Методические указания по построению карт по истории при помощи ArcView

Александр Родионов

Введение

Описанный ниже процесс создания карт не претендует на то, чтобы считаться окончательно выверенным, однако небольшой опыт, полученный в течение четырех лет при создании нескольких десятков карт, уже позволяет сформулировать некоторые подходы к созданию карт для нашего проекта, имеющего ярко выраженную историческую окраску.

В качестве базового программного обеспечения для создания карт в отличие от предыдущей методики, в которой применялся CorelDraw 9.0, была выбрана настольная геоинформационная система ArcView 3.2, производства американской фирмы ESRI. Это удобная система, работающая на ряде аппаратных платформ, представляя собой фактически промышленный стандарт в этом классе программного обеспечения. С требованиями, предъявляемыми этой программным комплексом к аппаратному и программному обеспечению, можно ознакомиться на сервере компании.

Научится пользоваться ею для уже искушенного в компьютерных программах пользователю не составляет большого труда и занимает от нескольких недель до двух-трех месяцев. И в этом процессе неоценимую услугу окажут Вам как обучающая система самой программы, так и несколько учебных пособий доступных на Интернете (на английском языке) предоставленных самой фирмой-создателем программного обеспечения, правда часть из них платные.

Мы можем предоставить ArcView 3.0a Training, написанный Paul Braun (University of South Carolina) - Thesaurus/WhitePapers/ArcViewTutor.zip (1.95 MB).

Получение программного обеспечения

Продажа и сопровождение настольной геоинформационной системы ArcView 3.2 в странах СНГ осуществляется целым рядом фирм, подлинным лидером среди которых является ООО "Дата+" в г. Москва, Россия. Стоимость программного комплекса у этого продавца составляет 1200 долларов США.

Однако в рамках нашего проекта Вы можете использовать нашу копию этой программы (серийный номер 999991999999) полученную, благодаря международной сети доброхотов. В нашем распоряжении имеется версии ArcView 3.2:

Рисунок 1. Логотип настольной геоинформационной системы ArcView 3.х

Архив ArcView 3.2 в 8 файлах по 10,2 MB формата ARJ ver. 2.55 (всего 81.5 MB) расположен по адресу Thesaurus/av/av32.arj, Thesaurus/av/av32.a01 ┘ Thesaurus/av/ av32.a07. Кроме того, необходимо использовать upgrade до версии 3.2а и для работы с Windows XP с сервера фирмы ESRI - http://www.esri.com/software/arcview/av32a_patch.html и http://www.esri.com/software/arcview/avsoftware.html#av3xwindows.

Существенных различий между этими версиями 3.1 и 3.2 практически нет, тем не менее, учитывая, что фирмы ESRI грешит частыми ошибками в программах мы рекомендуем использовать более позднюю версию. Более раннюю версию ArcView 3.0a мы использовать, не рекомендуем, хотя и она имеет ряд своих положительных сторон. Должны заметить, что ArcView 3.2 можно инсталлировать только в поддиректории с DOS именами, например, по умолчанию ESRI, именно она подразумевается под псевдонимом $AVHOME. Эта ошибка уже известна фирме ESRI и исправлена в версии 3.2а.

Обзор общедоступных топооснов (заготовки карты)

Все рассматриваемые здесь векторные наборы данных поставляются в обычной географической проекции (географическая широта, долгота). В составе поставки программы ArcView 3.х водит набор карт покрывающих весь мир весь мир, Европу, Америку и конечно же США, расположенных в директории C:\$AVHOME\ESRIDATA. Мы обращаем внимание на Мировую карту и карту Европы, включающие в себя:

Карты Мира (масштаб 1:25,000,000)

Country Boundaries

Administrative Unit Boundaries

Cities

Gazetteer Points, Including Places and Airports

Demographic Attributes

Lakes, Rivers and Drainage

WorldSat Color Shaded Relief Image

World Wildlife Fund Ecoregions.

Карта Европы (масштаб 1:10,000,000)

Country Boundaries

Sub Country Administrative Units

Cities

Major Urbanized Areas

Major Rivers

Places

Roads

Railroads

Urbanized Areas

Water

Rivers

Demographic Attributes.

