Структура ГИС Ввод и вывод пространственной информации в

Структура ГИС. Ввод и вывод пространственной информации в ГИС 1

Подсистемы ГИС выполняет следующие процедуры с данными: – ввод, – управление, – обработку, запрос и анализ, – визуализацию данных. В связи с этим в ее структуре выделяют 4 подсистемы: 1. Подсистема ввода данных - это устройства для преобразования пространственной информации в цифровую форму и ввода ее в компьютер: дигитайзеры - используются для прослеживания и ручной обводки контуров на исходной карте, при этом в память компьютера поступают их координаты в цифровой форме; сканеры - осуществляют автоматическое построчное считывание информации с карты, но после этого необходимо дополнительное разделение оцифрованных элементов (рек, дорог и т. п. ); · клавиатура - используется для ввода качественных и количественных характеристик цифруемых объектов. 2

Подсистемы ГИС 2. Подсистема управления данными организует пространственные данные с целью их хранения, выборки, обновления и редактирования. Вся введенная цифровая информация поступает в БД. Создание БД, доступ и работу с ними обеспечивает система управления базами данных (СУБД). 3. Подсистема обработки и анализа данных предоставляет инструментарий для обработки данных (преобразование в другой формат, проектирование в другую систему координат, слияние нескольких смежных слоев в один и т. д. ); запроса и анализа данных. Примеры запросов: "Кто владелец данного земельного участка? "; "На каком расстоянии друг от друга расположены объекты? "; "Где есть подходящие места для строительства нового дома? ". 3

Подсистемы ГИС: подсистема обработки и анализа данных Примеры ГИС-операций для анализа данных: · буферизация (буферная зона - полигональный слой, образованный путем построения линий, равноудаленных относительно множества точечных, линейных или полигональных объектов). Используется для анализа близости: например, найти дома, находящиеся в пределах 100 м от водоема; · операции наложения - интегрируют данные, расположенные в разных слоях, при этом получаются новые производные карты; · определение расстояний и площадей; · получение статистических характеристик; · проведение интерполяции данных; · построение цифровых моделей рельефа; · создание трехмерных изображений и т. д. Буферная зона 4

Подсистемы ГИС 4. Подсистема вывода - комплекс устройств для визуализации пространственной информации в картографической форме, а также в виде графиков, таблиц, трехмерных, мультимедийных изображений и т. д. : дисплеи - для визуализации и анализа изображения на экране; принтеры - для вывода информации на бумагу; плоттеры (графопостроители) - для вывода чертежей, карт на бумагу. 5

Устройства ввода графической информации Ø Сканеры - устройства для автоматического построчного считывания графической и текстовой информации, преобразования изображения в цифровую растровую форму. Выбор оптимального разрешения при сканировании карты Разрешение сканера задается количеством точек (пикселов) на дюйм (1 дюйм=2, 54 см) и изменяется от 75 до 1200 dpi. При сканировании тематических карт достаточным разрешением является то, при котором минимальная толщина линии на карте (0, 1 мм) покрывается 1 пикселом: пикселом 0, 1 мм=1 пиксел 1 дюйм =254 пиксела dpi =254 (dpi 300) При сканировании топографических карт (более точных, менее генерализованных) для более успешной их последующей обработки (цветоделение, автоматическая трассировка) может быть выбрано разрешение, при котором 2 пиксела покрывают минимальную толщину лини, т. е. 0, 1 мм=2 пиксел dpi = 508 (dpi 600) 6

Технические средства ГИС: дигитайзеры ØДигитайзеры - это устройство планшетного типа, предназначенное для цифрования специальным курсором графических элементов карт или других бумажных источников информации методом ручной обводки. Векторная оцифровка карты с использован ием дигитайзера В результате получается векторное изображение, каждый элемент которого определяется набором пар координат (X, У) и идентификатором. 7

Характеристика технических средств ГИС: дигитайзеры Дигитайзер состоит из электронного планшета, в который вмонтирована тонкая проволочная сетка, и курсора, который улавливает магнитное поле, создаваемое этой проволочной сеткой. Карта помещается на плоскую поверхность планшета. Область электронной чувствительности дигитайзера ограничена обведенным на нем прямоугольником, за пределами которого карта оцифровываться не будет. Дигитайзер имеет собственную систему координат, и при передвижении курсора по планшету координаты перекрестья его нитей передаются в компьютер. 8

