Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии

Подождите немного. Документ загружается.

чения имеют тенденции к единому формальному описанию,

т.е. в большей степени инвариантны к задачам

моделирования, чем технологии.

Тем не менее можно выделить ряд общих для широкого

набора ГИС технологических подходов, которые могут быть

классифицированы по степени (уровню) их интеграции:

• процедура - элементарная операция обработки

информации;

• задача - совокупность процедур для получения одного

вида проек

тной продукции;

• процесс - совокупность задач, обеспечивающих

реализацию типо

вого цикла преобразования данных;

• функция - группы специализированных задач,

выполняющих вза

имосвязанные работы, в ходе которых выпускается

специализирован

ный комплект проектных документов;

• комплекс работ - совокупность работ, заканчивающихся

выпуском

комплекта проектных документов;

• интегрированные работы - выпуск комплекта

документов; поддер

жка и автоматическое обновление базы данных; внесение

данных в экс

пертную систему; выдача наряду с типовым комплектом

документации

прогнозов, рекомендаций, экспертных оценок проекта;

информацион

ный обмен с сетями баз данных и ГИС.

Задачи эффективного интерактивного общения

пользователя с ЭВМ весьма актуальны ввиду невозможности

при решении ряда задач полностью автоматизировать

процесс моделирования.

Метод имитационного моделирования - один из путей

выбора оптимальных решений. Практическое использование

этого метода в ГИС обеспечивается системами

имитационного моделирования (СИМ).

Для хранения набора типовых моделей и их элементов,

хранения информационно-справочной информации

необходимо применение специализированных баз данных.

Базы данных могут образовывать распределенную или

централизованную систему типа банка данных. Для решения

задач обмена информацией между базами данных требуется

интегрированная информационная основа,

Для удобства общения пользователя с ЭВМ нужно

лингвистическое обеспечение.

При выдаче информации пользователю основным

технологическим процессом является графическое

моделирование. Методы моделирования графики должны быть

инвариантны к структуре графической базы

данных и техническим средствам. Элементы

алгебраической теории автоматных моделей, синтеза

типовых конструктивных моделей упрощают процесс

получения сложных графических изображений.

В ряде ГИС возникает необходимость графического

моделирования сложных трехмерных объектов. При

графическом моделировании объект сложной формы

целесообразно представлять в виде совокупности модулей

информационной и программной среды.

5.3. Особенности

моделирования в ГИС

При моделировании в ГИС можно выделить следующие

программно-технологические блоки:

• операции преобразования форматов и представлений

данных;

• проекционные преобразования;

• геометрический анализ;

• оверлейные операции;

• функционально-моделирующие операции.

Операции преобразования

форматов и

представлений данных

Операции преобразования форматов и представлений

данных присутствуют в каждой ГИС, в системах обработки

данных дистанционного зондирования и САПР, в силу чего

имеют важное значение для ГИС как средство обмена

данными с другими системами. По набору форматов ввода-

вывода определяются возможности ГИС использовать

данные, получаемые в других технологиях.

Исходные пространственные данные и данные,

полученные в процессах обработки ГИС, могут иметь

различные наборы форматов. Тип формата чаще всего

определяется используемыми программными средствами,

что особенно характерно при сборе данных по разным

технологиям. Преобразование форматов осуществляется с

помощью специальных программ - конвертеров.

Векторизация. Данные могут иметь векторное или

растровое представление. Между векторными и растровыми

изображениями имеется существенное различие, характерное

именно для ГИС. Растровые изоб-

ражения отображают поля данных, т.е. носят полевой характер.

Векторные изображения в ГИС, как правило, отображают

геоинформационные объекты, т.е. носят объектный характер.

Операции преобразования данных из растрового

представления в векторное (векторизация) - одни из наиболее

важных при обработке пространственно-временных данных в

ГИС.

В технологическом плане преобразование от растра к

вектору для ГИС означает переход от полевого представления

данных к объектному.

