2620

твенной информации привело к появлению нового направления в моделировании — цифрового моделирования (ЦМ). Основными элементами цифрового моделирования являются:

—цифровая модель рельефа (ЦМР);

—цифровая модель местности (ЦММ);

—цифровая модель объекта (ЦМО).

Цифровые модели широко используются в ГИС, САПР и

АСУ.

Цифровые фотограмметрические системы (ЦФС) — автома-

тизированные компьютерные системы обработки данных дистанционного зондирования, служащие для получения координатных данных, цифровых карт ЦК, ЦММ. ЦМР и ЦМО.

Электронные карты (ЭК). Развитие методов цифрового картографирования привело к появлению электронных карт. Они осуществляют динамическую визуализацию цифровых карт при помощи видеомониторов и соответствующего программного интерфейса. Они могут создаваться и как электронные атласы и как навигационные системы. ЭК широко применяют для определения местоположения движущихся транспортных средств (режим реального времени). По существу ЭК можно отнести к классу специализированных ГИС.

1.4. Работа с информацией в ГИС

Работа с информацией в ГИС осуществляется комплексом программ под управлением той или иной операционной системы. Обычно ГИС состоит из двух основных частей — графического редактора и СУБД. В любой ГИС осуществляются:

—ввод и вывод информации;

—управление графическими и тематическими базами данных, обеспечивающее связь между этими базами для правильной и синхронной работы с объектами; под управлением понимается: создание баз определенной структуры и заполнение их, поиск информации в базах, сортировка, редактирование и пополнение информации, выдача информации по запросам и ряд других операций;

—визуализация информации, т. е. наглядное представление (отображение) на экране монитора информации, хранящейся в цифровой форме в графических и тематических базах; при этом 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 информации;

21

—работа с картографическим изображением: перемещение его

впроизвольном направлении, масштабирование; настройка элементов оформления изображения (цвет, тип линий и т. п.); управление окнами на экране; редактирование изображения ит. д.;

—совместный анализ графической и тематической информации, позволяющий выявлять связи и закономерности между объектами и явлениями, динамику развития тех или иных процессов;

Созданием ГИС занимаются многие зарубежные и отечественные фирмы и к настоящему времени разработано большое количество различных ГИС. В литературе по ГИС принято деление этих систем на два класса (или два уровня):

—к ГИС первого уровня относят наиболее мощные системы, ориентированные на использование рабочих станций, работу в сетях

ис огромными объемами информации, поддерживающие много форматов обмена данными, имеющие большой набор функций для анализа пространственных и всевозможных данных и большое количество приложений для использования ГИС в различных областях деятельности;

—ГИС второго уровня предназначены для работы на персональных компьютерах, поддерживают небольшое число обменных форматов, имеют ограниченный набор функций анализа данных и

ограничения на объемы обрабатываемой информации. Из ГИС первого уровня наибольшее распространение имеют

ГИС MGE фирмы INTERGRAPH и ГИС ARC /INFO фирмы

ESRI. Названные фирмы выпускают варианты своих ГИС, ориентированные как на использование на мощных компьютерах, так и на менее мощных.

Из характерных представителей ГИС второго уровня можно назвать такие, как MapInfo фирмы MapInfo Corporation (США), Па-

норама и Нева (Россия), КРЕДО-ДИАЛОГ «Белоруссия» и др.

При описании того или иного программного продукта принято различать две его стороны:

—техническое обеспечение, т. е. комплекс применяемых аппаратных средств (Hardware, что в буквальном переводе означает «твердые изделия»);

—программное обеспечение (Software, буквально — «мягкие изделия»).

Техническое обеспечение различных по своим возможностям

ГИС имеет определенные отличия. Ниже перечислены аппаратные

22

средства, составляющие некоторый типовой комплекс:

—персональный компьютер или рабочая станция (более мощный компьютер);

—внешние запоминающие устройства — накопители на гибких, жестких и оптических дисках; последние должны иметь самое широкое применение, поскольку велики объемы хранимой в ГИС информации;

—устройства ввода информации (сканер и дигитайзер);

—устройства вывода информации (принтер и плоттер);

—средства телекоммуникаций для работы в сети.

Работа с графической информацией. Различают два вида ком-

пьютерной графики — растровую и векторную.

