Капралов Е.Г., Кошкарев А.В., Тикунов В.С. и др. Геоинформатика

Подождите немного. Документ загружается.

коэффициент масштабирования;

, У

nevn

new

— координаты

точки

первой

второй системах координат соответственно.

Коэффициенты преобразования могут быть вычислены

по

двум

точкам, координаты которых заданы

двух системах координат:

до

после преобразования.

Данное преобразование позволяет совмещать изображение

по

двум опорным точкам. Использование преобразования дает воз-

можность восстанавливать изображение, претерпевшее такие

из-

менения,

как

сдвиг, поворот, масштабирование.

Аффинное преобразование (полином первой степени). Форму-

лы преобразования:

где

, я

, а

— коэффициенты преобразования;

Л^, K

и X

new

— координаты точки

первой

второй системах коор-

динат соответственно.

Коэффициенты преобразования могут быть вычислены

по

трем

точкам,

не

лежащим

на

одной прямой, координаты которых зада-

ны

до и

после преобразования. Аффинное преобразование позво-

ляет совмещать изображение

по

трем опорным точкам. Использо-

вание аффинных преобразований позволяет восстанавливать изоб-

ражение, претерпевшее такие изменения,

как

сдвиг, поворот,

масштабирование

(в

том числе

различными коэффициентами

по

осям

X и К) по

трем опорным точкам,

также

помощью

опорных точек несколько уменьшать отклонения точек изображе-

ния,

не

подчиняющиеся простому закону, связанные, например,

с неравномерным растяжением (сжатием) бумаги.

Проективное преобразование. Формулы преобразования:

где

, а

, я

, а

—

коэффициенты преобразования;

^ыа>

^oid

new

ncw

— координаты точки

первой

второй систе-

мах координат соответственно.

Коэффициенты преобразования могут быть вычислены

по че-

тырем точкам (никакие

три из

которых

не

лежат

на

одной пря-

мой),

координаты которых заданы

до и

после преобразования.

Проективное преобразование позволяет совмещать изображе-

ние

по

четырем опорным точкам, что удобно, например,

при

циф-

ровании расчлененных оригиналов карт (по традиционной ручной

технологии расчлененные оригиналы совмещаются

по

четырем

new

^new = (fl4*old + ^old + Яб)/ d\

old

+1,

(2.3)

крестам)

или при

раздельном цифровании слоев изображения.

Проективное преобразование прямые переводит

прямые,

что

позволяет использовать локально-проективное преобразование

области изображения, разбитой

на

четырехугольники

без

сохране-

ния непрерывности

на

границах четырехугольников. Использова-

ние проективного преобразования

при

разработке технологий объе-

динения растровых изображений отдельных листов карты

(или их

частей)

единые системы координат позволяет минимизировать

расхождения линий

на

границе растра.

Преобразование полиномами второй степени. Формулы преоб-

разования:

где

, я

, а

, я

, а

, я

, а

—

коэффициенты

преобразования;

Л^, K

пе

„,

К^ —

координаты точки

пер-

вой

второй системах координат соответственно.

Коэффициенты преобразования могут быть вычислены

по

шес-

ти точкам, координаты которых заданы

до и

после преобразова-

ния. Преобразование

помощью полиномов второй степени

по-

зволяет совмещать изображение

по

шести опорным точкам непре-

рывно

и не

сохраняет прямые линии. Такие преобразования позво-

ляют

помощью

опорных точек несколько больше,

чем

аффин-

ные преобразования, уменьшать отклонения точек изображения,

не подчиняющиеся простому закону.

Преобразование полиномами пятой степени. Формулы преоб-

разования

помощью полиномов пятой степени:

^new

tfl^old

2^М

Яз^оМ^оИ

o\tiXold

S^l\<jXo\<\

^б^оИ^оИ

7^Ш +

Уо\д

9^o\d^o\d

^lO^old^oW

\lXoldYold

+а

\2^Ш

+Л

13^Ы<1

\*Хо\<зУш

l5^old^old

\6^о\6

\lYid

fll8^old^old

\9^o\d

2оУо\й

2\>

где

я,, я

—

коэффициенты преобразования;

Л^,

;

Л^.

