Калинин Н.А., Толмачёва Н.И. Космические методы исследований в метеорологии

Подождите немного. Документ загружается.

прибора AVHRR спутника NOAA и визуализированное с помощью

растровой ГИС IDRISI. Его форма несколько искажена, что объясняет-

ся особенностями орбиты спутника NOAA. На рис. 7.11 представлена

карта в проекции Меркатора, сформированная с помощью ГИС

ARC\INFO.

Рис. 7.10. Растровый способ представления пространственных данных

Рис. 7.11. Векторный способ представления пространственных данных

322

При увеличении изображения в первом случае увеличивается

размер прямоугольных ячеек — элементов изображения (пикселей), из

которых состоит растровое изображение. При этом ни форма, ни цвет

прямоугольников (величина сигналов) не изменяются. На нижнем

фрагменте рис. 7.10 хорошо видны прямоугольники, из которых со-

ставлено изображение острова Котлин. Изменение цвета пикселей на

границах острова объясняется тем, что эти сигналы определяются от-

ражением и от поверхности острова, и от поверхности Финского зали-

ва.

При увеличении изображения на рис. 7.11 полигон, соответст-

вующий о.Котлин, преобразуется в подобный полигон большей пло-

щади. Для большего полигона увеличивается длина отрезков замкну-

той ломаной линии, определяющей его границу, при этом ширина этой

линии не изменяется.

7.2.2. ГИС IDRISI

Примером средней растровой системы может служить ГИС

IDRISI. Общий вид экрана при работе с ГИС IDRISI вер. 4.0 показан на

рис. 7.12. На рисунке представлен фрагмент снимка района Санкт–

Петербурга, полученного с помощью прибора AVHRR американского

спутника NOAA. Цифрой 1 обозначена р. Нева, изображение которой

было выведено на растровую подложку на основе информации, хра-

нящейся в специальном векторном файле. Этот файл сначала был экс-

портирован из системы ARC/INFO в формате ASCII, а затем пересчи-

тан по формулам, учитывающим параметры орбиты спутника NOAA.

В отличие от векторных систем в растровых системах географи-

ческое положение объектов и описание их свойств (атрибуты) содер-

жатся в одном файле. Исследуемая местность отображается набором

ячеек, каждой из которых в цифровом представлении соответствует

число, описывающее какое- то определенное свойство данного участка

местности. Числа в растровых картах могут представлять информа-

цию, полученную в результате наблюдений над объектом: это ожет

быть иде чествен-

ное атрибу я в

растро

приведенного описания ясно, что растровые систе-

нтификатор объекта, а также качественное или коли

тивное его описание. К того, данные, содержащиесроме

вом файле, могут описывать явления невидимые при непосред-

ственном наблюдении, но выявленные с помощью анализа данных

наблюдений.

При визуализации растрового изображения на экране дисплея

картинка также складывается из маленьких ячеек, которые назвали

пикселями (слово pixel образовалось из первых букв двух слов —

picture element). Из

323

мы вес

основном ориентированы на пространственный анализ дан-

ных и

ьма неэкономны в плане использования дискового пространства

при размещении данных на жестком диске компьютера или на других

носителях. Растровое изображение содержит описание всех ячеек, его

составляющих, независимо от того, все ли объекты, попавшие в это

изображение, интересуют исследователя. Однако достоинство такого

представления пространственно распределенных данных состоит в

том, что местность описывается однородно, привычным сплошным

изображением. Последнее обстоятельство определяет огромный по-

тенциал растровых систем при анализе и математическом моделирова-

нии непрерывно меняющихся параметров протяженных поверхност-

ных объектов. Таким образом, про растровые системы можно сказать,

что они в

базируются на достижениях в этой области, в то время как про

векторные системы можно сказать, что их потенциал определяется в

основном возможностями управления базами данных.

Рис. 7.12. Общий вид экрана при работе с ГИС IDRISI

ГИС IDRISI представляет собою растровую ГИС, которая по-

зволяет осуществлять хранение, анализ и визуализацию растровых

карт и обработку спутниковых изображений. В ней предусмотрена

также возможность работы с векторной информацией. ГИС IDRISI не

является единой программой, но состоит из набора разнообразных мо-

дулей, образующих несколько блоков или систем. Опишем их в не-

скольких словах.

