Преобразование исходной графической информации в цифровую форму

Задача преобразования исходной графической информации в цифровую форму решается в настоящее время двумя основными способами: ручная кодировка содержания исходных картматериалов с использованием планшетных дигитайзеров и в той или иной степени автоматизированная векторизация растрового изображения.

В процессе кодирования объектов с использованием дигитайзера обычно решаются следующие задачи.

n Тестирование дигитайзера и определение его точностных парамет­ров.

n Дигитализация объектов в дискретном режиме.

n Дигитализация объектов в режиме непрерывного обвода с дискре­тизацией метрической информации.

n Визуализация кодируемого объекта на экране.

n Оперативное редактирование с использованием экрана (удалить объект или его часть, добавить пропущенные точки или линии и т.д.).

n Текущие контроли положения листа.

Возможность ручной оцифровки предусмотрена практически во всех прикладных ГИС и требует использования относительно недорогих устройств ввода, так называемого графического планшета (дигитайзер, сколка, цифрователь) и несложного модуля математического обеспечения.

Практическое использование данного метода предполагает наличие добросовестного персонала и хорошо налаженного процесса контроля качества оцифровки.

Более прогрессивным и поэтому чаще используемым способом оцифровки графического материала является так называемая векториза­ция по растровой подложке. Применение данного метода предполагает сканирование исходных данных и дальнейшую обработку - векторизацию, полученного растрового изображения с целью получения файлов векторного описания.

Для получения растровых изображений, пригодных для векторизации с сохранением картографической точности используются специальные устройства - картографические сканеры, разрешение которых достигает 1200 точек на дюйм. Кроме того, геометрическая точность по всему полю изображения должна быть не хуже 50 мкм. Данные устройства, особенно форматов больших АЗ достаточно дороги, поэтому в ряде случаев целесообразно заказывать выполнение сканирования в специализирован­ных организациях.

Обработка полученного растрового изображения включает в себя несколько этапов, первый из которых - геометрическая коррекция.

Геометрическая коррекция изображения, как правило заключается в следующем.

· Приведение изображения планшета к теоретической трапеции по координатам углов рамки и координатной сетке.

· Оценка точности результатов коррекции.

· Корректирование отсканированного изображения по точным значе­ниям координат опорных точек.

· Выбор метода коррекции осуществляется либо пользователем, либо автоматически (система последовательно проходит все методы коррекции, по каждому делает оценку точности и выбирает оптимальный).

· Объединение фрагментов в единое изображение (сшивка отдельных частей изображений по топознакам с геометрической коррекцией, контролем и редактированием по линии сшивки).

· Объединение нескольких листов карт в единое целое (сводка и редактирование изображения по рамкам).

o Преобразование координат на основе установления аналитических зависимостей.

Программные средства ввода и редактирования данных, как правило, обеспечивают разнообразные технологии ввода графических и семантических данных, рассчитанные на различные по типу и качеству исходные материалы. Так для полностью автоматического ввода данных необходимо иметь исходный материал высокого качества, например, цветоделенный оригинал карты. Возможна, также последовательная обработка одного и того же материал вначале частично ручным или полуавтоматическим методом, а затем, оставшуюся часть - автоматичес­ким. Например, при дигитализации рельефа можно вручную оцифровать области с высокой концентрацией горизонталей, а оставшиеся горизонтали - автоматически.

Дигитализация графических объектов производится в соответствие с заранее заданной структурой графических объектов, которая полностью соответствует структуре объектов. При дигитализации графических объектов можно также вводить и атрибутивную информацию.

В процессе векторизации обычно используют следующие функции:

· поиск разрывов и соприкосновений,

· проверка концов линий,

· контроль (при необходимости построение) рамки карты,

· контроль выходов на рамку,

· увеличение, уменьшение изображения,

· скроллинг,

· открытие нескольких окон, в том числе на разных мониторах,

· плавный переход курсора из окна в окно (с сохранением "резиновой" нити),

· создание нового объекта (точка, линия, контур) на экране,

· удаление всего объекта или его части,

· корректирование существующего объекта,

· визуализация узлов линий,

· удаление лишних узлов,

· создание новых узлов,

· подтягивание углов,

· захват точки,

· захват линии,

· замкнуть контур,

· нарисовать прямоугольник,

· нарисовать круг,

· нарисовать эллипс,

· выровнять по красной линии,

· скопировать из слоя в слой,

· выбрасывание лишних узлов в автоматическом режиме (по цензам) и т.д.

Процесс векторизации по растровой подложке заканчивается оценкой точности и контролем качества. В данном случае временные затраты на контроль существенно ниже чем при ручном кодировании.

Оцифровка аэрофотоснимков для целей последующего составления или обновления карт требует использования сканеров с чрезвычайно высокими геометрической и фотометрической точностями. Разрешение подобных устройств достигает 5 мкм при геометрической точности 2 мкм по полю изображения 200 х 200 мм. Данное оборудование чрезвычайно дорого и используется в крупных производственных организациях.

Тема №7 «Использование ДДЗ при создании и работе с ЭЦК»

Вопросы:

1. Понятие и необходимость использования ДДЗ

2. Характеристики ДДЗ

2.1. Аэро и космоснимки

2.2. Виды снимков

2.3. Разрешение

2.4. Диапазон волн ДДЗ

3. Стоимость ДДЗ

4. Реальные примеры использования ДДЗ

5. Использование экспертных систем для обработки ДДЗ

1 Понятие и необходимость использования ДДЗ

Прежде чем прини­мать какие-либо решения, стро­ить планы, разрабатывать проек­ты развития и использования территорий, необходимо для на­чала понять - что из себя эта тер­ритория представляет: сколько здесь проживает населения, чем оно занято, в каких условиях жи­вет: какие здесь есть полезные ископаемые и в каком количестве; каковы инженерно-строительные условия; что представляют из себя лесные массивы; как используются пахотные земли и в каком они состоянии; в каком состоянии луга и паст­бища и какова их продуктивность; что из себя представляет промышленность территории, насколько она эффективна и какие виды про­мышленного производства экономически вы­годно здесь развивать; каковы резервы водо­снабжения; в каком состоянии и какие резер­вы у энергоснабжения; какая транспортная сеть на территории, каковы ее транспортные связи, в каком состоянии магистрали, желез­ные дороги, аэропорты; какова, наконец, эко­логическая ситуация и чем она вызвана и т.п Специалистам, ра­ботающим с материалами космических съемок тоже понятно - без космических изобра­жений такую задачу ни в масштабах страны, ни в масштабах области (края, республики) решить практически невозможно. Но кто ее может решить?

