ГИС В ГЕОДЕЗИИ Конспект лекций. Конспект лекций по предмету гис в геодезии
 Скачать 1.37 Mb.
|
|
Топология в TIN Модель TIN – это топологическая структура данных: ребра соединяются в узлах; каждый треугольник смежный с соседними треугольниками. Топологические отношения создаются путем создания в базе данных для каждого узла указания на смежные узлы. Пространство вокруг территории представляется фиктивным узлом. Модель TIN (рис. 2.4) в цифровом виде описывается связанными файлами - файлом вершин, файлом указателей и файлом треугольников. Для каждой точки разбиения сохраняется ее уникальный номер, координаты и список точек, с которыми она соединена прямыми (по часовой стрелке). Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко Рисунок 2.4 Топология TIN Этапы создания модели TIN Модель TIN создается в следующей последовательности. Этап 1. Задание множества точек i по координатам Xi, Yi, Zi. Рисунок 2.5 Множество точек Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко Этап 2. Построение триангуляция Делоне Рисунок 2.6 Триангуляция Делоне Этап 3. Ввод линий перегиба поверхности (Breakline) и модификация TIN с учетом линий перегиба. Линии перегиба рельефа определяют резкие изменения поверхности, такие как линия верха, низа откоса, гребни, тальвеги и др. Рисунок 2.7 Линии перегиба поверхности Этап 4. Ввод областей исключения (Exclusion areas) с постоянным значением Z и модификация TIN с учетом полигональных объектов, например водной поверхности. Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко Рисунок 2.8 Области исключения Этап 5. Решение задач по модели TIN поверхности. 2.4. Растровые модели географических объектов 2.4.1. Концепция растровых моделей географических объектов Земное пространство непрерывно. Для представления земного пространства используются модели данных, которые в любом случае основаны на наборах дискретных объектов. В векторной модели дискретизация реального земного пространства выполняется посредством выделения дискретных географических объектов и отображения их отдельными пространственными элементами – точками, линиями, областями. В растровой модели дискретизация реального земного пространства достигается путем разделения его непрерывной последовательности на множество смежных элементарных объектов – пространственных ячеек. Ячейки являются базовыми элементами растровой модели данных. Ячейка – это наименьшая единица информации растровой модели. Под ячейкой понимается гомогенный объект, т.е. такой объект, который имеет одну характеристику или одно значение. Поэтому растровая модель дает информацию о том, что расположено в данном месте. Для сравнения векторная модель дает информацию о том, где расположен объект. Для каждой растровой модели используются ячейки одного выбранного размера. В ГИС в зависимости от способа задания ячеек различают два типа пространственных ячеек: пиксел (Pixel - Picture Element) – ячейка, представляющая собой минимальный неделимый далее элемент изображения; ячейка (Сell) – ячейка заданного размера в форме квадрата, прямоугольника, треугольника, шестиугольника или трапеции. Наиболее распространенная форма ячейки – квадрат или прямоугольник. Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко Растровая модель данных в ГИС предполагает разбиение пространства (координатной плоскости) с вмещающими ее пространственными объектами на аналогичные пикселам дискретные элементы, упорядоченные в виде прямоугольной матрицы. Для цифрового описания (позиционирования) точечного объекта при этом будет достаточно указать его принадлежность к тому или иному элементу дискретизации, учитывая, что его положение однозначно определено мерами столбца и строки матрицы (при необходимости координаты пиксела, либо его центроида или любого угла могут быть вычислены). Пикселу присваивается цифровое значение, определяющее имя или семантику (атрибут) объекта. Аналогичным образом описываются линейные и полигональные объекты: каждый элемент матрицы получает значение, соответствующее принадлежности или непринадлежности к нему того или иного объекта. (Рис. 2.3) Рисунок 2.9 Растровая модель В растровых системах есть два способа добавления атрибутивной информации об объектах. Простейшим является присвоение значения атрибута каждой ячейке растра (например, индекс растительности). Но в таком варианте каждая ячейка имеет только одно значение атрибута. Второй подход – связывание каждой ячейки растра с базой данных, так что любое число атрибутов может быть присвоено каждой ячейке растра (Рис. 2.4). Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко Рисунок 2.10 Атрибуты растра Представление исходных полигональных объектов в виде растра может показаться весьма грубым приближением их истинной формы. Однако, выбрав подходящий размер пиксела растровой модели, можно добиться пространственного разрешения (точности представления объектов), удовлетворяющего целям их цифрового описания и последующей обработки, если этому не препятствуют соображения экономии машинной памяти: двукратное увеличение разрешения ведет к четырехкратному росту объемов хранимых данных и т.д. Полученная матрица образует растровый слой с однотипными объектами; множество разнотипных объектов образует набор слоев, составляющих полное цифровое описание моделируемой предметной области. С каждым семантическим значением или кодом пиксела, кроме того, может быть связан неограниченный по длине набор (таблица) атрибутов, каждый из которых можно развернуть в производный слой, соответствующий размеру исходной матрицы. 2.4.2. Характеристики растровых моделей Для растровых моделей существует ряд характеристик: разрешение, ориентация, зоны, значение, положение. Разрешение. Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко Разрешение – минимальный линейный размер наименьшего участка отображаемого пространства (поверхности), отображаемый одним пикселем. Пиксели обычно представляют собой прямоугольники или квадраты, реже используются треугольники и шестиугольники. Более высоким разрешением обладает растр с меньшим размером ячеек. Высокое разрешение подразумевает обилие деталей, множество ячеек, минимальный размер ячеек. В общем случае разрешение выражают в следующих единицах: ppi (pixel per inch) – пиксел на дюйм, dpi (dot per inch) – точек на дюйм, lpi (line per inch) – линий на дюйм. Значение. Значение – элемент информации, хранящийся в элементе растра (пикселе). Поскольку при обработке применяют типизированные данные, то есть необходимость определить типы значений растровой модели. Тип значений в ячейках растра определяется как реальным явлением, так и особенностями ГИС. В частности, в разных системах можно использовать разные классы значений: целые числа, действительные (десятичные) значения, буквенные значения. Целые числа могут служить характеристиками оптической плотности или кодами, указывающими на позицию в прилагаемой таблице или легенде. Например, возможна следующая легенда, указывающая наименование класса почв: 0 - пустой класс, 1 - суглинистые, 2 - песчаные, 3 - щебнистые и т.п. Ориентация. Ориентация – угол между направлением на север и положением колонок растра. Зона. Зона растровой модели включает соседствующие друг с другом ячейки, имеющие одинаковое значение. Зоной могут быть отдельные объекты, природные явления, ареалы типов почв, элементы гидрографии и т.п. 2.4.3. Растровое представление поверхности Растры представляют поверхности в виде регулярной матрицы двумерных ячеек со значением Z. Каждая ячейка хранит свое значение Z. Трехмерная растровая модель поверхности представляет собой совокупность смежных блоков. Значения Z отображаются соответствующим цветом (Рис. 2.11). Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко Рисунок 2.11 2D и 3D растровое представление поверхности Преимущества растрового представления поверхности: 1) это простая модель; 2) применение в приложениях, где точность местоположений не имеет преимущественного значения и не требуется точного представления пространственных объектов поверхности. Недостатки растрового представления поверхности: 1) регулярная структура не приспособлена к изменениям сложного рельефа; 2) разрывы непрерывности передаются недостаточно хорошо; 3) точные местоположения точек вершин, дна теряются. С растровым представлением поверхности связано сеточное представление поверхности. Каждую ячейку растра идентифицируют местоположением и значением Z. Для определенных типов данных значение ячейки представляет собой измеренное значение в центральной точке ячейки. Для сеточного представления поверхности базовой структурой является сетка, образованная параллельными и взаимно перпендикулярными линиями, проходящими через центральные точки ячеек растра. В ГИС для отображения поверхности на основании такой сетки используются две основные модели – грид и латтис. Грид (Grid) – модель в виде коллекции центральных точек ячеек со значениями Z, расположенных регулярно через горизонтальные интервалы (в отличие от формата ESRI Grid). Грид передает форму поверхности точками в трехмерном пространстве. Если значениями Z являются высоты местности, грид представляет собой цифровую модель высот (Digital elevation model – DEM). Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко Рисунок 2.12 Грид в 2D и 3D представлении 2.4.4. Недостатки и преимущества растровых моделей По сравнению с векторными моделями растровые модели обладают следующими недостатками: географические объекты характеризуются менее точной информацией о местоположении и размерах; растры требуют больших объемов памяти. Представление географических объектов растровыми моделями имеет следующие преимущества: растр отображает непрерывно охватываемую территорию; растровые данные проще для обработки и обеспечивают более высокое быстродействие; ввод растровых данных менее трудоемкий. 2.4.5. Форматы растровых данных Для хранения растровых данных используются многие форматы; некоторые из них представлены в табл.2.2. Таблица 2.2. Форматы растровых данных Название формата Характеристика формата Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко BMP (Microsoft Windows/IBM® OS/2® Bitmap) Битовый двоичный формат растровых графических файлов, предусматривающий 4, 8 и 24 бита на точку. TIFF (Tagged Image File Format) Формат для создания и обмена изображениями высокого качества; поддерживает цветные (до 24 бит), черно-белые изображения и градации серого; использует разные типы сжатия данных с учетом фотометрических свойств изображения. TIFF-LZW TIFF-LZW ERDAS Imagine - формат сжатия растровых данных, основанный на алгоритме Lempel Ziff & Welsh, поддерживается при наличие специальной библиотеки. Коэффициент сжатия изображения, представленного в формате TIFF, составляет 1:7,7 GeoTIFF Расширение формата TIFF для передачи изображений, имеющих пространственную привязку, включает информацию о системе координат и проекции, параметрах геометрической коррекции. JPEG (Joint Photographic Experts Group) Формат для сжатия изображений с коэффициентом более 25:1 с потерей качества; позволяет передавать до 16 млн. цветов (до 32 бит); распространен для изображений в Интернете. JFIF (JPEG File Interchange Format) Формат файлов для хранения и передачи изображений, сжатых по алгоритму JPEG. PCX Распространенный формат графических файлов для цветных изображений, используемый в большинстве графических редакторов. Изображение сжимается до 1:1,5. ERDAS IMAGINE Файлы разработаны, используя программное обеспечение обработки изображений IMAGINE. Файлы ERDAS IMAGINE могут хранить непрерывные и дискретные одноканальные или многоканальные данные. IMG (Image) Формат сканированных с высоким разрешением изображений. Графический файл в пакете GEM. Используется во многих растровых ГИС-пакетах, например, ERDAS. ER Mapper ER Mapper файлы разработаны, используя программное обеспечение обработки изображений ER Mapper. ESRI Grid Формат, разработанный фирмой ESRI, поддерживающий 32- битовые целые и действительные растровые сетки. Целые гриды предназначены для представления дискретных данных, действительные гриды используются для представления непрерывных явлений. Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко 2.4.6. Файл геопривязки растровых данных Файлы растровых данных в выбранном формате представляют изображение, в котором положение каждой ячейки фиксируется координатами изображения - номером ряда и номером колонки. Эти данные не содержат информацию о координатах ячеек в принятой системе координат для реального земного пространства, и поэтому их недостаточно для представления географических объектов. Для представления географических объектов необходимо установить преобразование координат изображения в координаты реального мира. Специализированные форматы, такие как ERDAS MAGINE, BSQ, BIL, BIP, GeoTIFF, Grid хранят геопространственную информацию в заголовке файла изображения. Растровые данные, представленные в общих форматах, необходимо совместно использовать с отдельными файлами геопривязки - World файлами, которые содержат информацию о преобразовании координат изображения в