Географические информационные системы

• растровые данные проще для обработки по параллельным алгоритмам и этим обеспечивают более высокое быстродействие по сравнению с векторными;

• некоторые задачи, например создание буферной зоны, много проще решать в растровом виде;

• многие растровые модели позволяют вводить векторные данные, в то время как обратная процедура весьма затруднительна для векторных моделей;

• процессы растеризации много проще алгоритмически, чем процессы векторизации, которые зачастую требуют экспертных решений.

Наиболее  часто растровые модели применяют  при обработке аэрокосмических снимков для получения данных дистанционных исследований Земли.

Метод группового кодирования. Самый простой способ ввода растровых моделей - прямой ввод одной ячейки за другой. Недостатками данного подхода являются требования большого объема памяти в компьютере и значительного времени для организации процедур ввода-вывода. Например, снимок искусственного спутника Земли (ИСЗ) Landsat имеет 74 000 000 элементов растра и это требует огромных ресурсов для хранения данных.

При растровом вводе информации в ГИС возникает проблема ее сжатия, так как наряду с полезной может  попадать и избыточная ( в том числе и бесполезная) информация. Для сжатия информации, полученной со снимка или карты, применяется кодирование участков развертки или метод группового кодирования, учитывающий, что довольно часто в нескольких ячейках значения повторяются.

Суть метода группового кодирования состоит в том, что данные вводятся парой чисел, первое обозначает длину группы, второе - значение. Изображение просматривается построчно, и как только определенный тип элемента или ячейки встречается впервые, он помечается признаком начала. Если за данной ячейкой следует цепочка ячеек того же типа, то их число подсчитывается, а последняя ячейка помечается признаком конца. В этом случае в памяти хранятся только позиции помеченных ячеек и значения соответствующих счетчиков.

Применение такого метода значительно упрощает хранение и воспроизведение изображений (карт), когда однородные участки (как правило) превосходят размеры одной ячейки.

Обычно ввод осуществляют слева  направо, сверху вниз. Рассмотрим, например, бинарный массив матрицы (5 х 6) :

000111 001110 001110 011111 011111.

При использовании метода группового кодирования он будет вводиться как:

30312031303120511051.

Вместо 30 необходимо только 20 элементов данных. В рассмотренном примере экономия составляет 30 %, однако на практике при работе с большими массивами бинарных данных она бывает гораздо больше.

Метод группового кодирования имеет  ограничения и может использоваться далеко не во всех ГИС.

Элементы бинарной матрицы, т.е. растровой  модели, могут принимать только два значения: "1" или "0". Эта матрица соответствует черно-белому изображению. На практике возможно полутоновое или цветное изображение. В этих случаях значения в ячейках растровой модели могут различаться по типам. Тип значений в ячейках растра определяется как исходными данными, так и особенностями программных средств ГИС. В качестве значений растровых данных могут быть применены целые числа, действительные (десятичные) значения, буквенные значения.

В одних системах используются только целые числа, в других - различные типы данных. При этом ставится условие единства значений для отдельных растровых слоев. Целые числа часто служат кодами, указывающими на позицию в прилагаемой таблице или легенде.

Структурно определенные растровые модели. Растровые модели делятся на регулярные, нерегулярные и вложенные (рекурсивные или иерархические) мозаики (рис. 4.10).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Плоские регулярные мозаики бывают трех типов: квадрат (рис. 4.10, а), треугольник и шестиугольник (рис. 4.10, б). Квадрат - самая удобная модель, так как позволяет относительно просто проводить обработку больших массивов данных. Треугольные мозаики служат хорошей основой для создания выпуклых (сферических) покрытий.

Среди нерегулярных мозаик чаще всего используют треугольные  сети неправильной формы (Triangulated Irregular Network - TIN) и полигоны Тиссена (рис. 4.10, в). Сети TIN удобны для создания цифровых моделей отметок местности по заданному набору точек. Они применяются как в растровых, так и в векторных моделях.