Однако подобный масштаб непозволительно груб для множества карт. Поэтому мы рекомендуем обратиться к трем электронным атласам Мира "Наша Земля" (ArcAtlas: Our Earth), ArcWorld и Digital Chart of the World.

ArcAtlas: Our Earth (масштаб 1:3,000,000)

Этот электронный атлас содержит следующие слои покрытия:

Political Structure (countries)

Population Density (people per sq. km.)

Urban Settlements (capitals and other cities)

Transport Routes (major roads and railways)

Transport Network Density (km. of route per sq. km.)

Pipelines (oil and gas)

International Airports (name)

Electric Power Plants (hydro, thermal, atomic)

Extractive Industry (type of material, e.g., metals, non-metals, gemstones, fuels, etc.)

Manufacturing Industry (type of center, e.g., diverse or specialized; size of center).

Soils (types, bioclimatic regions, susceptibility to: acid degradation, contaminiation by selenium, lead)

Mineral Resources (class and type of minerals, size of reserve)

Vegetation (vegetation classes; vegetation/landscape belts)

Present Landscapes (landscape classes; degree of human modification; relief)

Land Use (types)

Agriculture (agriculture classes; environmental threat of agricultural practices)

Wildlife (ranges of more than 300 important species or genera)

Protected Areas (national parks, sanctuaries, etc.).

Geological Structure (rock classes, ages, etc.)

Faults (rift, step, thrust, etc.)

Earthquakes (magnitude, intensity, depth, date)

Volcanoes (stage, e.g., active, potentially active, solfatara; elevation; name)

Impact Craters (diameter, age, name of nearest town)

Morphological Structure (e.g., plains, depressions, mountains, plateaus, etc.)

Morphosculpture (e.g., sculpted by water, ice, erosion, wind, etc.)

Quaternary Deposits (deposit types, age, etc.)

Mountain Peaks (name, elevation, mountain system name).

Hydrographic Network (rivers and lakes, navigable, perennial, intermittent, etc.; name)

Surface Runoff (rate in mm./sq. km./year)

Groundwater Discharge (rate, salinity, coefficient, i.e., ratio to precipitation)

Reservoirs (volume, name of reservoir, name of dam)

Glaciers

Snow Cover (snow days per year)

Permafrost (boundary).

Solar Radiation (joules per sq. km. per year)

Air Temperature (year, January, July; in mm./year or month )

Frost-free Period (days per year)

Precipitation (year, January, July; in mm./year or month).

Как видно из описания этот атлас имеет ярко выраженную естественнонаучную направленность и его слоев будет порой недостаточно для создания карт на историческую тематику.

ArcWorld (масштаб 1:3,000,000)

Этот электронный атлас содержит следующие слои покрытия:

Country Boundaries (240 countries) - Polygon attributes: country names and codes, world regions, continents, organization memberships - Line attributes: boundary type and status

Country Internal Divisions (126 countries) - Line attributes: level of division, coincidence with rivers, country

Major Cities (450 cities) - Point attributes: name, local name, capital, major city, country name and code

Roads (150 countries; roads are NOT present for Canada or the US) - Line attributes: type, display scale, country

Railroads (135 countries) - Line attributes: type, display scale, country

Rivers and Water Bodies - Polygon attributes: water body type, cartographic significance, country, continent - Line attributes: line type, rank, coincidence, country, continent.

Latitude/Longitude Grids (5 x 5, 10 x 10, and 20 x 20-degree grids) -Line attributes: latitude, longitude, land/water code

Landsat Nominal Scene Index (satellite scene footprints and center points) - Point attributes: path, row, countries covered, latitude-longitude - Line attributes: path, row, countries covered, latitude-longitude

Operational Navigation Chart (ONC) Index -Polygon attribute: map ID number.

