Гис «Панорама».

Разработка КБ «Панорама» Минобороны РФ. Достоинство – совместимость со всеми форматами, которыми пользуются наши военные картографы. Но, к сожалению, большая часть нашей электронной картографической информации недоступна рядовому пользователю. Обычно пакет поставляется со своими векторными данными на конкретную территорию в виде интерактивной электронной карты, с которой можно выполнять определенные операции.

Основой ГИС "ПАНОРАМА" является специализированная система управления базами данных электронных карт, которая позволяет создавать на основе практически любых исходных материалов векторные электронные карты, растровые электронные карты, растровые фоновые карты (до 16 млн. цветов), матричные электронные карты (матрицы высот рельефа, матрицы высот объемов местности, матрицы свойств участков местности).

Структура данных.

    Векторная электронная карта может содержать несколько тысяч листов электронных карт. Размер отдельного листа - площадь показываемой территории, может соответствовать или стандартному листу карты (например 1:200000, 1:5000 и др.), или определяться пользователем в каждом случае отдельно, то есть размер листа неограничен. Все объекты на листе имеют свою локализацию (линейный, площадной, подпись и др.), также все они разделяются по слоям - "ГИДРОГРАФИЯ", "ДОРОЖНЫЕ СООРУЖЕНИЯ","РЕЛЬЕФ" и т.д. Допустимо 256 видов слоев, а с учетом локализации объектов их может быть более 1000. Всего один лист электронной карты может содержать до 4 млрд. объектов.

Создание, обновление и распространение карт местности и пользовательских карт может выполняться независимо разными службами из разных источников. Графическое представление объекта может храниться в записи объекта, что облегчает конвертирование данных из форматов DXF, MIF/MID и т.п. Атрибутивные данные могут храниться во внешней реляционной базе данных. Cвязь с базой данных выполняется по уникальному номеру объекта на карте. Благодаря продуманному подходу к структуре данных, система имеет возможность быстрого и гибкого поиска объектов на карте - по номеру, по типу, названию, а также сочетанию в определенном отношении любых характеристик объектов. Базовым обменным форматом является формат SXF в двоичном и текстовом видах. Поддерживаются форматы Роскартографии, ТС ВС РФ, а также DXF и MIF/MID.

Средства геоинформационного моделирования.

 История программного продукта GIS ToolKit начинается с создания навигационной программы для станции "Мир" по заказу РКК "ЭНЕРГИЯ" в 1993 году. Одним из основных условий разработки было требование размещения загрузочного кода вместе с картой масштаба 1 : 40 млн. на одной дискете емкостью 1.2 Мбайт. При этом, программа должна была не только показать карту в стандартных условных знаках с возможностью изменения масштаба, отображаемых слоев, но еще рассчитывать текущую орбиту, перемещать в реальном времени подспутниковую точку с учетом параметров орбиты, определять зоны дня и ночи, отображать зоны радиосвязи и выполнять другие необходимые расчеты. Ни одно из существующих на тот момент средств создания ГИС-приложений не позволяло решить эту задачу: либо не удовлетворяла скорость обработки и отображения данных, либо продукт имел слишком узкие функциональные возможности, либо конечный продукт имел недопустимые объемы. Специалистами Института телекоммуникаций Академии инженерных наук (г. Санкт-Петербург) и Топографической Службы РФ было принято решение создать собственный ГИС- инструмент и уже на его основе выполнить разработку. С появлением Windows 95 ядро системы было переписано на языке С++ и расширено для создания ГИС, способной решать различные прикладные задачи (связь, навигация, экология, земельный кадастр и др.). Участие в разработке программ принимали Национальная картографическая корпорация, компании "Гео Спектрум" и "Эпсилон Технолоджис". В результате на сегодняшний день создано инструментальное средство для разработки ГИС проектов - GIS ToolKit. За 5 лет своего существования инструментарий GIS ToolKit стал основой для создания геоинформационных компонент во многих автоматизированных системах: земельного кадастра, энергоснабжения, водопользования, ведения экологического мониторинга, управления транспортом, навигации, учебных тренажеров и др.

Растровые пакеты обработки данных дистанционного зондирования. Практически все на сегодняшний день включают элементы ГИС-технологий: работу со слоями, отдельные пространственные операции, растрово-векторные преобразования и т.п. Чем существенно отличаются: изначально ориентированы на площадные оценки и исследование непрерывных процессов, происходящих на земной поверхности (мониторинг). Являются основой природноресурсных ГИС. Среди таких пакетов наиболее близки к настоящим ГИС по своим функциональным возможностям и многообразию используемой информации три известных на мировом рынке продукта: ER Mapper, ERDAS Imagine и ENVI

Наиболее известные на отечественном рынке продукты: из профессиональных - ER Mapper, ERDAS Imagine. Используются также легкие настольные системы, в основном в учебных заведениях и для решения небольших исследовательских задач – IDRISI, EPPLE7, GRASS.

