Раклов В.П. - Картография и ГИС - 2008. Учебное пособие для слушателей образовательной программы профессиональной переподготовки
 Скачать 2.99 Mb.
|
|
1 1 2 1 1 2 2 2 ω ω ω ω ω ω ω ω log log log log (IJ) , где: ω аibj –частота или доля совпадения явлений на картах А и В . Коэффициент изменяется от 0 до +1. При К=0 явления А и В не соответствуют друг другу. При К=1, имеет место полное соответствие контуров. По мере приближения К к единице все большая часть контуров карты В повторяет контуры карты А или совпадает с ними, а значит можно оценить взаимосвязь между изучаемыми явлениями. ГЛАВА 5. Географические информационные системы (ГИС) в картографии. Наряду с традиционной, так называемой "бумажной " технологией создания карт, в последнее десятилетие стали бурно развиваться компьютерные технологии создания 59 карт с использованием географических информационных систем ( ГИС ). В наиболее общем виде так называемую ГИС - технологию создания карт можно представить в следующем виде : 1. подготовка исходных материалов и ввод данных : а ) с накопителей электронных тахеометров ; б ) приемников GPS; в ) систем обработки изображений ; г ) дигитализацией ( цифрованием ) материалов обследований , авторских или составительских оригиналов , а также имеющихся планово - картографических материалов ; д ) сканированием исходных материалов и трансформированием полученного растрового изображения ; 2. формирование и редактирование слоев создаваемой карты и таблиц к ним , а также формирование базы данных ; 3. ввод табличных и текстовых данных с характеристиками объектов ( атрибутов ); 4. разработка знаковой системы ( легенды карты ); 5. совмещение слоев , формирование картографического изображения тематической карты и его редактирование ; 6. компоновка карты и формирование макета печати ; 7. вывод карты на печать Давая наиболее упрощенное понятие ГИС , можно отметить , что - это автоматизированная информационная система , предназначенная для обработки пространственных данных об объектах и явлениях природы и общества ГИС - это широко развитые системы , использующие базы данных ( организованные хранилища информации ), где сведения об окружающей реальности характеризуются широким набором данных , собираемых различными методами и технологиями В настоящее время ГИС не имеет себе равных по широте применения , так как используются практически во всех отраслях и областях знаний : в навигации , на транспорте и в строительстве , в геологии , географии , военном деле , топографии , экономике , экологии , тематической картографии и др В этом пособии мы не ставили задачу подробно рассматривать очень сложный и многогранный процесс создания карт средствами ГИС на каждом из этапов , так как эти вопросы изучаются во многих других изданиях , однако считаем просто необходимым хотя бы очень кратко информировать читателя об особенностях процесса создания карт средствами ГИС 60 Непременным условием возможности обработки изображений в компьютере является то , что вся информация об объектах местности и явлениях действительности может обрабатываться только тогда , когда она представлена в цифровом виде Географические информационные системы могут работать с двумя , однако существенно отличающимися между собой , типами данных – векторными и растровыми Растровая форма - это представление графической информации ( карты , рисунка , фотографии ) в виде матрицы чисел , каждый элемент которой является кодом , характеризующим яркость соответствующего элемента дискретизации изображения карты Векторная форма — это такая форма представления , в которой информация о местоположении объектов , их очертаниях дается в виде структурированного набора координат точек объекта Оба типа данных имеют свои достоинства и недостатки , оба не исключают а взаимно дополняют друг друга , однако многие из ГИС могут работать как только с векторными моделями , которые создаются на основе векторных типов данных , так и с растровыми моделями , а иногда и с теми и с другими вместе Попытаемся более подробно рассмотреть вопрос о том , как же представляется в памяти компьютера графическая информация , поскольку проблем с хранением метрической информации в виде чисел вроде бы не существует а ) б ) в ) Рис 5.1.1 Кодирование рисунка Для кодирования черно - белых изображений достаточно двух цифр , а так как известно , что в компьютере применяется двоичная система счисления ( когда каждое число представлено в виде набора нулей и единиц ) , то кодирование черно - белых монохромных изображений не представляет большой трудности Рассмотрим процесс преобразования рисунка в цифровую форму на простом примере Возьмем черный крест на белом фоне ( Рис .5.1.1, а ), и попробуем представить 61 запись его компьютерного аналога. Вначале приведем предлагаемый рисунок к прямоугольной форме. Чтобы выделить прямоугольную рамку, захватывающую весь рисунок, представим черный крест, вписанным в квадрат белого цвета. Все рисунки в компьютерах имеют прямоугольную форму, так как для работы с любым изображением к нему добавляется фон, превращающий рисунок в прямоугольник. Крест можно разбить на девять равных частей, каждая из которых будет иметь однородный цвет — черный или белый. Обозначим черный цвет единицей, а белый — нулем . Запишем все получившиеся цифры, начиная с левой части верхнего