Способы представления и организации данных в ГИС. Векторные и растровые данные.Достоинства и недостатки

Экзаменационный билет № 1

1. Общая технологическая блок-схема создания тематических карт природных (земельных) ресурсов. Место и роль географических информационных
систем (ГИС).

Комплекс работ по созданию земельно-ресурсных (в том числе и земельно-кадастровых) карт осуществляется по определенной технологической схеме.

 

1. Подготовительные работы.

Подготовительные работы, как правило, заключаются в следующем:

· Подготовка административной базы. Подготовка административной базы включает разработку и осуществление ряда совместных с администрацией мероприятий, а именно: подготовка распоряжения главы местной администрации о проведении работ по инвентаризации земель в городе (районе); оповещение в местной печати и по радио о проведении работ по инвентаризации земель; формирование временной комиссии по инвентаризации земель при местной администрации.

· сбор, обработка и систематизация архивной информации;

· сбор и анализ данных кадастрового зонирования;

· подготовка списков субъектов права и землепользователей;

· отражение собранной информации на материалах дешифрирования.

2. Аэрофотосъемка Аэрофотосъемку выполняют, как правило, аналоговыми аэрофотоаппаратами, в результате чего получают негативы, с которых контактным или проекционным способами изготавливают фотоотпечатки на бумаге или диапозитивы на прозрачных недеформирующихся пленках. В последние годы на рынке появились так называемые цифровые аэрофотокамеры, при помощи которых возможно получить непосредственно в процессе фотографирования цифровое фотоизображение местности и передать его для последующей обработки в компьютер, минуя стадию не только фотохимической обработки, но и стадию сканирования, т.е. преобразования фотоизображения в цифровой вид. Они работают как обычные фотокамеры, но вместо пленки в них используется светочувствительный элемент, преобразующий изображение в электрические сигналы. После кодирования сигналов они запоминаются в памяти камеры, откуда их можно в любое время переписать на компьютер. Далее можно обработать фотоснимки с помощью графических редакторов и распечатать их на принтере. Имея качественную фотокамеру, можноотказаться от использования сканера и копировального устройства.

В настоящее время ввод аналоговых фотоизображений осуществляется преимущественно сканированием фотоматериалов, в качестве которых используются как отдельные негативы или диапозитивы, так и рулонные аэрофильмы. Сканеры для обработки аэрофото- и космических снимков достаточно дороги. К ним предъявляются очень высокие требования: разрешение до 10 мкм, точность 2-3 мкм (0,02-0,03 мм), формат 24 х 24 см. При этом следует учитывать, что в некоторых сканерах используется разное разрешение по горизонтали и по вертикали. Широко распространенные сканеры Hewlett Packard достаточно надежны и просты в использовании. Из дешевых сканеров следует отметить устройства, производимые фирмой Mustek.

Наилучшими на сегодняшний день точностными характеристиками обладает Фотоскан-2001 (например, инструментальная средняя квадратическая ошибка составляет величину 2 мкм). Photoskan-2001 — последняя модель фотограмметрического сканера корпорации Z/I (корпорация Z/I образовалась от слияния двух мощнейших фирм Zeiss (Германия) и Intergraph (США)).

3. Планово-высотная подготовка материалов аэрофотосъемки.

Это геодезические работы, выполняемые с целью определения планово-высотных координат некоторых наземных точек (опознаков), которые при дальнейшей фотограмметрической обработке используются для «привязки» всех фотоматериалов к местности. Именно планово-высотные данные, полученные на этом этапе, задают требуемую систему координат и проекцию, в которой в дальнейшем будут созданы планы и карты.

Планово-высотная подготовка опознаков и совмещенных с ними точек границ территории преимущественно выполняется GPS -методами, прокладкой теодолитных ходов с использованием электронных тахеометров или иными имеющимися средствами, предусмотренными действующими инструкциями по топографической съемке.

В настоящее время для определения геодезических координат широкое применение получила система спутникового позиционирования (GPS — аппаратура). Ее использование позволило существенным образом упростить геодезический процесс, получая координаты опознаков с требуемой точностью, но значительно быстрее, чем при использовании традиционных геодезических приборов (теодолитов, электронных дальномеров, тахеометров и т.п.).

4. Фотограмметрическая обработка материалов аэрофотосъемки.

