Автоматизоване введення даних

Сканування - є одним з основних видів перетворення зображень з паперових (плівкових та ін.) типів носіїв у різні формати електронних зображень. Сам термін «сканування» означає, що площина вихідного зображення проглядається послідовно по смугах, кожна смуга, у свою чергу, поділяється на окремі елементи. Відбите оптичне електромагнітне випромінювання кожного елемента зображення реєструється світлочутливим датчиком, при цьому відбувається осереднення колірних і яскравих характеристик (елемент зображення тепер може вважатися пікселем); залежно від поточних настроювань сканера пікселу присвоюється певний код у бітовому, сіро-кольоровому або RGB-форматах, після чого інформація про порядкове положення і колір піксела записується в растровий графічний файл.

Векторизування - скановані растрові картографічні матеріали використовуються для створення векторних цифрових карт. При гарній якості вихідних карт (гарне розрізнення ліній і контурів, відсутність фону і забруднень, чітка передача кольору) можуть використовуватися системи розпізнавання графічних образів і автоматичного промальовування їхніх контурів. Процедури розпізнавання растра і промальовування векторних графічних примітивів позначаються терміном векторизування. Векторизування може бути ручним і напівавтоматичним. Напівавтоматичне векторизування в основному застосовується для лінійних даних, точкові об'єкти вводяться в ручному режимі, полігональні об'єкти також замикаються в ручному режимі.

Геокодування — метод і процес позиціонування просторових об'єктів відносно деякої координатної системи і їхніх атрибутів. Для геокодування необхідні табличний набір координатних даних — широта і довгота, координати X і У, вулична адреса, файл просторової бази даних, у координатах якої буде здійснюватися пошук місця розташування точки, а також установлення в ці координати точкового об'єкта з заданими атрибутами.

2. Апаратне дигітизування

При апаратному дигітизуванні з використанням спеціального пристрою — дигітайзера — застосовуються оригінальні паперові або пластикові картографічні матеріали високої якості. До складу багатьох програмних ГІС-пакетів входять спеціальні модулі для настроювання і керування роботою різних моделей дигітайзерів.

Аркуш карти, що цифрується, закріплюється на поверхні планшета дигітайзера за допомогою притискних планок або прозорого листа пластику. На початку роботи виконується процедура визначення координат — на карті вказуються чотири і більше контрольних точок, клавіатурним способом вводяться їхні координати, визначається похибка визначення системи координат. Можуть також зазначатися крайні кутові координати області дигітизування для зменшення обсягу просторових розрахунків.

3. Екранне дигітизування

При екранному дигітизуванні вхідний попередньо сканований і просторово прив'язаний картографічний матеріал знаходиться на задньому плані екрана. На нього накладаються один чи кілька похідних шарів, у межах яких, візуально порівнюючи з контурами оригінальних об'єктів на шарі-підкладці, виконують обведення об'єктів-копій.

4. Автозахоплення і автотрасування

Багато завдань просторового і мережного аналізу вимагають, щоб просторові об'єкти, що беруть участь у розрахунках, не мали перетинів чи розривів, межі сусідніх об'єктів точно прилягали один до одного, об'єкт на одному шарі точно повторював контури об'єкта на іншому та ін. При цифруванні суміжної границі з використанням нетопологічної моделі (див. розділ 3) кожна границя вводиться окремо для кожного об'єкта. Таким чином, на границі є дві лінії, що можуть утворювати розриви або заступи на територію сусіднього об'єкта. Для створення топологічно коректної границі суміжних об'єктів (наприклад, доріг і адміністративних меж, адміністративних меж і рік) або стикування двох ліній (двох ділянок дороги, припливу й основного русла ріки) використовуються два інструменти — автозахоплення і автотрасування.

5. Редагування існуючих картографічних об'єктів

У процесі введення об'єктів може виявитися розбіжність границь (контурів) об'єктів на карті-підкладці й цифрованих векторних об'єктів. Для виправлення таких помилок передбачений інструмент ручного редагування форми об'єкта, при включенні якого користувач має доступ до кожної опорної точки на границі об'єкта, можливість переміщати точки, створювати нові чи видаляти зайві.

