Базовые информационные технологии и процессы. И процессы
 Скачать 2.47 Mb.
|
|
5 Геоинформационная технология 5.1 История появления ГИС Аббревиатура ГИС расшифровывается как географическая информацион- ная системаили геоинформационная система. Можно рассматривать ГИС как набор аппаратных и программных инструментов, используемых для ввода, хра- нения, манипулирования, анализа и отображения пространственной информа- ции. Термин геоинформационная сегодня стал обозначать уже нечто большее, чем его развернутый вариант. Первой ГИСпринято считать систему, созданную в 1962 г. в Канаде Ала- ном Томлинсоном, которая так и называлась – Канадская географическая инфор- мационная система. Первые ГИС представляли собой целые комнаты, занятые вычислительной аппаратурой и множеством полок, заполненных перфокартами с пространственной и описательной информацией об объектах (координатами). Из-за высокой стоимости такие ГИС были немногочисленны и доступны только крупным государственным организациям, а также организациям, управляющим эксплуатацией природных ресурсов. Развитие ГИС в современном их понимании и роли как технологии, несомненно, связано с бурным развитием информацион- ных технологий в целом и, в первую очередь, с развитием аппаратной базы. Три источника рождения ГИС-технологий.ГИС-технологии предназна- чены для работы с любыми данными, имеющими пространственно-временную привязку, что обусловило их быстрое распространение и широкое использование во многих отраслях науки и техники, и прежде всего в областях, связанных с применением карт и планов. Трудно переоценить значение карты в различных сферах деятельности человека и общества в целом. Цифровая геодезия и цифро- вая картография (Automated Mapping – AM) стали естественным продолжением традиционных наук и первымиз трех источников ГИС-технологий. Они научи- лись хорошо описывать, структурировать, хранить и обрабатывать простран- ственную геодезическую и картографическую информацию, решать задачи кар- тографической алгебры. Вторымисточником стало развитие систем управления базами данных, обеспечившее рациональные методы хранения всех видов ин- формации и реальное время доступа к данным даже при условии их распреде- ленного хранения, а иногда благодаря ему. Обычные (непространственные) дан- 110 ные, как-либо связанные с пространственными данными, называются в ГИС ат- рибутивной информацией. Уже эти два компонента имеют мощный потенциал, позволивший эффективно развиваться цифровой картографии и автоматизации управления инженерными сетями и коммуникациями (Facilities Managemen – FM).Пространственная информация FM-систем во многом строилась на инфор- мации о проектах инженерных сетей, построенных в системах автоматизирован- ного проектирования (CAD). В конце 1980-х гг. в США появились первые при- родоохранные ГИС. Однако и эти ГИС все еще требовали довольно дорогих про- граммных и аппаратных средств (высокопроизводительных рабочих станций) и не выходили на уровень массовых технологий. Сделать последний, третийшаг для выхода на уровень массовой технологии позволило развитие вычислитель- ных и сетевых возможностей массового персонального компьютера до уровня возможностей рабочей станции. Первые общедоступные, полнофункциональные ГИС, способные работать на персональных компьютерах, появились в 1994 г. (ArcView 2.0). С этого вре- мени и началось бурное развитие ГИС как массовой технологии. ГИС-техноло- гии широко шагнули в жизнь и позволили более эффективно решать различные массовые задачи: управления; торговли, транспорта и складского хозяйства; сельского хозяйства; экологии и природопользования; здравоохранения; ту- ризма; строительства; оптимального инвестирования. Основу привлекательности ГИС-технологий составляют: наглядность пространственного представления результатов анализа баз данных; мощные возможности интеграции данных, в том числе возможности совместного исследования факторов атрибутивной информации, кото- рые имеют пространственное пересечение; возможности изменения пространственной информации по результа- там совместного анализа баз атрибутивных и пространственных дан- ных. Если же говорить о началах цифровой картографии, то первая в мире циф- ровая модель местности (ЦММ; Digital Terrain Model – DTM) была создана в 1957 г. профессором Массачусетского технологического института Миллером. Она представляла собой цифровую модель рельефа и предназначалась для про- ектирования автодорог. В дальнейшем ЦММ стали применяться в других обла- стях. Картографы и геодезисты осознали, что они могут служить основой авто- матизации картографирования. В СССР первые попытки создания ЦММ были 111 предприняты в 1960-х гг. Но уже в начале 1970-х гг. и в 1984 г. были запущены спутники, обеспечившие глобальное покрытие Земного шара стереосъемкой для создания карт масштаба 1:50000 непревзойденного качества. 