· подготовительные работы:

· сканирование аэрофотоснимков;

· создание фотограмметрического проекта;

· фотограмметрическое сгущение сети опорных точек способом фототриангуляции. Это аналитическая фототриангуляция — способ определения по опорным точкам координат других точек местности фотограмметрическими методами. В результате получают не только искомые координаты точек местности, но и так называемые элементы внешнего ориентирования модели, которые позволяют определить пространственное положение стереомодели в момент фотографирования. В последнее время элементы внешнего ориентирования стали определять непосредственно во время аэрофотосъемки, используя уже упоминавшиеся выше GPS-приемники.

· создание цифровой модели рельефа (ЦМР) для целей ортотрансформирования снимков;

· ортотрансформирование снимков и монтаж ортофотопланов;

· стереоскопическая съемка контуров объектов — векторизация (цифрование) объектов по стереомодели или цифровая стереофотограмметрическая обработка с одновременным дешифрированием этих объектов и представлением их в принятых условных обозначениях. Этот этап также относится к фотограмметрическим работам, однако в некоторых технологических схемах он выделяется в камеральные фотограмметрические и картосоставительские работы.

5. Полевое обследование и дешифрирование аэрофотоснимков.

Полевое обследование и полевое дешифрирование заключается в определении сложившихся (фактических) границ земельных участков, нанесение их на ортофотоплан или увеличенный аэрофотоснимок. При необходимости используются инструментальные методы привязки поворотных точек границ участков, удовлетворяющие требованию к точности отображения границы на карте. Кроме того, дешифрированию подлежат все объекты кадастрового картографирования, образующие содержание кадастровых карт и планов. Полевое обследование земельных участков также включает в себя сбор всех необходимых сведений о земельных участках и субъектах права на них, предусмотренных в инвентаризационных документах (картах) или в техническом проекте. Если полевое обследование выполняется после камерального дешифрирования и съемки контуров объектов, то в ходе обследования проверяются и уточняются результаты камерального дешифрирования.

6. Камеральные фотограмметрические и картосоставительские работы.

К камеральным фотограмметрическим и картосоставительским работам относятся:

· весь комплекс технологических процессов, связанных с получением векторной модели контуров объектов тем или иным способом

· последующая обработка этих векторных моделей и другой картографической информации с целью получения конечной продукции: цифровой кадастровой карты (плана) и карты в традиционной форме, отпечатанной в условных знаках на бумаге.

Если создание кадастровой карты непосредственно связано с проведением инвентаризации земель территории, то в результате этих работ также создаются, как правило, и другие выходные документы, основанные на использовании цифровой карты, например, экспликации земель, списки земельных участков с их фактическими площадями и площадями по документам.

Важно отметить, что именно обработка векторных моделей контуров и прочей картографической информации и подготовка выходной продукции является главным процессом, в котором применяются ГИС-технологии и соответствующие ГИС. Этот процесс очень часто недооценивается исполнителями работ, как по своей важности, так и по трудоемкости, что зачастую приводит к выпуску под видом цифровой карты некой продукции, не вполне соответствующей этому понятию и не отвечающей всем требованиям, сформулированным выше.

Весь комплекс работ (все перечисленные процессы по созданию земельно-ресурсных (в том числе и земельно-кадастровых) карт) можно представить в виде обобщенной блок-схемы.

В этой блок-схеме отчетливо просматриваются несколько отдельных крупных блоков (подсистем), основными из которых являются:

· фотограмметрическая подсистема, при помощи которой осуществляется ввод и преобразование полутоновых цветных или черно-белых фотоматериалов в цифровой вид, их последующая обработка и выдача конечной продукции в виде ортофотопланов (полутоновые изображения участка местности в ортогональной проекции) или штриховых кадастровых планов;

· подсистема цифрования ортофотопланов и карт, при помощи которой преобразуются в цифровой вид уже имеющиеся планы и карты;

подсистема цифровой обработки, хранения и отображения картографической информации, которая служит для создания цифровой модели местности (ЦММ), путем преобразования растровых изображений в векторную форму, формирования тематических слоев, создания специальных хранилищ информации (баз данных) и электронных карт, выдачи готовой продукции в виде цветных земельно-кадастровых и других тематических карт.

 

Как видно из приведенной блок-схемы, центральным ядром общей технологической схемы является подсистема цифровой обработки, хранения и отображения графической информации. Именно в этой подсистеме, а также в подсистеме цифрования..., применяются ГИС-технологии, о чем уже говорилось выше.

 

2. Технические средства ввода данных.

Для кодировки данных и, прежде всего, аналого-цифрового преобразования картографических материалов используют средства цифрования (т.н. цифрователи).

Начиная с ранних этапов развития ГИС, цифрователи были 2-х основных видов:

полуавтоматические (дигитайзеры), с ручным обводом и автоматической регистрацией координат на носитель данных (магнитная лента, дискета, оптический диск и т.д.);

автоматические, фиксирующие элементы рисунка построчно при перемещении сканерного луча (сканеры или сканирующие устройства).