Модель треугольной нерегулярной сети (TIN) в значительной мере альтернативна цифровой модели рельефа, построенной на регулярной сети. TIN-модель была разработана в начале 70-х гг. как простой способ построения поверхностей на основе набора неравномерно расположенных точек. В 70-е гг. было создано несколько вариантов данной системы, коммерческие системы на базе TIN стали появляться в 80-х гг. как пакеты программ для построения горизонталей.

Модель TIN используется для цифрового моделирования рельефа. При этом узлам и ребрам треугольной сети соотносятся исходные и производные атрибуты цифровой модели.

Полигоны  Тиссена (или диаграммы Вороного) представляют собой геометрические конструкции, образуемые относительно множества точек таким образом, что границы полигонов являются отрезками перпендикуляров, восстанавливаемых к линиям, соединяющим две ближайшие точки. Полигоны Тиссена позволяют проводить анализ на соседство, близость и достижимость.

Нерегулярная  выборка лучше, чем регулярная, отражает характер реальной поверхности и это является достоинством полигонов Тиссена.

При построении TIN-модели дискретно расположенные точки соединяются линиями, образующими треугольники. В пределах каждого треугольника поверхность обычно представляется плоскостью. Поскольку поверхность каждого треугольника задается высотами трех его вершин, применение треугольников обеспечивает каждому участку мозаичной поверхности точное прилегание к смежным участкам. Это обеспечивает непрерывность поверхности при нерегулярном расположении точек.

Данная  модель позволяет использовать в  качестве элементов мозаики более сложные многоугольники, но их всегда можно разбить на треугольники.

В векторных  ГИС модель TIN можно рассматривать как полигоны с атрибутами угла наклона, экспозиции и площади, с тремя вершинами, имеющими атрибуты высоты, и с тремя сторонами, характеризующимися углом наклона и направлением.

Для выбора точек модели используют три основных алгоритма: алгоритм Фоулера и Литла, алгоритм ключевых точек, эвристическое удаление точек.

С аналитической точки зрения основу таких вложенных, или иерархических, мозаик составляют (рекурсивно) раскладываемые модели. Рекурсивная декомпозиция треугольников приводит к образованию треугольных квадродеревьев, причем декомпозиция шестиугольников невозможна. Единицы с более высоким уровнем разрешающей способности можно объединять, формируя шестиугольники, что приводит к образованию семиразрядного дерева. Схема адресации для вложенных шестиугольных мозаик была разработана Л. Гибсоном и Д. Лукасом. Они назвали ее генерализованной сбалансированной троичной мозаикой.

Квадратомическое дерево - одна из наиболее широко известных структур данных, использующихся применительно к площадям, линиям и точкам.

Бесструктурные гиперграфовые  и решетчатые модели. Они обрабатывают координатные данные в виде простых строк координат без какой-либо структуры. В случае обработки площадей общие границы всегда вводятся в ЭВМ дважды. Пример практического применения этих моделей - хранимые в памяти ЭВМ полные полигоны и векторные цепные коды.

Гиперграфовые модели основаны на теории множеств и гиперграфов и используют шесть абстрактных типов данных: класс, атрибут класса, связь класса, объект, атрибут объекта, связь объекта.

Класс соответствует границе гиперграфа, причем объекты являются узлами этого графа. Каждый класс содержит объекты с атрибутами объекта и различаемый узел, содержащий атрибут класса. Используя подклассы, вводят иерархию классов и объектов.

Связи классов и связи объектов устанавливают соотношения между  теми классами, которые не связаны  иерархически. Связи классов представляют потенциальные соотношения между классами, а связи объектов - действительные соотношения между объектами. Для образования мультисвязи можно объединить несколько связей объектов. Несколько классов объектов образуют гиперклассы, которые связаны гиперсвязями.

Гиперграфовые модели применимы как  к координатным, так и к атрибутивным данным. Как правило, они отличаются высокой степенью сложности.

Решетчатые модели базируются на математической теории решеток, оперирующей с частично упорядоченными наборами данных. Они полезны в тех случаях, когда отсутствует четкая иерархия объектов.

Элементы алгебраической теории автоматных моделей синтеза типовых конструктивных моделей упрощают процесс получения сложных графических изображений. Однако такой подход, находящий широкое применение в САПР, пока не используется в технологиях ГИС.

