Трансформування растрових зображень та просторовий огляд цифрового матеріалу

Растрова модель цифрової карти

У даний час сучасні технології створення й обробки цифрової картографічної продукції в основному базуються на використанні растрових картографічних матеріалів.

Оптимальним способом одержання високоякісних растрів є сканування вихідної картографічної інформації.

При створенні цифрової картографічної продукції в основному використовуються наступні вихідні матеріали:

Діапозитиви постійного збереження (ДПЗ);

Прозорі пластики;

Планшети на твердій основі;

Кольорові тиражні відбитки (КТВ);

Ксерокопії з вихідних оригіналів.

Технологічна схема одержання растрових матеріалів складається з наступних етапів:

1. Сканування;

2. Корекція кольорів;

3. Підготовка до трансформування і трансформування;

4. Створення похідних растрових матеріалів.

Сканування

Основними вимогами при підготовці растрових картографічних матеріалів для створення цифрових карт є:

Обсяг інформації;

Дискретність сканування;

Достатня (оптимальна) колірна передача;

До приладів автоматичного і напівавтоматичного введення просторової інформації відносяться сканер (scanner), який зчитує з заданою роздільною здатністю (по 300 тчк/дюйм) все поле карти або аерознімка і ті, що перетворюють його в графічний растровий файл. Ця технологія в основному

застосовується в спеціалізованих організаціях, які постійно працюють з цифруванням великих масивів картографічної інформації. Швидкість введення інформації зі сканеру достатньо велика: лист формату АЗ сканується 10 секунд для монохромного варіанту і 30-40 секунд для кольорового. Однак оцифрованний варіант карти буде займати значний об'єм машинної пам'яті (при розширенні 300 тчк/дюйм отсканований лист АЗ займе біля 80 Мб дискового простору) Для якісного зчитування карти сканером необхідно дотримуватися наступних вимог:

- Вихідні матеріали повинні бути чисті, тобто не мати постороніх знаків, ліній або написів;

- Лінії повинні мати ширину не менше 0.1 мм;

- Лінії повинні мати по можливості просту форму (не мати розривів, потовщень, текстових включень і т. д.).

Якщо вихідні документи добре оформлені, то наступна обробка даних не займе багато часу і засобів. Скановані матеріали, якщо вони не використовуються в растрових базах даних, можуть підлягати векторизації.

Сканери мають різноманітні розміри робочого поля (від 12"х12" до 32" на декілька метрів для ручної моделі).

Вибір оптимальної роздільної здатності сканування чорно-білих (бінарних) оригіналів в основному залежить від товщини мінімальної лінії на вихідному матеріалі. Звичайно найбільш оптимальною роздільна здатність сканування визначається по формулі (мінімальна товщина лінії/2)

Сканування - процес переведення інформації з паперового носія в електронний.

100% - розмір матеріалу що сканується дорівнює розміру растра, 50% - растр удвічі менше, 150% - растр у 1,5 разу більше (розмір растра змінюється в квадратичній прогресії).

Корекція кольорів.

Головним завданням обробки кольорових тиражних відбитків є одержання бінарних зображень найбільш відповідним діапозитивам постійного збереження. Кольорова лінія складається з основної кістякової лінії й ореолів. При підготовці кольорових матеріалів до цифрування вибір роздільної здатності сканування визначається товщиною загальної колірної плями, з якого можна зробити бінарний шар. Вимоги до товщини кістякової лінії повинні бути не гірше чим вимоги до ліній на чорно-білих оригіналах. Ореоли - це границя переходу від одного кольору до іншого. Вони використовуються для зм'якшення границь при відображенні растрових картинок. При одержанні бінарного зображення ореоли можуть як допомагати, так і заважати процесу якісного виділення лінії. Головним критерієм боротьби з ними є усунення злипань близько розташованих елементів змісту.

При скануванні чорно-білих оригіналів вимоги до колірної передачі визначаються настроюваннями яскравості і контрастності сканера. Більш точні настроювання дозволяють усунути зайвий шум і вибрати найбільше якісні параметри для наступного трасування.