5.2 Общие функциональные компоненты ГИС Функциональными составляющими ГИС как программно-технического комплекса являются: данные; программное обеспечение; аппаратное обеспече- ние; персонал; функциональные возможности. Данные–любая пространственная информация и связанная с ними таблич- ная (атрибутивная) информация. ГИС представляет собой средство одновре- менно по созданию данных и управлению ими. Источниками данных для ГИСявляются: существующие карты (в том числе в виде слайдов постоянного хранения); геодезические данные точного из- мерения координат и метрической информации поверхности: воздушные, назем- ные, подземные, водные, космические; аэрокосмическая фотосъемка и сканиро- вание, стереофотосъемка; данные из архитектурно-строительных и инженерно- коммуникационных систем автоматизированного проектирования (САПР) (CAD). Программное обеспечение –функции и инструменты, необходимые для управления, анализа и визуализации пространственной информации, а также управления ГИС в целом. Аппаратное обеспечение –компьютер, на котором работает ГИС, а также средства ввода/вывода (сканеры, GPS-приемники, принтеры, плоттеры и т. д.). ГИС могут работать на различных типах компьютерных платформ, от централи- зованных серверов до отдельных или связанных сетью персональных компьюте- ров (ПК). Персонал.Создание и управление ГИС невозможно без людей. Персона- лом ГИС являются как технические специалисты, разрабатывающие и поддер- живающие систему, создающие и поддерживающие в актуальном виде данные, так и непосредственные пользователи. Функциональные возможности –методологический и алгоритмический аппарат, заложенный в ГИС. Современные ГИС включают средства разработки, позволяющие наращивать функциональность и превращать универсальные ГИС в специализированные системы для конкретных отраслей, сфер знания, произ- водственных коллективов. 112 Основными функциями ГИСсчитаются следующие три широкие группы функций: 1) функции автоматизированного картографирования; 2) функции пространственного анализа; 3) функции управления данными. Функции автоматизированного картографированиядолжны обеспечи- вать работу с пространственными данными ГИС с целью их отбора, обновления и преобразования для производства высококачественных карт и изображений. Функции автоматизированного картографирования должны включать векторно- растровые преобразования, преобразования координатной системы, картографи- ческих проекций и масштабов, «склейки» отдельных листов, осуществления кар- тометрических измерений (вычисления площадей, расстояний), размещение тек- стовых надписей и внемасштабных картографических знаков, формирование ма- кета печати. Функции пространственного анализадолжны обеспечивать совместное использование и обработку картографических и атрибутивных данных в интере- сах создания производных картографических данных. Функции пространствен- ного анализа должны включать анализ географической близости, анализ сетей, топологическое наложение полигонов, интерполяцию и изолинейное картогра- фирование полей, вычисление буферных зон. Функции управления даннымидолжны обеспечивать работу с атрибутив- ными (неграфическими) данными ГИС с целью их отбора, обновления и преоб- разования для производства стандартных и рабочих отчетов. Функции управле- ния данными должны включать пользовательские запросы, генерацию пользова- тельских документов, статистические вычисления, логические операции, под- держание информационной безопасности, стандартных форм запросов и пред- ставления их результатов. В общем случае ГИС должна состоять из следующих четырех подсистем: сбора, подготовки и ввода данных; хранения, обновления и управления данными; обработки, моделирования и анализа данных; контроля, визуализации и вывода данных. Задача подсистемы сбора, подготовки и ввода данных– формирование баз географических и атрибутивных данных ГИС. 113 Задача подсистемы обработки, моделирования и анализа данных – органи- зация обработки данных, обеспечение процедур их преобразования, математиче- ского моделирования и сопряженного анализа. Задача подсистемыхранения, обновления и управления данными – органи- зация хранения данных, обеспечение их редактирования и обновления, обслужи- вание запросов на информационный поиск, поступающих в систему. Основная задача подсистемыконтроля, визуализации и вывода данных – генерация и оформление результатов работы системы в виде карт, графических изображений, таблиц, текстов на твердых или магнитных носителях. Еще одной очень важной для прикладного развития и распространения применения ГИС-технологий функцией ГИС является поддержка встроенной среды разработки (engine)дополнительных функций программного обеспече- ния или даже автономных, например, интернет-приложений. Разумеется, это свойство не только ГИС, но и любых развитых компьютерных технологий. Программное обеспечение ГИС включает в себя