Различают две основных формы представления картографических данных в компьютере – растровые изображения (фактически это цифровые фотографии), используемые для представления аэрофотоснимков, бумажных карт и планов, и векторные описания карт. Векторная форма представления карты является основной при создании картографических баз данных и используется для решения задач анализа географического пространства.
Для представления пространственных объектов в ГИС используют пространственные и атрибутивные типы данных. (см вопрос 8)
Аспект представления моделей разграничивает модели по четырем основным формам представления: аналитические, табличные, графические и графовые.
Аналитическая форма представляет модель в виде формулы, аналитического выражения, совокупности аналитических выражений (уравнений). Графическая форма использует отображение совокупности моделей или данных в виде кривых, графиков, диаграмм. Она применяется при наличии статистических данных и при известном аналитическом описании модели.
Табличная форма дает представление модели или ее характеристик в виде одной или совокупности взаимосвязанных таблиц. Она применяется при описании атрибутов и при сборе стат. инф-ии.
Графовая форма основана на представлении модели в виде графической схемы называемой графом. Она применяется при описании структур моделей данных, процессов обработки или управления и описание сложных систем.
12. Пространственный объект - цифровое представление объекта реальности, иначе цифровая модель объекта местности, содержащая его местоуказание и набор свойств, характеристик, атрибутов или сам этот объект. Выделяют четыре основных типа П.о.: точечные (точки), линейные (линии), площадные или полигональные и поверхности (рельефы). Точки, линии и полигоны объединяет понятие плоских, или планиметрических объектов, поверхности (а также тела) относят к типу трехмерных объектов, или объемных объектов. П.о. и/или образующие их элементы иногда называются примитивами, в том числе геометрическими примитивами и топологическими примитивами по аналогии с графическими примитивами в компьютерной (машинной) графике.
Пространственные данные (географические данные, геоданные) — данные о пространственных объектах и их наборах. Пространственные данные составляют основу информационного обеспечения геоинформационных систем. Пространственные данные обычно состоят из двух взаимосвязанных частей: координатных и атрибутивных данных. Установление связи между этими частями называется геокодированием. Координатные данные определяют позиционные характеристики пространственного объекта. Они описывают его местоположение в установленной системе координат. Атрибутивные данные представляют собой совокупность непозиционных характеристик (атрибутов) пространственного объекта. Атрибутивные данные определяют смысловое содержание (семантику) объекта и могут содержать качественные или количественные значения.
13. Базовыми типами пространственных объектов, которыми оперируют современные ГИС, обычно считаются (в скобках приведены их синонимы) следующие:
• точка (точечный объект) — 0-мерный объект, характеризуемый плановыми координатами;
• линия (линейный объект, полилиния) — 1-мерный объект, образованный последовательностью не менее двух точек с известными плановыми координатами (линейными сегментами или дугами);
• область (полигон, полигональный объект, контур, контурный объект) — 2-мерный (площадной) объект, внутренняя область, ограниченная замкнутой последовательностью линий и идентифицируемая внутренней точкой (меткой);
• пиксел (пиксель, пэл) — 2-мерный объект, элемент цифрового изображения, наименьшая из его составляющих, получаемая в результате дискретизации изображения (разбиения на далее неделимые элементы растра); элемент дискретизации координатной плоскости в растровой модели (данных) ГИС;
• ячейка (регулярная ячейка) — 2-мерный объект, элемент разбиения земной поверхности линиями регулярной сети;
• поверхность (рельеф) — 2-мерный объект, определяемый не только плановыми координатами, но и аппликатой Z, которая входит в число атрибутов образующих ее объектов; оболочка тела;
• тело — 3-мерный (объемный) объект, описываемый тройкой (триплетом) координат, включающей аппликату Z, и ограниченный поверхностями.
14. На концептуальном уровне все множество моделей пространственных данных можно разделить на три типа: модели дискретных объектов, модели непрерывных полей и модели сетей.
Типами моделей именуют также модели, различающиеся по своему внутреннему устройству. В практике геоинформатики уже достаточно давно определился набор базовых моделей пространственных данных, используемых для описания объектов размерности не более двух (планиметрических объектов):
• растровая модель - цифровое представление пространственных объектов в виде совокупности ячеек растра (пикселов) с присвоенными им значениями класса объекта.
• регулярно-ячеистая (матричная) модель — цифровое представление пространственных объектов в виде совокупности ячеек регулярной сети с присвоенными им значениями класса объекта в отличие от совокупности элементов растра (пикселов) в растровой модели (данных).
