- •Оглавление
- •Введение
- •1.1. Определения и задачи геоинформатики
- •1.2.1. Определение и толкование базовых понятий геоинформатики
- •1.3. Общее представление о ГИС
- •1.4. Основные этапы развития ГИС
- •1.5. География и ГИС
- •2.1. Типы и источники пространственных данных
- •2.2. Проектирование географических баз данных
- •2.2.1. Требования к базе данных
- •2.2.2. Этапы проектирования базы данных
- •2.3. Представление пространственных объектов в БД
- •2.3.1. Выбор модели пространственной информации
- •2.3.2. Особенности представления пространственных объектов в БД
- •2.3.3. Позиционная и семантическая составляющие данных
- •2.4. Системы управления базами данных в ГИС
- •2.4.1. Функции СУБД
- •2.4.2. Задачи и функции СУБД в ГИС
- •2.4.3. Базовые понятия реляционных баз данных
- •2.4.4. Язык реляционных баз данных SQL — функции и основные возможности
- •2.4.5. Объектно-ориентированные и реляционные структуры БД
- •2.4.6. СУБД в архитектуре «клиент-сервер»
- •2.5. Организация и форматы данных
- •2.6. Качество данных и контроль ошибок
- •2.6.1. Типы ошибок в данных и их источники
- •2.6.2. Позиционная точность данных
- •3.1. Требования к техническому и программному обеспечению ГИС
- •3.3. Характеристика технических средств ГИС
- •3.4. Технологии ввода графической информации
- •3.5. Преобразования форматов данных
- •3.7. Общая характеристика программных коммерческих ГИС-пакетов
- •4.1.1. Пространственная привязка данных и преобразование проекций
- •4.1.2. Алгоритмы трансформирования геоизображений
- •4.1.3. Определение координат контрольных точек
- •4.1.4. Оценка ошибок трансформирования
- •4.2. Дискретная географическая привязка данных
- •4.3. Операции с данными в векторном формате
- •4.3.1. Представление пространственных объектов и взаимосвязей
- •4.3.2. Алгоритмы определения пересечения линий
- •4.3.3. Способы вычисления длин линий, периметров и площадей полигонов
- •4.3.4. Алгоритм «точка в полигоне»
- •4.3.5. ГИС-технологии пространственного анализа
- •4.3.6. Операции оверлея полигонов
- •4.4. Хранение и преобразование растровых данных
- •4.4.1. Кодирование и сжатие информации
- •4.4.2. Иерархические структуры данных. Дерево квадрантов
- •4.4.3. Операции с растровыми слоями БД
- •4.4.4. Технологии анализа данных, основанные на ячейках растра
- •4.5. ГИС-технологии совмещения и оценки пригодности данных
- •5.1. Методы пространственного анализа
- •5.1.1. Классификация объектов путем группировки значений их признака
- •5.1.2. Методы интеграции признаков для исследования взаимосвязей и классификации объектов
- •5.1.3. Исследование взаимосвязей объектов с использованием операций оверлея слоев
- •5.1.4. Выбор объектов по пространственным критериям. Построение запросов
- •5.1.5. Анализ сетей
- •5.1.6. Тематическое согласование слоев
- •5.2. Методы пространственного моделирования
- •5.2.2. Подготовка исходных данных для создания модели
- •5.2.3. Интерполяция по дискретно расположенным точкам
- •5.2.4. Построение статистических поверхностей
- •5.2.5. Определение местоположения и оптимального размещения объектов
- •5.2.6. Моделирование пространственных распределений
- •5.2.7. Интерполяция по ареалам
- •5.3. Применение пространственных моделей
- •5.4. Обеспечение принятия пространственных решений
- •5.4.1. Методы обеспечения поддержки принятия решений
- •5.4.2. Понятия нечетких географических объектов и нечетких множеств
- •5.4.3. Экспертные подсистемы ГИС
- •6.1. Разработка ГИС-проекта
- •6.2. Общие вопросы проектирования базы данных ГИС
- •6.3. Учет особенностей моделей данных и функциональных средств ГИС
- •Глава 7. Задачи и методы геоинформационного картографирования