ряда(рис.5.1.1,б). Мы получили матрицу : 0 1 0 1 1 1 0 1 0 Это и есть компьютерный код нашего рисунка. Однако из этого кода неясно, какого размера должна быть каждая часть рисунка. Поэтому договоримся, что разделим рисунок на небольшие части заданного размера (элементарные квадратики). Теперь частей стало значительно больше (рис.5.1.1,в), и компьютерный код стал длиннее 000011110000 000011110000 000011110000 и так далее. Зато любой компьютер, получив этот код , и зная, что каждая цифра означает цвет(или яркость) небольшого элемента изображения заданного размера, легко восстановит рисунок. Изображения, закодированные описанным способом, называются растровыми изображениями, или растром. Части, на которые разбиваются изображения, называют пикселями (Picture Element — элемент изображения). Пиксели часто называют точками, так как они очень малы. Рисунок из множества пикселей можно сравнить с мозаикой, когда из большого количества разноцветных камешков собирается произвольная картина. Если через увеличительное стекло рассмотреть изображение на экране телевизора или часть газетной иллюстрации, то можно увидеть растр - мелкие точки и пятнышки разной величины и цвета. Так и для моделирования изображения в компьютере оно раскладывается на множество точек, расположенных рядами и столбцами, в своего 62 рода «мозаику», причем координата каждого элемента этой мозаики известна - это номер строки и (или) столбца в матрице чисел. Если для представления каждого пикселя в черно-белом рисунке достаточно одного бита (бинарная форма записи ), то для работы с цветом или полутоновым изображения этого явно недостаточно. Однако подход при кодировании цветных изображений остается неизменным. Любой рисунок разбивается на пиксели, то есть небольшие части, каждая из которых имеет свой цвет. Объем информации, описывающий цвет пикселя, определяет глубину цвета. Чем больше информации определяет цвет каждой точки в рисунке, тем больше вариантов цвета существует. Понятно, что для рисунков в естественном цвете требуется больший объем памяти. Чтобы представить более шестнадцати миллионов цветов, информация о каждой точке рисунка должна занимать четыре байта, что в тридцать два раза больше, чем для монохромного рисунка. Пока говорилось, что пиксель — маленькая часть рисунка. А каков размер пикселя? Не определив размер пикселя, невозможно построить изображение на основе закодированных данных. Если же мы зададим размер, то без проблем восстановим закодированный рисунок. Однако на практике не используют размер пикселей, а задают две другие величины: размер рисунка и его разрешение. Размер описывает физические габариты изображения, то есть его высоту и ширину. Можно задать размеры в метрах, миллиметрах, дюймах или любых других величинах, но в компьютере чаще всего размер задается в пикселях. Например, размер рисунка компьютера равен 32 на 32 пикселя. При отображении на мониторе и последующей печати на принтере каждый пиксель представляется отдельной точкой, если оборудование не делает специальных преобразований. На старых мониторах с крупным зерном экрана монитора, рисунок получится большим, а на современном принтере, в котором используются мельчайшие точки, рисунок получится очень маленьким. А каким он должен быть на самом деле? Для этого задается разрешение изображения. Разрешение - это плотность размещения пикселей, формирующих изображение, то есть количество пикселей на заданном отрезке. Чаще всего разрешение измеряется в количестве точек на дюйм — dpi (Dot Per Inch). Например, если мы укажем, что наш рисунок на компьютере имеет разрешение 72 dpi, это означает, что на каждом дюйме может разместиться семьдесят два пикселя. При отображении рисунков на мониторе используют разрешение от 72 dpi до 120 dpi,т.е. чем выше степень разрешения (72dpi,120dpi,200dpi и т.д.), тем меньше размер растровой точки и ,соответственно, тем выше качество передачи изображения. При печати самым распространенным разрешением является 300 dpi, но для получения высококачественных отпечатков на современных цветных принтерах и плоттерах можно использовать и большее разрешение. 63 Разбив рисунок на пиксели, описав цвет каждого пикселя и задав разрешение, мы полностью закодируем любой рисунок. Имея эту информацию, любая компьютерная программа сможет восстановить исходное изображение. Теперь, когда мы познакомились с принципами представления изображений в компьютере, можно разобраться, почему только современные персональные компьютеры способны работать с качественной графикой. Как уже отмечалось, чтобы получить в рисунке естественные цвета, следует использовать для кодирования каждого цвета четыре байта. Современные цветные принтеры и плоттеры печатают изображения с разрешение до 2000 dpi. Для представления с таким разрешением и глубиной цвета изображения формата А4 (обычный лист бумаги), потребуется памяти около 765 мегабайт (Mb). Даже для современных компьютеров это слишком много. Но рисунки размерами по 50 мегабайт обрабатываются без особенных затруднений. Аэрофотоснимок размером 10х15см и глубиной цвета 24 бита может занять 395 килобайт (Kb) если используется разрешение 75 dpi, или более 35 мегабайт (Mb), при использовании разрешения 720 dpi. Понятно, что при большем разрешении один и тот же чертеж разбивается на большее количество точек, что