Растрово-векторное преобразование применяется при

интерпретации сканированных аэрокосмических изображений

(выделение и окон-туривание на них однородных областей), в

методах дигитализации цифровых растровых картографических

изображений, при обработке данных, полученных с цифровых

фотокамер или от видеосъемки, и т.п.

Векторные изображения вычерченных на бумаге чертежей,

карт невозможно получить с помощью сканера. При

сканировании получается только растровая копия оригинала.

Векторные представления по сравнению с растровыми

обладают рядом преимуществ:

• многие приложения, использующие графику для расчетов,

работа

ют только с векторными файлами, так как векторная технология

эффек

тивнее;

• при хранении на компьютере векторные файлы занимают

меньший

(в 100 - 1000 раз) объем памяти, чем растровые оригиналы;

• векторные рисунки легко редактируются, масштабирование

и трансформирование векторного изображения происходит без

искаже

ний, чего нельзя сказать о преобразовании растровых

изображений.

Векторные изображения обычно создаются и редактируются

с помощью специальных программ - графических редакторов.

Такой редактор входит в состав всех инструментальных ГИС-

систем. Тем не менее существует большое число

специализированных программ - векторизаторов.

Векторизация может быть ручной, полуавтоматической и

автоматической. В графических редакторах ГИС обычно

используется ручная векторизация, что обусловлено

необходимостью решения экспертных задач, создания

топологии, присвоения идентификаторов графическим объектам

и т.д.

Программы-векторизаторы в основном ориентированы на

автоматизацию процесса векторизации растрового изображения.

Ручной режим в них вводится для коррекции векторизованного

изображения, по-

лученного в автоматическом режиме. Вот некоторые из таких

программ-векторизаторов: AUDREO (па), AUTOVECT(pn),

AutoVEC (рпа), CADOverlay (p), ColorFast (a), DIG! Map (pna),

EasyTrase (pn), I / EOVEC (pn), I / VEC (a), MapEDIT (pn),

POCKBIT (a), Spotlight (pn), TRACK(pna), Vectory(pa), WinGIS

(p), Вектометр (рпа), ИНТЕЛВЕК (pna), ЦКМ-век-

торизатор (рпа).

Буквы в скобках обозначают: р - ручной; п -

полуавтоматический; а - автоматический режимы

векторизации.

Программы-векторизаторы отличаются друг от друга

следующими параметрами:

• видом управляющей операционной системы;

• возможностью векторизации различных видов растра:

бинарного,

полутонового или цветного;

• требуемым качеством векторизации растра;

• наборами фильтров (тематическими);

• возможностью и методами редактирования исходного

растрового

изображения;

• видом графической оболочки, посредством которой

оператор осу

ществляет управление векторизатором.

Векторизация позволяет преобразовать растровые

изображения, хранящиеся в растровых файлах, в векторные

рисунки и сохранять их в векторных файлах.

Задачей преобразования является не только получение

векторного образа, практически идентичного исходному

растровому, но и сохранение в распознанном векторном

объекте геометрических связей растровых аналогов при

максимальной информативности векторного образа.

С этих позиций векторизация может быть рассмотрена как

способ сжатия растровых данных с сохранением

информативности исходного изображения по заданным

критериям выделения. В частности, растровое изображение

размерной линии со стрелками должно распознаваться именно

как размерная линия, а не как совокупность отдельных линий.

Векторизация может быть грубой (быстрой), например

применяется алгоритм для векторизации растровых аналогов

линий с углом наклона, кратным 45°.

Для векторизации ареальных объектов растрового

изображения применяют известный фильтр типа outline,

который векторизует границы в

виде контура.

Несмотря на наличие автоматизированных режимов в

программах-векторизаторах, автоматизация этого процесса

сталкивается с большими трудностями, поэтому эффективность

в значительной мере зависит

от того, насколько успешно чисто автоматизированные методы

векторизации сочетаются с интерактивными возможностями

пользователя контролировать процесс растрово-векторного

преобразования и влиять на него.

Пока трудно поддаются автоматизации процессы фильтрации

исходного растрового изображения, подавления шумов, индикации

и устранения разрывов линий, учета изменения толщины линий,

сохранения топологических признаков.

