ГИТ лекционный курс / Тема 8 текст

Тема № 8. Ввод данных в ГИС.

Слайд 2. Требования к подсистеме ввода данных.

Не зависимо от того, что у нас за система и как мы собираемся вводить в нее пространственные данные, подсистема ввода будет иметь общие с другими подсистемами ввода характеристики. Во-первых, она должна быть спроектирована для переноса графических и атрибутивных данных в компьютер. Во-вторых, она должна отвечать хотя бы одному из двух фундаментальных методов представления графических объектов - растровому или векторному. В-третьих, она должна иметь связь с подсистемой системой хранения и редактирования, чтобы гарантировать сохранение и возможность выборки того, что мы введем, и что можно будет устранять ошибки и вносить изменения по мере необходимости.

Слайд 3. Устройства ввода: дигитайзеры.

Первое, что мы рассмотрит в этом разделе, - это оборудование для ввода данных в ГИС. Самые разные типы устройств использовались и используются для ввода информации в компьютер. Большинство из них, если не все, в большей или меньшей степени используются и сегодня.

Для ручного ввода пространственных данных стандартом является дигитайзер (digitizer). Дигитайзер - устройство для преобразования готовых (бумажных) изображений в цифровую форму. Дигитайзеры создают векторные типы данных.

Дигитайзер состоит из двух основных элементов: основания (или планшета) и курсора, двигающегося по его поверхности. Перед оцифровкой бумажная карта жестко крепиться на планшете: оригинал нельзя сдвигать до полного окончания процесса оцифровки. Курсор помещается поверх карты. Устройство курсора подобно устройству компьютерной мыши. При нажатии на кнопку курсора его местоположение на поверхности планшета фиксируется, а координаты передаются в компьютер. Курсор обычно имеет перекрестие, нанесенное на прозрачную пластинку, которое позволяет оператору позиционировать его точно на отдельных элементах карты. Кроме того, на курсоре размещены кнопки, которые (число их зависит от уровня сложности устройства) позволяют указывать начало и конец линии или границы области, явно определять левые и правые области и т.д. Использование кнопок определяется в основном спецификой программы ввода. Курсоры бывают четырех-, восьми-, двенадцати- и шестнадцатикнопочные.

Местоположение курсора фиксируется с помощью встроенной в планшет сетки. Сетка

состоит из проволочных или печатных проводников с относительно большим расстоянием между соседними проводниками (от 3 до 6 мм). Механизм регистрации позволяет получить шаг считывания информации намного меньше шага сетки (до 100 линий на мм). Этот шаг называется разрешением (resolution) дигитайзера.

Независимо от принципа регистрации существует погрешность в определении координат курсора, именуемая точностью (accuracy) дигитайзера. Эта величина зависит от типа дигитайзера и от конструкции его составляющих. На нее влияет неидеальность регистрирующей сетки планшета, способность воспроизводить координаты неподвижного курсора (повторяемость), устойчивость к разным температурным условиям (стабильность), качество курсора, помехозащищенность и т. д.

Точность существующих планшетов колеблется в пределах от 0.005 дюйма до 0.03 дюйма. На результат работы также влияет точность действий оператора. В среднем хороший оператор вносит погрешность не более 0.004 дюйма.

Кроме курсора существует и другой тип указующих устройств дигитайзера - перо

(стило).

И курсоры, и перья бывают как с проводом, так и без него. Беспроводной указатель удобнее, но он должен иметь батарейку.

Кроме плоских дигитайзеров, в настоящее время успешно используются трехмерные дигитайзеры: информация о форме объемного объекта фиксируется с помощью чувствительного пера, закрепленного на специальном устройстве, которое называется краном.

Автоматизированные дигитайзеры, или дигитайзеры с отслеживанием линий, имеют устройство, подобное головке оптического считывания проигрывателя компакт-дисков. Оно фиксируется на выбранной пользователем линии (как проигрыватель фиксируется на дорожке записи) и, самостоятельно следуя вдоль нее, передает координаты точек линии в компьютер. Эти устройства требуют постоянного участия оператора, так как их нужно вручную устанавливать на каждую новую линию для продолжения процесса сканирования. Кроме того, они легко могут ошибаться на сложных картах и картах с низкой контрастностью изображения. Например, когда линия расщепляется на две ( вполне обычная ситуация) сканер не знает, куда идти дальше. Эта проблема может оказаться еще тяжелее, если линии изображаются пунктиром, который дигитайзер не может проследить из-за разрывов или из-за того, что цвет светлее иимеетменьший контраст, чем исходнаялиния.

Слайд4. Устройстваввода: сканеры.

Большее распространение для ввода данных в ГИС получили сканеры. Сканер

представляет собой устройство для преобразования бумажных изображений в цифровую форму. Сканеры создают растровые типы данных.