Есть только две возможности. Одна - это сбор информации на местности, как говорят, "в поле", при посещении человеком или автоматическим устройством интересующих объектов или участков и непосредственном сборе информации о них - будь то приборные измерения, например, температуры воды, рН почвы, уровня естественной радиоактивности горных пород, будь то описание человеком типа и состояния лесной растительности или сельскохозяйственных посевов, или даже просто фиксация появления новых объектов - вновь построенной дороги, развив­шегося за последнюю весну оврага, несанкционированной вы­рубки в лесу или незаконных посевов конопли на деревенском огороде - все это можно определить при прямых наблюдениях на местности, и имея портативный полевой компьютер, связанный с приемником GPS, можно сегодня создать, пополнить или отре­дактировать пространственные базы данных, полностью исклю­чив промежуточное накопление информации на бумажном носи­теле. Это вполне реально уже сегодня, применение таких подхо­дов ширится. Но совершенно ясно также, каких огром­ных затрат и времени требует сплошное изучение, наземная съемка значительных территорий. Тем более этот подход мало­реален при комплексном изучении территории, ведь для одно­временного изучения и растительного покрова, и почв, и геологи­ческого строения, и объектов хозяйственной деятельности чело­века требуется одновременно посылать на полевые работы спе­циалистов многих профессий. Отметим также, что при проведе­нии полевых обследований очень трудно, а для больших террито­рий невозможно, добиться синхронизированности, одновремен­ности наблюдений во всех частях территории. Наблюдения в разных частях могут тогда относиться к разным фенологическим стадиям развития растений, разным состояниям погоды, разным этапам сельскохозяйственных работ. Короче, единственным этот метод сбора информации - в поле, при непосредственном посе­щении местности, при прямом контакте с ее объектами, быть не может. Он обязательно должен дополняться другими, неконтакт­ными методами сбора информации, позволяющими охватить сразу значительные площади.

Эту задачу позволяют решить методы дистанционного зон­дирования. (Вообще говоря, в эту группу попадают все методы получения информации неконтактными методами - о земной по­верхности, о том, что расположено на ней, под ней и над ней, в том числе и известные геофизические методы исследования недр - гравиразведка, сейсморазведка и др., но чаще к дистанци­онному зондированию относят только группу методов получения изображения земной поверхности в определенных участках спе­ктра электромагнитных волн с авиационного или космического летательного аппарата. Таким образом, данные дистанционного зондирования - это прежде всего аэроснимки или космические снимки.)

Специализированные пакеты для работы с данными дистан­ционного зондирования, такие как ERDAS IMAGINE, приобретают все более развитые функции ГИС, а классические ГИС, в основ­ном рассчитанные на работу с векторными данными, такие как ARC/INFO и ArcView GIS, активно развивают средства для работы с растровой моделью данных. Две эти ветви программного обеспечения научились хорошо вза­имодействовать, читая форматы файлов друг друга даже без не­обходимости конвертирования.

Под Дистанционным зондированием (ДЗ) под­разумевается получение информации о земной по­верхности (включая расположенные на ней объек­ты) без непосредственного контакта с ней, путем регистрации приходящего от нее электромагнит­ного излучения. Таким образом, дистанционное зондирование - косвенный метод получения ин­формации о земной поверхности, и для извлечения этой содержательной информации из исходных данных требуются специальные методы обработки (дешифрирования) данных ДЗ (ДДЗ). Эти методы реализованы в системах обработки изображений. Но прежде, чем приобретать и обрабатывать дан­ные, необходимо разобраться, какими свойствами они обладают, и выбрать данные, оптимальные для решения поставленных задач.

2 Характеристики ДДЗ

2.1 Аэро и космоснимки

Чем отличаются данные аэросъемок и космических съемок? Да, в сущности, ничем принципиальным, кроме типа аппарата, который несет съемочную аппаратуру и высоты съемки, 'что оп­ределяет в среднем меньшее пространственное разрешение ко­смических снимков, но зато и их большую обзорность Для кос­мических систем типично разрешение в несколько метров и де­сятков метров, зато один кадр может покрывать квадрат со сто­роной в несколько десятков, а то и сотен километров. Более низ­кое пространственное разрешение не всегда является недостат­ком изображения, зато в сочетании с большой площадью кадра оно обеспечивает высокую обзорность и естественную генера­лизацию изображения, что помогает выявить такие особенности природных объектов на земной поверхности, которые пропада­ют, теряются при рассматривании их по частям на детальных снимках. Кроме этого, снимки более низкого пространственного разрешения, естественно, дешевле в расчете на единицу площа­ди, вплоть до совсем бесплатных снимков с метеорологических спутников серии NOAA, дающих разрешение около 1 км. Сего­дня, впрочем, по пространственному разрешению между косми­ческими и аэросъемками резкой границы нет - современные ко­смические системы позволяют получать изображения с разре­шением в 1 метр и даже в несколько десятков сантиметров.

2.2 Виды снимков

СНИМКИ
В одном спектральном диапазоне	В реальных или условных цветах (спектрозональные)	многозональные
одновременно совместно фиксируются 2 или 3 зоны спектра на одной и той же фотопленке (и дальше изо­бражения в этих зонах уже реально неразделимы)	одновременно, но раздельно фиксируются несколько изображений в различных зонах спектра. Их может 3, 4, 5, 7 и да­же больше, Если больше 16, то снимки гиперспектральные. Они позволяют определить типы и да­же конкретные виды растительности, горные породы и почвы, оп­ределить состав пленки загрязнения на поверхности воды, мате­риал, из которого выполнено дорожное покрытие. Мы можем синтезировать из нескольких спектральных зон множество вариантов цветного изображения. Каждый вариант такого изоб­ражения, содержит несколько от­личную информацию о снятых объектах. На одном лучше выделя­ются дороги и сооружения, на другом - водные объекты, на тре­тьем - лучше видны подробности распределения растительнос­ти.