Knew

—

координаты точки

первой

второй системах координат.

fold

2^о\б

a$X

old

5^old

old

Уо\6

9^oldKold

o|d

Я|

(2.4)

(2.5)

Knew

= ^22^old +

23^оМ +

^^old^old

25^oldK

^г^омУм

яХ}мУж

+ ^28^old +

29*o1d

+ a

30^old^old +

^old

^okl

32^old^old

+ a

33^old +

Ъ<УoW

ЪЬ^о\<Уold

36^old ^old +

31^o\d

38^old

^39^oldK

+ ^40^old +

A\Y<M

+ ^42*

Коэффициенты преобразования могут быть вычислены по опор-

ным точкам, координаты которых заданы до и после преобразова-

ния. Минимальное количество опорных точек — двадцать одна.

Преобразование с помощью полиномов пятой степени целесооб-

разно использовать при наличии большого числа опорных точек

(по крайней мере

60—70),

если ни аффинное, ни преобразование

полиномами второй степени не дают желаемого результата. Следу-

ет также помнить, что несколько неудачно выбранных опорных

точек могут существенно влиять на результат.

Во всех рассмотренных выше формулах коэффициенты преоб-

разований могут быть вычислены и по большему числу опорных

точек с использованием метода наименьших квадратов. Исходные

опорные точки в результате преобразований могут не попасть в

результирующие, но сумма квадратов отклонений исходных и пре-

образованных опорных точек будет минимальна. Такой вариант

преобразований желательно использовать в том случае, если нет

гарантии достаточно точного задания опорных точек и если де-

формация исходного материала очень неравномерна.

В случае неравномерной деформации материала, выходящей за

рамки требуемой точности, при наличии достаточно точного за-

дания опорных точек более естественно использовать локально-

аффинное преобразование, позволяющее совмещать изображение

по любому числу точек.

Локально-аффинное преобразование. Для проведения локаль-

но-аффинного преобразования плоскость разбивается на треуголь-

ники, вершинами которых являются опорные точки. Затем для

каждого треугольника потрем точкам определяются коэффициен-

ты аффинного преобразования и часть изображения, ограничен-

ная любым из треугольников, преобразуется с помощью соответ-

ствующих ему коэффициентов. При этом на границах треугольни-

ков сохраняется непрерывность, так как аффинное преобразова-

ние прямые линии переводит в прямые с сохранением постоянно-

го масштаба вдоль каждой прямой. Разбиение плоскости на тре-

угольники может осуществляться различными способами, однако

при большом количестве опорных точек разбиение должно осуще-

ствляться программно. Если треугольники не покрывают все изоб-

ражение, то в качестве условных опорных точек используют, на-

пример, углы прямоугольника, в которые вписана исходная карта.

Выбор опорных точек преобразований. Для решения задач пре-

образований при выборе опорных точек необходимо знать, с ка-

кой точностью нанесены на карту ее элементы. Так как процесс

составления карты достаточно сложен, для оценки ошибки в поло-

жении контура (точки) нужен учет влияния всех тех действий, в

результате которых получена карта, начиная с полевых съемок и

заканчивая печатью (в случае, если исходным материалом является

традиционная карта на твердой основе). Ошибки в определении и

в нанесении на карту опорных пунктов, в построении точек и ли-

ний картографической сетки, ошибки самого процесса нанесения

контурной точки появляются в результате принятой технологии

производства карт и, соответственно, ряда технических действий.

При различных комбинациях этих технических действий и спосо-

бов ошибки будут различными, однако дать общие их оценки воз-

можно. Значительно более трудным является учет ошибок, вноси-

мых в положение контурных точек генерализацией. Влияние этих

ошибок становится все более заметным по мере уменьшения мас-

штаба. На топографических картах (до масштаба 1:1

ООО ООО

вклю-

чительно) влияние генерализации в некоторой мере сказывается

непосредственно на положении контурных точек, однако это вли-

яние не очень значительно, и генерализация идет в направлении

некоторого упрощения рисунка.