обеспечение множества технологических аспектов ГИС-технологий: оцифровка (векторизация) бумаж- ных и растровых карт; ввод и преобразование данных наземной и аэрокосмиче- ской топосъемки, GPS-приемников; восстановление рельефа по стереоснимкам методами фотограмметрии [6]; построение топологических моделей по вектор- ным; решение задач картографической алгебры т. д. Ведущие производители программного обеспечения ГИС поддерживают сегодня практически весь спектр ПО. Многообразие ПО ГИС одного производителя называется ГИС-платфор- мой. Мировыми лидерами в области производства ГИС являются: Autodesk Inc. с линейкой программных продуктов AutoCAD Map, AutoCAD Civil [6], MapGuide; компания ESRI (USA) с ГИС-платформой ArcGIS; компания MapInfo Corp. с ГИС-платформой MapInfo [6]. Стоимость платформ и отдельных систем колеблется от нескольких сотен до единиц тысяч долларов, а наиболее характер- ный диапазон – от $1 000 до $5 000. Autodesk проводит очень выгодную для ву- зов академическую политику. Среди российских производителей следует отметить линейку GeoGraph /GeoDraw/GeoConstructor производства ЦГИ ИГ РАН (Москва) [6]; ГИС Pa- norama (GeoSpectrum International, Москва) [6]; ГИС Terra (НИИПМК, Н. Новго- род). Так, ГИС GeoGraph по своим возможностям весьма близка к ГИС ArcView- ArcGIS, а ЦГИ ИГ РАН проводит льготную ценовую политику в отношении ву- 114 зов. Возможности программного обеспечения разных фирм постоянно сближа- ются, и сегодня более важна полнота базы данных и функциональность проекта прикладной системы [6]. Состав ГИС-платформы показан на рисунке 5.1. Как видим, сюда входит и настольная (локальная) ГИС, и ГИС, встроенная в другую систему в виде некоего движка, и серверная ГИС с серверной и вьюверной (Интернет/Интранет) частью, и даже мобильный вариант ГИС. Каждая из частей поддержана соответствующей библиотекой или группой сервисов. Настольная ГИС Внедренная ГИС Серверная ГИС Мобильная ГИС AroView Aroinfo .NET .NET C++ C++ C++ VB VB Java JAVA ADF NET ADF AroEditor AroReader + Доп. модули AroGIS ArcGIS Desktop ArcGIS Engine ArcGIS Server ArcGIS Server ArcPad Desktop Development Kit Engine Development Kit ArcIMS Web Клиент Сервер Пользовательские приложения Web-шаблоны Пользовательские шаблоны Настройка JScript HTML/DHTML .NET XML Настройка XML+ VBScript ArcPad Application Builder Сервисы Java Active X (ASP) JSP ColdFusion Файловая система База геоданных СУБД XML ArcSDE ArcObjects Server Development Kit Объектные компоненты Рис. 5.1 – Компоненты ГИС-платформы на примере ArcGIS 5.3 Принципы организации ГИС Рабочей средой при работе с ГИС-платформой является проект. Проект может включать в себя все информационные компоненты, на которых строятся ГИС-технологии. Основной структурной единицей ГИС является тематиче- ский слой, понятие которого тесно связано с более общим понятием покрытия, несущим в себе объектное содержание (например, единица административно- территориального деления). Покрытие (Coverage)– цифровая модель единицы хранения базы вектор- ных данных ГИС, хранит в виде записей все объекты первичного уровня (точки, дуги, полигоны) и вторичного уровня (координаты опорных точек, аннотации и 115 т. д.) некоторого пространственного объекта и структуру отношений между ни- ми, в том числе топологические. Пустое покрытие – покрытие, в котором отсут- ствуют какие-либо пространственные объекты. Слой (Map Layer)– покрытие, рассматриваемое в контексте его содержа- тельной определенности (растительность, рельеф, административное деление и т. п.) или его статуса в среде редактора (активный слой, пассивный слой). Слой, как правило, однороден не только по тематике, но и по типам объек- тов (точечные, линейные, полигональные, растровые). Информационные компо- ненты могут быть внешними (векторные и растровые слои, таблицы, библиотеки символов) или внутренними (специальные типы слоев, запросы, макросы, карты, макеты печати и т. д.). При создании нового проекта необходимо подключить или создать новые слои. Векторные слои (содержащие точечные, линейные, площадные объекты) могут быть созданы непосредственно в среде ГИС или в других программных средах (например, это может быть чертеж в обменном или двоичном формате AutoCAD). В качестве слоев могут быть загружены растровые изображения раз- личных форматов (как правило, используемых в цифровой картографии). На ри- сунке 5.2 изображен пример многослойного представления городской террито- рии. С каждым векторным слоем могут быть связаны таблица характеристик, хранимая с векторным слоем, и набор таблицс атрибутивными (тематическими) данными, хранимый во внешней СУБД. Транспорт Землепользование Участки переписи Здания Почтовые индексы Растровое изображение Рис. 5.2 – Пример многослойного представления 116 Для каждого слоя можно определить следующие объекты базы данных: запросы к атрибутивным таблицам; темы (варианты