Информация в гис

План.

1. Виды информации в ГИС.

• Информация, характеризующая объект.

• Типы характера локализации объектов.

• Основные источники пространственных данных.

2. Способы представления данных в ГИС.

3. Принципы организации данных в ГИС.

4. Применение классификаторов.

5. Форматы данных.

1.

Данные — это зарегистрированные факты и описания явлений реального мира, представленных в каком-либо формализованном виде (количественном или качественном выражении).

Данные бывают самые разные, например: результаты измерений, наблюдений и др.

В самом общем виде данные состоят из трех главных компонентов:

• атрибутивные сведения (атрибуты), которые описывают сущность и значение характеристики объекта, переменные, значения, относящиеся к объекту, и т.п.;

• географические сведения, описывающие положение в пространстве относительно других данных (практически это — координаты);

• временные сведения (время), описывающие момент или период времени.

В геоинформатике принято различать пространственные данные, т.е. координаты объектов, их пространственную сущность и атрибутивные данные, т.е. характеристики объектов.

Рассмотрим этот вопрос подробнее.

Информация, характеризующая объект.

Рассмотрим подробнее, как описывается объект или явление в цифровой векторной карте. Полное описание объекта в общем случае включает в себя следующие виды или компоненты информации: информация идентификации, информация интерпретации, информация положения, характеристики объекта, информация о пространственно-логических связях объектов, графическая информация.

Обязательные компоненты			Необязательные компоненты
Информация идентификации	Информация интерпретации	Информация положения	Характеристики объекта	Информация о пространственно-логических связях объектов	Графическая информация
Позволяет выделить данный конкретный объект из мно­жества прочих объектов	Позволяет однозначно интерпретировать (трактовать) сущность объекта	Информация, содержащая описание положения объекта, его формы, размеры	Сущность и значение свойств объекта. Могут быть: качественными количественными; первичными и вторичными	Характерные отношения между объектами, определяющие их взаимное пространственное положение и логику взаимодействия друг с другом	Правила графического отображения объекта и его характеристик на картографическом изображении
Уникальный идентификатор (номер или имя)	Код объекта по классификатору	Метрическая информация. Характер локализации. Синтаксическая информация	Семантическая информация (атрибуты): Код и значение характеристики	Топологические отношения Логические связи	Цвет Стиль линий Условные знаки Шрифты

Информация идентификации необходима для того, чтобы выделить данный конкретный объект из множества прочих объектов. В качестве такой информации используется идентификатор.

Идентификатор — это уникальный номер (или уникальное имя), присеваемый пространственному объекту слоя автоматически или назначаемый пользователем. Он служит для связи позиционной и непозиционной частей пространственных данных.

Информация интерпретации позволяет однозначно интерпретировать (трактовать) сущность объекта, т.е. понимать, какой именно объект представлен в цифровой карте (например: строение, граница земельного участка). В качестве такой информации используется код объекта из классификатора объектов картографирования (классификатор подробнее будет рассматриваться ниже). Следует отметить, что данный вид информации в литературных источниках, как правило, не выделяется как самостоятельная разновидность, но выделить его имеет смысл, т.к. в общем случае такую информацию нельзя отнести к характеристикам объекта и данные могут быть организованы таким образом, что эта составляющая описания объекта отделена от описания характеристик.

Информация положения (пространственная информация в узком смысле слова) — это информация, содержащая описание положения объекта, его формы, размеров. Основные составляющие — метрическая информация, характер локализации, синтаксическая информация. Главной частью этой компоненты является метрическая информация, т.е. собственно наборы координат точек контура объекта.

В некоторых источниках под метрической информацией понимается информация положения в более широком смысле. Так, например, в «Словаре по автоматизации в картографии», изданном Военно-топографическим управлением Генерального штаба дается такое определение метрической информации: Метрическая информация картографическая — цифровая и графическая информация, отражающая в определенной системе координат пространственное положение и геометрическое описание объектов карты.

Суть понятия «метрика» — это описание местоположения и очертаний объекта.

Довольно часто в современных литературных источниках и профессиональной речи в этом смысле применяют термин «графическая информация». Однако мы используем именно понятие метрической информации, так как это понятие абстрагировано от того, как объект будет графически изображаться при отображении карты на экране монитора или на бумаге (пластике).

Характеристики объекта, их сущность и значения составляют часть информации в описании объекта, которую называют семантической информацией, а в последнее время — атрибутивной информацией или просто атрибутами. В качестве такой информации используются код и значение х-ки.

Семантическая информация картографическая — информация в цифровом или текстово-графическом виде о количественных и качественных характеристиках объектов или явлений.

В некоторых источниках в определении атрибутивной (семантической) информации фигурирует и сущность объекта. Мы ранее для этого выделили специальный вид информации — информация интерпретации. Это целесообразно по той причине, что описание сущности объекта (участок, строение, дорога) может быть в некоторых моделях данных (например, в MGE) отделено от описания его свойств (площадь земельного участка, материал строения, материал дорожного покрытия). Т.е. под атрибутивной информацией мы будем понимать именно описание свойств объекта.

Информация о пространственно-логических связях объектов.

Пространственно-логические связи объектов — характерные отношения между объектами, определяющие их взаимное пространственное положение (соседство, пересечение, примыкание и др.) и логику взаимодействия друг с другом.

Здесь следует выделить отдельно пространственные связи или топологические отношения и логические связи

Топология — это раздел математики, изучающий топологические свойства фигур, не изменяющиеся при любых деформациях, точнее при взаимно однозначных и непрерывных отображениях.

Применительно к пространственным связям объектов топологические отношения характеризуют такие свойства, как

• примыкание (наличие общей границы),

• совпадение (наложение одного объекта на другой),

• пересечение (наличие общих точек),

• вложенность (один объект расположен в пределах контура другого площадного объекта).

Как правило, информация о топологических отношениях объектов непосредственно не вводится оператором, она может быть получена в результате компьютерного анализа информации, содержащейся в цифровой карте. Простота и эффективность этого анализа во многом зависят от используемой формы векторного представления цифровой карты и вообще от модели данных. Именно наличие информации о топологических отношениях обеспечивает эффективное решение различных задач анализа средствами ГИС, например, определение кратчайшего маршрута от одного пункта до другого; выбор всех притоков реки; выбор всех земельных участков, части границ которых совпадают с береговыми линиями водоемов и т. д.