2.3 РАЗРЕШЕНИЕ

Пространственное	Спектральное	Радиометрическое	временное
Хар-ся размером наименьших объектов различимых на изображении	(см. 2.2)		С какой периодичностью один и тот же сенсор может снимать некоторый участок земной поверхности. Чаще всего повтор ч/з несколько дней или часов.
Низкое	Среднее	высокое
>100 м	10-100 м	<10 м
Обзорные(метеорология, масштабные природные бедствия	Мониторинг природной среды	С космоса -военная разведка, с воздуха-топокартографирование

2.4 ДИАПАЗОНЫ ВОЛН ДДЗ

Радиоволны	Тепловое излучение	ИК-излучение и видимый свет
Сантиметровый диапазон радиоволн используется для радарной съемки. Важнейшее преимущество снимков этого класса - в их всепогодности. По­скольку радар регистрирует собственное, отра­женное земной поверхностью, излучение, для его работы не требуется солнечный свет. Кроме того, радиоволны этого диапазона свободно проходят через сплошную облачность и даже способны про­никать на некоторую глубину в почву Отражение сантиметровых радиоволн от поверхности опреде­ляется ее текстурой ("шероховатостью") и наличи­ем на ней всевозможных пленок. Так, например, радары способны фиксировать наличие нефтяной пленки толщиной 50 мкм и более на поверхности водоемов даже при значительном волнении. Еще одной особенностью радарной съемки является ее высокая чувствительность к влажности почвы, что важно и для сельскохозяйственных, и для экологи­ческих приложений. В принципе, радарная съемка с самолетов способна обнаруживать подземные объекты, например, трубопроводы и утечки из них.	несет информацию, в основном, о температуре поверхности. Помимо прямого определения температурных режимов ви­димых объектов и явлений (как природных, так и искусственных), тепловые снимки позволяют косвенно выявлять то, что скрыто под землей - подземные реки, тру­бопроводы и т. п. Поскольку теп­ловое излучение создается са­мими объектами, для получе­ния снимков не требуется сол­нечный свет (он даже, скорее, мешает). Такие снимки позво­ляют отслеживать динамику лесных пожаров, нефтяные и газовые факелы, процессы подземной эрозии. Следует от­метить, что получение космиче­ских тепловых снимков высоко­го пространственного разре­шения технически затрудни­тельно, поэтому сегодня до­ступны снимки с разрешением около 100 м. Много полезной информации дает также тепло­вая съемка с самолетов.	Для успешного проведения съемки в этом диапазоне длин волн необходимы солнечный свет и ясная погода. Обычно оптическая съемка ведется либо сразу во всем видимом диапазоне (панхроматическая), либо в нескольких более узких зонах спектра (мно­гозональная). При прочих равных условиях, пан­хроматические снимки обладают более высоким пространственным разрешением. Они наиболее пригодны для топографических задач и для уточне­ния границ объектов, выделяемых на многозональ­ных снимках меньшего пространственного разре­шения.

3 Стоимость ДДЗ

Что касается стоимости ДДЗ, то тут существу­ет множество вариантов. На цену влияют: выбор спутника, дата съемки (то есть, будут данные взяты из архива, или съемку нужно заказывать), режим работы сенсора (количество спектральных зон, стереорежим), уровень обработки снимков, объем заказа... В общем, можно сказать, что цена сним­ков варьирует от нуля до десятков долларов за ква­дратный километр.

4 Реальные примеры использования ДДЗ

Пример 1: Проект "Американские Леса" по программе "Городские Леса" показал важность лесных насаждений для городских условий. Ис­пользуя дистанционное зондирование и другие методы ГИС, включенные в программное обеспе­чение CITYGREEN (см. ARCREVIEW №3(10) за 1999 г., стр. 8), удалось обнаружить прямую корреля­цию между снижением численности деревьев и ростом стока ливневых вод и загрязнения воздуха. Городская среда ставит трудную задачу по обра­ботке ДДЗ. Тем не менее, при использовании спе­циальных алгоритмов было обнаружено, что в го­родских областях Пьюджет-Саунд утрачено 37% деревьев, которые перехватывали 34 млн. кубоме­тров воды и 16 тыс. тонн загрязнителей, вызываю­щих разрушение озона. Проект также помог опре­делить, где следует высаживать деревья, чтобы улучшить городскую среду. Разработка доведена до настоящей системы управления, способной по­мочь любому городскому планировщику.

Пример 3: Фирмой Maryland Consulting для проведения анализа производства сельскохозяй­ственной продукции по малоизученным террито­риям была разработана и реализована методика, на 60% уменьшающая время и стоимость такого анализа. Вместо закупки и обработки данных LANDSAT на большие территории компания созда­ла линейную регрессионную модель для опреде­ления вероятной ошибки выделения сельскохо­зяйственных областей по снимкам AVHRR. Кор­ректность модели была проверена по снимкам бо­лее высокого разрешения. Была статистически доказана достоверность классификации ланд­шафтов на региональном уровне.

В первую очередь, это разработанные Научно-проектной фирмой ЭНКО компьютер­ные Генеральные планы городов Перми и Ижевска и Концепция территориально-плани­ровочного развития гг. Ухта-Сосногорск, со­зданные с использованием цифровых косми­ческих изображений SPOT, Генеральный план Приморского рекреационного района Кали­нинградской области и 1 -и этап создания Го­сударственного Градостроительного кадастра Республики Коми, выполненные с использо­ванием отечественных космических снимков.

В данных работах космические изображе­ния успешно применялись для оценки совре­менного состояния и использования изучае­мых территорий, что позволило создать акту­альную картину на момент проведения косми­ческой съемки, адекватно оценить потенциал территории и разработать эффективные предложения по ее перспективному разви­тию.