Технологии ввода данных, основанные на применении этих устройств, являются альтернативными и конкурентными.

Раньше ввод информации совершался при помощи дигитайзеров сразу в векторном виде. Сейчас, когда сканеры получили большое распространение, ввод информации, как правило, происходит при помощи сканера (растровый формат), а затем, на экране монитора производится векторизация.

Дигитайзер состоит из плоского стола и съемника информации. Большеформатные столы могут крепиться на подставках. Рабочее поле стола может быть выполнено из прозрачного материала и иметь подсветку. Съемники бывают 2-х типов:

курсор — для высокоточного съема координат;

перо — для низкоточного.

Выбор зависит от задач, которые решаются.

Дигитайзеры различаются

размерами рабочего поля и общими габаритами, примерно соответствующими форматам от А4 до А0;

точностью, контролируемой погрешностями курсора;

точностью поля дигитайзера, его конструктивным разрешением, т.е. величиной минимального шага — инкремента (или дискрета). Минимальный шаг обычно находится в пределах сотых долей мм.

Малый дигитайзер иногда называют по-другому — «таблетка».

Цифровые камеры, снабженные объективами с изменяющимся фокусным расстоянием. Цифровые камеры оснащены CCD-матрицей, состоящей из 1,3 млн. элементов, которая обеспечивает захват изображения с разрешением 1343 x 972 точки. Это среднее разрешение, но есть гораздо выше. С помощью последовательного интерфейса осуществляется перекачка изображения в компьютер.

Сканеры — это устройства аналого-цифрового преобразования изображения для его автоматизированного ввода в компьютер в растровом формате с высоким разрешением (300 — 600 — 900 — 1200 и более dpi) путем сканирования оригинала в отраженном свете.

Сканеры бывают: планшетные, барабанные, роликовые и ручные.

Клавиатура — набор символов с клавиатуры.

Экзаменационный билет № 2

1. Подсистема хранения информации. Понятия о базах данных. Графическая и атрибутивная базы данных

Под БД понимается совокупность цифровых данных, представленных в виде, пригодном для обработки автоматическими средствами.

Основной характерной чертой базы данных является независимость организации и хранения данных от прикладных программ, в которых они используются. Эта независимость означает, что изменения данных не приводит к необходимости модифицировать прикладные программы и наоборот. Т.е. база данных в отличие от обычного файла ориентирована на интегрированные требования разных приложений (задач) а не на одну программу. База данных имеет следующие важные свойства:

· скорость доступа к информации;

· полная доступность к информации;

· гибкость;

· целостность данных.

Для решения проблемы управления базами данных были развиты две концепции:

1. система управления базами данных (СУБД),

2. администратор базы данных. Администратор базы данных — это лицо или целое подразделение, ответственное за общее состояние базы данных, функционирование средств управления базой данных и интерфейсов.

Создание БД и обращение к ним по запросу осуществляется с помощью СУБД.

СУБД — это комплекс программ и языковых средств, предназначенных для создания, ведения и использования БД. Базы данных в зависимости от способа организации данных и их структуры делятся на иерархические, сетевые и реляционные. Большинство современных коммерческих СУБД относятся к реляционному типу, то есть поддерживающему реляционные модели данных.

Реляционная база данных — это набор «плоских» (двумерных) таблиц (отношений — relation), которые состоят из экземпляров записей одинаковой структуры — кортежей, содержащих элементарные данные — атрибуты, образующие столбцы — домены.

Реляционную модель данных можно наглядно представить в виде прямоугольной таблицы, где для каждого объекта (О₁, О₂,... О_n) в столбцах приводятся их характеристики, которые обычно называются атрибутами (А₁, А₂,... А_n).

Связи между отношениями обеспечиваются перекрывающимися (общими) столбцами.

Структура базы данных в общем случае специфична для каждого конкретного проекта. В каждом конкретном случае в результате анализа задач определяется, какие необходимы таблицы, какие они должны содержать строки, какими столбцами перекрываться между собой.

При использовании ГИС в картографии, в реляционных БД содержатся два типа данных: графические и атрибутивные (или семантические).

В графической базе данных хранится так называемая графическая или метрическая основа карты в цифровом виде. Атрибутивная база данных содержит в себе определенную смысловую нагрузку карты и дополнительные сведения, которые относятся к пространственным данным, но не могут быть прямо нанесены на карту — это описание территории или информация, описывающая качественные характеристики объектов (атрибуты). Таблица, содержащая атрибуты объектов, называется таблицей атрибутов.