6. Введення і редагування з використанням існуючих графічних об'єктів

У практиці створення і редагування цифрових карт часто зустрічаються ситуації, коли нові об'єкти наносяться з урахуванням місця розташування вже існуючих об'єктів на цьому ж або на інших картографічних шарах. Один або кілька об'єктів, місце розташування або контури яких беруться за еталонні, є основою для розрахунку місця розміщення знову створюваних об'єктів. Наприклад, місце розташування точкового об'єкта щодо базової точки може бути визначене указаниям кута відхилення і відстані (рис. 5.9а). Цей метод широко застосовується для нанесення на цифрову карту даних польових вимірів, виконаних за допомогою різних кутовимірних інструментів.

Групове редагування

Методи групового редагування можуть застосовуватися до картографічних шарів у цілому. Для обрізання області шару під заданий контур (наприклад, створення бази даних дрібнішої адміністративної одиниці на основі більшої) використовується метод поділу на частини на основі шаблона з видаленням зовнішньої частини бази даних. В іншому випадку необхідне об'єднання двох і більше полігональних шарів в одній базі даних (наприклад, шару ґрунтів і шару землекористування на якусь територію).

8. Контроль якості створення цифрових карт

Якість є одним з основних керованих параметрів процесу створення цифрових карт поряд з їхнім складом, вартістю, інформаційними ресурсами

 

17.Застосування в ГІС даних аерокосмічного знімання.

Методи дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) базуються на реєстрації і подальшій інтерпретації відбитої сонячної радіації від поверхні ґрунту, рослинності, води та інших об'єктів. Винос пристроїв, що реєструють, у повітряний або навколоземний простір дозволяє одержати значно більш широке охоплення території порівняно з наземними методами досліджень. При дистанційному зондуванні значний вплив на якість і застосовність одержуваних даних чинять спектральний діапазон зйомки, просторова точність, радіометрична точність, просторове охоплення, оперативність і повторюваність зйомки, вартість даних.

Фіксування випромінювання виконується як з використанням хімічних фотографічних методів, так і електронних фоточутливих елементів. У першому випадку зображення поверхні Землі фіксується на фотоплівці, що вимагає доставки її на поверхню Землі, проявлення і друку знімків. Для наступного сеансу зйомки необхідний запуск нового космічного апарата, тому в наш час ця технологія практично не використовується на автоматичних супутниках (в основному на населених орбітальних станціях і кораблях). Основний обсяг даних ДЗЗ виробляється за допомогою електронних приладів, що фотореєструють відбиту сонячну радіацію так званих приладів із зарядовим зв'язком — ПЗЗ. Ці прилади дозволяють реєструвати різні діапазони хвиль відбитої сонячної радіації як у видимій, так і в ультрафіолетовій та інфрачервоній спектральних зонах.

На основі таких елементів створюються електронні скануючі пристрої, що можуть установлюватися на різних космічних апаратах, призначених для зйомки атмосфери, океану і поверхні суші. При встановленні радіолокаційних систем такі супутники можуть визначати висоту і довжину хвиль, рівень водної поверхні, розливи нафтопродуктів на поверхні води. З природно-ресурсних супутників ведуться спостереження за кольором і щільністю рослинного покриву, кольором і текстурою ґрунтів, кольором води, температурою земної поверхні. З космосу здійснюється високоточна зйомка для топографічного картографування, радіолокаційна зйомка рельєфу і вологості поверхневого шару ґрунту. Зйомка ведеться безупинно згідно з маршрутом прольоту супутника, дані постійно передаються на наземні станції.

На наземних станціях виконується обробка інформації, що надходить: здійснюються геометрична корекція (усуваються кутові перекручування крайових зон, лінійні перекручування уздовж лінії зйомки і т.ін.); радіометрична корекція (усуваються перешкоди, що виникають при зйомці, передачі і прийомі даних, атмосферні перешкоди, вирівнюється освітленість); нарізка на ділянки визначеного розміру, прив'язування до системи координат і т.ін. Такі матеріали можуть передаватися замовнику протягом тижня після зйомки. Багато комерційних систем можуть проводити зйомку визначеної ділянки, для чого змінюється кут нахилу знімальної камери або орбіта супутника. У центрах обробки інформації накопичені великі архіви цифрових даних.

У наш час діють кілька комерційних систем дистанційного зондування, дані яких активно поширюються і на Україні. Досить поширені дані американської системи Landsat (рис. 5.3), французької SPOT, індійської Irs, російської «Ресурс». Дані високої просторової точності пропонуються знімальними системами Iconos і QuickBird (США).