Логические связи (отношения) между объектами описывают иные не связанные с взаимным положением в пространстве. Это: связанные объекты являются элементами хозяйственной структуры другого объекта (например, объект больница может состоять из нескольких зданий и сооружений); связанные объекты являются конструктивными элементами другого объекта; связанные объекты являются объектами административно-подчиненными другим объектам и проч.

Информация о таких связях на практике используется довольно редко и в каждой ГИС задача установления их решается по-своему или не решается вообще.

Графическая информация в прямом смысле этого слова (в отличие от метрической) — информация, с помощью которой описываются правила графического отображения объекта и его характеристик на картографическом изображении (на экране или на бумаге и проч.). В качестве такой информации используются цвет, стиль линий, условные знаки, шрифты.

Картографическое изображение — свойственное карте изображение Земли, других небесных тел или небесной сферы и расположенных на них объектов в той или иной системе картографических условных знаков (ГОСТ 21667-76 Картография. Термины и определения.).

Таким образом, графическая информация содержит в себе описание того, какими стилями линий, цветом, условными знаками показывать объекты, какими значками, каким текстом и шрифтом и как показывать характеристики объектов. Следует заметить, что при наличии стандарта на содержание карты, стандарта формата цифрового представления, стандарта условных знаков эта часть становится универсальной, т.е. одинаковой для любой из карт, подчиняющейся этим стандартам. Однако, в России, как в системе Роскартографии, так и в системе Росземкадастра, нет исчерпывающих стандартов, регламентирующих эти положения. Многие из ГИС — программных продуктов устроены так, что графическая информация в описании объектов в той или иной степени всегда присутствует.

Из перечисленных составляющих описания объектов в цифровой карте обязательными являются: информация идентификации, информация интерпретации и информация положения. Остальные виды информации в описании объекта могут отсутствовать.

Немного подробнее об информации положения.

Метрическая информация. Положение и геометрические формы объектов описываются исходя из определения векторной формы представления цифровой карты структурированным набором координат точек контура объекта.

Контур объекта — линия, представляющая очертания объекта, характеризующая его положение и форму с учетом требований картографической генерализации и точности карты.

Когда идет речь о координатах точек, всегда имеется в виду какая-либо конкретная система координат. Применительно к ГИС и цифровой карте в первую очередь следует отметить, что положение объекта, как правило, может быть описано в двухмерном и трехмерном пространстве. Можно реализовать и четырехмерное пространство, например, введя четвертую компоненту — время.

Положение может быть описано геодезическими прямоугольными координатами, или геодезическими широтой, долготой и высотой, прямоугольными координатами в картографической проекции, просто в некоторой прямоугольной системе координат, начало которой и направление осей зафиксировано относительно положения каких-либо объектов или точек местности, например, задано набором координат нескольких опорных точек.

В большинстве случаев ограничиваются описанием объектов в двухмерном пространстве или описанием парой координат — геодезической широтой и долготой.

Рассматривая далее информацию положения, следует разделить объекты по характеру локализации.

Под характером локализации объекта понимается применяемый способ описания положения объекта в зависимости от его размеров, формы и требований картографической генерализации. По характеру локализации пространственные объекты бывают трех типов точечные, линейные и площадные (т.е. в виде точек, дуг и полигонов).

Точечный объект — объект, положение и форма которого с учетом требований картографической генерализации описываются координатами одной точки, если не требуется учитывать ориентацию объекта, или парой точек, если учитывается его ориентация. На картографическом изображении такие объекты показываются внемасштабными условными знаками. Примеры неориентированных точечных объектов: межевой знак, отдельно стоящее дерево. Пример ориентированного точечного объекта: труба под дорогой (ориентируется перпендикулярно дороге).

Линейный объект — протяженный объект, положение и форма которого с учетом требований картографической генерализации, описываются координатами точек его осевой линии. На картографическом изображении такие объекты показываются линейными условными знаками. К ним применима такая характеристика как протяженность, но не применима характеристика площадь. Примеры линейных объектов: тропа, железная дорога, граница земельного участка.

Площадной объект — объект, положение и форма которого с учетом требований картографической генерализации характеризуются координатами точек границы занимаемой им территории (полигона). На картографическом изображении такие объекты показываются площадными картографическими условными знаками. К ним применима такая характеристика как площадь. Примеры площадных объектов: пашня, озеро, земельный участок.

С описанием положения и формы объекта также связана синтаксическая информация, которая представляет собой определенным образом закодированные сведения о том, как необходимо соединять или вообще интерпретировать последовательность координат точек, чтобы правильно представить описание положения и формы объекта (например, ломаной линией, плавной кривой, дугой окружности).

Таким образом, связанные вместе метрическая информация, информация о характере локализации объекта и синтаксическая информация представляют собой полный набор информации, описывающей положение и форму объекта. Взаимодействие этих компонент в различных ГИС может быть реализовано по-разному, в зависимости от используемой модели данных.

Итак, полная цифровая модель объекта в цифровой карте в обязательном порядке включает в себя: геометрическую (метрическую) информацию; атрибуты — признаки, связанные с объектом и его характеризующие; неметрические (топологические и логические) характеристики, которые объясняют связи между объектами.

Другое ключевое понятие в геоинформатике — метаданные (дословно — «данные о данных»). Это сведения о местонахождении данных, их качестве, составе, содержании, происхождении (способах и условиях получения), формах представления, условиях доступа, приобретения и использования, авторских правах на данные и т.п.

В геоинформатике данные, подлежащие вводу в компьютер, обрабатываемые в нем и выдаваемые пользователю, называются информацией.

Подводя итог сказанному, можно сделать вывод — основными видами информации в ГИС следует считать:

• пространственные данные;

• метаданные.

Основными источниками пространственных данных считаются:

• картографические источники (планы, карты);

• данные ДЗ (аэрокосмические материалы: аэроснимки, космические снимки);

• данные режимных наблюдений (на гидро- и метеопостах; океанографических станциях и т.п.);

• результаты полевых тахеометрических съемок;

• статистические данные (ведомственной, государственной статистики, данные переписи и т.д.).

Материалы ДЗ получают с авиационных (самолеты, вертолеты) и космических носителей (ИСЗ, пилотируемые орбитальные станции). Аэросъемка широко используется в нашей стране с 1930-х годов, космические снимки — с 1960-х г.

Наибольшее количество снимков ДЗ получают с ИСЗ, которые по функциональному значению можно разделить на два больших класса:

• метеорологические спутники;

• спутники для исследования природных ресурсов.

Съемка может осуществляться с помощью двух систем:

• фотографической системы;

• сканерной системы.

Отечественные фотографические системы считаются самыми лучшими в мире.

Съемка осуществляется также:

• в различных диапазонах волн электромагнитного излучения: видимом (световом), ближнем (фотографическом), инфракрасном, тепловом, микроволновом.

• с различной детальностью (с различной разрешающей способностью съемочного оборудования). Условно делится на: низкое — разрешение ниже 100 м; среднее — от 10 до 100 м; высокое — лучше 10 м.

Мировым лидером в получении и распространении космических изображений со средним разрешением является Франция, использующая возможности системы Spot (это спутник).

В России для исследования природных ресурсов из космоса созданы специальные системы «Ресурс» и «Комета», ведущие съемку с разрешением до 2-х метров на местности.

У нас и американцев есть спутники с разрешением до 1 м (американский — Icones).

Снимки с таким разрешением секретны. Снимки с разрешением лучше 2-х м для обычного пользователя недоступны.

2.

Различают следующие способы представления пространственных данных (т.е. способы цифрового описания пространственных объектов):

1. векторное представление;

2. растровое представление;

3. регулярно-ячеистое представление;

4. квадротомическое представление (квадродерево).

1. Векторное представление данных (векторная модель данных) — это цифровое представление точечных, линейных и полигональных пространственных объектов в виде набора координатных пар с описанием только геометрии объектов.

Векторное представление исторически связано с устройствами цифрования карт векторного типа — дигитайзерами с ручным обводом.

• Точечные объекты в векторном формате представляются в виде последовательности записей, каждая из которых содержит три записи (числа):

ID	X	Y
1	x1	y1
2	x2	y2
...	...	...
n	xn	yn

- уникальный идентификационный номер;

- значение координаты X;

- значение координаты Y.

• Линейные объекты в векторном формате представляются в виде следующей записи, содержащей:

ID	X	Y
1	x1	y1
2	x2	y2
...	...	...
n	xn	yn
«END»

- идентификатор (ID N) линии, отрезка;

- координатных пар точек;

- специального элемента («метки»), позволяющего отделить один отрезок от другого в файле данных.

Такая модель представления линейных объектов носит название «спагетти» (поскольку она не описывает топологию линейных объектов).

Следует выделить две основные разновидности векторной формы цифровой карты, которые во многом определяют общую логическую организацию данных.

Векторная не топологическая модель — это разновидность векторной формы цифровой карты, в которой метрическая информация описывает только положение и форму отдельных объектов без учета топологических отношений между ними.

В этой модели метрическая информация идентифицируется только на уровне целого объекта; части контуров объектов и связанные с ними узлы не выделяются и не идентифицируется. Это значит что положение и форма каждого объекта совершенно независимо от других объектов описывается своим набором координат точек контура (ось линейного объекта или замкнутая линия для площадного объекта) При этом те части контуров объектов, которые являются по своей природе общими для двух и более объектов (например, граница двух земельных участков) будут представлены в составе метрической информации дважды или более раз. Такую модель также называют последовательной объектно-ориентированной (и, как было упомянуто выше, — "спагетти").

Модель, которая описывает не только геометрию, но и топологию объектов (т.е. отношение между полигонами, дугами и узлами) называется векторно-топологической.

В этом представлении все контуры объектов, т.е. все линии как разомкнутые, так и замкнутые делятся на контурные элементы (дуги, цепочки). Это разбиение на дуги или цепочки производится по признаку общности этих контурных элементов для двух или более объектов. Начало и конец дуг являются узлами. Описание всего контура объекта строится в общем случае путем ссылок на контурные элементы (дуги) общие для нескольких объектов. Такую модель векторной цифровой карты называют также цепочно-узловой, линейно-узловой.

- узлы — 1,2,4;

- промежуточные точки — 3,5,6;

дуги — 1-2, 2-4, 4-2, 4-1;

полигоны — А, Б, В, Г, Д.

2. Растровое представление данных (растровая модель) — это цифровое представление пространственных объектов в виде совокупности одинаковых по размеру ячеек растра (пикселей) с присвоенными им значениями класса объектов.

1	1	1	1	2	2	2	2	3	3
1	1	1	1	2	2	2	3	3	3
1	1	1	1	2	2	3	3	3	3
1	1	1	1	2	2	3	3	3	3
4	4	4	2	2	2	3	3	3	3
4	4	4	2	2	4	5	5	5	5
8	4	4	4	4	4	5	5	5	6
8	8	7	7	7	5	5	5	6	6
8	8	8	7	5	5	5	6	6	6
8	8	8	7	7	7	6	6	6	6

Каждый пиксель имеет свой номер в зависимости от объекта.

3. Регулярно-ячеистая — это цифровое представление пространственных объектов в виде совокупности ячеек регулярной сети с присвоенными им значениями класса объектов.

Д ругими словами, для регулярно-ячеистого представления пространственных объектов территория разбивается на ячейки правильной геометрической формы (прямоугольной, квадратной, треугольной, гексагональной, трапециевидной и т.д.).

Размер ячеек может быть различным и определяется требуемым пространственным разрешением.

4. К вадротомическое представление (квадродерево) — это способ представления пространственных объектов в виде иерархической древовидной структуры, основанной на декомпозиции пространства на квадратные участки, каждый из которых делится на четыре вложенных до достижения некоторого уровня (обычно до размера точки растра).

За счет квадротомического представления пространственных данных достигается значительная экономия объемов памяти, требуемых для хранения растровых данных. И, что еще более важно, сокращается время доступа к элементам описания пространственных данных.