В Перми, на основе космической съемки SPOT, а также фондовых материалов, были со­зданы цифровые карты современных ланд­шафтов, использования земель, инженерно-строительных условий и традиционные градо­строительные схемы: функционального зонирования, транспорта, магистральных инже­нерных сетей, планировочных ограничений (санитарно-защитные зоны предприятий, зо­ны от трубопроводов, водоохранные зоны и т.п.) и многие другие. Система создавалась с помощью программных средств PC ARC/INFO и ArcView GIS. В процессе дешифрирования космических изображений SPOT были выяв­лены многочисленные изменения состояния окружающей среды, по сравнению с традици­онными картографическими материалами -новая, главным образом, усадебная застрой­ка; карьеры, свалки, другие нарушения почвенно-растительного покрова; новые дороги и другие линейные сооружения. Особенно пока­зательно то, что по космической съемке обна­ружены очень значительные нарушения зеле­ной зоны Перми к востоку от города несанкци­онированными рубками, строительством и т.п. Материалы дешифрирования космических изображений существенно повлияли на раз­работку проектных предложений Генерально­го плана.

Применяя ГИС-технологии проектировщи­кам удалось решить многие задачи - от выбо­ра территорий для нового жилищного строи­тельства и комплексной градостроительной оценки этих новых площадок до разработки предложений по развитию социальной инфра­структуры (на основе компьютерного анализа обеспеченности микрорайонов детскими са­дами, школами, поликлиниками и т.п. в срав­нении с нормативными показателями) (рис. 1).

Другой пример - территориальная инфор­мационная система "Генеральный план При­морского района Калининградской области". В начале работы использовались отечествен­ные космические фотоснимки, выполненные в 1989 году. Были созданы необходимые схемы дешифрирования и традиционные градостро­ительные схемы в составе, аналогичном при­веденному выше. На стадии разработки про­ектных предложений было получено космиче­ское изображение SPOT 1995 года, анализ ко­торого показал, что на территории произошли значительные изменения, связанные, главным образом, с массовым жилищным и садовод­ческим строительством. Это привело нас к мысли о необходимости ведения градострои­тельного мониторинга с использованием кос­мических изображений, методика которого и была разработана нами в инициативном по­рядке на примере изображений SPOT 1990 и 1995 года этой территории(рис. 2) с примене­нием ГИС-технологии.

Использование данных дистанционного зондирования

На этом этапе наиболее эффективным становится объединение средств ГИС и ЕПОАЗ 1МА01МЕ в единую платформу, что обеспечивает корректный подход к оценке экологической ситуации в регионе с позиций экономического природо­пользования.

В процессе природоохранного проектирования важную роль играет фактор сохранности почвенно-раститепьных покровов (рис. 5).

Планирование и экологическая оценка работ - важные инструменты, гаранти­рующие соблюдение природоохранных требований. Объединение данных наблю­дений за природной средой и, результатов моделирования сценариев ее измене­ний при конкретном плане работ служит ключевым фактором в принятии решений. Эти задачи успешно решаются средствами програмного обеспечения ЕНОД5 1МАС1МЕ. С использованием эталонов дешифрирования были построены карты грунтов и растительности. На их основе определяются санирующие свойства ландшафтов по преобразованию, поглощению или нейтрализации загрязнителей. По полученным по ЦМР направлениям водотоков и тематической карте раститель­ности и грунтов проведено районирование трассы и выделены наиболее экологи­чески уязвимые участки нефтепровода (рис. 6). Анализ полученных результатов позволил в качестве меры, предотвращающей возможные негативные воздейст­вия, выбрать места для «ловушек" разливов нефти на случай возможных ЧС.

Для корректировки построенной математической модели местности широко использовались данные дистанционного зондирования (ДДЗ). В качестве исход­ной информации были взяты снимки 1АМОЗАТ-7, МК-4 высокого разрешения, а также данные полевых геодезических изысканий. Обработка ДДЗ велась с ис­пользованием модуля 1МА01МЕ ОШюВАЗЕ для ортофототрансформации и геоме­трической коррекции снимков. Данные многозональной космической съемки ис­пользовались для уточнения инфраструктуры, состояния ландшафтных карт и карт растительности, изменений речной сети, границ населенных пунктов. Полу­ченная информация позволила скорректировать математическую модель, до­биться более высокой степени ее достоверности (рис. 7).

Качество воды определялось по результатам химического анализа проб за несколько лет и гиперспектральным снимкам территории. Их соместный анализ позволил создать эталоны дешифрирования (рис, 8). Они позволяют оценить со­стояние и выявлять естественные и возможные техногенные изменения состава воды и грунтов.

С использованием космических снимков также велось планирование опти­мального размещения строительных площадок и дорог На снимках отчетливо видны места прошедших лесных пожаров, вырубок леса, молодых посадок дере­вьев. Проведение строительных работ на этих участках позволяет минимизиро­вать ущерб таежной экосистеме, так как гибель лесной растительности приводит к опустыниванию и исчезновению уникальной флоры и фауны.

Данные дистанционного зондирования Земли

Концепция создания ГБЦГИ предусматривает наличие в си­стеме информационных ресурсов данных дистанционного зон­дирования Земли. Информационная система ДЗЗ создается в соответствии с приказом МПР России от 30.04.99 № 95 как приоритетный вид деятельности организаций Министерства. Предусмотрено три основных направления деятельности: по техническому, информационному и методическому обеспече­нию системы.

Техническое обеспечение направлено на формирование наземной сети приемных станций на основе использования малых станций типа "СканЭР", разработанных инженерно-тех­нологическим центром "Сканэкс". Их эксплуатация осуществ­ляется в соответствии с "Положением о порядке проведения съемок поверхности Земли с космического аппарата (КА) "Ре­сурс-01" и использовании данных космических съемок в инте­ресах социального и экономического развития страны и меж­дународного сотрудничества" и "Положением по эксплуатации малых станций приема "СканЭР" с КА оперативного наблюде­ния "Ресурс-01". В настоящее время развернуты и функциони­руют три приемо-обрабатывающие станции: в Южно-Сахалин­ске, Иркутске и Москве (эксплуатируется совместно с ИТЦ "Сканэкс"), обеспечивающие прием информации с КА "Ресурс-01" №3 и с КА "Океан-0" №1 по большей части территории России, за исключением Чукотки и северных районов Сибири и Урала.

