Модели и форматы представления пространственной информации Источники

Модели и форматы представления пространственной информации

Источники данных Геоинформатика в целях получения необходимых сведений для составления электронных и компьютерных карт использует многие источники. Среди источников, или исходных материалов, широко используемых в геоинформатике, наиболее часто привлекаются картографические, аэрокосмические и статистические материалы. Помимо указанных источников гораздо реже используются астрономо-геодезические данные, данные специально проводимых полевых исследований и съемок, а также литературные (текстовые) источники. Сами геоинформационные системы в этом случае выступают как средство хранения, анализа и представления географических данных, но не как средство их получения.

Источники данных Классификационный признак Тип источника Примеры Основные Данные статистической отчетности для экономикогеографических карт Дополнительные Общегеографические карты как топографическая основа для построения экономико-географических карт Современные Данные дистанционного зондирования как наиболее оперативный источник Старые Топографическая карта начала века для изучения плановых смещений русел рек Тематика и назначение работ Степень современности Первичные Способ получения Вторичные Цифровые Форма представления Нецифровые (аналоговые) Полевая съемка, перепись населения Геоморфологическая справочники карта, демографические Сканерные снимки, электронные базы данных Географические карты, литературные сведения полевые наблюдения,

Источники данных Картографические материалы представлены в первую очередь географическими картами. Их использование как источника данных очень эффективно по ряду причин. Во-первых, все сведения, считанные с карты, имеют четкую территориальную привязку, во-вторых, в них нет пропусков, «белых пятен» в пределах изображаемой территории, и, в-третьих, они в любой своей форме удобны для записи на ЭВМ. Картографические источники отличаются большим разнообразием, которое можно свести на основе общепринятой классификации карт к двум блокам.

Источники данных Общегеографические карты изображают лик Земли так, как мы его видим, и содержат разнообразные сведения о рельефе, гидрографии, почвенно-растительном покрове, населенных пунктах, хозяйственных объектах, путях сообщения, линиях коммуникации и границах. В геоинформатике эти карты служат для трех целей: во-первых, предоставляют информацию об указанных объектах местности, во-вторых, служат основой для тематического картографирования и, в-третьих, играя роль каркаса или базовой карты, обеспечивают взаимное согласование отдельных информационных слоев между собой.

Источники данных Тематические карты изображают какой-либо компонент геосистемы с особой подробностью. В зависимости от объекта картографирования они подразделяются на карты природы, или физико-географические карты, карты общественных явлений, или социально-экономические карты, и карты природно-технические, характеризующие совместно природные и общественные явления. В геоинформатике тематические карты используются в первую очередь для тематического картографирования. При этом геоинформационные технологии позволяют для этих целей широко применять карты смежной тематики, обеспечивая корректный совместный анализ и преобразование (например, при почвенном картографировании привлекают карты растительности и геоморфологические).

В традиционной картографии пространственная информация передается посредством образнознаковых пространственных моделей. На географических картах действительность представляется в виде различных объектов, разделенных границами. Внутри границ семантическая, или смысловая, характеристика объекта считается постоянной и меняется при переходе через них. Такие пространственные объекты классифицируются по виду их пространственной локализации на точечные, линейные и площадные. Размеры и форма знаков на карте определяются как свойствами самого объекта, так и задачами генерализации в заданном масштабе.

Лес, поле, река – однородные внутри своих границ объекты

Модели представления дискретная сетевая географические поля

Модели представления. 1 Первая модель – дискретная – передает действительность в виде отдельных объектов, покрывающих все пространство, без пробелов. Эта модель подчеркивает индивидуальность явления и хорошо подходит для моделирования реальности, но при этом возникает проблема определения положения границы, особенно для природных объектов.

Модели представления. 2 Вторая модель – сетевая – используется, когда важно отображение связей между объектами и путей перемещения в пространстве. Ее применяют при изучении транспортных потоков и их оптимизации, в гидрологических исследованиях.

Модели представления. 3 Третья модель – географические поля – предназначена для исследования и отображения непрерывных распределений, таких как высота земной поверхности, атмосферное давление, тип почв и т. п.

Модели представления. Итог Эти три модели хорошо коррелируют с образно-знаковыми картографическими моделями, а выбор концептуальной модели для представления пространственной информации определяется в каждом конкретном случае характером объектов и целями исследования.