Сканеры делятся на планшетные, роликовые (с протяжкой листа) и барабанные.

Планшетныесканерыпредставляютсобойпрозрачное стекло, на которое кладется оригинал, и под которым перемещаетсялампаиустройствооптическогосчитывания.

Сканеры с протяжкой листа действуют подобно факсовому аппарату, т.е. в них двигается не головка считывания, а сам оригинал, как в пишущей машинке. Эти устройства обладают точностью, меньшей, чем планшетные сканеры, но зато позволяют сканировать очень длинные оригиналы.

В барабанных сканерах оригинал закрепляется на круглом барабане, вдоль которого перемещается головка считывания. Эти устройства могут обеспечить высокую точность сканирования очень больших оригиналов.

Основные характеристики сканеров - оптическое разрешение, скорость сканирования и стабильность. Для офисных работ обычно используются достаточно быстрые сканеры с невысоким разрешением (300 точек на дюйм). В большинстве случаев разрешения в 300 dpi достаточно для работы с картографическим материалом. Формат сканера в этом случае имеет большое значение. Офисные сканеры имеют стандартный форма А4. Бумажные оригиналы карт, как

картографическогоматериала .

Специализированные картографические сканеры большого формата очень дороги по сравнению с дигитайзерами того же формата. Кроме того, векторизация введенного растра может занять почти столько же времени, сколько и ручная оцифровка, особенно если карта оказалась очень сложной. Несомненно, по мере совершенствования технологии объем необходимого редактирования будет уменьшаться. Но пока не верьте заявлениям, что сканеры освободят человека от процесса ввода. Короче говоря, в ближайшем будущем устройства автоматизированного ввода и программы векторизации будут экономить время только при условии четких карт с высоким контрастом изображения, и относительно простых по уровню детализации. Чаще всего дорогие сканеры используются фирмами, специализирующимися на услугах оцифровки. Вы же можете ориентироваться на оцифровку карт с помощью дигитайзера, или с помощью менее дорогих сканеров, если их характеристики приемлемы для вашихцелей.

Слайд 5. Программа – векторизатор Easy Trace Pro.

Если для хранения данных вы выбрали векторный формат данных, то после

сканирования растровое изображение должно быть векторизовано. Векторизация в компьютере выполняется подобно тому, как работает сканер с отслеживанием линий, но здесь уже возможно более "разумное" поведение алгоритма, самостоятельно находящего и оцифровывающего линии. Здесь также наиболее удачно оцифровываются контрастные карты невысокой сложности.

В настоящее время существует множество программ-векторизаторов. На слайде показано рабочее окно программы Easy Trace Pro . Эта программа является одной из самых популярных в России программ для перевода растровых изображений в векторные данные. В Easy Trace реализована возможность проводить оцифровку объектов в ручном, полуавтоматическом и автоматическом режимах. Ролик на слайде демонстрирует оцифровку изолиний рельефа в полуавтоматическом режиме, когда оператор контролирует и вмешивается в процесс оцифровки.

Слайд 6. Создание новых данных.

Таким образом, мы имеем тривозможности ввода данных в ГИС:

oСканирование данных: на выходе получаем растр. Географическая привязка растра выполняется после сканирования.

oОцифровка на планшетном дигитайзере: на выходе получаем векторные данные. Привязку можно выполнить во время оцифровки, илипосле.

oЦифрование по растровой подложке: на выходе получаем векторные данные. Привязку можно выполнить во время оцифровки, илипосле.

Слайд 7. Преобразование координат.

Если пространственные данные были получены в результате оцифровки бумажных карт с помощью дигитайзера или являются результатом сканирования бумажных карт, то такие пространственные данные, как правило, не имеют географической привязки: они создавались в координатах планшета дигитайзера или сканера, единицами измерения координат в этом случае могутбыть сантиметры, миллиметры, дюймы или пиксели.

Для того, чтобы совместить новые данные с уже имеющимися (представленными, к примеру, в географической системе координат) необходимо провести геометрическое преобразование координат. Такое преобразование называется трансформацией.

При трансформации данные из одной системы координат конвертируются в другую. Также вы можете применить трансформацию для сдвига данных внутри системы координат, например, преобразования их изфутов вметры.

ГИС выполняет целый ряд таких преобразований. К ним относятся линейные

преобразования – масштабирование, поворот, скос, смещение начала координат. Также возможны нелинейныепреобразования с использованием полиномов высокого порядка.

Система ArcGIS располагает средствами для преобразования произвольных координат в географические. Для трансформации векторных данных используются набор инструментов Векторной Трансформации, для трансформации растровых данных используются набор инструментов Пространственной привязки.

Слайд 8. Трансформация.

