Принципы оформления мультимасштабных общегеографических карт

Подольский А.С.*, Самсонов Т.Е.**Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова. Географический факультет,

кафедра картографии и геоинформатики.г.Москва, Россия, *toshkent - pse @ mail . ru , **tsamsonov @ geogr . msu . ru

Principles of multiscale basemaps designPodolsky A.S.*, Samsonov T.E.**

Lomonosov Moscow State University (MSU). Faculty of Geography, Department of cartography and geoinformatics.

Moscow, Russia, *toshkent-pse@mail.ru, **tsamsonov@geogr.msu.ru

Abstract. Multiscale mapping highly grew in popularity during 2000’s. Cartographic web services such as Google Maps, Microsoft Bing Maps, Yandex.Maps and OpenStreetMap are very diverse in their approach to multiscale data visualization. This study aims to reveal principles, which can be assumed as a basis for multiscale basemap design. Authors analyse various design hooks that can be found on traditional topographic map series and then criticize popular web services in the light of these foundings. The results help authors to formulate principles for high-quality multiscale basemap design. Finally a test fragment of multiscale basemap developed using these principles is presented.

1. Современное состояние мультимасштабного общегеографического картографирования.

На сегодняшний день в мультимасштабном картографировании можно выделить два ведущих направления исследований: генерализация данных и визуализация картографических представлений. Многие работы объединяют первое и второе направления традиционным картографическим способом, как объекты картографических моделей и их символику, некоторые предлагают принципиально новые взгляды на взаимодействие этих направлений [Bédard, Bernier, 2003], но подавляющее большинство рассматривает генерализацию данных отдельно от визуализации. Такая ситуация может быть связана с тем, что генерализация данных – очень трудоемкий процесс, формализация и автоматизация которого сложна, а для визуализации картографических представлений принято пользоваться классическими приемами с незначительными изменениями.

В ходе исследования наибольший интерес вызвали работы [Brewer, Buttenfield, 2007, 2009]. Так, в работе [Brewer, Buttenfield, 2009] рассмотрены вопросы баланса и взаимодействия генерализации данных и изменения графических средств. В этой публикации показано, что правильное взаимодействие этих двух средств позволяет добиться лучших результатов, чем при абсолютном преимуществе любой из них, что подтверждает необходимость развивать направление графических изменений, на данный момент проигрывающее в развитии генерализации данных.

В интернете публикуется все большее количество мультимасштабных общегеографических карт, при создании которых из-за большой трудоемкости генерализации данных и трудностей с поиском согласованных данных разной детализации предпочтение отдается графическим изменениям без их стандартизации. Это приводит к огромному разнообразию решений одинаковых проблем, и, как следствие, к коренным различиям в изображении одних и тех же объектов на разных картах, что, в свою очередь, ведет к снижению универсальности языка карты, которая не вызывает сомнений в классической картографии.

Сохранение универсальности языка карты требует выявления общих принципов и разработки конкретных приемов изображения и оформления. Это и является целью работы. Практическим результатом стали текстовые рекомендации к оформлению мультимасштабных общегеографических карт, а также оформленный фрагмент тестовой карты на территорию Центрального федерального округа РФ.

Разработка приемов оформления мультимасштабных карт будет более успешной в случае ее базирования на уже имеющемся опыте. В ходе исследования ряд общегеографических карт, как бумажных, так и электронных мультимасштабных, будет подвергнут анализу в отношении явлений, связанных с мультимасштабностью и иерархической структурой географического пространства.

Источниками информации для анализа системы отечественных топографических карт и ряда мелкомасштабных общегеографических карт послужили каталоги условных знаков и наставления по составлению карт [Условные знаки…, 1963, 1977, 1983, 1989], [Руководство…, 1978, 1980, 1985], [Наставление…, 1972]. Анализ позволил выявить следующие характерные явления:

1. Масштаб карты и ее охват тесно связаны между собой. В зависимости от этих показателей на карте отображаются и выделяются те или иные структурные уровни иерархических элементов ситуации.

2. Объекты одной партономии изображаются с применением одинаковых или постепенно меняющихся графических средств. При этом процесс генерализации носит спиралевидный характер:

обобщение геометрии и семантики объектов в рамках одного иерархического уровня завершается их систематизацией, позволяющей перейти на следующий уровень. Затем процесс повторяется снова, и так далее (Рис. 1).

Рис. 1. В процессе генерализации в пределах одного структурного уровня происходит «накопление» материала для перехода на следующий с использованием систематизации

(перехода от простых понятий к сложным).

3. С уменьшением масштаба падает значение подробных характеристик каждого отдельного объекта и возрастает значение систем объектов. Это приводит к сильным визуальным различиям топографических планов и карт более мелких масштабов. Для подчеркивания систем самих объектов используется большое количество разнообразных условных знаков, а также вариаций параметров шрифта, таких как кегль, начертание и цвет.

4. При уменьшении масштаба графические символы также уменьшаются, что создает иллюзию удаления от объекта. Этот же прием используется для подписей, но их размер меняется медленнее, чем размер символов.

5. Для отображения сложных объектов в средних и мелких масштабах используются графические имитации их реального устройства.

6. Один и тот же условный знак в разных масштабах может характеризовать явление количественно по-разному, то есть условные знаки постоянны для каждого раздела классификации объектов, но границы этой классификации меняются от масштаба к масштабу. Такой прием применяется при отображении речных сетей

7. В большинстве случаев при уменьшении масштаба система условных знаков упрощается вместе с классификацией объектов. Однако имеет место и обратное явление, когда комбинации простых символов, изображающие сложный объект, заменяются типологическими значками. Таким образом, функции нескольких условных знаков передаются новому набору символов, число которых соответствует количеству исходных комбинаций, т.е. превышает число символов в более крупном масштабе. Это явление имеет место при изображении песчаных грунтов и эолового рельефа (Рис. 2).

8. С уменьшением масштаба часть семантической информации об объекте переносится из его изображения в его подпись, посредством применения разных стилей шрифтов, что свойственно для средних и крупных масштабов. В то же время, в наиболее крупных масштабах часть информации, содержащейся непосредственно в тексте подписей, передается условным знакам объектов. Процесс обмена информацией условного знака и подписи носит двусторонний характер.