4.7. Оверлейные структуры

Цифровая карта может быть организована как множество слоев (покрытий или карт-подложек). Концепция послойного представления графической информации заимствована из систем CAD, однако в ГИС она получила качественно новое развитие.

Принципиальное отличие состоит  в том, что слои в ГИС могут быть как векторными, так и растровыми, причем векторные слои обязательно должны иметь одну из трех характеристик векторных данных, т.е. векторный слой должен быть определен как точечный, линейный или полигональный дополнительно к его тематической направленности.

Другое  важное отличие послойного представления  геоинформационных векторных данных заключается в том, что они являются объектными, т.е. несут информацию об объектах, а не об отдельных элементах объекта, как в САПР.

Слои в  ГИС являются типом цифровых картографических моделей, которые построены на основе объединения (типизации) пространственных объектов (или набора данных), имеющих общие свойства или функциональные признаки. Такими свойствами могут быть: принадлежность к одному типу координатных объектов ( точечные, линейные полигональные); принадлежность к одному типу пространственных объектов (жилые здания, подземные коммуникации, административные границы и т.д.); отображение на карте одним цветом.

В качестве отдельных слоев можно  объединять данные, полученные в результате сбора первичной информации.

Совокупность слоев образует интегрированную  основу графической части ГИС (рис. 4.11). Принадлежность объекта или части объекта к слою позволяет использовать и добавлять групповые свойства объектам данного слоя. А как известно из теории обработки данных, именно их групповая обработка является основой повышения производительности автоматизированных систем [11].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Слои могут иметь как векторные, так и растровые форматы. Однако многие ГИС допускают возможность  работы со слоями только векторного типа, а растр используется в качестве подложки. В связи с этим следует отметить возможности системы ER Mapper трансформировать растровое изображение снимка в заданную картографическую проекцию.

Данные, размещенные на слоях, могут  обрабатываться как в интерактивном, так и в автоматическом режиме. С помощью системы фильтров или заданных параметров объекты, принадлежащие слою, могут быть одновременно масштабированы, перемещены, скопированы, записаны в базу данных. В других случаях (при установке других режимов) можно наложить запрет на редактирование объектов слоя, запретить их просмотр или сделать невидимыми.

Многослойная организация электронной  карты при наличии гибкого механизма управления слоями позволяет объединить и отобразить не только большее количество информации, чем на обычной карте, но существенно упростить анализ картографических данных с помощью селекции данных, необходимых для визуализации и механизма "прозрачности" цифровой карты.

Таким образом, разбиение на слои позволяет решать задачи типизации и разбиения данных на типы, повышать эффективность интерактивной обработки и групповой автоматизированной обработки, упрощать процесс хранения информации в базах данных, включать автоматизированные методы пространственного анализа на стадии сбора данных и при моделировании, упрощать решение экспертных задач.

4.5. Трехмерные модели

Большинство ГИС хранят информацию о точках местности в виде трехмерных координат. Однако для многих приложений ГИС, таких, как построение карт, трехмерные координаты преобразуют в двухмерное представление, т.е. строят двухмерные (2D) модели.

Со второй половины 90-х гг. заметна  тенденция к построению трехмерных (3D) моделей. С одной стороны, это продиктовано решением практических задач, с другой - увеличением мощности вычислительных ресурсов, что необходимо для трехмерного моделирования. Такая модель должна соответствовать отображению трехмерной реальности, по возможности близкой к той, что видит человеческий глаз на местности.

В настоящее время существуют два основных способа представления трехмерных моделей в ГИС.

Первый способ, назовем его псевдотрехмерным, основан на том, что создается структура данных, в которых значение третьей координаты Z (обычно высота) каждой точки (X, Y) записывается в качестве атрибута. При этом значение Z может быть использовано в перспективных построениях для создания изображений трехмерных представлений. Поскольку это не истинное трехмерное представление, его часто именуют 2,5-мерным (два-с-половиной-мерным).

Такие 2,5-мерные модели дают возможность эффективного решения ряда задач:

• представление рельефа и других непрерывных поверхностей на базе ЦМР или TIN;

<span class="da