Географическая привязка растровых карт

При проведении исследований часто возникает необходимость использования в качестве слоёв карты растровых изображений, их анализа и векторизации. Источниками растровых изображений служат космические снимки, отсканированные бумажные карты. Иногда нет необходимости векторизации карты, например, растровый слой может служить фоном для векторных слоёв карты. Существуют такие форматы космических снимков, которые не требуют усилий пользователя для географической привязки, т.к. все параметры привязки хранятся в самих файлах. Таковы файлы форматов фирмы ERDAS с расширениями «.lan» и «.gis», IMAGINE, BSQ, BIL, BIP, GeoTIFF. В остальных случаях небходима географическая привязка, «растолковывающая» ГИС, как нужно растянуть, сжать, повернуть растровое изображение на электронной карте, чтобы координаты точек растрового слоя соответствовали действительности. В противном случае ГИС воспримет номера строчек и столбцов матрицы растрового изображения как координаты электронной карты.

В ГИС ArcView 3.2 не предусмотрена возможность привязки растрового изображения по сети регистрационных точек с известными координатами, когда растровое изображение «натягивается» на эти точки, т.е. соответственный пиксел изображения совмещается с регистрационной точкой. В ArcView 3.2 имеется только один способ привязки растровых файлов – с помощью мировых (world) файлов. Это текстовой ASCII-файл, который можно создать при помощи любого текстового редактора, например, Блокнота. В нём должно быть всего 6 строчек. В первой записывается размер пиксела изображения в единицах карты того Вида, куда будет импортировано растровое изображение по оси x. Две следующие строчки содержат параметры поворота изображения. Но в ArcView 3.2 эта возможность не доступна, поэтому в этих сточках следует ставить нули. Если же существует необходимость поворота изображения, то повернуть его следует в каком-нибудь графическом редакторе, например, Adobe Photoshop. В следующей строчке записывается размер пиксела изображения в единицах карты по оси y. Поскольку ось y направлена вверх, а счёт строчек в матрице изображения идёт сверху вниз, то перед этой величиной необходимо ставить знак минус, иначе наше изображение «улетит» в южное полушарие. Пятая и шестая строчки содержат координаты x и y центра верхнего левого пиксела.

Мировой файл должен находиться в той же самой папке, что и файл изображения, для привязки которого он создан. Имя его должно быть таким же, как и у файла изображения. Различаются расширения файлов. Из расширения графического файла убирается средний символ, а справа прибавляется символ «w». Таким образом, для графических файлов с расширением «jpg» расширения обеспечивающих их географическую привязку мировых файлов должно быть «jgw», привязку файлов с расширением «bmp» должны обеспечивать файлы с расширением «bpw» и т.д.

Очевидно, что для создания мирового файла нужно точно знать параметры картографической проекции растрового изображения, т.е. привязка космических снимков весьма проблематична. Да и далеко не всякую отсканированную бумажную карту будет легко привязать: во многих атласах и тематических картах отсутствует информация о картографической проекции. Однако с привязкой топографических карт сложностей не будет. В СССР и России с 1942 года они строились в проекции Гаусса-Крюгера (Поперечной Меркатора) с использованием эллипсоида Красовского. В этой проекции эллипсоид «оборачивается» цилиндром, касающимся эллипсоида по меридиану. С эллипсоида точки переносятся на цилиндр в пределах трех градусов долготы в обе стороны от меридиана касания. Поэтому весь эллипсоид делится на 60 шестиградусных зон, меридиан касания называется осевым меридианом зоны. В табл. 13 представлены границы и осевые меридианы Европы. Далее таблицу не трудно продолжить.

Табл. 13. Параметры шестиградусных зон

Для определения долготы осевого меридиана зоны, в которой находится данная точка, следует поделить значение долготы точки на 6, отбросить дробную часть, умножить результат на 6 и прибавить 3.

Для получения практических навыков создадим имитацию растрового изображения отсканированной топографической карты и выполним её географическую привязку.

Задание № 13.1.

Работа с копией проекта europe.apr.

Откройте Вид Europe. Выберите небольшой участок карты, например, остров Котлин. Посмотрите, каковы значения долготы и определите, к какой шестиградусной зоне относится этот участок. Это необходимо для последующего определения значения осевого меридиана зоны.

Измените проекцию на Поперечную Меркатора (Гаусса-Крюгера), выберите эллипсоид Красовского, главный меридиан пятой зоны – 27.

По умолчанию единицы карты проекции – метры, но для имитации километровой сетки и её оцифровки нужно установить единицами карты километры.

На отечественных топографических картах применяются только положительные значения вертикальных линий километровой сетки. Для этого к реальным значениям по горизонтальной оси (x по принятой в математике традиции) прибавляется значение 500 км. Для имитации этого обстоятельства в свойствах проекции устанавливаем значение параметра «Сдвиг по Х» равным 500.

Создать полигональный слой рамки.

