Элементы геоинформационных систем и технология создания цифровых мар

Размеры точек могут быть различны и зависят от того, с каким разреше­ нием отсканирована карта. Под разрешением здесь донимают число точек (пикселей) матрицы на единицу длины по горизонтали и вертикали изображе­ ния. Разрешение растрового изображения задается при сканировании картогра­ фического материала. При увеличении разрешения уменьшается размер пиксе­ ля, что ведет к лучшей проработке мелких деталей изображения. С другой сто­ роны, увеличивается размер растрового файла. Так, бинарное изображение фрагмента карты размером 50x50 см при разрешении 1000 пикселей на дюйм составляет около 300 Mb. Обработка таких файлов требует наличия мощных (и очень дорогах) компьютеров. Длк решения задач горного производства исполь­ зуют разрешение от 254 пикселей на дюйм (10 пикселей на миллиметр) до 600 пикселей на дюйм и более.

В современных ГИС основная работа ведется в векторной форме, но при этом предусматривается возможность перехода из одной формы в другую. Од­ ним из перспективных методов преобразования данных в векторную форму яв­ ляется векторизация изображения по растровой подложке.

На практике обычно требуется работать с растром, как с картой, обла­ дающей своей метрикой, - знать координаты каждой точки для проведения рас­ четов, наложения координатно-заданных объектов или из малых фрагментов получать единые карты. Для вьшолнения этих задач во многих геоинформадионных системах предусмотрена возможность картографической привязки рас­ тровых изображений. Некоторые ГИС позволяют корректировать палитру изо­ бражений, яркость или контрастность растра.

1.3. Представление пространственных данных

Модель пространственной информации определяет характер многих опе­ раций геоинформационной системы, задает методы анализа информации, спо­ соб ввода данных и особенности получаемых результатов. Наиболее распро­ страненными моделями являются векторная топологическая, векторная не то­ пологическая и растровая.

Каждый объект сопровождает три блока информации, которые могут дать ответ на следующие вопросы: что это такое; где этот объект находится; как этот объект связан с другими объектами. На первые две группы вопросов ответы, очевидно, будут понятны - примеры приведены выше. На цифровых картах свя­ зи между объектами описываются с помощью топологии. Для понимания необ­ ходимости топологических связей рассмотрим рис.6. На нем показаны следую­ щие объекты - ручей (точки 1,2,3,4); железная дорога (точки 2,5,6); контур леса (точки 5,5). Но огород, лесной массив и луг тоже являются объектами. Так, гра­ ница огорода представлена набором других объектов (точки 5,2-2,5-5,5). Точка 5 одновременно принадлежит ручью, границе леса, границе луга и границе ого­ рода. Можно этог факт игнорировать и описать полигоны луга, леса и огорода как самостоятельные объекты (рис. 7). Тогда некоторые участки объектов необ­ ходимо цифровать несколько раз. Например, участок 5-5 будет оцифрован и как

линейный объект (контур леса), и как часть полигона “огород”, и как часть по­ лигона “лес”. Аналогичная ситуация будет с участками ручья 2-3 и 3-4. Такой тип представления объектов носит название “спагетти”.

Рис. 6. Фрагмент топографического плана: 1, 2, 3, 4 - ручей; 2^5[ 6 - железная дорога; 3 ,5 - контур леса

Рассмотренная модель представления объектов является векторной не то­ пологической, поскольку она не содержит аппарата описания топологических связей между объектами и их элементами.

Создание и хранение топологических связей дает ряд преимуществ. На­ личие связей позволяет выполнять различные аналитические операции: моде­ лирование потоков при связывании линии в сеть, объединение смешанных по­ лигонов, наложение объектов. При наличии топологических связей ускоряется обработка данных.

Векторная топологическая модель предполагает описание контуров объ­ ектов в виде множества трех элементов: узлов, дуг и собственно полигонов.

