Сопоставление векторной и растровой модели
Тема 1.
1. Геоданные –любые сведения о свойствах природных объектов, связанных с Землей. Геоданные можно измерять (кол-я хорактеристика) и наблюдать (кач-я или кол-я харак-ки объектов). Геолого-геофизические данные яв-ся геопространственными и состоят из: тематичестких свойств (литология, геохимия, геофизика) и пространственной привязки.
Геоинформатика– специфический отдел информатики, имеющий дело с пространственно привязанной информацией. Возникла на пересечении многих областей, м.б. в геологии, географии, био, археол, на ж/д. Геологическая геоинформатика – это наука об общих свойствах геоинформации, закономерностях и методах ее поиска и регистрации, распространения и использования при изучении и освоении природных объектов, процессов и явлений.
2.ГИС– специализированные информационные системы, для работы с информацией об объектах и явлениях, имеющими пространственную привязку и для которых важную роль играет их положение, размер, форма, взаиморасположение с др. объектами и явлениями. ГИС обеспечивает взаимосвязь меж. колич-ми и кач-ми харак-ми геогр. объектов и яв-й, представленных в БД в виде простых моделей; включает наборы современных интрументов для работы с геоданными.
Взаимосвязь графических объектов и их атрибутов осуществляется через динамическую связь: картографический символ реального объекта – пространственный элемент(точка) – атрибутивная таблица (изменения св-в объекта в атр. табл. меняет его изображение на карте (добыв./законсерв. скв.)). Реальный мир состоит из множества географ. компонентов, которые представленны в ГИС в качестве связанных слоев данных.
ГИС дел-ся на 4 подсистемы: сбора данных, хранения и выборки данных, анализа данных, вывода данных.
История: нач. 60-х – 1я в мире ГИС в Канаде, ее задачей были классификация и нанесение на карту земельных ресурсов Канады. Выходными данными первых ГИС были не карты, а обобщенные результаты исследований в виде таблиц. Д-р Томлинсон – «отец» ГИС, в 1977 г. образовал компанию, проводит семинары по ГИС во всем мире.
3.Система ArcGIS разработана в ESRI – институт иссл-я систем окр. среды, США. Состоит из: ArcMap (визуализация, карты), ArcToolbox (геобработка, модели), ArcCatalog (базы геоданных).
ArcCatalog (вид базы геоданных) – это пространственная БД, содержащая наборы данных (векторных, растровых, текстовых), к-е представляют геоинформацию в виде моделей данных ГИС.
ArcMap (вид геовизуализации) – это набор карт, к-е показывают пространственные объекты и отношения меж. объектами на поверх-ти З. Карты могут исп-ся как «окна в БД» для поддержки запросов, анализа и редактирования инф-ии.
ArcToolbox (вид геообработки) – входит в состав ArcMap, это набор инструментов для получения новых наборов геоданных из существующих наборов данных.
Тема 2.
4.Модель– такое описание объектов исследования, к-е сохраняет основные свой-ва объектов и не содержит второстепенных.Модели пространственных данныхсоставляют информационную основу ГИС.
Пространственный объект – это цифровое представление реального объекта, содержащее его местоположение и набор св-в. Основные типы пространственных объектов: точка, линия, полигон, поверхность. Описание пространственного объекта состоит из: позиционной части – топология, местоположение и непозиционной части (атрибутивной) – наименование, св-ва, харак-ки.
5.Топология – пространственные взаимоотношения между смежными и близлежащими объектами (пересечение и примыкание).
Указание местоположения с помощью: геогр шир. и долгота; коор. Х и У; почтовые адреса; коды идентифицирующие разграниченные уч-ки тер-ии; местоположение зафиксированное на карте.
Топологические свойства объектов: пространственная размерность; замкнутость; простота; нахождение на границе, внутри или вне полигона.
Атрибуты – любые типы данных (текст, изображение, аудио, видео, карта), которые поставлены в соответствие пространственному объекту. Атрибутивные данные представляются в виде текста или цифр. Атрибутивные данные включают: качественную характеристику (семантику) объекта и статистику (количественные атрибуты) объекта.
Для измерения атрибутов используются шкалы: номинальная – идентифицирует объект; порядковая – качественная харак-ка объекта; интервальная – количественная хар-ка кол. св-ва объекта.
