Никитина Ю.В. Никитин В.Н. Курс лекций Геоинформационные системы

Подождите немного. Документ загружается.

– дигитайзеры – полуавтоматические цифрователи с ручным обводом и автоматиче-

ской регистрацией координат на носителе данных;

– сканеры – устройства для автоматической фиксации регулярных элементов изо-

бражения при перемещении сканерного луча.

Технологии ввода данных, основанные на применении этих устройств, являются в ка-

кой-то степени альтернативными. Каждый обладает своими специфическими достоинствами

и недостатками, поэтому выбор используемой технологии ввода должен опираться на анализ

комплекса факторов, что позволяет оценить возможную эффективность: трудозатраты, стои-

мость и точность оцифровки данных. Менее распространённы устройства, основанные на

иных принципах регистрации (например, приборы автоматического прослеживания линий).

Сканеры

Сканеры – это устройства для считывания графической и текстовой информации. В

ГИС используются для получения цифровых изображений – растровых образов карт или

снимков в памяти компьютера.

Классификация сканеров

По способу подачи исходного материала:

– ручные;

– планшетные;

– барабанные;

– протяжные или рулонные.

По принципу считывания информации:

– на просвет;

– на отражение.

По цветопередаче и глубину цветов:

– штриховые;

– полутоновые;

– цветные.

По числу фотоэлементов:

– одноэлементные;

– многоэлементные, например, линейные, матричные.

К основным характеристикам сканеров относятся:

– оптическое (или геометрическое) разрешение, измеряется в микрометрах или в

точках на дюйм (dpi);

– геометрическая точность (или точность позиционирования элементов изображе-

ния);

– динамический диапазон – десятичный логарифм отношения яркости наиболее

светлых участков изображения к яркости наиболее тёмных. Типовой показатель

для офисных сканеров – 1,8-2, для профессиональных – от 2,5 для непрозрачных

материалов до 3,5 для прозрачных материалов;

– радиометрическое разрешение – число двоичных разрядов, используемых для

представления измеренных в пределах динамического диапазона оптических плот-

ностей изображения;

– скорость сканирования;

– размер сканируемого источника.

Ручные сканеры – работают на отражение и обладают низкой точностью и небольшой

шириной сканирования (около 10 см), в ГИС используются для ввода текста.

Протяжные сканеры – имеют ограничение только на ширину листа. Могут работать

как на отражение, так и на просвет.

Барабанные сканеры – имеют одноэлементную сканирующую головку, которая пере-

мещается вдоль барабана параллельно его оси. Сканирование производится при вращении

барабана. Размер сканирующего оригинала зависит от размера барабана.

Планшетное устройство может иметь матричный или линейный фотоэлемент, на кото-

рый проецируется исходное изображение.

Фотоэлемент на приборах с зарядовой связью (ПЗС) состоит из тысячи светочувстви-

тельных ячеек, каждая из которых накапливает заряд и приобретает потенциал, величина ко-

торого пропорциональна энергии поглощённого света. Затем аналогово-цифровой преобразо-

ватель определяет для каждого потенциала его цифровой значение, которое передаётся в

компьютер.

Современные универсальные сканирующие устройства имеют несколько режимов

сканирования, что позволяет вводить штриховые, полутоновые и цветные изображения с раз-

личным разрешением (от 100 до 4000 dpi).

Дигитайзеры

Дигитайзеры – это устройства планшетного типа для ввода информации в цифровой

форме. Состоит из электронного планшета и курсора. Имеет собственную систему координат.

Размер планшета колеблется от А

до А

Число управляющих кнопок на курсоре – от 1 до 17, стандартно 12. Некоторые диги-

тайзеры для удобства работы имеют управляющее меню с сенсорной клавиатурой.

Контрольные вопросы

1. Какова классификация сканеров по способу подачи материалов?

2. Перечислите основные характеристики сканеров.

3. Устройство и особенности барабанных сканеров.

4. Определение дигитайзера и его устройство.

Лекция 5

Растровые модели данных

Модели пространственных данных. Растровые модели данных

Объектом информационного моделирования в ГИС является пространственный объ-

ект. Это цифровое представление или модель объекта реальности (местности), содержащее

его местоположение и набор свойств (характеристик, атрибутов), или сам этот объект.

