Методичка

Результат сканирования может быть представлен в виде файла различных форматов. Наиболее популярны TIFF, PCX, GIF, EPS, BMP. Размеры места на диске, необходимого для хранения изображения. зависят от величины изображения, разрешающей способности сканера, а также от количества оттенков цвета. Для получения качественного картографического изображения, необходимого для последующей векторизации, следует сканировать изображение с разрешением 600-800 dpi (точек на квадратный дюйм).

Цветные сканеры обычно имеют два режима работы: черно-белый и цветной. Цветное сканирование осуществляется за три прохода: отраженный от изображения свет поочередно проходит через три светофильтра: красный, зеленый и синий. Иногда применяется альтернативный вариант: последовательное освещение изображения светом трех цветов. Совмещение результатов дает представление о цвете. Количество передаваемых цветов зависит от числа разрядов, отведенных на один пиксел (одну точку), обычно это 24, 30 или 36 разрядов (бит). Созданное для сканеров программное обеспечение позволяет сканировать, редактировать и ретушировать изображения, а также записывать их в формате, удобном последующей обработки и преобразования.

Дигитайзер - это устройство планшетного типа, предназначенное для ввода информации в цифровой форме. Дигитайзер состоит из электронного планшета (иногда на нем имеется прямоугольное меню) и курсора. Дигитайзер имеет собственную систему координат и при передвижении курсора по планшету координаты перекрестья его нитей передаются в компьютер. Размеры планшета дигитайзера колеблются от А4 до А0, переменным является также количество кнопок на курсоре (от одной до 17). Стандартом считается наличие 12 кнопок. Чем большим их количеством обладает курсор дигитайзера, тем больше команд при работе может быть осуществлено нажатием на них. Во многих дигитайзерах используют своеобразное меню, также снижающее необходимость обращения к клавиатуре. Меню - это очерченная часть рабочего поля (обычно левый нижний угол), разделенная на секции и очень напоминающая по своему виду и способу работы сенсорную клавиатуру, только нажатие “клавиш” осуществляется не руками, а курсором дигитайзера.

Существует несколько способов ввода информации в ГИС с использованием традиционных карт и планов. Это цифрование с использованием дигитайзера (дигитализация) и цифрование растрового изображения на экране компьютера (векторизация). Дигитализация имеет две разновидности: по точкам и потоком, а векторизация - три: ручная, интерактивная и автоматическая. Дигитализация по точкам является самым старым методом из перечисленных. Оператор обводит курсором дигитайзера контура, нажимая при этом необходимые кнопки. При каждом нажатии в компьютер посылается код кнопки и/ или координаты точки пересечения нитей курсора. Изображения обведенных линий и объектов появляются на экране монитора. Этот метод не требует специализированной аппаратуры кроме дигитайзера и сложного программного обеспечения, однако, является самым трудоемким. При цифровании по точкам ошибки со стороны оператора практически неизбежны. Дигитализация потоком по сути не отличается от предыдущего метода, просто это другой режим работы дигитайзера, при котором с планшета дигитайзера, представляюшего собой проволочную сетку сигнал подается не при нажатии на клавишу курсора, а при пересечении курсором линий сетки, что избавляет оператора от необходимости постоянно нажимать на клавишу. С этим методом связано неудобство хранения большого количества лишних координат, получающихся при пересечении линий сетки.