324

Пространственная и атрибутивная база данных. Централь-

ным блоком любой ГИС является база данных. Это набор карт и свя-

занной с ними информации в цифровой форме. Чаще всего простран-

ственная база данных содержит географическую информацию о про-

тяженных объектах (их форму, географические координаты), а атрибу-

тивная база данных хранит описание различных характеристик (каче-

ственных или количественных) объектов, составляющих первую базу.

В данном случае, как правило, и пространственная и атрибутивная

информация хранятся вместе (объяснение см. выше), образуя интегри-

рованную базу данных, однако IDRISI предоставляет возможность

хранить атрибутивную информацию отдельно в файлах специального

формата.

Система оцифровки. Как уже отмечалось, IDRISI, будучи рас-

тровой ГИС, предоставляет возможность работать с векторным изо-

бражением географической информации. В системе IDRISI оцифровка

и редактирование цифровых векторных карт производятся специаль-

ной пр

раммы изображения, а также

предло

з данных, соответствующий блок играет здесь ту

же роль, что система управления базой данных в векторных ГИС.

ограммой TOSCA. Это независимый пакет для оцифровки, под-

держивающий формат IDRISI. Кроме того, внутри самой ГИС IDRISI

есть средства, позволяющие проводить векторизацию изображений,

выведенных на экран.

Система визуализации. Этот блок обеспечивает функцию про-

смотра, а также печати на бумаге выбранного растрового изображения

или векторного файла. Предусмотрены широкие возможности выбора

параметров вывода, как на экран, так и на принтер. Кроме того, обес-

печена возможность просмотра гистог

жен ряд функций для улучшения изображения.

Система управления базой данных. Это необходимый компо-

нент любой системы. IDRISI, как отмечалось выше, имеет интегриро-

ванную базу данных, однако для управления пространственной и ат-

рибутивной информацией предусмотрены разные модули. Для про-

странственной информации предусмотрены функции репозициониро-

вания, изменения масштаба, склейки и вырезания изображений, кон-

вертации растровых изображений в векторные. Для атрибутивной ин-

формации, когда она содержится в растровом файле, есть функции,

позволяющие изменить данные классификации, а для изменения атри-

бутивной информации, содержащейся в файле формата dBASE, под-

держиваемого системой, предусмотрено использование встроенного в

систему IDRISI редактора, а также некоторых простых функций. По-

скольку в рассматриваемой ГИС основной акцент смещен на про-

странственный анали

325

Блок географического анализа данных. Это блок функций, ко-

торый делает с естности дан-

ными

мощью

Блок анализа спутниковых изображений. ГИС IDRISI обеспе-

чивает весьма широкие возможности для обработки первичных спут-

никовых данных. Известно, что прошедшие через этапы коррекции и

интерпретации спутниковые данные являются основным источником

растровых отображений земной поверхности, с которыми и работает

эта ГИС. Система содержит функции, помогающие при работе со

спутниковыми данными на всех этапах — от чтения специфических

форматов (отсечение заголовков, разделение спектральной информа-

ции) до интерпретации изображений.

Система статистического анализа данных. Этот блок со-

держит программы, реализующие традиционные статистические про-

цедуры, а также специфические функции, для работы непосредственно

с пространственно распределенной информацией. Поскольку ГИС

IDRISI создавалась как открытая система, большое внимание уделено

в ней возможностям обмена информацией с другими системами, а

также усвоения данных из различных источников. Существуют специ-

альные модули для импортирования изображений спутников SPOT и

LANDSAT, графического формата TIF. Имеется специальная про-

грамма, которая меняет порядок байтов в файлах, состоящих из чисел

в формате two-byte integers, что чрезвычайно актуально при перен се

данных из UNIX в MS-DOS. Кроме того, предусмотрен -

порт/имп DAS, а

также соглас и системами

обрабо

истему для работы с привязанными к м

географической информационной системой. Заметим, что с по-

последней из рассмотренных систем (СУБД) можно произво-

дить анализ атрибутивной информации, создавать новые атрибутив-

ные таблицы и строить соответствующие карты, если атрибутивная

информация привязана к пространственной. Однако таких возможно-

стей недостаточно, чтобы назвать продукт географической информа-

ционной системой. ГИС невозможна без блока, реализующего геогра-

фический анализ данных. Этот блок позволяет проводить наложение

изображений, представляющих собою различные тематические слои,

анализировать ряды изображений, осуществлять арифметические, бу-

левы и другие математические операции. Есть возможность делать

запросы, причем относительно как пространственной (например, пока-

зать значения растрового изображения вдоль некоторой линии), так и

атрибутивной информации.