Некоторое множество цифровых данных о пространственных объектах образует про-

странственные данные. Они состоят из двух взаимосвязанных частей: позиционной (или мет-

рической, геометрической) и непозиционной (или атрибутивной, описательной, семантиче-

ской).

Существует два основных типа моделей данных:

– растровые;

– векторные.

Модель данных – это отображение непрерывных последовательностей реального мира

в набор дискретных объектов.

В растровых моделях весь объект отображается в пространственные ячейки, образую-

щие регулярную сеть. При этом каждой ячейке растровой модели соответствует одинаковый

по размерам, но разный по характеристикам участок поверхности объекта. В ячейке модели

содержится одно значение, усредняющее характеристику участка поверхности объекта. Ос-

новное назначение растровых моделей – непрерывное отображение поверхностей.

В растровых моделях данных в качестве атомарной модели используется двухмерный

элемент пространства – ячейка, или пиксель. Упорядоченная совокупность атомарных моде-

лей образует растр, который, в свою очередь, является моделью карты или геообъекта.

Для растровых моделей существует ряд характеристик.

1. Разрешение – минимальный линейный размер наименьшего участка пространства

(поверхности), отображаемый одним пикселем. Более высоким разрешением обладает растр с

меньшим размером ячеек.

2. Значение – элемент информации, хранящийся в элементе растра (пикселе). Тип

значения может быть целым, действительным, комплексным, символьным.

3. Зона – соседствующие друг с другом ячейки, имеющие одинаковые значения.

4. Положение – упорядоченная пара координат (номер строки и номер столбца), ко-

торые однозначно определяют положение каждого элемента отображаемого пространства в

растре.

Достоинствами растровых моделей является следующее:

– растр не требует предварительного знакомства с явлениями, данные собираются с

равномерно расположенной сети точек, что позволяет в дальнейшем на основе ста-

тистических методов обработки получать объективные характеристики исследуе-

мых объектов;

– растровые данные проще обрабатывать по параллельным алгоритмам;

– некоторые задачи, например создание буферной зоны, проще решать в растровом

виде.

Наиболее часто растровые модели применяют при обработке данных дистанционного

зондирования.

Недостатки растровых моделей:

– наряду с полезной информацией может попадать и избыточная (в том числе и бес-

полезная) информация;

– большой объём данных.

Для уменьшения объёма данных применяют алгоритмы сжатия. Наибольшую степень

сжатия дают алгоритмы сжатия с потерями, но эти алгоритмы можно использовать только

при визуальном анализе данных.

Растровые модели делятся на:

– регулярные;

– нерегулярные;

– вложенные (рекурсивные или иерархические) мозаики.

Контрольные вопросы

1. Что такое растровые модели данных?

2. Характеристики растровых моделей данных.

3. Недостатки и достоинства растровых моделей данных.

4. Типы растровых моделей.

Лекция 6

Векторные модели данных. Топология

ТОПОЛОГИЯ (от греч. topos – место) – раздел математики, изучающий топологиче-

ские свойства фигур, т.е. свойства, не изменяющиеся при любых деформациях, производи-

мых без разрывов и «склеиваний» (точнее, при взаимнооднозначных и непрерывных отобра-

жениях). Примерами топологических свойств фигур является размерность, число кривых, ог-

раничивающих данную область, и т.д. Так, окружность, эллипс, контур квадрата имеют одни

и те же топологические свойства, т.к. эти линии могут быть преобразованы одна в другую

описанным выше способом; в то же время кольцо и круг обладают различными топологиче-

скими свойствами: круг ограничен одним контуром, а кольцо – двумя.

В сильно упрощенной форме под топологией понимают математическую науку, изу-

чающую свойства объектов (и их отношения), которые сохраняются при непрерывных де-

формациях и преобразованиях. Такие «устойчивые» свойства, в противоположность метриче-

ским (последние, естественно, меняются при деформациях), называются топологическими.

Например, когда человек работает с картой, но не пользуется при этом измерительны-

ми инструментами, то в первую очередь он замечает и анализирует топологические соотно-

шения между его элементами: река впадает в море, дороги образуют перекресток, участок,

покрытый лесом, граничит с участком, непокрытым лесом.