Ручная и интерактивная векторизация по “подложке” называются также цифрованием на экране. Они требуют специализированного, сложного программного обеспечения и мощной аппаратуры, так как требуют большого быстродействия компьютера и значительных объемов памяти. Отсканированное изображение из файла выводится на экран монитора, и само цифрование осуществляется по этой “подложке” обычно при помощи мыши. Здесь каждый объект, как и в традиционном цифровании, необходимо обвести, только не на планшете, а на экране. При ручной векторизации все операции выполняет сам опрератор, а при интерактивной часть операций производится автоматически. Так, например, при векторизации горизонталей или других изолиний достаточно задать начальную точку и направление отслеживания линии. Далее векторизатор сам отследит эту линию до тех пор, пока на его пути не встретятся неопределенные ситуации (разветвление или разрыв линии). Здесь опрератор помогает программе разрешить неопределенность и векторизация продолжается до встречи с новой неопределенностью. В основе этого метода лежит умение программы распознать направление обхода объекта в его поточечном изображении. Большинство векторизаторов, работающих в интерактивном режиме, обладают возможностями настройки на преодоление некоторых неопределенных ситуаций, что позволяет векторизовать, например, штриховые и штрих-пунктирные линии, горизонтали с бергштрихами, бровки оврагов и т.п. Возможности интерактивной векторизации прямо связаны с качеством исходного материала и сложностью карты. Несмотря на трудоемкость, эти способы позволяют добиться гораздо большей точности, чем при обычном цифровании дигитайзером, поскольку линии проводятся прямо по линиям, полученным со сканера, а изображение на экране может быть увеличено до необходимых размеров.

Автоматическое цифрование подразумевает очень небольшое по сравнению со всеми остальными способами вмешательство оператора в работу системы. Карта вначале сканируется, а затем автоматически переводится в векторный формат. Этот тип ввода информации состоит из этапов предварительного редактирования, непосредственного перевода из растрового формата в векторный и окончательного редактирования. Некоторые программные продукты корректируют всевозможные помехи (пятна, грязь и др.) с использованием специальных программ. Эти системы по заложенным в них образцам распознают символы, линии, окружности и т.п. Окончательное редактирование обязательно проводится после перевода форматов. Оно необходимо, поскольку самая изощренная программа может неверно распознать объект, принять, например, символ за группу точек, определить полигон как набор линий и т.д. Автоматический перевод из растрового формата в векторный наиболее удобен в том случае, если обрабатывается большое количество однотипных простых чертежей или карт. Такие программы очень дороги, их покупка становится выгодной только при постоянных больших объемах однотипных работ. В качестве базовой необходимо иметь технологию цифрования и средства дополнительного редактирования. Дигитализацию по точкам или потоком лучше всего использовать для цифрования картографического материала, имеющего нестандартный размер, масштаб, систему координат при плохом качестве исходного материала, его большой сложности, изобилии перекрывающихся символов и текста, наличии пропусков. Ручная векторизация по подложке наиболее приемлема для изображений средней сложности или тех, которые необходимо лишь частично перевести в векторный формат. Интерактивная векторизация подходит для подготовки данных к гибридным векторно-растровым приложениям, для карт с небольшим количеством сложных объектов, для карт, требующих введения среднего количества атрибутов и с ограниченным числом слоев при хорошем качестве исходного материала. Автоматическая векторизация оптимальна при большом количестве несложных документов, для карт с преобладанием линейных элементов, для карт и рисунков с повторяющимися символами, при хорошем качестве исходного материала.

Цифрование - ступенчатый процесс, включающий: подготовку исходной карты к цифрованию, выделение слоев и объектов, составление ведомостей на объекты, непосредственное цифрование, занесение атрибутивной информации в соответствующие файлы или таблицы. Цифрование - это перевод пространственной информации в цифровую форму. Точки, линии и площадные объекты представляются в виде последовательностей пар координат x,y. Точки представляются одной парой координат, линии представляют из себя строку координат. а полигоны формируются из линий и должны быть замкнуты. Цифрование осуществляется при помощи дигитайзера. Бумажные карты могут быть мятыми, деформированными, рваными. Желательно копирование карт с тонкой легко мнущейся основы на более твердую. Другим важным условием качественной работы является хорошая читаемость карты, четкость печатного изображения, позволяющего легко выделять контуры.

Предварительная подготовка к цифрованию включает в себя выделение объектов, принадлежащих к одному слою (например, гидрография) и/или типу (линии, точкиЮ полигоны. Каждому объекту должен быть присвоен порядковый номер, устанавливающий последовательность цифрования, по которому затем будет добавлена атрибутивная информация. В некоторых системах она добавляется сразу при цифровании, в других - после полного завершения процесса, иногда допускается и тот и другой способ.