Рис. 8. Векторная топологическая модель

замкнутая луга - дуга, у которой совпадают начальная и конечная верши­

ны;

узел - начальная или конечная вершина дуги. Во многих случаях конец одной дуги является началом другой, поэтому узлы также отмечают пересече­ ния дуг. В одном узле может сходиться несколько дуг;

висячий узел - конечная точка дуги, не связанная с какой-либо иной ду­

гой;

висячая дуга - дуга, имеющая висячий узел; псевдоузел - узел, принадлежащий только двум дугам либо одной замк­

нутой дуге; полигон - область, ограниченная упорядоченным набором связанных дуг,

которые образуют замкнутый контур или замкнутую дугу.

В табл. 2-7 показано хранение информации в современных ГИС, поддер­ живающих векторную топологическую модель.

Топология дуг и узлов обеспечивается данными, хранящимися в табл.2, 3.

1.4. Организация картографической информации

Итак, картографические данные хранятся в виде совокупности пар коор­ динат X, У, представляющих точки, линии и полигоны. Между этими объекта­

ми явно задаются топологические связи.

Картографические объекты по смыслу объединяются в наборы слоев или тем информации. Под слоем понимают логический набор объектов и связи между ними. Слои делят все объекты по темам: например, скважины, выра­

ботки, пункты сетей и т.д.

Каждый слой может включать только точечные объекты, либо только дуги, либо полигоны. Изображенный на рис. 9 фрагмент карты представлен четырьмя слоями. В реальных условиях может потребоваться более детальная проработка слоев. Слой растительности может быть представлен совокупно­ стью слоев. Например, такая совокупность может включать слой лесов хвой­ ных, слой лесов лиственных, слой низкорослой растительности, слой луговой растительности, слой луговой растительности на кочковатой поверхности, слой луговой растительности заболоченный и т.д. Совокупность однородных

тематических слоев именуют покрытием.

Введем новые понятия:

покрытие - однородная совокупность слоев (например, почвы, дороги,

гидрография) или отдельный слой, отражающий все объекты данной темы;

тик - координатные (регистрационные) точки для покрытия. Они позво­ ляют цифровать все объекты покрытия в единой системе координат. Кроме то­ го, с помощью одних и тех же тиков можно устанавливать пространственное соответствие при наложении различных слоев друг на друга или при стыковке смежных покрытий. В качестве регистрационных точек используют точки пе­

ресечения координатной сетки. Для каждого покрытия должны быть оп­

ределены, по меныпей мере, четыре регистрационные точки.

В полигональных слоях внутри каждого полигона ставится точка, кото­ рая именуется меткой. Метка полигона служит для идентификации полигона и для связи его с атрибутивной, информацией. Здесь метка рассматривается как часть полигонального объекта. С каждым слоем может быть связан набор таб­ лиц с атрибутивными данными.

Слоев с точками и полигонами может быть несколько (см.рис.9). Отли­ чаются они тематическим содержанием. Такая концепция слоев поддержива­ ется почти во всех ГИС, но с некоторыми особенностями. В некоторых типах геоинформационных систем (например, ГИС WINGIS) на слое могут присут­ ствовать и точечные, и линейные, и площадные объекты вместе. В других сис­ темах каждый слой должен быть однороден по типу объектов (например, ARCINFO, GEODRAW). В любой ГИС слои, составляющие карту, являются ос­ новой для отображения картографических объектов. Геоинформационные сис­ темы позволяют настраивать каждый слой в отдельности (толщина и цвет ли­ ний, закраска полигонов, размещение условных знаков и другие возможности), перетасовывать, скрывать (делать невидимым) или удалять существующие и добавлять новые слои.

Растровое изображение также можно загрузить на отдельный слой. В наиболее распространенных геоинформационных системах отсутствуют изо­ щренные возможности обработки растровых изображений. Растры просто ото­ бражаются как подложка под векторными слоями карты, они обычно лежат на нижних слоях.

Порядок расположения слоев влияет на общий вид карты. Если на верх­ них слоях расположить слой закрашенных (или заштрихованных) полигонов, то некоторые объекты нижних слоев могут быть невидимыми под закраской. Поэтому при размещении слоев придерживаются следующих правил: верхние слои должны быть представлены слоями с точечными объектами; внизу раз­ мещают слои с полигонами; слои с линейными объектами размещают в сере­ дине. Эти правила не являются строгими. Иногда требуется специально раз­