Додаткова обробка й аналіз даних ДЗЗ (виділення і порівняння різних спектральних діапазонів, сполучення знімків з різним просторовим дозволом, класифікація і виділення зон з визначеними характеристиками) виконуються за допомогою спеціального програмного забезпечення. Найбільш відомими програмними пакетами обробки даних ДЗЗ є ERDAS IMAGINE (США) і ErMapper (Австралія).

 

18. Методика побудови моделі поверхні та аналіз поверхонь в ГІС (визначення ухилу, азимуту та експозиції схилу, форми, взаємної видимості).

Моделювання – одне з найрозповсюдженіший понять у науці. Спочатку словом «модель» позначали зменшену копію, а в подальшому під моделлю стали розуміти будь-який образ будь-якого об’єкта, процесу чи явища, у якості його «замінника», «представника», що описує його особливості та властивості.

Процедура моделювання властивостей об’єктів у ГІС реалізовується програмними засобами, тобто її виконання є однією з функцій програмного комплексу ГІС.

Моделювання об’єктів середовища та їх властивостей визначається як клас моделювання просторово-часових даних, організованих так, що кожний графічний об’єкт пов'язаний з однією чи декількома таблицями бази даних. Перетворення об’єкта веде за собою перетворення табличних даних, і навпаки, зміна даних у таблиці міняє характеристики об’єкта. Об’єктами моделювання є об’єкти середовища і об’єкти бази даних ГІС, «географічність» яких визначається їх позиційною прив’язкою до точок референц-еліпсоїда. (а не лише до карти).

При моделюванні об’єктів середовища у ГІС необхідно виділяти об’єкт чи об’єкти моделювання серед великої кількості інших об’єктів, що не приймають участь у процесі моделювання. Ця процедура називається активізацією об’єкта. Разом з тим під час моделювання застосовують спеціальний об’єкт S, що виконує роль шаблона (маски). Якщо позначити активізований об’єкт через А, а об’єкт,що створюється чи моделюється із змінюваного об’єкта через М, то загальну процедуру моделювання властивостей середовища у ГІС можна описати відношенням А*S → М, де * - символ відношення, а → - імплікація, тобто бінарна логічна зв’язка, яку можна охарактеризувати схемою «посилання → наслідок».

При створенні нового об’єкта необхідно визначити його атрибути, тобто співставити йому таблицю з даними. Об’єкт може створюватися як методом укрупнення, так і на основі розбивки крупнішого об’єкта.

Існує декілька способів моделювання властивостей об’єктів середовища у ГІС. Наприклад, річки, що є природними об’єктами і використовуються для транспортування людей і вантажів, служать політичними і адміністративними кордонами, я важливими елементами форми земної поверхні, можна змоделювати кількома способами: 1) у виді набору ліній, що утворюють сітку. З кожним відрізком лінії пов'язаний напрям течії чи інші характеристики річки. Ця модель може використовуватись для аналізу річкового стоку чи руху суден; 2) у вигляді кордону між областями. Річка може розділяти адміністративні області чи бути бар’єром для природних явищ, наприклад, обмежувати область проживання тварин; 3) у виді площадного об’єкта, що детально описує берег, протоки і суднохідні ділянки річки; 4) у виді хвилястої лінії, що утворює улоговину і моделі рельєфу. «Пройшовши» по цій лінії можна отримати профіль річки та визначити можливість наводнення при заданому рівні атмосферних опадів.

Ні одна з моделей не є найкращою сама по собі; вибір найбільш придатної моделі визначається типом створюваної карти чи контекстом вирішуваних задач. На розглянутому прикладі зрозуміло, що у ГІС-технологій є широкі можливості для моделювання різноманітних характеристик об’єктів середовища з можливістю подальшого їх аналізу та прогнозування.

У геоінформаційних системах властивості об’єктів середовища моделюються за допомогою точок, ліній і полігонів. Точки представляють об’єкти, що не мають площі і довжини, тобто ті, які замалі для представлення з площею чи довжиною у даному масштабі карти. Ліній представляють об’єкти, що мають довжину, але не мають площі, тобто ті, які занадто вузькі для представлення з площею у даному масштабі карти. А полігони використовуються для представлення різноманітних областей, земельних одиниць, ділянок перепису населення та ін., тобто суцільні обширні по площі об’єкти.

