Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии - файл n1.doc

приобрести
Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии
скачать (3238.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc3239kb.08.07.2012 20:10скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14
Выводы

Данные в ГИС обладают своей спецификой и не имеют прямых ана­логов в других автоматизированных системах. Они имеют множество форматов ( практически каждая ГИС - свой) и разные формы пред­ставления.

107

Информационная основа ГИС содержит типизированные и нети­пизированные записи, а также графические данные с двумя основными формами представления — векторной и растровой. Растровые и век­торные модели имеют свои преимущества при решении разных задач и дополняют друг друга в системе комплексной обработки данных ГИС.

Векторные данные разделяются на три основных типа: точечные, линейные и полигональные. Каждый тип характеризуется своими ме­тодами обработки.

Остается нерешенной проблема автоматизированного преобразо­вания растровых моделей в векторные.

Интеграция данных в ГИС позволяет решать задачи проекцион­ных преобразований и объемного представления трехмерных объектов, включая их динамическую визуализацию.





Технология

моделирования

в ГИС

5.1. Основные виды моделирования

В ГИС можно выделить четыре основные группы моделирования [14]: семантическое, инвариантное, эвристическое, информационное.

Семантическое моделирование взаимосвязано с задачами кодиро­вания и лингвистического обеспечения. Чем более разнородна входная информация по структуре и содержанию, чем менее она унифицирова­на, тем больший объем семантического моделирования применяется в подсистеме сбора.

В ГИС доля семантического моделирования велика на уровне сбора информации, что обусловлено большим объемом и разнообразием входной информации, сложностью ее структуры, возможным наличием ошибок.

Инвариантное моделирование основано на работе с полностью или частично унифицированными информационными элементами или струк­турами. Его эффективность доказана опытом применения прежде всего САПР и других АС. Этот вид моделирования предполагает использова­ние групповых операций, что повышает производительность труда по сравнению с индивидуальным моделированием.

Инвариантность создает предпосылки для применения наборов про­граммно-технологических средств безотносительно к конкретному виду (особенностям) моделируемого объекта. Она предусматривает исполь­зование общих свойств моделируемых объектов (свойств типов или клас­сов) независимо от технических средств и специфических характерис­тик отдельных объектов.

Этот тип моделирования значительно повышает производительность обработки информации, особенно при моделировании (обработке) гра­фических объектов. Однако реализация такого подхода возможна лишь

109

при использовании графических баз данных, неграфических баз дан­ных с возможностью организации векторных файлов и при наличии на­боров структурно разделенных графических моделей, нижний уровень которых инвариантен (безотносителен) к особенностям модели, а верх­ний - открыт для записи индивидуальных свойств объекта моделирования. Другими словами, такое моделирование требует специализирован­ного программного и лингвистического обеспечения, учитывающего свойства моделируемых объектов и возможность их структуризации на некие "графические примитивы".

В ГИС этот подход выражается в виде создания некоей основы для графического представления информации (карт) за счет использования специальных библиотек, например библиотек условных знаков и биб­лиотек графических элементов.

Эвристическое моделирование применяется при необходимости экспертных решений, учете дуальных свойств объектов на видеоизоб­ражениях и при решении специальных нетиповых задач. В основном оно реализуется при интерактивной обработке.

В технологиях ГИС и САПР эвристическое моделирование осуще­ствляется путем общения пользователя с ЭВМ на основе сценария, учи­тывающего, с одной стороны, технологические особенности програм­много обеспечения, с другой - особенности и опыт обработки данной категории объектов.

В ГИС процент эвристического моделирования много выше, чем в САПР. Это повышает актуальность применения экспертных систем в ГИС. Информационное моделирование связано с созданием и преобра­зованием разных форм информации, например графической или тексто­вой в вид, задаваемый пользователем. Оно эффективно только при пред­варительной разработке интегрированной информационной основы и использовании баз данных.

В современных информационных системах реализация информаци­онного моделирования комплексно осуществляется путем создания под­системы документационного обеспечения.

Локально проблема информационного моделирования решается средствами программного обеспечения, в частности средствами СУБД. Современные СУБД дополнительно к возможностям хранения и моде­лирования информации предоставляют разнообразные методы по со­зданию отчетов, справок и других документов.