9. Прием уменьшения значка при уменьшении масштаба для достижения эффекта удаления применяется также и к надписям на карте, однако, размер надписей меняется медленнее, чем размер знаков. Мерой такой связи может служить отношение размера значка к высотке букв подписи. Чем мельче масштаб, тем меньше это отношение (Табл. 1).

Рис. 2. В крупных масштабах характер песчаной поверхности можно показать вариациями плотности заполнения, рисунком горизонталей и текстовыми пояснениями и характеристиками. Начиная

с масштаба 1:50 000 охарактеризовать поверхность указанными средствами уже невозможно, поэтому их функции передаются условному знаку типов песков, что приводит к его усложнению.

Табл. 1. Размеры подписи и значка объекта в разных масштабах.Города с населением 50 000 и более

Масштаб Значок, ммувеличение

значкаШрифт,

кегльШрифт,

ммувеличение

шрифтаЗначок/шрифт

1:1 000 000 2,2 2,2 0,83 2,7

3,6 1,35 1,6

1:500 000 3,2 1,5 2,6 0,98 1,2 2,7

4,4 1,65 1,2 1,9

1:200 000 3,2 1,0 2,8 1,05 1,1 3,0

4,6 1,73 1,0 1,9

В настоящее время наиболее популярным продуктом мультимасштабного картографирования являются картографические веб-сервисы, такие, как Google Maps, Miscrosoft Bing Maps и другие. Эти ресурсы рассчитаны на широкий круг потребителей и, как правило, не позволяют решать сложные специализированные задачи. Интерактивность таких карт ограничена регулировкой тематического содержания и просмотром информации о геокодированных объектах. Достаточно небольшая функциональность компенсируется скоростью работы с картой, что для среднестатистического пользователя представляет большую ценность, чем возможность решения сложных задач.

Содержание таких карт значительно отличается от содержания традиционных топокарт, что в первую очередь связано с различиями в назначении. Если топокарты являются наиболее полным картографическим документом, представляющим изученность страны, то публичные картографические сервисы носят популярный характер и содержат в себе только самый необходимый набор слоев и объектов. Как правило, рельеф не отображается вообще или отображается как вспомогательный элемент, степень подробности отображения природных явлений и их характеристик очень мала в сравнении с топокартами. Иногда это приводит к «пустым местам» в малозаселенных районах. Важно учесть, что белые пятна на публичных веб-картах связаны, как правило, не с непрофессионализмом картографов-создателей, а с отсутствием исходных данных, покрывающих территорию. Сложность изображения и разнообразие условных знаков на веб-картах в первую очередь приурочены к крупным городам.

При описании электронных мультимасштабных карт будет не совсем корректно оперировать понятием масштаба, более уместно использование термина «уровень детализации», однако такая замена не даст возможности сравнения с традиционными картами. Поэтому был выработан компромиссный вариант, при котором значения масштабов в схеме тайлов Google Maps округлены для упрощения их восприятия (Табл. 2). Приведенные далее в тексте значения масштабов условны.

Google Maps, Miscrosoft Bing Maps, Яндекс.Карты, OpenStreetMap, как наиболее популярные мультимасштабные сервисы, были подвергнуты анализу с точки зрения символики общегеографических карт.

Табл. 2. Масштабы топографических карт и карт веб-сервисов1

Масштабы топографических карт

Масштабы карт веб-сервисов

Округленные масштабы карт веб-сервисов

1:257 1:250

1:500 1:514 1:500

1:1 000 1:1 128 1:1 000

1:2 000 1:2 257 1:2 250

1:5 000 1:4 514 2:4 500

1:10 000 1:9 028 1:9 000

1:25 000 1:18 056 1:18 000

1:36 112 1:36 000

1:50 0001:72 224 1:72 000

1:100 000

1 Такие необычные масштабы обусловлены, по-видимому, использованием в США английской системы мер и искажениями проекции.

1:144 448 1:144 000

1:200 000

1:288 895 1:289 000

1:500 000

1:577 791 1:578 000

1:1 000 000

1:1 155 581 1:1 200 000

1:2 311 162 1:2 500 000

1:4 622 324 1:4 500 000

1:9 244 648 1:9 000 000

1:18 489 297 1:18 500 000

1:36 978 595 1:37 000 000

1:73 957 191 1:74 000 000

1:147 914 382 1:148 000 000

1:295 828 764 1:296 000 000

1:591 657 528 1:592 000 000

Яндекс.Карты [http://maps.yandex.ru].Карта имеет 18 масштабных уровней, самые крупные масштабы очень малоинформативны, что

характерно для большинства публичных мультимасштабных карт.Используется ряд интересных графических приемов. Так, в масштабе 1:18 000 подписи номеров

домов исчезают, а сами дома становятся полупрозрачными. Такой постепенный переход обеспечивает визуальное единство карты в разных масштабах.

В масштабах 1:72 000 и 1:144 000 происходит выделение дорожной сети с помощью семантической замены объектов: улицы 2 порядка отображаются знаком, ранее использовавшимся для улиц 3 порядка, улицы 3 порядка заимствуют условный знак у улиц 4 порядка. Улицы 1 порядка символики не меняют, а улицы 4 порядка становятся практически неразличимы.

Отличительной особенностью Яндекс.Карт является резкая смена содержания и символики в мелких масштабах. В масштабе 1:578 000. Структура застройки населенных пунктов не отображается вообще, в их пределах показываются только автомагистрали и важнейшие дороги. Но важнее всего то, то за пределами крупных населенных пунктов появляется множество дорог, не отображаемых даже в самых крупных масштабах. Таким образом, здесь мы имеем дело не с генерализацией данных крупных масштабов, а с полным изменением содержания карты и ее назначения – карта из общегеографической становится дорожной. Масштаб 1:4 500 000 становится второй переломной точкой. Теперь содержание карты меняется на административно-политическое с соответствующим цветовым оформлением, дорожная сеть становится второстепенной.

