Цифровое изображене карт в MapInfo



СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Введение

3

1

Разработка классификатора условных знаков

5

2

Улучшение качества растрового изображения

7

2.1

Регистрация растрового изображения

7

2.2

Оценка качества растрового изображения

9

2.3

Расчет калибровочных  пар

13

2.4

Калибровка изображения в програмном обеспечении Spotlight Pro

16

3

Векторизация

22

3.1

Создание слоев

22

3.2

Библиотека условных знаков

24

3.3

Особенности графического редактирования

25

4

Создание отчёта

30

 

Заключение

31

 

Список литературы

32

 

Приложение А – Цифровая топографическая карта M-44-XXXVI

33

 

Приложение Б – Классификатор условных знаков, применяемых для создания цифровой топографической карты M-44-XXXVI в масштабе 1:200000

34

 

Приложение В –  Прямоугольные координаты калибровочных пар

41


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Целью в данной курсовой работе является освоение методов создания цифровой модели карт таким способом, как преобразование растрового изображения в векторное.

Задачи курсовой работы следующие:

- разработка классификатора;

- улучшение качества растрового изображения методом калибровки;

- разработка библиотеки условных  знаков;

- векторизация растровой карты с помощью ГИС MapInfo Professional;

- создание легенды и отчёта.

Для выполнения работы будут кроме MapInfo использованы следующие программы:

- Spotlight Pro 7.0 – для калибровки растрового изображения карты;

- PHOTOMOD GeoCalculator – для пересчёта геодезических координат в прямоугольную систему координат;

- модуль MICAD – для построения линейных объектов со сглаживанием в MapInfo;

- модуль GridMaker – для построения градусной и километровой сеток в MapInfo.

MapInfo Professional - это геоинформационная  система, позволяющая создавать  и анализировать карты стран,  территорий, районов, городов и  вообще всего, что может рассматриваться  как карта или план. Созданная электронная карта может быть отображена различными способами, в том числе в виде высококачественной картографической продукции. Кроме того, MapInfo позволяет решать сложные задачи географического анализа на основе реализации запросов и создания различных тематических карт, осуществлять связь с удаленными базами данных, экспортировать географические объекты в другие программные продукты и многое другое.

Основные возможности MapInfo:

- работа с векторными данными и связанной с ними тематической информацией;

- возможность редактирования картографической информации, в том числе по снимкам, используя их в качестве растровой подложки;

- просмотр данных в любом количестве и по-разному представленных, в виде окон трех видов: Карта, Список и График.

Технология синхронного представления данных позволяет:

- открывать одновременно несколько окон, содержащих одни и те же данные, причем изменение данных в одном из окон сопровождается автоматическим изменением этих данных во всех остальных окнах;

- разнообразные средства визуализации информации с помощью создания тематических карт;

- изменение проекций карт;

- составление запросов разной сложности: от простых выборок из отдельных файлов до сложных SQL - запросов по нескольким файлам;

- прямой доступ к файлам, созданным в dBase или графических файлах различных форматов.

MapInfo совмещает преимущества  обработки данных, которыми обладают  базы данных (включая мощный язык  запросов SQL), и наглядность карт, схем и графиков. В программном  продукте совмещены эффективные средства анализа и представления данных.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 РАЗРАБОТКА КЛАССИФИКАТОРА УСЛОВНЫХ ЗНАКОВ

 

Для выполнения курсовой работы было выдано растровое изображение  карты с номенклатурой M-44-XXXVI в масштабе 1:200000.

Растровое изображение  представляет собой матрицу элементов  – пикселов. Каждый пиксел характеризуется  размером, тоновым значением, глубиной цвета и позицией. Редактирование растровых изображений заключается  в изменении цвета определенной группы пикселов, тем самым достигается изменение формы объектов. Разрешение изображения, сохраненного в виде файла, называют графическим разрешением. Оно измеряется в PPI (pixels per inch) - пикселах на дюйм и определяет, из какого количества пикселов на единицу измерения состоит изображение. Разрешение исходного изображения карты составляет 3121х3191.