Установить масштаб Вида на характерный для топографических карт, например, 1:100,000 (в 1 см – 1 км). Разумеется, на топографических картах линии сетки могут проводиться и через другие расстояния, например 2 или 4 км.

С помощью Мастера пространственных операций вырежьте о.Котлин.

Удалите все слои кроме рамки и о.Котлин. Это делается для улучшения внешнего вида карты.

Создайте новую компоновку. В ней создайте Рамку Вида, в которую вставьте изображение Вида с островом Котлиным. В Свойствах рамки вида проверьте масштаб. Он должен быть 1:100,000. Это обеспечивается при значении стиля Масштаба «Автоматический». Другой способ – задать стиль масштаба «Сохранить масштаб вида».

С помощью Мастера координатной сетки создать километровую сетку. Вызвать Мастера можно либо с помощью опции «Добавить координатную сетку» ниспадающего меню «Компоновка», либо просто нажатием кнопки «Координатные сетки». Это крайняя справа кнопка в верхнем ряду Панели инструментов. На ней изображён символ Земного шара. На экране появится диалоговое окно «Мастер координатной сетки». Включить флажок «Создать километровую сетку» и выключить флажок «Создать градусную сетку». Нажать кнопку «Далее».

Вид окна изменится. В текстовой блок «Введите шаг сетки» запишите 1 (т.е 1 км). В группе переключателей «Введите сетку как» выберите «Линии». Внимание! По умолчанию стоят «Перекрестья». Нажмите кнопку «Далее», включите флажок «Рамка вокруг координатной сетки» и нажмите кнопку «Просмотр», а затем «Готово».

Экспортировать изображение созданной компоновки в файл формата JPEG.

Откройте созданный графический файл в каком-либо графическом редакторе, например, в программе Adobe Photoshop. Увеличьте изображение и посмотрите оцифровку сетки. Числа у боковых краёв карты соответствуют тому, что напечатано на топографических картах – это расстояние в километрах до экватора по поверхности эллипсоида Красовского. Числа внизу и верху карты – расстояния от осевого меридиана зоны плюс 500 км. То, что напечатано на бумажных картах у верхнего обрезов карты немного отличается от надписей на нашей имитации. В реальности здесь не 3, а 4 цифры. Крайняя слева цифра – номер шестиградусной зоны. Разумеется, начиная с 10-ой зоны цифр будет 5. На бумажных картах не все надписи содержат 4 цифры: так обычно надписываются только одна из нескольких линий сетки. При этом две первые слева цифры имеют меньший размер, чем две следующие. Большинство линий надписываются только двумя последними крупными цифрами.

Инструментом графического редактора (в пакете Adobe Photoshop это инструмент «Прямоугольная область») скопируйте с небольшим перехлёстом квадрат километровой сетки и вставьте его в новый графический файл. Определите размер изображения квадрата сетки в пикселах. В пакете Adobe Photoshop это можно сделать с помощью опции «Размер изображения» ниспадающего меню «Изображение». Увеличив изображение и, возможно, используя инструмент «Кисть» сосчитайте число пикселов вне квадрата и толщину линий в пикселах. Определите расстояние между центрами горизонтальных и вертикальных линий. Методика простая: определяем сумму толщин линий, делим на 2 и прибавляем количество пикселов внутри квадрата по данному направлению (вертикали или горизонтали). Делим расстояние между линиями сетки (в данном случае – 1 км) на число пикселов между центрами линий – получаем ширину или высоту пиксела в единицах карты (Вида). Разумеется, если единицы карты – метры, то и размеры пикселов следует записывать в метрах.

Находим на изображении перекрестье линий сетки, ближайшее к верхнему левому углу изображения. Аналогично предыдущему пункту определяем приращения по вертикали и горизонтали в пикселах до центра верхнего левого пиксела. Приращение по горизонтальной оси будет отрицательным. Поскольку размеры пиксела уже известны, пересчитываем приращения в единицы карты, т.е. метры или километры. Так как координаты центра ближайшего к верхнему левому пикселу перекрестья линий сетки известны благодаря оцифровке линий, то определяем координаты центра верхнего пиксела в единицах карты. Отнимаем от координаты x 500 км, т.к. при использовании проекции Гаусса-Крюгера (Поперечной Меркатора) начало координат по оси x совпадает с осевым меридианом зоны.

Создание текстового мирового файла.

Измените свойства Вида: установите значение параметра «Сдвиг по Х» равным 0. Добавьте растровое изображение. Оно должно совпасть с векторными сдоями.

Привязка растрового изображения «работает» только для электронной карты с проекцией, соответствующей проекции исходной бумажной карты. Проекцию Вида с растровыми слоями нельзя изменять. Однако можно провести векторизацию растрового слоя «по подложке», проще говоря, нарисовать слои векторных объектов по растровому слою. Шейпфайлы этих векторных объектов можно будет добавлять на электронные карты любых проекций.