- •7.1. Определения, особенности и задачи геоинформационного картографирования
- •7.2. Основные этапы развития методов и средств автоматизации в картографии
- •7.3. Географические основы ГК
- •7.4. Структура системы геоинформационного картографирования
- •7.5.1. Задачи проектирования картографических БД
- •7.5.2. Качество цифровых карт
- •7.6.1. Электронные и компьютерные карты
- •7.6.2. Графические стандарты
- •7.6.3. Спецификация цвета и цветовые палитры
- •7.6.4. Компоновка электронных и компьютерных карт
- •7.7. Методы геоинформационного картографирования
- •7.7.2. Создание тематических карт на основе методов пространственного моделирования в ГИС
- •7.8. Автоматизированная генерализация тематических карт
- •7.8.1. Семантическая и геометрическая генерализация
- •7.8.2. Элементы генерализации линий
- •7.8.3. Использование теории фракталов
- •7.9. Формализация и алгоритмизация процесса картографирования
- •7.9.1. Картометрические функции
- •7.9.2. Определение положения центральной точки полигона и скелетизация
- •7.9.3. Построение системы картографических знаков и размещение надписей
- •7.10. Новые направления и технологии геоинформационного картографирования
- •7.10.1. Оперативное картографирование и картографические анимации
- •7.10.2. Картография и Интернет
- •Глава 8. Цифровая обработка изображений для создания баз данных ГИС и тематических карт
- •8.1. Применение данных дистанционного зондирования в ГИС и тематическом картографировании
- •8.2. Методы цифровой обработки космических снимков
- •8.3. Методы дешифрирования, основанные на преобразовании спектральных яркостей
- •8.3.1. Спектральное пространство и дешифровочные признаки
- •8.3.2. Синтез изображений и анализ главных компонент
- •8.3.3. Производные дешифровочные признаки
- •8.4. Алгоритмы классификации
- •8.4.1. Правила и типы автоматизированной классификации
- •8.4.2. Алгоритмы контролируемой классификации
- •8.4.3. Алгоритмы неконтролируемой классификации
- •8.4.4. Оценка результатов классификации
- •8.5. Алгоритмы выполнения географического анализа по космическим снимкам
- •8.5.1. Изучение динамики явлений (объектов) по картам и снимкам
- •8.5.2. Изучение географических объектов с использованием методов нечеткой и экспертной классификации
- •Литература
- •Учебники и учебные пособия
- •Монографии
- •Справочники и руководства
- •Предметный указатель
2.5. Организация и форматы данных |
79 |
В настоящее время многие фирмы, специализирующиеся на разработке программного обеспечения для создания ГИС, предлагают специальные программные средства для реализации вышеописанных технологий (например, ProServer корпорации Maplnfo и ArcView Internet Map Server фирмы ESRI Inc. и т. д.).
2.5. Организация и форматы данных
Для хранения цифровых пространственных данных, позиционной и атрибутивной их составляющих, в БД применяют различные структуры, которые связаны в основном с векторным или растровым представлениями географических объектов. Способы компьютерной реализации этих представлений носят, соответственно, названия
векторный и растровый форматы.
В векторном формате, в котором пространственные объекты представляются точками, линиями и полигонами, позиционная составляющая (или геометрия) обычно хранится в одном файле в виде индексированных записей: индекс кодирует объект (соответственно, точечный, линейный или полигональный), а запись состоит из набора пар или троек координат, число которых в записи соответствует типу объекта: 1 — для точки, п — для линии или полигона. Чтобы отличить записи для линий и полигонов, их либо кодируют разными типами индексов, либо для полигонов в последней записи повторяют координаты первой точки полигона.