координаты реального мира. Файл геопривязки имеет тоже название, что и файл изображения, но его расширение дополнено в конце буквой w (от World). Например, для файла изображения map.tif файл геопривязки будет map.tifw или map.tfw . Файл геопривязки представляется в формате ASCII; он содержит информацию для преобразования координат изображения в координаты реального земного пространства (табл.2.3). Таблица 2.3. Пример содержания файла геопривязки Аргументы Пример значений аргументов Размер пиксела по оси Х 0.423566666650000 Коэффициенты поворота 0.000000000000000 0.000000000000000 Размер пиксела по оси -Y -0.423566666650000 Координаты центра верхнего левого пиксела 79000.000000000000000 71000.000000000000000 3. ОРГАНИЗАЦИЯ ДАННЫХ В ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ 3.1. Определение, значение и задачи системной организация данных Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко Организацией данных называют процесс сведения разнородных данных и моделей в единую логически непротиворечивую модель, которую в дальнейшем можно будет эффективно применять в различных технологиях анализа и управления. Собранные данные могут храниться в виде наборов или файлов. Кроме того, при сборе данные могут организовывать связанные совокупности, называемые моделями. Для того чтобы разнородные данные и модели можно было обрабатывать в одной системе они должны быть упорядочены и сведены к единой информационной модели, в которой они будут дополнять друг друга. Результатом организации данных является создание такой информационной модели, которая позволяет организовать эффективное хранение в базе данных и эффективную обработку в информационных системах и различных технологиях. Организация данных придает качественно новые свойства геоданным. Именно организация данных дает возможность использовать географические данные при решении широкого круга прикладных задач управления, анализа, логистики, планирования, проектирования, прогнозирования, использования ресурсов, мониторинга и др. 3.2. Принципы организации данных в ГИС Существует множество структур данных, используемых для представления географических объектов, в зависимости от потребностей в данных и их последующего использования. Наибольшее распространение получили два общепринятых принципа организации моделей пространственных данных: принцип послойной организации информации (его часто называют классическим), объектно-ориентированный принцип организации данных. 3.2.1. Послойный принцип организации информации Реальный мир состоит из множества географических объектов. Декомпозиция реального мира может быть выполнена путем стратификации - процедуры, которая разбивает множество географических объектов на страты или слои, удобные для обработки и анализа. В результате изучаемая область реального мира представляется набором слоев взаимосвязанных данных. Послойный принцип организации информации заключается в том, что данные о территории организуются (расслаиваются) в виде набора тематических слоев. Слой состоит из однородных данных, объединяемых общей тематикой. Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко Например, в один слой выносятся все объекты гидрографии, или все шоссейные дороги, или все, относящееся к растительному покрову (Рис.3.1). Рисунок 3.1 Послойный принцип организации информации 3.2.2. Объектно-ориентированный принцип организации данных Другой принцип появился относительно недавно и связан с объектно- ориентированным подходом, типовым для современного программирования. При этом группировка объектов соответствует их логическим взаимосвязям. Объектно-ориентированный принцип организации данных в ГИС фокусирует внимание не столько на общих свойствах объектов (моделируемых через деление на слои в предыдущем подходе), сколько на их положении в какой-либо сложной иерархической схеме классификации и на взаимоотношениях между объектами. В силу этого удобно отображаются различные родственные и генетические отношения между объектами, отношения соподчиненности, функциональные связи между объектами. Такой подход ближе к структуре человеческого мышления. Он эффективен, когда необходимо использование логических взаимосвязей объектов, но мало полезен при непрерывном распределении в пространстве признаков (рельеф, удельное содержание полезного ископаемого, загрязнение почвы тяжелыми металлами). |