Population Characteristics - (240 countries) -52 attributes: total population, population by age groups, dependency rates, urban and rural populations, growth rates, population density

Health and Vital Statistics - (240 countries) - 104 attributes: access to safe water, malnutrition, health care expenditures and availability, birth rate, young children per woman, use of contraception, death rate, life expectancy

Education and Literacy (240 countries) - 75 attributes: educational expenditure, number of children in schools, students in science and engineering, pupil-teacher ratios, literacy rates, newspaper circulations

Food Production and Nutrition - (240 countries) - 63 attributes: percentage of agricultural land, forest land, food imports of cereals, food production per capita, calorie supply per capita, protein per capita

Economic and Industrial Indicators - (240 countries) - 86 attributes: gross national product, household income, exports, people per passenger car, people per telephone

Labor Force Characteristics - (240 countries) - 52 attributes: total labor force, percentage of labor in agriculture and industry, female workers.

Natural Resources and the Environment (240 countries)

90 attributes: gross domestic product, central government expenditures on various activities, sanitation, immunization, wilderness area, kilometers of roads, quantity of fertilizers used, agricultural soils, forests and deforestation, protected areas, wetlands, known and threatened species counts, energy production and consumption, marine catch, atmospheric emissions

 

Из краткого описания слоев видно, что данный электронный атлас содержит в основном общественно-экономическую информацию. Для более детального знакомства с этими двумя пересекающимися атласами читайте User's Guide of ArcWorld 1:3M (2.3 Мб) - Thesaurus/WhitePapers/ArcWorld.pdf.

Ниже мы рассмотрим возможности бесплатного получения некоторых слоев из двух этих атласов с сервера фирмы ESRI (http://www.esri.com/data/online, теперь только здесь). Однако пространственные данные даже из этих атласов зачастую бывают неточны в масштабе некоторых карт. В этом случае рекомендуется использовать более детальный Цифровой Атлас Мира (Digital Chart of the World).

Digital Chart of the World (масштаб 1:1,000,000)

Последний атлас, среди трех рассматриваемых, самый детальный из существующих ныне электронных атласов Земли, и поэтому помещается сразу на 4 компакт-дисках, но можно скачивать эти слои по отдельным государства либо зонам планеты.

Ниже приведен перечень 17 слоев этой грандиозной топоосновы, самой подробной из поставляемых через Интернет на бесплатной основе:

Political/Oceans (country boundaries)

Populated Places (urbanized areas and points)

Roads

Railroads

Aeronautical (airports)

Transportation Structures

Utilities (electrical, telephone, pipelines)

Cultural Landmarks

Ocean Features

Drainage (inland water)

Supplemental Drainage

Hypsography (contour lines and elevation zones)

Supplemental Hypsography

Land Cover

Physiography (land forms)

Vegetation (US only)

Data Quality

ONC Compilation Date (of ONC)

Data Volume (MB per ONC)

Drainage System

Hypsographic Data Availability

ONC Index Map

Political/Oceans

Populated Places.

Детальное знакомство с его описание можно получить, познакомившись с его техническим руководством, а небольшой его участок в проекте ArcView 2.0, на примере окрестностей г. Манилы, Филиппины, дает представление о его возможностях (Thesaurus/Samples/manila.exe), 1.56 MB.

К счастью, мировое геоинформационное сообщество пошло на встречу такими пользователям и выставили на Сети большинство этих слоев, разрезанных предварительно на части по странам. К сожалению, Россия, особенно ее регионы за Уралом, оказались практически не представленными на этом пиршестве данных. Данные формата ARC/INFO Export files (.E00) содержаться в специальных UNIX архивах.

Пространственные данные в ARC/INFO Export files (.E00), архивированные в UNIX архивах следует разархивировать. Затем следует импортировать из полученного E00 файла покрытие ARC/INFO. Для этого используют утилиту import71 из набора программ ArcView 3.х. В ходе процесса импорта получаются две поддиректории - info и с названием исходного E00 файла, которые затем используются в качестве слоя покрытия. Такое покрытие можно сохранить в более удобном формате ArcView, в так называемых Shape файлах (*.shp).