тематического картографирования слоя); формы представления справочной информации об объектах; диаграммы (представления результатов в виде различных графиков); макросы – внешние исполняемые программы или внутренние функции ГИС (задаются пользователем для карты в целом, для слоя или для от- дельных объектов). Слои (или покрытия) объединяются в цифровые карты. Карты могут не поддерживать в своей структуре покрытия, но в этом случае берут часть или все функции покрытий на себя. В рамках одного проекта может быть создано не- ограниченное количество карт. Карты могут быть связаны друг с другом как вер- тикально, так и горизонтально. Работая внутри карты, можно добавлять слои, со- здавать и редактировать пространственные объекты, в том числе с соблюдением топологии, осуществлять работу с таблицами (записывать в таблицы результаты измерений по карте, производить изменение структуры, сортировку, редактиро- вание, выборки вручную, запросы с отображением результатов выборок на карте). Дополнительные возможности управления дает панель управления слоями (легенда)карты, на которой представлены все слои. Здесь можно: включать и выключать отображение слоя; присваивать слоям диапазон масштабов, при которых они будут види- мыми; удалять слои из списка слоев, отнесенных к карте; перемещать слои в списке (и одновременно в порядке воспроизведе- ния) вверх или вниз; изменять тематическую классификацию для слоев и т. д. Карты могут быть подготовлены к печати в виде макетов (Layouts) печа- ти. В состав макета печати можно включить любые карты и их легенды. В макет печати могут входить также тексты, таблицы, графики, растровые изображения и др. Любую карту, макет печати, таблицы, темы, запросы, диаграммы, макросы можно сохранить в проекте для последующего использования. Одним из важных для реализации роли ГИС, интегрирующей различные информационные среды, является контекстная ориентированностьрабочей среды. 117 Это значит, что весь интерфейс ГИС (набор меню, панелей и инструмен- тов, реакции на нажатие правой клавиши мыши и т. д.) качественно меняется в зависимости от того, с каким объектом вы работаете в данный момент. При оцифровке карт выделяются три типа объектов, к которым можно от- нести любой имеющийся на карте: Точечный объект.Объект, обозначенный точкой, поскольку его размеры слишком малы, чтобы можно было отразить его форму (границы, площадь) в масштабе карты. Может также представлять некий условный объект, не имею- щий размеров, например отметку высот. Линейный объект.Объект, локализованный в виде линии, поскольку его ширина не выражается в масштабе карты-источника – река, дорога и т. д. Может также представлять некий условный объект, например границу. Полигональный объект.Объект, имеющий площадь, выражающуюся в масштабе карты-источника. Определяется замкнутым контуром и его внутрен- ней областью, например лес, озеро. Возможности ГИС в значительной мере зависят от того, какими моделями она поддерживает примитивы пространственных слоев. Сложность модели должна соответствовать сложности реальных объектов и сложности решаемых задач. В ГИС, допускающих трехмерное моделирование, таких как, например, AutoCAD Map и AutoCAD Civil, кроме классических объектов могут также ис- пользоваться 3D-поверхности и 3D-solid модели. Векторные модели. Большая часть функций и задач моделирования про- странственных объектов ГИС может быть реализована на основе векторных мо- делей (в виде точек, линий и полигонов). Векторные модели особенно удобны для представления и хранения дискретных объектов, таких как здания, трубопро- воды или границы участков. Точки– это пары координат (х, у) или тройки координат (х, у, z, где z – вы- сота). Линии– наборы координат, определяющих совокупность отрезков. Поли- гоны– наборы координат, определяющих границы замкнутых областей. Значе- ния координат зависят от географической системы координат, в которой хра- нятся данные. ГИС могут хранить векторные данные в классах пространственных объек- тов и наборах топологически связанных классов объектов. Во втором случае мы имеем дело уже с векторной топологической моделью. Атрибуты, связанные с объектами, хранятся в таблицах данных. 