существенно улучшает его качество, однако работать с большими файлами становиться довольно трудно. Растровые изображения достаточно широко используются в цифровой картографии. Аэро- и космические снимки, введенные в компьютер, хранятся именно в виде растровых изображений. Большинство рисунков во всемирной компьютерной сети Интернет представляют собой растровые файлы. Имеется множество программ, предназначенных для работы с растровыми изображениями. Зная способ кодирования изображения, программа для работы с графикой может воспроизвести его на экране монитора или распечатать на принтере. Растровые изображения обладают одним очень существенным недостатком: их трудно увеличивать или уменьшать, то есть масштабировать. При уменьшении растрового изображения несколько соседних точек преобразуются в одну, поэтому теряется разборчивость мелких деталей изображения. При увеличении —увеличивается размер каждой точки, поэтому появляется ступенчатый контур и изображение начинает «сыпаться». Кроме того, растровые изображения занимают много места в памяти и на диске. Чтобы избежать указанных проблем, применяют так называемый векторный способ кодирования изображений. Самые простые типы изображения - штриховые. Они слагаются из отдельных линий, отрезков, дуг, из которых можно создавать различных комбинации. Из элементарной математики мы знаем, что любой отрезок-это вектор, который характеризуется и определяется на плоскости координатами начала и конца отрезка. В векторном способе кодирования геометрические фигуры, кривые и прямые линии, составляющие рисунок, хранятся в памяти компьютера в виде математических формул и геометрических 64 абстракций, таких как круг, квадрат, эллипс и им подобных фигур. Например, чтобы закодировать круг, не надо разбивать его на отдельные пиксели, а следует запомнить его радиус, координаты центра и цвет. Для прямоугольника достаточно знать размер сторон, место, где он находится, и цвет закраски. С помощью математических формул можно описать самые разные фигуры. Любое изображение в векторном формате состоит из множества составляющих частей, которые можно редактировать независимо друг от друга. Эти части называются объектами. Так как с помощью комбинации нескольких объектов можно создавать новый объект, объекты могут иметь достаточно сложный вид. Размеры, кривизна, цвет и местоположение для каждого объекта, хранятся в виде числовых коэффициентов. Благодаря этому появляется возможность масштабировать изображения с помощью простых математических операций, в частности, простым умножением параметров графических элементов на коэффициент масштабирования. При этом качество изображения остается без изменений. Используя векторную форму представления данных можно не задумываться о том, готовите ли вы единичный условный знак для своего плана или рисуете двухметровый транспарант. Работа над изображением производится совершенно одинаково в обоих случаях. В любой момент можно преобразовать изображение в любой размер без потерь качества. Важным преимуществом векторного способа кодирования изображений является то, что размеры графических файлов векторной графики имеют значительно меньший размер, чем файлы растровой графики. Однако есть и недостатки работы с векторной графикой. Прежде всего, это некоторая условность получаемых изображений. Так как все рисунки состоят из кривых, описанных формулами, трудно получить реалистичное изображение. Для этого понадобилось бы слишком много элементов, поэтому возможности векторной графики не могут использоваться для кодирования аэрофотоснимков. Если попытаться описать аэро- или космический фотоснимок векторами, размер полученного файла окажется значительно больше, чем соответствующий растровый файл. В итоге отметим, что векторные данные используются в ГИС для представления информации, которая нуждается в дальнейшем анализе и манипуляции (обновление данных, корректура, удаление). Растр применяется в основном там, где графическая информация представлена в виде картинки или фотографии, а также в качестве «растровой подложки» для дальнейшей векторизации картографического изображения при создании новых карт. Другими словами, если векторная модель данных дает информацию о том, где расположен тот или иной объект, то растровая- информацию о том, что расположено в той или иной точке территории. 65 5.2 Составные части ГИС. В любой мало-мальски развитой ГИС предусмотрены процедуры сбора, обработки, хранения, обновления, анализа и воспроизведения данных с помощью компьютера и технических средств машинной графики, оснащенных соответствующими программными средствами по обработке изображений. Данные процедуры объединены в соответствующие блоки (подсистемы), основные из которых представлены на рис. . Каждая из этих подсистем выполняет определенные функции и отсутствие хотя бы одной из них говорит о неполноценности данной системы: - подсистемы ввода служат для преобразования графической информации в цифровой вид и ввода ее в компьютер; - подсистема хранения служит для организации хранения и обновления с помощью соответствующих баз данных (БД) и систем управления ими (СУБД); - подсистема обработки и анализа служит для выполнения операций над географическими данными, построения изображений, поиска и анализа данных; - подсистема вывода служит для вывода изображений на экран монитора или печатающие устройства для получения твердых копий; - подсистема обработки, поиска и анализа информации - для проведения различных операций над географическими данными. СУБД Базы данных Подсистема хранения Графическая. информации Атрибутивная Подсистема Подсистема обработки ввода данных и анализа информации Подсистема вывода изображений 66 Рис.5.2.1 Компоненты геоинформационной системы. 