экс

орт данных таких известных ГИС, как ARC/INFO и ER

овано взаимодействие с другими важным

тки данных.

326

7.2.3. Основные этапы обработки данных дистанционного

зондирования с помощью ГИС IDRISI

Обработка данных дистанционного зондирования включает

стандартные этапы, такие как предварительная и тематическая обра-

ботка данных, комплексный анализ результатов. В то же время кон-

кретная реализация этих этапов зависит от используемого аппаратного

и программного обеспечения. В данном разделе описаны особенности

обраб данных дистанционного зондирования с использованием

персональных компьютеров и географической информационной сис-

темы (ГИС) IDRISI. Общий вид экрана при работе с ГИС IDRISI for

Windows показан на рис. 7.13. Фрагмент снимка района Санкт–

Петербурга получен с помощью прибора AVHRR американского спут-

ника NOAA, цифрой 1 обозначена р. Нева, изображение которой было

выведено на растровую подложку на основе информации, импортиро-

ванной из ГИС ARC/INFO.

отки

Рис. 7.13. Общий вид экрана при работе с ГИС IDRISI.

Фрагмент снимка района Санкт–Петербурга

В состав ГИС IDRISI входит более 150 независимых модулей,

позволяющих решать различные задачи анализа пространственных

327

данных. ГИС IDRISI for Windows сохранила ориентацию на работу с

растровыми данными, в то же время в этой версии существенно рас-

ширились возможности по работе с векторными данными. Главным

достоинством ГИС IDRISI for Windows являются достаточно простые

в освоении аналитические модули, управление которыми осуществля-

ется из стандартной для Windows-приложений системы меню. Техно-

логическая схема обработки данных дистанционного зондирования с

использованием ГИС IDRISI представлена на рис. 7.14.

Ввод данных и их преобразование в формат ГИС IDRISI

Алгебра карт

лассификация

Статистика

Предварительная обработка

Тематическая обработка

Анализ результатов

Географический анализ результатов с помощью

ГИС ,ARC/INFO ArcView

Рис. 7.14. Схема обработки данных дистанционного зондирования

с помощью ГИС

Основным средством обработки данных дистанционного зонди-

рования в технологической схеме является ГИС IDRISI. Поэтому на

первом этапе работы с данными их необходимо импортировать и пре-

образовать в форматы ГИС IDRISI. Входной информацией в этом слу-

чае являются изображения, полученные на борту различных спутников

и представленные в цифровом виде на компакт–дисках (CD) или на

других носителях информации. Кроме спутниковых данных для рабо-

ты с использованием ГИС IDRISI необходимо импортировать геогра-

фические карты (цифровые и бумажные), которые служат незамени-

328

мым источником априорной информации при обработке данных дис-

танционного зондирования.

В качестве цифровой карты использовалась карта DCW (The

Di -

вательским центром Environment System Research Institute (ESRI) на

основе

бенностей данных и задач анализа. В

перву

щих пик-

сели,

коррекция тоже приводит к изменению ве-

личин

атическая обработка (анализ) данных имеет целью формиро-

вание задачей тематической обра-

ботки

ментов изображения в несколько групп (классов), что

позво

для поддержки принятия решений, для

анали того, предусмотрена возможность

gital Chart of the World for use with ARC/INFO), созданная исследо

карты масштаба 1:1 000 000. Кроме того, использовались ска-

нерные изображения бумажных карт различных масштабов. В ГИС

IDRISI предусмотрены многочисленные стандартные методы для им-

порта данных. Результатом этого этапа обработки являются растровые

и векторные данные, представленные в формате ГИС IDRISI.

Предварительная обработка данных дистанционного зондирова-

ния предваряет анализ изображений и имеет целью откорректировать

эти изображения исходя из осо

ю очередь обычно проводится геометрическая коррекция — из-

менение положения элементов изображения (пикселей) с целью при-

ведения изображения к конкретной географической координатной сис-

теме. При использовании для обработки и анализа данных географиче-

ских информационных систем этот этап является обязательным. Кроме

геометрической коррекции во многих случаях целесообразно провести

яркостную и атмосферную коррекцию. Под яркостной коррекцией

здесь понимается изменение величины сигналов, определяю

с целью повышения возможностей извлечения из спутниковых

данных полезной информации. Наиболее известными методами ярко-

стной коррекции являются повышение контрастности изображения и

фильтрация. Атмосферная

ы сигналов, определяющих элементы изображения. Однако в

отличие от других методов при атмосферной коррекции используется

априорная информация о свойствах атмосферы и делается попытка

устранить искажения в изображении, обусловленные рассеянием и

поглощением излучения в атмосфере.

