Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии

Подождите немного. Документ загружается.

могут выполняться не только со всем изображением, но и над его

выделенными частями (в пределах заданной AOI).

Рабочие области удобно представить себе как прозрачную

пленку -накладку на изображение с нарисованными произвольной

формы контурами. Наборы таких областей сохраняются как

поименованные слои особого рода и используются повторно даже с

другим снимком той же территории. Они сами по себе ничего не

меняют в изображении и не являются его частями.

Можно получить рабочие области методом "выращивания из

затравки". Для этого надо указать некоторый пиксель и задать

максимальное расстояние в пространстве признаков, по которому

будут отбираться в односвязанную область подобные по

спектральным характеристикам рядом расположенные пиксели.

Можно также уточнить правило, по которому они отбираются,

ограничить максимальное число пикселей в области отбора или

максимальное геометрическое расстояние от пикселя-затравки.

Такой способ образования рабочих областей позволяет очень тонко

настроить процедуры обработки изображения на участки с опре-

деленными свойствами.

В окне Viewer предусмотрены большие возможности

управления контрастом изображения, как в целом, так и отдельно

для разных диапазонов значений пикселей в файле и для каждого

из цветов RGB (красный, зеленый, голубой).

Есть возможность оперировать гистограммами и функциями

передачи контраста в графическом виде. В специальных окнах

отображаются гистограммы значений пикселей для трех активных

в настоящий момент зон и график функции передачи контраста,

который можно тут же редактировать - добавить точки излома,

изменить наклон, сместить.

24-битовый графический адаптер позволяет в реальном

масштабе времени наблюдать, как отражаются манипуляции в

самом изображении, и закрепить результаты манипуляций,

сохранив соответствующие таблицы перекодировочных

(передаточных) функций или просто применив их для

преобразования значений в самом файле данных.

В программе Viewer можно редактировать растр, например

заполнить выделенные рабочие области постоянным значением или

результатом интерполяции, применить некоторый фильтр в

скользящем окне; создавать произвольные аннотации - связанную с

изображением вспомогательную графику (элементы зарамочного

оформления, сетку, произвольный текст и т.п.), которая выводится

на экран и печать, не меняя самого изображения.

218

Map Composer. Это редактор оформления карт. В нем имеется

весь набор необходимых средств для создания на базе снимка

чистовой картографической продукции. Удобные интерактивные

средства для размещения на листе одного или нескольких

изображений дают полную возможность контролировать размеры и

масштаб, создавать и размещать элементы оформления - легенды,

координатную сетку и т.п. Подготовленную композицию можно

вывести на цветной плоттер, принтер непрерывного тона и на

PostScript-принтер, струйные плоттеры.

Комплект Imagine Production

По сравнению с Imagine Vista базовый комплект Imagine

Production обладает многими дополнительными функциями. Он

позволяет геометрически трансформировать снимки по опорным

точкам, применять методы эталонной и безэталонной

классификации для выделенных объектов на изображении. Эти

классификации могут быть без обучения и с обучением (как

интерактивный процесс). Создание обучающих образов (эталонов)

осуществляется с использованием рабочих областей и технологии

"выращивания из затравки".

Для классификации применяется широкий набор алгоритмов,

таких, как Isodata (иерархический кластерный анализ) и эталонные

классификации на основе принципа максимального правдоподобия,

критерия Махаланобиса, минимального расстояния. Есть методы

оценки надежности и качества полученной классификации по

результатам наземной проверки.

Широк набор методов обработки изображений, причем для их

задания могут применяться как библиотека типовых алгоритмов,

так и специальный интерактивный графический редактор

алгоритмов -Model Maker, реализующий концепцию "визуального

программирования".

Базовые комплекты Imagine Vista и Imagine Production могут

быть при необходимости дополнены модулями расширения.

Модуль расширения Vector. Это расширение обеспечивает

преемственность средств "линии Arclnfo" для рабочих станций,

встроенных в ERDAS Imagine, полноценную работу с векторными

данными в топологическом формате Arclnfo (покрытиями),

редактирование векторных данных (атрибутов и графики), создание

новых векторных слоев, использование привязанной к векторным

объектам описательной информации для распознавания символов.

