Электронные карты

Важной частью навигационных систем являются электронные карты. В общем случае под электронной картой (ЭК) понимается изображение определенного района Земли в условном виде на экране дисплея или набор данных для построения этого изображения. При рассмотрении вопросов использования ЭК применяется их классификация по различным признакам.

В зависимости от полноты информации, представляемой на карте, ЭК разделяют на полномерные и упрощенные (стилизованные). По нагрузке полномерные навигационные ЭК равноценны официальным бумажным навигационным картам и содержат всю картографическую информацию, необходимую для безопасного и эффективного судовождения.

Нагрузка упрощенных электронных карт недостаточна для целей безопасного плавания. Для использования полномерных карт требуются обладающие широкими возможностями средства хранения и отображения информации, которыми ряд автоматизированных навигационных систем не обладает. В таких системах могут использоваться ЭК в упрощенном виде, который позволяет реализовывать имеемая аппаратура. Схематическое изображение на экране дисплея местности в определенной проекции, не эквивалентное бумажной навигационной карте обычно называется упрощенной (стилизованной) электронной картой.

В зависимости от метода цифрового представления информации карты ЭК делят на растровые и векторные.

В растровых картах используется метод цифрового представления изображения карты в виде матрицы точек (пикселей). При таком представлении карты сведений об отдельных картографических объектах в памяти нет. Исходной для получения данных растровых карт служит информация официальных бумажных карт. Растровые карты получаются сканированием основы и раздельно цветного изображения бумажных карт. За основу растровых ЭК приняты печатные платы для обычных бумажных карт. Снятая с основы карта является копией бумажной. Сканерная технология производства растровых карт обеспечила в начале 90-х годов быстрое производство мировой коллекции этих карт.

Растровое изображение не является картой, в том понимании, которое принято в геодезии. Изображение формируется из отдельных пикселей, упорядоченных в определенной последовательности. Изображение выглядит как картинка, но при близком рассмотрении, видно что, оно представляет из себя набор точек разных цветов. По сути, представление растрового изображения на экране компьютера является аналогом формы в которой растр сохраняется в файл на диске компьютера. Одной из форм этого типа является битовый образ (битмап) представляемый файлом с расширением.bmp. Файлы.bmp быстро отображаются на экране, но занимают больше количество памяти на диске.

Картографическое изображение включает большие участки одного фона, которые можно легко «ужать», уменьшив конечный размер файлов. Одним из наиболее популярных методов сжатия графических файлов является.gif формат. Данный формат наиболее эффективно сжимает файлы, особенно карты. Однако.gif формат запатентован и многие разработчики графических программ, не желающие вносить лицензионные платежи, используют другие, менее эффективные, методы сжатия. Одним из таких методов является.jpg. Этот формат хорошо подходит для фотографий людей и пейзажей, но менее удачен для карт, так как в процессе компрессии немного теряется четкость линий. Для решения этой проблемы, был разработан.png формат. Существуют еще методы.tif и.tiff. В принципе, метод.tiff не намного эффективнее.bmp формата, но разработаны версии сжатого.tiff, который позволяет значительно уменьшить размер файлов. Стоит учесть, что сжатый файл должен быть декодирован перед отображением на экране компьютера, и чтобы этот процесс не «нервировал» пользователя, требуется соответствующая мощность процессора. Другим известным форматом является.drg. По сути, этот тот же самый.tiff формат, но дополненный некоторой калибровочной информацией.

Растровые изображения могут использоваться как карты. Они могут содержать схематические или фотографические изображения карт, планы местности. Пользователь самостоятельно может нарисовать карту в графическом редакторе. Но во всех этих случаях, компьютер рассматривает эти картографические изображения, как обычные картинки. Дороги, дома, леса, водные массивы являются для компьютера обычным набором пискелов и ничем больше. И только пользователь, может идентифицировать их как отдельные объекты, а все изображения как карту определенной местности. Все это является большим и самым главным ограничением при использовании растров в качестве карт

Изменение масштаба растровой карты подразумевает приближение или увеличение изображения без изменения информации. Увеличенное изображение представляет из себя приближенную картинку. Есть программы, которые при изменении масштаба, заменяют текущую карту другой картой, более или менее детальной. Такой метод требует подготовки набора карт одного региона в различных масштабах, соответственно, значительно увеличивается количество файлов и их общий размер памяти. При достижении границ карты, программа должна самостоятельно или с вручную, с помощью пользователя, переключаться на соседний лист. Можно объединить листы соседних регионов единое изображение и использовать для перемещения по карте полосы прокрутки, но работа с объектами на карте уже будет менее удобной

Программы для работы с растровыми картами обычно поставляются без карт. Если в инсталляционном комплекте и содержатся карты, то обычно это либо базовая карта мира, либо карты какой-нибудь, не относящейся к пользователю, местности. Под свои задачи, пользователь должен создавать или находить карты самостоятельно. Можно сканировать бумажные оригиналы карт, скачивать их из Интернета, покупать на дисках. Большинство программ поддерживает карты, представленные в различных графических форматах.