Создание собственной базовой топоосновы (заготовки карты)

Создание базовой топоосновы ландшафта

Для целей строительства карт по истории Евразии нами было произведено создание собственной топоосновы Eurasia and the North Africa (10W - 130E, 65N - 10N) на основе целого ряда общедоступных топооснов. Все они были получены с сервера фирмы ESRI посредством ESRI World Thematic Data (http://www.esri.com/data/online). В начале были получены два архива с упрощенным рельефом Евразии и Северной Африки (Elevation Zones) с центроидами базовых карт.

Создание базовой топоосновы гидросферы и административно-территориального деления

Для загрузки описания гидросферы и административно-территориального деления (из ESRI World Base Map) используется следующая последовательность процедур:

1) Создание специального Excel файла (Thesaurus/Scripts/centroids.xls), в котором были сгенерированы центроиды покрытий каждого из 104 архивов на сайте ESRI. Размеры покрытия 10.48 (широта) * 13.99 (долгота). Суть проблемы заключалась в том, что только при малом масштабе карты (так называемый уровень 7) удавалось заполучить в архиве слой, описывающий озера - River Polys (awriv3mp). У всех покрытий единица измерения географический градус.

2) Последовательная загрузка этих 104 файлов со следующими слоями составного электронного атласа:

30 Degree Grid (MD) - mdworld3

Countries (AWS) - awscntry

River Lines (AW) - awriv3ml

Administrative Boundaries (AWS) - awswrlda

River Polys (AW) - awriv3mp

Cities (AWS) - awscitie.

Источники:

MD = ArcView Maps and Data

AA = ArcAtlas

AW = ArcWorld

AWS = ArcWorld Supplement

DCW = Digital Chart of the World.

Следует заметить, что целый ряд сегментов Северной Азии не содержали слои по озерам и имели ряд других сбоев, которые в прочем не играли существенной роли.

3) Разархивирование всех этих архивов по средством специального пакетного файла в отдельные Shape файлы в соответствующие поддиректории. Следует заметить, что все сегменты чуточку перекрывают друг друга на сотые доли градуса.

4) Последовательное слияние этих сегментов в каждом из трех требуемых слоев в ArvView 3.x. используя команду Merge из GeoProcessing Extensions для этого программного продукта.

5) Удаление ненужных объектов, описывающих поверхность Земли (9 - Not inland water) в слое River Polys (awriv3mp). Острова на водоемах были оставлены.

Полученные покрытия используются для построения карт:

30-градусная сетка - Thesaurus/Basemaps/grids.zip (5 KB),

Ландшафт - Thesaurus/Basemaps/elevation.zip (3.98 МB),

Линейные объекты гидросферы - Thesaurus/Basemaps/rivers.zip (5.18 МB),

Площадные объекты гидросферы - Thesaurus/Basemaps/lakes.zip (2.40 МB),

Проект ArcView 3.х для нарезки карт - Thesaurus/Basemaps/example.apr (139 KB),

Растровый образ ландшафта Евразии и Северной Африки в азимутальной равноплощадной проекции Ламберта (eurasia.jpg) и текстовый Map World файл для географической привязки (eurasia.jgw) - Thesaurus/Basemaps/eurasia.zip (77 KB),

Все эти архивы следует разархивировать, а базовые файлы покрытия нужно поместить в директорию C:, либо изменить путь, заданный по умолчанию, в файле example.apr. Для подобной привязки к новой директории можно порекомендовать открыть файл в любом подходящем текстовом редакторе и заметить строку "c:/data/gumilevica/esridata/basemaps/" на нужную директорию.

Покрытие ландшафта (elevation.shp) имеет кроме описания рельефа (поле TYPE_RELIE) еще и поле TYPE_ZONE, отражающее ландшафтные зоны (умеренные леса, степи, пустыни и т.п.), использование этих описателей наряду с рельефом местности, в ряде случаев, является необходимым.

Создание конкретной топоосновы (заготовки карты)

Извлечения конкретной топоосновы из базовой

Если планируется использовать создавать топооснову в масштабе 1:25,000,000 (в 1 см 250 км.) и более на каком-либо участке с Черного до Японского морей, то рекомендуется использовать растровую подложку всей Евразии и Северной Азии, созданную в азимутальной равноплощадной проекции Ламберта (меридиан 85 E, параллель 40 N). Для более детальный карт следует извлечь нужный участок земной поверхности при помощи специальной программы из проекта example.apr.