Обязательные компоненты пакетов: трансформирование изображений в проекцию карт, создание композиционных изображений, яркостные преобразования, классификация по спектральным признакам (контролируемая и неконтролируемая), выделений областей интереса с помощью векторной графики, создание мозаик изображений, подготовка тематических карт. Элементы пространственного анализа: сегментация, сглаживание, фильтрация областей по заданным характеристикам (площадь, яркость, класс и др.). Элементы ГИС-анализа: послойное представление, возможности оверлейных операций со слоями, растрово-векторные преобразования. Хорошие коммерческие пакеты обязательно включают большое количество конверторов, как растровых, так и векторных данных в наиболее распространенные форматы.

Основные отличия: интерфейс пользователя, в частности, способы представления многозональных изображений, возможности растрового и векторного графических редакторов, средства выделения областей интереса; количество растровых и векторных слоев, средства для выполнения оверлейных операций над ними; количество и способы реализации алгоритмов классификации; наличие и возможности процедур пространственного анализа. Наличие специальных процедур тематического анализа и классификации.

Возможности разработки и подключения собственных приложений, написанных на языках высокого уровня, имеются практически во всех профессиональных пакетах, однако способы их подключения и использования не одинаково удобны.

Пакет программ для обработки данных дистанционного зондирования ER Mapper. Разработан австралийской компанией Earth Resource Mapping Ltd. для выполнения задач, связанных с анализом и обработкой данных дистанционного зондирования (аэрокосмических, радарных, сейсмических, магнито- и гравиметрических и др.), обработки сейсмических данных, подготовки данных для геоинформационных систем, обнаружения новых нефтяных и газовых месторождений, добычи полезных ископаемых, построения новых карт, проведения презентаций, и т. д.

Пакет имеет собственный внутренний растровый формат с расширением .ers.

Общая идеология пакета ER Mapper - алгоритмическая структура работы с данными. Эта концепция дает возможность обрабатывать изображения способом, принципиально отличающимся от любых других и позволяет существенно экономить память на диске, что важно при обработке больших объемов растровых данных. Поддерживается ввод растровых и векторных данных более чем 180 различных форматов. При выводе на дисплей (или на печатающее устройство) к изображение может содержать произвольное число графических слоев, причем каждый слой может быть подвергнут индивидуальной обработке. Возможно также отображение отдельных слоев изображения.

В пакете реализовано новое понятие в технике обработки изображений: виртуальные наборы данных. Эти наборы представляют собой специальный алгоритм, который выглядит как реальный набор данных, не требуя дополнительного места на диске (получается в результате применения алгоритма к некоторому реальному набору данных). В результате применения виртуального набора данных полученные на выходе системы данные могут быть затем поданы на вход для дополнительной обработки. Пользователь может легко добавлять собственные программы динамической связи с наиболее распространенными ГИС и СУБД. Обработка изображений с помощью формул и фильтров: имеется аппарат записи формул, при этом интерпретатор формул содержит простые и логические операторы, функции и подпрограммы вычисления статистики, быстрого преобразования Фурье. Пользователь имеет возможность использовать собственные разработки. Неконтролируемая классификация на основе алгоритма ISODATA, управляемая (контролируемая) классификация с различными способами подготовки обучающих данных.

Обеспечивается полная поддержка всех существующих координатных систем. В состав пакета входит один из самых полных комплектов картографических проекций и эллипсоидов. Возможен перевод данных из одной проекции в другую. Любой набор данных, приведенных к какой-либо проекции, может быть снабжен координатной сеткой. Автоматически выполняется слияние и перемасштабирование различных наборов данных.

Для оверлейных операций используется аппарат динамических связей. Он же используется для связи с атрибутивными базами данных.

Обеспечивается отображение и вывод на печать трехмерных изображений и стереопар. Существует возможность трехмерной визуализации сразу нескольких поверхностей в различной обработке. При построении мозаик выполняется орторектификация. 3D – анализ, построение цифровых моделей рельефа. Пространственные операции, быстрое преобразование Фурье.

Встроенный язык программирования операций, большое количество программ для различных приложений, реализованных на этом языке. Допускается встраивание приложений пользователя на языках C и FORTRAN.