Как правило, информационная емкость видеоизображений вели­ка, т.е. избыточна, по отношению к моделям, хранимым на машин­ных носителях. Информационная емкость фотоснимков на два-три

110
порядка превосходит информационную емкость существующих маг­нитных носителей. Она уступает только оптическим, биотехнологи­ческим и генетическим носителям информации. Это обусловливает необходимость обязательного решения задач сжатия информации на уровне сбора и первичной обработки информации. С другой сторо­ны, это порождает необходимость создания так называемых видео-баз данных.

Важной характеристикой при создании моделей для любого класса объектов является моделепригодность[14], которая включает две груп­пы показателей. Первая группа показателей моделепригодности харак­теризует средства описания объекта, вторая определяется такими тех­ническими данными средств моделирования, как вычислительные ре­сурсы.

Анализ моделепригодности объектов ГИС широкого класса пока­зывает их сложность для создания набора базовых графических элемен­тов. Поэтому наилучшим средством описания таких объектов являются комплексные модели из метрических множеств и множеств семантико-описательной информации.

Как показывает опыт, для эффективной интерактивной обработ­ки реализация одного модельного эксперимента не должна превы­шать 1 ч, а время одного сеанса работы на компьютере должно быть

не более 4 ч.

Методы моделирования в ГИС и САПР имеют достаточно сходных признаков. Однако по значению различных задач на разных этапах об­работки они отличаются.

В САПР задачи структуризации и компоновки решают на втором системном уровне (моделирование, хранение и обновление), а в ГИС - на первом (при сборе информации). Причем если в САПР ставятся задачи выбрать и скомпоновать комплексную проектируемую модель, то в системах ГИС - оптимально отобразить структуру исходной

модели.

Учитывая сходства и различия между САПР и ГИС, отмечая доста­точно широкий класс задач проектирования карт, необходимо выделить проблему геоинформационного проектирования. Она заключается в по­лучении оптимальных проектных решений на основе использования

следующих технологий:

111

При сопоставлении задач, решаемых в ГИС, с общими задачами, ре­шаемыми типовыми САПР, отметим, что первые содержат в своем составе общие задачи, но со специфическими отличиями. В частности, трудоемкие работы в типовых САПР для ГИС выглядят следующим образом:

5.2. Методологические основы моделирования в ГИС

С современных позиций ГИС является интегрированной информа­ционной системой, что определяет комплексный подход к обработке информации, в частности к методам моделирования.

Комплексность включает в себя процессы автоматизации сбора, обработки, моделирования, унифицированного представления и доку­ментационного обеспечения информации.

Концепции моделирования в ГИС базируются на интеграции, которая предусматривает, с одной стороны, переход от автоматизации отдельных частных задач к комплексному решению задач, с другой -

112

интеграцию задач, относящихся к различным этапам жизненного цикла моделируемого объекта (карты), включая проектирование и технологию

его производства.

В процессах моделирования реализуется принцип единства инфор­мационной модели объекта как системно-организованной сущности на всех этапах процесса моделирования и изготовления карт.

Моделирование в ГИС осуществляется на основе декомпозиции ис­ходных информационных данных с последующим синтезом общего мо­дельного решения.

В процессе синтеза модели используются информационные ресур­сы базы данных в условиях диалогового взаимодействия проектиров­щиков с комплексом средств автоматизации моделирования. Техноло­гии моделирования в ГИС используют следующие принципы:

информации;

• использование единой информационной базы для автоматизиро­
ванных процедур синтеза и анализа модели, а также для управления про­
цессом моделирования;

• проведение многовариантного проектирования и комплексной оцен-
_ ки проекта с использованием методов оптимизации;

Анализ работ в области применения и развития ГИС показывает, что практически в каждой работе дается индивидуальный вариант тех­нологического решения автоматизации моделирования. В то же вре­мя методы описания информационного и лингвистического обеспе-

чения имеют тенденции к единому формальному описанию, т.е. в большей степени инвариантны к задачам моделирования, чем техно­логии.