Иначе обстоит дело в отношении изображения рельефа гори-

зонталями. Элементы генерализации рельефа начинают проявляться

на картах самых крупных масштабов и на топографических картах

масштаба 1:1

000000

влияние генерализации настолько возраста-

ет, что сдвиг горизонталей в результате генерализации превышает

технические погрешности в их нанесении на карту. Подходить к

оценке точности изображения рельефа горизонталями на картах

нужно совсем с иными мерками, чем к контурным точкам. На

первом месте здесь находится качество передачи характера мест-

ности, а непосредственно точность нанесения горизонталей от-

ступает на второй план. В данном случае дать какую-то количе-

ственную оценку очень сложно.

Чаще всего в качестве опорных точек используются узлы кар-

тографической сетки, преимуществами которых является то, что

они не подвержены генерализации, достаточно легко читаются и

имеют известные географические координаты. Заметим, что для

карт масштабов крупнее 1:

000 000, составленных в проекциях,

вычисленных по параметрам различных референц-эллипсоидов,

непосредственное использование узлов картографической сетки в

качестве опорных точек может привести к ошибкам, так как одна

и та же точка земной поверхности может иметь различные коорди-

наты на различных эллипсоидах. В этом случае узлы картографи-

ческой сетки могут быть использованы для получения опорных

точек при наличии механизма перехода от одного референц-эл-

липсоида к другому.

Использование других опорных точек требуется, если на карте

нет картографической сетки, при печати произошло смещение

красок и существует сдвиг сетки относительно объектов, напеча-

танных другой краской, или расположение узлов не обеспечивает

должного покрытия территории.

/. Точки пересечения. Неплохой результат дает использование

точек пересечения линейных объектов, например перекрестков

дорог, пересечений административных границ и

т. п.

К преимуще-

ствам использования данного типа опорных точек можно отнести

универсальность, так как появляется возможность работать с кар-

той,

территория которой лишь частично покрыта узлами геогра-

фической сетки либо не имеет сетки вовсе. Недостатком является

возможная потеря точности, которая происходит, в основном, из-

за генерализации. На картах, составленных разными авторами (ча-

сто и по разным источникам), в результате генерализации проис-

ходит смещение объектов. Так, например, при составлении мел-

комасштабных карт для передачи характерных особенностей очер-

таний часть деталей исключается, но за их счет увеличиваются

другие. Это правило применяется при изображении извилистых

контуров — рек, береговой линии, дорог и т.д., причем исходные

материалы оказывают влияние на генерализацию потому, что изоб-

ражение на них уже генерализовано. Заметим, что преувеличение

некоторых объектов ведет к смещению соседних. В результате гене-

рализации также может происходить как бы подмена одного объекта

другим. Например, при составлении карт часто объединяются мел-

кие группы объектов в одну. Так, при впадении реки в море, ус-

тье,

состоящее из многих рукавов, рисуется одной линией, но что

было взято за основу, определить не представляется возможным.

В результате возникает ситуация, когда точка пересечения реки и

береговой линии на разных картах имеет различные географичес-

кие координаты и, соответственно, не является репрезентативной

для преобразований. При анализе выбранных опорных точек надо

также внимательно следить и за нарушениями взаимного располо-

жения объектов на картах. Например, могут встретиться ситуации,

подобные следующей: на одной из карт, подлежащих трансформа-

ции,

река впадает в море севернее города, а на другой — южнее

этого же города. Понятно, что выбранная в качестве опорной точ-

ка пересечения реки и береговой линии внесет значительные ис-

кажения в преобразование.

2. Точенные объекты. В большинстве случаев в качестве опор-

ных точек используются пунсоны населенных пунктов, иногда —

отметки высот, реже — геодезические пункты, так как на мелко-

масштабных картах они встречаются нечасто.

