Растровая модель данных реферат

Обновлено: 02.07.2024

1)Понятие о геоинформационных системах-(ГИС) – это автоматизированные системы, основными функциями которых являются сбор, хранение, интеграция, анализ и графическая визуализация в виде карт или схем пространственно-временных данных, а также связанной с ними атрибутивной информации о представленных в ГИС объектах. Составные части ГИС-Работающая ГИС включает в себя пять ключевых составляющих: аппаратные средства, программное обеспечение, данные, исполнители и методы. Модели пространственных данных – отражают логические правила формализованного цифрового описания объектов реальности как пространственных объектов. Из цифровых представлений пространственных данных (которые и принято называть моделями пространственных данных) состоит база данных любой ГИС.

Традиционно различают базовые модели пространственных данных:

– векторные модели, подразделяемые на два типа — векторные топологические и нетопологические модели;

– регулярно-ячеистые модели, формально схожие с растровыми.

2)Типы пространственных данных.Точка (точечный объект) - нульмерные объекты. Местоположение может быть описано одной парой координат

Линия (простая, полилиния, сегмент, дуга) - одномерный объект. Описывается двумя координатами
Область (полигон, контур, регион) - двумерные (площадные) объекты. Ограничиваются дугами (должны замкнуться)
Пиксель - двумерный объект. Осуществляет разбиение пространства на отдельные ячейки
Ячейка - двумерный объект - элементарная частица регулярной части
Поверхности (при цифровом моделировании объекта)
Тело - трёхмерный объект. Описывается тремя координатами

Данные, описывающие местоположение объектов в пространстве, чаще всего в виде двух- или трёхмерной геометрии.

Создание нового проекта ГИС. Основные этапы.

1. Анализ системы принятия решений. Процесс начинается с определения всех типов решений, для принятия которых требуется информация. Должны быть учтены потребности каждого уровня и функциональной сферы.

2. Анализ информац требований. Определяется, какой тип информации нужен для принятия каждого решения.

3. Агрегирование решений, т.е. группировка задач, в которых для принятия решений требуется одна и та же или значительно перекрывающаяся информация.

4. Проектирование процесса обработки информации. На данном этапе разрабатывается реальная система сбора, хранения, передачи и модификации информации. Должны быть учтены возможности персонала по использованию вычислительной техники.

5. Проектирование и контроль над системой. Важнейший этап - это создание и воплощение системы. Оценивается работоспособность системы с разных позиций, при необходимости осуществляется корректировка. Любая система будет иметь недостатки, и поэтому её необходимо делать гибкой и приспособляемой.

1)Источники данных для гис.Источниками данных для ГИС являются карты, планы, схемы, представленные как в специфических объектных форматах, так и традиционных растровых и векторных форматах. Информационное наполнение ГИС осуществляется путем ввода различных первичных материалов, в том числе результатов измерений на местности, геологических исследований, картографирования, аэрофото- и космической съемки, специальной тематической информации.

3.Использование и привязка растрового изображения.Растр - растровое изображение, для которого указана его привязка на местности. Поскольку в ГИС важны именно привязанные к земле данные, используется такая терминология. Снимки - растровые изображения плюс геометрическая информация о камере, которой это изображение получено. В частности, отсюда можно получить и привязку изображения на местности, т.е. в снимках содержится 'больше' информации (например, растры не могут быть использованы напрямую для создания стереопар - нет 'высоты').Растры поддерживаются форматов TIF , BMP , JPEG различных модификаций. Для больших по объёму растров рекомендуется для ускорения рисовки (особенно для 'Талки КПК') иметь их в проекте в форматах TILED _ TIF или TIF _ JPEG . Программа содержит конвертер растров в различные форматы.

1)Основные этапы создания проекта ГИС. Выделяют пять основных этапов процесса проектирования ГИС.

2. Анализ информационных требований. Определяется, какой тип информации нужен для принятия каждого решения.

5. Проектирование и контроль за системой. Важнейший этап – это создание и воплощение системы. Оценивается работоспособность системы с разных позиций, при необходимости осуществляется корректировка. Любая система будет иметь недостатки, и поэтому её необходимо делать гибкой и приспособляемой.

Растровые модели и их характеристики, достоинства и недостатки

В растровых моделях дискретизация непрерывных последовательностей реального мира осуществляется наиболее простым способом: вся территория представляется последовательностью ячеек (пикселей), образующих регулярную сеть.