При скануванні кольорових оригіналів вимоги до колірної передачі визначаються глибиною кольору, що оптимально передає інформативність відсканованого зображення. У зв'язку з тим, що карта в основному друкується в 4, 6 чи 8 фарб, де кожна фарба є інформаційним шаром, обрана технологія сканування з глибиною колірної передачі в 256 кольорів з оптимізованої палітри. Даний режим дозволяє без втрати якості скоротити обсяг займаного дискового простору, що істотно при обробці великих обсягів інформації.Алезустрічаються досить складні оригінали, наприклад з високогірним рельєфом, де відстань між лініями складає менш 0.1 мм. Для таких складних оригіналів застосовується технологія TRUE COLOR, що дозволяє більш якісно згустити кольору.

Формати даних.

Растрові дані

В Маріпго растрові зображення використовуються тільки для перегляду, як «растрова подложка»; вносити модифікації в саме зображення не можна. Звичайно вони використовуються як підложки для векторних Карт. Помістивши векторні шари поверх растрового зображення, ми можемо використати растр для корекції при редагуванні Карти.

Растрові моделі просторових даних засновані на способах квантування простору за допомогою регулярних сіток, кожен елемент яких містить ідентифікатор, до якого можна зв'язати необмежений по довжині набір атрибутів. При цьому важливою властивістю растра є нерозривний зв'язок між просторовою й атрибутивною інформацією в єдиній прямокутній матриці, положення елементів якої визначається номерами рядка і стовпця. Така структура представлення дозволяє в будь-який момент розгорнути кожен з прив'язаних до ідентифікатора атрибутів шар з розмірністю вихідної сітки. За допомогою такого способу представлення даних можлива формалізація просторово-безупинної інформації, властивої більшості природних і значної кількості антропогенних об'єктів.

В растрових моделях дискретизація здійснюється шляхом відображення геооб'єктів в просторові комірки, що створює регулярну мережу. При цьому, кожній комірці відповідає однаковий по розмірах, але різний по характеристиках (колір, щільність) ділянка поверхні об'єкту. В комірки моделі міститься одне значення, усереднюючи характеристику ділянки поверхні об'єкту. В теорії обробки зображення ця процедура відома під назвою пікселізація. Якщо векторна модель дасть інформацію про те, де розміщений

той або інший об'єкт, то растрова модель дасть інформацію про те, що розміщене в тій або іншій точці території. Це визначає основне призначення растрової моделі безперервного відображення поверхні. Основні характеристики растрових моделей:

- Значення - елемент інформації, що зберігається в елементі растра (пікселя);

- Орієнтація - кут між направленням на північ і положенням колонок растра;

- Роздільна здатність - мінімальний лінійний розмір найменшої ділянки простору (поверхні), що відображаються однім пікселем. Більш високим розширенням володіє растр з меншим розміром комірки. Висока роздільна здатність має на увазі безліч деталей, безліч комірок, дрібний розмір комірки. Основні характеристики растрового представлення даних - формати запису і просторовий дозвіл.

Формати запису поділяються на:

- бітові (булеві);

- байтові;

- цілочисельні;

- дійсні.

У бітовому форматі кожен осередок растра описується значенням 1 чи 0. Такий формат вимагає для запису значення осередку один біт. У байтовому форматі діапазон значень пікселя розширюється до 256, тобто до 8-ми біт, а в целочисельном і дійсному форматах - до 16 і 32 біт відповідно. Наявність різних форматів дозволяє оперувати з величезним числом значущих класів, кожному з який може відповідати рядок у базі даних.

Просторовим дозволом растрових моделей місцевості називається величина, що відповідає мінімальним розмірам об'єкта, що може бути відбитий у даній моделі.

До переваг растрового формату можна віднести швидкість формалізації і представлення у виді, що читається. Сучасні способи одержання цифрових аеро- і космічних фотозображень надають можливість відновлення геодезичних даних у системі реального часу без застосування складної і дорогої апаратури цифрового введення даних у векторному чи форматі дорогих напівавтоматичних векторизаторів.

Недоліком растрового представлення інформації є значний обсяг файлів, що позначається в основному на швидкості обробки інформації на комп'ютерах з невеликими розмірами оперативної пам'яті і часу виведення зображення на екран. Для подолання подібних недоліків використовуються різні способи стиску (упакування) інформації від найпростішого групового чи лексикографічного коду (run length code), до створення ієрархічної пірамідної структури (pyramid layers, reduced resolution datasets) чи організації зблокованої структури з прямим доступом до кожного блоку - звичайно невеликій квадратній ділянці зображення (tiled format). Для прискорення і спрощення візуалізації застосовуються способи попереднього створення зображень, звеличених у 2-4-6 разів, зі збереженням їх в окремих файлах і викликом шару чи необхідного звеличених в залежності від операції, що вимагається.