Федеральной космической программой России в 2000-2005 годах планируется совершенствование космической сис­темы изучения природных ресурсов, экологического монито­ринга и всепогодного наблюдения, создание космического комплекса оперативно-электронного наблюдения за земной поверхностью, разработка и создание системы микроспутни­ков ДЗЗ. В связи с этим, дальнейшее повышение технических возможностей ведомственной информационной системы ДЗЗ МПР России предусматривает совершенствование аппаратно-программного оснащения Центров приёма и обработки мате­риалов ДЗЗ с учетом возможности приема информации как отечественных, так и зарубежных КА ("Ресурс-01", "Океан-0", "Метеор-ЗМ", Г40АА, Е08-АМ, 1РЗ).

5 Использование экспертных систем для обработки ДДЗ

Экспертная система - это компьютерная про­грамма, решающая задачи в конкретной пред­метной области путем принятия решений на ос­нове набора правил, условий и гипотез, запи­санных в базе знаний. Базы знаний формируют­ся опытными экспертами, работающими в предметных областях. Знания представляются в виде вопросов, ответы на которые продвигают анализ к следующим вопросам - вниз по дереву принятия решения

И по мере того, как обработка изображений становится все более производительной и до­ступной по цене, все ближе становится слияние двухмерных и трехмерных данных в единый, "бесшовный" с точки зрения пользователя, мас­сив информации. Это позволит обрабатывать стереоизображения, автоматически извлекать из них трехмерную информацию (здания, рель­еф и т.д.) и затем просматривать эту и другую пространственную информацию в общей среде виртуальной реальности. Это позволит снизить стоимость ведения баз векторных данных и од­новременно повысить их точность и актуаль­ность

Внедрение технологии экспертных систем началось на этом рынке с выходом ERDAS IMAGINE 8.4. Вначале эксперт создает базу знаний с помощью простого графического интерфейса. База знаний представляется в виде древовид­ной схемы, состоящей из правил, условий и пе­ременных, которые использовались бы экспер­том при традиционном анализе тех же исходных данных. Второй частью является образованный последовательностью диалогов мастер. С его помощью пользователи, не являющиеся экс­пертами, могут применять базу знаний к собст­венным данным. Мастер запрашивает у пользо­вателя необходимые данные, автоматически применяет к ним процедуры обработки и прово­дит анализ по дереву решений до формирова­ния вывода. Указатель пути принятия решения позволяет пользователю получить еще больше информации из базы знаний, которая была вло­жена туда экспертом.

Главным достоинством Данной технологии является то, что база знаний, созданная одним экспертом (например, в головном офисе крупной компании), может распространяться среди тысяч рядовых пользователей, которые благо­даря этому смогут надежно воспроизводить процедуру обработки и выполнять пространст­венный анализ любой сложности. Переноси­мость знаний делает технологию экспертных систем ключевым компонентом будущих систем обработки географических изображений. Сами же базы знаний могут стать новым коммерчески эффективным информационным продуктом.

Использование в обработке изображений простых интерфейсов, мастеров и автоматизи­рованных процессов приводит все больше пользователей в мир трехмерного дешифриро­вания, то есть - в мир цифровой фотограммет­рии.

Слияние двухмерных и трехмерных данных в единый массив информации позволит обрабатывать стереоизображения, автоматически извлекать из них трехмерную информацию (здания, рельеф и т.д.) и затем просматривать эту и другую пространственную информацию в общей среде виртуальной реальности. Это позволит снизить стоимость ведения баз векторных данных и одновременно повысить их точность и актуальность.

С повышением точности и снижением стоимости технологий глобального местоопределения (GPS), компании, занимающиеся разработ­кой программного обеспечения, начинают инте­грировать эти инструменты в свои продукты для облегчения сбора полевых данных. Например, группа специальных проектов (SPT) компании ERDAS создала инструмент для системы обра­ботки изображений ERDAS IMAGINE, который объединяет данные GPS с процессом съемки местности с воздуха в режиме реального време­ни с помощью портативного компьютера. Эта технология может использоваться и в других об­ластях, например, в картировании полос отчуж­дения линий электропередачи или трубопрово­дов, мониторинге речных фарватеров и т.д.

"Космические системы высокого разрешения, бе­зусловно, не могут заменить аэросъемку при реше­нии многих задач. Они могут дополнить ее в тех обла­стях земного шара, где ее выполнение нерентабель­но, либо попросту невозможно. Существующие в раз­ных странах, в России в том числе, значительные ар­хивы комических снимков, годами получаемых в обо­ронных целях и теперь доступных для коммерческого использования, также представляют немалый инте­рес для потребителей - как в силу об­ширности охваченных съемкой терри­торий, так и в силу выгодной стоимо­сти по сравнению с оперативными данными. Использование космичес­ких снимков высокого разрешения позволяет разработчикам ГИС созда­вать не только обобщенные карты и схемы, например, схемы использова­ния территорий, лесных угодий и пр., но и разрабатывать высокоточные планы территорий населенных пунк­тов, промышленных объектов и т.д. с детализацией до отдельных зданий и сооружений, с возможностью опреде­ления не только плановых размеров, но и высот. Это позволяет создавать трехмерные модели отдельных, в том числе проблемных, территорий, вы­полнять более глубокий анализ сло­жившейся ситуации и принимать бо­лее обоснованные решения. То есть, высокодетальные космические изоб­ражения позволяют сделать еще один шаг на пути к созданию ГИС нового поколения - трехмерных ГИС.