В качестве атомарной модели используется элементарный участок территории – пиксель. Упорядоченная последовательность пикселей образует растр, который является моделью карты. Каждый элемент растра имеет одно значение плотности или цвета. Достоинства растровых моделей:

· растр не требует предварительного ознакомления с предметной областью; данные собираются с равномерно расположенной сети точек, могут легко подвергаться статистической обработке;

· растровые модели просты в обработке, возможна обработка по параллельным алгоритмам, за счет чего обеспечивается высокое быстродействие;

· некоторые задачи, например, создание буферной зоны, проще решаются в растровом виде;

· многие растровые модели позволяют вводить векторные объекты, обратная задача много труднее;

· процессы растеризации проще процессов векторизации алгоритмически.

Основные недостатки растровых моделей:

- требуют больших объемов (по сравнению с векторными моделями) памяти для хранения изображения;

- растровые объекты сложно масштабировать: при увеличении объекта становятся видны отдельные пиксели, контуры изображения теряют гладкость, изображение становится зернистым;

- сложно рассчитать результирующий цвет пикселя, который получается при слиянии нескольких пикселей разных цветов;

- проблемы разбиения сложного изображения на произвольные элементы для их раздельного использования и редактирования.

Кроме того, растровые цифровые изображения занимают, как правило, большие объемы памяти.

3)Технология ввода даных ГИС с помощью векторизации бумажных карт и фотопланов. Особености ручной и полуавтоматической векторизации. В современных ГИС процесс ввода графической информации в базу данных может быть осуществлен при помощи дигитайзера или по растровой подложке с применением сканерной технологии, а также из заранее подготовленных файлов данных (с помощью конверторов, если данные существуют в отличных от системы форматах).Процесс преобразования данных с бумажных карт в компьютерные файлы называется векторизацией или оцифровкой. Существует несколько способов перевода данных с бумажных носителей в цифровую форму. Это векторизация с использованием дигитайзера (дигитализация) или по растровому изображению (растровой подложке) на мониторе. Дигитализация возможна двумя способами – по точкам и потоком, а векторизация по подложке осуществляется тремя способами – ручная, интерактивная (полуавтоматическая) и автоматическая. Ручной режим в них вводится для коррекции векторизованного изображения, полученного в автоматическом режиме.

По типу исходного материала их можно разделить на:

Картографические позволяют преобразовывать растровые изображения карт в векторную форму.

CAD - векторизаторы позволяют преобразовывать растровые изображения чертежей в векторную форму.

1)Картографические проекции. Семейства проекции.Картографическая проекция— математически определенный способ отображения поверхности эллипсоида на плоскости. Суть проекций связана с тем, что фигуру Земли — эллипсоид, не развертываемый в плоскость, заменяют на другую фигуру, развёртываемую на плоскость, или непосредственно на плоскость. При этом с эллипсоида на другую фигуру переносят сетку параллелей и меридианов. Вид этой сетки бывает разный в зависимости от того, какой фигурой заменяется эллипсоид. В любой проекции существуют искажения, они бывают четырех видов: искажения длин, искажения углов, искажения площадей, искажения форм. Искажение длин означает непостоянство масштаба плоского изображения, что проявляется в изменении масштаба от точки к точке, и даже в одной и той же точке в зависимости от направления. Масштаб: главный, он на карте подписывается, но на самом деле это масштаб исходного эллипсоида, развертыванием которого в плоскость карта и получена; частный масштаб — их бесконечно много на карте, он меняется от точки к точке и даже в пределах одной точки.

Уравнения общего вида:

где λ и φ — широта и долгота точки на земном эллипсоиде.

Картографические проекции основаны на формировании специфического отображения параллелей широты и меридианов долготы эллипсоида на некоторую выравниваемую или развертываемую поверхность. В геометрии, как известно, наиболее простыми развертываемыми поверхностями являются плоскость, цилиндр и конус. Это и определило три семейства картографических проекций: азимутальные, цилиндрические и конические.

2)Векторные топографические модели, их характеристика, достоинства и не достатки.