Картографическая атрибутивная (семантическая) информация — информация в цифровом или текстово-графическом виде о количественных и качественных характеристиках объектов или явлений.

СУБД поддерживают следующие операции:

ввод данных, хранение данных, манипулирование (добавление, удаление) данными, обработка запросов, поиск, выборка, сортировка, обновление, сохранение целостности, защита данных от несанкционированного доступа или потери.

Если непосредственно обратиться к таблице реляционных данных, то допустимы следующие операции, то допустимы следующие операции.

Применительно к колонкам: добавить новую (add item); удалить (drop item).

Применительно к записям: добавить (add); отсортировать по одному из правил сортировки (sort); выбрать по логическим условиям (reselect).

Применительно к отдельным элементам: изменить содержание элемента (update).

Применительно к таблице в целом: выбрать нужную таблицу в БД (select); сохранить таблицу (save); уничтожить (erase).

Это в ArcInfo.

Доступ ко многим БД осуществляется с помощью специального языка структурированных запросов SQL (Structured Query Language), или шаблону QBE (Query By Example). Большинство программных средств ГИС имеют свои СУБД. В то же время существуют автономные, коммерческие СУБД: dBase, FoxBASE, Informix, Ingress, Oracle, Sybase. Наиболее распространены dBase и Oracle. Информация из автономных БД может импортироваться в большинство коммерческих ГИС.

Операции реструктуризации базы данных поддерживаются далеко не везде. Так, в известном продукте ArcView после того, как база создана, нельзя даже переназначить имена полей — пользователю остается только задать вместо истинных имен полей псевдонимы или «спрятать» от пользователя отдельные поля в таблице. При этом никаких изменений в самой БД реально не происходит.

В ГИС MapInfo еще на этапе цифрования, как только указаны координаты какой-либо точки, система автоматически создает скрытую от пользователя запись, в которой содержатся, по крайней мере, два поля: идентификатор и координаты этой точки. При сохранении этих данных система создает таблицу, в которой в дальнейшем будут храниться различные графические объекты и атрибутивные данные.

При работе с ГИС MapInfo вносить изменения в структуру таблиц можно непосредственно во время работы: добавлять и удалять поля, изменять их порядок и названия, тип и размер любого поля.

Способы представления и организации данных в ГИС. Векторные и растровые данные.Достоинства и недостатки.

Различают следующие способы представления пространственных данных (т.е. способы цифрового описания пространственных объектов):

1. векторное представление;

2. растровое представление;

3. регулярно-ячеистое представление;

4. квадротомическое представление (квадродерево).

1. Векторное представление данных (векторная модель данных) — это цифровое представление точечных, линейных и полигональных пространственных объектов в виде набора координатных пар с описанием только геометрии объектов.

Векторное представление исторически связано с устройствами цифрования карт векторного типа — дигитайзерами с ручным обводом.

· Точечные объекты в векторном формате представляются в виде последовательности записей, каждая из которых содержит три записи (числа):

- уникальный идентификационный номер;

- значение координаты X;

- значение координаты Y.

· Линейные объекты в векторном формате представляются в виде следующей записи, содержащей:

- идентификатор (ID N) линии, отрезка;

- координатных пар точек;

- специального элемента («метки»), позволяющего отделить один отрезок от другого в файле данных.

Такая модель представления линейных объектов носит название «спагетти» (поскольку она не описывает топологию линейных объектов).

Следует выделить две основные разновидности векторной формы цифровой карты, которые во многом определяют общую логическую организацию данных.

Векторная не топологическая модель — это разновидность векторной формы цифровой карты, в которой метрическая информация описывает только положение и форму отдельных объектов без учета топологических отношений между ними.

В этой модели метрическая информация идентифицируется только на уровне целого объекта; части контуров объектов и связанные с ними узлы не выделяются и не идентифицируется. Это значит что положение и форма каждого объекта совершенно независимо от других объектов описывается своим набором координат точек контура (ось линейного объекта или замкнутая линия для площадного объекта) При этом те части контуров объектов, которые являются по своей природе общими для двух и более объектов (например, граница двух земельных участков) будут представлены в составе метрической информации дважды или более раз. Такую модель также называют последовательной объектно-ориентированной ( и, как было упомянуто выше, — "спагетти").

Модель, которая описывает не только геометрию, но и топологию объектов (т.е. отношение между полигонами, дугами и узлами) называется векторно-топологической.