5.3. Подсистема ввода информации. . Подсистема ввода компьютер, монитор дигитайзер сканер накопители клавиатура геодезических приборов Рис.5.3.1 Компьютер для работы с графикой должен быть более мощным, чем обычный офисный или домашний компьютер. Прежде всего, у него должно быть много памяти и большой жесткий диск. Это обусловлено значительными размерами графических файлов. Минимум оперативной памяти для такого компьютера - 128 мегабайт, но лучше 256 мегабайт памяти. Объем жесткого диска должен составлять около 20 гигабайт, хотя диск большего размера не повредит. Конечно, можно работать и с диском, размером 5 гигабайт, но потребуется постоянно освобождать место для новых изображений, удаляя старые(рис.5.3.2). Желательно иметь на компьютере устройство для записи компакт-дисков, чтобы можно было легко переносить готовые фрагменты карт на другие компьютеры. Рис.5.3.2. 67 К процессору никаких особых требований не предъявляется, он должен быть современным и достаточно быстрым, чтобы редактирование изображений не сопровождалось длительными раздумьями компьютера. Видеоадаптер должен также быть современным, но не обязательно новейшей разработкой. При этом адаптер должен обеспечивать работу выбранного монитора в заданном режиме, т.е. поддерживать нужное разрешение, частоту смены кадров и глубину цвета. Монитор для работы над графическими изображениями следует выбирать более тщательно, так как в любом компьютере монитор является одним из самых главных компонентов, а при работе с изображениями - тем более. Мониторы с размером диагонали менее 17 дюймов не следует использовать, так как они морально устарели. Лучше воспользоваться мониторами размером 19"-21" . Любой выбранный монитор должен обеспечивать разрешение не менее 1280 на 1024 точек. Лучше, если будет использоваться разрешение 1600 на 1200 точек. При выбранном разрешении следует установить глубину цвета как минимум 16 бит, а лучше 32 бита. Тогда появляется возможность отображать от шестидесяти четырех тысяч до более шестнадцати миллионов цветов одновременно. Частота обновления должна быть не менее 85 герц, чтобы ваши глаза не уставали при работе за компьютером. Первой задачей на этапе подготовки к эксплуатации ГИС является ,как мы уже говорили, преобразование графической или иной имеющейся информации в цифровой вид. В настоящее время наиболее распространенными являются три способа преобразования графической информации в цифровую форму: точечный, линейный и сканирование. При точечном способе используют устройства, которые в литературе называют по-разному: кодировочный планшет, цифрователь, кодировщик, дигитайзер (от англ. –digit- цифра), а сам процесс называется дигитализацией (цифрованием). При ручном или линейном способе дигитализации человек имеет возможность предварительно отсортировывать информацию, вести обработку разнообразных планов, карт и чертежей без специальной их подготовки. Кодировочные устройства дискретного типа состоят из планшета форматом от А4 до А0 и визира в виде увеличительного стекла с перекрестьем, либо щупа в виде карандаша или указки, которые связаны кабелем с декодирующим логическим устройством. Под рабочей поверхностью планшета расположена сетка взаимно перпендикулярных проводников из медной проволоки (рис.5.3.3,а). К каждому проводнику подводится определенный двоично-кодированный сигнал, который воспринимается визиром или указкой при помощи индуктивного контура. Электронная схема периодически (при нажатии кнопки на визире или легком 68 нажатии на кончик указки) пропускает по проводникам электрический импульс, а контур воспринимает импульсы, поступавшие к нему от ближайших проводников. Поскольку каждый дигитайзер имеет собственную систему координат, то таким способом определяется значение координат X и Y каждой точки обрабатываемого изображения. Оператор совмещает визир или указку с какой-либо точкой изображения и дает команду на фиксацию ее координат. Кривые линии заменяются на кусочно- ломанные визуально, а прямые задаются точками на их концах. Последние модели таких устройств обеспечивают точность считывания координат точек порядка 0,1 мм. Известны конструкции(рис.5.3.3,б), основанные на акустическом принципе определения координат указки. На конце указки смонтирован искровой датчик, состоящий из двух электродов, между которыми через регулярные промежутки времени проскакивает искра. Чувствительные микрофоны, расположенные по краям планшета, воспринимают звуковые импульсы, а два счетчика отмечают интервалы времени между возникновением искры и моментом принятия звукового сигнала. Значения времени задержки пересчитываются в значения координат определяемой точки. а) б) Рис 5.3.3. Схемы конструкций кодировочного планшета : а - сетчато-проводниковая; б - акустическая .1-указка; 2-искра; 3- микрофоны. Значения координат точек и их смысловой код записываются на внешний носитель информации, либо передаются непосредственно в компьютер. Многие дигитайзеры для повышения точности оцифровки снабжены различного рода лупами, визирами, подсветками. При линейной дигитализации производится поочередное отслеживание оператором (или автоматически) кривых и прямых линий до их замыкания или пересечения с другими линиями. Перестановка визира на новую обрабатываемую линию производиться вручную или полуавтоматически, если устройству задан алгоритм отслеживания линии. 