6.Пространственные данные– множество цифровых данных о пространственных объектах. Данные бывают нерпрерывные и дискретные. Выд-т 2 типа моделей пространственных данных: растровая и векторная.
Выделяют 3 типа моделей пространственных данных: 1) Модели дискретных объектов, т е объектов, у которых четко выделяются границы; 2) Модели непрерывных полей (Например, абсолютные отметки высот и рассеяние загрязняющего вещества; 3) Модели сетей.
7.Растровые модели – изучаемую территорию разбивают на элементы регулярной сетки или ячейки. Т.е. ячейка (pixel)–это основной элемент растр. модели. Пиксель является наипростейшей, неделимой частью растра, представляющей определенный участок Земли. Размер ячейки определяет геометрическое разрешение модели.
Каждому пикселу присваивается только одно цифровое значение – код пиксела, определяющий имя объекта. Значения ячеек могут быть целыми или десятичными числами. Ячейки могут также иметь значения No Data (нет данных), чтобы показать отсутствие данных. Значения ячеек могут относиться к центральной точке пикселя (поверхность рельефа) или ко всей его площади (столбцы). Зона – объединяет все пиксели с одинаковым значением. Регион – объединяет примыкающие др. к др. пиксели с одинаковым значением.
Число битов, используемых компьютером для каждого пикселя, называется битовой глубиной, или глубиной цвета (ч/б=1 бит/пиксель, полутоновое=8, с индексированным цветом = 4, 8, 16, полноцветное=24 и более).
Чтобы определить местоположение растра в географическом пространстве, необходимо знать координаты Х, У хотя бы одного угла растра.
Для задания свойства объектов каждому пикселу присваивается значение, соответствующее атрибуту объекта, расположенного в этой ячейке растра.
Глубина цв. и размер пикселя – важнейшие харак-ки растровых моделей.
«+» растровой модели: простая структурара, эффективные операции над слоями, работа со снимками; «-» растровой модели: большой объем памяти для записи, искажение при масштабировании, выделить 1 объект очень сложно.
8.Векторные модели – основаны на векторах. Базовыми элементами яв-ся дуга (arc) и узел (node). Форма дуг описывается дополнительными формообразующими точками – вертексами.
Точка – отдельная пара координат X, Y.
Линия – связанная последовательность пар координат вершин и узлов
Область – замкнутая последовательность соединенных линий, начальная и конечная точки которой совпадают.
Атрибуты, связываются с объектами через идентификаторы, которые хранятся в таблицах данных. В таблицах помимо свойств имеется специальное поле, где обозначены индексы. Существует 2 вида векторных моделей: нетопологические и топологические.
9.Разновидности векторных моделей. Два типа векторных моделей: топологичекая и нетопологическая (спагетти-модель). В топологической указывается взаимное положение между объектами (соседство, близость), границы полигонов – дуги. В нетопологической не содержится описания отношений между объектами, каждый геометрический объект хранится отдельно и не связан с другими, граница соседствующих полигонов описывается дважды.
Для связи свойств и положения объекта используется идентификатор объекта. Атрибуты хранятся в таблицах данных.
«+» векторной модели: компактная стр-ра, топология, качественная графика.
Сопоставление векторной и растровой модели
Как правило, существующие ГИС ориентированы на использование одного из форматов представления данных и делятся на векторные и растровые.
Преимущества: у векторной модели: 1) компактная структура; 2) топология; 3) качественная графика. У растровой модели: 1) простая структура; 2) эффективные операции над слоями; 3) работа со снимками.
Тема 3.
11.Форматы пространственных данных:
Различают следующие форматы данных ГИС: 1) Векторные: шейп–файлы; покрытия ARC/INFO; базы геоданных; чертежи САПР.
2) Растровые: ESRI ARC GRID; изображения (BMP, TIFF, JPG, GIF, MrSID и др.).
3) Триангуляционные (TIN);
4) Таблицы (dBase);
5) Текстовые файлы (.txt, .asc, .csv, .tab).
12. Шейп-файлы.Шейп-файл предназначен для хранения простых по геометрии объектов (например точка, полилиния, простой полигон, мультиточка, составные полилинии, составные полигоны). Содержит объекты только одного геометрического типа, внутри файла объекты никак не связаны, следовательно такой формат называется векторно нетопологическим. В папке шейп-файла находится набор файлов. Обязательны три файла: 1) <имя>.shp – это двоичный файл, в кот. содержится информация о пространственном положении объекта, о координатах объекта и их форме; 2) <имя>.shx – предназначен для сохранения пространственных индексов объекта. Используется для расшифровки первого файла; 3) <имя>.dbf – здесь находятся свойства объектов. А также <имя>.prj –содержит пространственную привязку к какой-то системе координат и <имя>.shp.xml – файл метаданных, в нем записываются дополнительные сведения, кот. содержатся в шейп-файле.