3. Прочие объекты. Иногда возникают ситуации, когда требу-

ется объединить пространственные данные с разных карт, а четко

определенных опорных точек нет, например над<5 «посадить» те-

матическую карту, в которой кроме тематической нагрузки при-

сутствует только береговая линия, на имеющуюся основу. В подоб-

ных случаях можно использовать «нечеткие» опорные точки, на-

пример характерные точки береговой линии, внутренних водоемов

и т.п., однако точность последующего преобразования остается

неопределенной и снижается в зависимости от величины разли-

чия масштабов используемых карт.

Данные рекомендации с некоторыми изменениями могут быть

использованы и для карт крупных масштабов. Естественно, другой

набор объектов картографирования дает иные возможности выбо-

ра опорных точек. Так, вместо населенных пунктов возникают квар-

талы или даже дома; вместо пересечений дорог — пересечения

улиц и т.п.

Необходимо заметить, что на точность преобразований с ис-

пользованием контрольных точек всегда влияет точность исходной

карты. В любой карте существуют ошибки планового положения

контуров (или точек). Для топографических карт они находятся в

пределах

0,5—0,75

мм (включая ошибки генерализации, состави-

тельского процесса и т.д.), для мелкомасштабных карт разброс

больше. Разные ошибки планового положения одного и того же

объекта, на котором выбирается опорная точка, на различных картах

приводят к снижению точности преобразования.

Точность преобразования определяется по отклонению коор-

динат опорных точек (узлы картографической или километровой

сетки, кресты планшета) от заданных (теоретических) значений.

В общем случае для качественно выполненных карт, т.е. для карт,

где отсутствуют ошибки составления, средняя квадратичная ошибка

контрольных точек после преобразования «проекция — трансфор-

мирование плоскости» колеблется в пределах

0,1—0,4

мм и дохо-

дит до

1,5—2,0

мм в случае использования «нечетких» опорных

точек.

Для перехода от системы координат цифрования к теоретиче-

ской системе координат карты при условии правильного опреде-

ления ее теоретической проекции в большинстве случаев доста-

точно точным является аффинное преобразование, так как систе-

мы находятся в близком геометрическом соответствии. В случае

превышения отклонения от заданной точности следует повысить

степень аппроксимирующего полинома.

Третья задача — преобразование исходной карты в систему ко-

ординат базовой карты. В том случае, когда теоретическая система

координат исходной карты не может быть определена, преобразо-

вание исходной карты в систему координат базовой карты осуще-

ствляется непосредственно по опорным точкам с использованием

преобразования плоскости. При этом выбор преобразования и точ-

ность результата зависят от качества и количества опорных точек.

Если исходная карта представлена в системе координат цифро-

вания, ее картографическая проекция определена и совпадает с

проекцией базовой карты или находится с ней в близком геомет-

рическом соответствии в рассматриваемых границах территории,

то преобразование исходной карты в систему координат базовой

карты также осуществляется непосредственно с помощью преоб-

разования плоскости. В качестве опорных точек используются узлы

картографической или километровой сетки.

Если исходная карта представлена в системе координат цифро-

вания, ее картографическая проекция опредеяена и отличается от

проекции базовой карты, то сначала осуществляется преобразова-

ние исходной карты в ее теоретическую систему координат по

опорным точкам с использованием преобразования плоскости и

затем преобразование в систему координат базовой карты. При этом

необходимо применять преобразование картографической проек-

ции,

требующее знания параметров обеих проекций и поддержки

этих проекций программным обеспечением. Проекция базовой кар-

ты выбирается при создании информационной системы, поэтому

она поддерживается программным обеспечением, и ее параметры

известны. В противном случае следует использовать преобразова-

ния плоскости (полиномами высокой степени, если это необхо-

димо).

