Методи і засоби візуалізації геоінформації

До основних засобів візуалізації геоінформації відносять електронні карти, картографічне відображення результатів аналізу даних та тривимірну візуалізацію. Під візуалізацією (графічним відтворенням, відображенням, відбиттям) розуміють генерацію зображень, у тому числі і картографічних, та іншої графіки на пристроях відображення (переважно на моніторі) на основі перетворення початкових цифрових даних за допомогою спеціальних алгоритмів.

Найбільш компактним і звичним способом представлення географічної інформації залишаються карти. Електронна карта (ЕК) – це картографічне зображення, візуалізоване на моніторі, на основі цифрових карт або баз даних ГІС. Електронний атлас (ЕА) – система візуалізації у формі електронних карт, електронний картографічний твір, функціонально подібний до ЕК. ЕА підтримуються програмним забезпеченням типу картографічних браузерів (забезпечують покадровий перегляд растрових зображень карт), картографічних визуалізаторів, систем настільного картографування. Окрім картографічного зображення і легенд електронні атласи зазвичай включають текстові коментарі, табличні дані, а мультимедійні електронні атласи – анімацію, відеоряди і звуковий супровід.

Таблиці і графіки, що містять різні характеристики об'єктів (атрибути) або їх співвідношення, можуть використовуватися самостійно чи доповнювати інші засоби візуалізації. Анімації застосовують для показу динамічних процесів. Здійснюється послідовний показ мальованих статичних зображень (кадрів), внаслідок чого створюється ілюзія безперервної зміни зображень.

Для відображення результатів аналізу даних в ГІС реалізовано кілька способів, які застосовують при створенні тематичних карт, тобто картографічних способів. Серед них найчастіше застосовують: спосіб розмірних символів; спосіб якісного фону; точковий спосіб, способи локалізованих діаграм та ізоліній.

У способі розмірних символів (значків) аналізовані характеристики об'єктів відображаються спеціальними символами, розмір яких передає кількісну інформацію, а форма і колір - якісну. Спосіб якісного (або кількісного) фону базується на групуванні даних з близькими значеннями і присвоєнні сформованим групам певних кольорів, типів символів чи ліній. У точковому способі засобом візуалізації є множина точок однакового розміру, кожна з яких відбиває певне значення кількісного показника. Стовпчасті і кругові локалізовані діаграми дають змогу відображувати співвідношення кількох характеристик з географічною прив'язкою (наприклад, співвідношення забруднюючих речовин в пункті розташування поста спостереження). За допомогою ізоліній (тобто ліній, всім точкам яких відповідають однакові значення певного показника) окреслюють території з однаковими властивостями (температурами, тиском, осіданнями, одночасністю настання подій, рівною величиною аномалій, рівними швидкостями тектонічних рухів та ін.), формуючи карти ізогіпс (топографічні чи гіпсометричні), ізотерм, ізобар, ізокорелят тощо.

Дійсні ізолінії (наприклад, горизонталі) відбивають безперервну зміну певного показника; псевдоізолінії, що відображують дані статистичної природи (наприклад, дискретні значення від джерел викидів). Для представлення ізоліній застосовують лінії різних типів, товщин і кольорів, пошарове колірне забарвлення чи штрихування фону. проміжків між ізолініями.

Тривимірне зображення поверхні (3D-поверхня) є засобом цифрового об'ємного представлення поверхонь у вигляді дротяних діаграм, за якого застосовують різні типи проекції, а зображення можна повертати і нахиляти, використовуючи простий графічний інтерфейс.

Для відображення рельєфу за даними ЦМР можуть бути сформовані растрові зображення (поверхні). Переважно растрову поверхню створюють за Grid-моделлю, присвоюючи кожному пікселю значення, пропорційне до висоти відповідної комірки сітки. Тіньовий рельєф, чи аналітичне відмивання рельєфу є різновидом растрового відображення ЦМР, при формуванні якого окрім висоти кожної ділянки сітки Grid-моделі, враховується освітленість схилів. 3D- поверхні можуть поєднуватися з іншими тематичними шарами. Для досягнення реалістичності відображення об'єктів місцевості 3D-поверхні об’єднуються із картографічними чи ортозображеннями.

Віртуальна модель місцевості (ВММ) – модель місцевості, що містить інформацію про рельєф земної поверхні, її спектральних яскравостях і об'єктах, розташованих на даній території, призначена для інтерактивної візуалізації. ВММ дає змогу забезпечити ефект присутності на місцевості, може бути відображена у вигляді тривимірної статичної сцени (3D-вигляд) або в режимі імітації польоту над місцевістю, коли спостерігач знаходиться в точці із заданими координатами.