118 В разных векторных ГИС используются разные реализации векторной и векторно-топологической модели пространственных данных, например: покры- тия, шейп-файлы, формат dwg[6]. Есть случаи, когда в ГИС в качестве основной используется векторная модель, но при необходимости решения специальных за- дач по векторной модели строится и затем используется топологическая модель. Так устроены, например, ГИС ArcView, AutoCAD Map, AutoCAD Civil. Бывает, что топологические модели хранятся в составе коллекции геоинформации раз- ных типов в базе геоданных[5]. Векторные топологические модели В топологическом слое в процессе его формирования и редактирования со- здаются и фиксируются как сами пространственные объекты, так и простран- ственные отношения между указанными объектами – связность, соседство, смежность, вложенность, которые контролируют целостность объекта. При этом объекты типа «полигон» создаются в результате сборки полигонов из дуг, обра- зующих замкнутые контуры. Благодаря своим свойствам топологические модели обеспечивают решение пространственных задач. В ГИС применяются узловые топологии (Node Topology), сетевые топологии (Network Topology) и полигональ- ные топологии (Poligon Topology). Элементом узловой топологии является узел. Каждый узел в узловой топо- логии может характеризоваться набором данных: {ID, X,Y[,Z, w, ]}, где ID – идентификатор; X, Y – координаты; w – вес. Элементом сетевой топологии является ребро (дуга). Дуга (линия) – упо- рядоченный набор связных отрезков, соединенных вершинами. Каждое ребро (дуга) сетевой топологии может характеризоваться следующим набором данных: {ID, StartNode, EndNode[, LeftPol, RightPol, DirectWeight, BackWeight, ]}, где ID – идентификатор; StartNode, EndNode – начальный и конечный узел дуги; LeftPol, RightPol – идентификаторы полигонов справа и слева от дуги (если од- новременно построена полигональная топология); DirectWeight, BackWeight – вес дуги в прямом и обратном направлении. В зависимости от того, сколько дуг объединено в одном узле, узлы могут обозначаться по-разному (рис. 5.3) и раз- личаться как: Δ – нормальные узлы(три и более дуг); ◊ – псевдоузлы (две дуги, в том числе разные концы одной дуги); � – висячие узлы (одна дуга). 119 Рис. 5.3 – Пример разных узлов Псевдоузлы не являются узлами ветвления, не представляются необходи- мыми для решения топологических задач и поэтому могут быть удалены (под- чистка псевдоузлов) с объединением каждой пары дуг, инцидентных псевдоузлу, в одну дугу в соответствующей вершине. Элементом полигональной топологии является полигон. При создании по- лигональной топологии создаются и сетевая, и узловая топологии. Каждый полигон может характеризоваться следующим набором данных: {ID, Area, N, X,Y}, где ID – идентификатор полигона; Area – его площадь; N – число ребер, ограничивающих полигон; X,Y – координаты центроида полигона. Понятие центроидаполигона не является простым. В общем случае цент- роид – это точка, обязательно лежащая внутри полигона. Существуют различные алгоритмы ее автоматического выбора. Однако по- сле автоматического выбора центроид может быть вручную перенесен в другую внутреннюю точку. При автоматическом создании топологии центроиды могут быть также назначены предварительно из числа (из слоя) точечных объектов (например, областной центр может быть назначен в качестве центроида области на карте России). Модели TIN.Модель TIN относится к классу трехмерных векторных моде- лей и представляет собой триангуляционную нерегулярную сетку (TIN – Trian- gular Irregular Network) на моделируемой поверхности. 120 Наверняка вы встречали трехмерные изображения, например, рельефа, сформированные такими треугольниками. Иногда их можно видеть в компью- терных играх, достаточно часто изображения TIN присутствуют в рекламных ма- териалах, но на практике встречаются редко. Для построения такой поверхности нужны набор точек с тремя координатами и, скорее всего, достаточно мощные возможности по выводу на экран того, что вы построите. TIN – эффективный способ хранения и анализа поверхностей, так как три- ангуляционная сеть относится к классу трехмерных векторных моделей и позво- ляет более точно, чем растр, моделировать неоднородные поверхности, которые могут резко менять форму на одних участках и незначительно – на других. Это связано с тем, что можно поместить больше точек там, где значения меняются резко, и меньше точек там, где поверхность меняется плавно. Модель TIN при- меняется как способ хранения входных данных о поверхности и модель для ре- шения задач на поверхностях в ГИС, допускающих работу с 3D-моделями. Особенностью такого объекта карты, как горизонталь рельефа, является то, что в природе его не существует. Горизонталь – это способ отобразить информа- цию, представленную в виде того, что часто называют полем. По сути, это не объект, а модель, которую именно в таком виде легко понимать с бумаги. При переводе этой модели отображения в поверхность TIN появляется новое каче- ство. Растровые модели.