Абсолютно нетопологических карт не бывает. В картографии работать с системой, в

которой полностью отсутствует топология, практически невозможно вследствие крайней не-

эффективности деятельности оператора; ему придётся беспрерывно бороться с «рассыпаю-

щимся» изображением при выполнении различных операций редактирования.

Различают следующие типы топологических отношений:

1. Необъектные топологии:

– («внутриобъектные» и «межобъектные») линейно-узловые топологические от-

ношения. «Объект» в линейно-узловых и в объектных моделях – это несколько

различные понятия, поэтому здесь термины приведены в скобках.

2. Объектные топологии:

– внутриобъектные топологические отношения;

– межобъектные топологические отношения:

– узловые топологические отношения;

– межобъектные топологические отношения в пределах одного слоя;

– межслойные топологические отношения между объектами;

– топологические межобъектные ресурсные связи.

3. Концептуальные топологические отношения (отношения между классами объек-

тов, а не между экземплярами).

4. Псевдотопология.

Рассмотрим разные типы топологических отношений подробнее.

Необъектные топологии. Линейно-узловая топология. В цифровой картографии

«объектность» отражает то, что цифровая карта состоит из более или менее чётко выделяе-

мых на территории относительно автономных объектов. Главная особенность линейно-

узловой топологии – огромная роль границ, на основе которых строится всё остальное. «Объ-

екты» здесь структуры несамостоятельные и даже не имеют своей автономной формы. Все

контура в этой модели данных могут пересекаться друг с другом только в своих концевых

точках. В каждой точке пространства может существовать только один полигон, границами

которого являются ближайшая замкнутая последовательность контуров (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 – Декомпозиция объектов в линейно-узловой модели данных

Один из вариантов структуры данных в линейно-узловой модели (другое название –

цепочно-узловая структура) приведён на рисунке 6.2.

Кроме глобального списка обобществлённых точек (узлов) имеется глобальный спи-

сок обобществлённых линий. Следовательно, в самих структурах полигонов теперь хранятся

только ссылки на описатели линий (рёбер), из которых состоит полигон. На общее ребро двух

полигонов может быть много ссылок – ровно столько, сколько полигонов граничит между

собой этим ребром. Структура, кодирующая линию, не содержит координат граничных точек,

а имеет только ссылки на значения с координатами из глобального списка точек.

Линейно-узловая топология – это достаточно эффективная для пространственного

анализа модель данных, но она не может эффективно работать с динамическими объектными

картами. Её также нельзя использовать для объектного моделирования.

Внутриобъектные топологические отношения. Уже из названия следует, что глав-

ным понятием в такой модели данных являются некие ОБЪЕКТЫ. Практически сразу разра-

ботчик определяет, что они должны быть:

а) точечными (символы);

б) линейными (связанная последовательность отрезков прямой);

в) площадными (замкнутая полилиния).

Таким образом, в объектной модели данных первичен объект, который по определе-

нию сам по себе является целостным и топологичным. Объект не рассыпается, поскольку ка-

ждый тип объекта создаётся своей специфической операцией.

Объектная модель данных может решать задачи паспортизации объектов, изображён-

ных на карте, и статистической обработки семантических данных с целью построения раз-

личных диаграмм.

Для множества кадастровых задач объектную модель данных с одной лишь внутри-

объектной топологией использовать нерационально.

На рисунке 6.3 показана внутренняя структура объектной модели данных для фраг-

мента карты, где изображены два полигональных объекта (треугольники) с одной общей гра-

нью. Каждый объект в памяти компьютера содержит непосредственно в относящейся к нему

структуре данных все координаты (х,у) вершин.

Рисунок 6.2 – Структура данных в линейно-узловой модели

Рисунок 6.3 – Структура данных объектной ГИС

Межобъектные топологические отношения. Узловая топология. Узловая тополо-

гия является простейшим видом межобъектных топологических отношений.

Все точки, которые есть на карте (безотносительно, каким объектам они принадле-

жат), собраны в один гигантский список, а каждый объект содержит в своей индивидуальной

структуре данных только ссылки на те точки из этого списка, которые обозначают его вер-

шины (рисунок 6.4).