Откройте проект example.apr в настольной геоинформационной системе ArcView и в View "Eurasia" нажмите третью слева кнопку на верхней панели инструментов (градусная сетка на голубом фоне), которая запускает программу извлекающую пространственные данные для задаваемого Вами участка Евразии и Северной Африки. В появившемся диалоговом окне Вам будет ввести обязательные следующие параметры:

1) географическую широту самой северной точки извлекаемого участка карты, в географических градусах;

2) географическую широту самой северной точки извлекаемого участка карты, в географических градусах;

3) географическую долготу самой западной точки извлекаемого участка карты, в географических градусах;

4) географическую долготу самой восточной точки извлекаемого участка карты, в географических градусах;

5) общее имя файлов покрытия, желательно не более 6 символов.

И нажать кнопку OK. После чего система будет создавать файлы покрытия в заданных координатах. Полученные файлы будут помещаться в директорию C:. Если Вы изменяли путь, в котором помещаются базовые файлы покрытия, следует предварительно установить новый путь для извлекаемый файлов в example.apr.

Создание карты в новом проекте ArcView 3.х

Мы настоятельно рекомендуем использовать возможности Default Extension for ArcView 3.1, который был создан Minnesota DNR в конце 90-х гг. XX в. или Thesaurus/Scripts/avdef31.zip. Его можно использовать и с ArcView 3.2. Загрузка этого расширения, поставляемого в виде файла проекта (.apr файл) производиться командой File/Open┘. Это расширение позволяет производить множество полезные и нужных операций, таких как, например:

модифицировать параметры проекта (рекомендуется устанавливать единицу измерения расстояний метр, вместо фута);

копировать/переименовывать/удалять файлы покрытия;

сохранять пути к последним девяти сохраненным проектам;

создавать дубликат документов типа View, Chart, Layout;

добавлять масштабируемый текст;

дополнительные операции с полями документов типа Table;

дополнительные операции с объектами документов типа Chart;

дополнительные операции с объектами документов типа Layout.

Для создания нового проекта ArcView запустите эту программу и нажмите кнопку New, тем самым будет создан новый документ типа View.

Затем следует определить проекцию, в которой будет создаваться карта, посредством команды View/Properties┘/Projections┘. Именно к этой проекции будут привязываться все создаваемые графические объекты (текстовые надписи, масштабные линейки, указатели на север и пр.). Здесь возможны два основных варианта.

Во-первых, для крупномасштабных карт (крупнее 1:25,000,000) можно применять азимутальную равноплощадную проекцию Ламберта (меридиан 85 E, параллель 40 N), что даст возможность загрузки геореферированный растровый образ ландшафта Евразии и Северной Африки в этой проекции командой View/Properties┘/Projections┘/Customs. Для его использования следует подключить Extension JPEG (JFIF) Image Support (команда File/Extensions┘), которое поставляется с ArcView 3.1, а затем при помощи команды View/Add Theme.../Feature Image Source загрузить растровый образ eurasia.jpg.

Уже потом в документ View добавляются базовые покрытия гидросферы: rivers.shp, а при необходимости lakes.shp, поскольку крупные площадные объекты гидросферы уже нанесены на растровую подложку. Зачастую в топооснову достаточно добавить только крупнейшие реки и озера, для чего используют покрытия rivers.shp и lakes.shp из поддиректории C:\$AVHOME\ESRIDATA\WORLD.

Как показывает опыт после нанесения на карты всех необходимых объектов и надписей геореферированный растровый образ ландшафта Евразии и Северной Африки (в файл eurasia.jpg) лучше заменить на покрытие elevation.shp из базовой топосновы. В противном случае получаемые при экспорте растровые образы в формате GIF файлов будут иметь чрезвычайно большой объем (до 200 Кб), что затруднить использование образа этой карты на Интернете. Это вызвано тем, что растровый образ топоосновы сохранен в формате JPEG, а при экспорте обычно используют GIF формат.