Google. Maps [ http://maps.google.ru/maps].Как и Яндекс. Карты, имеет 18 масштабных уровней, однако масштабный ряд начинается не с 1:2 250,

а с традиционного для топографических планов масштаба 1:500. Это как раз тот случай, когда содержание карты в самых крупных масштабах абсолютно идентично ее содержанию в более мелких масштабах, то есть переход от 1:2 250 к 1:1 000 и 1:500 осуществляется простым зуммированием с небольшим увеличением визуального веса линий за счет большей относительной толщины.

Основные графические приемы используются те же, что и в Яндекс.Картах, однако изменение облика карты в крупных масштабах происходит не столь плавно. Разгрузка изображения достигается прежде всего исключением подписей улиц и сужением линий, и только в масштабе 1:36 000 происходит значительная смена символики. В промышленных кварталах исключаются здания, здания в жилых кварталах теряют темную обводку и становятся слаборазличимы. Второстепенные улицы, до этого изображавшиеся яркими белыми линиями с обводкой, становятся тонкими серыми линиями, квартал как единица застройки теряет значение. Полностью же здания исчезают в масштабе 1:72 000.

В масштабе 1:289 000 происходят те же изменения, что и в Яндекс. Картах в масштабе 1:144 000, а именно: исключение подписей районов, семантчиеская замена улиц. Также исключаются подписи улиц.

Сервис Google.Maps. имеет несколько интересных особенностей. Одна из них – возможность переключения к цифровой модели рельефа с наложением космических снимков или гибридных изображений, а также 3D-моделей зданий. Кроме того, имеется режим Landscape, как и основной режим, представляющий из себя общегеографическую карту, однако, здесь упор сделан не на антропогенные элементы ситуации (населенные пункты, пути сообщения и т.д.), а на рельеф и растительность. На протяжении всего масштабного ряда отображается отмывка рельефа, в трех крупнейших масштабах (1:500,

1:1 000, 1:2 250) дополняемая горизонталями с сечением 20, 40 и 40 метров соответственно, но без послойной окраски. Цветом показана растительность (гораздо подробнее, чем в основном режиме). Содержание, являющееся ключевым в основном режиме, показано с помощью однообразной и неброской серой символики, и в крупных масштабах населенные пункты показаны менее подробно, исключены здания и самые мелкие улицы.

OpenStreetMap [http://www.openstreetmap.org/, http://openstreetmap.ru/].Имеет 19 масштабных уровней, самый крупный масштаб – 1:1 000. Информативность крупных

масштабов выше, чем на остальных сервисах и приближается к информативности топографических планов. Показаны даже мелкие инженерные сооружения (подземные переходы, лестницы и т.д.) и пешеходные тропы. Важной отличительной особенностью является то, что объекты, изображенные одинаково на других картах, здесь могут изображаться разными цветами, отражая характер пользования (жилые строения, административные, промышленные, и т.д.). Большое разнообразие и количество объектов в самых крупных масштабах выглядит достаточно естественно и не перегружает карту (карты других сервисов в самых крупных масштабах часто выглядят «пустыми»), однако с уменьшением масштаба до 1:9 000 – 1:18 000 постепенно появляется необходимость разгрузки карты.

Для отображения населенных пунктов в мелких масштабах применяется необычный прием: сам объект населенного пункта может быть еле заметен или не виден вообще, индикация присутствия его на карте происходит только за счет подписи.

По сравнению с остальными описанными сервисами, Open Street Map обладает наибольшей информационной насыщенностью, но, в то же время, визуально наиболее перегружен из-за большого количества объектов и пестрого цветового оформления. Отличительной особенностью этого сервиса является возможность свободного редактирования пользователями.

Microsoft Bing Maps [http://www.bing.com/maps/].Имеет 20 масштабных уровней. Первый из них — 1:250. Целесообразность столь крупного масштаба

сомнительна, учитывая крайне низкую информативность карты. Даже в самых крупных масштабах отдельные здания не показаны, исключение составляют только выдающиеся строения и ориентиры. Однако, присутствуют такие элементы ситуации, как пешеходные тропинки (присутствуют и в Open Street Map), а также условные знаки грунтов, что нехарактерно для большинства картографических веб-сервисов. По содержанию в крупных масштабах карта приближается к топографическим картам масштаба 1:25 000.

При отображении структуры населенных пунктов, как и в Яндекс.Картах, применяется прием семантической замены улиц, но несколько модифицированный. В масштабе 1:144 000 мелкие улицы не меняют символики, но начинают сливаться в сплошной серый фон, характеризуя плотность застройки в группах кварталов (Рис. 3), уменьшением масштаба это явление усиливается. Это явление наглядно демонстрирует неразрывность генерализации данных и изменения графических средств, их взаимопроникновение.

Рис. 3. Интенсивность серого заполнения групп кварталов отражает плотность сети улиц в них.

Описание каждого сервиса дало возможность выделить интересные приемы, общие черты и различия популярных мультимасштабных карт. И если сопоставление их между собой может показать их частные особенности, то включение в такое сравнение системы традиционных топографических карт позволит наглядно показать качественные отличия мультимасштабного картографирования.

Во избежание объемных текстовых выкладок, повторяющих, по большей части, вышеизложенное, сравнение было визуализировано в виде диаграммы (Рис. 4). Система топографических карт и каждая описанная мультимасштабная карта представлены в виде цветовых шкал, где одно деление соответствует

одному масштабному уровню, а цветом обозначено соответствие содержания и визуального восприятия определенным типам карт. Критериями для отнесения представления карты в отдельно взятом масштабе к тому или иному типу карт послужили:

Использование характерных способов изображения (например, пунсонов). Использование характерных приемов (например, семантическая замена объектов). Выделение тех или иных структурных уровней геосистем. Наличие или отсутствие определенных элементов ситуации.

Анализ и сравнение не только лишний раз продемонстрировали преимущества мультимасштабных карт, но и позволили выделить ряд проблем и общих положений.

Информационная емкость.При использовании традиционных способов изображения и графических приемов электронные карты

очень сильно отстают от бумажных в информационной емкости при одинаковой графической нагрузке. Причина кроется в следующем.