Значения атрибутов часто упорядочивают в виде таблиц атрибутов. В реляционных моделях БД каждая клетка таблицы отражает значение одного из признаков определенного объекта. В зависимости от способа отражения временная форма фиксируется в одной таблице атрибутов данного объекта или в нескольких таблицах для различных временных этапов. Таблица отражает тематическую и отчасти — пространственную формы информации.
В растровом формате геометрия и атрибуты хранятся в одном файле: записи в нем организованы по строкам или столбцам растра, номера которых кодируют систему координат, а каждое число в записи кодирует уникальное значение атрибута, относящегося к одной ячейке растра (пикселу).
8 0 |
Глава 2. Представление и организация географической информации |
|||
|
Сопоставление |
векторного |
и растрового |
форматов. |
Основные проблемы, обсуждаемые при выборе растрового или векторного форматов, — это достоверность отображения реальности, точность координат, скорость аналитической обработки, потребности в объеме памяти, отражение характерных признаков явлений.
Обработка данных. Данные в растровых форматах обрабатываются быстрее при решении таких аналитических задач, как наложение (оверлей), определение соседства, выполнение логических запросов. Для определения взаимного положения объектов и их анализа в большинстве случаев требуется лишь сравнить содержание соответствующих ячеек растра в различных слоях БД с применением простейших условных операторов.
При построении векторной топологии приходится многократно выполнять однотипные вычисления и логические проверки, например, для нахождения точек пересечения отрезков линий, составляющих контуры объектов. Сложные алгоритмы необходимы и при наложении полигонов, для выявления ложных («паразитных») полигонов. Эти обстоятельства удлиняют время обработки данных, запросов пользователей.
Хранение данных. Простейший метод хранения растровых данных требует 1-2 байтов памяти для каждого пиксела независимо от величины, им представляемой, и в этом аспекте он не эффективен. В некоторых системах хранения существуют ограничения на число строк и столбцов. На практике применяются различные методы сжатия информации, наиболее распространенным из них является групповое кодирование, при котором степень сжатия зависит от пространственной изменчивости данных. Однако в некоторых случаях группового кодирования упаковка и распаковка данных дает лишь небольшое преимущество по сравнению с их поячеечным хранением.
Для хранения простых полигонов в векторном формате требуются небольшие объемы памяти, в общем случае необходимый ее объем зависит от сложности объектов, от того, что хранится вместе с координатами, а также от точности координат (одинарная или двойная). В целом векторные системы используют меньший объем памяти по сравнению с растровыми системами при сопоставимом графическом разрешении.
2.5. Организация и форматы данных |
81 |
Растровые базы данных привлекают простотой организации, быстротой многих операций; они особенно привлекательны для специалистов в области дистанционного зондирования, привыкших оперировать с пикселами при обработке информации, а также при представлении первичных и систематизированных данных о высотах рельефа. Растровый файл легко получить путем сканирования фотоотпечатков или бумажных карт. С другой стороны, во многих случаях растровый подход ведет к потере деталей. Растровые данные различных источников могут иметь разный размер элементов, ориентацию, положение, проекцию. В случае их совместного использования необходим процесс интерполяции информации из одной системы элементов растра в другую. При этом переход к элементам большего размера относительно безопасен, переход к меньшим элементам чреват большими неприятностями.
Хорошие результаты дает использование систем, в которых растровый и векторный анализ могут осуществляться параллельно с использованием функций преобразования (конвертирования) форматов. Такие системы позволяют, например, осуществить наложение векторной карты участков с различным типом использования земель на снимок для более точного его дешифрирования, а затем снимок использовать для корректировки векторной карты ареалов растительности.
Обменные форматы данных. Совместное использование разных источников данных (как векторных, так и растровых) связано с еще одним понятием формата данных — шаблоном представления их в файлах данных. Некоторые из них приняты государственными организациями как стандарты, другие определяются распространителями данных и разработчиками программных средств как внутренние форматы. Обилие таких форматов и уже накопленных данных делает чрезвычайно важной проблему разработки специальных обменных форматов и способов их конвертирования. Многие современные ГИС-пакеты представляют широкие возможности для конвертирования внутренних форматов как в обменные, так и форматы других пакетов.