Тем

цифровых карт. Наиболее важной

является классификация. Цель классификации заключается в

разнесении эле

ляет построить тематическую карту.

Проведение комплексного анализа результатов и подготовка

информации для поддержки принятия решений в очень большой сте-

пени определяется решаемой задачей. В ГИС IDRISI предусмотрено

большое количество модулей, ориентированных на комплексный ана-

лиз результатов, — модули

за временных рядов. Кроме

329

экспо , чтобы продол-

жить

7.2.

ы основных файлов ГИС

IDRIS

п ы мя чт

ать даль-

нейши сание операций по вводу и

отобр

аточно полно.

разнообразные средства для им-

порта анных. В результате импорта данные, представленные в самых

разнообразных форматах, преобразуются в форматы ГИС IDRISI и

становятся пригодными для дальнейших манипуляций в среде IDRISI,

прежде всего для приведения к единой системе географических коор-

динат (пункты меню Reformat > RESAMPLE, Reformat > PROJECT). В

настоящем разделе рассматривается несколько конкретных задач, дос-

таточно полно отражающих особенности импорта данных.

Импорт карт из ГИС ArcView через файлы .BMP является уни-

версальным способом формирования файлов изображений .IMG. Этот

способ может быть также использован для импорта сканерных изо-

бражений бумажных карт.

Для импорта карта подготавливается в векторной ГИС и экс-

портируется (ArcView: File > Export) в файл .BMP (файл \RESAMP-

L\Lo_map3.bmp). Можно также копировать нужный фрагмент карты

через буфер обмена и графический редактор PBrush в 256-цветный

файл .BMP. Дальнейшие действия осуществляются в среде ГИС

IDRISI:

IDRISI Import/Export Utility: port > Desktop Publishing Formats

> BM

авливаем в положение BMP to Idrisi. Нажимаем кнопку OK.

Файл

рта информации в формат ГИС ARC/INFO с тем

анализ средствами этой ГИС.

4. Ввод и отображение спутниковых данных в ГИС IDRISI

В настоящем разделе, кроме структур

I, описываются операции, которые, строго говоря, не относятся

к обработке с утников х данных. В то же вре очевидно, о без

импорта спутниковых данных и карт в ГИС IDRISI и их качественного

отображения средствами ГИС IDRISI невозможно спланиров

е операции обработки. Поэтому опи

ажению спутниковых данных в ГИС IDRISI проведено по воз-

можности дост

В ГИС IDRISI предусмотрены

IDRISI 2.0: File > Import/Export... >

PIDRIS

BMPIDRIS: Idrisi Image / Bitmap Conversion: вводим имя файла

.BMP (Input filename) и имя файла .IMG (Output filename). Переключа-

тель устан

палитры формируется автоматически. После завершения форми-

рования изображения необходимо отредактировать файл .DOC, уста-

новив следующие значения:

Minimum X coordinate = 0.0

330

Maximum X coordinate = Number of columns – 1

Minimum Y coordinate = 0.0

Maximum Y coordinate = Number of rows – 1.

а следующем этапе следует трансформировать полученное

изображение в проекцию Меркатора. Все карты, используемые в этом

учебном пособии, получены таким образом.

Импорт пространственной информации из ГИС ARC/INFO осу-

ществляется через обменный формат. Например, файл

\LO_MAP\NEVA.TXT, экспортированный из ARC/INFO с помощью

комады UNGEN, импортируется в файл NEVA.VEC IDRISI:

IDRISI 2.0: File > Import/Export... >

IDRISI Import/Export Utility: Import > Specific Software Formats >

ARCIDRIS >

Появляется форма (рис. 7.15).

Рис. 7.15. Форма для импорта пространственной информации

После заполнения формы и нажатия клавиши OK формируются

два файла NEVA.VEC и NEVA.DVC, содержащие векторные данные в

формате ГИС IDRISI. Результат отображения этих файлов показан на

рис.7.16.

Конвертирование данных спутника SPOT в файлы .IM осуще-

ствляется General

Conversion

модулем BILIDRIS (File > Import/Export > Import >

Tools > BILIDRIS), так как исходные данные имеют формат

BIL (Band Interleaved by Line). В результате конвертирования для каж-

331