При автоматизированной векторизации картографических

данных возникают сложности в распознавании ситуаций с

большим числом разрывных дискретных элементов, распознавании

надписей в областях с высокой плотностью нанесения или

переносом надписи.

Несмотря на наличие большого числа программных средств,

выполняющих преобразование растра в вектор, пока наиболее

точным и надежным является интерактивный метод

преобразования, основанный на эвристическом моделировании.

Это обусловлено значительным количеством искажений,

производимых программами-преобразователями.

В основу векторного преобразования положен набор процедур,

создающих векторный аналог растрового изображения и

применяющих свой алгоритм векторизации.

В процессах автоматизированного преобразования растрового

изображения в векторное применяют ряд специальных терминов:

•алгоритм векторизации - алгоритм, который осуществляет

авто

матический поиск растровых аналогов векторных объектов

заданных

типов (примитивов) и создает векторные аналоги найденных

фрагмен

тов растрового изображения;

•векторная форма представления изображений - совокупность

векторных объектов и векторных файлов;

•векторный объект - графический объект, заданный своим

анали

тическим описанием. Описание включает в себя тип векторного

объек

та, который определяет его форму (отрезок прямой, окружность,

дуга),

а также параметры (координаты базовых точек , характерные

размеры,

ширина, масштаб и т.д.);

•векторный рисунок-совокупность векторных объектов;

•векторный файл - файл, содержащий информацию о векторном

рисунке;

•маска - задаваемая пользователем прямоугольная область

растро

вого изображения, которая игнорируется при векторизации;

• параметры векторизации - набор логических и числовых (раз

мерных) параметров, управляющих процессом распознавания;

• примитив - тип векторного объекта, атомарная графическая

модель

векторизации. Могут использоваться следующие типы векторных

моделей:

линия, дуга, текст, полилиния, контур и размерная линия;

• рабочая область - прямоугольный фрагмент растрового

изобра

жения, который обрабатывается программой, задается

пользователем.

Основное назначение рабочей области - выделение фрагмента

изобра

жения, в котором происходит векторизация;

•растровое изображение (монохромное) - изображение,

представляющее собой двухмерный массив точек, каждая из

которых имеет черный или белый цвет;

• режим распознавания - поименованный набор всех

параметров

распознавания, запомненный в дисковом файле, применяется для

векто

ризации изображений одинаковых типов (изображения городских

пла

нов, карт, электрических схем и т. п.);

• табличная область - задаваемая пользователем

прямоугольная

область растрового изображения, используется для модификации

про

цесса распознавания тех частей растрового изображения, которые

со

держат таблицы;

• текстовая область - задаваемая пользователем

прямоугольная

область растрового изображения, предназначена для модификации

про

цесса распознавания фрагмента растрового изображения,

содержащего

тексты. Растровое изображение в текстовой области может быть

векто

ризовано полилиниями или контурами. В некоторых программах-

векто

ризаторах текстовые области на изображении могут быть найдены

авто

матически;

• файл параметров - уникальный для каждого растрового файла

файл. Содержит: все параметры распознавания; информацию о

распо

ложении рабочей области, текстовых, табличных областей и масок

на

изображении; значение разрешения растрового изображения (в

точках

на дюйм); текущие единицы - точки, миллиметры или дюймы;

• текущий алгоритм фильтрации;

• фильтр - алгоритм, используемый в процедуре фильтрации;

• фильтрация - процедура, применяемая для повышения

качества

растрового изображения. При фильтрации программа анализирует

ин

формацию о цвете растровых точек, расположенных в окрестности

каж

дой точки, и меняет или оставляет без изменения цвет этой точки

со

гласно одному из алгоритмов фильтрации (фильтра).

Показ векторного изображения в любом масштабе происходит

без искажений, поскольку при отображении на экране программа,

используя математическое описание каждого векторного объекта,

всегда может вычислить расположение и цвет пикселей экрана так,

чтобы оптимальным образом передать изображение. Возможными

становятся и такие режимы показа векторного изображения,

которые не имеют аналогов при управлении видом растрового

изображения. Например, показ векторных объектов в каркасном

(проволочном) представлении, что дает возможность найти ошибки

в построении картографической информации (увидеть, какие линии

не соединяются в концевых точках), и делает векторное

изображение легко читаемым.

