17. Модель данных растровых гис. Локальные операции map algebra
1) В ГИС для пространственных объектов используются две основные модели данных: растровая и векторная (рис. 1.17). В растровой модели территория отображается в виде совокупности регулярно организованных площадных объектов типа квадратного пиксела (pixel)Ключевое различие между растровыми и векторными моделями данных — то, что растровая модель использует регулярные искусственные пространственные объекты, в то время как векторная модель использует нерегулярные пространственные объекты. Графические данные могут быть организованы различными способами. Организация данных определяется в первую очередь целью их использования, а также способом их сбора и хранения. Специальные атрибуты могут хранить дополнительную информацию относительно местоположения, топологии и геометрии пространственных объектов. При этом модели данных усложняются, и они получают характерные названия. В современных ГИС топологические атрибуты формируются автоматически при создании графической базы данных. Информация о пространственном положении объектов хранится либо в виде широты/долготы, либо в любой картографической проекции, а может быть, и в местной системе координат. Один из самых важных этапов при построении графической базы данных является геометрическое преобразование данных о пространственном местоположении объектов из одной системы координаты в другую к общей картографической проекции. Такие преобразования необходимы, чтобы можно было сравнивать и анализировать объекты, графическая информация о которых хранится в БД ГИС в разных картографических проекциях. Соответствующий математический аппарат глубоко разработан и широко представлен в стандартном программном обеспечении ГИС.
Растровая модель особенно хорошо подходит для представления явлений реального мира, имеющих непрерывное распределение, например температуры поверхности Земли. Растр представляет собой набор прямоугольных (чаще всего квадратных) ячеек — пикселов и может быть представлен как прямоугольная матрица чисел подобно двухмерным массивам в языках программирования. Для хранения информации в растровой модели можно пользоваться простой файловой структурой с прямой адресацией каждого пиксела.
Растровая модель широко используется при непосредственной обработке и анализе цифровых изображений, полученных по данным дистанционного зондирования Земли (рис. 1.18), а также для решения многих прикладных задач, в частности мониторинга состояния окружающей среды. При моделировании пространства в растровом формате основные сложности связаны с тем, что пространственные объекты могут быть представлены с большой точностью только за счет уменьшения размера пиксела, что ведет к увеличению стоимости хранения информации. Основное преимущество растрового представления состоит в слиянии графической и атрибутивной информации в единую регулярную структуру. В растровом формате точечные объекты представляются единичным пикселом, а линии — строкой связанных пикселов. Это не всегда удобно, так как размер пиксела, зафиксированный во время создания растра, может оказаться слишком большим и многие детали могут быть потеряны. Растровое представление удобно для решения таких задач, как запрос о соседстве, пространственной фильтрации и, конечно, для операций перекрытия двух изображений вместе и более. Растровая форма представления хорошо подходит для моделирования пространственной непрерывности, особенно если соответствующий атрибут имеет высокую степень пространственной изменчивости. Такие ситуации часто возникают при обработке спутниковых изображений. Также растр является идеальной формой для представления пространственных градиентов.
2) Локальные операции map algebra.
Локальные операции создают новый растровый слой из одного или нескольких входных слоев. Значение ячейки нового слоя зависит только от значений ячеек входных слоев, имеющих те же растровые координаты. Обратите внимание, что применение арифметических операций требует наличия соответствующей шкалы измерений. Если значениями ячеек являются коды классов, бессмысленно применять к ним математические или статистические функции. Перекодирование – класс локальных операций – использует только один входной слой. В качестве примера можно привести присвоение новых значений ячейкам путем присвоения значений классам, построенным на основе старых значений. Так, ячейки со значениями от 0 до 99 принимают значение "1", от 100 до 200 – значение "2", а более 200 – значение "3". Другой пример – сортировка уникальных значений, обнаруженных в растре и их замена на новые упорядоченные значения. Так, уникальные значения 0, 2, 5, 8 будут соответственно заменены на 0, 1, 2, 3. используют в качестве входных несколько растровых слоев, отсюда они и получили такое название. В некоторых ГИС, работающих с растровыми данными, встроен ряд математических функций для использования в оверлейных операциях. Процесс математического "наложения" слоев в ArcInfo называется алгеброй карт. Когда выходное значение зависит от двух или нескольких входных слоев, говорят, что происходит оверлей, "наложение" растров. Это похоже на наложение полигонов в векторной модели, но так как растровая модель значительно проще векторной, результат может быть получен на порядки быстрее.
Рассмотрим несколько примеров. входных слоев.
1. Выходное значение соответствует арифметическому среднему значений
входных слоев. Эта операция может быть полезна, когда во входных слоях содержатся наблюдения какого-либо явления за несколько лет, и нужно найти среднее за эти годы значения показателя.
2. Выходное значение соответствует наибольшему (или наименьшему) значению соответствующих ячеек входных слоев.
3. Слои могут быть скомбинированы при помощи арифметических операций (рисунок 8.6). Если x и y - входные слои, то примерами выходных слоев могут быть z1=x+y, z2=x*y, z3=x/y.