Векторні дані

Формати векторних даних.

У даний час існує велика кількість форматів, у яких зберігаються і використовуються цифрові карти. Умовно їх можна розділити на три великі групи: графічні формати, картографічні формати і багатоцільові формати.

Варіанти технологій створення векторних цифрових карт

а) По вихідних паперових картах

Вихідною елементарною одиницею для векторизації є лист чи карти плану на паперовому чи іншому носії. Дуже зручна вихідна установка для векторизації -прийняти, що кожен лист посередині себе однорідний (об'єкти, їхні просторові відносини, точність їхнього положення зафіксовані на момент створення плану в повній відповідності з їх дійсним положенням на місцевості).

На жаль, як правило, вихідні карти і плани на паперових (лавсанових і ін.) носіях неоднорідні посередині кожного листа, у змісті, що різні об'єкти відображені на них з різною точністю і їхнім станом зафіксованим на різні моменти часу. Відповідно, просторові відносини між об'єктами внаслідок зазначеної різнорідності на вихідному матеріалі можуть бути зафіксовані невірно і щодо актуальної ситуації. Варто завжди мати на увазі, що ситуація на вихідному картоматеріалі при цифруванні автоматично фіксується в цифровій карті у вигляді формалізованої структури відносин (наприклад, топологічних відносин). Тому звичайна установка на адекватну передачу в цифровій карті об'єктів і відносин, зафіксованих на вихідній карті, не гарантує адекватну фіксацію дійсної ситуації на місцевості. Ця проблема ще більш гостра в зв'язку з тим, що реально вихідний матеріал виступає у виді набору суміжних аркушів карт, планів (ситуація ще більш ускладнюється, коли необхідна оцифровка різних тематичних карт на ту саму територію).

Структура витрат на створення векторної карти включає підготовку карти, ідентифікаційних просторових об'єктів і зв'язок їх з базою атрибутивних даних, необхідні перевірки і редагування. У повному технологічному циклі підготовки найбільше часто виділювані стадії - як векторизація, так і ідентифікація і зв'язок з базою атрибутивних даних - можуть на практиці займати від 20 до 50 відсотків кожна (спільно займаючи звичайно не більш 80 відсотків). Відповідно, економія часу за рахунок прискорення цих стадій грає найважливіше значення. Самий надійний варіант - підвищення швидкості за рахунок підготовки і добору операторів з високими професійними якостями і створення цифрових карт вручну. При використанні технологій автоматичної і напівавтоматичний векторизації постає кілька істотних проблем. По-перше, вони повинні забезпечувати якість, порівняно з якістю цифрування вручну добре підготовленим оператором. При низькій якості цифрування постає проблема редагування створених цифрових карт, що забирає значну частину в часу, отриманого за рахунок прискорення цифрування, чи навіть зажадає додаткового часу. При цьому немає гарантії, що всі помилки будуть виявлені і коректно виправлені. По-друге, оператор виступає в трохи іншій ролі - він, як правило, у ряді ситуацій просто не встигає контролювати процес цифрування і виконує поточний контроль лише в обмеженому числі ситуацій. Тому він повинен провести редагування результатів процесу цифрування, перевіривши всі ті ситуації, що він не встиг проконтролювати. Питання - скільки коштує якість і наскільки нею можна зневажити заради істотного прискорення процесу створення цифрових карт. Як уже відзначено вище, витрати на стадію векторизації в створенні цифрових карт складають від 20 до 50 відсотків, тому 2-х кратне збільшення швидкості векторизації дасть загальний приріст у швидкості одержання цифрових карт (без обліку проблем, зв'язаних з редагуванням) від 10 до 25 відсотків, а 4-х кратне - від 15 до 37 відсотків. На практиці прискорити повний технологічний цикл створення цифрових карт за рахунок автоматичної або напівавтоматичний векторизації можливо на 20-30 відсотків і за рахунок погіршення якості. Для більшості традиційних карт процес створення по них цифрової карти багато в чому являє собою інтерпретацію вихідного картматеріалу в зв'язку з тим, що традиційні карти створювалися без розрахунку на їх цифрування. Інтерпретація виникає у випадках цифрування об'єктів, зафіксованих умовними знаками, об'єктів, на які накладені зверху на умовні знаки написи, полігональних об'єктів, границі яких чітко не зазначені на вихідній карті, невірного з погляду здорового глузду взаєморозташування об'єктів на вихідній карті (квартали, що лежать у річці, дорога, що йде через край озера й ін.). Зі збільшенням масштабу вихідної карти число ситуацій, що вимагають такої інтерпретації, має тенденцію до зменшення, але разом з тим витрати на розбирання таких ситуацій вимагають звичайно значного часу. Більш широко розповсюджуваний паліативний варіант, що по нашому досвіді можна рекомендувати - це сканування вихідних картматеріалів топографічної основи (у чорно-білому чи кольоровому виді), трансформацію отриманих растрових зображень у єдину систему координат, і постачання такої растрової топооснови в різні служби. Це забезпечує можливість цифрування і посадки об'єктів різних служб на єдину цифрову(растрову) основу, низьку вартість такої основи і її максимальну відповідність оригіналу, однозначне представлення невідповідностей на границях аркушів карт.