Тем не менее можно выделить ряд общих для широкого набора ГИС технологических подходов, которые могут быть классифицированы по степени (уровню) их интеграции:

Задачи эффективного интерактивного общения пользователя с ЭВМ весьма актуальны ввиду невозможности при решении ряда задач полно­стью автоматизировать процесс моделирования.

Метод имитационного моделирования - один из путей выбора оптимальных решений. Практическое использование этого метода в ГИС обеспечивается системами имитационного моделирования (СИМ).

Для хранения набора типовых моделей и их элементов, хранения информационно-справочной информации необходимо применение спе­циализированных баз данных.

Базы данных могут образовывать распределенную или централизо­ванную систему типа банка данных. Для решения задач обмена инфор­мацией между базами данных требуется интегрированная информаци­онная основа,

Для удобства общения пользователя с ЭВМ нужно лингвистическое обеспечение.

При выдаче информации пользователю основным технологическим процессом является графическое моделирование. Методы моделирова­ния графики должны быть инвариантны к структуре графической базы

данных и техническим средствам. Элементы алгебраической теории автоматных моделей, синтеза типовых конструктивных моделей упро­щают процесс получения сложных графических изображений.

В ряде ГИС возникает необходимость графического моделирования сложных трехмерных объектов. При графическом моделировании объект сложной формы целесообразно представлять в виде совокупности мо­дулей информационной и программной среды.

5.3. Особенности моделирования в ГИС

При моделировании в ГИС можно выделить следующие програм­мно-технологические блоки:

Операции преобразования форматов и представлений данных

Операции преобразования форматов и представлений данных при­сутствуют в каждой ГИС, в системах обработки данных дистанционно­го зондирования и САПР, в силу чего имеют важное значение для ГИС как средство обмена данными с другими системами. По набору форма­тов ввода-вывода определяются возможности ГИС использовать данные, получаемые в других технологиях.

Исходные пространственные данные и данные, полученные в про­цессах обработки ГИС, могут иметь различные наборы форматов. Тип формата чаще всего определяется используемыми программными сред­ствами, что особенно характерно при сборе данных по разным техноло­гиям. Преобразование форматов осуществляется с помощью специаль­ных программ - конвертеров.

Векторизация. Данные могут иметь векторное или растровое пред­ставление. Между векторными и растровыми изображениями имеется существенное различие, характерное именно для ГИС. Растровые изоб-

ражения отображают поля данных, т.е. носят полевой характер. Векторные изображения в ГИС, как правило, отображают геоинформационные объекты, т.е. носят объектный характер.

Операции преобразования данных из растрового представления в векторное (векторизация) - одни из наиболее важных при обработке про­странственно-временных данных в ГИС.

В технологическом плане преобразование от растра к вектору для ГИС означает переход от полевого представления данных к объектному.

Растрово-векторное преобразование применяется при интерпрета­ции сканированных аэрокосмических изображений (выделение и окон-туривание на них однородных областей), в методах дигитализации циф­ровых растровых картографических изображений, при обработке дан­ных, полученных с цифровых фотокамер или от видеосъемки, и т.п.

Векторные изображения вычерченных на бумаге чертежей, карт не­возможно получить с помощью сканера. При сканировании получается только растровая копия оригинала.

Векторные представления по сравнению с растровыми обладают ря­дом преимуществ:

Векторные изображения обычно создаются и редактируются с по­мощью специальных программ - графических редакторов. Такой редак­тор входит в состав всех инструментальных ГИС-систем. Тем не менее существует большое число специализированных программ - вектори­заторов.

Векторизация может быть ручной, полуавтоматической и автомати­ческой. В графических редакторах ГИС обычно используется ручная век­торизация, что обусловлено необходимостью решения экспертных за­дач, создания топологии, присвоения идентификаторов графическим объектам и т.д.

Программы-векторизаторы в основном ориентированы на автома­тизацию процесса векторизации растрового изображения. Ручной ре­жим в них вводится для коррекции векторизованного изображения, по-

лученного в автоматическом режиме. Вот некоторые из таких программ-векторизаторов: AUDREO (па), AUTOVECT(pn), AutoVEC (рпа), CADOverlay (p), ColorFast (a), DIG! Map (pna), EasyTrase (pn), I / EOVEC (pn), I / VEC (a), MapEDIT (pn), POCKBIT (a), Spotlight (pn), TRACK(pna), Vectory(pa), WinGIS (p), Вектометр (рпа), ИНТЕЛВЕК (pna), ЦКМ-век-

торизатор (рпа).

