Обработка данных в ГИС.

Функции обработки информации в ГИС должны обеспечивать:

– ввод и вывод информации;
– управление графическими и тематическими базами данных, т.е. создание баз данных, их заполнение, поиск информации, сортировка, редактирование и добавление данных, выдача информации по запросам и ряд других операций;
– визуализацию информации, т. е. наглядное отображение на экране монитора информации, хранящейся в цифровой форме в графических и тематических базах данных, информация может быть выдана на экран как в виде картографического изображения, так и в виде таблиц, графиков, диаграмм и т. п., отображающих результаты выполненного анализа данных;
– работа с картографическим изображением: перемещение его в произвольном направлении, масштабирование; настройка элементов оформления изображения (цвет, тип линий и т. п.); управление окнами на экране; редактирование изображения и т.д.;
– совместный анализ графической и тематической информации, позволяющий выявлять связи и закономерности между объектами и явлениями, динамику развития тех или иных процессов.

Обработку информации в ГИС можно разбить на три уровня:

– на уровне сбора информации – дешифрирование фотоснимков и картографических изображений, обработка данных дистанционного зондирования цифровыми фотограмметрическими системами (ЦФС) для получения координатных данных, преобразование геодезических измерений в координатные данные, группировка атрибутивных данных по классификационным признакам, характеризующим свойства объектов;

– на уровне моделирования – редактирование картографических данных, анализ атрибутивных данных, формирование отчетных форм по запросам пользователей и др.;

– на уровне представления данных – генерализации картографических изображений – отбор и отображение картографических объектов соответственно масштабу, содержанию и тематической направленности, выполняемые посредством процедур классификации и обобщения геоданных.

С помощью ГИС выполняют пространственное моделирование объектов и явлений.

При моделировании в ГИС выделяют следующие виды операций с данными:

– операции преобразования форматов и представлений данных;
– проекционные преобразования;
– геометрический анализ данных;
– оверлейные операции;
– функционально-моделирующие операции.

Операции преобразования форматов и представлений используются как средства обмена данными с другими информационными системами, в том числе и ГИС. Преобразование форматов осуществляется с помощью программ – конверторов.

Графические данные могут иметь растровое или векторное представление, имеющие существенное различие. Векторное представление имеет существенно большие аналитические возможности, чем растровое. Операция преобразования растрового изображения в векторное (векторизация) является одной из основных при обработке графических данных в ГИС. В состав любой ГИС входит специальная программа векторизации – графический редактор.

Для определения положения объектов в пространстве существует множество систем координат (СК). Для изображения поверхности земли на плоскости применяют различные математические модели – картографические проекции. Группа математических процедур ГИС, осуществляющих переход от одной системы координат к другой, пространственной системы координат к картографической проекции, или переход от одной картографической проекции к другой носит название проекционных преобразований.

Программные средства ГИС позволяют выполнять ряд операций геометрического анализа. Для векторных моделей такими операциями являются:

– определение расстояний;
– определение длин кривых;
– определение площадей фигур;
– трансформирование точек объекта.

Особенностью представления геоданных в ГИС является возможность их организации в виде множества слоев. Сущность оверлейных операций состоит в наложении разноименных слоев с генерацией производных объектов и наследованием атрибутов.

В ГИС используются различные аналитические операции:

– расчет и построение буферных зон;
– анализ сетей;
– генерализация;
– цифровое моделирование.

Развитие автоматизированных методов обработки пространственной информации привело к появлению нового направления в моделировании – цифрового моделирования (ЦМ). Основными объектами цифрового моделирования являются:

– цифровая модель рельефа (ЦМР);
– цифровая модель местности (ЦММ);
– цифровая модель объекта (ЦМО).

Преобразование исходных материалов в цифровую векторную форму (цифрование, или векторизация) выполняется двумя основными методами:

– цифрованием на дигитайзере;
– сканированием исходных аналоговых материалов с последующим цифрованием по растровой подложке.

Дигитайзер – это устройство для цифрования, состоящее из электронного планшета и указателя.

На планшете укрепляется подлежащая цифрованию бумажная карта или фотоснимок (смещение карты во время оцифровки недопустимо). Указатель представляет собой кнопочное устройство, перемещаемое по планшету. Количество кнопок на нем зависит от типа дигитайзера и может колебаться от одной до семнадцати.

Работа с дигитайзером может выполняться в двух режимах: дискретном и непрерывном.

При работе в дискретном режиме оператор вручную обводит контуры объектов, совмещая перекрестие нитей дигитайзера с характерными точками цифруемого объекта и нажимая в этот момент соответствующую кнопку, что приводит к передаче координат точек в компьютер. На экране монитора возникают изображения обведенных объектов.

При работе в непрерывном режиме нажатия кнопки не требуется: координаты точек регистрируются автоматически либо с постоянным шагом, либо с постоянным интервалом по времени обводки. Недостатком такого режима является избыточное количество точек, характеризующих положение объекта, поэтому предпочтительней работа в дискретном режиме, хотя она и требует нажатия кнопок.

Планшет дигитайзера имеет свою систему координат, отличную от системы координат карты, поэтому должно быть установлено соответствие между двумя системами для возможности перевода координат из одной системы в другую: дигитайзер должен передавать в компьютер координаты карты. Для пересчета координат в начале работы должны быть заданы контрольные точки, координаты которых известны и в той и в другой системе координат. Минимальное количество таких точек – две, но большее количество точек повышает точность оцифровки.

При цифровании картографических объектов рекомендуется придерживаться определенных правил, соблюдение которых позволяет сообщить некоторую дополнительную информацию об объектах. Например, фиксированное направление обхода некоторых линейных объектов: река обводится от истока к устью.

Цифрование по растровой подложке имеет большее распространение, т. к. обеспечивает более высокую точность и производительность.

Перед цифрованием изображение сканируется. Для сохранения необходимой точности картографических изображений разрешение сканера должно быть не менее 600 точек на дюйм. Результатом сканирования является файл растрового формата (GIF, TIF, PCX).

Открыв этот файл в ГИС, получают изображение исходного картографического материала на экране монитора. Первым этапом обработки полученного изображения является его коррекция, которая выполняется, как и при работе с дигитайзером, по контрольным точкам (точкам с известными координатами). После коррекции растрового изображения приступают к его оцифровке (векторизации – создании векторных объектов). Применяются три технологии оцифровки: оцифровка вручную, автоматическая и полуавтоматическая (интерактивная).

Оцифровка вручную состоит в обводе контуров объектов на экране при помощи мыши с фиксированием (нажатием кнопки мыши) координат характерных точек контуров.

Автоматическая оцифровка выполняется при помощи программ, называемых векторизаторами. Работа этих программ состоит в распознавании образов: они могут идентифицировать и выделять из растра отдельные точечные, линейные и площадные объекты, сравнивая изображения с заложенными в эти программы образцами условных знаков.

Полуавтоматическая, или интерактивная оцифровка ведется с применением программ, которые автоматически распознают объекты на сравнительно простых растровых изображениях и обращаются за помощью к оператору, когда не могут выполнить векторизацию автоматически.

Выбор того или иного способа зависит от сложности растрового изображения, объема работ и т. д. Полностью автоматическая возможна только для сравнительно простых чертежей. Сложные части изображения векторизуют вручную, а для оставшихся (простых) частей применяют автоматический или полуавтоматический способ.

В процессе векторизации любым методом (и на дигитайзере и по растровой подложке) используются многие функции ГИС для работы с графическими объектами: совмещение узлов объектов, проверка замыкания линий, поиск разрывов, удаление части объекта, соединение объектов, перенос объектов со слоя на слой и т. п.

Большинство ГИС позволяют выполнять пространственный анализ, т.е. оценивать связи между объектами по их пространственному положению. К числу наиболее распространенных функций пространственного анализа относятся функции проверки:

– лежит ли объект А полностью внутри объекта В;
– лежит ли объект А частично внутри объекта В;
– содержит ли объект А весь объект В;
– содержит ли объект А часть объекта В;
– пересекаются ли объекты А и В.

С использованием перечисленных функций производятся выборки объектов, попадающих в заданную область. Заданной областью может быть замкнутый контур, созданный разными способами. Широко распространенным в ГИС способом анализа пространственной близости объектов к какому-то заданному объекту (или к нескольким заданным) является создание так называемых буферных зон вокруг объектов, близость к которым анализируется.

Буферной зоной называют область, границы которой находятся на некотором заданном расстоянии от объекта. Например, буферной зоной точечного объекта является круг заданного радиуса, центр которого совпадает с точечным объектом.