Единый глобальный список координат точек позволяет сэкономить на дублях коорди-

нат точек, т.к. этих дублей теперь нет. Есть всегда только один экземпляр координат каждой

точки. Ссылки во внутренних структурах объектов, относящиеся к вершинам, могут адресо-

ваться к этим общим точкам одновременно из нескольких полигонов-соседей (на карте).

Однако обобществленный список точек для всех объектов лишил объекты структур-

ной автономности, и теперь при перемещении всего объекта или его части приходится прове-

рять, не имеет ли объект общих точек с другими объектами.

Топологические межобъектные отношения. Модель данных объектная, но с воз-

можностью установления любых необходимых топологических и потоковых связей между

объектами. На рисунке 6.5 приведена внутренняя структура двух расположенных рядом про-

стых полигональных объектов. Однако теперь она дополнена таблицей, в которой зарегист-

рированы топологические отношения между объектами (за счёт ссылок на их топологически

связанные части).

При объединении топологического и объектного подходов цифровая карта приобрета-

ет все свойства и топологических, и объектных цифровых карт, рассматриваемых в «чистом»

виде, и, кроме того, дополнительно может реализовать то, что указанные структуры на сего-

дня реализовать не могут.

Объектно-топологическая ГИС позволяет реализовать любые другие типы топологи-

ческих и нетопологических отношений. Для этого она должна только заполнять поле «тип

отношения» в таблице отношений и реализовывать соответствующие операции. Так можно

охватить и традиционные топоотношения, и концептуальные топоотношения, и динамиче-

ские топоотношения, и топологические ресурсные связи.

Рисунок 6.4 – Структура данных с узловой топологией

Объектно-топологическая ГИС позволяет создавать карты как в соответствии с нето-

пологическим объектным подходом (если не создавать топологические связи), так с установ-

кой традиционных топологических пространственных отношений между объектами.

Межслойные топологические отношения между объектами. Межслойные топоот-

ношения – это топологические пространственные отношения между объектами разных типов,

которые обычно регистрируются в разных слоях карты.

Без этого нельзя моделировать физические процессы в коммуникациях. Объекты слоя

«водопроводные трубы» не удаётся соединить с объектами слоя кирпичных домов, объектам

слоя водоисточников, электрических подстанций и т.д.

Топологические межобъектные ресурсные связи. Традиционное манипулирование

термином «топоотношения» позволяет манипулировать только статическими бинарными от-

ношениями соседства, вложенности, примыкания к границе и т.п.

Однако для анализа не только пространственного распределения некоторых характе-

ристик, но и движения ресурсных потоков через объекты, которые нарисованы на карте, не-

обходимо понятие топологических пространственных ресурсных связей.

Топологические пространственные ресурсные связи (ТПС) – это такие пространствен-

ные топологические отношения, которые кроме обозначения пространственных топоотноше-

ний несут дополнительную функциональную «нагрузку» – отражают расположение в про-

странстве реальных физических каналов передачи вещественных, энергетических и инфор-

мационных ресурсов через границы объектов, отражаемых на цифровой карте. Другими сло-

вами, ТПС отражают ресурсные потоки на территории города и являются основой, например,

для представления топологии моделей сетевых коммуникаций, в которых протекают физиче-

ские процессы. ТПС устанавливаются, разрываются или преобразуются в топологические

пространственные отношения (ТПО) либо явным образом самим оператором, либо динами-

чески моделирующими программами, работающими среде ГИС.

Концептуальные топологические отношения. В объектно-ориентированных систе-

мах мы имеем дело не только с экземплярами объектов, но и с их классами, причем эти клас-

сы связаны в многоуровневые конструкции путем реализации механизма наследования

свойств.

Для объектно-ориентированных ГИС можно ввести понятие концептуальных тополо-

гических отношений (КТО), распространяющих топологические отношения на классы объек-

тов. В пределе, когда осуществляется переход от класса (т.е. множества однотипных объек-

Рисунок 6.5 – Структура данных объектно-топологической ГИС

тов) к их экземплярам, КТО вырождаются в традиционные топологические отношения. КТО

образуют многоуровневую систему, поскольку определяют связи между классами, также об-

разующими многоуровневые конструкции.