Недостатки с точки зрения интерфейса: недостаточно хорошо проработаны средства визуализации. Графический редактор (вьюер) оставляет желать лучшего.

В целом пакет по идеологии чем-то близок к пакету ENVI, но значительно шире по своим функциональным возможностям и сфере применения. Точнее, ENVI в чем-то cкопирован с этого пакета. Однако поскольку пакет новый, в нем попытались найти какие-то более современные решения. Однако интерфейс пакета ENVI все-таки тоже не очень удобен.

Пакет ERDAS Imagine. Наиболее удобное средство для решения исследовательских и прикладных задач дистанционного зондирования. Система имеет модульную структуру и работает под управлением лицензионного менеджера. Базовый комплект поставки: Imagine Vista – минимальный, Imagine Production – стандартный.

Пакет имеет собственный растровый формат с расширением .img.

Состав комплекта Imagine Production.

Viewer – растровый редактор изображений. Непосредственно в редакторе находится большое количество функций меню и кнопок, которые предоставляют возможность работать с многослойной информацией. Все возможные функции визуализации: масштаб, прозрачность слоев, измерения яркости в точке, построение яркостных профилей и трехмерной яркостной модели, геометрические измерения, редактирование атрибутов растра для классифицированных изображений, нанесение графических объектов (областей интереса), работа внутри выделенных участков (областей интереса). Области интереса можно не только наносить в интерактивном режиме, но и «выращивать» из указанной точки, задав пороговое ограничение по яркости и целый ряд других ограничений. Непосредственно из программы Viewer можно обращаться к другим модулям пакета, таким как трансформирование изображений, классификация и т.п.

Особенностью представления данных в пакете является наличие таблиц атрибутов, аналогичных по форме представления векторным ГИС, в частности, ArcView GIS. Для растровых данных таблицы атрибутов связаны с каждым значением яркости пикселов. Это позволяет наиболее полно аннотировать каждый класс на результатах тематической обработки. Имеются функции группировки и переиндексации классов именно с использованием атрибутивных таблиц. Для векторных слоев, в частности и для областей интереса также создаются таблицы атрибутов. Набор используемых графических примитивов стандартный – точка, линия, полигон. Возможно выполнение простейших пространственных запросов к графическим объектам, а также забивка определенного типа объектов заданными символами. Для создания векторных слоев предусмотрено использование дигитайзера, а также горячая связь с пакетом ARC/INFO.

Трансформирование и совмещение изображений. Включает средства совмещения изображений по заданной системе опорных точек, а также трансформирование изображения в заданную картографическую проекцию по географическим координатам опорных точек. Для этих целей имеется удобный редактор опорных точек (GSP-editor), который позволяет позиционировать опорные точки с высокой точностью. Для этого используются дополнительные окна-вьюеры с возможностью сколь угодно большого увеличения. В процессе нанесения точек можно проводить оценку ошибок трансформации и корректировать положение точек, дающий наибольший вклад в ошибку.

Модуль экспорта-импорта (Import). Обеспечивает экспорт-импорт растровых данных из внутреннего формата пакета

Модуль Интерпретатор (Interpreter). Инструментарий для улучшения изобразительных свойств (предварительная обработка) – enhancment. Включает средства пространственного сглаживания, подчеркивания контуров, текстурный анализ, адаптивные и статистические фильтры (масочные операторы), совмещение разрешающей способности, регулирование яркости и контраста, средства гистограммного анализа (эквализация, инверсия и др.), средства спектрального анализа (корреляционный анализ, анализ главных компонент, различные комбинации каналов, RGB и HSI преобразования), Фурье-анализ. Этот же модуль включает средства специального топографического и пространственного (геоинформационного) анализа. Так называемый ГИС-анализ позволяет выполнять выделение связных объектов и их фильтрацию при заданных ограничениях.

В модуле имеется также набор служебных процедур для манипулирования со слоями.

Классификация многозональных изображений (Модуль Classifier). Включает неконтролируемую классификацию (алгоритм ISODATA) с разнообразными способами формирования исходных центров кластеров, а также средства классификации с обучением, параметрические и непараметрические. Разнообразные средства получения обучающих данных: из результата неконтролируемой классификации, с помощью указания областей интереса и другие. Обучающие данные заносятся в специальную таблицу сигнатур, аналогичной таблице атрибутов. Здесь возможно построение спектральных профилей по отдельным классам и заданным группам, статистический анализ и т.п. Средства предварительной оценки статистической разделимости классов и средства оценки качества классификации по произвольной выборке.