Для якнайкращого моделювання властивостей об’єктів середовища у ГІС використовується кілька способів, наприклад: 1) дороги показуються лініями з різними стилями, кольорами, шириною з метою представити різні типи доріг та інші атрибути; 2) водні об’єкти показуються голубим кольором, що позначає воду; 3) для багатьох об’єктів використовуються спеціальні умовні знаки, наприклад, широко відомі позначення залізниць та аеропортів; 4) вулиці підписуються назвами, а будівлі номерами; 5) особливо помітні чи важливі будівлі позначаються назвами та функціональними характеристиками та ін.

Отже, у технологій ГІС є унікальна можливість моделювання властивостей об’єктів середовища. Оскільки ці технології з кожним днем розвиваються, то і дане моделювання в подальшому удосконалюватиметься і сприятиме вирішенню поставлених спеціалістами задач.

 

19.Зміст оверлейного аналізу в ГІС, накладання просторових даних у растровому та векторному форматах.

При представленні аналітичних можливостей ГІС серед інших звичайно називають і оверлейні операції, або оверлейний аналіз, хоча тлумачення цих термінів неоднозначне. Як правило, при цьому розуміють операції «накладення один на одного двох або більше шарів, в результаті якого утворюється графічна композиція, або графічний оверлей, вихідних шарів (graphic overlay) або один похідний шар, що містить композицію просторових об'єктів вихідних шарів; топологія цієї композиції і атрибути арифметично або логічно похідні від топології і значень атрибутів вихідних об'єктів в топологічному оверлеї (topological overlay)» (Баранов и др., 1997). Таким чином, до понять «оверлейні операції» і «оверлейний аналіз» в загальному випадку можуть бути віднесені будь-які операції, пов'язані з графічним або аналітичним «накладенням» двох або більше шарів даних.

У сумісних оверлейних операціях можуть використовуватися різні типи просторових об'єктів: точкові, лінійні і полігональні.

У разі оверлея двох прямих ліній для знаходження точки перетину двох ліній, що проходять через точку з відомими координатами, може використовуватися такий алгоритм (Core Curriculum..., 1991).

Рівняння прямої, як відомо, має вигляд:

a – вільний член; b –кутовий коефіцієнт

Спираючись на дві точки на прямій з координатами (х ', уг) і (х2; у2), кутовий коефіцієнт b може бути визначений виразом:

 

На практиці найчастіше спостерігаються випадки аналізу перетину складних ліній, що складаються з безлічі прямих сегментів. Вони також можуть бути оброблені простим алгоритмом, що перевіряє кожний сегмент в одній лінії проти кожного сегмента в іншій. Кількість роботи, яку необхідно виконати, пропорційна кількості сегментів (лі х п2). Обсяг непродуктивної роботи, спрямованої на аналіз сегментів, що явно не перетинаються, може бути значно скорочений за рахунок введення в алгоритм елементів евристичного аналізу.

Одним з таких методів є метод мінімально прилеглого прямокутника. Розміри такого прямокутника визначаються мінімумом і максимумом X і Y координат лінії. Якщо мінімально прилеглі прямокутники двох ліній не перетинаються, то і лінії не можуть перетнутися. Якщо вони перетинаються, то знаходяться мінімально прилеглі прямокутники для кожного сегмента лінії, щоб виділити ті, що мають нагоду перетнутися.

При оверлеї багатокутників, якими звичайно представлені полігони, використовується ряд інших алгоритмів, вибір яких залежить від типу операції. Вирізування вікна, побудова буфера навколо об'єкта, створення нової топологічної структури полігонів — основні цілі оверлейних операцій для багатокутників.

Рис. 7.7. Приклад оверлея двох полігональних шарів (а) і (б) з генерацією похідного картографічного шару (в) і пов'язаної з ним таблиці атрибутів (г)

Сучасні ГІС-пакети, що використовують оверлеї, передбачають можливість автоматичного видалення нестиковок у процесі роботи. Критерії для відбору полігонів, що видаляються в автоматичному режимі, можуть бути такі:

o розмір полігона, що генерується, менше заданої умови;

o форма полігона дуже вузька і витягнута;

o кількість дуг, що утворюють полігон, становить 2, що досить рідко спостерігається в реальних полігонів (звичайно 3-4 і більше);

має місце регулярне чергування дуг у ланцюжку суміжних полігонів.

20.Способи подання інформації за допомогою тематичних карт.

Картографічні матеріали.

Карти як джерело просторових даних для ГІС, як і раніше, зберігають свою актуальність. Хоча частина матеріалів, отриманих методами дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) і польової інструментальної зйомки, постійно зростає, на різних картах можна знайти різнобічну і відповідним чином формалізовану інформацію про багатьох реальних або виявлених різними методами просторових об'єктів.