Тема №8 «Анализ ГИС»

Вопросы:

1 Классификация ГИС по функциональным возможностям

2 Система InterGraph

3 Система ARC/INFO

4 Система MAPINFO

5 Система WinGIS

6 Система GeoGraph

7 Система GeoDraw

В связи с глобальной информатизацией общества в интересах многих пользователей в нашей стране и за рубежом созданы и применяются ГИС для топографического и тематического картографирования, обработки космических изображений, для решения муниципальных, инженерных, кадастровых и имущественных проблем.

Определяющим фактором при разработке ГИС, ее архитектуры и пользовательского интерфейса, а также при выборе системы является ее функциональное предназначение. По своим функциональным возможнос­тям можно выделить 2 группы ГИС.

К первой группе относятся универсальные и мощные по своим производственным возможностям, ориентированные на рабочие станции и сетевую эксплуатацию многофункциональные системы, имеющие весьма развитое программное обеспечение, обрабатывающие большие объемы информации и предназначенные для анализа данных, поступающих из различных источников. В этих ГИС может формироваться разнообразная продукция и документация, от электронных карт со специальной информацией до различных распоряжений, программ и прогнозов.

Вторую группу составляют специализированные и менее мощные ГИС, включающие персональные ЭВМ и необходимые периферийные устройства, требуемый набор пакетов программ, обеспечивающих выполнение операций и процедур при решении проблемно-ориентированных задач.

Программное обеспечение ГИС обычно включает следующие функциональные модули: ввода информации, поддержки многооконного интерфейса, системный, отображения и обработки векторной информации, отображения и обработки растровой информации, обработки табличной информации, преобразования информации разных типов, вывода информации.

Модуль ввода информации обеспечивает ввод векторной информации путем цифрования картографических материалов и преобразования векторных файлов из различных форматов, используемых в других ГИС и пакетах обработки данных, во внутренний формат векторных данных системы, загрузки данных; ввод растровой информации путем сканирования картографических материалов и преобразования различных растровых файлов во внутренний формат растровых данных системы, загрузки данных; ввод табличной информации.

В модуле поддержки многооконного интерфейса реализуются операции управления главным окном-меню системы и окнами-меню операций с векторной, растровой и табличной информацией, операции создания и модификации окон обработки, переключения режимов работы системы.

Посредством системного модуля осуществляется установка технических параметров базового аппаратного комплекса (тип графического адаптера и используемого видеорежима, спецификаций периферийных устройств: цифрователя, сканера, плоттера и др.), сохранение и загрузка системы.

Модуль отображения и обработки векторной информации позволяет выполнять отображение электронных векторных карт в разных проекциях и масштабах, генерализацию и редактирование векторных карто­графических изображений в автоматическом и интерактивном режимах, преобразования этих изображений в другие проекции, их объединение (сшивку).

При помощи модуля отображения и обработки растровой информации производятся визуализация и просмотр • растровых картографических изображений на экране дисплея с изменением их масштабов, редактирование изображений и формирование подписей названий, отображение пространственных (трехмерных) моделей местности, преобразования изображений, их объединение (сшивку), вычисление и построение гистограмм, вычисление матриц корреляции и ковариации.

Модуль обработки табличной информации может рассматриваться как внутренняя СУБД, обеспечивающая основной набор стандартных операций над картографическими данными, географически локализован­ными или не имеющими географической привязки.

В модуле преобразования информации разных типов осуществляется преобразование растровых изображений в векторные и наоборот, а также преобразование табличных данных в векторные и растровые изображения и наоборот.

Модуль вывода информации обеспечивает преобразование векторных и растровых файлов в формат данных, используемых другими ГИС или пакетами обработки изображений, вычерчивание (рисовку) издательских оригиналов карт и космических изображений на плоттере, воспроизведение табличной информации.

Для обеспечения эффективности обработки данных различных типов нередко используется реляционная СУБД, основанная на теории отношений. Она обеспечивает доступ к данным не на физическом, а на логическом уровне. При этом обеспечивается выбор системой наилучшего способа выполнения запросов. Простота, удобство, гибкость, скорость доступа и манипуляций с данными особенно важны для ГИС.

2 Система InterGraph

Наиболее характерным представителем систем первой группы является ГИС MGE фирмы InterGraph (США), известной своими рабочими станциями. С целью расширения рынка применения фирма InterGraph разработала версии, функционирующие под управлением WINDOWS NT, а также программное обеспечение для персональных компьютеров - MGE-PC 2.0 (под MS - DOS), MGE VistaMap (под Windows). MGE-PC 2.0 может импортировать данные из таких баз данных, как dBase, FoxBase, Xbase, ORACLE, SYSBASE, DB2, Ingres, Informix.

MGE VistaMap - это система интеграции модульной ГИС и мульти­медиа, в которой видео, звук и отдельные графические изображения связаны с географическими объектами. В этой системе могут использоваться как векторные, так и растровые изображения (аэро- или космические снимки), записанные на жестком диске или CD-ROM. Кроме того, MGE VistaMap взаимодействует с электронными таблицами Excel и текстовым процессором Microsoft Word.

Наибольший интерес представляет набор пакетов на базе модульной среды для ГИС (MGE- Modular GIS Environment).

MGE PC-1 открывает возможности системы MGE/SX, разработанной для среды UNIX, для автономной или сетевой ПЭВМ, обеспечивая управление проектами, управление данными, запросы и генерацию вывода. Компонентами этой системы являются:

- MGE/SX обеспечивает: эффективный ввод трехмерных данных;

интеллектуальное, управляемое базой данных сравнение границ и проверку свойств для геометрии и атрибутов; улучшенную форму интерфейса, который дает список возможных входов в поток данных;

расширенный контроль состояния для всех фоновых процессов;

- MGE Analyst является средством для создания, запросов, анализа и отображения топологически структурированных географических данных;

- MGE Network Analist - средство для создания и анализа простых сетей;

- MGE Grid Analist - средство для быстрого анализа данных на сети ячеек, аппроксимации и построения оптимальных маршрутов;

- MGE Projection Manager - средство для интеграции данных и преобразования картографических проекций;

- MGE ETI - средство для ввода данных полевых наблюдений;

- MGE MAP Finisher - средство для эффективного составления тема­тических карт;

- MGE MAP Publisher - средство для изготовления издательских оригиналов карт с использованием цифровых данных;

MGE Terrain Modeller - средство цифрового моделирования местности;

- MGE Imager - эффективное средство для обработки векторных и растровых данных.