При работе в графическом режиме экран монитора представляется массивом отдельных точек, мельчайших элементов изображения, называемые видеопикселями. Компьютер управляет цветом и яркостью каждого пикселя, в результате чего из точек разного цвета и яркости на экране создается растровое изображение. Информация о состоянии каждого пикселя растрового изображения запоминается в компьютере с помощью комбинации битов. Чем больше битов отведено для каждого пикселя, тем большее число цветов можно получить на экране. Так, если пикселю отводится лишь один бит, растровая картинка будет состоять из точек, имеющих два возможных цвета (например, черный и белый), а если пикселю соответствуют 24 бита, то количество возможных цветов составит более 16 млн (такую палитру называют естественными цветами, т. к. в ней представлены все возможные оттенки, различимые человеческим глазом).

В зависимости от используемых цветов растровые изображения делят на три вида:

—черно-белые (только два цвета, два возможных состояния пикселей);

—полутоновые (допускают разные степени черноты — градации серого);

—цветные.

Графические изображения записываются в файлы, хранятся в файлах и воспроизводятся из файлов. В зависимости от способа (формы) этой записи различают растровые и векторные форматы файлов.

Растровый формат дает описание изображения как массива составляющих его пикселей с дополнительными характеристиками

23

растровой картинки, позволяющими правильно воспроизвести ее на экране.

Для уменьшения размеров растровых файлов используют различные способы их сжатия. Например, один из распространенных способов (метод RLE) состоит в том, что при считывании подряд нескольких пикселей одного цвета запоминается код цвета и количество пикселей с этим кодом, а не повторяющийся много раз код. Если изображение содержит большие одноцветные участки, метод оказывается эффективным.

Сравнительно недавно разработан метод сжатия JPEG (Joint Photographic Experts Group), который обеспечивает высокий коэффициент сжатия для фотоснимков. Применение этого метода для сжатия файлов, полученных при сканировании аэрофотоснимков, позволяет уменьшить размеры файлов только в 4 — 5 раз: более сильное сжатие вносит недопустимые искажения в изображения.

Способы хранения изображений, набор характеристик и порядок описания пикселей могут быть различными: разработано большое количество форматов растровых файлов, отличающихся друг от друга порядком описания данных.

Из форматов растровой графики наибольшее распространение имеют следующие: BMP,TIF,GIF,PCX. При необходимости ввода растрового изображения в формате, с которым не может работать данная ГИС, следует выполнить преобразование (конвертирование) этого формата в другой — подходящий для ГИС. Подобное преобразование является достаточно простым и может быть выполнено при помощи какого-либо графического редактора (например, Microsoft Paintbrush, CorelDraw и т. п.): достаточно в этом редакторе открыть файл командой Open, а затем записать его с помощью команды Save as (сохранить как) в нужном формате.

Растровые форматы используются в ГИС в основном при вводе отсканированных аналоговых материалов. Изображения, представленные в растровых форматах, трудно редактировать, а операции редактирования составляют значительную часть выполняемых в ГИС работ, поэтому в современных ГИС основная работа ведется с данными в векторном представлении.

В векторной графике, в отличие от растровой, изображения создаются не по описаниям состояния отдельных пикселов, а по математическим (геометрическим) описаниям объектов. Поэтому векторную графику называют объектно-ориентированной.

24

Объекты описываются векторами фиксированной длины, отсюда название — векторная графика. Так, геометрическим описанием точки являются ее координаты (в заданной системе координат). Геометрическим описанием отрезка — координаты двух его точек (начала и конца отрезка). Геометрическим описанием ломаной — координаты всех ее вершин и т. д. Подобные описания позволяют компьютеру вычислить (по формулам аналитической геометрии) положение любой промежуточной точки объекта и построить его изображение. Для создания каждого простого объекта имеется соответствующая компьютерная команда. Из простых объектов создается изображение любой сложности. Работа с векторным изображением — это работа с объектами. Такой подход обеспечивает простоту и удобство редактирования изображения: можно удалять, перемещать, видоизменять отдельные объекты, т. е. редактировать отдельные части рисунка, не оказывая никакого влияния на остальное изображение — объекты на рисунке перекрываются без всякого воздействия друг на друга. Такого удобства редактирования не дает растровая графика, оперирующая отдельными точками изображения, хотя следует отметить, что в растровой графике наблюдаются изменения в технологии работы с изображением: появляются программы (например, Photoshop) с объектно-ориентированным подходом к редактированию, когда некоторые группы точек растра принимаются за объекты.

Векторные рисунки в большинстве случаев требуют меньших объемов памяти, чем такие же растровые рисунки. У векторного формата есть и еще одно преимущество: качество векторных изображений при выводе на печать зависит только от самого печатающего устройства (от его разрешающей способности) и никаким образом не зависит от увеличения, в то время как качество растровых ухудшается при увеличении — линии становятся пилообразными.