69 Автоматическое чтение изображений , т е преобразование изображения в цифровой вид , может осуществляться электронными сканирующими устройствами Устройства такого типа , получившие название сканеров, позволяют читать и воспроизводить изображения с относительно большой точностью Ширина строки может составлять всего 5 мкм Обработке подлежат полутоновые черно - белые изображения , текст и цветные изображения на специально оборудованных аппаратах со светофильтрами На устройствах этого типа обрабатываются , в частности , и космические снимки Процесс считывания изображения на сканере автоматический Различают планшетные , роликовые и барабанные сканеры Сканеры последовательно развертывают изображение графического документа в одну строку , тем самым преобразуя двумерное пространство в одномерное , координата которого известна Считываемое изображение крепится на вращающийся барабан , над которым перемещается фотоголовка или телекамера , связанная с фотоумножителем и регистратором координат Импульсы электронной системы воспринимаются в двоичном коде : белое поле чертежа - ноль , черное поле - единица Рис . 5.3.4. Схема планшетного сканера : 1— подвижная каретка ; 2— направляющие ; 3— привод ; 4— ременная передача Рис . 5.3.5. Схема роликового сканера : 1—- ролики подачи бумаги ; 2— лампа ; 3— зеркало ; 4— объектив ; 5 — светочувствительный элемент ; 6— оригинал 5.4. Подсистема вывода изображений. ПОДСИСТЕМА ВЫВОДА ИЗОБРАЖЕНИЙ Графопостроитель Плоттер Принтер Магнитные носители Видеофильм или слайды Внешние системы 70 Рис .5.4.1. Первые попытки вывести изображение при помощи ЭВМ на каком - либо автоматическом устройстве были предприняты тогда , когда класс больших ЭВМ стал снабжаться быстродействующими алфавитно - цифровыми печатающими устройствами ( АЦПУ ). Поскольку такое устройство , как и обычная пишущая машинка , печатало литерами букв , то для того , чтобы получить изображение на печатающем устройстве , необходимо было закодировать рисунок , и для более темных мест на изображении подобрать более " жирные " буквы , для более светлых – " светлые " буквы или служебные знаки В результате получали грубоватые , но в некоторых случаях , достаточные по точности схематические чертежи или забавные картинки Еще позже для класса средних и малых ЭВМ стали выпускаться печатающие устройства , в которых буквы и цифры набираются из несколько рядов мелких точек , образуя некоторое подобие матрицы Печатающая головка содержит от 7 до 24 штырьков - иголочек , образующих вертикальный ряд ( рис .5.4.2 ). Рис .5.4.2. Схема работы мозаичного ( матричного ) принтера : / — бумага ; 2 — красящая лента ; 3 — иголки При печати она пробегает вдоль строки , в нужные моменты ( по команде компьютера ) ударяя штырьками по бумаге Такие устройства можно с успехом использовать для вывода графических документов Если штырьки расположены на расстоянии 0,2-0, Змм друг от друга , то линии чертежа получаются несколько шероховатыми , но для многих целей такое качество приемлемо Печатающие устройства такого типа получили название мозаичных ( или матричных ) принтеров ( от англ . Print- печатать ). Большие возможности растровой регистрации изображений и текстов открывает развитие электрографических ( лазерных ) принтеров ( рис .5.4.3), которые одновременно запечатывают всю страницу целиком Миниатюрный лазер 1 включается и выключается микропроцессором миллионы раз в секунду При этом световой луч отражается от шестиугольного зеркала 2. Отраженный луч нейтрализует положительно 71 заряженные участки поверхности печатающего барабана 3, формируя скрытое негативное изображение. Затем на барабан напыляется мелкий положительно заряженный порошок 4, который пристает только к нейтральным участкам 5. Когда отрицательно заряженная бумага 6 входит в контакт с барабаном, порошок притягивается к ней и прилипает, создавая нужное изображение 7. Затем осуществляется закрепление изображения 8 под действием тепла и давления, и цикл печати повторяется. Рис. 5.4.3. Схема работы электрографического (лазерного) принтера: 1-лазер; 2- зеркало;3 - печатающий барабан; 4 -устройство для напыления порошка; 5 -скрытое изображение; 6 - бумага; 7 – изображение; 8 - закрепление изображения под действием тепла и давления; 9 — готовые оттиски. По большей части принтеры используются при выводе малоформатной документации (текстовые документы, небольшие одноцветные чертежи, схемы). Цветные лазерные принтеры , к сожалению, очень дороги. Для вывода широкоформатных чертежей в цвете в настоящее время широко используются устройства, получившие название плоттеров (от англ. plot-наносить на карту). По принципу построения изображения различают: векторные (перьевые) и растровые плоттеры. В векторных плоттерах пишущие элементы (напоминающие обыкновенные канцелярские ручки, рапидографы, фломастеры) перемещаются относительно бумаги в заданном направлении и рисуют вектора: прямые, окружности и т.д. В растровых плоттерах изображение формируется построчно и последовательно (строка за строкой), при этом направление вывода изображения постоянно и неизменно. Из-за низкой производительности векторных плоттеров (динамические характеристики достигли своего предела и дальнейшее улучшение вряд ли возможно) практически все известные фирмы прекратили их производство. Тем не менее, этот тип плоттеров не потерял свою актуальность в высокоточном производстве (точностные характеристики выше, чем в растровых плоттерах) и там, где по ряду обстоятельств без них нельзя обойтись. Среди растровых технологий (электростатических, лазерных, термотехнологий) особо выделяются плоттеры со струйной технологией печати. 72 Рис. 5.4.4. Схема работы струйного принтера: 1—бумага; 2—печатающая головка; 3 — подводящие шланги с чернильным раствором; 4 — распрыскиватели. Фактически этот тип устройств размывает границу между плоттерами и принтерами и может с успехом применяться при выводе картографической продукции. У них на сегодня наилучшие показатели по критериям «цена-производительность- качество» и этот отрыв с каждым днем увеличивается. При выводе чертежей, карт, схем повышенной сложности, насыщенных цветными элементами, струйные плоттеры намного опережают перьевые. Печатающая система этих устройств состоит из картриджей, заполненных чернилами , (обычно: один картридж — для монохромной модели; от 4 до 6 - в случае цветной), и струйной головки. Струйная головка представляет собой матрицу из большого числа сопел, через которые мельчайшие капельки чернил "выстреливаются" на бумагу. Именно по этой технологии работают барабанные струйные плоттеры IRIS или IXIA (INTERGRAF, США), имеющие при формате АО разрешение 1800 dpi и представляющие по сути струйный плоттер, в котором струйная головка перемещается в направлении, перпендикулярном барабану. Печать на этих устройствах не требует специальных сортов бумаги и позволяет применять для печати любые материалы, которые можно накрутить на барабан (ткань, бумагу, полимерные пленки и т.д.) 5.5. Подсистема хранения информации. Понятия о базах данных. Графическая и атрибутивная базы данных. Пожалуй, основным ядром каждой информационной системы (и ГИС в том числе), является база данных (БД). Под базой данных понимается поименованная совокупность данных, отображающая состояние объекта, его свойства и 73 взаимоотношения с другими объектами, а также комплекс технических и программных средств для ведения этих баз данных. В самом общем смысле база данных (БД) - это набор записей и файлов, организованных специальным образом. В базе данных любой ГИС можно хранить, например, фамилии и адреса друзей или клиентов (текстовая информация) и карту города с нанесенными домами (графическая информация), координаты, значения площадей, другие количественные характеристики (метрическая информация). Базы данных делятся на иерархические, сетевые и реляционные. Иерархические базы данных устанавливают строгую подчиненность между записями. Для хранения данных, имеющих такую структуру, была разработана иерархическая модель данных, которую иллюстрирует рис. 9.12. Сетевые базы данных использовались в том случае, если структура данных оказывалась сложнее, чем обычная иерархия, т.е. простота структуры иерархической базы данных становилась её недостатком. Как сетевые, так и иерархические базы данных были очень жесткими. Наборы отношений и структуру записей приходилось задавать заранее. Рис.5.5.1. Изменение структуры базы данных обычно означало перестройку всей базы данных, а для получения ответа на запрос приходилось писать специальную программу поиска данных. Реализация пользовательских запросов часто затягивалась на недели и месяцы, и к моменту появления программы информация, которую она предоставляла, часто оказывалась бесполезной. Недостатки иерархической и сетевой моделей привели к появлению новой, реляционной модели данных. Реляционная модель была попыткой упростить структуру БД. В ней все данные были представлены в виде простых таблиц, разбитых на строки и столбцы. Федеральный округ Область Область Область Район Район Район Район Землепользование Землепользование Землепользование 74 В реляционной базе данных информация организована в виде таблиц, разделённых на строки и столбцы, на пересечении которых содержатся значения данных. У каждой таблицы имеется уникальное имя, описывающее её содержимое. Более наглядно структуру таблицы иллюстрирует рис.5.5.2 , на котором изображена таблица РАЙОНЫ. Рис.5.5.2. Каждая горизонтальная строка этой таблицы представляет отдельную физическую сущность – один административный район. Она же представлена на карте отдельным графическим объектом. Все N строк таблицы вместе представляют все N районов одной области. Все данные, содержащиеся в конкретной строке таблицы, относятся к району, который описывается этой строкой. Все значения, содержащиеся в одном и том же столбце, являются данными одного типа. Например, в столбце Районный центр содержатся только слова, в столбце Площадь содержатся десятичные числа, а в столбце ID содержатся целые числа, представляющие коды объектов, установленные пользователем. Связь между таблицами осуществляется по полям. Каждая таблица имеет собственный, заранее