Формат исходного  растрового изображения карты – JPEG (Joint Photographic Experts Group). Этот формат возник как формат сжатия файлов. При каждом сохранении в JPEG происходит потеря качества, т.к. в данном формате применяется алгоритм сжатия изображений с потерей качества. Размер файла может быть уменьшен в десятки раз (степень сжатия задается пользователем). Использование в полиграфии нежелательно. В любом случае, в формате JPEG следует сохранять только конечный вариант работы, поскольку каждое новое сохранение приводит к дополнительным искажениям данных.

На данной карте  изображён участок территории бывшей Семипалатинской и Восточно-Казахстанской областей. Примерно половину карты – нижнюю и центральную части – занимает Бухтарминское водохранилище. По западной части карты проходит граница между территориями Семипалатинской и Восточно-Казахстанской областями. На северо-восточном побережье водохранилища расположен город Курчум. Кроме этого населённого пункта на территории суши на данной карте находится множество посёлков, сёл, ферм, зимовок и других мелких населённых пунктов. Южнее Курчума находится обширная сеть каналов орошения. Севернее Курчума находится крупная река Курчум, по берегам которой находятся сплошные заросли кустарника. К гидрографии этого района также относятся множество рек, озёр и заболоченных местностей.

На территории района, показанного на карте, находится  дорожная сеть, представленная шоссейными дорогами, а также грунтовыми, полевыми и просёлочными дорогами. Также на карте присутствуют пункты сети триангуляции 4 класса.

По условным знакам, которые использовались при  составлении карты, составляется классификатор.

Классификатор условных знаков – это совокупность условных знаков, применяемых для создания топографических электронных карт, а также их тип, подтип, радиус и уникальный код.

Код для условных обозначений разрабатывается согласно классификационному кодированию, которое делится на два вида:

1. Параллельное – основано  на фасетной классификации.

2. Последовательное –  основано на классификации по  иерархической системе.

В классификаторе по выданной карте M-44-XXXVI использован последовательный вид классификационного кодирования, а в частности его подвид – десятичное кодирование. Данный способ кодирования предусматривает поразрядное закрепление в коде определённого признака. Разрядность признака определяется количеством номенклатур в списке. В каждом списке признак номенклатуры принимает порядковое значение. Последовательное соединение значений признаков отдельной номенклатуры списка составляет кодовое значение.

Классификатор оформлен в виде таблицы, состоящей из 5-и граф:

1) изображение;

2) код;

3) классы объектов  и их подтипы;

4) условные знаки  для отображения подтипов объектов по способу их локализации (точечный, линейный, площадной);

5) радиус;

6) векторное изображение.

Классификатор содержит 59 условных знаков, которые разделены на 7 уровней:

01 – Населённые пункты

02 – Отдельные местные предметы;

03 – Дорожная сеть;

04 – Гидрография;

05 – Рельеф;

06 – Растительный покров и грунты;

07 – Границы.

Каждый уровень классификатора соответствует отдельному слою векторного изображения карты в программе MapInfo и содержит в себе объединённые по какому-либо признаку условные знаки.

Разработанная таблица  классификатора условных знаков представлена в приложении Б. Использование знаков, представленных в этом классификаторе, можно увидеть в приложении А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Улучшение качества растрового изображения

 

2.1 Регистрация  растрового изображения

 

Для того чтобы открыть  и зарегистрировать растровое изображение  карты в программе MapInfo из меню «Файл» нужно выбрать команду «Открыть таблицу», в результате появится диалоговое окно. Необходимо выбрать тип файла – «Растр», указать имя файла и открыть его, используя кнопку «Открыть». После этого на экране появляется еще одно диалоговое окно, которое позволяет выбрать режим работы с изображением: «Показать» или «Регистрировать» (рисунок 1).

 

 

Рисунок 1 – Окно выбора режима работы с изображением

 

«Показать» - изображение  будет показано в окне карты в  условной системе координат.

«Регистрировать» - предлагается выполнить регистрацию изображения, т.е. задать координаты минимум трех точек изображения в выбранной  системе координат.