Функции трансформации основаны на сравнении координат для исходных и целевых точек, называемых также опорными точками, через специальные графические элементы, называемые связями (векторами смещения). Вы можете либо создавать эти связи интерактивно, указывая на известные местоположения исходных и целевых точек, либо загрузив текстовый файл связей или файл опорных точек. В качестве опорных точек, как правило, выбирают точки, легко идентифицируемые и на карте, и на местности: перекрестки дорог, характерные углы зданий и участков и т.д. Координаты опорных точек снимают с крупномасштабных карт или определяют с помощью GPSприемников. Опорные точки должны располагаться равномерно по всему полю изображения, чем равномернее распределение точек, тем надежнее результаты трансформирования.

Существует четыре распространенных типа преобразований: аффинное, проективное преобразование, преобразование подобия, метод резинового листа.

При аффинном преобразовании можно дифференцированно масштабировать, задавать скос, поворачивать, переносить данные. Аффинное преобразование требует задания, по крайней мере, трехсвязей смещения.

При преобразовании подобия данные масштабируются, поворачиваются и сдвигаются. Здесь масштабирование по осям не будет независимым, и будет отсутствовать скос. Преобразование подобия требуетзадания как минимуму двухсвязей смещения.

Проективное преобразование основано на принципах фотограмметрии и требует, по крайней мере, четырех связей смещения.

Слайд 9. Трансформация методом резинового листа.

Метод резинового листа использует линейно-кусочную трансформацию, сохраняющую прямые линии. При этом поверхность исходного слоя кусочно сжимается или растягивается, подгоняясь к более точному целевому слою.

Как и в других методах преобразований, для задания, куда будут перемещаться объекты,

в методе резинового листа используются связи смещения. Только здесь они называются связи идентичности. Связи идентичности поддерживают объекты (вершины) на определенных местах, а остальные смещаются. Такие связи служат в качестве “якорей”, поскольку предупреждают перемещение объектов в процессе трансформации. Связи идентичности доступны только при использовании метода резинового листа. Как и связи смещения, они представлены на картеграфическими элементами

В ArcGIS можно ограничить область трансформации, применив инструмент Ограничения области трансформации. Этот инструмент позволяет нарисовать контур вокруг объектов, которые вы хотите трансформировать. Любые объекты за пределами этой области не будут затронуты трансформацией.

Слайд 10. Среднеквадратичная ошибка(RMS error).

Параметры преобразования представляют собой всего лишь параметры уравнений, с помощью которых исходные (нетрансформированные координаты) пересчитываются в целевые (трансформированные). Не существует таких совершенных методов трансформаций и таких совершенных данных, чтобы исходные объекты после трансформации переместились строго в тем позиции, которые мыдля нихуказали.

Расхождение между расчетным положением опорных точек и их фактическим положением называется остаточной ошибкой. Остаточная ошибка рассчитывается для каждой опорной точки. Также рассчитывается суммарная среднеквадратическая ошибка по формуле представленной на слайде.

Параметры преобразований подбираются таким образом, чтобы ошибка RMS была как можно меньше. Преобразование выполняется исходя из метода наименьших квадратов, поэтому вы можете задать больше минимального числа связей (имеется в виду минимальное число связей, необходимое для выполнения трансформации повыбранному методу).

Ошибка RMS характеризует, насколько хорошо выполнено геометрическое преобразование. Если RMS не превышает точность входных данных, то трансформация выполнена идеально.

Слайд 11. Подгонкаграниц.

Следующая часто встречающаяся задача при вводе данныхстыковка векторных данных вдоль границ листов карты, когда два соседних набора данных физически связываются для получения большей изучаемой области. Очень часто объекты на границе двух смежных листов обнаруживают различия в форме или местоположении. Причин для этого множество: и

объективных, исубъективных.

Во-первых, две карты, даже будучи сделанными в одной и той же проекции, но введенные по отдельности, могут иметь ошибки объектов, оказавшихся несколько различными. Помните, что карты фиксировались на планшете дигитайзера, их опорные точки определялись, и все объекты вводились в отдельных сессиях оцифровки. Следовательно, каждое из двух наборов данных может быть достаточно точным само по себе. Различия в условиях ввода между ними, скорее всего, приведут к несовпадениям между отдельными объектами, иногда, трудноразличимым, иногда очевидным. Например, если дорога, проходящая по двум листам карты, должна быть прямой линией, то вам нужно проверить, когда листы будут соединены, что вы не получите зазубренный край или слегка смещенную дорогу. Обе части дороги должны быть соединены так, чтобы онисуществовали как одна прямаялиния.

Процесс подгонки выравнивает объекты, расположенные вдоль границы одного слоя, к объектам смежного слоя. Слой с объектами наименьшей точности трансформируется, и другой смежный слой используется в качестве контрольного. Инструмент Подгонки добавляет связь между соединяемыми объектами.

Инструмент Векторной трансформации системы ArcGIS поддерживает два типа методов подгонки границ: Сглаженная иЛинейная подгонка.

Линейный метод сдвигает только последнюю вершину линейного объекта, в то время как сглаженный метод распространяет изменения на все вершиныобъекта.

Если вы считаете, что ваши данные одинаково точны, то вы, возможно, выберете подгонку к средним точкам связей: в этом случае будут трансформироваться объекты обоих слоев.

Есть еще одна полезная функция – использования атрибутивных значений для контроля процесса создания связей смещения. Эта функция поможет вам повысить точность подгонки. Если значения атрибутов подгоняемых друг к другу объектов не совпадают, связь не образуется.

Слайд 12. Трансформация растровых данных.

Методы геометрического преобразования растров совершенно аналогичны методам геометрического преобразования векторных типов данных. Здесь также для выполнения преобразования мы должны выбрать метод трансформации и задать опорные точки. Но при работе с растровыми данными есть одна особенность, о которой грамотный пользователь ГИС должен знать.

После выполнения геометрического преобразования центры полученных ячеек очень редко совпадают с центрами исходных ячеек. Однако, значения должны быть присвоены

центрам ячеек.

Для вычисления значения, соответствующего центру ячейки выходного растра, используется метод перекодировки. Перекодировка - это процесс определения новых значений для ячеек выходного растра, полученного в результате геометрического преобразования входного растрового набора данных. Существует несколько методик получения значения. Не имеет значения, является ли это преобразованием в координаты реального мира, изменением проекции, изменением размера ячейки или поворотом. Первый шаг преобразования растрового набора данных -определение экстента выходного растра. Он вычисляется путем применения преобразования к внешней границе растрового набора данных. Затем экстент выходного растра делится на ячейки с заданной разрешением. Если разрешение не определено, выходное разрешение определяется по разрешению входных данных.

Определяется значение координат для каждой выходной ячейки. Чтобы определить значение, которое будет присвоено каждой ячейке выходного растра, центр каждой ячейки выходного растра необходимо спроецировать в систему координат входного растра. Координаты центра каждой ячейки проецируются обратно, чтобы определить положение этой точки на исходном растре. После того, как ее положение определено, ячейке выходного растра можно присвоить значение, исходя из значений ближайших ячеек входного растра. Центр ячейки выходного растра очень редко совпадает с центром ячейки входного растра.

Существует три способа определения выходного значения: приравнивание к ближайшему соседу, билинейная интерполяция и кубическая свертка. Каждая из этих методик по-своему вычисляет выходные значения, таким образом, значения, присваиваемые ячейкам выходного растра, могут быть разными в зависимости от выбранного метода.

Присвоение значения ближайшего соседаэто метод перекодировки для категорийных данных, поскольку он не изменяет значения ячейки входного растра. После того, как определено положение центра ячейки выходного растра на входном растре, метод присвоения значений ближайшего соседа находит центр ближайшей ячейки и присваивает значение этой ячейки ячейке выходного растра.

Билинейная интерполяция использует для определения значения ячейки выходного растра, исходя из значений четырех ячеек, ближайших к центру выходной ячейки. Выходное значение представляет собой среднее этих четырех значений, вычисленное с учетом веса, определяемого расстояниями от центра выходной ячейки до центров соответствующих входных ячеек. Метод интерполяции позволяет получить более гладкую поверхность, чем при присвоении значения ближайшего соседа.

Поскольку значения выходных ячеек вычисляются с учетом их относительного

положения и значений входных ячеек, билинейную интерполяцию предпочтительно использовать для таких данных, в которых значение, присвоенное ячейке, связано с расстоянием от известной точки или объектов (т.е. для непрерывных поверхностей). Высота над уровнем моря, уклон, уровень шума от аэропорта, минерализация грунтовых вод в районе дельты реки - все это примеры явлений, представляемых непрерывными поверхностями, для которых удобно использовать билинейную интерполяцию.

Кубическая свертка аналогична билинейной интерполяции, за исключением того, что среднее значение с учетом веса, зависящего от расстояния, вычисляется по 12 ближайшим ячейкам.

Кубическая свертка позволяет получать более детальные данные, чем билинейная интерполяция, поскольку в вычислении задействовано больше исходных значений.

Билинейную интерполяцию или кубическую свертку нельзя применять к категорийным данным, т.к. они не позволяют сохранить значения категорий в выходном растре. Однако, к непрерывным данным можно применять любой из трех методов, причем присвоение значения ближайшего соседа позволяет получить блочное изображение, билинейная интерполяция -наиболее гладкое, а кубическая свертка -наиболее детальное.