В растровой модели пространственная информация представлена в виде таблицы, каждой ячейке которой соответствует заданный цвет. Часто растровая модель местности (например, данные аэро- или спутнико- вой съемки, сканированные карты) используется как исходный материал для по- строения векторных моделей (для векторизации) и/или как подложка для них (см. напр. GoogleEarth). Для точного размещения растра в пространстве модели (географическом пространстве) указываются координаты как минимум одного угла (или опорной точки) растра. Очень часто нужно совместить несколько раст- ров, перекрывающих друг друга. Для точного совмещения оказывается необхо- димым подвергнуть растры согласованным аффинным, проективным, кусочно- аффинным или нелинейным преобразованиям по дополнительной информации о координатах набора опорных точек (тиков). При оцифровке наборов объектов карты в разные слои полезно использовать одни и те же тики, чтобы слои пра- вильно совместились [5]. Растровые модели удобны для хранения и анализа данных, распределен- ных непрерывно на определенной площади. Каждая ячейка содержит значение, 121 определяющее принадлежность к классу или категории, это может быть измере- ние или результат его интерпретации. Кроме изображений к растровым данным относят также гриды (grids). Гри- ды содержат расчетные данные, что часто выгодно использовать для моделиро- вания и анализа. Такие данные могут быть получены из точек замеров, например грид химического состава почв, или основаны на классификации изображения, например грид землепользования. Гриды также можно создать из векторных дан- ных. Grid переводится как «сеть», «решетка». В отличие от модели TIN она сло- жена не треугольниками, а квадратиками (или прямоугольниками), является ре- гулярной и, вообще говоря, плоской. Представьте себе шахматную доску. Она состоит из клеток (в нашем случае они называются ячейками), цвет которых мо- жет рассматриваться как характеристика клетки, ее атрибут. Естественно, что та- ких атрибутов может быть много. Если представить не шахматную доску, а то- пографическую карту, то у каждой ячейки может быть наличие зеленых насаж- дений, водоема; высота и пр. Для удобства практического понимания давайте рассмотрим рельеф. У каждой ячейки есть своя высота. Естественно, что чем меньше ячейка, тем де- тальней описан рельеф, и очевидно также, что между ячейками высота точно не может быть определена. Такой способ представления информации о рельефе позволяет, используя высоты соседствующих ячеек, производить несложные расчеты для определения крутизны склона, его экспозиции или направления стока поверхностных вод. Для того чтобы построить рельеф в виде грида, можно оцифровать обыч- ные горизонтали, разнести по этим горизонталям точки, присвоив для них зна- чение высоты той горизонтали, на которой они лежат, добавить точки с извест- ными высотами от иных объектов (высотные отметки, отметки уреза воды), по- строить по этим точкам модель TIN, а затем уже по модели TIN построить мо- дель GRID. Переход от TIN к GRID позволит получить значения высот для ячеек GRID, находящихся между горизонталями. Затем можно использовать GRID в решении своих задач. В гридах могут храниться как непрерывные данные (например, высота ре- льефа), так и категории (например, тип растительности) и дополнительные атри- буты категорий. Например, в гриде типов растительности для каждой категории может храниться код, название типа, пригодность для обитания определенных 122 видов животных и код обобщенного типа. В этом отличие от векторных данных, где атрибуты соответствуют отдельным объектам. Чем меньше размер ячейки растрового слоя, тем больше разрешение и по- дробнее данные. Однако поскольку ячейки равномерного грида покрывают всю поверхность, уменьшение размера ячейки может существенно увеличить объем хранимых данных. ГИС распознает и может использовать растры из файлов изображений многих типов и из гридов, хранящихся в рабочих областях. Можно добавлять растровые наборы данных к карте так же, как векторные объекты. Если мы рассматриваем растры как модель данных для некоторой ГИС, а не только как входные данные, то также должны быть определены и задачи, ко- торые решаются на этой модели данных, например, после сшивки растров. Это могут быть задачи: восстановления рельефа по раскраске карты; классификации объектов карты (растра) по ее раскраске; решение задачи о близости или инци- дентности объектов карты; идентификация и связывание объектов растровой карты с базой данных. 5.4 Визуализация пространственных данных Общие принципы визуализации пространственных данных Несомненным достоинством ГИС является возможность наглядного пред- ставления пространственных данных в виде карты. Рассмотрим, благодаря чему это достигается. Главный принцип при визуализации пространственных данных в ГИС –ис- пользование послойной организации пространственных данных. При этом однотипные данные группируются в слои. Под однотипными данными можно понимать объекты, имеющие схожую семантику, или объекты, имеющие одинаковую размерность или топологическую структуру. Так, на то- пографической карте можно выделить следующие слои: участки леса, гидросеть, населенные пункты, рельеф местности, автодороги, железные дороги и т. д. Послойная организация пространственных данных имеет следующие до- стоинства: возможность изменять видимость слоев при визуализации карты; возможность