Для того чтобы зарегистрировать растровое изображение при открытии изображения, необходимо выбрать «Регистрировать». Либо открыв незарегистрированное изображение  в главном меню выбрать «Таблица», затем «Растр», затем «Регистрация». В результате появляется диалоговое окно "Регистрация изображения".

Регистрация, по сути, является основой для математического  преобразования данных, представленных в одной координатной системе (в  нашем случае «подпиксельной системе координат»), в другую систему координат (Гаусса-Крюгера, Пулково 1942, GK зона 14) таким образом, чтобы на полученный результат можно было накладывать корректно другие слои информации.

При регистрации растрового изображения очень важно точно  наводить курсор на опорные точки. Если опорные точки размещены правильно, MapInfo будет показывать растровое изображение без искажений и поворотов. При наложении векторных данных MapInfo, таким образом, трансформирует векторную информацию, чтобы добиться правильного взаимного расположения растра и векторных слоев.

На первом этапе (рисунок 2) выбирается картографическая проекция – Гаусса-Крюгера (Пулково 1942, GK зона 14), и единицы измерения – метры.

 

 

Рисунок 2 – Окно выбора проекции

 

Затем курсором мышки нужно указать на точку изображения. Появится диалоговое окно «Добавить опорную точку», в котором задают координаты точки (измеренные на карте или полученные из других источников). Точка будет помечена в окошке изображения. Для того чтобы зарегистрировать карту, необходимо ввести координаты, по крайней мере, трех опорных точек; но если проекция изображения неизвестна, то число точек должно быть значительно больше. В процессе регистрации нового растрового изображения, в диалоговом окне "Регистрация изображения" для опорных точек выдаются значения погрешностей регистрации. Под погрешностью понимается разница между реальным положением точки на изображении и заданными координатами Х и У. Очень важно, чтобы значение погрешности было как можно меньше. При больших погрешностях регистрации возникнут отклонения при совмещении растрового и векторных слоев. Для того чтобы добиться максимальной точности при указании координат опорных точек, необходимо увеличить изображение (кнопка +). Размещение опорных точек, их координаты и получившуюся погрешность можно увидеть на рисунке 3.

Точность регистрации  можно увеличить за счет большего числа опорных точек. При слишком  большой погрешности регистрации  надо ввести изменения в координаты опорных точек. Для этого выбирается запись о точке в верхней части диалога «Регистрация изображения» и выбирается другое расположение точки на карте.

 

 

Рисунок 3 – Окно регистрации растрового изображения

 

Регистрация растрового изображения выполняется только один раз. В дальнейшем эта информация будет храниться в файле с расширением tab.

 

2.2 Оценка качества растрового изображения

 

Для того чтобы сделать  оценку качества растрового изображения  карты M-44-XXXVI, необходимо сначала определить её графическую точность. Это нужно, чтобы затем сравнить полученные погрешности с максимально допустимой ошибкой.

Предельная точность масштаба — это отрезок горизонтального проложения линии, соответствующий 0,1 мм на плане. Значение 0,1 мм для определения точности масштаба принято из-за того, что это минимальный отрезок, который человек может различить невооруженным глазом. Для масштаба 1:200 000 точность масштаба будет равна 20 м. В этом масштабе 1 см на плане соответствует 200 000 см (2000 м) на местности, 1 мм — 20 000 см (200 м), 0,1 мм — 2000 см (20 м). Чтобы получить графическую точность масштаба, необходимо полученное значение умножить на 2. Таким образом, графическая точность масштаба 1:200 000 составляет 40 м.

Чтобы оценить точность изображения, для зарегистрированной в программе MapInfo растровой карты строим километровую и градусную координатные сетки. Для построения сеток используется модуль GridMaker. Чтобы запустить этот модуль, необходимо выбрать пункт «Каталог программ» из меню «Программы». В результате откроется диалоговое окно «Каталог программ» (рисунок 4). Из списка доступных модулей выбирается GridMaker и ставится напротив него галочка в графе «Загрузить».