219

^Расширение Vector допускает как ручную прорисовку

векторных слоев по растровой подложке, так и автоматическое

выделение достаточно однородных контуров методом

"выращивания из затравки", автоматическую векторизацию в

полигоны Arclnfo площадных объектов, выделенных при

проведении классификации, и т.д.

Подмножество этих функций, обеспечивающих работу с

атрибутивной информацией (запрос значения, определение

символогии через значения атрибутов, но не редактирование

графики), реализует модуль Vector Query.

В версии ERDAS Imagine 8.2 для ОС Windows NT и Windows

95 нет отдельных модулей расширения Vector и Vector Query, но

некоторые базовые возможности работы с векторными данными в

виде покрытий Arclnfo обеспечиваются даже в базовом наборе

Imagine Vista: вывод векторных данных в модуль Viewer поверх

растра (в том числе с использованием символогии, определяемой

через значения атрибутов), запрос значений атрибутов, поиск

объектов по значениям атрибутов, формирование рабочих областей

и аннотаций из полигонных объектов Arclnfo.

Модуль расширения Radar. В этом модуле сосредоточены

специфические методы, используемые для работы с

радиолокационными снимками. Это прежде всего набор методов

предварительной обработки (коррекции) радарных снимков,

учитывающих особенности их геометрических и радиометрических

характеристик:

• яркостная коррекция, оценивающая удаление объектов;

• переход от угловых координат наклонной дальности к

координа

там, подобным картографическим, с компенсацией геометрических

ис

кажений, связанных с наклоном луча зрения;

• подавление специфических шумов, в частности спекл-шума

(пят

нистости), связанного с эффектами интерференции отраженного

коге

рентного излучения.

Имеются и другие функции обработки изображения,

позволяющие улучшить качество радарных снимков с учетом их

специфики (анализ текстур, специальные адаптивные фильтры и

т.п.). Модуль работает с данными съемок LANDSAT и SPOT,

используя фотограмметрические модели этой съемочной

аппаратуры.

Модуль расширения Perspective View. Он позволяет в

интерактивном режиме строить перспективное изображение

имеющейся цифровой модели рельефа. Если есть тематическая

карта или снимки на ту же территорию, что и ЦМР, можно

спроектировать их на перспективное изображение рельефа.

220

Таким образом, перспективная модель рельефа как бы

раскрашивается по снимку или карте, т. е. создается достаточно

реалистическое изображение местности (если используется

многозональный снимок с близким к естественному результатом

цветосинтеза) или наглядная рельефная карта.

Средства модуля позволяют использовать и другие регулярные

модели, например геофизические или геохимические поля. Есть

возможность интерактивно задавать положение наблюдателя и

направление взгляда, перемещая мышью соответствующие

маркеры. Можно также задать их положение, вводя нужные

значения координат. Весьма эффективно применение этого модуля

вместе с модулем OrthoMAX.

Модуль расширения Image Catalog. Он позволяет организовать

упорядоченное хранение большого числа снимков путем создания

справочной базы данных. Для каждого снимка в таблице хранится

некоторая стандартная, а также произвольная описательная

информация, которая дает возможность быстро отыскивать снимки

с необходимыми характеристиками и тут же их просматривать.

Если снимки привязаны к местности, то доступен их поиск по

положению на карте. Может быть использовано много карт разного

масштаба на разные участки. При этом переход от одной карты к

другой осуществляется автоматически при изменении текущего

масштаба просмотра.

Карты находятся в векторном формате системы Arclnfo (он

используется и как векторный формат в системе ERDAS Imagine).

Каждый привязанный к реальным координатам снимок при

занесении в базу данных автоматически заносится и на карту - там

появляется его контур. Необходимые снимки можно выбирать по

координатам или прямо по карте. Поддерживается ведение архива

снимков. Модуль рекомендуется для использования при работе с

большими архивами снимков.

Модуль расширения Virtual GIS. Создание этого модуля -

принципиально новый этап в развитии геоинформационных

технологий. Модуль обеспечивает объединение ГИС и систем

виртуальной реальности.

До недавнего времени из-за технических ограничений

пользователи ГИС были лишены возможности визуализации

трехмерных данных в реальном времени. Только с помощью

чрезвычайно дорогих суперкомпьютеров и существовавшего в

единичных экземплярах специализированного программного

обеспечения, совершенно не доступных массовому пользователю,

удавалось решать подобные задачи.

Достижения в области аппаратной поддержки трехмерной

графики, развитие стандартов программирования и общее

повышение производительности компьютеров позволили

осуществить слияние двух наибе

221

лее впечатляющих информационных технологий современности:

геоинформационных систем и систем виртуальной реальности.

Virtual GIS позволяет не только быстро обеспечивать

трехмерную визуализацию пространственных данных, но и

производить анализ этих данных.

Модуль Virtual GIS предназначен для построения

перспективного изображения регулярной цифровой модели

рельефа с возможностью перемещения над ней позиции

наблюдателя в реальном времени. При этом допустимо как

интерактивное управление направлением перемещения,

направлением взгляда и высотой, так и пролет над местностью по

заранее проведенному маршруту. На модели рельефа могут быть

наложены (спроектированы) растровое изображение (аэро- или

космический снимок или карта в растровом представлении), а

также картографическая информация в векторно-топологическом

формате Arclnfo. Как растровые изображения (значения пикселей),

так и векторные объекты (значения атрибутов объектов)

запрашиваются с помощью трехмерного курсора прямо на

перспективном изображении.

Возможно получение дополнительных эффектов: эффекта

дымки, теней и других для получения более реалистического

изображения. Модуль обеспечивает загрузку последовательно

нескольких растровых моделей с разделением их на заданное

расстояние по вертикали, т.е. построение и визуализацию

многослойной структуры. Эту структуру можно рассматривать с

разных точек зрения, погружаясь под слои и облетая вокруг

"пиков". И вдобавок все вышеперечисленные функции доступны в

стереоскопическом режиме (при использовании оборудования фир-

мы Stereographies - стереоочки с LCD -затворами и эмиттера

инфракрасного синхронизирующего сигнала).

Модуль Virtual GIS открывает принципиально новые

возможности для пользователей ГИС-технологий.

Как уже говорилось выше, трехмерная визуализация в

реальном времени стала доступной достаточно широкому кругу

заказчиков, а не только организациям с большими финансовыми

возможностями. В отличие от подавляющего большинства систем

виртуальной реальности, даже весьма дорогих, Virtual GIS

обеспечивает работу с моделью реальной местности, а не с

упрощенной, схематически сконструированной.

Не представляет труда загрузить для использования в Virtual

GIS любые пространственные данные (цифровую модель рельефа,

снимки, карты) в растровом формате системы ERDAS Imagine и в

векторном топологическом формате Arclnfo. При этом не требуется

никакого предварительного преобразования данных.

222

В версии 8.2 пространство маневра ограничено одной

загруженной цифровой моделью местности, однако в версии 8.3

уже не будет ограничений на размер территории, над которой

можно совершать "виртуальный полет". Будет обеспечиваться

динамическая подгрузка новых данных по мере перемещения за

пределы изначально загруженного листа карты. Тем самым при

наличии соответствующей пространственной базы вы можете

совершать "виртуальный полет" практически вокруг всего земного

шара.

Модуль Virtual GIS рассчитан на разные категории

пользователей. Разнообразны области его применения:

• авиация - построения различных тренажерных систем;

• военное дело - тщательное изучение местности при

планировании

военных операций. На базе этой системы уже построены система

визуали

зации поля боя и оперативного управления войсками, применяемые

как в

ходе обучения и штабных учений, так и в реальной боевой

практике;

• служба спасения - реагирование на чрезвычайные ситуации;

• гражданское применение - ландшафтная архитектура,

геология,

геоморфология.

Особый интерес представляет Virtual GIS для визуализации

геофизических и геохимических полей, особенно в задачах,

связанных с комплексным использованием геохимических и

геофизических данных. Более того, представляется, что

потенциальный круг пользователей Virtual GIS и систем на ее

основе чрезвычайно широк.