Буквы в скобках обозначают: р - ручной; п - полуавтоматический; а - автоматический режимы векторизации.

Программы-векторизаторы отличаются друг от друга следующими параметрами:

изображения;

• видом графической оболочки, посредством которой оператор осу­
ществляет управление векторизатором.

Векторизация позволяет преобразовать растровые изображения, хра­нящиеся в растровых файлах, в векторные рисунки и сохранять их в векторных файлах.

Задачей преобразования является не только получение векторного образа, практически идентичного исходному растровому, но и сохране­ние в распознанном векторном объекте геометрических связей растро­вых аналогов при максимальной информативности векторного образа.

С этих позиций векторизация может быть рассмотрена как способ сжа­тия растровых данных с сохранением информативности исходного изобра­жения по заданным критериям выделения. В частности, растровое изобра­жение размерной линии со стрелками должно распознаваться именно как размерная линия, а не как совокупность отдельных линий.

Векторизация может быть грубой (быстрой), например применяет­ся алгоритм для векторизации растровых аналогов линий с углом накло­на, кратным 45°.

Для векторизации ареальных объектов растрового изображения при­меняют известный фильтр типа outline, который векторизует границы в

виде контура.

Несмотря на наличие автоматизированных режимов в программах-векторизаторах, автоматизация этого процесса сталкивается с больши­ми трудностями, поэтому эффективность в значительной мере зависит

от того, насколько успешно чисто автоматизированные методы вектори­зации сочетаются с интерактивными возможностями пользователя кон­тролировать процесс растрово-векторного преобразования и влиять на него.

Пока трудно поддаются автоматизации процессы фильтрации исход­ного растрового изображения, подавления шумов, индикации и устра­нения разрывов линий, учета изменения толщины линий, сохранения топологических признаков.

При автоматизированной векторизации картографических данных возникают сложности в распознавании ситуаций с большим числом раз­рывных дискретных элементов, распознавании надписей в областях с высокой плотностью нанесения или переносом надписи.

Несмотря на наличие большого числа программных средств, вы­полняющих преобразование растра в вектор, пока наиболее точным и надежным является интерактивный метод преобразования, осно­ванный на эвристическом моделировании. Это обусловлено значи­тельным количеством искажений, производимых программами-пре­образователями.

В основу векторного преобразования положен набор процедур, со­здающих векторный аналог растрового изображения и применяющих свой алгоритм векторизации.

В процессах автоматизированного преобразования растрового изоб­ражения в векторное применяют ряд специальных терминов:




растровое изображение (монохромное) - изображение, представ­ляющее собой двухмерный массив точек, каждая из которых имеет чер­ный или белый цвет;







Показ векторного изображения в любом масштабе происходит без искажений, поскольку при отображении на экране программа, исполь­зуя математическое описание каждого векторного объекта, всегда мо­жет вычислить расположение и цвет пикселей экрана так, чтобы опти­мальным образом передать изображение. Возможными становятся и такие режимы показа векторного изображения, которые не имеют ана­логов при управлении видом растрового изображения. Например, показ векторных объектов в каркасном (проволочном) представлении, что дает возможность найти ошибки в построении картографической информа­ции (увидеть, какие линии не соединяются в концевых точках), и делает векторное изображение легко читаемым.

При создании векторного объекта пользователь выбирает необходи­мый ему тип векторного объекта и задает параметры, описывающие гео­метрические размеры этого объекта. При редактировании векторного изображения применяются простые алгоритмы, с помощью которых можно легко выбирать и изменять векторные объекты. При этом можно использовать геометрические отношения между объектами, оперируя точными математическими терминами.

Режим ортогональности позволяет строить линии вертикально и го­ризонтально, с помощью специальных опций проводить их перпенди­кулярно или параллельно другим.

Растровые изображения обрабатывают, добавляя или стирая части бинаризованного изображения на экране компьютера.

Процесс распознавания становится эффективнее за счет примене­ния системы фильтров. Это дает возможность векторизовать растровые изображения различной структуры: машиностроительные чертежи, ар­хитектурные планы, карты, схемы, рисунки.