изменять порядок слоев при визуализации карты; возможность независимой настройки параметров визуализации каждо- го слоя; 123 возможность независимого пространственного анализа по слоям; возможность формирования карты из слоев различной степени детали- зации и происхождения. Учитывая, что в ГИС могут использоваться как векторные, так и растровые модели данных, при послойной организации данных получаются векторные слои и растровые слои. Причем одному растровому изображению соответствует раст- ровый слой. В некоторых ГИС схожие по атрибутам векторные слои или серию растро- вых слоев можно объединять в один так называемый сшитый или составной слой. Такой слой для пользователя выглядит единым, хотя и сформирован из не- скольких независимых. Подобная операция позволяет манипулировать серией слоев как единым целым [6]. Если число слоев в карте велико, то управлять ими достаточно сложно. По- этому существуют ГИС, в которых можно формировать группы слоев. Например, в группу «Рельеф» могут входить следующие слои: горизонтали, отметки высот, овраги и др. При изменении видимости такой группы меняется видимость всех слоев, входящих в эту группу. В современных ГИС на порядок слоев не накладывается никаких ограни- чений. Однако целесообразно придерживаться следующего порядка расположе- ния слоев (снизу вверх): 1. Растровые слои. 2. Слои с площадными объектами. 3. Слои с линейными объектами. 4. Слои с точечными объектами. 5. Слои с текстовыми объектами. Такой порядок позволяет добиться видимости большинства объектов кар- ты. Визуализация пространственных данных в виде карты является для ГИС основным, но не единственным способом. Ниже описаны особенности трехмер- ной визуализации пространственных данных. Рассмотрим эти способы подроб- нее [6]. Визуализация векторных данных В современных ГИС встречаются два альтернативных подхода к визуали- зации векторных данных. Первый подход предполагает хранение графических свойств объектов вместе с их геометрическими характеристиками (координа- 124 тами). Такой подход также используется во всех векторных графических редак- торах. Достоинством этого подхода является самодостаточность слоя: единожды сформировав графические стили объектов, можно не заботиться о правилах ви- зуализации этого слоя. К его недостаткам следует отнести необходимость изме- нения графического стиля у всех объектов при изменении правила визуализации объектов. Так, в ГИС MapInfo Professional данный подход является основным. Во втором подходе графические свойства являются не самостоятельными свойствами объектов, а зависимыми, например, от значений атрибутов. В этом случае используется понятие визуализатора данных – набора правил для визуа- лизации данных на карте. Достоинством подхода является простота изменения правила визуализации, а недостатком – необходимость задавать правила визуа- лизации при формировании новой карты. Многие универсальные ГИС, например ArcView, используют данный подход для визуализации данных. Карта является моделью реального мира. На карте размещаются элементы, изображающие реальные объекты или явления. Основным элементом всех кар- тографических изображений являются условные знаки, с помощью которых та- кие объекты или явления изображаются на карте. В картографии выделяют три основных типа условных знаков: точечные, линейные и площадные. Точечными условными знаками на карте изображают объекты или явления, размеры которых в масштабе карты пренебрежимо малы. Размер условного знака выбирается не пропорционально размеру изображаемого объекта, а так, чтобы он хорошо воспринимался человеком. Линейными условными знаками на карте изображают объекты или явления, существенно протяженные в масштабе карты, но имеющие пренебрежимо малую ширину. Площадными условными знаками на карте изображают объекты или явле- ния, существенно протяженные в масштабе карты. Каждый площадной услов- ный знак на карте заполняет некоторую замкнутую область. Для отображения объектов или явлений, которые не удается представить описанными условными знаками, используют специальные условные знаки. Кро- ме того, в картографии также применяют и текстовые условные знаки, исполь- зуемые для представления текстовых подписей на карте. Визуализация точечных объектов. Для визуализации точечных объектов используются следующие основные способы. Простые фигуры. Это наиболее простой способ, реализованный во многих ГИС. 125 Векторные шрифты. Этот способ предполагает использование символов из векторных шрифтов (TrueType, OpenType, Type I). Такие шрифты легко и без потери качества масштабируются и отрисовываются средствами операционной системы. Поэтому такой способ визуализации точечных объектов есть почти во всех современных ГИС. В этом способе можно использовать эффекты тени, по- ворота символа, рамки, каймы и др. К недостаткам способа можно отнести слож- ность формирования