При создании векторного объекта пользователь выбирает

необходимый ему тип векторного объекта и задает параметры,

описывающие геометрические размеры этого объекта. При

редактировании векторного изображения применяются простые

алгоритмы, с помощью которых можно легко выбирать и изменять

векторные объекты. При этом можно использовать геометрические

отношения между объектами, оперируя точными математическими

терминами.

Режим ортогональности позволяет строить линии вертикально

и горизонтально, с помощью специальных опций проводить их

перпендикулярно или параллельно другим.

Растровые изображения обрабатывают, добавляя или стирая

части бинаризованного изображения на экране компьютера.

Процесс распознавания становится эффективнее за счет

применения системы фильтров. Это дает возможность

векторизовать растровые изображения различной структуры:

машиностроительные чертежи, архитектурные планы, карты,

схемы, рисунки.

Некоторые программы-векторизаторы позволяют производить

распознавание наборов растровых файлов в пакетном режиме.

Как правило, программы-векторизаторы обрабатывают

бинарные изображения, представленные двухмерным массивом

точек, каждая из которых имеет черный или белый цвет. Эти точки

называются растровыми точками. Бинарные растровые

изображения создаются с помощью конвертеров или специальных

программ обработки изображений. Примером такой программы

может служить широко известный редактор PhotoFinish.

Когда растровое изображение выводится на монитор

компьютера, каждый пиксель экрана соответствует определенному

количеству растровых точек изображения. Цвет пикселя будет

черным или белым в за-

висимости от того, каких растровых точек - черных или белых - в

нем больше. Черные пиксели, сливаясь между собой, образуют

пятна и полосы, которые передают изображение чертежа или

рисунка.

При векторизации можно управлять режимом показа

растрового изображения, используя команды управления экраном.

Например, установка режима просмотра "один в один" означает,

что программа отобразит каждую точку растрового изображения

одним пикселем

экрана.

При увеличении в два раза для изображения каждой растровой

точки будет использовано четыре пикселя. Такая простая

операция приводит к искажению вида растрового изображения -

неровности контуров, незаметные при прежнем масштабе,

вырастают пропорционально степени увеличения. Все это

происходит потому, что растровые модели при компьютерной

обработке данных имеют существенный недостаток: информация

об изображении представляется в виде набора точек и поэтому не

содержит в явном виде данных о геометрии и размерах

отображаемых объектов.

Поэтому программы, которые используют компьютерную

графику для расчетов (интегрированные системы, программы по

созданию объемной мультипликации и др.), работают не с

растровыми изображениями, а с векторными.

Анализ растра почти всегда позволяет определять, какая его

часть изображает линию или дугу, контур или ареал. Это

достигается на основе использования векторных аналогов.

Действие программ-векторизаторов основано на поиске связи

между формой растровой линии и векторным объектом

определенного типа. При этом используется понятие растрового

аналога векторного примитива. Это означает, что существует

векторный объект данного типа такой, что его растровая модель

будет практически идентична изображению фрагмента растра на

экране компьютера.

Полоса растра может быть тонкой линией, линией с шириной

или контуром. Ее можно показать с помощью векторных объектов

трех типов. Очевидно, что без дополнительной информации эта

задача автоматически не решается.

Распознавание векторных объектов на растровых

( векторизация) представляет собой автоматическую процедуру

поиска растровых аналогов заданного набора векторных

примитивов с последующим преобразованием их в векторные

объекты.

При векторизации ставится задача не только получить

векторный рисунок, практически идентичный исходному

растровому, но, кроме того,

уменьшить количество создаваемых объектов с тем, чтобы с изображе-

нием впоследствии было удобно работать. Например, пересекающиеся

линии на чертеже должны быть представлены именно как две линии, а

не как четыре отрезка, окружность, пересекаемая прямой, - как целая

окружность, а не как совокупность отдельных дуг.

