементарных) графических объектов (круг, многоугольник, ломанная и др.);

· использование в качестве элементов знака символов некоторых специальных шрифтов (Marlett, Wingdings и др.)

· использование аффинных преобразований для изменения формы и положения графических объектов;

· привязка графических объектов к сетке с заданным шагом по горизонтали и вертикали для точного взаимного размещения элементов знака;

· группировка графических объектов;

· выравнивание, распределение и упорядочивание графических объектов;

· использование операций пересечения, объединения и вычитания над множествами;

· использование встроенных языков программирования или графических библиотек для создания структурных или сложных знаков с помощью программ пользователя.

В большинстве программ базовыми графическими объектами являются:

- окружность или дуга окружности (рис. 10а);

- круг или сектор (рис. 106);

- выпуклый многоугольник с заданным числом вершин, в том числе правильный (рис. 10в);

- звездчатый многоугольник с заданным числом и длиной лучей, в том числе правильный (рис. 10г);

- ломаная линия, состоящая из прямолинейных сегментов (рис. 10д);

- кривая линия, сегментами которой являются параметрические полиномы третьей степени (в машинной графике они называются кривыми Безье) (рис. 10е).

Рис. 10. Виды элементарных графических объектов:

а - окружность и дуга окружности; б - круг и сектор; в - правильные выпуклые многоугольники; г - правильные звездчатые пятиугольники; д - линия из трех прямолинейных сегментов (ломанная); е - линия из двух сегментов в виде кривых Безье (кривая).

В качестве базовых конструктивных элементов или готовых знаков можно также использовать символы некоторых шрифтов, таких как Marlett, Wingdings, или других, специально созданных для этих целей шрифтов в форматах TrueType или PostScript.

Ломаные и кривые при создании элементов знака используются тогда, когда эти элементы невозможно представить с помощью других базовых графических объектов. В этом случае создание знака практически не отличается от обычного рисования на бумаге, только процесс создания линий с помощью «мыши» на экране дисплея более трудоемок и требует определенных навыков.

Для облегчения рисования можно воспользоваться следующим приемом.

Сначала создается изображение значка на бумаге (либо берется готовое), затем оно сканируется с нужным разрешением; полученное растровое изображение помещается на отдельный слой графического редактора и используется в качестве подложки при рисовании контура значка.

Применение кривых позволяет существенно сократить количество сегментов, необходимых для получения визуально гладкой линии (с плавным изменением кривизны).

Применение аффинных преобразований к графическому объекту позволяет изменить размер, положение и форму этого объекта (рис. 11).



Рис.11. Элементарные аффинные преобразования:

а - параллельный перенос на вектор; б - растяжение/сжатие вдоль координатных осей;

в - поворот на 130є относительно начала координат;

г - отражение относительно оси х; д - преобразование сдвига вдоль оси х.

Каждое из элементарных преобразований можно выполнить одним из двух способов.

В первом из них можно интерактивно изменять параметры преобразования с помощью движения «мыши», непосредственно наблюдая за изменением положения или формы объекта. Преимущество такого способа - его наглядность, а недостаток - невозможность получить точные значения коэффициентов преобразования.

Второй способ позволяет сначала задать точные параметры преобразования, а затем применить его к графическому объекту. Для выполнения параллельного переноса необходимо ввести новые координаты точки привязки объекта или задать координаты вектора, на который осуществляется перенос. Поворот относительно произвольного центра задается указанием координат центра поворота и угла поворота (положительное значение угла соответствует вращению против часовой стрелки). Центр поворота по умолчанию обычно находится в центре объекта. Для выполнения растяжения/сжатия вдоль координатных осей можно задать новые размеры объекта (в этом случае коэффициенты растяжения/сжатия будут вычислены автоматически) или непосредственно задать сами коэффициенты. Преобразование сдвига обычно задается не коэффициентом, а углом, на который поворачиваются перпендикулярные направлению сдвига прямые, при этом коэффициент Sх или Sу равен тангенсу этого угла.

Операцию группировки графических объектов используют в том случае, когда требуется выполнить некоторое преобразование целой группы объектов, не меняя их взаимного расположения.

Привязка положения графических объектов к сетке позволяет значительно облегчить процесс совмещения различных элементов знака, особенно если они имеют вид прямоугольников.

С помощью упорядочивания можно установить последовательность отрисовки графических объектов, что позволяет использовать при создании знака такой прием, как перекрытие (наложение).

Операция выравнивания позволяет разместить несколько графических объектов таким образом, что их верхние, нижние, левые, правые границы или центры будут расположены на одной вертикальной или горизонтальной линии.

Операция распределения позволяет разместить несколько объектов равномерно вдоль горизонтальной или вертикальной осей. Под равномерностью могут пониматься одинаковые расстояния между соответствующими границами объектов, между центрами объектов или равные промежутки между объектами.