ГІС-технології в Україні

Сьогодні на ІТ-ринку України добре представлені ГІС різного рівня і призначення. Серед них - біля 20 добре відомих ГІС-пакетів, які можна віднести до повнофункціональних. Програмні продукти формуються на основі модульного принципу: зазвичай виділяють базовий модуль і модулі розширення (додатки). Базовий модуль підтримує функції, що реалізують основні операції ГІС, зокрема, програмну підтримку пристроїв введення-виведення інформації, експорт/імпорт даних тощо. Практично всі системи працюють на платформі Windows; лише деякі мають версії, що працюють під управлінням інших операційних систем («Горизонт» - MS DOS, Unix, Linux, MC BC, Free BSD, Solaris, ІНТРОС; ПАРК – MS DOS; Arc GIS Arc Info-Solaris, Digital Unix, AIX, ArcView GIS – Unix).

Системи різних виробників мають багато спільного. Вони підтримують обмін просторовою інформацією (експорт і імпорт) із багатьма ГІС і САПР через основні формати обміну даних. Більшість систем забезпечують роботу зі всіма основними СУБД через драйвери ODBC, BDE; найчастіше системи працюють з СУБД Oracle.

Сучасні повнофункціональні ГІС мають здатність до розширення своїх можливостей, основним способом якого є програмування на мовах високого рівня (MS Visual Basic, MS Visual C++, Borland Delphy, Borland C++ Builder) з підключенням DLL та OCX-бібліотек (ActiveX). Системи MapInfo Professional використовують Map Basic, а системи AricView GIS – Avenue. Найпоширенішими зарубіжними англомовними системами є системи ArcView GIS, MapInfo Professioal, MicroStation/J, російськомовними - ГеоГраф, Панорама (Карта 2000), ПАРК, GeoLink. Характеристику найбільш поширених програмних продуктів наведено нижче.

ArcGIS ArcInfo (розробник - фірма ESRI, США). Повнофункціональна ГІС у складі двох незалежно встановлюваних програмних пакетів – ArcInfo Workstation та ArcInfo Desktop. Перший складається з трьох базових модулів: ArcMap – відображення, редагування і аналіз даних, ArcCatalog – доступ до даних і управління ними, ArcToolbox – інструмент розширеного просторового аналізу, управління проекціями і конвертацією даних. Додаткові модулі мають наступне призначення:

· Arc COGO – набір засобів і функцій для роботи з геодезичними даними;

· Arc GRID – потужний набір засобів аналізу і управління безперервно розподіленими числовими і якісними ознаками, представленими у вигляді регулярних моделей, а також моделювання складних процесів;

· ARC TIN – призначений для моделювання топографічних поверхонь;

· Arc NETWORK – призначений для моделювання і аналізу топологічно зв'язаних об'єктів у вигляді просторових мереж, оцінки і управління ресурсами, розподіленими по мережах, і процесами в таких мережах.

· ArcInfo забезпечує створення геоінформаційних систем, формування і ведення земельних, лісових, геологічних та інших кадастрів, проектування транспортних мереж, оцінку природних ресурсів.

· ArcGIS ArcView(розробник - фірма ESRI, США). Настільна ГІС, призначена для використання в галузях бізнесу, науки, освіти, управління, соціології, демографії, екології, транспорту, міського господарства тощо. Надає користувачеві засоби вибору і перегляду різноманітних геоданих, їх редагування, аналізу і виведення.

Всі продукти ArcGis можуть використовувати додаткові модулі для вирішення спеціалізованих задач просторового аналізу:

· модуль ArcGIS Spatial Analyst – програмний модуль для роботи з растровими поверхнями; дає змогу аналізувати характеристики поверхні, а також інтерполювати просторово розподілені дані для візуалізації і аналізу процесів;

· модуль ArcGis 3D Analyst – програма для створення, візуалізації і аналізу тривимірних об'єктів і поверхонь;

· модуль ArcGIS Geostatistical Analyst – новий модуль для інтерполяції поверхонь на основі статистичного аналізу просторово розподілених даних;

· модуль ArcView – модуль перегляду, формування та зміни представлення інформації. Підтримує реляційні СУБД, має розвинену ділову графіку (форма перегляду, таблична форма, форма діаграм, розробка макету), передбачає створення професійно оформленої картографічної інформації і розробку власних додатків.

MapInfo Professional (розробник - фірма MapInfo, США) - одна з найпоширеніших настільних ГІС, спроектована для обробки і аналізу інформації, що має адресну або просторову прив'язку. В MapInfo реалізовані:

· пошук географічних об'єктів;

· робота з базами даних;

· геометричні функції: розрахунки площ, довжин, периметрів, об'ємів, що містяться між поверхнями;

· побудова буферних зон навколо довільного об'єкту чи групи об'єктів;

· розширена мова запитів на базі конструкцій SQL, що забезпечує здійснення з'єднань, відбиття доступних полів, формування підзапитів, об'єднання інформації з кількох таблиць і географічні об'єднання.