собственного символа (для этого потребуется специальная программа) и монохромность символа. Растровые символы. В этом способе точечные объекты визуализируются с помощью растровых символов. Как правило, такие символы являются растрами с небольшими размерами в пикселях – 32×32, 64×64, 128×128 и т. п. К достоин- ствам этого способа можно отнести возможность использования цветных симво- лов и легкость создания новых. Недостатком способа является низкое качество символов при печати карты. В некоторых ГИС имеется возможность использовать для визуализации точечных объектов векторные символы, хранящиеся в векторных файлах. Это могут быть как монохромные, так и полноцветные изображения. Обычно для этого используют форматы WMF или EMF. Для формирования новых символов необходимо использовать векторный графический редактор с возможностью со- хранения изображения в указанных форматах. Отметим, что при переносе карт на другой компьютер необходимо позабо- титься о наличии таких же шрифтов или файлов с изображениями на другом ком- пьютере. Визуализация линейных объектов. Для визуализации линейных объектов используются следующие основные способы: сплошные, пунктирные и штрих- пунктирные линии, линии с нанесенными точечными символами и др. При настройке стиля линии можно задавать ее цвет и толщину. Визуализация площадных объектов. При визуализации площадных объ- ектов графический стиль имеет две компоненты: стиль границы и стиль заливки. Для визуализации границы площадного объекта используют те же способы, что и для визуализации линейных объектов. Для заливки (закраски) площадных объ- ектов используются следующие основные способы. Прозрачная заливка. Данный способ используется в тех случаях, когда необходимо показать лишь контур (границу) объекта или когда объект перекры- вает другие объекты и это нежелательно (рис. 5.4, а). 126 Однородная сплошная заливка (рис. 5.4, б) является наиболее распростра- ненным способом визуализации площадных объектов. Заливка по шаблону (штриховка) предполагает мозаичное заполнение объ- екта некоторым шаблоном. Шаблон представляет собой небольшой монохром- ный растр, для которого пользователь может задавать основной и фоновый цвета (рис. 5.4, в). Градиентная заливка. Этот способ позволяет закрасить объект несколь- кими цветами, плавно переходящими друг в друга (рис. 5.4, г). Пользователь до- полнительно может задавать направление градиентной заливки (горизонтальное, вертикальное, диагональное и др.), число основных цветов и другие параметры. Текстурная заливка схожа с заливкой по шаблону, только вместо моно- хромного растра используется полноцветное изображение (рис. 5.4, д). Векторная заливка также предполагает мозаичное заполнение объекта. За- полнение может производиться небольшими векторными элементами, точеч- ными символами или векторными рисунками (рис. 5.4, е). а) г) б) д) в) е) Рис. 5.4 – Способы визуализации площадных объектов: а – прозрачная, б – однородная, в – по шаблону, г – градиентная, д – текстурная, е – векторная В большинстве ГИС используются немасштабируемые условные знаки. При изменении масштаба карты размер точечного объекта или ширина линей- ного объекта остается постоянной. В некоторых ГИС поддерживаются также масштабируемые условные знаки. 127 Текстовые объекты предназначены для подписывания объектов карты. В современных ГИС используется два альтернативных подхода к подписыванию объектов. Первый из них предполагает формирование вручную независимых тек- стовых объектов. Как правило, все текстовые объекты карты размещают в одном слое. Если таких подписей много, формируют не один, а несколько текстовых слоев, что облегчает управление подписями. Достоинство данного подхода за- ключается в его универсальности и широких возможностях. Однако формиро- вать такие объекты приходится вручную: определять текстовое содержимое, гео- графическое положение, стиль текста. Во втором подходе ГИС автоматически создает подписи на основе ка- кого-либо правила. Обычно текстовое содержимое подписи соответствует значе- нию выбранного пользователем атрибута объекта, а географическое положение соответствует центроиду подписываемого объекта. Часто такие подписи явля- ются динамическими. Это означает, что при изменении данных, на основе кото- рых создана подпись, подпись также автоматически изменяется. Данный подход позволяет очень быстро подписать все объекты слоя, просто задав правило под- писывания. В некоторых ГИС такие текстовые объекты не являются независи- мыми, а формируются системой «на лету» при показе карты. Подписи бывают масштабируемые и немасштабируемые. В первом слу- чае при изменении масштаба карты размер подписей также изменяется. Во вто- ром случае размер подписей остается величиной постоянной. Для настройки стиля текстовых объектов используются: шрифт, размер шрифта, цвет шрифта, курсив, подчеркивание, разрядка и др. |