В этом представлении все контуры объектов, т.е. все линии как разомкнутые, так и замкнутые делятся на контурные элементы (дуги, цепочки). Это разбиение на дуги или цепочки производится по признаку общности этих контурных элементов для двух или более объектов. Начало и конец дуг являются узлами. Описание всего контура объекта строится в общем случае путем ссылок на контурные элементы (дуги) общие для нескольких объектов. Такую модель векторной цифровой карты называют также цепочно-узловой, линейно-узловой.

 

 

- узлы — 1,2,4;

- промежуточные точки — 3,5,6;

дуги — 1-2, 2-4, 4-2, 4-1;

полигоны — А, Б, В, Г, Д.

 

 

2. Растровое представление данных (растровая модель) — это цифровое представление пространственных объектов в виде совокупности одинаковых по размеру ячеек растра (пикселей) с присвоенными им значениями класса объектов.

3. Регулярно-ячеистая — это цифровое представление пространственных объектов в виде совокупности ячеек регулярной сети с присвоенными им значениями класса объектов.

Другими словами, для регулярно-ячеистого представления пространственных объектов территория разбивается на ячейки правильной геометрической формы (прямоугольной, квадратной, треугольной, гексагональной, трапециевидной и т.д.).

Размер ячеек может быть различным и определяется требуемым пространственным разрешением.

4. Квадротомическое представление (квадродерево) — это способ представления пространственных объектов в виде иерархической древовидной структуры, основанной на декомпозиции пространства на квадратные участки, каждый из которых делится на четыре вложенных до достижения некоторого уровня (обычно до размера точки растра).

За счет квадротомического представления пространственных данных достигается значительная экономия объемов памяти, требуемых для хранения растровых данных. И, что еще более важно, сокращается время доступа к элементам описания пространственных данных.

Аналогичные древовидные структуры — трихотомическое дерево (на треугольнике);

могут строиться также на множестве треугольных элементов модели типа TIN.

5. Модель TIN предназначена для представления поверхности (например, — поверхность рельефа местности). Это — нерегулярная сеть точек, соединенных между собой отрезками, образующими множество треугольников гранями.

Каждый треугольник можно пронумеровать, точки — тоже. Описывается следующим образом:

 

Принципы организации данных в ГИС.

Базовыми принципами организации пространственных данных в ГИС являются:

1. Принцип послойной организации информации заключается в том, что данные об объектах одного тематического содержания собираются и хранятся в одном файле или одной директории, т.е. в одном тематическом слое.

Под слоем в данном случае понимается некоторая совокупность данных, объединенных по тематическому признаку. В каждой конкретной ГИС это реализовано по-своему и вкладывается в это понятие специфический смысл, но служит это цели более удобного и быстрого отбора информации только интересующей тематики или содержания. Так, например, в отдельный слой может быть информация о подземных коммуникациях, о рельефе. Разбиение на слои может осуществляться исходя из иных соображений, например, по признаку топологической независимости одной группы объектов от другой, с целью облегчения обработки информации. В каждом конкретном случае исполнитель решает эту задачу в зависимости от конкретных условий.

В растровых моделях всегда используется послойный принцип организации.

2. Объектно-ориентированный принцип организации данных заключается в том, что хранение данных об объекте одной тематической группы осуществляется в соответствии с их иерархической структурой соподчиненности. Другими словами, в соответствии с их положением, принятым в классификации.

Организацию данных в ГИС можно также рассматривать с точки зрения связи пространственных данных с атрибутивными. Здесь возможны два основных случая:

1. Пространственные и атрибутивные данные целиком отделены друг от друга (т.е. хранятся в разных файлах). Пользователи в этом случае вынуждены иметь дело с двумя системами — графической и СУБД. Примером является программный ГИС-продукт MGE, где метрическая информация хранится в так называемом дизайн-файле или графическом файле DGN (формат Micro Station), а атрибутивная и прочая информация хранится в таблицах БД под управлением СУБД ORACLE (другой пример — AutoCAD и dBase). Такая модель называется смешанной или гибридной.

2. Пространственные и атрибутивные данные целиком совмещены. В этом варианте, именуемом интегрированной моделью, всяинформация, как метрическая, так и семантическая и проч. хранится в таблицах реляционной базы данных под управлением СУБД. Однако следует иметь в виду, что обычные реляционные СУБД не очень подходят для работы с пространственными данными. Примером такой ГИС является GeoMedia.

Растровые данные: +: информ. Имеет «сплошной» характер, изображение реалистичное; -: большой объем памяти ПК, невозможность обработки изображения;

Векторные данные: +:малый объем памяти, возможность масштабирования и последующего анализа; -: «условность» изображения;

Экзаменационный билет № 3