Фирма Intergraph использует мощный графический редактор MicroStation PC версии 4.0 для ПЭВМ с процессором 80386 или 80486, почти в два раза по сравнению с предыдущими версиями повышающий скорость обработки информации, а также облегчающий построение сложных двухмерных и трехмерных изображений.

Фирма Intergraph также предлагает следующие пакеты:

- MGE PC - средство формирования баз данных с использованием PC, тематического картографирования и анализа пространственных данных.

- MGE Base Imager - пакет для многофункциональной цифровой обработки изображений, в том числе данных дистанционного зондирования.

-FRAMME Field View - пакет для анализа в полевых или камеральных условиях баз данных, сформированных посредством картографических систем и ГИС.

Рабочие станции InterGraph это места для эффективной работы с высоким быстродействием (на 1-2 порядка быстрее ПЭВМ), цветными графическими дисплеями высокого разрешения, оперативной памятью большого объема и прецизионными устройствами ввода-вывода Наиболее эффективными являются рабочие станции 6787, 6730, 2730 Они обеспечивают сканирование и обработку космических снимков и оригиналов карт, создание цифровых и электронных карт, бумажных' карт, а также подготовку и анализ геоинформационных данных

Программные и технические комплексы фирмы InterGraph являются универсальным средством создания любых ГИС, обработки простран­ственных данных, получаемых с использованием аэро- и космических снимков, топографических и специальных карт, а также создания и применения цифровых моделей местности и электронных карт

Программно-аппаратные ГИС комплексы фирмы InterGraph широко применяются во многих странах Они начинают внедряться и в России

3 Система ARC/INFO

Одним из признанных лидеров является система ARC/INFO разработки американского Института исследовании систем окружающей среды (ESRI) Это универсальное средство для создания ГИС обеспечения компьютерного картографирования и оперативного принятия решений ARC/INFO работает с любыми видами информации, имеющей привязку к территории С помощью этой системы можно получить в цифровой форме любую карту схему изображение или рисунок ввести табличные статистические и тематические данные привязанные к объектам карты ARC/INFO позволяет собрать эти разрозненные данные и в едином виде хранить обновлять анализировать, следить за всеми изменениями, получать самые разные карты и таблицы Результатом обработки этой информации могут быть не только серии карт в любом масштабе, но и видеоизображения, массивы данных ГИС ARC/INFO позволяет решать сложные задачи управления кадастрами, ресурсами и природной средой, городским хозяйством транспортными перевозками проектирования железных дорог, выявления зон затопления при наводнениях, планирования действии при чрезвычайных ситуациях, определения нанесенного ущерба ARC/INFO выбрано в качестве базового программного обеспечения в крупных национальных проектах, выполняемых в США создание автоматизи­рованной кадастровой системы земельных и минеральных ресурсов системы национального картографирования, водных, геологических и информационных ресурсов В Мексике земельная реформа осуществля­ется с использованием ARC/INFO На базе этого пакета создана одна из самых развитых комплексных кадастровых систем Израиля В нашей стране более 100 организации используют систему ARC/INFO, прежде всего, в области геологии и географии Система ARC/INFO для рабочих станции относится к ГИС первой группы а вариант для PC - ко второй

4 Система MAPINFO

Настольная картографическая система MAPINFO одноименной фирмы соединяет средства обработки географической информации реляционные базы данных, набор команд SQL и графический пользовательский интерфейс Обеспечивается прямой доступ к информации, хранимой в форматах dBASE, Excel, Lotus Дополнительный набор утилит обеспечивает доступ к удаленным серверам баз данных и взаимодействие с другими приложениями, в том числе импорт/экспорт формата DXF пакета AutoCAD MAPINFO используется для создания и анализа карт стран, территорий, районов городов, построек База данных MAPINFO обеспечивает позиционированную взаимосвязь между объектами хранения имеющими единую географическую привязку по широте и долготе

Главной особенностью MAPINFO является необходимость географи­ческой привязки всех картографических материалов содержащихся в GeoDraw позволяет осуществлять перевод карт и панов в цифровую форму при помощи дигитайзера либо путем векторизации по растровым изображениям (черно-белым или цветным) загружаемым в качестве подложки (поддерживается импорт из 11 форматов растровых изображении для PC)

- вводить и редактировать пространственные объекты типа точка дуга узел, полигон (при помощи дигитайзера мыши и та клавиатуры)

использовать широкий спектр функции отображения пространственных данных на экране и изменения масштабов отображения (увеличение и сдвиг изображения просмотр карты одновременно в двух масштабах, отображение определенных слоев),

в процессе цифрования осуществлять топологическое согласование объектов в пределах одного слоя и создавать корректную многослойную структуру цифровых карт при помощи функции согласования объектов в различных слоях,

- формировать группу объектов и проводить с ней различные операции (удаление, копирование, генерализация, идентификация),

- использовать функции преобразования плоскости (аффинные, про­ективные, квадратичные и полиномиальные преобразования, поворот оси) для задач интеграции карт, полученных из разных источников,

- использовать функции идентификации пространственных объектов цифровых карт для связи с имеющимися или создаваемыми базами атрибутивных данных,

- осуществлять согласование цифровых карт и таблиц атрибутивных данных,

- осуществлять экспорт и импорт цифровых карт в обменные форматы (GEN ARC/INFO, VEC/VEH SPANS, MOSS, VEC IDRISI, MIF/MID MAPINFO, DXF, AutoCAD)

В GeoDraw включены функции создания электронных атласов, тематического картографирования, запросов к карте и таблицам, измерений по картам, вывода твердых копий

Система реализована для Windows, имеет более 150 пользователей в России (геология муниципальное управление, кадастр, архитектура, экология, управление внутренних дел, география) и за рубежом (в Нидерландах, Австрии, Франции, США, Канаде, Австралии) GeoDraw относится ко второй группе ГИС