В начале цифрования лист должен быть надежно закреплен на планшете. Поскольку каждый дигитайзер имеет собственную систему координат, важно иметь возможность перевести эти условные координаты в истинные географические. Поэтому в начале сеанса работы снимаются координаты нескольких (не менее двух) так называемых установочных точек, для которых должны быть известны и координаты в системе координат дигитайзера и в истинной географической системе. Эти координаты в дальнейшем используются для пересчета всех остальных точек в нужные координаты.

Следует несколько увеличить действительную величину цифруемого листа, что позволяет довести линии, отсекаемые краями карты. При этом удается гораздо точнее соединить этот лист с соседними. Необходимо также обращать внимание на аккуратное определение мест пересечения линий, выделение наиболее точного местоположения пересечения в процессе подготовки к цифрованию. Обязательно также отмечать точку полигона, принимаемую за начальную, чтобы не проходить начало линии дважды. Присваиваемый полигону номер (идентификатор) лучше всего ставить внутри него, чтобы не путать идентификаторы смежных областей.

Большинство ГИС снабжены возможностями. обеспечивающими аккуратное цифрование, например, точное начало одной линии на другой, что важно при цифровании реки и ее притоков. Необходимо, чтобы линия, изображающая приток. точно начиналась на русле, иначе при решении различных задач, например при поиске оптимального пути ГИС не сможет найти правильного решения, да и при простой визуализации окажется, что они не соединены. К другим возможностям того же плана относятся: замыкание линий, привязка к началу, концу, произвольной точке выбранной линии, оцифрованной ранее и т.п. Одной из важных проблем является то, что слои и/или отдельные типы элементов обводятся отдельно в различных сеансах работы, поэтому на экране появляется не вся картинка, а только полигоны или только линии. В связи с этим не удается точно увязать между собой объекты, принадлежащие к разным слоям или группам. Такие ошибки не всегда могут быть исправлены при последующем редактировании. В некоторых системах, например GeoDraw найдено следующее решение этой проблемы: система позволяет загрузить на экран монитора изображение неактивных в данный момент слоев, выбираемых оператором. Объекты, цифруемые в данном сеансе, могут быть привязаны к неактивным, таким образом, осуществляется точное увязывание контуров между собой.

При обведении контуров оператор должен точно соблюдать порядок занесения объектов в файл. Редактирование ошибок ввода производится неодинаково в различных ГИС. В большинстве систем редактирование возможно и в процессе цифрования и после него. Часть ошибок, например незамкнутость полигонов, неузловое пересечение линий, отсутствие номера или идентификатора объекта ГИС обычно отслеживает автоматически, однако некоторые ошибки могут быть найдены и исправлены только человеком: к ним относится соответствие номеров объектов на подготовленной и оцифрованной карте, отбор объектов для цифрования и его соблюдение.

Вопросы для самопроверки.

25. Технические средства ввода позиционной информации.

26. Способы ввода позиционной информации.

27. Способы дигитализации.

28. Способы векторизации.

29. Что такое «подложка»? Когда она применяется?

30. Преимущества и недостатки различных способов цифрования.

31. Выбор способа цифрования в зависимости от качества данных и цели.

32. Методика цифрования и его этапы.

Литература.

Кошкарев А.В., Тикунов В.С. Геоинформатика. С. 45-46.

Коновалова Н.В., Капралов Е.Г. Введение в ГИС. С. 30-33, 61-72.

4. Структуирование пространственных данных.

Пространственные объекты подразделяются на множество атомарных, или элементарных объектов - примитивов. К ним принадлежат точки (точечные обекты), линии (линейные объекты), контуры (ареалы, полигоны, polygon, area, area feature, region, face), поверхности (рельефы, surface, relief), ячейки регулярных пространственных сетей и элементы разрешения изображений (пикселы). Первые четыре примитива: нуль-, одно-, двух- и трехмерные пространственные объекты ориентированы на их векторные представления (когда их описание осуществляется путем указания координат объектов и составляющих их частей). Ячейки регулярных сетей и пикселы связаны с растровыми представлениями (в виде совокупности ячеек, на которые разбиваются объекты). В общем растровом формате представления различаются собственно растровые и регулярно-ячеистые (клеточные, матричные, решетчатые) представления. Собственно растровое представление или растровая модель данных - цифровое представление пространственных объектов в виде совокупности ячеек растра (пикселов) изображения на экране дисплея с присвоенными им значениями класса объекта. Растровое представление предполагает позиционирование объектов путем указания их положения в соответствующей растру (разрешению экрана дисплея) прямоугольной матрице единообразно для всех типов пространственных объектов (точек, линий, полигонов, поверхностей). Регулярно-ячеистое представление - это цифровое представление пространственных объектов в виде совокупности ячеек регулярной сети, т.е. двумерных пространственных объектов, элементов разбиения линиями регулярной сети земной поверхности, а не изображения, как в предыдущем случае. Ячейки характеризуются правильной геометрической формой (треугольник, четырехугольник, шестиугольник, сферическая или сфероидическая трапеция при построении сети на сфере или эллипсоиде соответственно), абсолютными размерами в линейной или градусной мере. Эти размеры определяют пространственное разрешение образующей регулярной сети. Ячейки характеризуются также относительными размерами (равновеликие, неравновеликие). По структуре представления пространства растровые модели делятся на регулярные, нерегулярные и вложенные. Плоские модели регулярной мозаики разбивают поверхность на квадраты, треугольники, шестиугольники. Среди нерегулярных мозаик чаще всего используют треугольные сети неправильной формы - Triangulated Irregular Network (TIN) - системы неравносторонних треугольников, соответствующих триангуляции Делоне и полигонам Тиссена. Триангуляция Делоне - треугольная полигональная сеть, образуемая на множестве точечных объектов путем их соединения непересекающимися линиями. TIN-модель была разработана в начале 70-х как простой способ построения поверхностей на основе набора неравномерно расположенных точек. Сети TIN особенно удобны для цифрового моделирования рельефа, представляя его набором высотных отметок в узлах сети (точках перегиба). Таким образом, рельеф представляется многогранной поверхностью. TIN-модель позволяет использовать в качестве элементов более сложные многоугольники, которые можно разбить на треугольники. Эта модель может использоваться как при растровом, так и векторном представлении пространственных объектов. В частности, она используется в ГИС ARC/INFO в модуле цифрового моделирования рельефа. В этом случае к узлам треугольной сети, а также ребрам (сторонам треугольников) относится далее все атрибуты цифровой модели рельефа. В векторных ГИС элементы TIN-модели можно рассматривать как полигоны с атрибутами угла наклона, экспозиции и площади, с тремя вершинами, имеющими атрибуты высоты и с 3-мя сторонами, характеризующимися углами наклона и направлением.

Полигоны Тиссена (или Дирихле), или диаграммы Вороного, ячейки Вигнера-Зейтца, многоугольники близости позволяют проводить анализ на соседство, близость и доступность. Они представляют собой геометрические конструкции, образуемые относительно множества точек таким образом, что границами полигонов являются отрезки перпендикуляров, восстанавливаемых к серединам отрезков прямых, соединяющих две ближайшие точки.

Основное преимущество растровых и ячеистых представлений - слияние позиционной и семантической (тематической) информации в единой прямоугольной матрице, расположение элементов которой определяется номером их столбца и строки. При необходимости координаты пиксела или любого угла угла ячейки пространственной сети могут быть легко вычислены. Значение элемента служит непосредственным указателем его семантической определенности, его смысловым кодом или идентификатором. С каждым семантическим значением может быть связан неограниченный по длине набор атрибутов, каждый из которых может быть развернут в производный слой с размерностью исходной матрицы. Поэтому не столь обязательно разделение данных на позиционную и семантическую (тематическую) составляющие, существенно упрощаются аналитические операции, многие из которых сводятся к попиксельным операциям.