Технологии ввода графической информации в ГИС: • Сканирование - преобразование изображения в цифровую растровую форму. • Цифрование (оцифровка) - это перевод пространственной информации в цифровую векторную форму. (В векторном формате пространственные объекты представляются в виде последовательности пар координат X, Y: • точки - одной парой координат, • линии - набором координат, а • полигоны формируются из линий и должны быть замкнуты. ) Цифрование - ступенчатый процесс, включающий: · подготовку исходной карты к цифрованию; · выделение слоев и объектов на карте; · само цифрование; · редактирование; · ввод атрибутивной информации в таблицы. 9

Два метода цифрования • дигитализация • векторизация по растровой «подложке» 1. Дигитализация - цифрование с использованием дигитайзера. Подготовительные работы: Карта жестко крепится на планшете (подвижность карты приводит к ошибкам из-за смещения координат). Выделяются объекты, принадлежащие к одному слою (карта должна объекты иметь достаточно четкое изображение, чтобы выделять контуры). Дигитайзер имеет собственную условную систему координат, которая впоследствии должна быть переведена в реальную СК посредством регистрационных точек (не менее 4), которые снимаются в начале каждого сеанса работы (или между сеансами, если лист сдвигался). Для этих точек должны быть известны координаты и в системе дигитайзера ( «старая» СК), и в реальной системе ( «новая» СК). Эти координаты используются для расчета трансформации, преобразующей все остальные точки в новые координаты. 10

Ввод данных с дигитайзера x = 8. 258 in. y = 16. 364 in. x = 8. 258 y = 16. 364 Система координат дигитайзера Регистрационные точки Преобразование в реальные координаты Scale 1: 24000 x = 2376478. 923 y = 456236. 512 Дигитайзер Реальная система координат 11

Цифрование с использованием дигитайзера Дигитализация может проходить в двух режимах: по точкам - оператор обводит контура курсором дигитайзера, нажимая необходимые кнопки. При каждом нажатии в компьютер посылается код кнопки и/или координаты точки пересечения нитей курсора; изображения обведенных объектов появляются на экране монитора; потоком - в "потоковом" режиме координаты с планшета подаются не при нажатии на кнопку курсора, а при пересечении курсором линий вмонтированной в дигитайзер сетки: ü (+) - нет необходимости постоянно нажимать на кнопку, ü (-) - хранение большого количества координат, получающихся при каждом пересечении линий сетки. 12

Технологии ввода графической информации: 2 метода цифрования 2. Векторизация по растровой «подложке» - цифрование с использованием сканера и последующей векторизацией. Векторизация - преобразование растрового представления пространственных объектов в векторное. При векторизации отсканированное растровое изображение выводится на экран монитора, и цифрование осуществляется по этой «подложке» при помощи «мыши» на экране. Этапы векторизации по растровой «подложке» : A 3000, 3000 • сканирование карты, 3000, 1000 • сшивка при необходимости отдельных ее фрагментов; • привязка растра: задание опорных точек и расчет преобразования для перехода от пиксельной системы координат растра (номер строки, номер столбца) к новым координатам карты; • векторизация пространственных объектов; • редактирование результатов векторизации; • ввод атрибутов для оцифрованных объектов • экспорт данных для использования в ГИС. 5000, 3000 5000, 1000 Ø Для векторизации по «подложке» требуется специализированное программное обеспечение – векторизатор (например, Easy Trace, Map. Edit). 13

Цифрование с использованием сканера - векторизация по «подложке» Три режима векторизации: ручной - все операции выполняет сам оператор. полуавтоматический (интерактивный) - часть операций производится автоматически. При интерактивной векторизации линий достаточно задать начальную точку и направление отслеживания. Далее векторизатор сам отследит эту линию до тех пор, пока на его пути не встретятся неопределенные ситуации (разветвление или разрыв). Оператор "помогает" программе разрешить неопределенность, и векторизация продолжается до появления новой. автоматический – все операции проводятся без участия оператора (не всегда выполним, может быть много ошибок!). ШВекторизаторы обладают возможностями настройки на разрешение некоторых неопределенных ситуаций (в Easy Trace – это задание стратегий), что позволяет векторизовать, например, пунктирные линии. 14

Векторизация по «подложке» ü Возможности интерактивной (и автоматической) векторизации прямо связаны с качеством исходного материала и сложностью карты: • эффективна при высоком качестве исходной карты или ее специальной подготовке (например, снятие с карты на кальку только нужных контуров), • в противном случае автоматическое распознавание объектов затруднительно и требуется много усилий на редактирование. Исходная карта После перевода на кальку необходимых контуров и ее сканирования 15

Преобразование (конвертирование) форматов данных Ú Векторно-растровое преобразование (растеризация) – преобразование векторного представления пространственных объектов в растровое путем присваивания элементам растра значений, соответствующих принадлежности или непринадлежности к ним элементов векторных объектов. При растеризации • задается размер ячейки растра (шаг растеризации); • определяются минимальные и максимальные значения координат (пространственный охват); • пространство покрывается сеткой ячеек; • для каждой ячейки определяется ее значение. 16

Растеризация При определении значения для каждой ячейки растра используется: • либо правило большей доли - значение на большей части ячейки присваивается всей ячейке (в большинстве случаев) • либо правило центральной точки значение в центральной точке ячейки присваивается всей ячейке (менее употребимо). «большей доли» «центральной точки» Неопределенность растровой структуры: поскольку ячейка может покрывать несколько значений, а надо присвоить одно, растр одно может искажать форму пространственного объекта. 17

Преобразование (конвертирование) форматов данных Ú Растрово-векторное преобразование (векторизация) – это преобразование растрового представления пространственных объектов в векторное. Векторизация необходима, чтобы “извлечь” объекты со сканированного изображения. При этом применяют следующие операции: • отслеживание (трассировка) линий, • утоньшение линий; • разрядка (устранение избыточных точек в цифровой записи линий), • сглаживание, • устранение разрывов и т. д. 18

Вывод пространственной информации в ГИС Формы вывода: текстовый (таблицы, ответ на запрос в цифровом или текстовом виде); графический (карты, изображения на экране, графики); карты цифровой (данные, записываемые на диск или передаваемые по сети); мультимедийный (звук, 3 -мерные изображения, анимация). 19

Вывод пространственной информации в ГИС Графическая визуализация данных Ø Электронная карта - цифровая карта, визуализированная на экране компьютера с использованием программных и технических средств. • Создается в принятых для карт проекции и системе условных знаков. • Масштаб изображения на экране может меняться в соответствии с потребностями детальности визуализации. Ø Компьютерная карта - карта, полученная на основе цифровых карт с помощью устройств графического вывода на бумаге, пластике и иных материалах. • Одна из задач создания компьютерной карты - приблизить дизайн создаваемых изображений к традиционному облику оригинальных карт. Ø Электронный атлас - это электронное картографическое произведение, сопровождаемое программным обеспечением (картографическим визуализатором). Помимо карт, электронные атласы могут включать справочную информацию, табличные данные, мультимедийные изображения. 20

Графическая визуализация данных Цветовые модели, используемые графическими устройствами вывода В дисплейных системах и печатающих устройствах используются две различные модели построения цветного изображения: RGB (Red-Green-Blue) модель – цвет в модели определяется смешением красного, зеленого и синего; используется для визуализации цветных изображений на дисплее. CMYK модель - использует 4 цвета: Cyan (голубой), Magenta (пурпурный), Yellow (желтый) и Blac. K (черный); применяется для воспроизведения цветных изображений в полиграфии, при выводе на принтер, графопостроитель. üRGB модель имеет более насыщенные цвета, чем CMYK, поэтому эти модели цветов не очень хорошо преобразуются между собой. В результате возникают существенные различия между цветами на экране и распечатке - изображения, ярко выглядящие в RGB, в CMYK могут значительно потускнеть. RGB CMYK 21

Вывод пространственной информации Мультимедийная визуализация информации использование при представлении пространственной информации звуковых и анимационных средств, трехмерных изображений: • Картографические анимации - динамические последовательности карт, создающие при демонстрации эффект движения, отображают динамику геосистем. (Пример, телевизионные карты прогноза погоды с перемещениями областей высокого и низкого давления, атмосферных осадков). • Виртуальные изображения (виртуальная реальность) модель реального или абстрактного объекта (или ситуации), существующая в программно управляемой среде и дающая иллюзию присутствия и перемещения в реальном пространстве за счет применения эффектов трехмерности и анимации в сочетании с накладываемыми фотоизображениями. Виртуальные изображения: ü создаются с использованием сложного программного обеспечения; ü имеют проекцию, масштаб и обладают генерализованностью; ü одна из наиболее распространенных виртуальных операций - “облет” облет полученного изображения; 22