полигон — искомый объект.

Рисуем квадродерево:

А налогичные древовидные структуры — трихотомическое дерево (на треугольнике);

могут строиться также на множестве треугольных элементов модели типа TIN.

5. Модель TIN предназначена для представления поверхности (например, — поверхность рельефа местности). Это — нерегулярная сеть точек, соединенных между собой отрезками, образующими множество треугольников гранями.

Каждый треугольник можно пронумеровать, точки — тоже. Описывается следующим образом:

треугольники	точки	соседи
А	2, 3, 4	В, Д, Е
И т.д.	...	...

Это модель типа TIN.

3.

Принципы организации данных в ГИС.

Базовыми принципами организации пространственных данных в ГИС являются:

1. Принцип послойной организации информации заключается в том, что данные об объектах одного тематического содержания собираются и хранятся в одном файле или одной директории, т.е. в одном тематическом слое.

Под слоем в данном случае понимается некоторая совокупность данных, объединенных по тематическому признаку. В каждой конкретной ГИС это реализовано по-своему и вкладывается в это понятие специфический смысл, но служит это цели более удобного и быстрого отбора информации только интересующей тематики или содержания. Так, например, в отдельный слой может быть информация о подземных коммуникациях, о рельефе. Разбиение на слои может осуществляться исходя из иных соображений, например, по признаку топологической независимости одной группы объектов от другой, с целью облегчения обработки информации. В каждом конкретном случае исполнитель решает эту задачу в зависимости от конкретных условий.

В растровых моделях всегда используется послойный принцип организации.

2. Объектно-ориентированный принцип организации данных заключается в том, что хранение данных об объекте одной тематической группы осуществляется в соответствии с их иерархической структурой соподчиненности. Другими словами, в соответствии с их положением, принятым в классификации.

П ример объектно-ориентированной модели организации данных на примере растительного покрова.

Организацию данных в ГИС можно также рассматривать с точки зрения связи пространственных данных с атрибутивными. Здесь возможны два основных случая:

1. Пространственные и атрибутивные данные целиком отделены друг от друга (т.е. хранятся в разных файлах). Пользователи в этом случае вынуждены иметь дело с двумя системами — графической и СУБД. Примером является программный ГИС-продукт MGE, где метрическая информация хранится в так называемом дизайн-файле или графическом файле DGN (формат Micro Station), а атрибутивная и прочая информация хранится в таблицах БД под управлением СУБД ORACLE (другой пример — AutoCAD и dBase). Такая модель называется смешанной или гибридной.

2. Пространственные и атрибутивные данные целиком совмещены. В этом варианте, именуемом интегрированной моделью, вся информация, как метрическая, так и семантическая и проч. хранится в таблицах реляционной базы данных под управлением СУБД. Однако следует иметь в виду, что обычные реляционные СУБД не очень подходят для работы с пространственными данными. Примером такой ГИС является GeoMedia.

4.

Остановимся несколько подробнее на часто упоминаемом термине, о котором уже шла речь выше. Было сказано, что из всех перечисленных составляющих описания объектов в цифровой карте обязательными являются три из них: информация идентификации, информация интерпретации и информация положения. Мы подробно говорили об информации положения и дали определение идентификатору.

А с информацией интерпретации связаны понятия — классификатор, классификация. Дадим определения.

1. Классификатор — система сведений об объектах картографирования какой-либо предметной области, выраженная в кодовых обозначениях.

2. Классификатор объектов картографирования является нормативным документом, устанавливающим систематизированный перечень наименований объектов картографирования и их характеристик, разделение множества объектов на классификационные группировки, а также коды объектов и характеристик.

Главным назначением такого документа является стандартизация информационного обеспечения технологических процессов создания цифровых карт и их использования средствами ГИС, что в свою очередь позволяет:

• упорядочить и унифицировать содержание цифровых кадастровых карт и вообще карт земельных ресурсов;

• создать условия более эффективного цифрового картографирования и использования цифровых карт;

• обеспечить информационную совместимость технологий создания цифровой картографической продукции и ее использования различными ГИС

Систематизация объектов картографирования осуществляется в соответствии с выбранной классификацией.

Классификация — разделение множества объектов на подмножества по их сходству или различию в соответствии с принятыми методами.

Классификация объектов картографирования — это система представлений совокупности объектов какой-либо предметной области или сведений о них в виде классов и подклассов в соответствии с избранными признаками. (Объект классификации — элемент классифицируемого множества.)

Существует два принципиально различных метода классификации: иерархический и фасетный.

Иерархический метод классификации представляет собой последовательное разделение множества объектов классификации па подчиненные классификационные группировки.

Фасетный метод классификации — параллельное разделение множества объектов на независимые классификационные группировки.

Существует понятие глубины классификации. Глубина классификации — это число ступеней классификации при использовании иерархического метода.

При классификации объектов картографирования целесообразно применять иерархический метод классификации, но ограничиваться небольшим числом ступеней классификации, так как иерархический метод может облегчить доступ к конкретному объекту, однако слишком большое число ступеней, с другой стороны, замедляет его. К тому же, многие ГИС принципиально не позволяют реализовать классификацию с большим числом ступеней.

Требования к классификатору:

• единство применяемого кода и простота его использования;

• единство методов и правил кодирования классификационных признаков на всех уровнях и во всех классах;

• независимость от применяемой программы и технических средств обработки информации;

• независимость от решаемого комплекса задач (универсальность);

• адаптивность к расширению информации об объектах и объемов классификации.

Классификатор объектов картографирования включает три раздела:

1. объекты картографирования (земля, атмосфера, недра);

2. надписи на карте (географические названия, пояснительные надписи, индексы и т.д.);

3. легенда и дополнительные данные (диаграммы...);

(В соответствии с составными частями карты: картографическое изображение, вспомогательное оснащение, дополнительные данные).

5.

Форматы данных — это способы представления данных вне и в памяти компьютера. Пространственные данные могут быть представлены в векторной и растровой форме.

Выделяется несколько групп форматов и стандартов обмена данными (или стандартов передачи данных):

1. Форматы и стандарты представления и обработки цифровых изображений отдельно для:

• векторной графики;

• растровой графики;

• для записи и передачи данных ДЗ.