определенный набор поименованных столбцов (полей). Поля таблицы обычно соответствуют атрибутам объектов, которые необходимо хранить в базе. Количество строк (записей) в таблице не ограничено и каждая запись несет информацию о каком-либо объекте. На сегодняшний день реляционные базы данных являются наиболее популярной структурой для хранения данных, поскольку сочетают в себе наглядность представления данных с относительной простотой манипулирования ими. При использовании ГИС в картографии, в реляционных БД содержатся два типа данных: графические и атрибутивные (или семантические). В графической базе данных хранится так называемая графическая или метрическая основа карты в цифровом виде. Атрибутивная база данных содержит в себе Данные о районе Таблица Районы. ID Район Районный центр Код объекта Площадь района тыс га Число жителей , тыс чел 1 Пушкинский Пушкин 108 63,4 158 2 Клинский Клин 106 200,0 138 3 Каширский Кашира 104 62,8 74,7 4 Рузский Руза 105 155,9 68,8 … ………. … … … … N Подольский Подольск 118 106,2 75,5 Название района Код объекта, определенный пользователем Число жителей в тыс.чел. Данные о районе 75 определенную смысловую нагрузку карты и дополнительные сведения , которые относятся к пространственным данным , но не могут быть прямо нанесены на карту - это описание территории или информация , описывающая качественные характеристики объектов ( атрибуты ). Таблица , содержащая атрибуты объектов , называется таблицей атрибутов , например при сборе характеристик по городу можно указать численность жителей , число театров и концертных залов , протяженность автодорог и линий связи ; по району - его общая площадь и число землепользователей ; по сотруднику предприятия - имя , фамилия , отчество , пол , возраст , стаж работы , размер заработной платы и т д И для хранения всей этой информации применяют атрибутные таблицы В ГИС обычно встроены не только средства отображения базы данных , но и специальные программы - так называемые системы управления базами данных ( СУБД ). С использованием СУБД осуществляется поиск , сортировка , добавление и исправление информации в базах данных Этот модуль позволяет создать новую атрибутивную таблицу , заполнить ее и привязать к карте Не следует понимать , что графические объекты живут сами по себе , а атрибутика - сама по себе Напротив , интеграция достигает порой той степени , когда графический объект физически хранится как одно из полей атрибутивной таблицы , несколько же других полей реально в таблице базы данных не существуют , а отображают автоматически отслеживаемые географические параметры объекта ( длину , периметр , площадь .) Атрибутивные базы данных не только помогают по - разному отобразить объекты с различными свойствами При выполнении пространственных запросов атрибутика помогает более точно идентифицировать объект - в самом простом случае мы можем указать объект на карте и получить о нем подробную информацию ( номер , имя , размер и т д .) Можно , разумеется , организовывать выбор объектов на карте посредством запросов к атрибутивной таблице , так как мы знаем , что выделение объектов связано с выделением их атрибутивных записей Все объекты и примитивы должны иметь свой номер или идентификатор , при помощи которого можно поставить в соответствие к графической информации атрибутивную ( рис .5.5.3). Использование идентификаторов открывает широкие возможности для просмотра и анализа картографического изображения Пользователь может указать на объект , например курсором , и система определит его идентификатор , по которому найдет относящиеся к объекту одну или несколько баз данных и , наоборот , по информации в базе определит графический объект 76 Название района ID Число населен пунктов Пло - щадь тыс га Число жителей тыс чел Городское население тыс чел Сельское население тыс чел Н - Фоминский 3 Одинцовский 1 Рузский 4 Шаховской 2 Рис . 5.5.3. Связь графических и атрибутивных баз данных в ГИС Однако набор записей ( иногда несколько сот тысяч ), содержащий графическую ( метрическую ) и атрибутивную информацию о каком - либо объекте хоть и очень похож , однако еще очень далек от того образа реального мира , который мы называем картой Пока можно говорить только о том , что множество цифровых данных о пространственных объектах образует цифровую модель объекта местности , содержащую сведения о его местоположении ( координаты ) и набор свойств и характеристик ( атрибутов ). Рассматривая вопрос о цифровых моделях , нельзя не отметить , что в реальных ГИС мы имеем дело не с абстрактными линиями и точками , а с объектами , занимающими пространственное положение и имеющими сложные взаимосвязи между собой Поэтому полная цифровая модель объекта в цифровой карте в обязательном порядке включает в себя : • геометрическую ( метрическую ) информацию ; • атрибуты - признаки , связанные с объектом и его характеризующие ; • неметрические ( топологические ) характеристики , которые объясняют связи между объектами К топологическим характеристикам можно отнести : ориентацию ( по отношению одного объекта к другому ); примыкание ( наличие общей границы и точек ); включение ( вложенность контуров ), совпадение ( наложение одного объекта на другой ) и т п Топологические характеристики заносятся при кодировании данных в виде дополнительных атрибутов Этот процесс во многих ГИС осуществляется автоматически при дигитализации данных 77 Но и это еще не все. Чтобы система могла свободно оперировать с огромным числом таким образом организованной пространственной информации, ее наборы необходимо определенным образом соотнести с элементами изображения карты. Для этих целей в большинстве случаев используется метод квантования информации, т.