Некоторые программы-векторизаторы позволяют производить рас­познавание наборов растровых файлов в пакетном режиме.

Как правило, программы-векторизаторы обрабатывают бинарные изображения, представленные двухмерным массивом точек, каждая из которых имеет черный или белый цвет. Эти точки называются растро­выми точками. Бинарные растровые изображения создаются с помощью конвертеров или специальных программ обработки изображений. При­мером такой программы может служить широко известный редактор PhotoFinish.

Когда растровое изображение выводится на монитор компьютера, каждый пиксель экрана соответствует определенному количеству рас­тровых точек изображения. Цвет пикселя будет черным или белым в за-

висимости от того, каких растровых точек - черных или белых - в нем больше. Черные пиксели, сливаясь между собой, образуют пятна и по­лосы, которые передают изображение чертежа или рисунка.

При векторизации можно управлять режимом показа растрового изображения, используя команды управления экраном. Например, ус­тановка режима просмотра "один в один" означает, что программа отобразит каждую точку растрового изображения одним пикселем

экрана.

При увеличении в два раза для изображения каждой растровой точки будет использовано четыре пикселя. Такая простая операция приводит к искажению вида растрового изображения - неровности контуров, незаметные при прежнем масштабе, вырастают пропорци­онально степени увеличения. Все это происходит потому, что рас­тровые модели при компьютерной обработке данных имеют суще­ственный недостаток: информация об изображении представляется в виде набора точек и поэтому не содержит в явном виде данных о гео­метрии и размерах отображаемых объектов.

Поэтому программы, которые используют компьютерную графику для расчетов (интегрированные системы, программы по созданию объем­ной мультипликации и др.), работают не с растровыми изображениями, а с векторными.

Анализ растра почти всегда позволяет определять, какая его часть изображает линию или дугу, контур или ареал. Это достигается на осно­ве использования векторных аналогов.

Действие программ-векторизаторов основано на поиске связи меж­ду формой растровой линии и векторным объектом определенного типа. При этом используется понятие растрового аналога векторного прими­тива. Это означает, что существует векторный объект данного типа та­кой, что его растровая модель будет практически идентична изображе­нию фрагмента растра на экране компьютера.

Полоса растра может быть тонкой линией, линией с шириной или контуром. Ее можно показать с помощью векторных объектов трех ти­пов. Очевидно, что без дополнительной информации эта задача автома­тически не решается.

Распознавание векторных объектов на растровых ( векторизация) представляет собой автоматическую процедуру поиска растровых ана­логов заданного набора векторных примитивов с последующим преоб­разованием их в векторные объекты.

При векторизации ставится задача не только получить векторный рисунок, практически идентичный исходному растровому, но, кроме того,

уменьшить количество создаваемых объектов с тем, чтобы с изображе­нием впоследствии было удобно работать. Например, пересекающиеся линии на чертеже должны быть представлены именно как две линии, а не как четыре отрезка, окружность, пересекаемая прямой, - как целая окружность, а не как совокупность отдельных дуг.

При распознавании необходимо сохранить в векторном рисунке гео­метрические связи растровых аналогов: если растровые аналоги двух линий образуют угол, то векторные линии должны пересекаться в вер­шине этого угла.

Растровое изображение может иметь дефекты, получающиеся при сканировании (разрывы линий, смаз изображения и т. д.), на нем могут быть линии, которые были неправильно проведены на исходном чертеже или искажены при сканировании оригинала (например, из-за перекоса на­рушены горизонтальность и вертикальность).

Исправление подобных дефектов растрового изображения в процессе векторизации достигается применением фильтров и установкой режи­мов (степень ортогонализации прямых).

Следует подчеркнуть, что основой большинства программ-век­торизаторов служат бинарные изображения. Это ограничивает эф­фективность автоматизированной векторизации и требует больших затрат времени при обработке полутоновых изображений в интерак­тивных режимах.

В настоящее время применяется комплексный подход, включающий сканирование, частичную автоматизированную векторизацию, визуаль­ный контроль преобразования, интерактивное редактирование данных; унификацию и преобразование данных для хранения в базе данных.

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации