Общие сведения о гис структура гис в компьютере

Рис. 4.2. Выборки данных в ГИС:
а – пространственная, б – тематическая

Исходные данные, используемые для создания слоя в геоинформаци- онной системе, могут быть записаны в самых разных компьютерных фор- матах, однако все эти форматы можно разделить на две группы – растро- вые форматы данных, когда для создания слоя используется файл растрового изображения .jpg, .tif, .bmp и т. д. и форматы всех других типов, в этом случае для слоя создается изображение, которое называется вектор- ным. Соответственно говорят, что в ГИС используются растровая и век- торная модели данных.

Растровая модель основывается на представлении исследуемой терри- тории с помощью регулярной сетки одинаковых ячеек. При этом каждой ячейке соответствует одинаковый по размерам, но свой по цвету участок поверхности.
Векторная модель строится на представлении исследуемой местности с помощью элементарных графических примитивов, т. е. графических эле- ментов, неделимых с точки зрения прикладной программы, комбинации которых используются для отображения информации о территории, выра- жающейся и не выражающейся в масштабе карты (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Растровая и векторная модели данных в ГИС

В принципе, любое изображение со сколь угодно требуемой точно- стью можно представить и растровой, и векторной моделью. Однако если перевод векторного изображения в растровую модель не представляет сложности (любая ГИС может выполнять операцию по сохранению соз- данных карт в графических форматах), то перевод растрового в векторную модель – достаточно трудоемкая операция, требующая специальных про- грамм или долгой кропотливой работы. С этим и связано использование двух моделей представления данных.