КТО представляют собой систему «разрешительных» или «запретительных» отноше-

ний между классами объектов, например объекты класса «здания» не могут накладываться на

объекты классов «лес» или «река», объект класса «энергетическая подстанция» должен быть

топологически связан с объектом соответствующей кабельной сети (рисунок 6.6).

а) б)

Рисунок 6.6 – Примеры концептуальных топологических отношений

а) Недопустимые отношения. Объект класса «здания» не может пересе-

каться с объектом класса «реки».

б) Допустимые отношения. Объект класса «дороги» может пересекать

объект класса «реки» при наличии в точке пересечения объекта класса

«мосты».

Задание подобных отношений между классами позволяют ГИС непрерывно следить за

действиями пользователя и давать ему рекомендации непосредственно в процессе создания

электронной карты.

Наряду с КТО в ГИС могут устанавливаться логические отношения между объектами

и классами объектов, которые не имеют отношения к пространственным связям.

Псевдотопология. Виртуальная или процедурная топология – это использование то-

пологических свойств пространства и анализа взаиморасположения группы объектов для

формирования временной (внутренней) топологической конструкции, образуемой этими объ-

ектами.

Многие операции, требующие обработки топологии, на самом деле локальные, т.е.

проводятся не над всей картой, а над её фрагментом. Поэтому топологию нужно будет по-

строить перед аналитической или редактирующей операцией только для того участка, где

требуется провести анализ. Такое построение топологии называется построением традицион-

ной пространственной топологии «на лету».

Большинство операций, требующих наличие топологических структур, могут быть

реализованы процедурно.

У методов виртуальной топологии есть существенное методологическое ограничение.

Так, процедурным путём в общем случае нельзя навести топологические ресурсные связи

между объектами, поскольку этот вид топологии (ТПС) определяется не только пространст-

венной составляющей, и для получения ТПС недостаточно только анализа взаимного про-

странственного расположения объектов. Они связаны в соответствии со схемой ресурсных

потоков.

Контрольные вопросы

1. Что такое топология?

2. Типы топологических отношений.

3. В чём заключается «необъектность» ЦУС?

4. Типы объектов в объектной модели данных и в чём заключается их топологич-

ность?

5. В чём заключается отличие структуры данных у объектной модели только с внут-

риобъектной топологией и у объектной модели с поддержкой межъобъектной то-

пологии?

6. Топологические пространственные ресурсные связи.

7. Концептуальные топологические отношения.

8. Псевдотопология.

Лекция 7

Качество цифровых карт

В силу многообразия задач, решаемых с помощью цифровых карт (ЦК), трудно четко

и однозначно определить универсальные критерии их качества. Наиболее общим критерием

качества ЦК будет ее способность обеспечивать решение поставленной задачи.

Система описания качества цифровых карт, служит для решения трёх задач:

– выполнение роли «языка общения» между заказчиками и изготовителями цифровых

карт;

– обеспечение цифровой карты документом, в котором приводятся основные техни-

ческие характеристики карты как модели местности, которые могут служить ориентировкой

при решении вопроса о приобретении карты;

– обеспечение цифровой карты документом, характеризующим ее качество. В этот

документ может быть включено также заключение о степени пригодности цифровой карты

для решения каких-либо конкретных задач.

Частично задача выработки унифицированных критериев качества цифровых карт ре-

шена в государственном стандарте Российской Федерации ГОСТ Р 51608–2000 [42] «Карты

цифровые топографические. Требования к качеству».

Cоставляющие качества ЦК можно разделить на три группы: общие, модельные и

специальные критерии.

Группа общих критериев описывает цифровую карту с точки зрения традиционной

картографии, как если бы она применялась только в качестве подложки или по ней произво-

дились операции аналогичные тем, которые проводятся с использованием обычной карты. В

нее входят:

– корректность семантики;

– корректность системы идентификации объектов;

– «гладкость» и метрическая информативность;

– однородность структуры цифровой карты.

К группе модельных отнесем критерии, присущие цифровым картам как моделям ме-

стности:

– топологические отношения;

– требования к передаче формы объектов;

– учет логики сочетания объектов;

– семантические отношения или связи.