4. Слои могут быть скомбинированы с помощью логических условий. Например, если y>0 значение выходного слоя будет z=y, а иначе z=x.
5. Каждой уникальной комбинации значений может быть присвоен уникальный идентификатор. Эту операцию можно применить для классификации ячеек. Алгебра карт обеспечивает исследователей большими функциональными возможностями для конструирования сложных алгоритмов анализа растровых пространственных данных. Это позволяет создавать очень модели
пространственного распределения феноменов.
3) Области применения ГИС в экономике и в современном обществе
Ученые подсчитали, что 85% информации, с которой сталкивается человек в своей жизни, имеет территориальную привязку. Поэтому перечислить все области применения ГИС просто невозможно. Этим системам можно найти применение практически в любой сфере трудовой деятельности человека.
ГИС эффективны во всех областях, где осуществляется учет и управление территорией и объектами на ней. Это практически все направления деятельности органов управления и администраций: земельные ресурсы и объекты недвижимости, транспорт, инженерные коммуникации, развитие бизнеса, обеспечение правопорядка и безопасности, управление ЧС, демография, экология, здравоохранение и т.д.
ГИС позволяют точнейшим образом учитывать координаты объектов и площади участков. Благодаря возможности комплексного (с учетом множества географических, социальных и других факторов) анализа информации о качестве и ценности территории и объектов на ней, эти системы позволяют наиболее объективно оценивать участки и объекты, а также могут давать точную информацию о налогооблагаемой базе.
В области транспорта ГИС давно уже показали свою эффективность благодаря возможности построения оптимальных маршрутов как для отдельных перевозок, так и для целых транспортных систем, в масштабе отдельного города или целой страны. При этом возможность использования наиболее актуальной информации о состоянии дорожной сети и пропускной способности позволяет строить действительно оптимальные маршруты.
Учет коммунальной и промышленной инфраструктуры - задача сама по себе не простая. ГИС не только позволяет эффективно ее решать, но и также повысить отдачу этих данных в случае чрезвычайных ситуаций. Благодаря ГИС специалисты различных ведомств могут общаться на общем языке.
Интеграционные возможности ГИС поистине безграничны. Эти системы позволяют вести учет численности, структуры и распределения населения и одновременно использовать эту информацию для планирования развития социальной инфраструктуры, транспортной сети, оптимального размещения объектов здравоохранения, противопожарных отрядов и сил правопорядка.
ГИС позволяют вести мониторинг экологической ситуации и учет природных ресурсов. Они не только могут дать ответ, где сейчас находятся "тонкие места", но и благодаря возможностям моделирования подсказать, куда нужно направить силы и средства, чтобы такие "тонкие места" не возникали в будущем.
С помощью геоинформационных систем определяются взаимосвязи между различными параметрами (например, почвами, климатом и урожайностью сельскохозяйственных культур), выявляются места разрывов электросетей.
Риэлторы используют ГИС для поиска, к примеру, всех домов на определенной территории, имеющих шиферные крыши, три комнаты и 10-метровые кухни, а затем выдачи более подробного описания этих строений. Запрос может быть уточнен введением дополнительных параметров, например, стоимостных. Можно получить список всех домов, находящих на определенном расстоянии от конкретной магистрали, лесопаркового массива или места работы.
Компания, занимающаяся инженерными коммуникациями, может четко спланировать ремонтные или профилактические работы, начиная с получения полной информации и отображения на экране компьютера (или на бумажных копиях) соответствующих участков, скажем водопровода, и заканчивая автоматическим определением жителей, на которых эти работы повлияют, с уведомлением их о сроках предполагаемого отключения или перебоев с водоснабжением.
Для космических и аэрофотоснимков важно то, что ГИС могут выявлять участки поверхности с заданным набором свойств, отраженных на снимках в разных участках спектра. В этом - суть дистанционного зондирования. Но на самом деле эта технология может с успехом применяться и в других областях. Например, в реставрации: снимки картины в разных областях спектра (в том числе и в невидимых).
Геоинформационная система может использоваться для осмотра как больших территорий (панорама города, штата или страны), так и ограниченного пространства, к примеру, зала казино. С помощью этого программного продукта управленческий персонал казино получает карты с цветовым кодированием, отражающим движение денег в играх, размеры ставок, взятие "банка" и другие данные из игорных автоматов.
ГИС помогает, например, в решении таких задач, как предоставление разнообразной информации по запросам органов планирования, разрешение территориальных конфликтов, выбор оптимальных (с разных точек зрения и по разным критериям) мест для размещения объектов и т. д. Требуемая для принятия решений информация может быть представлена в лаконичной картографической форме с дополнительными текстовыми пояснениями, графиками и диаграммами.
ГИС служат для графического построения карт и получения информации как об отдельных объектах, так и пространственных данных об областях, например о расположении запасов природного газа, плотности транспортных коммуникаций или распределении дохода на душу населения в государстве. Отмеченные на карте области во многих случаях гораздо нагляднее отражают требуемую информацию, чем десятки страниц отчетов с таблицами.