· комп'ютерний дизайн і підготовку до видання картографічних документів.

ГеоГраф (розробка Центру інформаційних досліджень Інституту географії РАН, Росія). Дає можливість створювати електронні тематичні атласи і композиції карт на основі шарів цифрових карт і пов'язаних з ними таблиць атрибутивних даних. Система підтримує:

· створення просторових об'єктів у вигляді косметичних шарів з прив'язкою до них таблиць атрибутивних даних;

· реалізоване в окремій підсистемі управління атрибутивними даними, включаючи під'єднування таблиць, редагування, вибірку, сортування, запити за зразком тощо;

· електронне тематичне картографування і ін.

Панорама (Росія) забезпечує побудову і обробку цифрових і електронних карт, ведення картографічної і атрибутивної баз даних.

Окрему групу складають професійні багатофункціональні інструментальні ГІС, що забезпечують можливість безпосередньої обробки даних дистанційного зондування. До них належать системи ERDAS IMAGINE, ERMapper тощо.

ER Mapper (розробка ER Mapper) Обробка великих обсягів фотограмметричної інформації, тематичне картографування (геофізика, природні ресурси, лісове господарство). Основні переваги системи - точність, друк карт, візуалізація тривимірного зображення, бібліотека алгоритмів.

ERDAS IMAGINE (розробка Leica) – програмний пакет, розроблений спеціально для обробки і аналізу даних дистанційного зондування, надає повний набір інструментів для аналізу даних з довільного джерела і представлення результатів в різних формах – від друкованих карт до тривимірних моделей. ERDAS IMAGINE збудований за модульним принципом у вигляді базових комплектів – IMAGINE Essential, IMAGINE Advantage і IMAGINE Professional. В ERDAS IMAGINE реалізовані:

· широкі можливості з візуалізації та імпорту даних (підтримує більше 100 форматів);

· геометрична корекція;

· поліпшуючі перетворення і ГІС-аналіз;

· дешифрування знімків;

· інструменти обробки зображень і побудова алгоритмів просторових обчислень;

· створення карт.

Питання для самоперевірки

1. Які системи називають географічними інформаційними системами (ГІС)? Де вони використовуються

2. Як класифікують ГІС за функціональними можливостями?

3. Як класифікують ГІС за охоплюваною територією?

4. Які основні підсистеми (компоненти) можна виділити у складі ГІС?

5. У якому вигляді може бути представлення географічна інформація у ГІС?

6. Які типи даних застосовують в ГІС для представлення просторових об'єктів?

7. Які існують джерела просторових даних для наповнення ГІС?

8. Як здійснюється опис об'єктів у ГІС?

9. Які основні види просторових даних застосовують в ГІС?

10. Що являє собою векторна структурапредставлення просторових об'єктів? Для представлення яких об’єктів вона використовується в ГІС?

11. Що являє собою растрова структурапредставлення просторових об'єктів? Для представлення яких об’єктів вона використовується в ГІС?

12. Для чого використовуються векторні моделі просторових даних? Які особливості «спагеті»-моделі?

13. Чим відрізняються топологічні і не топологічні векторні моделі? Як представляється у них топологічна інформація?

14. Які формати зберігання растрових даних підтримують ГІС?

15. Які пристрої застосовуються для введення топологічної інформації в ГІС?

16. Які особливості мають бази даних ГІС?

17. Що являють собою засоби просторового аналізу ГІС?

18. Для чого застосовують топологічне накладання шарів та побудову буферних зон?

19. Що таке цифрова модель рельєфу (ЦМР)?

20. Реалізацію яких процесів передбачає побудова ЦМР?

21. Які структури даних для представлення поверхонь застосовують при побудові ЦМР?

22. Чому тріангуляційні моделі представлення поверхонь поступилися у більшості сучасних ГІС моделям GRID?

23. Як здійснюється відновлення поверхонь у моделях GRID?

24. За допомогою яких засобів візуалізують геоінформацію?

25. Що таке електронна карта?

26. Як відображують у ГІС результати аналізу даних за способами розмірних символів та якісного фону?

27. Як відображують у ГІС результати аналізу даних за допомогою ізоліній? Чим відрізняються дійсні та псевдо ізолінії?

28. Що таке віртуальна модель місцевості?

29. Чи можуть ГІС за даними ЦМР сформувати растрові зображення (поверхні)?

30. Як здійснюється інтерполяція вихідних даних при візуалізації поверхонь у ГІС?

Розділ 9
ІНТЕЛЕКТУАЛЬНІ ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