Традиционные бумажные карты – векторные изображения, для них не существует такого понятия, как разрешение для растровых изображений. Схожие функции, а именно – определение размера минимальной графической единицы, выполняет минимальная толщина линии. В случае электронных карт векторные данные выводятся на монитор, т.е. на растровое выводящее устройство, и человек видит растровое изображение с определенным размером пиксела.

Человеческий глаз состоит из множества светочувствительных клеток, т.е. по сути своей является растровым регистратором изображения. Однако мозг преобразует растровый сигнал, и в наше сознание поступает уже непрерывное изображение.

Т.к. изначально в нервную систему поступает растровый сигнал, любое изображения можно принять как растровое. В случае бумажных векторных карт разрешение будет определяться остротой человеческого зрения и будет несравнимо выше разрешения монитора. Действительно, даже самую тонкую линию человеческое зрение при должном приближении к изображению способно воспринять как площадной объект. Важно, что с приближением к изображению его качество не будет ухудшаться.

Размер пиксела монитора в среднем составляет 0,25 мм, то есть при отображении черной линии толщиной 0,1 мм на белом фоне, на мониторе мы увидим линию в 2,5 раза толще (визуально линия может восприниматься несколько тоньше за счет осветления оттенка, но этот прием эффективен для отдельно взятой линии или точки, в действительности на карте такое «утончение» линий не снизит графической нагрузки ).

Рис. 4. Сравнение популярных мультимасштабных карт и системы топографических карт.

Решением этой проблемы может служить использование новых графических приемов, которые позволяет реализовать компьютерная графика. Так, например, отображение рельефа горизонталями на электронных картах сильно загружает изображение. Но применение горизонталей не является необходимостью, ведь картометрические задачи, связанные с рельефом, не требуют его выведения на монитор. В качестве наглядной пластичной визуализации рельефа может применяться отмывка, реализация

которой стала достаточно простой задачей. Кроме того, тонкая настройка прозрачности отмывки позволяет сделать ее визуально легче, чем на традиционных картах.

Пространственная однородность.В традиционном общегеографическом картографировании пространственная неоднородность правил

и принципов изображения позволяет приспособить карту к самым разнообразным типам местности. Различные как количественные, так и качественные критерии часто бывают достаточно субъективны и зависимы от картографа.

Тенденция к абсолютной автоматизации в современном мультимасштабном картографировании значительно упрощает процесс создания карт, однако интеллект компьютерных систем на сегодняшний день не позволяет воссоздать все аспекты этого процесса. Так, например, пространственную неоднородность правил изображения очень трудно формализовать так, чтобы компьютер ее воспринял. Другой причиной однородности является непрерывность изображения карты. В случае бумажных карт одинаковые правила изображения могут использоваться в пределах одного листа, но мультимасштабные карты, как правило, охватывают значительные территории, и кроме формализации неоднородности, необходимо обеспечить плавные переходы. Кроме того, в отличие от топографических карт, мультимасштабные, как правило, имеют очень сильные искажения в средних и высоких широтах, что тоже требует изменения правил изображения и параметров генерализации в этих областях.

Изобразительные приемы и графические средства.Многие важные моменты, выделенные в системе топографических карт в тексте первой главы, имеют

место и в мультимасштабной картографии. Это касается как общих закономерностей, таких, как принципиальная схема процесса генерализации, так и конкретных изобразительных приемов.

Однако, не происходит полного заимствования. Например, в отношении информативности подписей традиционные топографические карты выгодно отличаются от популярных мультимасштабных. Это связано с тем, что компьютерные карты не требуют визуального отображения всей имеющейся об объектах информации, а также с ограниченными программными возможностями маскирования текста и особенностями выводящих устройств – мониторов, сужающими рамки шрифтового оформления. Также не используется прием фиксированных условных знаков при переменчивости границ классификации, характерный для речных сетей на топографических картах, что является одной из сторон известной «проблемы текущих рек».

Как уже было сказано выше, не стоит пренебрегать возможностями компьютерной графики при оформлении мультимасштабных карт. Такие эффекты, как прозрачность и тени, могут существенно улучшить читаемость надписей и снизить графическую нагрузку. Эффект внутреннего или внешнего свечения может подчеркнуть и выделить необходимые объекты. К сожалению, такие приемы используются достаточно редко. Отчасти тому виной недостаточно развитые оформительские блоки используемого программного обеспечения.

Отдельно стоит отметить тот факт, что компьютерная графика значительно расширяет возможности цветового оформления. Топографические карты печатались в лучшем случае в 8 красок с некоторым увеличением количества цветов за счет штриховок, а используемая для выведения на монитор цветовая модель RGB содержит более 16 млн цветов. Возможности работы с цветом активно используются в мультимасштабной картографии для выделения необходимых объектов и партономических уровней. Как правило, используется изменение светлоты и насыщенности. Такой прием не используется на бумажных картах не только из-за бедной палитры, но и из-за дифференцированности изображений в разных масштабах. Необходима возможность сопоставлять объекты по цвету, а это требует его минимальных изменений, тогда как мультимасштабные карты сохраняют визуальный контакт с ситуацией при смене масштаба.

2. Методика разработки приемов оформления для мультимасштабной карты России 1:144 000 — 1:18 500 000.

Мультимасштабная карта на территорию Центрального федерального округа РФ была оформлена с учетом всех плюсов и минусов как топографических, так и существующих мультимасштабных общегеографических карт и созданных на их основе рекомендаций к оформлению.

В процессе экспериментальной работы были использованы базы данных цифровых топографических карт масштабов 1:500 000 и 1:1 000 000, предоставленные компанией Дата+, а также данные OpenStreetMap. Каждая база данных включает в себя несколько групп слоев, выделенных по типам объектов. Группы слоев, в свою очередь, состоят из различного количества слоев, различающихся как содержанием, так и типом локализации объектов.

В связи с пониженной информационной емкостью электронных карт может быть показана не вся информация, имеющиеся на топографических картах. Предполагаемая целевая аудитория оформляемой карты – широкий круг пользователей, не имеющих специальной подготовки к использованию карт, поэтому

в эксперименте использовался определенный набор слоев, несколько отличающийся от содержания топографических карт (Табл. 3).

Табл. 3. Содержание тестовой картыГруппы слоев Слои Жизненный цикл2

Гидрография

Линейные (водотоки) 1:144 000 – 1:18 500 000

Линейные (гидротехнические сооружения) 1:144 000 – 1:289 000

Полигональные (водоемы и водотоки) 1:144 000 – 1:18 500 000

РастительностьПолигональные 1:144 000 – 1:18 500 000

Линейные 1:144 000 – 1:289 000

Грунты Полигональные 1:144 000 – 1:4 500 000

Автодорожная сетьЛинейные (автодороги) 1:144 000 – 1:18 500 000

Линейные (улицы в населенных пунктах) 1:144 000 – 1:1 200 000

Железнодорожный транспорт

Линейные (пути) 1:144 000 – 1:18 500 000

Точечные (станции и платформы) 1:144 000 – 1:2 500 000

Структура населенных пунктов

Полигональные (кварталы, массивы кварталов) 1:144 000 – 1:4 500 000

Полигональные (выдающиеся постройки) 1:144 000 – 1:578 000

Линейные (полосы застройки) 1:144 000 – 1:289 000

Населенные пунктыПолигональные 1:144 000 – 1:4 500 000

Точечные 1:1 200 000 – 1:18 500 000

Административно-территориальное деление

Линейные (границы) 1:144 000 – 1:18 500 000

Полигональные (только для подписей) 1:144 000 – 1:1 200 000

Все действия по подготовке и преобразованию данных, формированию картографического проекта производились в программном пакете ArcGIS 10.0 (в программах ArcCatalog и ArcMap). Для подготовки и преобразования данных использовался модуль ArcToolbox, для управления подписями – модуль Maplex.

Структура слоев мультимасштабных карт может быть различной, но в нашем случае использовалась группировка слоев по масштабным уровням с последующей группировкой по содержанию (возможен обратный вариант – первичная группировка по типу содержания, затем – по масштабу). Такая структура обеспечивает удобство работы при итеративной методике оформления:

1. Оформление наиболее крупного масштаба карты в соответствии с его географическим обликом2. Оформление последующих масштабов, основанных на тех же исходных данных с постепенным

изменением условных знаков, объектов, меняющих свою значимость при движении по масштабному ряду.

3. В наиболее мелких масштабах при использовании тех же исходных данных возможно использование отбора и обобщения, а также существенных изменений символики для обеспечения читаемости.

4. Если символика наиболее мелких масштабов была сильно изменена, то необходимо изменить символику нескольких предыдущих масштабов так, чтобы избежать резких изменений облика карты.

5. Переход к базе данных более мелкого масштаба.6. Повторение пунктов 1 – 4.7. Повторение пункта 4 для всего масштабного ряда.8. Завершающий контроль, тонкая настройка толщин линий и обводок, интенсивности цветов,

приоритетности подписей.

Генерализация данных сознательно использовалась по минимуму. Во-первых для того, чтобы узнать возможности изменения графических средств в мультимасштабном картографировании, во-вторых из-за отсутствия алгоритмов автоматизированной согласованной генерализации слоев. В масштабах, более мелких, чем исходные данные, использовался отбор по атрибутам, обобщение, исключение целых классов объектов.

2 Жизненный цикл (объекта или единицы представления) — совокупность уровней детализации, в пределах которых существует объект или его единица представления [Самсонов, 2007].

3. РезультатыРезультатами работы стали оформленный фрагмент общегеографической мультимасштабной карты

России и текстовые рекомендации к оформлению. Рекомендации коснулись следующих моментов оформления:

Изменение оформления полигональных объектовДля сохранения информативности при небольшой графической нагрузке необходимо по возможности

избегать ярких насыщенных цветов на всем масштабном ряду. Кроме того, общий облик карты можно менять, придавая подложке различные оттенки при минимальной насыщенности и максимальной светлоте.

Полигональные объекты, входящие в сложные партономические системы, в крупных масштабах требуют выделения каждого из них, чего можно добиться с помощью нейтрального светлого заполнения и более темной обводки. При уменьшении масштаба обводка чрезмерно загружает карту, но вместе с исключением обводки необходимо сделать полигоны темнее, чтобы избежать их «склеивания» и подчеркнуть структуру их взаимного расположения (Рис. 5). Также при уменьшении масштаба следует незначительно затемнять полигоны, не создающие сложных структур, но имеющие большое значение, например, полигоны территорий населенных пунктов. Полигоны таких объектов, как лесные массивы, могут не менять цвет на всем масштабном ряду, так как имеют большие размеры, и четкие их границы не столь важны. Однако, в мелких масштабах будет разумным сделать полигоны растительности менее насыщенными или даже полупрозрачными для уменьшения графической нагрузки. Таким же закономерностям подчиняются и тонкие линии (см. следующий параграф).

Рис. 5. Исключение обводки и уменьшение светлоты цвета заполнения полигонов при уменьшении масштаба.

Изменение оформления линийВозможности работы с толщиной линий, как и их визуальное восприятие на экране монитора

несколько иное, нежели линий, напечатанных на бумаге. Если линия на бумаге может быть практически любой толщины, то толщина линии на экране компьютера меняется скачкообразно. Особенно это заметно для наиболее тонких линий. Так, линии толщиной 0,1 и 0,6 пт отображаются одинаково, но при толщине 0,7 пт линия становится в два разе толще, и сохраняет толщину до значения 1,4 пт. Возможность отображения линии, толщина которой меньше размера пиксела, как и скачкообразность изменения толщины линии, связана с тем, что при выводе на монитор используется сглаживание (интерполяция цвета пикселов), которое «смешивает» цвет линии с цветом фона на границе их соприкосновения. Скачкообразность изменения толщины линии можно в некоторой степени компенсировать, несколько осветляя цвет линии при необходимости сделать ее тоньше (пример – грунтовые дороги, железные дороги, каналы,), а для линий толще 2-3 пт это явление уже не столь критично.