В качестве опорных точек применяют узлы картографиче-

ской или километровой сетки. Представление данных в единой си-

стеме координат позволяет затем приступить к составлению на

основе этих данных новой карты с согласованными элементами

содержания.

Контрольные вопросы

Является ли картой цифровая карта?

2. В чем принципиальное отличие цифровой карты и набора слоев или

иной организованной совокупности данных об объектах местности в ГИС?

3. Применимо ли к цифровой карте понятие масштаба?

4. Как осуществляется цифрование исходных картографических мате-

риалов?

5. Чем дигитайзерный ввод отличается от цифрования растрового изоб-

ражения исходных картографических материалов?

6. Каким образом обеспечивается качество оцифрованных материалов?

7. Как производится интеграция разнородных цифровых материалов и

к каким результатам она приводит?

8. Каковы требования к цифровым картам-основам в ГИС?

9. Перечислите элементы содержания цифровой картографической ос-

новы.

2.1.4.

Базы

данных и управление ими

Совокупность цифровых данных о пространственных объектах

образует множество пространственных данных и составляет содер-

жание баз географических данных, определяет принципы построе-

ния информационного обеспечения ГИС.

Анализ общего состава данных необходим уже на этапе проек-

тирования ГИС и требует ответа, по крайней мере, на ряд основ-

ных вопросов:

— имеется ли возможность сбора, хранения и обновления гео-

графических данных?

— каковы ожидаемые объемы данных и их форматы?

— какой объем данных необходимо преобразовать в цифровую

форму, сколько времени это займет и сколько будет стоить?

— каковы качество и надежность данных?

— какого рода затруднения могут возникнуть при обработке

собранных данных?

Проектирование географических баз и банков данных. Выявле-

ние географических объектов и явлений и последующий выбор

адекватного представления данных о них являются составной час-

тью процесса, именуемого проектированием базы данных (БД).

В ГИС пользователь рассматривает реальный мир через призму

тематической базы данных. Измерения и выборки, содержащиеся

в базе данных, должны как можно полнее и точнее соответство-

вать предмету исследования и его основным характеристикам. Пред-

ставление данных должно учитывать типы их возможных преобра-

зований. К созданию БД ГИС предъявляются высокие требования,

связанные с пространственной формой организации и представ-

ления данных [И.К.Лурье,

2002].

Требования к базе данных. База данных должна быть:

• согласованной по времени — хранящиеся в ней количествен-

ные данные должны соответствовать определенному времени, быть

актуальными;

• полной, достаточно подробной для предполагаемого созда-

ния ГИС или картографического произведения; категории данных

и их подразделения должны включать все необходимые сведения

для осуществления анализа или математико-картографического

моделирования исследуемого объекта или явления;

• позиционно точной, абсолютно совместимой с другими дан-

ными, которые могут добавляться в нее;

• достоверной, правильно отражающей характер явлений, для

этого необходимо четко определить включенные в нее атрибуты

явлений;

• легко обновляемой;

• доступной для любых пользователей.

Проектирование базы данных. В процессе проектирования БД

обычно выделяют три основных уровня: концептуальный, логи-

ческий и физический.

Концептуальный уровень не зависит от имеющихся аппаратных

и программных средств. Для БД ГИС он связан с концептуальной

моделью географических данных и включает: описание и опреде-

ление рассматриваемых объектов; установление способа представ-

ления географических объектов в базе данных; выбор базовых ти-

пов пространственных объектов — точки, линии, ареалы, ячейки

растра; решение вопроса о способе представления размерности и

взаимосвязей реального мира в БД (например, следует ли показать

здание в виде ареала или точки). На концептуальном уровне опре-

Субъекты Федерации

Области

Областной центр

Город

Численность

населения, чел.

JT-координата У-координата

Страна

Вена

1875000

16,320990 48,202120

Австрия

Лондон

11100 000

-0,177998

51,487910

Велико-

британия

Амстердам

1860000

4,894833

52,373040

Нидерланды

Осло

720000

10,712310

59,937930

Норвегия

Москва

13100000

37,938250

55,764230

Россия

Вашингтон

3221400

-76,953830

38,890910

США

Рис.