Сама программа может создавать еще несколько файлов. <имя>.snb и <имя>.snx – когда создается пространственный запрос, <имя>.ain и <имя>.aix – при связывании таблиц. В ARC-каталоге шейп-файл представлен в виде одной пиктограммы.
Рисунки и наборы данных САПР.Набор данных САПР (.dwg, .dxf, .dgn) представляет объекты рисунка в виде отдельных классов: точки, линии, полигоны, аннотации. Рисунок САПР позволяет отображать все объекты, используя символы, хранящиеся в самом рисунке. Особенности САПР: содержит объекты, к-е объединяются в классы по геометрии; яв-ся векторным нетопологическим; образует столько слоев на карте, сколько содержит классов объектов; атрибуты хранятся в классе аннотаций.
Покрытия ARC/INFO.
· Содержит разные по геометрии типы объектов, объединенные в классы;
· Является векторным топологическим;
· Топологическими связями обладают только первичные типы пространственных объектов: точки (points), дуги (arcs), полигоны (polygons) и узлы (nodes);
· Покрытие может содержать производные типы объектов (тики, метки, аннотации);
· При загрузке папки покрытия образуется 1 слой карты с объектами высшего геометрического типа;
· Каждый класс пространственных объектов покрытия при загрузке может создавать отдельный слой карты;
· Пространственные данные хранятся в двоичных файлах;
· Топологические и атрибутивные данные хранятся в таблицах в папке INFO.
Классы объектов:
o Класс дуг - линейные пространственные объекты
o Класс точек меток - точки меток, которыми отмечены полигоны. Каждый полигон имеет одну метку.
o Класс полигональных пространственных объектов - простые площадные объекты.
o Класс регионов - сложные площадные объекты.
o Класс тиков - точки, используемые для регистрации карт в географическом пространстве.
o Таблица INFO - таблица реляционной базы данных. В таблицах INFO хранятся атрибуты.
Базы геоданных.
· Является векторным топологическим.
· Сохр-ся топология сразу множества слоев карты. Топологические связи меж. объектами хранятся в отдельном классе базы геоданных.
· Содержит множ-во классов пространственных данных, в каждом классе содер-ся объекты одного геометр. типа. Внутри классов можно выделять отдельные группы объектов (подтипы). Подтипы используются для наиболее значимой классификации объектов в пределах класса (напр. дорога - асфальт, бетон, щебень). Классы могут объед-ся в наборы классов исходя из пространственной привязки данных.
· Прост. прив. состоит из: системы координат (задает картографическую проекцию и ее параметры), координатного домена (ограничивает диапазон значений x,y,m,z) и масштаба (определяет, сколько целочисленных единиц соответствует единице карты и определяет точность координат).
· Может содержать сложные по геометрии типы объектов: кольцо, направленный отрезок пути, сложный полигон.
· Отношения между объектами: топологические (плоская и межслойная топология), общие (владелец-участок (кардинальность 1:1, 1:N, N:1 N:N)) и пространственные (совпадение, размещение внутри, касание, пересечение).
· Простран. привязка устанавливается отдельно для каждого набора классов, и если класс не входит в набор то отдельно и для него.
· Указ-ся сист. коорд., диапозон изм-я коорд., максим. и миним. координаты.
· Типы полей в табл. атрибутов:короткое целое, длинное целое, с плавающей точкой одинарной точности, с плавающей точкой двойной точности (исп-ся для задания координат), текст, дата, BLOB.
14.Растровые изображения (BMP, TIFF, JPG, GIF и др.).Записывается только цвет. Координаты верхнего левого угла сетки вместе с размерами ячейки и количеством их строк и столбцов однозначно определяют пространственный экстент набора растровых данных. Привязка растровых изображений – создание Мирового файла (<имя>.jpg - файл изображения; <имя>.jpgw, <имя>.jgw - Мировой файл). Методы сжатия: групповое кодирование, блочное кодирование, квадрадерево.