• квадротомическая модель (квадродерево, дерево квадратов, квадрантное дерево, Q-дерево, 4-дерево) - один из способов представления пространственных объектов в виде иерархической древовидной структуры, основанный на декомпозиции пространства на квадратные участки (квадратные блоки, квадранты), каждый из которых делится рекурсивно на 4 вложенных до достижения некоторого уровня детальности представления (разрешения).
• векторная модель - обобщенный класс моделей пространственных данных, основанных на цифровом представлении точечных, линейных и полигональных пространственных объектов в виде набора координатных пар с описанием только геометрии объектов, что соответствует нетопологической В. м. или геометрии и топологических отношений в виде векторной топологической модели;
• векторная топологическая (линейно-узловая) модель – разновидность векторной модели (данных) точечных, линейных и полигональных пространственных объектов, описывающая не только их геометрию, но и топологические отношения между полигонами, дугами и узлами.
• векторная нетопологическая модель - разновидность векторной модели (данных) для представления линейных и полигональных пространственных объектов с описанием их геометрии в виде набора дуг или совокупности сегментов.
15. Характеристика аналого-цифровых преобразований прежде всего требует введения нескольких базовых понятий, таких, как цифровая и электронная карта. Как явление цифровой среды, цифровая «карта» не является картой, картографическим изображением в традиционном для картографии смысле, поскольку не воспринимаема человеком визуально или тактильно, а будучи визуализирована, перестает быть цифровой. Вполне точно ей соответствует термин «цифровая модель карты», со временем редуцированный до более краткого термина «цифровая карта». Эволюцию термина можно представить в виде цепочки: цифровая модель карты => цифровая «карта» => цифровая карта.
Цифровые карты (ЦК) общегеографического содержания, в том числе топографические карты и планы, создаются государственными топографо-картографическими и кадастровыми службами и другими ведомствами многих государств, покрывая всю их территорию или отдельные регионы и охватывая большую часть топографического масштабного ряда. Обычно такие работы выполняются в рамках национальных программ внедрения средств автоматизации и цифрового картографирования в соответствующие отрасли и составляют основное содержание и цель автоматизированной картографии в целом. В ряде стран, например в Великобритании, такие программы считаются завершенными.
В отличие от цифровых, электронные карты (ЭК) представляют собой картографические изображения в полном смысле этого слова. Собственно процесс аналого-цифрового преобразования данных — это сложная комплексная процедура, состоящая из трех крупных блоков: • цифрование; • обеспечение качества оцифрованных материалов и создание цифровых картографических основ; • интеграция разнородных цифровых материалов.
16. Цифрование исходных картографических материалов. Под цифрованием будем понимать процесс перевода исходных (аналоговых) картографических материалов в цифровую форму.
С помощью дигитайзерного ввода основная масса ЦК создавалась до середины 90-х годов XX в., затем дигитайзеры уступили место цифрованию по растру. В настоящее время при создании ЦК дигитайзеры имеют очень ограниченную область использования.
При дигитайзерном вводе основной объем работ по вводу цифровых карт выполнялся оператором в ручном режиме, т.е. для ввода объекта оператор наводил курсор на каждую выбранную точку и нажимал специальную кнопку. Существовал также полуавтоматический режим ввода, когда фиксировалась пара координат X, Y через заданный интервал времени или через определенное расстояние. Полуавтоматический режим, возможно, экономит время, но зачастую приводит к существенной потере точности, поэтому далее будет рассмотрен только ручной режим. Точность ввода при цифровании в огромной степени зависит от квалификации оператора. Если при создании традиционных карт пером (рапидографом, гравировальной тележкой или иным ручным инструментом) очень сложно прорисовывать линии и передавать форму объектов, то что говорить о цифровании, где непрерывную кривую надо аппроксимировать отрезками без потери формы. Большое влияние оказывают и индивидуальные качества оператора. Например, если точность обвода линии или цифрования точки при многократном повторении у одного оператора колеблется незначительно, то у разных операторов показатели сильно разнятся (отклонения при цифровании одинаковых точек разными операторами могут достигать 0,3-0,4 мм).
При векторизации растра субъективные факторы влияют меньше чем при дигитайзерном вводе, так как растровая подложка позволяет все время корректировать ввод. Программы векторизации растровых изображений условно можно разделить на три группы: ориентированные на ручную векторизацию, полуавтоматическую и автоматическую.