По мере того как цифровыми моделями рельефа достаточного

разрешения будут обеспечены все большие и большие территории,

трехмерная визуализация пространственных данных в реальном

времени станет едва ли не основным способом работы с такой

информацией. Действительно, нет резкой границы между

картографическим представлением пространственной информации

и перспективным ее изображением.

Оба представления могут плавно преобразовываться друг в

друга в зависимости от изменения положения наблюдателя,

направления взгляда и других геометрических характеристик.

Таким образом, в ГИС мы подошли к реалистическому

отображению окружающего мира (электронная картография

слилась с виртуальной реальностью).

Модуль Virtual GIS использует графические библиотеки

OpenGL и аппаратную поддержку трехмерной графики

(специальный вид памяти, называемый текстурной памятью -

texture RAM). Графическая библиотека OpenGL в настоящее время

принята в качестве стандартного средства работы с трехмерной

графикой на многих компьютерных платформах: SGI, IBM, DEC.

223

Для работы в действительно реальном времени, однако,

требуется аппаратная поддержка OpenGL - texture mapping. В

наилучшей степени это реализовано сегодня на компьютерах SGI в

новой линии Impact, известного семейства рабочих станций

Indigo2. Для работы с Virtual CIS рекомендуются модели: Indigo2

High Impact и Maximum Impact с объемом текстурной памяти не

менее 4 Мбайт, графические карты с аппаратной поддержкой

OpenGL и текстурной памятью. Планируется выпуск Virtual GIS 8.3

также для компьютеров SUN (с операционной системой Solaris 2.5),

для рабочих станций HP 9000/700 с операционной системой HP UX

10 (и, возможно, HP UX 9.0.7). Подобные графические карты

имеются также на рабочих станциях IBM RS/6000 и DEC Alpha,

поэтому можно ожидать появления Virtual GIS также и для этих

платформ (для OS AIX 4.1.4 и Digital UNIX 4 соответственно).

Подобные графические карты с аппаратной поддержкой OpenGL и

texture mapping сегодня имеются даже для персональных

компьютеров (например, производства фирмы Evans and

Sutherland), так что возможно появление подобных систем на ПК

под ОС Windows NT.

Модуль расширения Sub-Pixel Classifier. Он добавляет к

системе средства классификации мультиспектральных

изображений с разделением смешанных пикселей. Обычно каждый

пиксель кадра включает смешанную (комплексную) информацию,

отражающую влияние различных природных факторов.

Процесс классификации позволяет исключить специфическое

влияние любого из этих факторов (интересующих объектов,

материалов, свойств, называемых Material Of Interest - MOI) в

каждом смешанном пикселе, что дает возможность провести их

продвинутый анализ и классифицировать объекты с размерами,

меньшими, чем пространственная разрешающая способность

сенсора.

Главными компонентами процесса анализа спектральных

характеристик пикселей (Applied Analysis Spectral Analytical

Process - AASAP) являются средства автоматического определения

происхождения записи (сигнатуры) спектра и субпиксельный

классификатор. Первый позволяет создать локализованные

спектральные записи, наилучшим образом удовлетворяющие

специфическим требованиям, второй выявляет местоположение

пикселей, содержащих некоторые части выделенного (ых) MOI. В

ходе классификации этих MOI проводится подавление суб-

пиксельных фоновых материалов (факторов), в том числе при

обработке смешанных пикселей, включающих широкий диапазон

фоновых материалов. За счет этого удается проводить коррекцию и

классификацию по снимкам, сделанным в различных условиях,

выделять объекты, зани-

224

мающие небольшую часть пикселя, выявлять материалы с малыми

спектральными отличиями.

Процесс нормализации снимка дает точную характеристику и

контроль влияния атмосферы и солнечного освещения в ходе

проведения классификации. Использование модуля предоставляет

следующие дополнительные преимущества:

• улучшение точности классификации;

• реальное выявление факторов (материалов), дающих не менее

20 %

яркостного спектра;

• возможность классификации пикселей по более детальным

при

знакам (виды деревьев или тип воды);

• минимизация ошибок определения без существенной потери

ско

рости расчетов;

• возможность использования записей спектральных свойств по

од

ному снимку при проведении классификации по другим снимкам;

• возможность проведения последовательной работы в пределах

од

ного или нескольких снимков.

Модуль расширения Restoration. Он предполагает

использование деконволюции (развертки), опирающейся на

математические модели конкретных сенсоров, для восстановления

первоначальной радиометрии кадра, утерянной в процессе

получения изображения и его обработок, таких, как пересчет

пикселей методом кубической свертки, билинейной интерполяции

и методом ближайшего соседа. Все эти методики действуют как

сглаживающие фильтры, подавляющие высокие частоты. При этом

ухудшается качество передачи локальных объектов и резких

границ.

Модуль Restoration позволяет выполнять трансформирование

снимков, давая при этом изображения с большим эффективным

разрешением, чем обычно. Применение модуля в первую очередь

улучшает передачу высоких частот, т. е. локальных объектов, и

уменьшает эффект смещенных пикселей.

Обработанные снимки обладают повышенной

радиометрической и геометрической точностью, визуально имеют

лучшее качество и лучше дешифрируются человеком. В модуле

используются математические модели сенсоров для LANDSAT

ТМ, MSS, SPOT Pan, SPOT XS, AVHRR и многих систем

сканирования твердых копий.

Модуль расширения Auto Warp. Основное назначение модуля

состоит в автоматической привязке снимков друг к другу или к

отсканированной карте с использованием метода,

обеспечивающего полностью автоматическую работу в пакетном

режиме без вмешательства оператора.

15-

*»

225

С помощью модуля можно в специальном окне для

одновременного вывода двух изображений (а также, если необходимо,

и при одновременной работе с другими окнами Viewer, связанными

друг с другом географически) использовать специальные средства

выявления изменений.

7.16. Применение концепции

"открытых систем" в

инструментальных пакетах

ГИС

Один из кажущихся недостатков многих ГИС-пакетов -

присутствие в каждом из них внутренних форматов данных. Это

объясняется не только различием подходов при создании ГИС, но и

стремлением защитить информацию системы от доступа средствами

"чужих" ГИС. Объективно первые ГИС создавались как "закрытые"

системы, что было обусловлено: отсутствием общих концепций в

различных фирмах-производителях, различием применяемых

форматов, основных решаемых задач, подходов программирования и

организацией интерфейсов.

Однако если передача данных из одной ГИС в другую решается

путем конвертирования форматов, то возможность включения в

инструментальную систему дополнительных модулей, созданных

разработчиком, весьма ограничена во многих ГИС.

Кроме того, при конвертировании форматов (см. разд. 5.3) наруша-

ются, а зачастую просто теряются связи, характерные для геоинформа-

ционных данных. Поэтому обычные конвертеры форматов данных,

приемлемые, например, для задач обработки изображений, не

удовлетворяют требованиям передачи пространственно-временных

данных ГИС. Конвертированные данные нуждаются в восстановлении

связей и структур. Это снижает возможность эффективного обмена

данными и тем более использования геоинформационных данных в

"негеоинформаци-онных" приложениях.

Ряд ГИС-систем дает возможность пользователю создавать свои

модули по внутренним правилам этих ГИС, в то же время использова-

ние уже готовых пакетов весьма затруднено.

Одним из решений этой проблемы следует считать концепцию "от-

крытых систем", развиваемую фирмой Microsoft для операционной си-

стемы MS Windows. Реализация этой идеи основана на архитектуре

OLE (Object Linking and Embedding - связывание и внедрение

объектов) и

226

построении компонентной модели объекта COM (Component Object

Model). Этот подход часто называют сокращенно OLE/COM.

Архитектура OLE позволяет одним приложениям системы MS

Windows использовать другие или "вставлять" их для локальных

процедур обработки, например для включения электронной таблицы

или обработки рисунка. В понятие объекта OLE попадает все, что

имеет машинное представление - документ текстового редактора,

электронная таблица, рисунок, видеоклип и т.д. Это включает в

понятие объекта OLE не только данные, но и программные элементы

и объекты, привязанные к разным процессам и даже к разным

машинам (сети).

Понятие OLE как связывание и внедрение, используемое в базах

данных как тип данных, в концепции OLE/COM имеет более широкое

значение. Оно включает в себя унифицированную передачу данных,

структурированное хранилище информации и набор интерфейсов, по-

зволяющий использовать конкретное приложение в качестве OLE-

объекта.

Сущность данной концепции заключается в том, что с помощью

набора интерфейсов создается система автоматных моделей, в

которой одно из приложений, называемое сервером, управляется

другим, называемым клиентом (или контроллером). При этом

некоторые приложения Windows могут выступать в роли как сервера,

так и клиента, пример Excel и Project 4.

Таким образом, разработка компонентной модели уже созданного

ранее приложения дает возможность связывать между собой

различные программные продукты MS Windows, к числу которых и

относятся инструментальные пакеты ГИС. Это, в частности,

позволяет внедрять в ГИС "негисовские" пакеты программ и

наоборот.

Такой подход является общим для всех приложений MS Windows

безотносительно к их предметной области.

Примером конкретной разработки этой концепции в направлении

развития ГИС может служить работа фирмы Intergraph. Ею

осуществляется проект, известный под названием технологии

"Юпитер"[19], который ставит целью создание коммуникабельной

среды обмена, обработки и применения геоинформационных данных

для решения управленческих, инженерных и других задач на основе

концепции "открытых

систем".

Совместно с Oracle фирма Intergraph разработала "OLE для

ГИС" -механизм, отражающий концепцию OGIS (Open Geodata

Interoperability Specification) - открытую спецификацию

взаимообмена геоданными, разработанную Консорциумом по

открытым ГИС.

227

15*

Адаптация "Юпитер"-приложений с помощью методов OLE

аналогична, например, использованию Visual Basic для

программирования' форм ввода или модификации данных в

электронной таблице Excel.

Инструментальный ГИС-продукт GeoMedia для Windows NT -

первый продукт технологии "Юпитер". Он представляет собой

универсальный геоинформационный "клиент", дополняющий

продукты МОЕ и FRAMME, интегрируя данные из множества

источников.

GeoMedia предоставляет доступ ко множеству источников

данных (для ГИС) интегрирует их на общую основу, создает

возможность общения на геоинформационной основе.

Система GeoMedia расширяет возможности MGE и делает ее

более "распределенной" системой. Сравнение MGE и GeoMedia

показывает, что MGE в большей степени рассчитана на

конструкторов и проектировщиков ГИС-продуктов, т.е. в первую

очередь на создание, во вторую -на использование ГИС-продуктов.

Система GeoMedia рассчитана на аналитиков и пользователей ГИС-

продуктов, синтезирующих новые данные и решения. Это

достигается механизмом просмотра и анализа геоинформационных

данных и возможностью принятия решений на основе более

широкой интеграции данных.

Система GeoMedia позволяет копировать или вставлять

атрибутивные данные из буфера обмена в текстовом формате,

обеспечивая более эффективное использование приложений

Windows типа Excel, Access, Word, Visio и др. Преобразование

графической информации в форму деловой графики для задач

управления и бизнеса достигается копированием графики через

буфер обмена в формате метафайлов Windows и последующей

вставкой ее в документы Excel, Access, Word.

Придание данным GeoMedia необходимых, свойств

осуществляет интерфейс Data Warehouse. Кроме организации

связей между данными, характерными для ГИС (см. разд. 4.2,4.3),

он производит при необходимости соответствующие проекционные

преобразования (см. разд. 5.3), что также характерно только для

геоинформационных данных.

Другими словами, GeoMedia делает более "прозрачной" ГИС-

технологию для пользователя-прикладника, далекого от

геоинформатики. Эта прозрачность особенно ценна при интеграции

технологий управления офисом. Через стандартный интерфейс

пользователя Windows решаются задачи создания бизнес-

приложений, требующих пространственно-временную

информацию ГИС.

Например, при создании отчета по новой дорожной схеме или

сети коммуникаций создается текстовый блок на основе базы

атрибутивных данных. На основе этих же данных составляются

графики и диаграммы,

228