16.

Модели баз данных:

а — иерархическая;

— сетевая;

— реляционная

деляется

содержание базы данных,

свою очередь определяемое

сутью явления, характером

его

пространственного распростране-

ния

задачами, для которых создается БД. Здесь следует выделить

задачи создания одной

или

серии карт, комплексного картогра-

фирования, создания синтетических карт

для

многоцелевого

многократного использования.

Логический уровень определяется имеющимися программны-

ми средствами

практически

не

зависит от технического обеспе-

чения.

Он

включает разработку логической структуры элементов

базы данных

соответствии

системой управления базами данных

(СУБД), используемой

программном обеспечении. Наиболее рас-

пространенными логическими структурами

—

моделями

БД и их

СУБД — являются иерархическая, сетевая, реляционная (рис.

16).

В иерархической модели (рис.

16, а)

записи данных образуют

древовидную структуру, при этом каждая запись связана только

одной записью, находящейся

на

более высоком уровне. Доступ

любой записи осуществляется по строго определенным «веткам»

узлам такого дерева. Иерархические модели хорошо подходят для

задач

явно выраженной иерархически соподчиненной структу-

рой информации

запросов.

Они

обладают низким быстродей-

ствием, трудно модифицируемы,

но

эффективны

точки зрения

организации машинной памяти.

В сетевых моделях (рис. 16, б) каждая запись в каждом из узлов

сети может быть связана с несколькими другими узлами; кроме

данных записи содержат указатели, определяющие местоположе-

ние других записей, связанных с ними. Такие модели очень трудно

редактировать, например удалять записи, так как вместе с дан-

ными нужно редактировать и указатели. Подобные модели хорошо

работают в случае решения сетевых, коммуникационных задач.

В иерархической и сетевой моделях для поиска конкретной за-

писи необходимо вначале определить путь доступа к записи, а за-

тем просмотреть все записи, находящиеся на этом пути.

Реляционные СУБД завоевали самую широкую популярность.

Они свободны от всех ограничений, связанных с организацией

хранения данных и спецификой запоминающих устройств. Эти

модели имеют табличную структуру (рис. 16, в): строки таблицы

соответствуют одной записи сведений об объекте, а столбцы —

поля — содержат однотипные характеристики всех объектов. Все-

возможные способы индексации данных существенно сокращают

время поиска и запроса к данным. К числу наиболее известных

СУБД реляционного типа относятся

dBASE,

Clipper,

Foxbase,

Paradox,

ORACLE

(последняя особенно подходит для больших

объемов данных).

Физический уровень связан с аппаратными и программными

средствами. На этом уровне определяются объемы хранимой в БД

информации и необходимые объемы памяти компьютера (опера-

тивной и долговременной), рассматриваются вопросы о структу-

рировании файлов на диске или других носителях информации

для обеспечения программного доступа к ним, представления дан-

ных в памяти компьютера (целые, действительные числа, байты

или буквенно-цифровые характеристики).

Позиционная и атрибутивная составляющие данных. Простран-

ственные данные, как упоминалось ранее, традиционно подраз-

деляются на две взаимосвязанные составляющие — позиционные

и непозиционные.

Позиционная составляющая характеризует положение геогра-

фических объектов (или пространственную форму) в координатах

двух- и трехмерного пространства — декартовых (х,у

z) или гео-

графических

(ф,

А.).

Непозиционная составляющая данных включает качественную

характеристику пространственных объектов (семантику) и стати-

стику; эта информация называется атрибутивной и представляется

в виде текстовых или числовых параметров. Она соответствует те-

матической форме данных или кодированному представлению вза-

имосвязей объектов (топологии). Почти всегда тип объекта марки-

руется и опознается по его атрибутивным параметрам (дорога имеет

название и идентифицируется по ее классу — грунтовая, с ас-

фальтобетонным покрытием). Обычно атрибутивная информация