Каждая компания создавала свой формат данных.

Для векторной графики используются форматы: DXF (AutoDesk), IGES, DXB и др. Для растровой — TIFF, JPEG, BMP, PCX, GIF и др.. Для передачи данных ДЗ — BIL, BIP.

2. Форматы ГИС для представления и передачи пространственных данных. Формат зависит от того, какая компания разрабатывала программное обеспечение.

Векторные форматы (наиболее распространенные): «Роскартография» — F1M; данных топографических ВС нашей страны — SXF; Мин. обороны США — DEAD.

Растровые форматы: очень распространен формат геологической съемки США —DEM, формат для АФ-снимков (для передачи цифрового изображения высокого разрешения) — DOQ.

Обменные форматы отдельных программных продуктов: MapInfo — MIF / MID; ArcInfo — GEN / Shape; AutoCAD — DXF.

3. Универсальные форматы, не ориентированные на какой-либо программный продукт — SDTS.

Преобразование данных из одного формата в другой называется конвертированием форматов.

Основные требования к обменным форматам:

• предельно простая логическая структура с минимальными требованиями к хранимой информации;

• широкие возможности для хранения цифровых карт любых систем;

• возможность передачи информации без потерь и искажений;

• связь с любым классификатором и любыми правилами цифрового описания объекта.

Подробнее о F1M. Этот формат, в котором Роскартография создавала все свои цифровые карты, разработан более 15 лет назад. В этом формате создано: полный набор листов карт масштаба 1:1000000 (138 листов на территорию России); электронные карты масштаба 1:200000. Массив данных насчитывает несколько тысяч листов электронных карт.

Структура файлов цифровой картографической информации Роскартографии.

1. Цифровая картографическая информация номенклатурного листа в формате F1M состоит из:

• паспорта номенклатурного листа;

• информации по 8 сегментам: математическая основа, рельеф, гидрография, файл справочной информации, населенные пункты, объекты промышленности и социально-культурного назначения, дорожная сеть, растительный покров, границы и подписи.

2. Информация по каждому сегменту хранится в 4-х файлах: файле семантической информации, файле метрической информации, файле формуляра сегмента, сам сегмент информации.

3. Координаты пространственных объектов (в формате F1M) хранятся в прямоугольной системе координат в целых числах. Это затрудняет их использование в ГИС, так как большинство ГИС используют географические координаты. Поэтому при конвертации из формата в F1M в др. форматы (MIF / MID) предусмотрено преобразование прямоугольных координат в координаты Гаусса-Крюгера.

Формат F1M не поддерживает топологию объектов. Это приводит к тому, что многие линейные объекты разорваны (ручей не впадает в реку; прилегающие объекты имеют двойные границы). Это приводит к большой ручной работе при редактировании карт.

Среди универсальных форматов обмена пространственными данными лидирует по широте поддержки в программных продуктах SDTS (Spatial Data Transfer Standard — стандарт передачи пространственных данных). Стандарт основан на идее нейтрального формата, который служит посредником при конвертировании данных из формата одного программного средства ГИС в формат другого. Обменный файл стандарта состоит из модулей, которые могут быть сгруппированы в 34 типа, а те — отнесены к 5 категориям: общая информация, качество данных, пространственные объекты, атрибуты, графическое представление.

Лекция № 5

ГИС-картографирование

План.

1. Общая технологическая схема создания тематических карт природных (земельных) ресурсов. Место и роль ГИС.

2. Автоматизированная система кадастрового картографирования.

3. Основные понятия в ГИС-картографировании.

4. Общая технологическая схема ГИС-картографирования. Этапы работ по созданию электронной карты.

5. Особенности цифровых карт. Требования к качеству цифровых карт.

1.

Комплекс работ по созданию земельно-ресурсных (в том числе и земельно-кадастровых) карт осуществляется по определенной технологической схеме.

1. Подготовительные работы.

Подготовительные работы, как правило, заключаются в следующем:

• Подготовка административной базы. Подготовка административной базы включает разработку и осуществление ряда совместных с администрацией мероприятий, а именно: подготовка распоряжения главы местной администрации о проведении работ по инвентаризации земель в городе (районе); оповещение в местной печати и по радио о проведении работ по инвентаризации земель; формирование временной комиссии по инвентаризации земель при местной администрации.

• сбор, обработка и систематизация архивной информации;

• сбор и анализ данных кадастрового зонирования;

• подготовка списков субъектов права и землепользователей;

• отражение собранной информации на материалах дешифрирования.

2. Аэрофотосъемка Аэрофотосъемку выполняют, как правило, аналоговыми аэрофотоаппаратами, в результате чего получают негативы, с которых контактным или проекционным способами изготавливают фотоотпечатки на бумаге или диапозитивы на прозрачных недеформирующихся пленках. В последние годы на рынке появились так называемые цифровые аэрофотокамеры, при помощи которых возможно получить непосредственно в процессе фотографирования цифровое фотоизображение местности и передать его для последующей обработки в компьютер, минуя стадию не только фотохимической обработки, но и стадию сканирования, т.е. преобразования фотоизображения в цифровой вид. Они работают как обычные фотокамеры, но вместо пленки в них используется светочувствительный элемент, преобразующий изображение в электрические сигналы. После кодирования сигналов они запоминаются в памяти камеры, откуда их можно в любое время переписать на компьютер. Далее можно обработать фотоснимки с помощью графических редакторов и распечатать их на принтере. Имея качественную фотокамеру, можно отказаться от использования сканера и копировального устройства.

В настоящее время ввод аналоговых фотоизображений осуществляется преимущественно сканированием фотоматериалов, в качестве которых используются как отдельные негативы или диапозитивы, так и рулонные аэрофильмы. Сканеры для обработки аэрофото- и космических снимков достаточно дороги. К ним предъявляются очень высокие требования: разрешение до 10 мкм, точность 2-3 мкм (0,02-0,03 мм), формат 24 х 24 см. При этом следует учитывать, что в некоторых сканерах используется разное разрешение по горизонтали и по вертикали. Широко распространенные сканеры Hewlett Packard достаточно надежны и просты в использовании. Из дешевых сканеров следует отметить устройства, производимые фирмой Mustek.