Ячеистое представление объектов путем их соотнесения с территориальными регулярными ячейками основано на разбиении территории на ячейки правильной геометрической формы (прямоугольной, квадратной, треугольной, гексагональной или трапецевидной) в некоторой системе координат (прямоугольной геодезической, географической или условных прямоугольных координатах карты). При этом сеть может мысленно строиться на плоскости, поверхности шара или эллипсоида (в последнем случае регулярными ячейками являются сферические трапеции заданного углового размера). Размеры ячеек определяются требуемым пространственным разрешением, в случае необходимости оперировать различным пространственным разрешением применяются системы вложенных друг в друга территориальных ячеек.

Простота машинной реализации растровых представлений находится в противоречии с другой главной их особенностью - значительными затратами машинной памяти в сравнении с векторными представлениями. Существуют способы сжатия (компрессии, упаковки) растровых данных, которые позволяют значительно уменьшить этот недостаток. Простейший из них - групповой код, называемый также лексиграфическим. Суть его состоит в следующем: фрагмент исходного растрового слоя преобразуется при этом в ряд пар целых чисел, нечетные позиции из которого отводятся для указания числа повторений ячеек со значениями, занимающими четные позиции ряда. Поскольку число позиций в строке исходной матрицы известно, то его расшифровка не представляет сложности. Принцип группового кодирования широко распространен, однако не принадлежит к самым эффективным. Гораздо более результативны подходы пирамидального представления, в частности подходы квадротомического дерева. Квадротомические структуры разбивают изображение или территорию на вложенные ячейки. В этом случае пространственный объект представляется в виде иерархической древовидной структуры, полученной в результате разбиения пространства или его изображения на квадратные участки или квадратные блоки, квадранты, каждый из которых в свою очередь делится рекурсивно на 4 вложенных до достижения некоторого уровня, обеспечивающего требуемую детальность описания объекта, разумеется, ограниченную разрешением растра. Контур представляется в виде вложенных друг в друга квадратных блоков и производного квадротомического дерева, на каждом из уровней которого указывается принадлежноссть или непринадлежность объектов данного уровня контуру. Квадротомическое представление обеспечивает значительную экономию объемов памяти, требуемых для хранения растровых данных, и что еще более важно - сокращает время доступа к элементам пространственных объектов. Квадротомическое представление является “интеллектуализированным” растром. Для представления трехмерных изображений используется аналогичная методика построения октотомических деревьев.

В растровых форматах в большинстве случаев неясно, относятся ли координаты к центральной точке пиксела или к одному из его углов. Пространственное разрешение при растровом формате определяется размерами ячейки сетки или соответствующей одному пикселу клеточки карты. Векторные же данные могут задаваться с любой степенью точности. Векторная модель предоставляет произвольный доступ к данным. В векторном формате легче осуществляются операции с линейными и точечными объектами, замена условных обозначений. Растровая модель дает информацию о том, что расположено в той или иной точке, векторная - где расположен тот или иной объект.

Векторные представления или структуры данных имеют аналогии в картографии, где различаются объекты с точечным, линейным и площадным характером их пространственной локализации.

Множество точечных объектов, образующее слой однородных данных может быть представлено в векторном формате в виде необязательно упорядоченной последовательности записей, каждая из которых содержит три числа: уникальный идентификационный номер объекта (его идентификатор), значение координат X,Y.

Множество линейных объектов (например, элементы гидрографической сети), образующих однородный слой, может быть представлено последовательностью координат точек, аппроксимирующих кривые ломаными, составленными из отрезков прямых. Именно с представлением линейных объектов в виде последовательности образующих их точек связано изначально понятие о векторном формате представления: любая кривая может быть описана с заданной точностью совокупностью отрезков прямых - векторов. Расположение образующих кривую точек с фиксированными координатами зависит от сложности рисунка с привязкой к характерным точкам кривой. Слой линейных сетей разбивается на линейные отрезки (дуги), которые представляются идентификаторами и упорядоченными последовательностями значений координат образующих их точек в соответствующих форматах. Дуга (arc, string, chain, line, edge) - синоним - нить - последовательность сегментов, имеющая начало и конец в узлах. Сегмент - отрезок прямой линии, соединяющий две точки с известными координатами.