Гриды (ESRI ARC GRID).Глуб. цв. 32 бита; пространственная привяз. запис-ся в файле изобр-я; яв-ся однослойным; управ-я с помощ. папки ИНФО.
Структура ГИС.
Геоинформационные системы – это автоматизированные информационные системы, предназначенные для обработки пространственно-временных данных, основой интеграции которых служит географическая информация. В ГИС осуществляется комплексная обработка информации – от ее сбора до хранения, обновления и представления. Определение ГИС через подсистемы: 1). Подсистема сбора данных, которая собирает и проводит предварительную обработку данных из различных источников. Эта подсистема также в основном отвечает за преобразование различных типов пространственных данных (например, от изолиний топографической карты к модели рельефа ГИС); 2). Подсистема хранения и выборки данных, организующая пространственные данные с целью их выборки, обновления и редактирования; 3). Подсистема анализа данных, которая выполняет различные задачи на основе этих данных, группирует и разделяет их, устанавливает параметры и ограничения и выполняет моделирующие функции; 4). Подсистема вывода, которая отображает всю базу данных или часть ее в табличной, диаграммной, картографической или другой форме. Три вида ГИС: 1). База геоданных (простр.база, в которой объекты предст. в виде опред. моделей данных); 2). Геовизуализация (наличие набора интеллектуальных карт, которые показывают местоположение географ. объектов и взаимосвязи между ними); 3). Геообработка (набор инструментов для получения новых географ. данных из уже имеющихся).
Тема 4.
16. Подсистема ввода данных.
Функции системы ввода заключаются в записи (кодировании) данных в память компьютера.
Данные - это пространственные объекты реального мира, которые можно разделить на легко идентифицируемые 4 типа: точки, линии, области, поверхности. На этапе сбора и первичной обработки геоданных в ГИС обеспечиваются создание моделей пространственных данных. Затраты на информационное обеспечение геоинформационных проектов достигают 90 % от их общей стоимости. Требования к подсистеме: 1). Должна быть спроектирована для переноса графических и атрибутивных данных в компьютере; 2). Должна отвечать хотя бы одному из двух фундаментальных методов представления графических объектов – растровому или векторному; 3). Должна напрямую связываться с подсистемой хранения данных, чтобы можно было устранить ошибки ввода и вносить изм-я по мере необходимости.
Источники пространственных данных:готовые цифровые модели простр-х дан., аэрокосм материалы, рез-ты съемок, статистические, литер. источники, бумажные карты. Чтобы их ввести, нужно преобразовать формат данных из др. систем в формат АркГИС, преобр-ть бумаж. инф-ю в цифровую. Преобр. форм. яв-ся средством обмена дан. с др. сист. и позволяет ГИС исп-ть данные, получаемые в др. технологиях. Пеобр-е осущ-ся с помощ. спец. прогр. – конвертеров.
Загрузка пространственных данных осуществляется с помощью ArcCatalog. Ввод табличных данных (dbf, xls, txt и др.): 1.Добав. табл. к карте. 2.Создать слой СОБЫТИЯ («Отобразить данные ХУ», если в табл. есть коорд.). Этот слой сущ-т виртуально. Если в добавляемой табл. нет координат, то ее мож. привязать к уже существующему слою с координатами. 3.Экспорт вирт. слоя События в формат простран. данных (теперь слой не виртуальный).
Аналого-цифровое преобразование данных – преобр-е данных из бумажной формы в цифровую с помощ. дигитайзеров (каж. объект представ-ся в виде наб. коор. в век. форме) и сканеров (резул.: растровое изобр. ).
Векторизация – преобразование растрового изобр-я в векторную форму с сохранением геометрических связей растровых аналогов при максимальной информативности векторного образа. Основные операции: выделение объектов; их идентификация; присвоение истинных координат. Большинство ГИС позволяют осуществлять векторизацию в графических редакторах в ручном режиме. Специальные программы – векторизаторы (R2V, EasyTrace и др.) осуществляют векторизацию в ручном, автоматическом и полуавтоматическом режимах. Векторизация в ArcGISосущ-ся с помощ. инструмента СКЕТЧ – отмечаю объекты на растре. Скетч сохр. наборы точек в вирт. памяти, пока я сам не экспортирую. Оцифр. дан. сохр-ся в коор. например листа карты, т.е. не привязаны к пов-ти З. Поэт. обяз-но надо делать пространств-ю привязку с помощ. трансформации.