Применение операций над множествами позволяет создавать из простых графических объектов более сложные, не прибегая при этом к трудоемкому процессу рисования линий.

Примеры использования операций пересечения, объединения и вычитания показаны на рис. 12.

Рис. 12. Применение операций над множеством (серым цветом показан результат применения операции):

а - использование разности кругов для получения серпа;

б - использование пересечения двух кругов для получения линзы;

в - использование объединения двух прямоугольников для получения креста.

Программирование особенно эффективно при создании структурных знаков, где требуется точное соответствие между размером, цветом или формой элементов знака и отображаемыми с их помощью количественными или качественными характеристиками картографируемых объектов.

Картографические блоки ГИС обычно снабжаются готовыми средствами для создания структурных знаков нескольких наиболее часто используемых видов (столбиковые, круговые диаграммы и др.), размер и цвет элементов которых непосредственно зависят по тому или иному закону от параметров картографируемого объекта в базе данных.

Некоторые графические редакторы общего назначения (Adobe Illustrator) также имеют встроенные средства для создания нескольких стандартных видов диаграмм. При этом значения параметров можно вводить в виде таблицы или импортировать из базы данных. При отсутствии возможностей для построения диаграмм можно использовать средства так называемой «деловой графики» из популярных офисных программ, например Ехсе1, а затем копировать полученные рисунки в графический редактор. Примеры создания знаков с использованием перечисленных выше приемов приведены на рис. 13.

Рис. 13. Последовательность действий при создании знака «атом»

а - создание элементарного графического объекта «окружность»;

б) получение эллипса путем растяжения копии окружности в три раза вдоль вертикальной оси; в) поворот копии эллипса на угол 60°; г) поворот копии эллипса на угол --60°;

д) уменьшение копии окружности в два раза и закраска круга методом градиентной радиальной заливки; е) выравнивание графических объектов.

6. Способы построения линейных картографических знаков

Возможности создания линейных знаков существенно отличаются в разных программах. Общими, базовыми способами являются: выбор цвета, толщины и шаблона штрихов (для создания штрихпунктирной линии).

Цвет линии можно задавать, пользуясь любой из цветовых моделей, предусмотренных программой (RGB, CMYK, HSB и другие).

При создании утолщенной линии задается ее толщина, единицы измерения (миллиметры, дюймы, пункты и т.д.) и способ построения. Большинство программ рисует утолщенные линии как площадной объект, т.е. сначала создается некоторый контур вокруг осевой линии, который затем закрашивается. Существует несколько вариантов создания такого контура. Они отличаются формой в концевых точках линии, а также формой соединения во внутренних точках. Наиболее употребителен способ построения с закруглениями в концевых и внутренних точках.

Для создания штрихпунктирной линии необходимо задать шаблон штрихов и промежутков. При отображении такой линии штрихи рисуются выбранной толщины и цвета.

Многие линейные знаки могут быть получены путем наложения линий, созданных с помощью базовых средств. Знак «дорога» получен путем наложения двух утолщенных линий разного цвета, причем толщина верхней линии меньше (рис. 14а). Знак «железная дорога» (рис. 14б) получен наложением трех базовых типов: двух утолщенных сплошных линий и одной утолщенной штрихпунктирной.

Рис. 14. Способы создания сложных линейных знаков

а) двойная линия - результат наложения двух линий разной толщины и цвета;

б) знак «железная дорога» - наложение трех линий - двух утолщенных и одной штрихпунктирной.

С помощью базовых средств, даже используя наложение, можно получить лишь весьма ограниченный набор линейных знаков. Создание сложных знаков произвольного рисунка может быть сопряжено с большими трудностями. Специфические возможности по созданию линейных знаков произвольного рисунка можно рассмотреть на примере инструмента «кисть» (brush) программы Adobe Illustrator (рис. 15).



Рис. 15. Создание линейных знаков с помощью инструмента «кисть» в пакете Adobe Illustrator

а -- исходная линия; б -- шаблонная кисть (pattern brush); шаблон состоит из трех элементов (сверху вниз): первая концевая точка, последняя концевая точка, середина линии; в -- рассеивающая кисть (scatter brush ); шаблон представляет собой окружность; г -- художественная кисть (art brush); шаблоном является трапеция.

«Кисть» представляет собой некоторый шаблон (в качестве шаблона может быть использован любой графический объект), размещаемый вдоль линии тем или иным способом. В зависимости от способа размещения различаются три вида инструмента «кисть»: шаблонная кисть (pattern brush) рассеивающая кисть (scatter brush), художественная кисть (art brush).

Шаблонная кисть последовательно укладывается вдоль линии, изгибаясь в соответствии с ее формой. Шаблон для этого способа может состоять из отдельных элементов для разных частей линии (средняя часть, концевые точки, точки поворотов под прямым углом). На рисунке 15б показано, как с помощью инструмента «шаблонная кисть» можно создать линейный знак «государственная граница». Особенно удобен инструмент «шаблонная кисть» при создании художественных внешних рамок.