Растровая модель данных обычно используется для создания нижних подстилающих слоев многослойных карт, в качестве изображений высту- пают переведенные в графические форматы топографические карты, аэро- фотоснимки, космические снимки, карты, полученные в результате геофи- зических исследований.
Для растровой модели метрическая информация – это координаты минимальной ячейки изображения – пикселя (от англ. picture cell) относи- тельно угловой точки изображения (порядковый номер пикселя, по гори- зонтальной и вертикальной осям). Эти координаты распознаются геоин- формационной программой при открытии графического файла. Для того, чтобы перевести эту информацию в общегеографические системы координат, выполняют геокодирование растрового изображения (привязка коор- динат в пикселях к географическим системам координат).
Не во всех случаях пропорции растра соответствуют пропорциям рас- стояния между объектами на местности. Лист бумаги, с которого соскани- ровали карту, мог деформироваться со времени издания, при аэросъемке расстояние от фотокамеры до центра и края снимка разное и т. д. В этом случае для использования растрового изображения предварительно необ- ходимо его трансформировать, то есть изменить расстояние между отдель- ными точками изображения так, чтобы оно стало пропорционально рас- стоянию на местности – добавить или убрать пиксели и при этом интерполировать цвета. Корректное выполнение трансформации является весьма непростой задачей, и для его проведения нужны данные о точных координатах опорных точек, которые видны на снимке или обозначены на сканированной карте.
Некоторые операции по трансформации могут быть выполнены в самих ГИС; кроме этого, существуют специальные программы для трансформации и сшивки изображений (например, для аэроснимков – программы «Фотомод» и «Талка»), простейшее редактирование отсканированных изображений возможно в графических редакторах, например в Photoshop.
Семантическая информация растровой модели заключена в цветах, которые имеют пиксели. Трактовка этой информации обычно не вызывает затруднений, когда речь идет об изображения искусственных, например о топографических картах, но может быть весьма неоднозначна, когда изображения естественные, например аэрофотоснимок.
В некоторых случаях растровые слои создаются и программными средствами самой ГИС. Таковыми могут быть, например, слои, отображающие статистическую информацию, привязанную к каждой ячейке растра. Примером может служить карта видимости окружающих точек местности из некоторого пункта. В зависимости от того, видна точка или нет, она окрашивается определенным цветом.
Характеристиками растровых моделей являются разрешение, зона и значение.
Разрешение – линейный размер участка поверхности, отображаемый одной ячейкой (пикселем) растра. Следует различать разрешение при ска нировании или выводе на печать (оно обычно приводится в пикселях (точках) на дюйм печатного материала (dot per inch – dpi, например 300 dpi, 150 dpi)) и разрешение картографическое (именно картографическое раз- решение важно для ГИС), означающее, как правило, какое расстояние на Земле соответствует одному пикселю в графическом файле. Опуская слово
«пиксель», могут говорить «разрешение снимка 15 м» или «разрешение снимка 1 м». Этому разрешению примерно соответствуют минимальные объекты, которые можно увидеть на снимке раздельно. Так, на космическом снимке с разрешением 0,6 м можно определить образы людей, хотя они, конечно, неотличимы друг от друга. Расстояние на поверхности, которое будет соответствовать одному пикселю, надо принимать во внимание при сканировании фотоснимков, устанавливая разрешение в dpi на сканере. Недостаточное разрешение ухудшит разрешение в графическом файле по сравнению со снимком, слишком большое сохранит, конечно, качество печатного снимка, но не увеличит его «информативности», которая исходно определена «зернистостью» фотопленки, а получившийся файл будет неоправданно большим.
Зона объединяет набор смежных ячеек, имеющих одинаковый цвет. Говоря про раздельные зоны, имеющие одинаковый цвет, часто используют термин «класс» или «район».
Значение – единица семантической информации, относящаяся к пик- селю и обозначающая его цвет в условной системе.
Для зоны у всех пикселей одинаковое значение, и для графического отображения зоны достаточно указать ее граничные пиксели и их общее значение. Этот принцип используется при сжатии изображений в графических форматах.
Достоинством растровых моделей при их использовании в среде ГИС является то, что они позволяют отображать имеющиеся картографические материалы, подавляющее большинство которых в масштабах страны еще не переведено в векторную форму, а также данные дистанционного зондирования, представление которых в векторном виде затруднительно из-за невозможности формализации всего многообразия свойств реальной земной поверхности.
Основным недостатком является сложность преобразований растрового изображения и невозможность работы с отдельными его частями.
Векторная модель используется как для отображения тематической информации, для представления которой и создается ГИС, так и для отображения общегеографической информации, если в распоряжении пользователя имеются или непосредственно им создаются векторные географические карты. Обычно ГИС-программы работают с тремя группами графических примитивов в векторной модели – геометрическими (отрезок прямой, дуга, кривая, прямоугольник и др.), символьными (условные знаки различной формы) и текстовыми (алфавит, цифры, знаки орфографии и пунктуации).
Геометрические примитивы применяются для отображения объектов, выражающих некие данные в масштабе карты. С помощью геометрических примитивов строятся линейные и полигональные объекты. Линейный объект – это последовательность отрезков прямых и кривых линий, точки, со- единения которых называют узлами. Данные объекты выражают в масштабе карты лишь длину соответствующих объектов на местности. Полигональный объект (многоугольник, контур, область) – это двумерный (площадной) объект, образованный замкнутой последовательностью отрезков прямых и кривых линий. Различают простые полигоны, не содержащие других полигонов во внутренней области, и составные полигоны, содержащие внутренние полигоны, называемые также островами или анклавами. Полигональные объекты отображают в масштабе карты площадь соответствующих объектов на местности. В принципе для построения любого линейного или полигонального объекта достаточно лишь двух геометрических примитивов – отрезков прямой и отрезков кривой, однако для удобства работы в ГИС могут использоваться и другие геометрические примитивы: так, в программе МарInfo в качестве примитивов используются еще полигоны прямоугольной и эллиптической формы.
Если кроме плановых координат точек контура, ограничивающего полигональный объект, задается третья координата – высота, или аппликата граничных и внутренних точек контура, то такой объект будет представлять собой трехмерную поверхность. При плановом (вид перпендикулярно сверху) представлении поверхности значения аппликаты могут отображаться лишь в виде семейства изолиний (линии, вдоль которых значение аппликаты постоянно) или выделяться окраской. Однако при перспектив- ном (под углом) представлении поверхности значение аппликаты может использоваться непосредственно при построении объемных (3D) изображений местности.
Символьные примитивы используются для отображения объектов, не выражающихся в масштабе карты (точечные объекты). Это могут быть различные кружочки, крестики, стрелки, пиктограммы, являющиеся условными знаками для этих объектов.
Текстовые примитивы используются для нанесения подписей и другой пояснительной информации.
Как правило, линейные, полигональные, символьные и текстовые объекты заносятся в отдельные слои ГИС, однако в некоторых случаях размещаться в одном слое, например слой гидрографии, где реки отображены линейными объектами, а водоемы – полигонами.
Для описания графического примитива не нужно описывать каждую точку изображения примитива, а достаточно указать метрическую информацию (координаты) одной его характерной точки либо пары его граничных точек и семантическую информацию (тип примитива, его окраска, толщина линий примитива). Если, например, для представления отрезка в растровом виде надо описывать каждый его пиксель, и их будет тем больше, чем длиннее отрезок, то для описания отрезка в векторном виде достаточно задать координаты граничных точек, цвет и толщину линии, т. е. как бы велик отрезок ни был, для его описания не надо большого количества данных. Кроме того, каждый примитив представляет собой от- дельный объект, с которым можно работать независимо от других примитивов, вместе с тем можно объединять геометрические примитивы (проводить агрегацию) и работать с комбинацией примитивов как с целостным объектом, а при необходимости проводить обратное ее разбиение (дизагрегацию) на составляющие. Благодаря отмеченным особенностям графических примитивов достигается более экономное расходование памяти и рациональное использование производительности компьютера. Действия с данными, представленными в векторном виде, выполняются в ГИС в целом быстрее, чем при использовании растровой модели. Именно на данные, представленные в векторном виде, рассчитано использование большинства инструментов анализа в ГИС.
Для векторных данных, в отличие от растровых, наряду с их представлением в виде картинки, возможно отображение семантической и метрической информации о векторном слое в виде таблицы.