 

 

Рисунок 4 – Окно каталога программ

 

Далее нужно нажать кнопку ОК. В результате появится дополнительная панель инструментов «Программы» (рисунок 5).

 

 

Рисунок 5 – Панель инструментов модуля GridMaker

 

Теперь, чтобы создать километровую сетку, нажимается пиктограмма «Создать сетку». После нажатия нужно выделить область, для которой будет строиться сетка. После того, как область была определена, открывается диалоговое окно «Создать сетку» (рисунок 6). Проекцию в этом случае выбирать не нужно, изначально установлена та проекция, в которой зарегистрировано изображение – Гаусса-Крюгера (Пулково 1942, GK зона 14),  и единицы измерения – метры. Чтобы создать километровую сетку, которая изображена на растре, в поля «Север», «Юг», «Восток», «Запад» вводятся соответствующие координаты. Восток и запад будут ограничены максимальными и минимальными соответственно координатами Х. Север и юг – координатами Y. Шаг линий составляет 4000 метров. Затем выбирается путь каталога, в который необходимо сохранить сетку, и нажимается кнопка ОК. Диалоговое окно с введёнными значениями представлено на рисунке 6.

 

 

Рисунок 6 – Окно создания километровой сетки

 

В результате на растровое  изображение карты ложится километровая сетка, состоящая из 289 ячеек. Но даже при масштабе 1:200000 видно, что в некоторых местах созданная сетка не совпадает с той, что изображена на растре. При 8-микратном увеличении несовпадения видны отчётливо (рисунок 7).

 

 

Рисунок 7 – Несовпадение цифровой километровой сетки с растровой при 8-микратном увеличении

 

Измерив инструментом «Линейка»  расстояние между цифровой координатной сеткой и растровым изображением этой же сетки, получилась погрешность, равная 185 м. При том, что допустимая погрешность составляет 40 м, можно сделать вывод, что растр имеет значительные искажения, и дальнейшая работа с ним невозможна, т.к. погрешность будет составлять больше допустимого значения. Для устранения искажений необходимо произвести калибровку растрового изображения. Калибровка – это устранение линейных и нелинейных искажений растрового изображения.

Для того чтобы окончательно убедиться в том, что калибровка необходима, построим также градусную координатную сетку. Для этого нужно выбрать меню «Программы», затем нажать «Создать градусную сетку» и выбрать пункт «Создать сетку». Откроется диалоговое окно, изображённое на рисунке 5. Чтобы создать градусную сетку, необходимо изменить проекцию. Нажатием кнопки «Проекция» открывается диалоговое окно «Выбор проекции» (рисунок 8). Необходимо выбрать из списка геодезическую систему координат «Долгота/широта (Пулково 1942)». Нажатием кнопки ОК сохраняются выбранные настройки.

 

 

Рисунок 8 – Окно выбора проекции

 

 Из списка, открывшегося нажатием кнопки раскрытия в поле выбора единиц измерения, нужно выбрать градусы. Т.к. на карте шаг линий градусной сетки составляет 1´, в поле «Шаг линий» вводится значение 0,0166667. Аналогично созданию километровой сетки, в поля «Север», «Юг», «Восток», «Запад» вводятся соответствующие геодезические координаты. Затем указывается путь каталога, в который нужно сохранить сетку, и вводится её имя. Диалоговое окно создания градусной сетки с введёнными значениями представлено на рисунке 9.

 

 

Рисунок 9 – Окно создания градусной сетки

 

После нажатия кнопки ОК на растровое изображение карты ложится градусная сетка, состоящая из 2460 ячеек. Так же, как и в случае с километровой сеткой, при 8-микратном увеличении несовпадения созданной градусной сетки с той, которая изображена на растре, видны очень отчётливо (рисунок 10).

 

 

Рисунок 10 – Несовпадение цифровой градусной сетки с растровой при 8-микратном увеличении

 

Измерив инструментом «Линейка» расстояние между цифровой координатной сеткой и растровым изображением этой же сетки, получилась погрешность, равная 166 м.