Два вида данных в ГИС В геоинформатике пространственные данные традиционно подразделяются на две взаимосвязанные составляющие – позиционные и непозиционные данные. Первые описывают положение географических объектов в декартовых (x, y, z) или географических (φ, λ) координатах двух- и трехмерного пространства (например, координаты родника). Позиционные данные – это собственно картографическое изображение электронной или компьютерной карты, собранное из набора информационных слоев. Ко вторым относятся качественная характеристика пространственных объектов (семантика) и статистика, представленные в виде текстовых или числовых параметров (например, дебит родника, водовмещающие породы, химический состав воды и т. п. ). Непозиционные данные хранятся в базах данных, каждая из которых ассоциируется с соответствующим информационным слоем электронной или компьютерной карты. Кратко составляющие пространственных данных называют геометрией и атрибутами.

Модель ГИС Название слоев Информационные слои Базы данных БД «Населенные пункты» : название, численность БД «Транспортная сеть» : тип и ширина покрытия БД «Речная сеть» : название, бассейн, длина БД «Изогипсы» : абсолютная высота БД «Растительность» : тип древостоя, бонитет Населенные пункты Транспортная сеть Речная сеть Изогипсы Растительность Позиционные данные Непозиционные данные Электронная и/или компьютерная карта

Форматы представления позиционных данных Вектор Растр В каждом из них все объекты разбиваются на множество элементарных объектов, называемых примитивами.

Векторные данные. Точки – 0 -мерные объекты, имеющие положение в пространстве, но не имеющие размера, – в векторном формате представлены в виде необязательно упорядоченной последовательности записей, каждая из которых содержит три числа: уникальный идентификационный номер объекта, или идентификатор, значение координаты x и значение координаты y. Населенные пункты 1: x 1, y 1 2: x 2, y 2 3: x 3, y 3. . . n: xn, yn

Векторные данные. Линии – 1 -мерные объекты, имеющие длину, но не имеющие ширину, – представлены необязательно упорядоченной последовательностью идентификационных номеров и координат точек перегиба, или узлов. При этом предполагается, что линии представляют собой ломаные, состоящие из линейных отрезков и аппроксимирующих кривую. Соответствие между исходной кривой и ломаной прямо пропорционально количеству точек перегиба: больше их должно быть на сложных участках, меньше – на простых, относительно прямолинейных. Именно с представлениями линейных объектов в виде последовательности образующих их точек связано понятие о векторном формате: любая кривая может быть описана с заданной точностью совокупностью отрезков – векторов. Речная сеть 1: (x 1, y 1), (x 2, y 2), (x 3, y 3), (x 4, y 4), (x 5, y 5), (x 6, y 6) 2: (x 1, y 1), (x 2, y 2), (x 3, y 3), (x 4, y 4)

Векторные данные. Полигоны – 2 -мерные объекты, имеющие длину и ширину, – представлены необязательно упорядоченной последовательностью идентификационных номеров и координат точек перегиба замкнутой ломаной, аппроксимирующей криволинейный контур. При этом предполагается, что координаты первой точки совпадают с координатами последней. 1: (x 1, y 1), (x 2, y 2), (x 3, y 3), (x 4, y 4), (x 5, y 5), (x 6, y 6), (x 7, y 7), (x 8, y 8), (x 9, y 9), (x 10, y 10), (x 11, y 11), (x 12, y 12), (x 1, y 1) Растительность. . . n: (x 1, y 1), (x 2, y 2), (x 3, y 3). . . (x 1, y 1)

Растровые данные В растровом формате роль примитивов играют так называемые элементы растра – совокупность ячеек регулярной (обычно прямоугольной) решетки, разбивающей изображение на составные части, и называемые пикселами. Номера столбцов и строк растра образуют систему координат, а запись в самой ячейке кодирует атрибут объекта. Таким образом, для растрового формата характерно слияние позиционной и непозиционной составляющих в одном файле. С каждым пикселом может быть связан неограниченный по длине набор атрибутов (например, пиксел 4, 7 имеет атрибуты: 3 – растительность на общегеографической карте, 5 – серые лесные почвы на почвенной карте и 7 – семиметровая глубина залегания грунтовых вод на гидрогеологической карте). Это в свою очередь позволяет генерировать на основе одной исходной матрицы множество производных растровых слоев.

Растровое изображение в ГИС Номера столбцов 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 Номера строк Растр (позиционная составляющая) Непозиционная составляющая Название цвета Цвет отсутствует черный голубой зеленый Номера строк Запись в ячейке 0 1 2 3 4 0 0 0 1 0 0 0 2 2 2 0 0 0 Номера столбцов 3 4 5 0 0 0 2 2 0 2 0 0 2 1 Атрибут нет объектов населенный пункт речная сеть растительность 6 2 0 0 0 3 7 0 0 0 3 3 8 0 0 0 3 3

«Привязка» растра Работа по созданию данных часто начинается с обработки сканированных (растровых) материалов. Для того, чтобы работать с такими данными в ГИС их необходимо привязать. Под координатной привязкой (иногда, этот термин заменяют на термин «трансформация» - в частности, применительно к космическим и аэрофотоснимкам) подразумевается перевод отсканированных данных из файловой (локальной) системы координат в систему координат - спроектированную или географическую. В процессе привязки каждому пикселу изображения присваиваются новые координаты. Информация о привязке изображения может храниться либо в самом файле изображения, либо во внешнем файле привязки.

Процесс привязки растровых данных Этап 1 Расстановка точек привязки - т. е. нахождение и точек, координаты которых известных и ввод для них этих координат. Этап 2 Проверка точности и правильности расстановки точек - расчет среднеквадратичной ошибки. Этап 3 выбор метода пересчета значений элементов изображения при трансформации, (resampling, передискретизация) Этап 4 Выбор математической модели трансформации (афинное преобразование, полиномиальная модель, метод резинового листа и т. д. ). . Этап 5 Выбор размера ячейки результирующего изображения (т. е. выбор размера пиксела) Этап 6 Осуществление трансформации.

World-файлы Для полного описания отношений пиксельных координат географическим достаточно 6 параметров: A - масштаб растра по оси X; размер пиксела по оси X (например в 1 единице растра - 20 метров) B - масштаб растра по оси Y; отрицательный размер пиксела по оси Y C, D - параметры поворота (обычно равны нулю) E, F - параметры сдвига; X, Y координаты центра верхнего левого пиксела Отрицательное значение размера пиксела по оси Y объясняется разницей между началом координат изображения и географической системы координат. В изображении начало находится в левом верхнем углу, в географической системе координат - в левом нижнем. Следует иметь в виду, что при этом изменение самого растра не происходит, используя world-файл с параметрами поворота, растр поворачивается только визуально 20. 0000000 -20. 0000000 424178. 1170000 4313415. 9070000 A C D B E F

Создание файла привязки Размер изображения 3000 на 3000 пиксел. Отсканирована карта для участка 3000 на 3000 метров. Следовательно, масштаб карты – 1 пиксел на 1 метр. Пусть координаты верхнего левого угла карты будут 33, 002 ON и 36, 0003 OE Тогда файл привязки будет иметь следующий вид (для WGS 84): A C D B E F 1 (3000 метров на 3000 пикселей) 0 (нет сдвигов и поворотов) -1 (3000 метров на 3000 пикселей) 33, 002 ON 36, 0003 OE Имя файла привязки должно быть равно имени растрового файла, для которого создается файл привязки. Расширение составляется из трех букв: первая соответствует первой букве расширения соответствующего растрового файла, вторая - третьей букве расширения, третья - буква w (world). файлу test. jpg будет соответствовать файл привязки test. jgw файлу test. tif будет соответствовать файл привязки test. tfw

Сравнение растра и вектора Формат Категория векторный растровый Отображение реальности – + Точность координат + – Скорость аналитических операций – + Потребность в объеме памяти + – Скорость визуализации + – Удобство получения – + Организация баз данных – + Возможность масштабирования потери качества без

Вдогонку Помимо векторного и растрового формата существуют гибридные модели, сочетающие одновременно векторную и растровую структуры. Но сегодня они имеют пока еще подчиненное значение. Обычно каждая конкретная ГИС работает с двумя или более форматами представления пространственных данных, но основным всегда является какой-то один, а остальные – вспомогательными. Кроме того, каждый формат имеет свои шаблоны представления пространственных данных, принятые в качестве внутренних форматов конкретной ГИС или стандарта в государственных организациях.

Вдогонку Векторный формат Наименование шаблона DXF MAP DWF DX 90 DLG F 1 M SXF BMP TIFF JPEG или JPG PCX Описание Векторный формат пакета Auto. CAD/Auto. MAP формат пакета Map. Info формат пакета Arc/Info формат передачи графических данных по Internet формат цифровых навигационных карт формат данных геологической съемки США формат данных Федеральной службы геодезии и картографии формат данных Военно-топографического управления ГШ ВС РФ Растровый формат битовый двоичный формат без сжатия, стандарт ОС Windows формат BMP с различными типами сжатия в зависимости от фотометрических свойств изображения, используется для хранения космических и аэрофотоснимков формат BMP с сжатием и частичной потерей информации, используется для Internet цветные изображения без сжатия, предназначенные для просмотра на мониторе