Создание тематических карт (модуль Map Composer). Содержит полный спектр необходимых средств для создания растровых карт, включая создание мозаик изображений.

Перечисленные модули входят в поставку Imagine Vista для версии 8.2. В последних версиях имеется также:

Модуль Spectral Analysis. Средства спектрального анализа, имеющиеся в пакете ENVI, но более продвинутые. Несколько способов нормировки данных для перехода к коэффициентам спектрального отражения. Несколько способов классификации пикселей по их спектрам отражения. Методы классификации, однако, пригодны не для всех типов подстилающих поверхностей. Необходима однородность по яркости во всех каналах. В основном используются для классификации типов горных пород и материалов.

Модуль работы с векторной информацией (Vector). Обеспечивает полноценную работу с графическими форматами ARC/INFO, вплоть до создания собственных графических слоев.

Модуль радиометрической коррекции (Restoration). Выполняет восстановление развертки с использованием математических моделей конкретных сенсоров.

Модуль Radar. Специальные средства работы с радиолокационными изображениями:

• яркостная коррекция, оценивающая удаленность объектов;

• переход от угловых координат наклонной дальности к координатам, подобным картографическим с компенсацией геометрических искажений;

• подавление шумов, связанных с эффектами интерференции (в частности, спекл-шума).

Модуль Image Catalog. Обеспечивает работу с большими базами растровых и векторных данных и содержит специальные средства для их создания.

Модуль Perspective View. Позволяет строить перспективное изображение цифровой модель рельефа, а также проецировать на нее имеющиеся снимки и карты. Возможно интерактивно задавать положение наблюдателя. Средства модуля позволяют моделировать также, например, геофизические и геохимические поля.

Модуль Virtual GIS. Обеспечивает объединение ГИС и систем виртуальной реальности. Перспективное изображение с возможностью перемещения по ней наблюдателя в реальном времени. Возможно получение дополнительных эффектов: дымки, теней и др. То есть полностью реальная картина.

Векторизаторы.

MapEDIT

Автоматизированный векторизатор графических данных MapEDIT предназначен для создания цифровых векторных карт по их растровым изображениям на экране компьютера.

Векторизатор MapEDIT обеспечивает решение следующих основных задач:

• выполнение автоматизированной / ручной векторизации (цифровки) по монохромным и цветным растрам с разделением объектов карты по слоям;

• занесение атрибутивных данных, характеризующих объект, в базу данных одновременно с векторизацией;

• координирование карты, исправление искажений бумажных оригиналов;

• контроль корректности топологических отношений введенных объектов (построение топологии);

• экспорт полученных цифровых векторных карт и баз данных в форматы ГИС и САПР.

Векторизатор MapEDIT позволяет:

• производить обработку исходных растров;

• выполнять сводку/сшивку цифровых векторных карт;

• импортировать цифровые векторные карты для их редактирования.

Исходные материалы

MapEDIT работает с монохромными и цветными растрами. Поддерживаются форматы BMP, PCX, TIFF, JPG, GIF, : всего свыше 30-ти форматов.

Оцифровка карты возможна без создания единого растрового поля с последовательным переходом от одного растра к другому. При необходимости MapEDIT позволяет "склеивать" фрагменты карты, хранящиеся в отдельных растровых файлах в единый файл, трансформировать (выравнивать) растр с учетом произвольной сети картографических реперов.

Для работы с низкокачественными исходными растрами предусмотрены также разнообразные функции обработки растра. В том числе:

• удаление одноцветных объектов малой площади (мусора);

• выделение выбранных цветов, удаление цвета, замена цвета;

• сглаживание линий;

• уменьшение толщины линий;

• ручное рисование (для восстановления плохо различимых деталей).

Обработанные растры могут быть сохранены в исходных растровых форматах.

Есть еще отечественный EASY Trace, но они ушли немножко в другую область, и неизвестно, выиграют ли они от этого.

Литература.

1. А.Д.Иванников, В.П.Кулагин, А.Н.Тихонов, В.Я.Цветков. Геоинформатика. М., МАКС Пресс, 2001г.

2. Коновалова Н.В., Капралов Е.Г. Введение в ГИС. М., 1997г.

3. Л.М.Бугаевский, В.Я. Цветков. Геоинформационные системы. М., Златоуст, 2000 г.

4. А.А.Романов. Геоинформационные технологии и интерактивная компьютерная обработка в задачах дистанционного зондирования океана. М.1999г.

5. Майкл Н. Демерс. Географические информационные системы. DATA+, 1999г.

6. В.Я.Цветков. Геоинформационные системы и технологии.М. «Финансы и статистика», 1998 г.