Таким образом, можно определить, что погрешность километровой сетки составляет около 140 метров, а погрешность градусной сетки – около 120 метров. Построив 2 координатные сетки – градусную и километровую – и увидев и оценив искажения, можно сделать вывод, что калибровка растрового изображения необходима.

 

2.3 Расчет калибровочных  пар

 

Для выполнения калибровки необходимо к уже известным точкам пересечений километровой сетки добавить точки пересечения градусной сетки с рамкой трапеции. Но для того, чтобы ввести эти точки, необходимо узнать их координаты в прямоугольной системе координат. Известны лишь их геодезические координаты. Для пересчёта геодезических координат углов рамки трапеции и точек пересечения осевого меридиана листа с верхней и нижней стороной трапеции в прямоугольную систему координат, используемую на обрабатываемой карте, можно использовать любую доступную программу вычисления координат. При выполнении курсовой работы использовалась программа PHOTOMOD GeoCalculator.

Для работы в данной программе необходимо сначала создать текстовый документ с расширением .txt, в котором введены  геодезические координаты пересечений градусной сетки с рамкой трапеции, углов рамки трапеции и центра листа карты. Причём:

А) координаты каждой точки вводятся с новой строчки;

Б) числа вводятся в следующем порядке - n, у, х;

В) между числами ставятся запятая  и пробел.

В результате получилось 202 точки. После создания этого документа можно выполнять пересчёт координат. Для этого нужно запустить GeoCalculator и в открывшемся окне нажать кнопку «Загрузить…».

В открывшемся окне загрузки файла выбирается созданный текстовый документ. Номера и координаты точек в табличном виде представляются в левом поле окна программы (рисунок 13).

После этого в том же левом поле окна программы нажатием кнопки «Выбор…» выбирается исходная система координат – «Широта-долгота Пулково 1942 – Геодезическая система координат» (рисунок 11).

 

 

Рисунок 11 – Окно выбора исходной системы координат

 

После выбора исходной системы координат в правом поле окна программы нажатием кнопки «Выбор…» выбирается прямоугольная координатная система, которая используется на данной карте (рисунок 12). Выбирается СК-42, т.к. на данной карте прямоугольная сетка построена по системе координат 1942 г., а для того, чтобы определить, к какой зоне относится карта, из второго числа в номенклатуре карты вычитается 30. Выполнив эти вычисления, можно определить, что данная карта находится в 14 зоне СК-42.

 

 

Рисунок 12 – Окно выбора требуемой системы координат

После всех проделанных действий можно  приступать к пересчёту координат. Для этого необходимо нажать кнопку «Вычислить». Результат можно увидеть на рисунке 13.

 

 

Рисунок 13 – Результат пересчёта геодезических координат в прямоугольные координаты

 

Сверив полученные прямоугольные  координаты с картой, нужно сохранить их нажатием кнопки «Сохранить…». Результат сохраняется в формате .txt.

Теперь, когда известны координаты углов рамки трапеции и точек пересечения осевого меридиана листа с верхней и нижней стороной трапеции в прямоугольной системе координат, можно выполнить калибровку растра по произвольному набору точек.

 

2.4 Калибровка изображения в програмном обеспечении Spotlight Pro

 

После того, как исходный растр был зарегистрирован в MapInfo, и были созданы километровая и градусная сетки, в некоторых участках карты были выявлены несовпадения линий координатных сеток, созданных в программе, и линий координатных сеток на растре. Эти несовпадения указывают на значительные искажения растра, и, следовательно, невозможно составить цифровую модель карты с необходимой графической точностью.

Для устранения искажений на исходном растре необходимо выполнить калибровку топографической  карты.

Калибровка используется для устранения произвольных (линейных и нелинейных) искажений растровых изображений.  Для выполнения калибровки необходимо сформировать список калибровочных пар – реальных (теоретических) и измеренных (фактических) координат точек растра. Калибровку топографических карт производить сложнее, чем калибровку топографических планов, т.к. на плане массивом калибровочных пар будет прямоугольная координатная сетка. В отличие от плана, рамка листа карты является проекцией меридианов и параллелей с эллипсоида на плоскость, и она не совпадает с прямоугольной координатной сеткой. В этом случае список калибровочных пар можно сформировать по следующим точкам:

    1. Углы рамки трапеции, центр листа карты.
    2. Перекрестья прямоугольной координатной сетки.
    3. Пересечения градусной координатной сетки с рамкой трапеции.