Основные понятия. Большое количество графических данных в ГИС со специфическими взаимными связями требует топологического описания объектов и групп объектов, которое зависит от "связанности" (простой или сложной). Оно определяет совокупность топологических моделей. Топологические модели позволяют представлять элементы карты и всю карту в целом в виде графов. Площади, линии и точки описываются границами и узлами (дуговая/узловая структура). Каждая граница идет от начального к конечному узлу, и известно, какие площади находятся слева и справа. Топологические модели в ГИС задаются совокупностью следующих характеристик:

• связанность векторов - контуры, дороги и прочие векторы должны храниться не как независимые наборы точек, а как взаимосвязанные друг с другом объекты;

• связанность и примыкание районов - информация о взаимном расположении районов и об узлах пересечения районов

• пересечение - информация о типах пересечений позволяет воспроизводить мосты и дорожные пересечения). Так Т-образ-ное пересечение является трехвалентным, а Х-образное (4 линии сходятся в точке пересечения) называют четырехвалентным;

• близость - показатель пространственной близости линейных или ареальных объектов (оценивается числовым параметром, в данном случае символом S.

Топологические характеристики линейных объектов могут быть представлены визуально с помощью связанных графов. Граф сохраняет структуру модели со всеми узлами и пересечениями. Он напоминает карту с искаженным масштабом. Примером такого графа может служить схема метрополитена. Разница между картой метро и схемой метро показывает разницу между картой и графом.

Узлы графа, описывающего картографическую модель, соответствуют пересечениям дорог, местам смыкания дорог с мостами и т.п. Ребра такого графа описывают участки дорог и соединяющие их объекты. В отличие от классической сетевой модели в данной модели длина ребер может не нести информативной нагрузки.

3)Определение площадных объектов по данным дистанционного зондирования

Площадной объект определяется своей внешней границей и, возможно, набором внутренних границ. Как внешняя, так и все внутренние границы представляют собой замкнутые полилинии. Площадь, занимаемая объектом, определяется площадью полигона (многоугольника), задаваемого внешней границей, за вычетом суммарной площади внутренних областей, т.е. полигонов, задаваемых внутренними границами. Граница объекта не должна пересекаться сама с собой и с другими границами. Каждая внутренняя граница должна лежать целиком внутри внешней границы, но не может лежать внутри другой внутренней границы. А площадных объектов по данным дистанционного зондированиясоставляют информационную основу ГИС-технологий. Под дистанционным зондированием понимаются исследования географических объектов неконтактным способом с использованием съемки с летательных аппаратов - атмосферных и космических, в результате которых получается изображение земной поверхности в каком-либо диапазоне (диапазонах) электромагнитного спектра.

Растровая модель — это цифровое представление пространственных объектов в виде совокупности ячеек растра (пикселов) с присвоенными им значениями атрибута. Каждой ячейке растровой модели соответствует одинаковый по размерам, но разный по характеристикам участок поверхности объекта. При необходимости координаты каждого пространственного объекта, отображенного набором пикселов, могут быть вычислены. Точность в растровых форматах, в большинстве случаев, определяется в половину ширины и высоты пиксела (рис. 4).

Основное назначение растровых моделей — непрерывное отображение поверхности. Иными словами, если векторная модель дает информацию о том, где расположен тот или иной объект, то растровая — показывает, что расположено в той или иной точке территории.

Проводя сравнение векторных и растровых моделей, отметим удобство векторных для работы со взаимосвязями объектов. Тем не менее, используя простые приемы, например, включая взаимосвязи в таблицы атрибутов, можно организовать взаимосвязи и в растровых системах.

Для растровых моделей существует ряд характеристик: разрешение, ориентация, значение, зоны (рис. 5).

Разрешение — минимальный линейный размер наименьшего участка пространства (поверхности), отображаемый одним пикселом. Пикселы обычно представляют собой прямоугольники или квадраты, реже используются шестиугольники или треугольники. Более высоким разрешением обладает растр с меньшим размером ячеек. Высокое разрешение подразумевает обилие деталей, множество ячеек, минимальный размер ячеек.

Ориентация — угол между направлением на север и положением колонок растра.

Значение — величина атрибута, хранящаяся в ячейке растра.

Зона — все ячейки растра, имеющие одинаковые значения. Зоной могут быть отдельные объекты, геологические тела, элементы гидрографии и т.п. Для указания всех зон с одним и тем же значением используют понятие класс зон. Естественно, что не во всех слоях изображения могут присутствовать зоны. Основные характеристики зоны — ее значение и положение.

