Визуализация данных в ГИС

Представление информации в понятной и удобной для пользователя форме является одной из основных функций любой системы обработки данных. Поскольку ГИС ориентированы преимущественно на обработку пространственно-распределенных данных, они подают обработанную информацию в виде различных карт, картодиаграмм, трехмерных и анимированных изображений.

Построение картографического изображения является достаточно сложным научно-методическим и технологическим процессом. Для создания карт и других геоизображений в различных прикладных науках (картографии, геологии, землеустройстве, гидрографии и др.) разработаны различные стандарты и нормативные требования. В то же время технология ГИС дает пользователю гораздо большие возможности для создания и обработки картографической информации, которые во многих случаях не предусмотрены или не востребованы традиционными методами бумажных технологий.

На экран дисплея можно вывести несколько окон с различными тематическими картами для их совместного визуального анализа; электронные карты легко масштабируются с возможностью автоматизированной генерализации; специальные средства редактирования позволяют быстро изменять подписи, условные обозначения и общую компоновку картографического изображения.

При наличии картографической базы данных пользователь получает возможность делать быстрые интерактивные запросы о свойствах того или иного объекта курсором мыши, составлять запросы с использованием математических и логических функций, делать выборки, строить тематические карты и Картодиаграммы. Пользователь может ставить перед информационной системой запросы типа: «Какие населенные пункты с какой общей численностью населения находятся на расстоянии 100 км от АЭС», «Какие сады и виноградники находятся в пределах двух часов езды от города N»- и получать ответы в картографической и табличной форме.

Для визуализации данных в геоинформационных системах (ГИС) используют графические модели, которые могут иметь векторное или растровое (ячеистое или пиксельное) представление. При этом модели могут включать в себя топологические характеристики. В связи с этим актуален вопрос представления геоданных и их визуализация в геоинформационных системах.

Объем растровых (сканерных) изображений зависит от размеров пиксела и количества пикселов, входящих в изображение. Например, аэрофотоснимок размером 23 х 23 см с размером пиксела от 8 до 24 мкм имеет соответственно от 827 до 92 Мпк. Такие объемы информации требуют мощных и быстродействующих технических устройств для передачи и обработки геоданных.

В настоящее время принята классификация по трем типам:

растровая модель;

векторная модель;

векторная топологическая модель.

Рис. 1. Сопоставление растровой и векторной моделей данных

Растровый метод основан на разбиении пространства на множество элементов поверхности (процесс квантования). Формы элементов растра (ячейки или пиксели) могут быть различными -- треугольными, прямоугольными, квадратными и др., различных размеров (с различной разрешающей способностью) но, как правило, одинаковыми по размеру.

Рис. 2. Тип карты: растровая

Пространство в таком случае отображается через цепочки соединенных ячеек (пикселов), которые представляются, в свою очередь, линиями. Понятно, что растровые атрибуты не содержат точной координатной информации для объектов квантованного географического пространства, поскольку оно поделено на дискретные ячейки конечного размера. Для покрытия всей области кванты растра должны примыкать друг к другу, а это значит, что присваивая каждому из них определенные номера по вертикали и горизонтали, можно использовать их в качестве координатной сетки. Вообще на конкретной карте каждой ячейке может быть присвоено одно значение атрибута, однако число атрибутов может стать сколь угодно большим, если ячейка связана с базой данных.

Растровая модель дает информацию о том, что расположено на данной части территории. Чем больше размер ячейки, тем ниже разрешение растра, и, соответственно, меньше точность положения точек, линий и областей, заключенных в нем. Растровые модели используются для представления различных типов тематической картографической информации -- отражения почвенно-растительного покрова, геолого-геоморфологических характеристик, землепользования и т. п. Такие модели удобно использовать для выявления различных взаимосвязей, и часто они являются основными при создании географических информационных систем.

Географическое пространство может быть также представлено через векторную модель.

Рис.3. Тип карты: векторная

Этот метод основан на присвоении точных пространственных координат (X, Y, 2, О) любой точке. Пространство (Я или R4) при этом рассматривается как непрерывное. Линии представляются как группы пар координат, связанных вершинами, а области -- как замкнутая последовательность соединенных линий, начальная и конечная точки которой совпадают, а изменение положения зависит от времени t (в пространстве Я4.

Один отрезок может быть определен двумя парами координат, дающих положение и ориентацию в пространстве; ломаные линии отражаются через большое число коротких отрезков, при этом более точно линию сложной конфигурации можно представить через большое число таких мелких отрезков. Векторная структура данных показывает только геометрические свойства картографических объектов, однако если подключить сюда атрибутивные данные, то контурное изображение будет приобретать некоторые свойства карты.

Сложные наборы линий называются сетями. Они содержат дополнительную информацию о пространственных взаимоотношениях этих линий. Например, линии, отражающие транспортные магистрали, могут содержать сведения об особенностях передвижения по ним (направления, скорость и т. д.), при этом информация присваивается каждому отрезку до изменения атрибутов. Точки, в которых отрезки связываются, называются узлами и также специально кодируются. Каждый узел свидетельствует о смене ситуации. Все эти атрибуты должны быть определены по всей сети без пропусков, что необходимо для обеспечения связанности и пространственных соотношений. Такая процедура осуществляется в рамках топологической модели, отражающей взаимные связи между объектами, не зависящие от геометрических свойств этих объектов. Это значит, что вся векторная информация должна храниться в виде взаимосвязанных объектов, а не независимых наборов точек.

При построении ГИС важной и нужной характеристикой является представление рельефа поверхности. В случае растровой модели каждой ячейке дискредитированного пространства можно придать атрибут абсолютного значения высоты, которое наиболее характерно для этого кванта. Таким образом, через совокупность ячеек с указанием высотных отметок можно представлять поверхность в растровых моделях.

При использовании векторных моделей также возможно представить рельеф поверхности, однако этот метод может иметь свои особенности. В данном случае это можно рассматривать на примере описания кристалла. Так, каждый кристалл представляет собой набор гладких граней, соединенных точками и линиями, которые показывают изменения в структуре его поверхности. По аналогии с этим можно представить топографическую поверхность с плоскостями, линиями, ребрами, вершинами. Такая модель поверхности может быть связана через последовательность точек, распределенных с различной регулярностью (рис. 3), причем каждая точка отражает определенное значение высоты. Через три ближайшие точки можно провести плоскость в виде треугольника, внутри которого будет зафиксирован постоянный уклон. Совокупность таких треугольников и будет представлять модель поверхности, напоминающую кристалл. Создаваемый по такой поверхности слой в ГИС получил название ТШ -- нерегулярная триангуляционная сеть. Полная модель поверхности создается путем соединения пары точек ребрами определенным способом -- триангуляцией; при этом точки могут располагаться произвольно -- регулярно или нерегулярно.

Вполне понятно, что система точечных данных может быть использована и для представления поверхности в виде изолиний - горизонталей. картография растровая векторная модель

Важную пространственную информацию для ГИС можно получать из материалов дистанционного зондирования. Дело в том, что большую часть данных со спутников получают в растровом формате, где каждая ячейка (пиксель) содержит радиометрические значения полученного электромагнитного излучения. Важно, что ввод этих данных в растровые ГИС осуществляется легко благодаря сходству структур данных, что зависит от формата данных.

Для представления геоданных и обработки изображений в геоинформационных системах используют растровую модель. При векторизации растрового изображения получают векторную модель, которую преобразуют в векторную топологическую модель представленную пространственными координатами и семантическим описанием объектов.

В данном направлении предполагается проводить исследования способов и методов сжатия информации, разработку новых форматов данных без искажений и потери информации.