Для выполнения калибровки была выбрана программа Spotlight Pro 7.0.

Spotlight Pro 7.0 – это профессиональный гибридный редактор, предназначенный для работы с растровой и векторной графикой, векторизации и растеризации. Позволяет осуществлять полный комплекс работ со сканированными чертежами, картами, схемами и другими графическими материалами: значительно повышать их качество, устранять искажения, редактировать и создавать растровую и векторную графику, преобразовывать растровую графику в векторную форму.

При помощи Spotlight можно:

- сканировать документы, значительно повышать их качество и корректировать искажения;

- быстро вносить необходимые изменения в сканированный документ;

- одновременно работать как с растровой, так и с векторной графикой, используя технологию, привычную для пользователей САПР;

- векторизовать весь документ или необходимые фрагменты при помощи автоматической или полуавтоматической векторизации.

Эта программа имеет 10 методов калибровки, причём можно использовать автоматический выбор оптимального способа калибровки. В данной курсовой работе применяется 2 способа калибровки: использование сетки и использование произвольного набора калибровочных пар.

Перед тем, как начать калибровку растрового изображения в Spotlight Pro, необходимо задать для него систему координат. По умолчанию в новом документе Spotlight текущей является мировая система координат (МСК). Для задания пользовательской системы координат (ПСК) необходимо:

  1. выбрать пункт «Координатная система» в меню «Средства» или нажать кнопку , расположенную на панели инструментов «Настройки», в результате чего откроется окно «Координатная система» (рисунок 14);

 

 

Рисунок 14 – Окно создания координатной системы

 

  1. в закладке «Координатная система» открывшегося диалога нажать кнопку «Создать координатную систему» (рисунок 14);
  2. выбрать направление осей ПСК при помощи одного из пяти переключателей , для данной карты выбирается первый вариант направления осей;
  3. определить параметры ПСК в полях «Начало», «Угол» (угол наклона относительно оси Х) и «Масштаб».

Для удобства можно  сменить единицы измерения. Это  делается во вкладке «Единицы» окна создания координатной системы (рисунок 14). Устанавливаются метры, как единицы измерения линейных расстояний.

Начало координат  задаётся относительно точки с известными координатами на карте в следующем порядке: нажать кнопку поля «Начало», затем указать на экране точку с известными координатами, и затем ввести эти координаты в поле «В точке». За начало координатной системы можно принять нижнее левое перекрестье прямоугольной координатной сетки. Его координаты: 14652000, 5324000 м.

Для задания  угла наклона относительно оси Х  необходимо рассчитать угол сближения  меридиан.

Сближение меридианов γ (гамма) – это угол в данной точке  между ее меридианом и линией, параллельной оси абсцисс или осевому меридиану. Он рассчитывается следующим образом:

- для начала  рассчитывается номер зоны – N

 

                                                N = (L / 6º + 1),                                            (1)

                                       

где L – долгота данной точки;

- затем рассчитывается  долгота осевого меридиана зоны, в которой расположена точка – L0

 

L0 = 6º × N - 3º,                                             (2)

 

- и только потом  – угол сближения меридиан – γ

 

,                                           (3)

 

где L – долгота данной точки; L0  – долгота осевого меридиана зоны, в которой расположена точка; B – геодезическая широта данной точки.

Следует рассчитать величину угла сближения меридианов для 4 крайних точек карты. А затем рассчитать среднее сближение γср.

 

γср  = (γ1 + γ2 + γ3 + γ4 ) /4.                                    (4)

 

Результаты вычислений:

N = 14

γ1 = 1,486°

  L0 = 81°

γ2 = 1,502°

 

γ3 = 2,253°

 

γ4 =2,259°