В способе рассеивающая кисть шаблон также укладывается вдоль линии, но, в отличие от предыдущего случая, не изменяет свою форму. Полезна для создания картографических линейных знаков возможность задания промежутков между шаблонами и автоматического поворота шаблона в соответствии с углом наклона касательной к линии (рис.15в).

В способе художественная кисть шаблон растягивается вдоль всей линии, трансформируясь в соответствии с ее формой. Этот инструмент очень удобен при создании линейных знаков, изменяющихся по каким-либо правилам в зависимости от расстояния до начала линии, если в качестве шаблона взять трапецию (рис. 15г).

Такие линии используют при отображении гидросети на мелкомасштабных картах, где толщина реки плавно увеличивается от истока реки к устью.

7. Способы построения площадных картографических знаков

Наиболее общие средства создания площадных знаков - это заливка цветом (color fill, uniform fill), заполнение шаблоном (pattern fill, teхture fill, ) и градиентная закраска (gradient fill, fountain fill).

Заливка цветом (рис. 16а) является самым простым способом и имеется во всех программах. Необходимо задать только цвет закраски, пользуясь любой из доступных цветовых моделей. Инструмент «заливка цветом» позволяет создавать площадные знаки, различающиеся по светлоте и цвету.

Заполнение шаблоном также встречается практически во всех программах. Шаблон представляет собой растровое или векторное изображение, обычно прямоугольной формы, которое укладывается внутри области наподобие плитки (рис. 16б).

Большинство программ, как правило, содержат набор готовых шаблонов. Реализация заполнения шаблоном может существенно отличаться в разных программах. Ряд программ поддерживают только растровые шаблоны, при этом пиксели растрового изображения закрашиваются.

Созданный с помощью такого шаблона площадной знак перекрывает все лежащее под ним изображение, что не позволяет его использовать при отображении частично перекрывающихся площадных объектов. Для картографических площадных знаков предпочтительнее способ заполнения векторным шаблоном, в котором закрашивается только векторный рисунок, а остальная часть прямоугольника шаблона, в отличие от растрового, не закрашивается. В этом случае объекты, лежащие снизу, не перекрываются.

Часто используется способ штриховки (рис. 16в), но в большинстве программ он не реализован. Для имитации штриховки, как правило, используется способ заполнения шаблоном и готовый набор соответствующих шаблонов входит в стандартную комплектацию программ. При таком подходе все недостатки, свойственные растровому шаблону, характерны и для штриховки. При использовании векторных шаблонов можно получать различные штриховки хорошего качества.

Рис. 16. Построение площадных условных знаков, различающихся:

а) по светлоте (заливка цветом);

б) по внутренней структуре (заполнение шаблоном);

в) по светлоте с использованием штриховки.

Еще один способ получения штриховки - использование операции пересечения. Для этого нужно сначала создать набор параллельных отрезков с необходимым расстоянием между ними, затем повернуть эти отрезки на угол, соответствующий направлению штриховки и переместить так, чтобы они целиком покрывали площадной объект, который предстоит заштриховать (количество отрезков и их длина должны быть подобраны соответствующим образом).

Способ градиентной закраски (рис. 17) представлен в основном в графических программах общего назначения и является модификацией способа заливки цветом, в которой используется не постоянный цвет, а изменяющийся по тому или иному закону. Существует несколько видов градиентной закраски.

Рис. 17. Применение градиентной закраски для придания элементам объемности - а) линейной и б) радиальной.

Наиболее часто встречаются линейная и радиальная. В способе линейной градиентной закраски цвет области плавно изменяется от одного фиксированного значения к другому вдоль заданного направления. В способе радиальной градиентной закраски изменение цвета происходит от некоторой заданной точки во всех направлениях. Количество фиксированных цветов может быть любым. Градиентная закраска с успехом используется при создании художественных знаков и, в частности, для придания элементам знака объемности. картографический знак линейный точечный

Универсальным средством, позволяющим создавать линейные и площадные знаки любой сложности, является создание собственных программных модулей с использованием встроенных языков программирования или графических библиотек. Правда, это средство требует наличия хороших знаний в области программирования и вычислительной геометрии.

При выборе программного обеспечения следует руководствоваться возможностями программ по построению картографических знаков для выбранной системы условных обозначений. При необходимости допускается проектирование условных знаков исходя из возможностей конкретной программы, а также возможностей предполагаемого устройства вывода (устройства вывода могут отличаться по своему разрешению и возможностям цветопередачи). В частности, при создании знаков для карт, размещаемых в сети Интернет, устройством вывода является дисплей, имеющий сравнительно низкое разрешение и большие возможности цветопередачи. Очевидно, что система условных обозначений для таких карт должна существенно отличаться от той, которая может быть использована в картах, предназначенных для печати на цветном принтере или полиграфическом оборудовании.

Размещено на Allbest.ru

...