Во-вторых, для мелкомасштабных карт можно применять широко распространенную проекцию UTM (Universal Transverse Mercator). Для его использования первоначально нужно выбрать центральный меридиан создаваемой карты, поскольку весь Земной шар разбит на 60 зон по широте 6╟, а затем задать остальные параметры этой проекции, которые будут выбраны в опции View/Prorerties┘/Projection┘/Standard.

Центральные меридианы зон UTM - Longitude of Origin:

Таблица 1. Описание центральных меридианов в зонах UTM

Начальная Широта - Latitude of Origin: 0╟ (экватор).

Единица покрытия - Unit: Meter.

False Northing: 0 метров на экваторе для Северного полушария; 10,000,000 метров на экваторе для Южного полушария.

False Easting: 500,000 метров на центральном меридиане каждой зоны.

Scale Factor на центральном меридиане: 0.9996.

Spheroid: World Geodetic System of 1984 (WGS84).

После установки нужных параметров для требуемой зоны проекции UTM, целесообразно привести их всех в окошке примечания к Properties создаваемого документа View, например, Zone 49S (108E - 114E) WGS84, 111E, North False 0, Easting False 500,000, Scale 0.9996.

Мы не рекомендуем использовать обычную проекцию Меркатора или другие прямоугольные проекции, несмотря на их кажущуюся самоочевидность и простоту. Применение подобных проекций зачастую приводит к серьезным искажениям.

Создайте поддиректорию, например, He2, в которую будут помещаться все файлы этого проекта. Скопируйте из директории C: покрытия с описаниями ландшафта и объекта гидросферы (he213e.shp, he213g.shp, he213r.shp и he213l.shp) во вновь созданную поддиректорию, удаляя при этой операции последнюю цифру из имени файла - команда File/Manage Data Sources┘/Copy. Затем скопированные покрытия ландшафта и гидросферы добавьте в документ новый View при помощи команды View/Add Theme.../Feature Data Source.

В заключение в каждом из покрытий загружают описание легенды слоя (команда Theme/Properties┘/Load┘) из поддиректории, где располагаются базовые покрытия (C:), которые хранятся в файлах *.avl.

Упрощение покрытий конкретной карты

В связи с тем, что покрытия из базового топоосновы имеют масштаб 1:3,000,000, а карты зачастую создаются в более крупном масштабе (от 4,000,000 до 25,000,000) целесообразно производить упрощение (generalize) покрытий объектов гидросферы и ландшафта (he213e.shp, he213r.shp и he213l.shp). Для этой цели используют программный код Theme.GeneralizeFeatures (файл genfeat.ave в поддиректории C:\$AVHOME\AV_GIS30\ARCVIEW\Samples\scripts). С его помощью можно уменьшить размер покрытий, например, более чем в три раза, при толерантности равной 1000 метрам. Однако во избежание появления зазоров (gaps) между соседними площадными объектами (he213e.shp), следует сократить толерантность до 500 метров. В проекте HE2.prj в карте (View) ⌠02. Шри-Ланка в период раннего средневековья■ можно вызвать программный код GeneralizeFeatures нажав кнопку с изображением карты с градусной сеткой. Предварительно нужно выделить нужное покрытие, заранее загруженное в эту карту.

При необходимости можно удалить все поля из таблицы слоя, кроме ключевого поля TYPE, (для покрытий гидросферы) и полей TYPE_RELIE и TYPE_ZONE (для покрытия ландшафта) при помощи последовательности двух команд применяемых к текущему покрытию: нажатие кнопки Table на строке кнопок (быстрый переход к документу типа Table), команда Table/Delete Fields.

Упрощение покрытий дает, с одной стороны возможность кардинально уменьшить размеры и сложность используемых покрытий, что важно если работа с геоинформационной системой ведется не на высокоскоростной графической станции, а на тривиальном офисном компьютере. С другой стороны применение упрощенных покрытий дает преимущества при создании в будущ