При распознавании необходимо сохранить в векторном рисунке

геометрические связи растровых аналогов: если растровые аналоги

двух линий образуют угол, то векторные линии должны пересекаться в

вершине этого угла.

Растровое изображение может иметь дефекты, получающиеся при

сканировании (разрывы линий, смаз изображения и т. д.), на нем могут

быть линии, которые были неправильно проведены на исходном

чертеже или искажены при сканировании оригинала (например, из-за

перекоса нарушены горизонтальность и вертикальность).

Исправление подобных дефектов растрового изображения в

процессе векторизации достигается применением фильтров и

установкой режимов (степень ортогонализации прямых).

Следует подчеркнуть, что основой большинства программ-век-

торизаторов служат бинарные изображения. Это ограничивает эф-

фективность автоматизированной векторизации и требует больших

затрат времени при обработке полутоновых изображений в интерак-

тивных режимах.

В настоящее время применяется комплексный подход,

включающий сканирование, частичную автоматизированную

векторизацию, визуальный контроль преобразования, интерактивное

редактирование данных; унификацию и преобразование данных для

хранения в базе данных.

Векторно-растровое преобразование. Его можно использовать

для генерализации изображения. При этом существенное значение

имеет разрешающая способность создаваемой (электронной ) карты.

Преобразование типа вектор-растр - более простая задача. Оно

осуществляется при выводе векторных данных на устройства печати,

при визуализации графики на растровых видемониторах, построении

электронных карт или карт-подложек.

К этой же группе операций относят сжатие или развертку растро-

вых данных, основанных на алгоритмах кодирования и компрессии,

разбиения на слои, фрагментации или дефрагментации слоев.

Примером системы, осуществляющей преобразование в растровый

формат, может служить продукт фирмы ESRI ArcPress. Это програм-

мный растеризатор, преобразующий векторную, растровую или

смешанную векторно-растровую графику в формат растрового

устройства вы-

122

вода, растр заданного разрешения и размера. Он обеспечивает

быструю распечатку карт и изображений на растровых устройствах

вывода, таких, как струйные и электростатические плоттеры.

В качестве входных данных он может использовать как графичес-

кие метафайлы в стандартах ESRI, так и файлы других систем в

форматах COM, PostScript (Level I, Level 2). На выходе ArcPress могут

быть получены растровые форматы для направления на устройство

вывода и для экспорта в другие форматы, использующиеся для обмена

(TIFF, PBM, PCX BW, BMP, BIT).

ArcPress выполняет программную растеризацию непосредственно

на рабочей станции, используя ее ресурсы памяти. Это позволяет обой-

тись без добавления памяти в плоттер стандартной конфигурации (осо-

бенно при выводе на большие форматы), одновременно распечатывать

один файл и растеризовать другие, исключить ограничения на размер

файла для устройства вывода.

Проекции и проекционные

преобразования

Координаты точек пространственных объектов используют для

указания местоположения объектов на земной поверхности.

Поверхность Земли имеет сложную форму. При составлении карт

пространственное положение точек отображается в плоском

(двухмерном) представлении. Для отображения положения точек

поверхности на плоскости применяют различные математические

модели поверхности, задающие различные картографические

проекции.

Группа математических процедур ГИС, осуществляющая переход

от одной картографической проекции к другой или от пространствен-

ной системы к картографической проекции, носит название проекци-

онных преобразований. Эта группа реализуется методами моделиро-

вания, образуя единый блок. В этот блок входят и различные

процедуры обработки пространственных данных для получения новых

проекций на основе исходных. Эти процедуры включают и простые

операции пересчета координат пространственных объектов (поворота,

смещения, масштабирования и т. п.), более сложные (связанные,

например, с "укладкой" объектов в систему опорных точек) и самую

сложную подгруппу операций (трансформация картографических

проекций).

Число проекционных преобразований в блоках моделирования

ГИС различно: в системе ER Mapper их свыше 700, в ГеоГраф - около

трех десятков, а в некоторых настольных системах (DeskTop GIS) их

нет вообще.

123