Графические форматы, используемые как обменные в разных ГИС- и графических пакетах программ, также делятся на векторные и растровые. Некоторые из них приведены в таблицах 2.1 и 2.2.
82 |
Глава 2. Представление и организация географической информации |
Таблица 2.1. Векторные графические форматы данных
Наименование формата
DXF, DWG, DGN
DX90
DLG
DWF
F1M
SXF
GEN
SHP
TAB
Описание |
j |
Форматы данных систем автоматизированного проек- |
( |
; |
|
тирования (САПР) |
j |
Формат цифровых навигационных карт |
! |
Формат данных геологической съемки США |
! |
Формат передачи графических данных по Интернету |
} |
Формат данных Роскартографии, предназначен для |
\ |
j |
|
обмена данными |
\ |
|
\ |
Формат данных Военно-топографического управления >
ГШ ВС РФ |
; |
Обменный формат ГИС-пакета ARC/INFO |
j |
Формат данных ГИС-пакета ArcView (шейп-файл), |
! |
описывается несколькими файлами записей с опреде- |
! |
ленными расширениями: .shp — позиционные данные; |
; |
.shx — индекс формы пространственных данных; |
! |
.dbf — атрибутивные данные и др. |
; |
Формат ГИС-пакета Maplnfo; описывается файлами |
| |
с определенными расширениями: .tab — текстовое |
|
описание структуры данных таблиц; .dat — табличные |
|
данные; .тар — графические объекты; .ID — список |
|
указателей (индекс) на графические объекты |
|
MIF/MID |
Обменный формат ГИС-пакета Maplnfo |
HPGL |
Формат вывода на принтер или графопостроитель |
Среди векторных наибольшее распространение в ГИС получил формат DXF пакета AutoCad (Autodesk Inc.) — нетопологический использующий для передачи графической атрибутивной информации формат DBF (dBase). Более подробные характеристики разных форматов можно найти в толковом словаре [Геоинформатика. Толковый..., 1999]. Внутренние форматы данных описываются в руководствах для каждого ГИС-пакета.
2.5. Организация и форматы данных |
83 |
Таблица 2.2. Растровые графические форматы данных
Наименование формата
BMP
TIFF
GeoTIFF
Описание
Битовый двоичный формат
Формат для создания и обмена изображениями высокого качества; поддерживает цветные (до 24 бит), черно-белые изображения и градации серого; использует разные типы сжатия данных с учетом фотометрических свойств изображения
Расширение формата TIFF для передачи изображений, имеющих пространственную привязку, включает информацию о системе координат и проекции, параметрах геометрической коррекции
JPEG |
Сжатый BMP, позволяет передавать до 16 млн цветов |
|
(до 32 бит); распространен для изображений в Интернете |
||
|
||
PCX |
Цветные изображения (до 24 бит), не хранит CMYK- |
|
палитры, таблицы коррекции цвета или оттенка серого |
||
|
||
IMG |
Формат данных многих растровых ГИС-пакетов |
|
(например, ERDAS) |
||
|
||
GRID |
Формат, разработанный фирмой ESRI для создания |
|
моделей поверхностей |
||
|
||
Применение |
данных других цифровых источников. Все |
больше данных появляется на магнитных носителях, CD-ROM, в сети Интернет (цифровые карты мира — DCW, цифровые картографические данные Геологической службы США - DLG, цифровые космические снимки, так называемые Quicklook, и многие др.). Нужно помнить, что изображения, распространяемые в Интернете, зачастую имеют низкое разрешение, растровый формат и ограниченные размеры.
Истинное горизонтальное и вертикальное положение объектов обычно непосредственно определяется в результате полевой съемки. Система спутникового позиционирования (ССП) — новый способ точного определения положения объектов на земной поверхности. Положение объекта рассчитывается по сигналам,