Разработано большое количество форматов векторных файлов разной степени сложности. Каждая ГИС работает в своем собственном (внутреннем) векторном формате, но обязательно оснащена встроенными преобразователями (конверторами) форматов, позволяющими осуществлять операции импорта/экспорта файлов других векторных форматов. Наиболее распространенными векторными форматами при обмене данными между различными ГИС являются форматы DXF и ASCII.

Файлы векторной графики, как и растровые файлы, включают в себя, конечно, не только геометрические описания объектов, состав-

25

ляющих изображения, но и целый ряд различных параметров. Например, файлы формата DXF содержат собственно описания объектов только в одной из 4 секций, составляющих файл; другие три секции заняты описаниями используемых типов линий, штриховок, шрифтов, перечислением названий слоев, блоков и т. п. Структура форматов файлов обычно не интересует пользователя, если импорт/экспорт файлов проходит успешно. Следует, однако, отметить, что преобразования векторных файлов из формата в формат не всегда оказываются успешными: существует вероятность того, что некоторые части рисунка утратятся или исказятся. Если программа-конвертор встречает описание объекта, для которого в новом формате нет точного соответствия, этот объект будет либо отброшен, либо описан какими-нибудь похожими командами нового формата, что может повлечь за собой либо отсутствие, либо искажение объекта.

Графическая информация, хранящаяся в графических базах данных, структурирована по объектам. Большинство ГИС оперируют

собъектами следующих типов:

—точки (точечные объекты);

—линии и полилинии;

—области (регионы, полигоны);

—текст (текстовые объекты).

Список объектов ГИС может быть и шире: в него могут входить окружности, эллипсы, прямоугольники, многоугольники и т. п.

Графическая информация об объекте — это прежде всего информация о его типе и пространственном положении. Пространственное положение определяется координатами в той или иной системе: все ГИС позволяют создавать изображения в различных картографических проекциях и в разных системах координат и осуществлять переход из одной системы в другую. Каждый объект имеет свое координатное описание. Так, координатным описанием точечного объекта являются две координаты (например, Х и У), координатным описанием области — последовательность пар координат для каждой вершины контура области, причем эта последовательность должна дважды включать координаты начальной точки, т. е. последняя пара координат должна быть такой же, как первая пара и т. д.

Всем объектам присущи определенные характеристики, которые называются (в некоторых ГИС) атрибутами объектов. Так, для точечного объекта атрибутом является вид символа (тип, цвет и раз-

26

мер условного знака), которым этот объект будет обозначен при изображении его на экране. Атрибутом линейного объекта является вид изображающей его линии, т. е. тип (сплошная, пунктирная и т. п.), толщина и цвет линии. Атрибуты области включают в себя кроме атрибута линии, ограничивающей область, вид штриховки для площади, занимаемой областью. Для текстового объекта должен быть задан стиль текста: тип и размер шрифта, наклон букв, написание букв (курсив, подчеркнутый и т. п.), цвет и некоторые другие характеристики.

Вся графическая информация в ГИС структурируется не только по объектам, но и по слоям. Каждый объект принадлежит какому-то слою. Слои можно представить себе как листы из прозрачного материала, на каждом из которых изображена часть содержания карты и которые, накладываясь друг на друга, дают полную картину.

Принцип разнесения объектов по слоям и количество слоев могут определяться пользователем, а могут быть и жестко определены: это зависит от вида выполняемой в ГИС работы. Если ГИС используется для создания электронных топографических карт масштабов 1:25 000 — 1:1 000 000 по разработанному стандарту, то деление информации на слои должно выполняться в соответствии с классификатором топографической информации, который требует обязательного выделения слоев со следующим содержанием:

—математические элементы и элементы плановой и высотной основы;

—рельеф суши;

—гидрография и гидротехнические сооружения;

—населенные пункты;

—промышленные, сельскохозяйственные и социальнокультурные объекты;

—дорожная сеть и дорожные сооружения;

—растительный покров и грунты;

—границы, ограждения и отдельные природные явления;

—подписи на карте.

При использовании ГИС для других работ содержание слоев определяется задачами, которые будут решаться по данной ГИСтехнологии. Чаще всего деление на слои выполняется не по типам объектов (слой точек, слой линии и т. п.), а по тематике. Например, при использовании ГИС для создания планов железнодорожных станций могут быть выделены слои: путей, стрелочных переводов,

27

сигналов и путевых знаков, устройств связи и СЦБ, искусственных сооружений, устройств локомотивного хозяйства и т. д. Количество слоев в ГИС обычно указывают неограниченным, поскольку вряд ли найдется такая область применения ГИС, для которой потребуется, например, более 500 слоев.