Для просторового прив'язування і копіювання даних при побудові багатьох картографічних баз даних, включаючи тематичні карти і цифрові моделі рельєфу, використовуються топографічні карти — загальногеографічні карти універсального призначення, що докладно зображують місцевість. Топографічні карти поділяють на великомасштабні (1:50000 і більше), середньомасштабні (1:100000 — 1:500000, рис. 5.1) і дрібномасштабні, або оглядово-топографічні (дрібніше 1:500000). У кожній країні існує офіційно прийнята державна система картографічних проекцій, масштабів, розграфлення і номенклатури карт та умовних знаків для топографічних карт. Великомасштабні топографічні карти (1:50000, 1:25000 і 1:10000) створюються за матеріалами польових топографічних зйомок, а всі інші — складаються камерально за більш великомасштабними картами.

Одним із найважливіших елементів карт, що впливають на точність представлення об'єктів у просторі за координатами х, у, z, є координатна і висотна системи.

Для топографічних карт, створюваних у системі картографічних установ колишнього СРСР, а згодом і України, використовується координатна система Гаусса-Крюгера — система плоских прямокутних координат і рівнокутна картографічна проекція з тією самою назвою. У проекції Гаусса-Крюгера поверхня еліпсоїда на площині відображається по меридіанних зонах, ширина яких дорівнює 6° (для карт масштабів 1:500000-1:10000) і 3° (для карт масштабів 1:5000-1:2000). На аркушах топокарт відображається картографічна рамка як з географічними координатами (градуси/хвилини/секунди), так і топографічними координатами (метри відносно початку координат зони). З урахуванням перекручувань проекції, технології топографічної зйомки і додрукової підготовки листа карти, просторова похибка при відображенні будь-якого об'єкта на поліграфічному відбитку карти має не перевищувати 0,1 мм. Виходячи з цієї величини, можна визначити величину систематичної похибки і, відповідно, точність цифрової карти, побудованої на основі топокарти обраного масштабу. Для масштабу 1:200000 закладена похибка становитиме близько 20 м, для 1:100000 — 10 м, для 1:10000 — 1 м. Таким чином, для одержання підсумкової точності цифрової карти 1 м і нижче необхідно використовувати топокарти масштабу 1:10 000 або матеріали спеціальної топографічної зйомки.

Для визначення висотних координатних систем використовуються рефренц-еліпсоїди — геометричні моделі усередненої поверхні земної кулі. У різних країнах використовуються різні еліпсоїди і початкові точки відліку висот (для топокарт, що виробляються на Україні, використовуються еліпсоїд Красовського і Балтійська система висот), тому при використанні топокарт різних країн слід порівнювати висотні системи. Проблема розбіжностей висотних систем загострилася з початком масового застосування приймачів супутникового визначення координат і висот. Система GPS використовує Всесвітню висотну систему WGS-84 і для її спільного використання з даними національних топокарт необхідно вносити відповідні виправлення.

За топокартами можна визначити і безпосередньо цифрувати такі просторові об'єкти:

o систему координат (географічну чи топографічну);

o місце розташування і висоти пунктів опорної геодезичної мережі;

o оцінки висот рельєфу, контури і глибину ерозійних форм;

o місце розташування гідрографічних об'єктів, оцінки урізів води, глибин, ширини русла, швидкості і напрямку течії;

o назву населеного пункту, кількість будинків, тип і контури великих будівель, кар'єрів та ін.;

o тип покриття, ширину проїжджої частини й узбіччя для авто доріг, конструкцію, довжину і вантажопідйомність мостів, висоту (глибину) насипів і виїмок;

o контури лісових масивів або ділянок природної рослинності, тип деревних порід, висоту і густоту рослинності, ширину лісосмуг;

o місце розташування і тип елементів лінійної технічної інфраструктури (ЛЕП, трубопроводи).

Найбільш достовірним джерелом інформації про контури водних просторів, глибини і характер дна є навігаційні карти, що мають той самий масштабний ряд, що і топографічні.

Різні загальногеографічні і тематичні карти також можуть бути джерелом даних для ГІС. Більшість таких карт виконанаі в масштабі дрібніше 1:1 000 000 у різних картографічних проекціях і має значні лінійні або кутові перекручування. Цифрування таких матеріалів вимагає урахування параметрів картографічних проекцій, дані про які є в більшості картографічних редакторів.