Алгоритмы автоматической векторизации для ввода картографической информации на данный момент в массовом порядке не используются.
Полуавтоматическая векторизация дает хорошие результаты при цифровании четких контуров на растре хорошего качества, например при использовании расчлененных оригиналов рельефа на пластике.
Лучшие результаты у опытного оператора получаются при ручной векторизации, так как при полуавтоматической векторизации на передачу формы влияет качество растра и при «изрезанных» краях растровой линии начинают появляться изгибы проводимой векторной линии, которые вызваны не общей формой линии, а локальными нарушениями растра. Оператор же в таких и подобных случаях форму объекта передает более точно, ориентируясь на дополнительные материалы (источник получения растра) и анализируя ситуацию. Нужно отметить, что при векторизации растра качество вводимых данных значительно выше, чем при цифровании дигитайзером и в основном зависит от характеристик исходного растра.
17. Под качеством цифровых карт понимается совокупность свойств цифровых карт, обуславливающих ее пригодность удовлетворять установленные и предложенные потребности в соответствии с ее названием.
Критерии качества цифровых карт:
1) информативность; 2) полнота передачи содержания;
3) корректная внутренняя структура; 4) точность.
Проверка качества цифровых карт при приемке оцифрованного материала – это процесс долгий и трудоемкий. Этапы и составляющие полной проверки качества цифровых карт: в качестве предварительного просмотра цифровых карт пользователь может сделать следующие выводы, например, если массово не выполняется какое-то условие (нет полной замкнутости полигонов), это говорит о принципиальных недостатках технологии и о неспособности фирмы на данном этапе заниматься производством цифровых карт на ГИС, т.к. устранение подобных недостатков требует большого количества времени и условий. Локальные нарушения говорят о потенциальной возможности технологической линии производить качественные цифровые карты. Для выдачи предварительного заключения по качеству цифровой карты с количественными оценками может использоваться даже часть материала. Заказчик цифровой карты должен иметь в виду, что большая часть ошибок проявляется уже на первых этапах создания цифровых карт. Переделка и доводка цифровых карт сложное и трудоемкое занятие. Лучше предоставить эти работы производителю.
18. Электронная карта — картографическое изображение, сгенерированное на основе данных цифровых карт и визуализированное на видеомониторе компьютера или видеоэкране др. устройства (например, спутникового навигатора).
Являясь средством оперативного контроля, каждая конкретная электронная карта существует лишь в определённый момент времени, как правило непродолжительный, пока видна на устройстве отображения. В этом их главное отличие от прочих визуальных картографических материалов, визуализируемых на твёрдой подложке (бумага, пластик) средствами графического вывода (например, принтерами).
Это значение лучше всего согласуется с самим словом «электронная», то есть получаемая посредством движения электронов, что и происходит в работающем электронном устройстве.
Электронная карта – цифровая картографическая модель; визуализированная или подготовленная к визуализации на экране средства отображения информации в специальной системе условных знаков, содержание которой соответствует содержанию карты определенного вида и масштаба. При этом, система условных знаков электронной карты включает в себя и специальные шрифты, а классификация электронных карт соответствует общей классификации карт, например: электронная топографическая карта, электронная геологическая карта, электронная кадастровая карта и другие.
Условные знаки, используемые на электронных картах, имеют свои особенности по сравнению с традиционными бумажными картами или компьютерными картами (карты на твёрдой подложке, подготовленные с помощью компьютерных технологий, например ГИС). Это обусловлено с одно стороны низкой разрешающей способностью современных устройств видеоотображения, по сравнению с технологиями печати на твёрдой подложке, а с другой – более широкими графическими возможностями в области анимации.
Ограничение разрешающей способности видеоэкранов вызывает необходимость упрощать условные знаки (использовать графические образы с меньшим количеством деталей), а отсутствие необходимости иметь статичное изображение карты позволяет применять анимацию (например, мигание) для подсветки отдельных объектов.
Однако, различные источники часто дают различные толкования. В таких толкованиях в понятие «электронные карты» могут ошибочно включать цифровые карты и, даже, программное обеспечение (ПО), необходимое для работы. ЭК могут также называть компьютерные файлы, содержащие картографическое изображение в растровом, векторном или гибридном (растрово-векторном) формате, визуализируемое на основе данных и правил, содержащихся в файле.
Известно также определение, где определение электронной карты смешивается со значением термина «цифровая карта» (являющейся, фактически, моделью или БД).