Широкие линии сложной структуры (с заполнением и обводкой) подчиняются другим правилам. Работать с их толщиной (как правило, более 3 пт) достаточно легко, но обязательно нужно следить за соотношением толщины линии и толщины обводки и менять их пропорционально. Даже незначительное изменение этого соотношения в пользу обводки приведет к подчеркиванию всей линии (соответственно, при изменении его в другую сторону линия может «потеряться»). Очень удобно использовать этот момент при оформлении дорожной сети и сети улиц. При уменьшении масштаба уменьшается толщина линии, но толщина обводки остается прежней или уменьшается крайне незначительно, что приводит к изменению соотношения и, как следствие, к подчеркиванию сети улиц. Таким образом, одновременно решается две задачи: сохранение разумной графической нагрузки за счет утончения линии и выделение необходимых объектов. Обводка вносит дополнительную штриховую нагрузку, и в мелких масштабах следует от нее избавляться. Чтобы избежать резких изменений, обводку можно постепенно делать более тонкой и менее контрастирующей с цветом внутреннего заполнения (как правило, изменения происходят с двух сторон: заполнение становится темнее, а обводка – светлее и тоньше) до полного ее исчезновения.

Для линейных знаков, использующих пунктирные линии или поперечные штрихи (железные дороги, просеки, пересыхающие реки, каналы) при уменьшении масштаба необходимо не только уменьшать толщину главной линии, но и увеличивать частоту и уменьшать ширину периодически повторяющихся элементов.

Общим для всех типов линий являются параметры изменения толщины. При уменьшении масштаба в два раза линию следует делать тоньше лишь на 20-30%, причем, чем толще линия, тем сильнее должны быть изменения. Конечно, эти цифры условны, и изменения могут быть неравномерны. Например, при смене структурных уровней толщина линий может изменяться достаточно резко или не меняться вообще. Так, при переходе от базы данных масштаба 1:500 000 к базе данных масштаба 1:1 000 000 толщина дорог почти не меняется, но это не приводит к их визуальному утолщению из-за значительной геометрической генерализации.

Изменение параметров значковСодержание мультимасштабных карт веб-приложений отличается от содержания топографических

карт, в частности, отсутствием множества антропогенных и природных точечных объектов и, соответственно, гораздо более редким применением значкового способа изображения. Значки могут применяться для показа населенных пунктов в мелких масштабах, а также для отображения дополнительной нагрузки.

Что касается оформления значков, оно кардинально отличается от топографических знаков. Чаще всего значки оформлены в едином стиле и представляют собой правильные геометрические фигуры, например, квадраты, с вписанными в них пиктографическими изображениями. Иногда цветом отображается категория, к которой относится объект. Такое стилевое единство возможно из-за того, что все эти значки относятся к достаточно однородным объектам – объектам инфраструктуры. Пунсоны населенных пунктов обычно сочетаются с отображением их полигонов и оформлены традиционно в виде окружностей (реже – квадратов), однако цвет, как правило, используется нейтральный.

Размер значков следует изменять примерно с той же скоростью, что и толщина линий – 20 – 30% при уменьшении масштаба в два раза. Пиктографические значки могут почти не менять своих размеров, но в этом случае они должны быть подвергнуты достаточно сильному отбору в соответствии со значимостью.

При использовании пунсонов рационально использовать уже описанный прием семантической замены объектов. Его смысл в данном случае состоит в том, что пунсоны для мелких населенных пунктов необходимо вводить в более крупных масштабах, чем для крупнейших городов. А в мелких масштабах, когда вводятся пунсоны для крупных населенных пунктов, мелкие уже подвергаются отбору. Таким образом, набор символов остается постоянным (или все символы уменьшаются пропорционально, сохраняя четкую преемственность от знаков предыдущего масштаба), а диапазон соответствующих им объектов «сдвигается» в сторону верхних позиций классификации. Подобный прием применяется для изображения речных сетей на традиционных топографических картах.

Изменение шрифтовШрифты опциональны по нескольким параметрам: гарнитура, кегль, начертание, цвет и т.д. В силу

особенностей отображения на мониторе, варьирование начертания подписей объектов одного класса разумно ограничить светлотой (нормальный, полужирный, жирный), применение нормального и курсивного варианта одного шрифта нежелательно, но допустимо. Предпочтительно пользоваться шрифтами без засечек, а также избегать подписей размером кегля меньше 7 пт. Кроме того, компьютерное оформление предоставляет возможность оперировать цветами шрифтов.

Большинство подписей на карте относятся к населенным пунктам. Они, как и на топографических картах, должны нести в себе информацию об объектах. Система кодирования этой информации в топографических картах очень удачна, и ее можно применить для мультимасштабных карт с минимальными изменениями:

Использовать шрифты без засечек для всех населенных пунктов (шрифты с подсечками допустимы только для особо крупных надписей при условии стилевого соответствия другим подписям на карте).

Вместо курсивного начертания для подписей ПГТ использовать прямое, но применить менее темный цвет букв, чем для подписей городов.

Для населенных пунктов сельского типа возможно использовать как прямое, так и курсивное начертание, но светлоту начертания переменить с жирной на стандартную.

В мелких масштабах, когда сельские населенные пункты не показываются, а графическая нагрузка возрастает, подписи городов следует показывать в стандартном написании вместо полного заглавного, а градации городов по населению и административному значению разделять соответственно светлотой начертания и светлотой цвета.

Для всех подписей следует применять тонкую светлую обводку цвета подложки. Кегль подписей при уменьшении масштаба меняется на 1 пт при самых мелких, на 1-3 пт при средних и более 3 при самых крупных размерах шрифтов. Точные значения зависят от многих параметров и подбираются визуально. При настройке подписей можно использовать веса, чтобы задавать приоритеты тем или иным объектам или подписям. Также необходимо обращать внимание на значение подписываемых объектов в каждом масштабе и пользоваться принудительным показом подписей для ключевых объектов, этот принцип реализован для подписей крупных населенных пунктов.

Баланс шрифтов и символовОсновные принципы соотношения размеров объекта и шрифта его подписи в мультимасштабном

картографировании те же, что и в традиционном топографическом. Однако, явление мультимасштабности вносит изменения в отображение самих объектов, что влечет за собой и изменения подписей.

Прием постоянных символов при переменчивом диапазоне изображаемых объектов (см. п. ), используемый для постепенного ввода пунсонов, приводит к нарушению восприятия сети населенных пунктов (более мелкий населенных пункт имеет больший визуальный вес, чем более крупный за счет пунсона). Такое нарушение можно компенсировать с помощью подписей. Подписи населенных пунктов, стоящих на одну ступень классификации выше, чем крупнейшие из изображенных пунсонами, следует несколько преувеличивать (Рис. 6, Рис. 7).

Рис. 6. Сеть населенных пунктов в масштабе 1:1 000 000. Больший визуальный вес изображения Костромы компенсируется преувеличенной подписью Ярославля.

Рис. 7. В следующем масштабе 1:2 000 000 более крупный Ярославль наследует пунсон менее крупной Костромы, а та, в свою очередь, наследует пунсон следующего уровня классификации

населенных пунктов. При этом различие размеров подписей Ярославля и Костромы незначительно.

При наличии особо проблемных областей карты, где количество подписей слишком высоко, можно вручную задать их границы и присвоить входящим в них объектам определенное значение поля, созданного в атрибутивной таблице, а затем принудительно исключить подписи этих объектов. Этот прием использован для ближайшего Подмосковья и окрестностей Тулы, где количество и концентрация населенных пунктов очень велики. Его можно использовать не только для подписей, но и для пространственной дифференциации правил отбора, при условии, что полигоны задаются по результатам осмысленного географического районирования.

Баланс генерализации и изменения графических приемовИзменение карты при изменении масштаба включает в себя две ключевые составляющие:

генерализацию данных и изменения символики [Brewer, Buttenfield, 2009].Общегеографические карты разных масштабов отличаются как символикой, так и степенью

генерализации данных, но генерализация вносит в сохранение облика территории существенно больший вклад, чем изменения символики между масштабами. Описанные ниже закономерности изменения символики справедливы как для топографических карт, так и для мультимасштабных, но ярче проявляются там, где роль изменений символики выше, то есть в мультимасштабном картографировании.

Главный принцип модификации знаковых систем – с уменьшением масштаба знаки становятся «изящнее»: линии и обводки – тоньше, значки – проще и меньше и т.д. Это разгружает карту и обеспечивает читаемость в условиях возрастающей конкуренции представлений объектов.

При изменении масштаба может меняться не только графическое оформление знаков, но и их семантика. С уменьшением масштаба нижние разделы классификаций объектов подвергаются отбору, освобождая условный знак, обратный процесс может проходить с верхними разделами классификации. Наглядный тому пример – отображение населенных пунктов на мультимасштабных картах.

Используемые в работе базы данных топографических карт уже подвергнуты высококлассной географической генерализации в соответствии с их масштабами, но заполнение промежутков в масштабном ряду требует дополнительной работы с ними. Проблема автоматизации генерализации полноценно не решена, и набор используемых способов ограничен, и использовать их нужно лишь в том случае, когда графическая нагрузка возрастает настолько, что сделать карту читаемой с помощью оперирования одной лишь символикой уже невозможно.

ОтборОтбор применяется для нескольких видов объектов. Прежде всего это населенные пункты. В мелких

масштабах населенные пункты отбираются по населению, что, однако, нарушает согласованность их с дорожной сетью, ведь дороги отбираются по статусу, без учета их значения в сети населенных пунктов. В случаях, когда масштаб итоговой карты существенно мельче масштаба исходных данных, допустимо исключать самые мелкие водоемы. Ценз отбора находится методом проб и ошибок.

Отбор в его классическом понимании в мультимасштабном картографировании дополняется новым графическим приемом, делающим его постепенным. При уменьшении масштаба символ объекта становится более тонким, менее контрастным, одним словом, уменьшается его графический вес. В одном или нескольких масштабах, предшествующих исключению объекта, символ может быть едва заметен. Это не только сглаживает изменения облика территории, но и делает пользование картой удобнее. Уменьшая масштаб, пользователь понимает, что объект уже не в полной мере соответствует детализации карты, и в более мелких масштабах будет исключен, а внимание переключится на объекты следующего уровня. С другой стороны, постепенное появление символа при увеличении масштаба подскажет пользователю, где в дальнейшем будут появляться объекты большей степени детализации. Оперировать можно не только символами, но и подписями – изменять их размер, светлоту начертания и цвета.

Такой прием используется прежде всего для дорожной сети и может быть реализован как изменением толщины линий и насыщенности цвета, так и с помощью прозрачности.

ОбобщениеОбобщение классификаций можно использовать активно, и прежде всего для первичной подготовки

данных. Информационная насыщенность электронных карт сознательно делается ниже, чем бумажных, и это требует обобщения уже на начальном этапе. Классификация растительности и грунтов, технических сооружений и коммуникаций была существенно упрощена, исключены некоторые категории объектов. Такие упрощения следует проводить в соответствии с перспективами использования составляемой карты.

В дальнейшем обобщение применяется как для уменьшения количества условных знаков и улучшения читаемости карты, так и для сглаживания переходов между базами данных. Так, классификации населенных пунктов в базах исходных данных топографических карт мало различаются, но в масштабе, в котором вводятся пунсоны, имеет смысл обобщить нижние разделы классификации и изобразить их одним условным знаком, при необходимости используя различные подписи. Это улучшит читаемость карты, и в то же время подготовит пользователя к переходу на данные более мелких масштабов, где классификация населенных пунктов еще сильнее упрощена.

Карта была представлена небольшому количеству пользователей, но даже это позволило выявить сильные и слабые стороны разработанной знаковой системы.

Положительные качества: Оформленная карта в мелких масштабах информативней, чем большинство существующих

мультимасштабных веб-сервисов за счет более подробного изображения дорожной сети и населенных пунктов. Детальность отображения этих элементов близка к топографическим картам соответствующих масштабов.

Неброское оформление обеспечивает сочетание информативности и хорошей читаемости карты, при этом давая возможность отображения дополнительной информации. Таким образом, карта может стать общегеографической основой для веб-сервисов с различным тематическим содержанием.

Переходы между масштабами достаточно плавные, некоторый скачок ощущается лишь при переходе к масштабу 1:1 200 000 из-за существенной генерализации дорожной сети.

Отрицательные качества: Информативность карты в средних масштабах несколько снижена в пределах крупных

населенных пунктах из-за отсутствия подписей улиц (этот недостаток связан с отсутствием такой информации в используемых данных, но умеренная графическая нагрузка позволяет ее отобразить).

В масштабах 1:144 000 и 1:289 000 изображение железных дорог не согласовано с остальными элементами карты (это обусловлено отсутствием исходных данных указанных масштабов и заменой их данными о железных дорогах масштаба 1:500 000).

Часто нарушаются топологические отношения железных и автомобильных дорог в местах их пересечений, где не показаны транспортные сооружения.

В масштабах 1:2 500 000 и 1:4 500 000 отображения дорожной сети и несогласованно с отображением населенных пунктов, присутствуют «висячие» дороги.

Выявленные недостатки карты относятся прежде всего к свойствам исходных данных и проблемам автоматизированной генерализации, что выходит за рамки работы.

Моменты, касающиеся облика карты, ее оформления, читаемости, целостности масштабного ряда и информативности, относятся к положительным качествам карты, следовательно разработанная знаковая система и принципы ее создания и применения удачны и пригодны к использованию в мультимасштабном картографировании.

Тот факт, что знаковая система основана на опыте топографического картографирования, делает ее достаточно стандартизированной в отношении генерализации элементов содержания, обеспечивая вариации только в переходах между фиксированными топографическими масштабами используемых исходных данных. Отображение или исключение же тех или иных элементов целиком зависит от конкретных задач.

4. Выводы и перспективыНа основе изученного опыта традиционного общегеографического картографирования и его

сравнения с имеющимися примерами мультимасштабного общегеографического картографирования была разработана система условных знаков и принципы ее применения. Ценность такой системы проявляется в ее приложении к конкретным данным, и кроме того, разработка условных знаков и процесс картографирования дополняют друг друга, поэтому был оформлен участок тестовой общегеографической карты на территорию Центрального федерального Округа РФ.

Источниками данных послужили цифровые топографические карты масштабов 1:500 000, 1:1 000 000 и данные OpenStreetMap. Это наглядно демонстрирует реализацию интеграции разномасштабных данных как одной из функций мультимасштабного картографирования [Brewer, Akella, 2008]. Данные разных типов объектов использовались по-разному из-за особенностей их графического представления и недочетов в пространственной и атрибутивной информации. Разработанные знаковая система, методика и рекомендации к оформлению мультимасштабных общегеографических карт отвечают поставленной цели. Предлагая готовые решения возникающих проблем оформления, связанных с явлением мультимасштабности, результаты работы могут служить средством стандартизации и сохранения универсальности языка карты, раскрывая и описывая общие принципы и конкретные приемы оформления.

Недостатки созданной карты, связанные с некачественной генерализацией данных, могут быть устранены с помощью алгоритмов автоматизированной согласованной генерализации слоев, работа над которыми уже ведется. Это позволит создавать мультимасштабные карты, которые будут не только оптимально оформлены, но и географически достоверны. Сочетание достоверности, информативности и стандартизации графических приемов может значительно повысить их качество.

Список литературы.

1. Наставление по составлению и подготовке к изданию планов городов. . — М.: Редакционно-издательский отдел ВТС, 1972. — 81 с.

2. Руководство по картографическим и картоиздательским работам. Часть 1. Составление и подготовка к изданию топографических карт масштабов 1:25 000, 1:50 000, 1:100 000. — М.: Редакционно-издательский отдел ВТС, 1978. — 132 с.

3. Руководство по картографическим и картоиздательским работам. Часть 2. Составление и подготовка к изданию топографических карт масштабов 1:200 000, 1:500 000. — М.: Редакционно-издательский отдел ВТС, 1980. — 167 с.

4. Руководство по картографическим и картоиздательским работам. Часть 3. Составление и подготовка к изданию топографической карты масштаба 1:1 000 000. — М.: Редакционно-издательский отдел ВТС, 1985. — 148 с.

5. Самсонов Т.Е. Мультимасштабное картографирование рельефа: общегеографические и

гипсометрические карты. — Saarbrucken: LAP Lambert Academic Publishing, 2011. — 208 c.

6. Условные знаки для топографических планов масштабов 1:5 000, 1:2 000, 1:1 000, 1:500. —М.: Недра,

1989. — 284 с.

7. Условные знаки для топографической карты масштаба 1:10 000. —М.: Недра, 1977. — 141 с.

8. Условные знаки для топографических карт масштабов 1:25 000, 1:50 000, 1:100 000. —М.: ВТС, 1983. —

284 с.

9. Условные знаки для топографических карт масштабов 1:200 000 и 1:500 000. —М.: ВТС, 1963. — 32 с.

10. Условные знаки для топографической карты масштаба 1:1 000 000. —М.: ВТС, 1963. — 16 с.

11. Brewer C.A., Buttenfield B.P. Framing Guidelines for Multi-Scale Map Design Using Databases at Multiple

Resolutions // Cartography and Geographic Information Science, 2007, №34(1), pp. 3-15.

12. Brewer C.A., Buttenfield B.P. Mastering map scale: balancing workloads using display and geometry change in

multi-scale mapping // Geoinformatica, 2009, DOI 10.1007/s10707-009-0083-6, 19 pp.

13. Brewer C.A. Akella M.K. Multi-resolution Multi-scale Topographic Map Design: Toward a New Look for The National Map. // Proceeding of AutoCarto 2008, September 2008, 12 pp.

14. http://maps.yandex.ru/ 15. http://maps.google.ru/ 16. http://www.openstreetmap.org/ 17. http://www.openstreetmap. ru / 18. http://www.bing.com/maps/