5 Система WinGIS

Примером сравнительно простой, недорогой, но довольно эффективной системы можно считать многофункциональный комплекс WinGIS, разработанный австрийской фирмой PROGIS В нем реализована идея многооконной обработки векторных, растровых и табличных данных с использованием операционной оболочки WINDOWS По сравнению с многими ГИС, система WinGIS отличается универсальностью графических возможностей и гибкостью программных средств, которые могут работать параллельно В системе WinGIS применяется концепция многослойного построения сложных изображений, генерируются любые графические объекты, обеспечивается цифрование и преобразование карт, их вывод на экран отображения или на принтер, формируются базы данных в векторной и растровой форме

Будучи идеальной системой для широкого круга задач, WinGIS обеспечивает достаточный набор функций для двухмерного анализа пространства

WinGIS использует большинство преимуществ, предоставляемых операционной системой WINDOWS версии 3 1 и выше

- стандартный графический интерфейс,

- быструю графику, стандартный обмен данными,

большие возможности по оформлению графических документов Основными отличительными чертами WinGIS являются простота в изучении и работе,

универсальность графических возможностей и гибкость программных средств, генерация любых графических объектов их точное позиционирование

6 GeoGraph

GeoGraph - одно из программных средств геоинформационных систем (ГИС), разрабатываемых Центром Геоинформационных Исследований ИГ РАН.

В набор программных средств ГИС входят:

• GeoDraw (для DOS и Windows) - векторный топологический редактор, позволяющий создавать базы цифровых карт, выполнять их редактирование, преобразования, идентификацию, связь с базами атрибутивных данных и экспорт/импорт с другими ГИС.

• GeoGraph для Windows - ГИС уровня конечного пользователя, позволяющая осуществлять некоторый универсальный общий набор функций ГИС, удовлетворяющий большинство пользователей в различных предметных областях - создание композиций слоев цифровых карт, связанных с базами данных, тематическое картографирование, запросы от карты к таблице и от таблицы к карте, оформление карты, вывод карт в твердой копии на различные устройства и др.

• ГеоКонструктор - инструментальное средство для создания ГИС-приложений, выполненное в стандарте VBX и позволяющее создавать ГИС-приложения в различных средах визуального программирования (Microsoft Visual Basic, Microsoft Visual C++, Borland Delphi, Borland C++, dBase for Windows).

• Специальные приложения (ГеоФит - для построения изолиний и др.).

GeoGraph для Windows дает Вам возможность:

• создавать электронные карты или атласы как композиции картографических слоев, выбираемых пользователем (включая векторные и растровые), и связанных с ними таблиц атрибутивных (тематических) данных;

• управлять масштабированием изображения;

• осуществлять поиск или выбор объектов на карте с отображением результатов в таблице атрибутивных данных;

• осуществлять измерения по карте;

• находить области, удовлетворяющие задаваемым условиям для произвольного набора цифровых карт электронного атласа (динамический Оверлей слоев);

• выводить твердые копии карт на любые печатающие устройства доступные для Windows.

• загрузка в карту одновременно множества слоев различных форматов

• возможность создания непосредственно в GeoGraph 1.5 пространственных объектов (точечных, линейных, полигональных)

• возможность связывания с объектами слоев цифровой видео- и аудио­информации и ее вызова при получении справок по объектам;

• вычисления в таблицах значений полей по простым формулам;

7 GeoDraw

GeoDraw - векторный топологический редактор для создания цифровых карт.Является инструментом для создания высококачественных цифровых карт, учитывающих требования ведущих мировых ГИС. Создаваемая и редактируемая в GeoDraw структура пространственных данных цифровой карты гарантирует при соблюдении технологии корректную фиксацию и изменение отношений между пространственными объектами, их связи с базой атрибутивных данных, позволяет преобразовывать созданные в GeoDraw цифровые карты в другие ГИС (как топологические, например, ARC/INFO, так и нетопологические - Maplnfo и др.) без дополнительных накладных расходов на редактирование.Мощные средства трансформации создаваемых цифровых карт (преобразования около 40 типов картографических проекций, широкий набор преобразований плоскости и др.) позволяет решать задачи их интеграции (осуществлять "склейку" листов, "посадку" одних карт на другие с образованием многослойной структуры и др.);

GeoDraw позволяет:

- осуществлять перевод карт и планов в цифровую форму посредством векторизации по растровой подложке, при помощи дигитайзера, ввода значений координат объектов по имеющимся данным или по результатам измерений на местности;

- вводить и редактировать пространственные объекты при помощи дигитайзера, "мыши", клавиатуры, путем ввода координат или импорта из открытых текстовых форматов;

- подгружать одновременно до 100 слоев, оперативно менять их статус и атрибуты отображения;

- выделять группы объектов в карте или в связанной с ней таблице, удалять, копировать, генерализовать, идентифицировать только выделенные группы;

- осуществлять преобразования цифровых карт из различных картографических проекций в географические координаты и обратно (поддерживается свыше 30 типов проекций);

- использовать набор функций по идентификации пространственных объектов цифровых карт для связи с базами атрибутивных данных.

· подгружать в среду редактора таблицы атрибутивных данных, осуществлять проверку идентификации объектов по табличным данным, при необходимости вводить и редактировать записи таблицы для конкретных объектов карты.

· экспортировать и импортировать данные в широко используемые форматы (GEN PC ARC/INFO, MIF/MID Maplnfo, VEC IDRISI, DXF AutoCAD).

- возможность создания векторных слоев по растровой подложке, включая многоцветные (256 цветов, 24 бита на пиксель и др.) и большие (в сотни мегабайт) растровые изображения;

- перевод растровых изображений в заданную систему координат путем преобразования плоскости;

- возможность создания векторных слоев с большим числом пространственных объектов (значения идентификаторов могут быть более 2 млрд.);

Тема № 9 «Проблемы и перспективы создания и существования ГИС в России»

Вопросы:

1 Общие тенденции развития технологий

2 Основные проблемы

Дата добавления: 2014-01-04