Векторные форматы представления пространственных данных могут топологическими и нетопологическими. Топология - раздел математики, имеющий своим назначением выяснение и исследование в рамках математики идеи непрерывности. Топологические свойства фигур не изменяются при любых деформациях, производимых без разрывов или соединений. В ГИС топологические модели характеризуются наличием совокупностей взаимосвязей, таких, как соединение дуг на их пересечениях, упорядочением набора звеньев, образующих границу полигона, взаимосвязей между полигонами и т.д. Слово “топологический” означает, что в модели объекта хранятся взаимосвязи между объектами, что расширяет использование данных для различных видов пространственного анализа. Топологические модели позволяют представлять элементы карты и всю карту в целом в виде графов. В теории графов: граф - конечное множество вершин, соединенных ребрами. Вершины и ребра - элементы графа, число вершин называется порядком графа. Вершины - объекты, ребра - связи между объектами. Граф называется пустым, если не имеет ребер. Две вершины смежны, если они соединены ребром, два ребра смежны. если имеют общую вершину. Граф называется ориентированным, если каждое ребро имеет определенное направление. Ребра такого графа называются дугами. Граф называется связным, если любые две его вершины соединены маршрутом. Таким образом, в топологической векторной модели площади (полигоны, контура), линии и точки описываются границами и узлами. Каждая граница идет от начального к конечному узлу, и известно, какие полигоны находятся справа и слева. В соответствии с алгебраической топологией полигоны называются 2-ячейками, линии - 1-ячейки и точки - 0-ячейки. Карта рассматривается как ориентированный двухмерный ячеечный комплекс. Топологическое векторное представление отличается от нетопологического наличием возможности получения исчерпывающего списка взаимоотношений между связанными геометрическими примитивами без измерения координат пространственных объектов. Покрытие - набор файлов, отображающих пространственные объекты (точки, дуги, полигоны) и структуру отношений между ними. Примеры топологических отношений между объектами: указание соподчиненности “главный водоток - приток” в линейных сетях, указание принадлежности линейных объектов к описываемым ими контурам, “часть чего-либо”, “левый, правый по отношению к чему либо”, “ начало” и “конец” чего-либо.

Векторное нетопологическое представление - син. “модель спагетти” содержит описание только геометрии пространственных объектов, но не их топологических отношений.

Векторные форматы представления линейных отрезков содержат идентификатор линейного отрезка и координатные пары. Кроме того, должен содержаться элемент, позволяющий выделить заданный отрезок в общей совокупности записей линейных объектов слоя, которому соответствует обычно файл данных. В IDRISI (разработка Аспирантской школы Университета Кларка, штат Массачусетс, США) это делается путем помещения вслед за идентификатором целого числа,указывающего число координатных пар, в ARC/INFO линейные отрезки отделяются друг от друга меткой END.

В нетопологической модели каждый именованный контур (т.е. со своим идентификатором) представляется совокупностью пар координат, образующих его границу линейных отрезков в избранной последовательности (например, по часовой стрелке). Каждый линейный отрезок за исключением внешней границы контуров будет в таком случае описан дважды, т.к. с каждой стороны от отрезка расположен свой полигон. Такой способ представления неэффективен с точки зрения объемов информации и обработки с помощью аналитических операций ГИС, но применяется в недорогих ГИС. Поэтому широко распространено линейно-узловое топологическое представление, в котором контурные объекты описываются в виде множества трех элементов циклических сетей: узлов (node), дуг (arc) и собственно полигонов (polygon). Между этими объектами устанавливаются некоторые топологические отношения, необходимым элементом которых должна быть связь идентификаторов полигонов и дуг. Дугам приписывается указатель правого и левого полигонов, фиксируется направление обхода контуров (полигонов). Различают простой полигон (simple), не содержащий внутренних (inner), и составной (complex), содержащий внутренние полигоны, называемые также “островами” (island) и анклавами (hole). Совокупность полигонов образует полигональный слой, который обязательно включает особо идентифицируемый полигон, внешний по отношению ко всем другим полигонам, называемый универсальным или внешней областью.