Для использования с GPS приемниками, одного изображения карты недостаточно, необходимо его калибровать. Это связано с тем, что по сути, плоская карта является проекцией изогнутой земной поверхности. «Изогнутость» тем больше, чем больше площадь территории охваченной на карте. Дополнительные сдвиги могут возникнуть в процессе сканирования, либо оригинал карты сдвинут на некоторый угол относительно севера.

Минимальную калибровку карты можно произвести с помощью двух точек расположенных на противоположных краях изображения. Предполагается что изображение карты линейно и не содержит искажений. Калибровка позволяет интерпретировать положение на карте выраженное в пикселях в значения широты и долготы. И соответственно, обратный процесс - геодезические GPS координаты переводятся в пиксельные размеры и отображаются на карте.

Из наиболее популярных навигационных программных продуктов, использующихся для работы с растровыми картами, стоит выделить OziExplorer.

В состав пакета входит OziExplorer - программный продукт используемый для работы с растровыми картами и поддерживающий обмен навигационными данными с GPS навигаторами производства Magellan, Garmin, Lowrance и Eagle. OziExplorer устанавливается и работает на персональном компьютере с операционными системами Windows.

Эта программа позволяет пользователю сохранять точки, маршруты и треки из GPS на ПК, накладывать их на карту, отмечать на карте новые точки, маршруты и треки, и переносить их в GPS. OziExplorer способен работать с любой растровой картой, в том числе, отсканированной пользователем. Такую карту необходимо привязать к реальным координатам по нескольким точкам. Основные функции программы:

· сканирование и калибровка карт и схем пользователя;

· использование карт в различных форматах (BSB, Maptech, USGS DRG);

· поддержка большинства GPS приёмников;

· Поддерживается обмен событиями с GPS навигаторами Lowrance/Eagle;

· размещение на карте комментариев и специальных значков;

· поддержка более 100 датумов;

· поддержка множества форматов сетки, включая UTM, BNG, IG, Swiss, Swedish, NZG и другие;

· поддержка множества картографических проекций;

· печать карт и списка точек.

Вторая программа пакета это OziExplorer CE. Она является навигационным программным обеспечением для мобильных систем использующих ОС Windows и Андроид. Карта в OziExplorer представляет собой графический файл с изображением карты, привязанный таким образом, что пикселю на карте соответствуют реальные географические координаты. При калибровке карты в OziExplorer, создается map-файл, содержащий информацию о калибровке, проекциях карты и ссылку на графический файл.

OziExplorer CE по полученным от него данным попытается открыть ту карту, которая соответствует текущему положению пользователя. Если же на устройстве установлено несколько карт, удовлетворяющих текущим координатам, программа откроет самую детальную. На экран также выводятся данные о скорости, азимуте и высоте над уровнем моря. OziExplorer CE использует практически любые карты, которые созданы настольной версией OziExplorer. Кроме того программа работает практически с любым GPS-приемником, выдающим данные в формате NMEA. Она осуществляет автоматический переход с одной карты на другую, позволяет нарисовать желаемый маршрут прямо на экране Pocket PC стилусом, поддерживает голосовую и визуальную навигацию, пишет лог всех точек трека в файл, имеет экран положения GPS-спутников.

В сети Интернет есть большое количество ресурсов, где энтузиасты выкладывают уже отсканированные и привязанные карты для этой программы. Карты покрываются фактически все территорию России и представлены в различных масштабах.

В векторных ЭК применяется метод цифрового представления элементов карты с помощью точек, линий, контуров, заданных своими координатами и соответствующим кодом. При таком методе представления информация карты хранится в памяти в виде последовательности записей, характеризующих каждый имеемый на карте картографический объект. Картографическим объектом (КО) называется реальный объект или явление, изображаемое на карте в условном виде.

Все объекты векторной электронной карты обычно распределяются по определенным тематическим уровням, называемых слоями карты. Такими слоями, например, могут быть: навигационные средства, глубины, качество данных, характеристики и т.д. Разделение нагрузки карты на слои позволяет системе, отображающей ЭК, управлять видимостью этих слоев.

Количество информационных слоев векторной ЭК может быть различным. Требуется их иметь, по крайней мере, три: базовая информация, дополнение базовой информации до стандартной, вся другая информация. Выделение таких слоев позволяет определить три вида нагрузки карты: базовую, стандартную и полную.

Векторные карты сами по себе не являются изображением и не хранят картинки местности. Фактически, при вызове векторной карты, она генерируется «на лету» использую информацию и базы данных. Векторная карта – это база данных, в которой хранится информация о точках, линиях соединяющих эти точки и полигонах, которые являются замкнутой последовательностью линий. Каждый объект имеет дополнительные атрибуты характеризующие свойство, цвет, подписи. Объект, типа «Озеро» является замкнутым полигоном, с заполнением синего (или другого похожего) цвета. Этот объект имеет название, тип, подтип и другие дополнительные данные, которые позволяют не только отображать его на карте, но и использовать в различных алгоритмах поиска, вычисления и сортировки.

После того, как GPS координаты приемника вычислены, его местоположение отображается на карте относительно положение других географических объектов из базы данные векторной карты. При этом на экран приемника выводятся только объекты, расположенные в непосредственной близости от текущего местоположения, с учетом выбранного масштаба. Перемещение приемника, сопровождается сменой «картинки», объекты, которые выходят за границы, скрываются, и отображаются новые участки карты. Заметим, что все это происходит «на лету». Навигационная программа, использующая векторные карты, анализирует текущие координаты, выбранный масштаб, настройки приемника, и создает новое отображение. При этом, в зависимости от масштаба, один и тот же объект может быть представлен в разном виде – схематически, подробно, либо вообще не отображаться. Это сделано для ускорения работы с картой. Каждое перемещение требует новой перерисовки карты и всех ее видимых объектов. Чем больше объектов и чем детальнее они представлены, тем больше времени займет этот процесс. Соответственно, на малом масштабе нет смысла подробно вырисовывать каждый поворот дороги или изгиб реки, достаточно представить их в общем виде. На маленьких масштабах города, не имеет смысла отображать каждый дом, потому что все они сольются в одно единое черное пятно. При увеличении масштаба карты, детальность карты, а именно, составляющих ее объектов, должны увеличиваться. И тот же самый поворот дороги, которым мы пренебрегли на удаленном виде, приобретет значимый смысл и будет важен для навигации и ориентирования. Отображать или не отображать объекты на различных масштабах, решает навигационная программа используя при этом атрибуты объектов и настройки вида, устанавливаемые пользователем.

Подписи к объектам, так же хранятся в базе данных векторной карты и могут динамически подгружаться для отображения на карте. Некоторые программы позволяют изменять настройки связанные с представлением надписей на карте. Можно изменять, шрифт, цвет и расположение надписей относительно объекта. В зависимости от текущего масштаба, надписи могут быть скрыты или отображаться выборочно. По мере приближения карты, надписи проявляются, стараясь не перекрывать при этом друг друга.

В отличие от растровых изображения, имеющих единый стандартизованный формат (.jpg,.bmp,.gif и т.п), векторные карты распространяются в различных форматах. Некоторые могут быть представлены в единых картографических форматах и использоваться с большинством популярных программ, другие только в собственных, способных работать только с одной фирменной программой. «Закрытость» формата обусловлена несколькими причинам. Во-первых, производители навигационного оборудования, вместе с картами вынуждают покупать пользователей приемники и программы только своей фирмы. Во-вторых, картографические данные являются интеллектуальной собственностью, в производство которой были вложены действительно большие деньги, и компании не заинтересованы в распространении этих данных и использовании их в других навигационных продуктах.

Одной из наиболее используемых программ для работы с векторными картами является Навител Навигатор. Это мультиплатформенная и мультиязычная навигация для Android, Symbian, Windows Mobile, iPhone, iPad, Bada, Java, Windows CE. Она имеет собственные on-line сервисы " Навител.Пробки", " Навител.События", " Динамические POI", " Навител.SMS", " Навител.Погода". Существует большое количество актуальных карт России, Европы, Азии и Латинской Америки. При этом Навител предлагают пользователям интерфейсную оболочку для работы с картами, которые можно сгенерировать самостоятельно с использованием популярного картографического редактора GPSMapEdit. На рисунке 4 показан фрагмент карты Навител центральной части Воронежа.

Рисунок 4 – Карта Навител центральной части Воронежа.

Имеются и другие программы для работы с векторными картами. Это «iGo», «TomTom» «Destinator», «Автоспутник» и другие. Они используют картографическую базу известных поставщиков «TeleAtlas» и «NavTech».