б) За матеріалами дистанційного зондування

Використання матеріалів дистанційного зондування - аеро- і космічні знімки - для цілей ГІС є безумовно перспективним напрямком. Матеріали зйомок можуть бути представлені у виді єдиного набору растрових зображень, прив'язаних до потрібної координатної системи, і, на відміну від паперових картматеріалів, дійсно можуть відбивати практично одномоментну фіксацію всіх просторових об'єктів і відносин між ними. В даний час цілком можливо забезпечити роботу з великими растровими зображеннями і їхніми масивами, включаючи повний спектр операцій по трансформації і створенню по них векторних цифрових карт (наприклад, засобами GeoDraw для Windows). У досить масових типах робіт при використанні космічних знімків забезпечується роздільну здатність, що відповідає роздільній здатності масштабу карти порядку 1:50 000.

в) За матеріалами зйомок на місцевості

Використання GPS і електронних тахеометрів дозволяє одержувати координатні дані вимірів у цифровій формі, минаючи проміжні матеріали у вигляді картматериалів на паперовій основі чи знімки. Збереження матеріалів безпосередньо в цифровій формі знімає проблему створення твердих копій, використання вже знятих границь суміжних об'єктів при нових зйомках, і використання матеріалів зйомок.

Графічні формати.

Графічні формати при своєму створенні були орієнтовані на передачу технічних креслень, класичними їх представниками є формати DXF, DGN. Ці формати відрізняються розвинутими засобами передачі графіки, дозволяють задавати геометричні фігури: кола, прямокутники, сектори і т.д.; підтримують атрибути ліній: колір, товщину, стиль. При застосуванні в картографії формати цієї групи дозволяють описати карти високої графічної якості зі складною системою умовних знаків. Але при передачі картографічної інформації, особливо великомасштабної не можна обмежуватися тільки її графічною складовою, у кожної карти, крім графіки є ще безліч параметрів, що повинні бути передані форматом: це зведення про розподіл на шари, топології, координатах кутів рамки, системі координат, проекції, масштаб, коди таємності та інш.

Картографічні обмінні формати

Інша група форматів: картографічні, до яких відноситься, наприклад, F1М, спеціально призначеним для створення цифрових карт. Картографічні формати складаються звичайно не з одного (як графічні), а з групи файлів фіксованої структури і можуть складатися, наприклад (формат F1М), з паспорта номенклатурного листа і восьми сегментів: математичної основи, рельєфу, гідрографії, населених пунктів, промислових і соціально - культурних об'єктів, дорожньої мережі, рослинного покриву, границь і підписів. У свою чергу кожен сегмент складається з наступних файлів: паспорта сегмента, довідковій інформації, семантичній інформації, метричній інформації.

Картографічні формати дозволяють точно побудувати карту, але як правило відрізняються дуже бідним набором графічних примітивів, наприклад, F1М підтримує лише геометричні примітиви точка, лінія (ламана) і полігон (теж ламана, але замкнута), тобто зведення передані цим форматом про графіку обмежуються вказівками координат точок. Таким чином, будь-який об'єкт карти буде представлений або координатами свого контуру, або координатами свого центру (умовний знак). При роботі з цим форматом усе графічне навантаження карти приходиться відновлювати.