Наилучшими на сегодняшний день точностными характеристиками обладает Фотоскан-2001 (например, инструментальная средняя квадратическая ошибка составляет величину 2 мкм). Photoskan-2001 — последняя модель фотограмметрического сканера корпорации Z/I (корпорация Z/I образовалась от слияния двух мощнейших фирм Zeiss (Германия) и Intergraph (США)).

3. Планово-высотная подготовка материалов аэрофотосъемки.

Это геодезические работы, выполняемые с целью определения планово-высотных координат некоторых наземных точек (опознаков), которые при дальнейшей фотограмметрической обработке используются для «привязки» всех фотоматериалов к местности. Именно планово-высотные данные, полученные на этом этапе, задают требуемую систему координат и проекцию, в которой в дальнейшем будут созданы планы и карты.

Планово-высотная подготовка опознаков и совмещенных с ними точек границ территории преимущественно выполняется GPS-методами, прокладкой теодолитных ходов с использованием электронных тахеометров или иными имеющимися средствами, предусмотренными действующими инструкциями по топографической съемке.

В настоящее время для определения геодезических координат широкое применение получила система спутникового позиционирования (GPS — аппаратура). Ее использование позволило существенным образом упростить геодезический процесс, получая координаты опознаков с требуемой точностью, но значительно быстрее, чем при использовании традиционных геодезических приборов (теодолитов, электронных дальномеров, тахеометров и т.п.).

4. Фотограмметрическая обработка материалов аэрофотосъемки.

• подготовительные работы:

• сканирование аэрофотоснимков;

• создание фотограмметрического проекта;

• фотограмметрическое сгущение сети опорных точек способом фототриангуляции. Это аналитическая фототриангуляция — способ определения по опорным точкам координат других точек местности фотограмметрическими методами. В результате получают не только искомые координаты точек местности, но и так называемые элементы внешнего ориентирования модели, которые позволяют определить пространственное положение стереомодели в момент фотографирования. В последнее время элементы внешнего ориентирования стали определять непосредственно во время аэрофотосъемки, используя уже упоминавшиеся выше GPS-приемники.

• создание цифровой модели рельефа (ЦМР) для целей ортотрансформирования снимков;

• ортотрансформирование снимков и монтаж ортофотопланов;

• стереоскопическая съемка контуров объектов — векторизация (цифрование) объектов по стереомодели или цифровая стереофотограмметрическая обработка с одновременным дешифрированием этих объектов и представлением их в принятых условных обозначениях. Этот этап также относится к фотограмметрическим работам, однако в некоторых технологических схемах он выделяется в камеральные фотограмметрические и картосоставительские работы.

5. Полевое обследование и дешифрирование аэрофотоснимков.

Полевое обследование и полевое дешифрирование заключается в определении сложившихся (фактических) границ земельных участков, нанесение их на ортофотоплан или увеличенный аэрофотоснимок. При необходимости используются инструментальные методы привязки поворотных точек границ участков, удовлетворяющие требованию к точности отображения границы на карте. Кроме того, дешифрированию подлежат все объекты кадастрового картографирования, образующие содержание кадастровых карт и планов. Полевое обследование земельных участков также включает в себя сбор всех необходимых сведений о земельных участках и субъектах права на них, предусмотренных в инвентаризационных документах (картах) или в техническом проекте. Если полевое обследование выполняется после камерального дешифрирования и съемки контуров объектов, то в ходе обследования проверяются и уточняются результаты камерального дешифрирования.

6. Камеральные фотограмметрические и картосоставительские работы.

К камеральным фотограмметрическим и картосоставительским работам относятся:

• весь комплекс технологических процессов, связанных с получением векторной модели контуров объектов тем или иным способом

• последующая обработка этих векторных моделей и другой картографической информации с целью получения конечной продукции: цифровой кадастровой карты (плана) и карты в традиционной форме, отпечатанной в условных знаках на бумаге.

Если создание кадастровой карты непосредственно связано с проведением инвентаризации земель территории, то в результате этих работ также создаются, как правило, и другие выходные документы, основанные на использовании цифровой карты, например, экспликации земель, списки земельных участков с их фактическими площадями и площадями по документам.

Важно отметить, что именно обработка векторных моделей контуров и прочей картографической информации и подготовка выходной продукции является главным процессом, в котором применяются ГИС-технологии и соответствующие ГИС. Этот процесс очень часто недооценивается исполнителями работ, как по своей важности, так и по трудоемкости, что зачастую приводит к выпуску под видом цифровой карты некой продукции, не вполне соответствующей этому понятию и не отвечающей всем требованиям, сформулированным выше.

Весь комплекс работ (все перечисленные процессы по созданию земельно-ресурсных (в том числе и земельно-кадастровых) карт) можно представить в виде обобщенной блок-схемы.

В этой блок-схеме отчетливо просматриваются несколько отдельных крупных блоков (подсистем), основными из которых являются:

• фотограмметрическая подсистема, при помощи которой осуществляется ввод и преобразование полутоновых цветных или черно-белых фотоматериалов в цифровой вид, их последующая обработка и выдача конечной продукции в виде ортофотопланов (полутоновые изображения участка местности в ортогональной проекции) или штриховых кадастровых планов;

• подсистема цифрования ортофотопланов и карт, при помощи которой преобразуются в цифровой вид уже имеющиеся планы и карты;

подсистема цифровой обработки, хранения и отображения картографической информации, которая служит для создания цифровой модели местности (ЦММ), путем преобразования растровых изображений в векторную форму, формирования тематических слоев, создания специальных хранилищ информации (баз данных) и электронных карт, выдачи готовой продукции в виде цветных земельно-кадастровых и других тематических карт.

Как видно из приведенной блок-схемы, центральным ядром общей технологической схемы является подсистема цифровой обработки, хранения и отображения графической информации. Именно в этой подсистеме, а также в подсистеме цифрования..., применяются ГИС-технологии, о чем уже говорилось выше.

2.

Структура автоматизированной системы кадастрового картографирования

Наиболее эффективно и полноценно Современная ГИС-технология создания кадастровых карт и планов реализуется средствами специализированной системы программных и аппаратных средств, которую можно назвать Автоматизированной системой кадастрового картографирования.

Автоматизированная система кадастрового картографирования (АСКК) представляет собой совокупность автоматизированных рабочих мест, связанных в локальную вычислительную сеть и объединенных общей технологией создания продукции кадастрового картографирования. Автоматизированная система кадастрового картографирования предназначена для выполнения всего комплекса камеральных работ, связанных с фотограмметрической обработкой материалов аэрофотосъемки, цифрованием карт, обработкой цифровой картографической информации, собранной различными методами, включая полевую съемку, и получением конечной продукции цифрового картографического кадастрового производства: цифровых карт и планов, карт и планов, отпечатанных на твердом носителе, ортофотопланов и ортофотокарт в цифровой и традиционной форме.

В структуре Автоматизированной системы кадастрового картографирования можно выделить три подсистемы:

• фотограмметрическая подсистема;

• подсистема векторизации карт и ортофотопланов;

• подсистема обработки цифровой картографической информации.

Каждая из указанных подсистем в свою очередь состоит из рабочих мест, как показано в таблице.

Состав Автоматизированной системы кадастрового картографирования

Подсистема	Рабочее место	Количество (рекомендуемое)
Фотограмметрическая	Сканирования аэрофотоснимков	1
	Фототриангуляции	2
	Создания цифровой модели рельефа	4
	Создания ортофотоплана	2
	Стереосъемки	8
	Фотограмметрический сервер	1
Векторизации карт и ортофотопланов	Сканирования картматериалов	1
	Векторизации карт и ортофотопланов	5
	Полевого дешифрирования и дешифрирования и векторизации ортофотопланов	3
Обработки цифровой картографической информации (ЦКИ)	Обработки ЦКИ	8
	Администратора проекта и баз данных	1
	Сервер базы данных и графической информации	1
	Вывода твердых копий карт	1
	Получения твердой копии ортофотоплана	1
	Администратора системы и сети	1

Под рабочим местом понимается комплекс технических и программных средств, обеспечивающий выполнение определенных технологических процессов и операций.

С 1997 г. в рамках реализации проекта ЛАРИС началось оснащение предприятий ВИСХАГИ подобными системами. В настоящее время такие системы внедрены в производство в предприятиях системы Госземкадастрсъемка (ВИСХАГИ) в городах Н.Новгороде, Перми, С.-Петербурге. Москве, Краснодаре, Омске. Подобная полнофункциональная система (но с ограниченным количеством некоторых рабочих мест) установлена также в Государственном университете по землеустройству.

3.

Под ГИС-картографированием понимается автоматизированное составление и использование карт на основе геоинформационных технологий и баз географических знаний.

Важнейшими понятиями в ГИС-картографировании являются: цифровая карта и электронная карта.

Цифровая карта — это цифровое выражение векторного или растрового представления общегеографической или тематической карты, записанное в определенном формате, обеспечивающем ее хранение, редактирование и воспроизведение (Образовательные стандарты ГИС-образования).

Цифровая модель земной поверхности — логико-математическое описание в цифровой форме объектов земной поверхности и отношений между ними (ГОСТ 28441-90 Картография цифровая. Термины и определения).

Электронная карта (англ. — electronic map) —это картографическое изображение, визуализированное на дисплее (мониторе) компьютера на основе данных цифровых карт или баз данных ГИС, или картографическое произведение в электронной (безбумажной) форме, представляющее собой цифровые данные вместе с программными средствами их визуализации (ГОСТ Р 50828-95. Геоинформационное картографирование. Пространственные данные, цифровые и электронные карты. Общие требования. 1996; с. 3).

Проще говоря:

Цифровая карта — это цифровая модель географического изображения (карты, плана, снимка). Это данные для построения географического изображения, т.е. его цифровой аналог, представленный на каком-либо носителе. Это — коды, набор цифр.

Электронная карта — это визуализированная цифровая модель, т.е. программно управляемое географическое изображение, визуализированное с помощью программных и технических средств (в принятых проекциях, системах условных знаков, при соблюдении установленной точности и правил оформления). Не случайно иногда такого рода картографические произведения называют экранными картами.

4.

Общая технологическая схема ГИС-картографирования (все этапы работ по созданию электронной карты).

Следует сказать, что технологическая схема создания карт средствами ГИС, зависит от конкретного проекта и конкретной ГИС (как программного продукта), применяемой для реализации этого проекта. Но, в наиболее общем виде, технологическая схема ГИС-картографирования обязательно включает следующие этапы:

1. Проектирование карты (подготовительные работы):

• оценка «времяемкости» и трудоемкости процесса создания цифровой карты;

• оценка сил и средств, которые потребуются для достижения конечного результата (сколько человек, какие программы и т.д.);

• сбор и оценка источников создания цифровой карты. В оценку источников входит: оценка физического состояния источника (степень деформации бумаги, наличие сгибов, разрывов); актуальность информации — дата создания и т.д.; определение параметров картографической проекции источника (это очень важно!); определение подробности источника в соответствии с назначением будущей карты («чем подробней — тем лучше» не всегда работает: и больше места на диске, и труднее работать).

2. Подготовка исходных материалов и ввод данных:

   • с накопителей электронных тахеометров,

   • приемников GPS,

   • систем обработки изображений,

   • дигитализацией (цифрованием) материалов обследований, авторских или составительских оригиналов, а также имеющихся планово-картографических материалов. Цифрование осуществляется с помощью дигитайзера или сканера (с последующей векторизацией). После сканирования исходных материалов может следовать этап трансформирования полученного растрового изображения.

3. Формирование слоев создаваемой карты и таблиц к ним, а также формирование базы данных:

• Определяются тематические слои однородных объектов, в которых будет храниться информация карты (Слой — это совокупность однотипных пространственных объектов, относящихся к одной теме в пределах некоторой территории).

• Каждому слою планируется набор атрибутивных данных, которые будут храниться в табличной форме.

• Определяется последовательность цифрования (векторизации) слоев карты (можно использовать ту последовательность, которая предлагается при создании географической карты).