Слоям в ГИС можно давать имена; слои можно делать видимыми и невидимыми, доступными и недоступными, можно удалять их и добавлять. Деление информации на слои делает удобным как редактирование содержания отдельных тематических групп, так и решение отдельных задач, когда нет необходимости видеть всю имеющуюся информацию, более того — видимость всей информации на экране мешает решению задачи: отключение ненужных в данный момент слоев позволяет быстрее и лучше выполнить работу.

Ввод графической информации. Способы ввода графической информации в ГИС зависят от источников исходной информации. Такими источниками могут быть:

—результаты наземных геодезических измерений;

—результаты аэрокосмического зондирования и лазерного сканирования;

—ранее созданные аналоговые карты и планы;

—готовые цифровые карты и цифровые модели.

В настоящее время ряд картографических организаций занимается созданием цифровых карт (картографическая информация преобразуется в цифровую форму); составляются:

— цифровые планы городов масштабов 1:10 000, 1:25 000;

—цифровые топографические карты масштабов от 1:25 000 до

1:1000000;

—авиационные карты (1:500 000 - 1:4 000 000);

—цифровые тематические карты.

Начиная работу с ГИС, можно приобрести соответствующие карты или цифровые модели. В таком случае ввод графической информации сведется к вводу векторных графических файлов.

Съемки местности дают материал, который должен быть обработан целым рядом программ для преобразования его в цифровую форму, отображающую содержание полученной карты или плана. В настоящее время перспективными видами съемок для создания цифровых карт являются: электронная тахеометрия, спутниковые измерения (GPS), лазерное сканирование.

Электронные тахеометры снабжены накопителями информа-

28

ции, с которых она легко может быть введена в компьютер. Многие современные ГИС имеют в своем составе программные модули, осуществляющие автоматизированное составление цифровых карт по результатам электронной тахеометрии.

Все приемники GPS также позволяют вводить результаты измерений в компьютер благодаря наличию накопителей данных и средств общения с компьютерами (стандартные интерфейсы с компьютером).

Во многих областях деятельности при использовании ГИС наиболее подходящим источником картографической информации являются ранее созданные карты и планы. Рассмотрим более подробно технологию ввода графической информации на основе этих источников данных. Следует отметить, что рассмотренные ниже методы преобразования информации используются и при обработке аэро и космических снимков, т. е. составляют один из этапов обработки результатов фототопографических съемок для создания цифровых карт и моделей.

Задача преобразования исходных материалов в цифровую векторную форму (цифрование, или векторизация) решается двумя основными методами:

цифрованием на планшете (дигитайзере);

сканированием исходных аналоговых материалов с последую-

тройство для цифрования, состоящее из электронного планшета и указателя (указатель называют также панелью, курсором, манипулятором, а дигитайзер — графическим планшетом, сколкой). На планшете укрепляется подлежащая цифрованию бумажная карта (или фотоснимок): смещение карты во время оцифровки недопустимо, поэтому закрепление ее на рабочей поверхности планшета должно быть надежным. Указатель — кнопочное устройство, перемещаемое по планшету; количество кнопок на нем зависит от типа дигитайзера и может колебаться от одной до семнадцати. Большинство ГИС может работать с дигитайзерами различных типов, используя соответствующие драйверы — программы, осуществляющие связь данного типа дигитайзера с ГИС.

Цифрование по растровой подложке имеет большее распро-

странение, т. к. обеспечивает более высокую точность и производительность.

Перед цифрованием изображение сканируется. Эта работа вы-

29

полняется на устройствах, называемых сканерами. Сканеры предназначены для считывания графической и текстовой информации по строкам мельчайших клеток растровой сетки с регистрацией чернобелого или цветного изображения. Для сохранения необходимой точности картографических изображений разрешение сканера должно быть не менее 600 точек на дюйм. (Разрешающей способностью, или разрешением называется максимальное количество отдельных элементов в какой-то области). 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 целого ряда обстоятельств: наличия программ-векторизаторов, сложности растрового изображения, объема работ и т. д. Чаще всего сочетают автоматическую векторизацию с полуавтоматической и ручной: полностью автоматическая возможна только для сравнительно простых чертежей. Обычно сложные части изображения векторизуют вручную, а для оставшихся (простых) частей применяют автоматический или полуавтоматический способ.

30