е. разделение ее на целый ряд уровней (слоев). В цифровой картографии данный подход получил название послойного принципа организации элементов изображения. В процессе дигитализации составитель карты может собрать в отдельную группу все элементы гидрографии, в другую- дорожную сеть и т.д. и каждой группе (слою) присвоить свою атрибутивную таблицу. Послойная организация пространственных данных является в настоящий момент одним из общепринятых принципов при конструировании и создании ГИС.. Второй принцип организации элементов изображения- так называемый объектно-ориентированный, когда группировка объектов происходит более сложным образом, в соответствии с логическими связями между ними, с построением различного иерархий и зависимостей в данном пособии рассматриваться не будет. 5.6. Подсистема обработки, поиска и анализа данных. Послойная организация данных. Подсистема включает операции, производимые компьютером над географическими данными в информационной системе. К наиболее важным из операций принадлежат те, что обеспечивают выбор и внесение данных в память машины, а также все аналитические операции, которые осуществляются при решении задачи. К наиболее типичным относятся: 1) поиск данных в памяти; 2) установление размерности отдельных исследуемых областей; 3) проведение логических операций над конкретными данными применительно к территориальным единицам исследуемой области; 4) статистические расчеты; 5) специальные математические расчеты в соответствии с требованиями пользователя. Итак, ГИС хранит информацию о реальном мире в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе географического положения тех или иных объектов. Этот простой, но очень гибкий подход доказал свою ценность при решении разнообразных реальных задач. Слой составляют объекты, объединенные одной темой, например, элементы гидрографии. В традиционной картографии этому примерно соответствуют цветные расчлененные оригиналы карты, выполненные на прозрачных пленках и наложенные друг на друга. В некоторых ГИС в слое могут содержатся объекты одного типа, а не одной темы: слои точек, слои линий, слои полигонов. Иногда в слое могут быть 78 объекты, разные и по типу и по теме, но чаще всего встречается все-таки логическая организация информации на слои (рис.5.6.1.). дороги гидрография населенные пункты растительность Рис.5.6.1. Концептуальная схема организации данных в ГИС Поскольку каждый слой может содержать информацию, относящуюся к одной или нескольким темам, то, например, для целей изучения земельных ресурсов такими темами могут быть: почвы, их механический состав, использование земель, агроэкология, оценка земель и т. п. Для задач городского кадастра такой набор может включать данные по улицам, развитию инфраструктуры населенных пунктов, подземным коммуникациям, зеленым насаждениям, строениям, землевладельцам и арендаторам недвижимости. Такое подразделение информации на слои интуитивно понятно и привычно, и легко соотносится с общепринятыми принципами работы с бумажной картой. Послойная организация данных предполагает, что слои в пространстве не имеют разрывов, и что везде мы имеем какую-то информацию. При наличии соответствующих баз данных и систем управления базами данных (СУБД) при послойной их организации можно без проблем получать ответы как на простые вопросы , например: Кто владелец данного земельного участка? На каком расстоянии друг от друга расположены некие объекты? Где расположен данный земельный участок? , так и на более сложные ,требующие дополнительного анализа запросы , например : Где есть места для строительства нового дома? Каков основной тип почв под еловыми лесами? Как повлияет на движение транспорта строительство новой дороги?. Запросы можно задавать как простым щелчком мышью на определенном объекте, так и посредством развитых аналитических средств . С помощью ГИС можно задавать шаблоны для поиска, проигрывать сценарии по типу "что будет, если...". Современные ГИС имеют множества мощных инструментов для анализа, среди них наиболее значимы два: анализ близости и анализ наложения. Для проведения анализа близости объектов относительно друг друга в ГИС применяется процесс, называемый буферизаций. Он помогает ответить на вопросы типа: Сколько 79 домов находится в пределах 100 м от этого водоема? Сколько покупателей живет не далее 1 км от данного магазина? Какова сумма арендных платежей за земельные участки, на которых расположены предприятия торговли? Процесс наложения включает интеграцию данных, расположенных в разных тематических слоях. Данная процедура получила название оверлейной операции (оверлей слоев). В простейшем случае это операция отображения, но при ряде аналитических операций данные из разных слоев объединяются физически. Наложение, или пространственное объединение, позволяет, например, интегрировать данные о почвах, уклоне, растительности и местоположении землевладения со ставками земельного налога. |