4. Векторизация карты по слоям. Одновременно может выполняться ввод атрибутов.

5. Ввод табличных и текстовых данных с характеристиками объектов (атрибутов).

6. Подготовка легенды карты:

• разработка условных знаков (можно выбрать из того набора, который предлагает программа, или сконструировать);

• определить цвет гаммы и толщины линий.

7. Редактирование оцифрованной карты.

После ввода графики необходимо выявить и исправить ошибки. Наиболее распространенные типичные ошибки графики электронных карт:

• пропущенные или лишние объекты (пропущенные — оцифровать, лишние — удалить);

• несвязанность и незамкнутость полигонов, полилинии вместо полигонов;

• отсутствие или более, чем одна, метка в полигоне (это в ArcInfo);

• повторно оцифрованные одни и те же линии (необходимость копирования).

Большинство этих ошибок выявляются автоматически (программным способом). Но выявление пропущенных объектов возможно только визуально.

После устранения ошибок графики необходимо устранить более мелкие дефекты, например, — точность передачи линейных объектов.

Автоматические векторизаторы тоже имеют свои недостатки и проблемы, и при их использовании также необходимо редактирование.

8. Перевод карты в реальные географические координаты.

Это перевод координат, в которых получена цифровая карта, в реальные географические координаты. Как правило, программные продукты имеют функцию пересчета сферических координат в прямоугольные координаты различных проекций. Для перевода цифровой карты в реальные географические координаты необходим ее изначальный пересчет в проекцию исходной карты. При пересчете из одной проекции в другую нельзя злоупотреблять этим: излишние операции вносят большие искажения.

9. Проверка послойного соответствия карты. Сшивка карт из слоев и листов (совмещение слоев, формирование картографического изображения тематической карты).

Графические объекты хранятся послойно. Из-за этого могут возникнуть целый ряд ошибок, связанных с повторным цифрованием одних и тех же объектов. При наложении слоев друг на друга видны ошибки (смещения).

Сшивка — автоматическое объединение цифровых записей двух отдельных смежных листов цифровых карт или слоев ГИС в единую карту.

10. Оформление карты: компоновка карты и формирование макета печати.

11. Описание карты (метаданные: параметры проекции, источники, когда и кто составил, и т.п.).

12. Вывод карты на печать.

5.

Особенности цифровых карт.

• Цифровые карты (ЦК), как правило, хранятся в реальных географических координатах и лишены конкретного масштаба. ЦК (на экране или бумаге) могут иметь любой масштаб по желанию пользователя (но это не всегда хорошо). Для ЦК понятие «масштаб» применяется не в смысле отношения размеров реального объекта и его изображения или модели, а в смысле применения к ней требований по картографической генерализации и ее точности, соответствующих обычной карте определенного масштаба.

• Хранение ЦК в географических координатах позволяет визуализировать географическое изображение (карты) в любых картографических проекциях, осуществлять пересчет реальных географических координат из одной проекции в другую.

• ЦК требовательны к топологической корректности. Если на бумаге какие-то линии не доведены, то это незаметно. Если же в ЦК, например, полигон не замкнут, то дальше нельзя с ним работать.

Требования к качеству цифровой карты.

1. Общие требования:

• Полнота цифровой карты оценивается следующими показателями:

- Наличие паспорта цифровой карты, полнота и правильность его заполнения. Паспорт цифровой карты — это набор данных, содержащих информацию об общих ее характеристиках (метаданные).

- Полнота объектового состава. Полнота объектового состава цифровой карты — это показатель представления в цифровой карте всех требуемых объектов картографирования в соответствии с классификатором и реальной ситуацией на местности.

- Полнота характеристик объектов.

• Точность цифровой карты характеризуется точностью координат точек контуров объектов, содержащихся в метрической информации. Как правило, в соответствии с требованиями нормативно-технических документов характеристикой точности является средняя ошибка координат точек контуров объектов с четкими очертаниями относительно ближайших точек планового съемочного обоснования. Действующие в настоящее время нормативно-технические документы (основные положения, инструкции Роскартографии) устанавливают требование к допустимой средней ошибке положения контуров с четкими очертаниями в пределах 0.5 мм в масштабе карты.

• Корректность семантической информации. Проверка правильности интерпретации условных знаков путем сравнения исходного оригинала карты и электронной карты.

• Корректность кодирования — проверка соответствия представления семантической информации в принятой системе кодирования

• Корректность системы идентификации объектов (ID должны быть уникальны, не повторяться);

• Точность векторизации и метрическая информативность (реки должны быть плавные, углы кварталов — четкие и т.д.);

• Минимальный уровень деформации исходных картографических материалов.

2. Специальные требования:

• Соблюдение топологических отношений.

Топологическая корректность — это такое качество векторных данных, при котором их топологические свойства удовлетворяют заданным требованиям.

Детальные требования топологической корректности могут меняться в зависимости от используемой модели данных цифровой карты, но в любом случае они должны быть четко сформулированы. Однако можно выделить наиболее общие требования к топологическим свойствам векторных данных, применимых для всех векторных цифровых карт.

- Границы площадных объектов должны быть замкнуты, т.е. координаты первой точки контура должны быть равны координатам последней точки.

- Осевые линии линейных объектов не должны иметь разрывов в местах, где их не имеют соответствующие объекты картографирования.

Если используется топологическая векторная модель данных, то к этим требованиям необходимо добавить следующие:

- На пересечении линий, используемых как границы площадных объектов, должны быть образованы узлы, а линии должны быть разбиты на отдельные сегменты (дуги, контурные элементы).

- Начальная и конечная точки каждой линии, не являющейся границей замкнутого полигона, должны совпадать с точками других линий и образовывать узлы в местах совпадения, т.е. каждая линия должна опираться своими крайними точками на точки других линий.

- Должны отсутствовать дублирующиеся линии.

• Точная передача формы объектов;

• Учет логики взаимного расположения объектов (например, «укладка» горизонталей). Т.е. необходимо исправлять возможные ошибки на исходной карте, появившиеся из-за погрешностей печати. Выполнение этого требования возможно при достаточно высоком уровне географической грамотности исполнителя. Исполнитель должен понимать то, что он делает.

Лекция №6