Растр может содержать один из трех типов информации (рис. 6). Растр с тематическими данными описывает территорию качественно, то есть дает представление о том, каковы свойства поверхности в данной точке. Например, возможны следующие градации значений тематического растра для горных пород: магматические, метаморфические, осадочные. Спектральные данные дают количественную характеристику, демонстрируют какова величина одного свойства в данной точке. Примером могут служить вариации магнитного поля или содержание мышьяка, имеющие определенное значение в каждой точке. И, наконец, просто фотографии, сканированные карты и другие графические данные несут только визуальную информацию.

Растровые модели имеют следующие достоинства. Модель очень проста – данные представляют собой набор чисел, как бы расположенных в рядах и колонках таблицы. Такие данные хорошо поддаются программированию. Растровые данные доступны для анализа во всех существующих ГИС. Многие растровые геоинформационные системы позволяют обрабатывать

также и векторные данные. В ГИС, ориентированных на векторные модели, анализ растровой информации значительно сложнее. И наконец, процессы растеризации (получения растрового изображения по векторному) много проще алгоритмически, чем процессы векторизации, которые зачастую требуют применения экспертных решений.

Наиболее часто растровые модели применяют при обработке аэрокосмических снимков для получения данных дистанционных исследований Земли.

· TIFF- стандартный формат в топографической графике и издательских системах. Файлы в формате TIFF обеспечивают лучшее качество печати.

· JPEG — предназначен для хранения изображений со сжатием.

· GIF — формат обмена графическими данными, который служит для записи и хранения растровых графических изображений.

· BMP — В этом формате первоначально использовалось простейшее кодирование — по пикселам (самое неэкономное), которые обходились последовательно по строкам, начиная с нижнего левого угла графического изображения.

· WMF — используется для обмена графическими данными между приложениями ОС Microsoft Windows.

· PCX – Предназначается для хранения информации в файле в таком же виде, как и в видеоплате.

· PNG — формат хранения растровой графики, использующий сжатие без потерь.

10. Векторные модели данных: понятие объекта, геометрические примитивы, форматы векторных данных, области применения в ГИС.

Понятие о векторном формате связано с представлением линейных объектов в виде набора образующих их точек: любая кривая может быть описана с заданной точностью совокупностью отрезков прямых (или векторов), соединяющих эти точки (рис. 7).

Таким образом, фундаментальными понятиями для векторных ГИС являются: вершина (точка) и дуга — линия, составленная одним или несколькими отрезками. Площадные объекты (полигоны) задаются наборами дуг. Каждый отрезок дуги может являться границей между двумя полигонами.

Векторная модель отличается рядом особенностей, делающих ее более привлекательной для работы в ГИС по сравнению с растровой. Векторная модель помогает расположить слои с объектами разного типа в любой последовательности. Модель дает произвольный доступ к объектам по их названию или идентификатору. В такой форме легче осуществляются операции с объектами: выбор по свойству, анализ, замена условных обозначений и т. д. Векторная модель имеет значительное преимущество по точности (рис. 8). Многие приложения, использующие графику для расчетов, работают только с векторными файлами, т. к. такая технология более эффективна.

Показ векторного изображения в любом масштабе происходит без искажения, поскольку при отображении на экране программа, используя математическое описание каждого объекта, всегда может вычислить расположение и цвет пикселов экрана так, чтобы оптимальным образом передать изображение. Возможными становятся и такие режимы показа, которые не имеют аналогов в способах отображения растровой информации — например, показ поверхности в каркасном представлении (рис. 9).

Векторные модели с помощью дискретных наборов данных (линий, полигонов) отображают непрерывные объекты или явления. Следовательно, можно говорить о векторной дискретизации. При этом векторное представление позволяет отразить большую пространственную изменчивость, чем растровое, что обусловлено более четким показом границ (рис. 10).

И наконец, при хранении в памяти компьютера векторные объекты занимают меньший (в 100-1000 раз) объем памяти, легко редактируются, масштабируются и трансформируются без искажений.

Объект– обозначение пространственного элемента, который также называется геоэлементом, которому могут быть подчинена геометрия и тематика. Каждый объект принадлежит к классу объектов, свойства которого определяет объект

Структура, варианты исполнения и основные приложения программного пакета ArcGIS.

ArcGIS – это интегрированный набор программных ГИС- продуктов для создания полноценной современной ГИС. Фундаментальная архитектура ArcGIS обеспечивает внедрение ГИС- функциональности и бизнес-логики (процедур использования пространственных данных) в разных прикладных сферах, на разных уровнях организации работы: на персональных компьютерах, на серверах, через Web, или в полевых условиях. Поддерживается как работа отдельных пользователей, так и многопользовательский режим обработки и анализа данных.

Структура ArcGIS состоит из следующих основных блоков:

Настольные ГИС — продукты (Desktop GIS) — ArcReader, ArcView, ArcEditor, ArcInfo, а также дополнительные модули ArcGIS, представляют масштабированный по решаемым задачам и унифицированный по интерфейсу и общим принципам работы ряд продуктов для создания, обмена, управления, анализа и публикации географической информации. Основные настольные продукты ArcGIS (ArcView, ArcEditor, ArcInfo) имеют общую архитектуру, но различаются по уровню доступной функциональности составляющих их базовых приложений ArcMap и ArcCatalog и числу входящих в них инструментов геообработки, сгруппированных по типам решаемых задач. Эти приложения предоставляют широчайшие возможности работы с пространственными данными. ArcMap обеспечивает решение разнообразных картографических задач, пространственный анализ и редактирование данных. ArcCatalog отвечает за управление ГИС- данными, обеспечивает доступ к данным на отдельном компьютере, по локальной сети или через Интернет.

Серверные ГИС — ArcGIS Server, ArcIMS и ArcSDE. Они используются для создания и управления серверными ГИС- приложениями, позволяющими распространять пространственные данные (географическое знание) в пределах крупных организаций или многим другим пользователям через Интернет. ArcGIS Server – это сервер приложений, содержащий общую коллективно используемую библиотеку программных ГИС- объектов для создания серверных приложений, работающих в корпоративной сети или в Web. ArcIMS – масштабируемый картографический Интернет- сервер для публикации карт, данных и метаданных через открытые Интернет- протоколы, обеспечивает создание ГИС- порталов. ArcSDE – мощный сервер пространственных данных для управления географической информацией, хранящейся во многих коммерческих СУБД.

Встраиваемые ГИС — ArcGIS Engine – это библиотека встраиваемых компонентов ГИС и инструментов, с помощью которой разработчики могут создавать новые или расширять имеющиеся настольные пользовательские приложения. Используя ArcGIS Engine, разработчики могут встроить ГИС- функции в существующие приложения (например, Microsoft Word и Excel), либо создать приложения, сфокусированные на решении определенных задач, предоставив необходимые функции ГИС для массового использования в конкретной организации или отрасли.

Мобильные ГИС – пакет ArcPad, установленный на мобильных устройствах с поддержкой GPS, широко используется для целенаправленного сбора данных и другой ГИС- информации, их просмотра и обновления непосредственно в полевых условиях.

ArcObjects – общие встраиваемые ГИС- компоненты. Основой ArcGIS является общая модульная библиотека ГИС- компонентов, известная как ArcObjects. Архитектура всех продуктов семейства ArcGIS, созданного с помощью ArcObjects, предоставляет готовые блоки и инструментальные средства для ГИС в составе настольных ГИС, встраиваемых ГИС и серверных ГИС. Вместе они представляют современную платформу разработки, обеспечивающую ГИС- функциональность на любом уровне организации рабочего процесса.

Основные приложения пакета:

ArcMap основное приложение ArcGIS Desktop. Оно используется для всех картографических задач, включая создание карт, анализ карт и редактирование данных. В этом приложении вы работаете с картами. У карты есть компоновка, содержащая собственно вид географических данных набор слоев карты, легенду, масштабные линейки, стрелки Севера и другие элементы.

В ArcMap есть два варианта отображения и работы с картой — в Виде географических данных и в Виде компоновки — в них можно решать разнообразные ГИС задачи.

Приложение ArcCatalog поможет структурировать и управлять всеми данными вашей ГИС. Оно предоставляет инструменты для поиска и просмотра географических данных, создания и просмотра метаданных, быстрого просмотра любого набора данных, а также инструменты для структурирования географических данных.

ArcToolbox это простое приложение, содержащее множество инструментов обработки геоданных (конвертация, проецирование, геообработка данных, оверлейный анализ, организация многолистных карт…). Есть две версии ArcToolbox: полная версия входит в ArcInfo (более 150 инструментов), облегченная — в ArcView и ArcEditor (20 наиболее часто используемых инструментов конвертации и управления данными).

Читайте также: