В современном обществе чем большее количество информации имеется в Вашем распоряжении тем проще будет

Работа добавлена на сайт samzan.net:

Понятие геоинформатики.

В современном обществе, чем большее количество информации имеется в Вашем распоряжении, тем проще будет принять обоснованные решения и эффективные действия

Методы получения информации приобретают все более индустриальный характер. Объемы требуемой и собираемой информации колоссально возрастают, и, естественно, требуют для обеспечения своего рационального использования привлечения современных, базирующихся на компьютерных технологиях средств как для ее обработки и анализа, так и для организованного хранения, поиска нужной информации и другого манипулирования ею. В противном случае было бы неизбежно наступление информационного кризиса, связанного с утерей способности эффективно использовать имеющуюся информацию.

Совокупность этих средств и методов обращения с информацией, называется информационными технологиями и является предметом рассмотрения информатики (общей информатики).

Программные и технические средства, реализующие информационные технологии на практике, очень многообразны. Те из них, которые предназначены для обеспечения доступа к информационным ресурсам - ввода информации, хранения ее, модификации, осуществления поиска необходимой информации и ее представления в нужном виде, называются информационными системами (информационно-поисковыми системами, ИПС).

Современные информационные системы, как правило, являются цифровыми, то есть, основаны на использовании компьютерной техники, и информация в них находится в цифровом виде. Информационные системы, как правило, создаются с использованием специального программного обеспечения, называемого системами управления базами данных (СУБД), а сами упорядоченные массивы данных, организованные с помощью СУБД, называются базами данных.  

Существуют специализированные пространственные информационные системы для работы с информацией об объектах и явлениях, которые имеют привязку к определенной позиции в пространстве, с информацией о тех объектах и явлениях, для которых важную роль играет их положение, форма, размеры, взаиморасположение по отношению к другим объектам и явлениям. Такие системы относятся  к классу геоинформационных систем. Термин "пространственный", который мы употребили выше, имеет в данном контексте, достаточно, общий смысл. Важно, что объекты привязаны к некоторой координатной системе, возможно, местной и условной, и этот факт признается существенным и используется системой при организации данных и их использовании.

Специфический отдел информатики, имеющий дело с такой пространственно привязанной информацией, называется геоинформатикой. Соответственно выделяются и геоинформационные технологии, как совокупность методов и приемов для манипулирования пространственными данными, их представления и анализа. Как общая информатика имеет дело с общими свойствами информации и универсальными ее свойствами, а не со специфическими  для конкретной предметной области, так и общая геоинформатика имеет дело с общими свойствами пространственной информации, независимо от конкретного ее содержания. И как для общей информатики существуют развивающиеся на ее пересечениях с конкретными предметными областями и научными дисциплинами ее специфические ветви, так и для геоинформатики также можно говорить о существовании или возможном появлении таких специфических ветвей - геологическая геоинформатика, геоинформатика в археологии, геоинформатика на железнодорожном транспорте.

В настоящее время геоинформационные системы используют:

Естественные науки и производство для учета минеральных, лесных, водных ресурсов, потребностей представителей флоры и фауны;

Медицина для анализа здоровья населения;

Бизнес – для маркетинга товаров, анализа различных потребностей населения;

Полиция и службы экстренного реагирования для анализа криминальных ситуаций и вычисления оптимальных маршрутов с целью скорейшей реакции на вызов;

Местные власти – создание планов роста и развития территорий, зонирование территорий, и многое другое.

Возникновение и бурное развитие ГИС было предопределено богатейшим опытом топографического и, особенно, тематического картографирования, успешными попытками автоматизировать картосоставительский процесс, а также революционным достижениями в области компьютерных технологий, информатики и компьютерной графики.

Первый безусловный крупный успех становления геоинформатики и ГИС - это разработка и создание Географической Информационной Системы Канады (Canada Geographic Information System, CGIS). Начав свою историю в 60-х годах, эта крупномасштабная ГИС поддерживается и развивается по сей день.

"Отцом" ГИС Канады считается Роджер Томлинсон (Roger Tomlinson), под руководством которого были разработаны и реализованы многие концептуальные и технологические решения.

Геоинформационные системы Канады обязаны своему возникновению Министерству лесного и сельского хозяйства Канады. В начале 60х годов 20 века перед Министерством встала задача учета земельных ресурсов и составления прогноза использование последних на ближайшие 10-20 лет. Эти задачи должны быть выполнены так, чтобы можно было разработать стратегию управления земельными ресурсами, для эксплуатации без ущерба для окружающей среды и будущих поколений. Правительственные топографы подсчитали, что составление карт ресурсов  на столь большую площадь потребовало бы больше опытных картографов, чем имелось на тот момент.

Таким образом, новоиспеченному Отделению информационных систем регионального планирования, финансируемому федеральным правительством  Канады было поручено создание того, что стало первой в мире геоинформационной системой (CanGIS – Канадская географическая информационная система.). Ее первоначальной задачей были классификация и нанесение на карту земельных ресурсов Канады. Интересно, что выходными данными первой ГИС были не картографические материалы, а обобщенные результаты исследований, представленные в виде таблиц.

Большое воздействие на развитие ГИС оказала Гарвардская лаборатория компьютерной графики и пространственного анализа ( Harvard Laboratory for Computer Graphics & Spatial Analysis) Массачусетского технологического института. Ее основал в середине 60-х годов Говард Фишер (Howard Fisher) с целью разработки программных средств многофункционального компьютерного картографирования, которые стали существенным шагом в алгоритмическом совершенствовании ГИС

В результате этих работ появился и стал быстро развиваться новый класс графического программного обеспечения для отображения и анализа картографической информации- геоинформационные системы. Со временем  сфера применения ГИС вышла  далеко за пределы компьютерной графики.

Понятие геоинформационных систем.

Географические информационные системы (ГИС) позволяют проводить сбор, хранение, анализ и картирование любых данных об объектах и явлениях на основе их пространственного положения.

В наиболее общем смысле, геоинформационные системы это инструменты для обработки пространственной информации, обычно явно привязанной к некоторой части земной поверхности и используемые для управления ею. Это рабочее определение не является ни полным, ни точным. Как и в случае с географией, термин трудноопределим и представляет собой объединение многих предметных областей. В результате, нет общепринятого определения ГИС.

Отсутствие общепринятого определения привело к значительному недопониманию того, что такое ГИС, каковы их возможности и для чего такие системы могут применяться. Это привело к тому, что некоторые пользователи полагают, например, что нет разницы между компьютерной картографией, компьютерным черчением и собственно ГИС. Поскольку графические интерфейсы всех трех систем могут выглядеть одинаково как для случайного, так и для опытного наблюдателя, легко предположить, что эти системы, при небольших различиях, в принципе, - одно и то же. Но любой, кто попытается анализировать карты, скоро поймет, что системы компьютерной картографии, придуманные для создания карт из графических примитивов (геометрических фигур) в сочетании с описательными атрибутами, прекрасно подходят для отображения карт, но обычно не содержат аналитических возможностей ГИС.

Аналогично, для чисто картографических целей желательно использовать именно систему компьютерной картографии, разработанную специально для ввода, организации и вывода картографических данных, нежели продираться через мириады аналитических функций мощной профессиональной ГИС всего лишь для создания простой карты. Системы компьютерного черчения, специально разработанные для создания графических изображений, не привязанных к внешним описательным данным - прекрасный инструмент для архитектора, ускоряющий производство архитектурных чертежей и упрощающий их редактирование. Эти системы никаких картографических задач не решают.

Определение ГИС, сформулированное разработчиками ведущего программного обеспечения в области ГИС, а именно компанией ESRI (Институт исследования систем окружающей среды, г. Редланс, Калифорния, США) звучит так:

Эта современная компьютерная технология обеспечивает интеграцию баз данных и операций над ними, таких как их запрос и статистический анализ, с мощными средствами представления данных, результатов запросов, выборок и аналитических расчетов в наглядной легко читаемой картографической форме.

Виды геовизуализации.

Географическая информация представляется в виде серий наборов географических данных, которые моделируют географическую среду посредством простых обобщенных структур данных.

Географическая информационная система поддерживает несколько видов современных инструментальных средств для работы с географической информацией:

1. Вид Базы Геоданных: ГИС - это пространственная база данных, содержащая наборы данных, которые представляют географическую информацию в контексте общей модели данных ГИС (векторные объекты, растры, топология, сети и т.д.).

2. Вид Геовизуализации: ГИС - это набор интеллектуальных карт и других видов, которые показывают пространственные объекты и отношения между объектами на земной поверхности. Могут быть построены разные виды карт, и они могут использоваться как “окна в базу данных” для поддержки запросов, анализа и редактирования информации.

3. Вид Геообработки: ГИС - это набор инструментов для получения новых наборов географических данных из существующих наборов данных. Функции обработки пространственных данных (геообработки) извлекают информацию из существующих наборов данных, применяют к ним аналитические функции и записывают полученные результаты в новые производные наборы данных.

ArcGIS®: ArcMap, ArcCatalog, ArcTool

В программном обеспечении ESRI® ArcGIS® эти три вида ГИС представлены каталогом (ГИС как коллекция наборов геоданных), картой (ГИС как интеллектуальный картографический вид) и набором инструментов (ГИС как набор инструментов для обработки пространственных данных). Все они являются неотъемлемыми составляющими полноценной ГИС и в большей или меньшей степени используются во всех ГИС-приложениях.

Пространственные данные: модели данных.

Реальные географические объекты могут быть представлены в базе данных разными способами, или моделями.

Наборы данных могут представлять собой:

Упорядоченные наборы векторных объектов. Например, земельные участки обычно представляются как полигоны, улицы - как центральные линии, скважины - как точки, и т.д.

Наборы растровых данных, такие как цифровые модели рельефа или изображения

Пространственные сети

Топография местности и другие поверхности

Наборы данных геодезической съемки

Прочие типы данных, такие как адреса, названия мест, описательная картографическая информация.

Пространственные данные: атрибуты и символы.

Помимо географических представлений, наборы данных ГИС включают традиционные табличные данные, описывающие географические объекты. Эта описательная  информация называется атрибутами объектов. Атрибуты  часто не имеют прямых  указаний на пространственное размещение,  поэтому  атрибуты  называют непространственной информацией

Например, реальный объект на поверхности земли – отдельно стоящее дерево - представляется в базе данных как точечный пространственный элемент и имеет некоторые характеристики (свойства). Эти характеристики, иначе атрибуты, сообщают нам принадлежность дерева к определенному классу, семейству, поду, виду, высоту и возраст дерева. Все эти описательные характеристики хранятся в одном месте - в атрибутивной таблице.

На интерактивной карте пространственный объект «дерево» отображается с помощью символа. Вид символа (его форма или цвет) может определяться значением атрибута.

Любая ГИС обеспечивает динамическую связь между пространственным элементом, его атрибутами и символом. Это означает, что изменение свойств картографируемого объекта приводит к изменением в атрибутивной таблице и к замене символа. Если пространственный элемент удаляется из базы данных, то удаляется соответствующая ему запись в таблице атрибутов и символ с карты.

Пространственные данные: взаимосвязь графических объектов и их атрибутов.

Связь объектов на карте с их атрибутами является одним из основных принципов работы ГИС и главным фактором ее эффективности. Благодаря связи объектов карты и атрибутов вы можете иметь доступ к атрибутам для любого объекта или определять местоположение любого объекта по его атрибутам.

Например, мы хотим узнать, какие станции метро располагаются на территории Восточного округа г.Москвы. Для этого  обращаемся к системе с запросом (проще говоря, задаем ей вопрос), в ответ на который система показывает (в данном случае подсвечивает желтым цветом) строки, удовлетворяющие данному запросу. Одновременно на интерактивной карте подсвечиваются объекты, соответствующие выбранным записям атрибутивной таблицы.

Любая система работает и в обратном направлении. Простым щелчком мыши на интересующем нас объекте (или при выборе нескольких объектов) мы может получить полную информацию о нем (о них).

Пространственные данные: тематические слои и наборы данных.

ГИС организует пространственные данные в серии тематических слоев и таблиц. Тема- совокупность однородных географических объектов, например, дорог, рек, участков или природных достопримечательностей. Наборы данных обычно связаны единым географическим положением, им приписываются реальные координаты, и их можно накладывать друг на друга в произвольной комбинации, составляя интерактивные карты различного содержания.

Пространственные данные: принцип послойной организации данных.*/8

Теоретически все данные можно хранить как единую совокупность объектов и их атрибутов, образно говоря, в одной куче. Но управлять таким массивом данных очень трудно. Практика информационных систем показала, что чем более специализированы наборы данных, тем легче ими управлять и получать доступ к ним.

Любая ГИС очень легко позволяет нам подгружать и выгружать различные тематические слои в произвольной комбинации. Причем целостность всей базы данных  не нарушается.

Послойная организация данных существенно увеличивает эффективность работы всей системы и является вторым основополагающим принципом работы ГИС.

Пространственные отношения: топология и сети.

Пространственные отношения, такие как топология, также являются важными частями базы данных ГИС. Топология применяется для контроля за общими границами между пространственными объектами, для определения и исполнения правил целостности данных, а также для поддержки пространственных запросов (например, чтобы определить смежность и связность объектов). Топология также используется для расширенного редактирования и построения пространственных объектов на основе других геометрических элементов (например, для построения полигонов из линий).

Некоторые примитивные объекты существуют самостоятельно и имеют определенную атрибутивную информацию, другие, более сложные наборы данных. Например, речная сеть, содержит не только информацию о ширине реки и ей подобную, но и показывает возможное направление движения. Эта информация должна быть сообщена каждому отрезку, чтобы сообщать пользователю об изменении направления течения. Дополнительные коды, могут содержать данные об узлах, соединяющих эти отрезки. Это могут быть впадения притоков, разветвление основного русла и тп. Дополнительные атрибуты определяют по всей сети присущие реальности взаимоотношения, которые этой сетью моделируются. Такая информация о связности и пространственных отношениях объектов называется топологической.

Вид визуализации пространственных данных (геовизуализация)

Геовизуализация подразумевает работу с картами и другими видами географической информации, в том числе с интерактивными картами, 3D сценами, итоговыми диаграммами и таблицами, видами с показателями времени, схематическими видами сетевых отношений.

Для большинства ГИС-приложений интерактивные карты – это основной интерфейс в котором работают пользователи. Они доступны на многих уровнях: от карт для беспроводных мобильных клиентов до Web-карт в браузерах и карт в мощных настольных ГИС-приложениях.

Карты в ГИС во многом схожи со статичными бумажными картами, но к тому же они интерактивны, то есть вы можете взаимодействовать с ними. Интерактивную карту можно уменьшать и увеличивать, причем при определенных масштабах некоторые слои на карте могут появляться или исчезать. Вы можете применять условные знаки для отображения слоев карты на основе любого выбранного набора атрибутов. При указании географического объекта на интерактивной карте можно получить о нем дополнительную информацию, строить пространственные запросы и проводить анализ. Например, можно найти все магазины определенного типа недалеко от школ (например, в радиусе 200 м) или все заболоченные участки на расстоянии до 500 м от выбранных дорог. Кроме того, многие пользователи ГИС посредством интерактивных карт проводят редактирование данных и создают пространственные представления объектов.

Помимо карт, в базах данных ГИС используются другие интерактивные виды, такие как временные срезы, глобусы и схематические чертежи. Разработчики часто встраивают карты в пользовательские приложения, и многие пользователи публикуют в Интернете Web-карты, предназначенные для использования в ГИС.

Вид геообработки.

ГИС представлены коллекцией наборов географических данных и операторами (инструментами), применяемыми к этим наборам данных. Инструменты ГИС являются строительными блоками для выполнения многошаговых операций. Инструмент применяет операцию к некоторым имеющимся данным с целью получения новых данных. Операции, соединенные в единую цепочку, формируют модель процесса обработки данных. Создание и применение подобных процедур и называется геообработкой.

Возможность автоматизации и повторного выполнения таких рабочих процессов является сильной стороной ГИС. Она широко применяется в многочисленных ГИС-приложениях и сценариях работы с данными.

Полноценная ГИС содержит обобщенную добротную информацию и широкий набор ГИС-операторов для работы с этой информацией. Так, например, система ArcGIS обладает богатым ГИС-языком с тысячами операторов, которые работают в среде ГИС с различными типами географических данных.

Подсистемы  ГИС.

Майкл ДеМерс, автор книги «Географические информационные системы. Основы» дает следующее определение ГИС через подсистемы, которые ее образуют:

1. ГИС представляет собой набор подсистем, ее образующих. В соответствии Подсистема сбора данных, которая собирает и проводит предварительную обработку данных из различных источников. Эта подсистема также отвечает за преобразование различных типов пространственных данных (например, от изолиний топографической карты к модели рельефа ГИС).

2. Подсистема хранения и выборки данных, организующая пространственные данные с целью их выборки, обновления и редактирования.

3. Подсистема манипуляции данными и анализа, которая выполняет различные задачи на основе этих данных, группирует и разделяет их, устанавливает параметры и ограничения и выполняет моделирующие функции.

4. Подсистема вывода, которая отображает всю базу данных или часть ее в табличной, диаграммной или картографической форме.

Это разделение легко сравнить с традиционными бумажными картами, особенно если рассмотреть этапы картографического процесса.

Традиционная картография и ГИС: сравнение функций

При традиционной технологии картограф собирает карту из точек, линий и областей на физическом носителе, таком, как бумага или пластик. Информация берется из таких источников, как аэрофотосъемка, цифровое дистанционное зондирование, геодезические работы, словесные описания и зарисовки, данные статистики и т.д. Компьютерный аналог использует электронные устройства для записи, или кодирования точек, линий и областей в компьютерную систему. Источники данных часто те же, что и в традиционной технологии, но сейчас включают и широкий спектр цифровых источников: готовые цифровые карты, цифровые модели рельефа, цифровые ортофотоснимки и многие другие. Хотя  механизмы этих технологий различаются, используемые в реальности методы удивительно похожи.

В традиционном  картографическом методе сама карта является средством хранения и выборки информации. Точки, линии и области, которые нанесены на карту,  хранятся там для  выборки их читателем карты. Говорят, что карта — наиболее компактный носитель для хранения пространственно привязанной информации и возможно, является наиболее сложным графическим изобретением. Нередко даже, насыщенность и сложность карты мешают пользователю извлекать из нее информацию. В ГИС подсистема хранения и выборки имеет значительные преимущества перед картой в том, что можно делать запросы, возвращающие только нужную информацию. В общих словах, эта подсистема хранит либо явно, либо неявно, геометрические координаты точечных, линейных и площадных геометрических объектов и связанные с ними характеристики (атрибуты). Компьютерные методы поиска естественным образом присущи самому программному обеспечению ГИС.

В картографическом методе нет прямого аналога и для подсистемы анализа, за исключением того, что карта является фундаментальным инструментом анализа пространственно-связанных данных. Традиционная карта требует применения линейки для измерения расстояния, транспортира для определения направления, и сетки или планиметра для измерения площади. Более того, человек, анализирующий карту, ограничен графическими методами, использованными для представления данных на листе бумаги или пластика.

Подсистема анализа является «сердцем» ГИС. Анализ карт дает импульс для поиска новых, более удобных, быстрых и мощных методов, способствует рождению новых гипотез, поскольку на уже привычные и знакомые данные мы может взглянуть с другой стороны.

ГИС – анализ использует потенциал современных компьютеров для измерения, сравнения и описания информации, хранящейся в базах данных. В случае традиционной картографии входные данные используются один раз и представляются на карте в уже обработанном, проинтерпретирован и классифицированном виде. При этом читатель карты ничего не знает о методах и  способах получения и обработки данных.

ГИС имеют  быстрый доступ к исходным данным и позволяют агрегировать и классифицировать данные много раз, обрабатывать одни и те же данные многими способами в зависимости от поставленной задачи. Как правило, обработанные данные становиться исходными  для дальнейшего анализа. ГИС не только не ограничены в видах используемой информации, но и способны комбинировать выбранные наборы данных уникальными и ценными способами, далеко выходящими за рамки простого листа с изображенной картой.

Значительным различием между ГИС и картографией, помимо акцента при анализе в ГИС, являются способы представления результатов. Хотя многие пользователи, возможно большинство, все же используют картографическое представление, в современных ГИС есть много иных возможностей. Типичным примером некартографического представления являются распечатки таблиц, гистограмм или графиков. Дополнительно, на поля карты или в таблицы и графики можно поместить хранимые в цифровой форме фотографии выбранных мест.

Наиболее распространенным методом нетрадиционного картографического  вывода является анимация. Популярность анимации, особенно 3-х мерной, заключается в ее высокой наглядности. Кроме того, зрение человека гораздо лучше замечает движущиеся объекты, чем неподвижные, что, безусловно, помогает выявлению взаимодействия объекта и его окружения.

Кроме картографического или графического вывода, современные системы обладают и альтернативными формами вывода. Типичным примером альтернативного вывода является использование ГИС  в службах спасения. Если вызов требует тушения пожара, то ГИС позволяет вместе с принятием вызова оператором определить ближайшую к указанному адресу пожарную часть и направить в нее электронный сигнал тревоги. Т.е. в данном случае выводом ГИС будет не карта, а звуковой сигнал и световой сигнал. Кроме того, та же ГИС может определить кратчайший маршрут для пожарной машины, а саму карту дополнить маршрутным листом, в котором перечислены улицы, перекрестки и иные отметки, позволяющие пройти маршрут без помощи карты.

Традиционная картография и ГИС: сравнение функций
Карта	ГИС
подсистемы ввода
Ввод: запись (компиляция) на бумаге - точки - линии - области.	Ввод: запись (кодирование) в память компьютера - точки - линии - области.
Источники - Аэрофотосъемка - Дистанционное зондирование - Геодезические работы - Словесные описания и зарисовки - Статистические данные и др.	Источники – то же, что и для карт, а также - Готовые цифровые карты - Цифровые модели местности и рельефа - Цифровые аэро- и космоснимки - Данные лазерного сканирования - Цифровые базы данных - Данные, полученные через Internet
подсистема хранения и выборки
Точки, линии и области рисуются на бумаге с помощью символов.	Точки, линии и области хранятся как ячейки растра или координаты и идентификаторы в компьютере. Таблицы атрибутов связаны с геометрией.
Выборка- это просто чтение карты.	Выборка требует эффективных методов компьютерного поиска.
подсистема анализа
Требуется линейка, планиметр, транспортир и другие инструменты, используемые человеком – аналитиком.	Используются возможности компьютера для измерения, сравнения и описания информации в базе данных.
Возможности ограничены данными, сгруппированными и представленными на бумажной карте.	Обеспечивает быстрый доступ к исходным данным, позволяет группировать и переклассифицировать данные для дальнейшего анализа. Одни и те же данные могут быть использованы многократно.
подсистемы вывода
Только графическое представление.	Карта – лишь один из видов вывода.
Многие формы карт.	ГИС предоставляет практически неограниченные возможности в создании карт.
Модификации могут включать картограммы и др.	Включает также таблицы, графики, диаграммы, изображения и др. Нетрадиционные формы вывода: интерактивный вывод, передача баз данных, видео и др.

Нетрадиционная формы вывода: публикация картографических данных  в Internet.

В настоящее время, мы наши карты можем не только распечатать  или передать пользователю на диске или другом носителе информации, но и опубликовать в Интернете. Это совершенно новый способ передачи географической информации, поскольку речь идет не только о передаче карт в виде картинок (например, в формате JPG или TIFF), а о полноценных электронных интерактивных картах, которые можно не только просматривать и масштабировать, но и анализировать посредством запросов и других операций, использовать в своей повседневной работе.

Географическое знание изначально является распределенным и слабо интегрированным. Вся необходимая информация редко содержится в отдельном экземпляре базы данных.

Пользователи ГИС вынуждены взаимодействовать друг с другом с целью получить недостающие части имеющихся у них ГИС-данных.

Таким образом, помимо публикации и обмена данными ГИС, пользователи все шире используют Интернет для сбора, структурирования, применения и управления географическим знанием. Это явление - одна из наиболее ярко выраженных тенденций развития современных ГИС.

В состав ГИС-сети входят три основных строительных блока:

• Порталы каталогов метаданных, где пользователи могут провести поиск и найти ГИС-информацию в соответствии с их потребностями

• ГИС-узлы, где пользователи  публикуют наборы ГИС-информации

• Пользователи ГИС, которые ведут поиск, выявляют, обращаются и используют опубликованные данные и сервисы.

С одной стороны, развитие  ГИС-сетей приобретает важное значение в распространении  накопленных географических знаний. С другой стороны оказывает огромное влияние на развитие ГИС и других информационных технологий во всем мире.

Тема 2. Данные в ГИС. Модели данных

Пространственные элементы. Описание пространственных элементов. Способы представления географического пространства. Модели данных: векторная, растровая. В лекции использованы материалы И.Ю. Черновой (КГУ)

Пространственные элементы, представляемые на карте элементы, как природного происхождения, так и являющиеся результатом человеческой деятельности, называются объектами карты, или просто объектами.

Пространственные объекты окружающего мира легко можно разделить на 4 типа. Они представляют большинство природных и социальных элементов, которые мы встречаем каждый день. В ГИС объекты реального мира в основном представляются первыми тремя  указанными типами объектов. Точки, линии и области представляются соответствующими символами, поверхности представляются путем добавление третьего измерения к исходным данным (высоты) либо специальными компьютерными средствами.

Точечные объекты – это объекты, которые в заданном масштабе не имеют длины и ширины и местоположение определяется только парой координат. В качество точечных объектов можно представить отдельно стоящие деревья, дома, населенные пункты, перекрестки дорог и т.д. О таких объектах говорят, что они дискретные, каждый их них в определенный момент времени может занимать только одну точку пространства.

Линейные объекты - это объекты, которые в заданном масштабе карты имеют длину, но не имеют ширины. Они представляются как бы одномерными в нашем пространстве. Такими объектами могут быть дороги, реки, границы, любые другие объекты, которые имеют большую протяженность, но небольшую ширину. Именно масштаб определяет порог, при пересечении которого мы считаем их объектами, не имеющими ширины.

Для линейных объектов, в отличии от точечных, мы можем указать пространственный размер простым определением их длины.

Площадные объекты (полигоны) – это объекты, которые при заданном масштабе имеют и длину и ширину («двумерные объекты»). Примерами полигонов может быть территория государства, города, озера  и т.д. Границей полигональных объектов является линия, которая начинается и заканчивается в одной точке. Полигональные объекты имеют несколько характеристик: местоположение линии, определяющей полигон, форма и ориентация линии, величины периметра и площади полигона.

Добавление третьего измерения к полигональным объектам позволяет наблюдать и фиксировать поверхности (холмы, долины, скалы и тд). Поверхности могут описываться с указанием местоположения, занимаемой площади, ориентации и с добавлением третьего измерения, высот. Поверхности состоят из бесконечного числа точек со значениями высот. Мы считаем, что они непрерывны, поскольку эти точки распределены без разрывов, непрерывно, по всей поверхности. Использование таких вычислений весьма полезна, когда необходимо узнать, каков объем воды в водоеме, объем выбранного материала в карьере и т.д. Таким образом, поверхности являются 3-х мерными пространственными объектами.

Значения атрибутов. Шкалы измерений.

Геометрические примитивы – точки, линии, полигоны, помогают показать на карте объекты реального мира. Используя их, мы можем показать местоположение объекта и его форму. Но для того, чтобы совокупность геометрических объектов получила информативность карты, каждый из них должен обладать определенным набором описательных характеристик, интересных для пользователя, или атрибутов.

Использование атрибутов объектов определяется возможностью их измерения и сравнения с другими подобными объектами.

Существует устоявшаяся основа для измерения практически всех видов данных, в том числе и географических. Это шкалы измерения данных, которые простираются от простого наименования объектов до высокоточных измерений, позволяющих непосредственно сравнивать качества различных объектов. Использование определенной шкалы будет определяться отчасти тем, что мы классифицируем, отчасти тем, что мы хотим знать, отчасти нашими возможностями производить измерения при заданном масштабе наблюдения.

В таблице представлена связь шкал измерений с тремя типами географических объектов.

Номинальная шкала позволяет показать различные категории схожих объектов. Все объекты с одинаковым значением  в чем-то похожи и отличаются от других объектов. Например: категории дороги: автострады, шоссе, второстепенные местные дороги. В номинальной шкале мы можем сказать, что объекты разных категорий различны, но как они отличаются – нет. Эта система не позволяет делать прямого сравнения объектов, за исключением определения тождества. Значение категорий можно представить, используя числовые коды или текст.

Для проведения более тонкое сравнение объектов используют порядковую (ранговую)  шкалу. Порядковые (ранговые) шкалы позволяют расположить объекты по порядку, от большего к меньшему на качественном уровне (больше – меньше, светлее – темнее, лучше- хуже). Ранги представляют собой качественную или относительную величину и используются в случае, когда нет возможности провести точные измерения (например, территории, ранжированные для проведения отдыха – замечательный, хороший, средний, плохой). Поскольку оценка по рангам относительна, то при сравнении ориентируются только на установленный порядок, не зная абсолютного различия между рангами. Типичным примером является шкала Мооса для измерения твердости минералов. Можно назначать ранги, основываясь на атрибуте, (только тип или категория), а также на комбинации атрибутов. Например, классифицировать почвы по набору атрибутов –тип увлажнения + определенная пригодность для сельского хозяйства по набору признаков.

Другим ограничением порядковых (ранговых) шкал является то, что используя их мы не можем сравнить объекты количественно: по Шкале Мооса твердость гипса – 2, корунда - 9, алмаза- 10. Абсолютная же микротвердость этих минералов имеет следующие значения: гипса – 2,6 Па,  корунда-  2 060Па, алмаза- 10 060 Па. Используя порядковую шкалу Мооса мы может только сказать, что алмаза тверже корунда и гипса, но утверждать, что алмаз тверже гипса в 5 раз, а корунд мягче алмаза всего на 1 было бы совсем неверно.

Самые точные измерения можно получить для атрибутов, измеренных в интервальной шкале, или шкале отношений, в которых измеряемым величинам приписывают численные значения. Атрибуты, измеренные в данных шкалах позволяют количественно сравнить объекты между собой. В данных шкалах можно измерить численность, количество и относительные значения параметров.

Численность и количество - показывают общие оценки. Численность представляет реальное число объектов на карте. Количество может быть любой измеренной величиной, связанной с объектом, например, число студентов в ВУЗе. Использование численности и количества позволяет узнать реальное значение каждого объекта, а также его реальную характеристику в сравнении с другими объектами.

Относительные значения – показывают взаимосвязь между двумя количественными величинами, и получаются делением одной величины на другую для каждого объекта. Использование относительных значений сглаживает разницу между большими и малыми регионами, или регионами с большим и малым числом объектов, при этом на карте будет более точно отображаться распределение объектов.

В качестве примера можно привести изучение температуры почвенного покрова в зависимости от содержания органического вещества в почвах. При сравнении карты-схемы Температура почв с картой распространения почв, мы знаем, что почвы светлые, бедные органическим веществом имеют температуру ниже, в интервале 8-15 0С (средняя температура - 140С). Почвы темные, богатые органическим веществом имеют температуру в интервале 20-240С (средняя температура – 23 0С). Теперь, имея среднюю температуру разных видов почв мы можем градуировать разницу между видами почв.

Существует некоторое ограничение при выполнении сравнений в интервальной шкале. При сравнении средней температуры почв мы получаем разницу в 9 0С. Но сказать, светлая почва в полтора раза холоднее темной мы не можем, так как начало шкалы Цельсия не является абсолютным нулем и связано с термодинамическими свойствами воды. Для такого сравнения необходимо перевести все величины в шкалу, где ноль представляет действительное начало температур, в шкалу Кельвина (К= 273 + 0С). Полученные результаты, 287 К и 296 К, не позволяют сказать, что температуры почв отличаются в полтора раза.

В результате перехода от шкалы Цельсия к шкале Кельвина мы перевели изучаемые величины в наиболее «количественную» шкалу измерений -  шкалу отношений.

Данные в номинальной и порядковой (ранговой) шкалах являются дискретными значениями (одно и то же значение могут иметь несколько объектов). Данные в шкале интервалов/отношений (численность, количество и относительные величины)относятся к разряду непрерывных данных.

Способы представления географического пространства.

Многие реальные географические объекты имею форму с четким контуром. Говорят, что такие объекты дискретны. У дискретного объекта есть известная определенная граница. Можно точно определить, где объект начинается, и где он заканчивается. Озеро - это дискретный объект на карте ландшафта. Можно точно определить границу воды и суши. Другие примеры дискретных объектов: дороги, здания, участки. Дискретные объекты обычно бывают искусственными (созданными человеком) и обычно описываются векторным типом данных.

Непрерывные данные описывают объекты или явления, которые существуют в каждой точке пространства. Одним из типов непрерывных данных  могут быть значения высот над уровнем моря. Примеры поверхностей такого типа - это распределение концентрации соли в почве или воде, уровня загрязнения от выброса загрязняющего вещества или ядерного реактора, огня от лесного пожара. На поверхности, отражающей концентрацию явления на рисунке справа, концентрация в любой точке будет функцией от способности явления двигаться через среду. Непрерывные данные обычно описываются растровым типом данных.

Существует другой тип непрерывных данных, которые относятся к непрерывным достаточно условно, и могут, в принципе, рассматриваться как дискретные данные. Примером таких данных могут быть данные, отражающие расселение популяций животных или плотность населения людей, распределение потенциальных клиентов магазина и распространение эпидемии, т.к. людям и другим живым организмам свойственно собираться в группы или стаи (т.е. образовывать дискретные объекты), а не расселяться по поверхности Земли равномерно.

Таким образом, многие объекты не являются явно непрерывными или  явно дискретными. Создается единая среда представления географических объектов, в которой крайние случаи будут чисто дискретными или чисто непрерывными. Большинство явлений находится где-то между крайностями. Примерами объектов промежуточного типа могут быть типы почв, границы лесов, болот или географические границы рынков сбыта, на которые влияет телевизионная рекламная кампания. Из этого следует, что для представления дискретных данных может быть использована модель непрерывных данных – растровая модель, а для непрерывных данных– векторная модель.

Фактором определения положения объектов в диапазоне от непрерывных до дискретных явлений может быть простота выявления его границ. Если границу между шоссе и окружающими его полями можно определить довольно просто, то граница между болотом и заболоченным лугом определяется не столь очевидно и сетка растра, состоящая из ячеек, позволит представить ее с большей или меньшей точностью, не хуже, чем в векторном способе.

Растровый и векторный - два принципиально разных, но совершенно равноправных способа представления географического пространства, одинаково важны при изучении географического пространства. Выбор модели данных зависит от того, какие объекты мы собираемся исследовать, и какие методы исследования хотим применить.

Векторные модели.

Векторный метод представления данных позволяет создавать точные пространственные координаты явным образом. Это достигается приписыванием точкам пары координат (ХУ) координатного пространства, линиям – связной последовательности пар координат их вершин, полигонам – замкнутой последовательности соединенных линий, начальная и конечная точка которых совпадают.

Векторные объекты представляются в географическом пространстве точками, линиями, полигонами, либо в виде аннотаций. Существуют и более сложные виды геометрии векторных объектов – 3D Мульти-патчи, предназначенные для представления 3х мерных объектов.

Векторная модель данных основана на векторах (направленных отрезках прямых). Базовым примитивом является точка. Векторные линейные объекты создаются путем соединения точек прямыми линиями или дугами. Для описания дуги необходимо хотя бы 2 точки- начальную и конечную, для описания местоположения линейного объекта в пространстве. Если линия является кривой или ломанной, то необходимы дополнительные точки – точки перегиба (вертексы). Чем сложнее линия, тем больше точек требуется для ее описания.

Площадные объекты определяются набором линий. Для набора линий необходимо указывать из форму и ориентацию, а также величину площади, которую занимает описываемая площадь.

Векторная модель показывает геометрию картографических объектов. Чтобы придать свойства объектам, последние связывают с атрибутивными данными, хранящиеся в отдельном файле или в базе данных. В этом случае графические примитивы связываются с атрибутами посредством идентификаторов. Идентификаторы в большинстве случаев недоступны для пользователей и являются одним из ключевых элементов в различных форматах пространственных данных.

Типы векторных моделей данных.

Существует несколько способов объединения векторных структур данных в векторную модель данных. Все способы относятся к одному из двух основных типов векторных моделей данных: топологические векторные модели данных и нетопологические векторные модели данных. Топология – это такой математический аппарат, который описывает пространственные отношения между объектами.

Простые векторные модели, как правило, не используют топологию и хорошо подходят для систем компьютерной картографии. Более продвинутые векторные модели, как правило, основаны на топологии и предназначены для выполнения аналитических операций.

Растровые модели.

Растровый метод использует принципиально другой способ представления географического пространства - разбиение пространства на множество элементов, каждый из которых представляет собой малую, но вполне определенную часть земной поверхности. Такой метод создает растровое изображение. Чаще всего использую квадраты, или ячейки, которые в растровых моделях одинаковы по размеру. Векторная модель представляет объекты дискретными, границы которых в пространстве четко определены, то растровый способ представляет географическое пространство в виде непрерывной поверхности, равномерно поделенной на равные ячейки.

Растры могут содержать информацию трех видов: тематические данные (тип растительности, ориентация или уклон склона и тд); данные дистанционного зондирования (аэрофо- и космосъемка);  обычные цветные изображения (сканированные карты или фотографии). Растры используются для представления непрерывной информации: высоты местности, уклонов склонов, растительного покрова, зон распространения загрязняющих веществ и т.д.

Растровое изображение - это обычная двумерная матрица, в ячейках которой находится информация о цвете. Для каждой ячейки существует уникальный адрес, состоящий из номера строки и номера столбца.

Устройство пикселя. Характеризовать ячейку растра (или пиксела «picture element») можно двумя параметрами.

1. размер ячейки

2. количество цветов на ячейку - одна из важных характеристик изображения, которая сказывается на размере растра.

Пиксель имеет как значение, так и пространственное расположение.

В растровых системах есть два способа добавления атрибутивной информации об объектах. Простейшим является присвоение значения атрибута каждой ячейке растра (например, индекс растительности). Но в таком варианте каждая ячейка имеет только одно значение атрибута. Второй подход – связывание каждой ячейки растра с базой данных, так что любое число атрибутов может быть присвоено каждой ячейке растра.

Ячейки растра примыкают друг к другу для покрытия всей области. Поэтому мы можем использовать номера ячеек по вертикали и по горизонтали в качестве координат. Для определения местоположения прямоугольного растра в географическом пространства необходимо знать пару координат x, y хотя бы одного угла. В то же время, ячейки или пикселы результатов дистанционного зондирования сразу создаются в некоторой проекции, и для измерения на растр может быть помещена более точная координатная сетка.

Представление пространственных элементов в растровой и векторной моделях данных. Точечные объекты всегда будут представлены целым пикселем, линейные объекты будут представлены цепочкой смежных ячеек, полигоны – областью смежных ячеек.

Главный недостаток представления картографических данных в форме ячеек растра - это потеря точности  информации о местоположении объектов. Вместо точных координат точек мы имеем отдельные ячейки растра, в которых эти точки находятся. Здесь мы наблюдаем изменение пространственной мерности, которая состоит в том, что мы изображаем объект, не имеющий измерений (точку), с помощью объекта (ячейки), имеющего и длину, и ширину. Чем меньше ячейка, тем меньше ее площадь,  тем точнее она представляет точечный объект.

Легко увидеть, что эта структура данных изображает линии и полигоны ступенчатым образом. Точность представления данных зависит от масштаба и размера ячейки. Чем больше разрешение ячеек, и чем больше ячеек представляют определенную площадь, тем точнее это представление.

Значение ячейки.

Каждой ячейке растра присваивается определенное значение, служащее для идентификации или описания класса, категории, группы, к которым относится ячейка, либо для задания количественной характеристики свойства, которое описывает данный растр. Значение может представлять такие характеристики, как тип или структура почв, класс землепользования, стратиграфические подразделения. Значение может также представлять величину, расстояние или отношение в непрерывной поверхности данных. Высота, величина и направление уклона, уровень шума от аэропорта, величина pH почвы - примеры количественных характеристик.

В растрах, представляющих изображения, значения могут указывать цвет или спектральную отражающую способность. В этом случае каждой ячейке приписывается не одно, а несколько значений (мультиканальный растр).

Значения ячеек могут быть  как целые, так и  с плавающей запятой. Целочисленные значения удобны для представления значений дискретных  данных, а значения с плавающей запятой - для представления непрерывных поверхностей.

Зоны. Любые две или более ячейки с одинаковым значением принадлежат к одной зоне. Зона может состоять из соединенных ячеек, несоединенных ячеек, или из тех и других. Зоны, ячейки которых соединены, представляют отдельные объекты территории, например, здание, озеро, дорогу или линию электропередачи. Каждая ячейка растра принадлежит к определенной зоне. Одни растры состоят из нескольких зон, другие - из множества зон.

Регионы. Каждая группа соединенных ячеек в зоне называется регионом. Зона, состоящая из одной группы соединенных ячеек, включает один регион. Зона может состоять из стольких регионов, сколько нужно для представления объекта; количество ячеек в одном регионе практически не ограничено. В растровом наборе данных на рисунке внизу, Зона 2 состоит из двух регионов, Зона 4 - из трех регионов, а Зона 5 - только из одного региона.

Значение ”Нет данных”. Если ячейке присвоено значение “Нет данных” (No Data), это означает, что данных о заданной характеристике в точке, которую представляет ячейка, либо нет, либо недостаточно. Значение отсутствия данных, иначе называемое пустым значением, обрабатывается всеми операторами и функциями иначе, чем другие значения. В большинстве случаев это значение передается в выходной растр, в других - ее значение формируется на основании значений соседних ячеек.

Для некоторых видов данных, чаще всего непрерывных, значение ячейки представляет измерение в центре ячейки. Пример – растр высот. Для изображения непрерывной поверхности, значения высот на границах ячеек вычисляют путем интерполяции, на основании известных значений ячеек, отнесенных к центральной точке.

В других случаях значение ячейки относится ко всей ее площади - поверхность отображается в виде «ступенек».

Пространственное разрешение растровых изображений.

Растровые изображения в ГИС не имеют понятия масштаба. Изображения характеризуются таким понятием, как геометрическое разрешение растра. Оно характеризует площадь поверхности, изображенное в каждом пикселе. Если длина одной стороны пиксела соответствует 100м на местности, то говорят, что растр имеет геометрическое разрешение 100 м. При длине стороны пиксела, соответствующей 2 м на местности, говорят о растре с 2 метровым разрешением.

Разрешение возрастает при уменьшении размера ячейки, однако обычно за счет увеличения занятого дискового пространства и снижения скорости обработки. Уменьшение ячеек определенной области в два раза требует увеличения дисковой памяти примерно в четыре раза, в зависимости от типа данных и используемой технологии их хранения. Для большинства пользователей эффективность анализа более чем компенсирует потерю разрешения.

Сравнение представления пространственных элементов в растровой и векторной моделях данных. Растровые структуры не обеспечивают точной информации о местоположении, поскольку пространство поделено на дискретные ячейки конечного размера. Вместо точных координат точек мы имеем отдельные ячейки растра, в которых эти точки находятся. В этом случае точка, объект не имеющий измерений, изображается с помощью квадратной ячейки, имеющей длину и ширину; линии – как цепочки ячеек. Эта структура данных изображает линии ступенчатым образом. Таким же образом отображаются полигоны.

Местоположение точки на растре указать точнее, чем положений ячейки - нельзя. Чем больше размер ячейки, тем большую площадь земли она покрывает, тем меньше точность положений пространственных объектов.

Снижение пространственной точности положения объектов – главный недостаток растровой структуры данных. Увеличить точность можно увеличивая разрешение растра. При отображении одной и той же географической области с использованием растровой и векторной модели данных

Тема 5. Форматы данных ГИС

Форматы данных ГИС.

Современные геоинформационные системы работают с множеством форматов данных. Эта множественность объясняется разнообразием задач, решаемых с помощью  ГИС и использованием в ГИС  специфических данных, таких как, например, результаты переписи населения или материалы космической съемки.

Кроме того ГИС возникли и развивались на стыке разных предметных областей (география, экономика, природные ресурсы, прикладная математика и т.д.), каждая из которых использует свои специфические базы данных и свои форматы данных. Со временем информационные ресурсы и технологии  развивались, совершенствовались, форматы данных менялись и в том или ином виде наследовались геоинформационными системами.

С другой стороны современные ГИС способны по-разному представлять географическое пространство:

-как собрание отдельных объектов в векторной модели

-как сетку ячеек растра

-как набор точек триангуляции.

Соответственно существуют три  основные группы форматов данных:

Векторные (шейп-файлы, покрытия ARC/INFO, чертежи САПР и др.)

Растровые изображения  и гриды (BMP, TIFF,   JPG, ERDAS IMAGINE, ESRI ARC GRID, GIF, MrSID и др.)

Триангуляционные (TIN)

Триангуляционные модели предназначены для представления поверхностей. Таблицы и текстовые файлы также важны в ГИС, так большая часть атрибутивной информации записывается в виде таблиц или текстов.

Многообразие форматов порождает трудности в обмене данными между разными системами. Многие ГИС имеют специальные трансляторы для преобразования данных, либо развивают собственное программное обеспечения таким образом, чтобы оно напрямую читало и работало с несколькими форматами данных.

В ArcGIS, например, есть специальный модуль  Data Interoperability, предназначенный для конвертации данных из различных ГИС-форматов. Data Interoperability добавляет возможность прямого чтения и использования данных в более чем 60 распространенных векторных ГИС-форматах. Например, можно обращаться, отображать и напрямую использовать в ArcGIS такие источники данных, как наборы навигационных данных S57, наборы данных САПР с атрибутами, наборы данных MapInfo и др. Этот модуль позволяет обмениваться ГИС-данными, используя разнообразные форматы экспорта векторных данных (более 50 поддерживаемых форматов).

Шейп-файл: типы пространственных объектов.

Наибольшее распространение имеют векторные форматы данных. Как вы уже знаете, векторные данные лучше всего подходят для описания дискретных объектов с определенными формами и границами. Однородные географические объекты объединяются в однородные наборы данных или классы

.

Классы простых пространственных объектов представляют объекты  с помощью точек, линий и полигонов, но не содержат топологических связей.  Преимущество такой структуры состоит в простоте и высокой скорости отображения. Все недостатки модели вытекают из отсутствия топологии. Кроме того, классы простых пространственных объектов не пригодны для описания отношений и сложного поведения объектов.

Тем не менее, простые пространственные объекты составляют значительную часть существующих географических данных, т.к. они легко создаются и достаточны для географических данных, образующих фоновые слои карт.

Простые пространственные объекты очень часто создаются и распространяются в форматах шейп-файла или чертежа САПР (Система автоматизированного проектирования).

Шейп-файлы  удобны для картопостроения и некоторых видов анализа. Этот формат был разработан компанией ESRI в начале 1990-х годов, для того, чтобы удовлетворить потребность в использовании  наборов данных с простыми пространственными объектами.

Шейп-файлы представляют собой нетопологическую векторную структуру данных. В каждом шейп-файле хранятся объекты только с одним видом геометрии: точки, многоточечные объекты, линии, полигоны.

Точечные формы – это просто объекты- отдельные точки, например скважины.

Мультиточка – это набор точек, составляющих один объект. Несмотря на то, что мы видим несколько графических элементов, программа будет воспринимать их как один объект, и в атрибутивной таблице ему будет соответствовать одна запись. Примером многоточечного объекта может быть группа  маленьких островов или несколько отдельно стоящих деревьев.

Линейные формы могут быть простыми непрерывными линиями, как, например,  линия разлома на карте. Они могут быть также составными: состоящими из связанных частей (разветвляющиеся полилинии, как, например, река). Или состоять из несвязанных частей. Составные полилинии, как и мультиточка, являются единым объектом.

Полигональные формы могут представлять собой простые области (простой полигон), например, территорию государства.  Они могут состоять из нескольких частей (составные полигоны), например, несколько участков леса, разделенных полями. Полигональные формы могут пересекаться друг с другом, но в шейп-файле не содержится информация об этом. Примером налагающихся полигонов могут служить сферы обслуживания магазинов.

Составные полигоны (несвязанные или пересекающиеся) также являются единым объектом.

Хранение шейп-файлов.

Если мы в Проводнике Windows откроем папку, в которой хранятся  шейп-файлы, то каждый шейп-файл предстанет в виде списка, по крайней мере, 3-х файлов:

<имя>.shp

<имя>.dbf

<имя>.shх

Все компоненты шейп-файла имеют одно имя. Файл с расширением .shp содержит пространственные данные в двоичном коде, файл с расширением .dbf  - атрибутивные данные в таблице в формате dBASE. Файл с расширением .shх представляет  собой  пространственный индекс, в котором в сжатом виде описана структура файла .shp. Другими словами, файл с расширением .shх является ключом к пространственным данным, благодаря которому осуществляется быстрое чтение шейп-файла, а следовательно, все операции поиска и выборочного отображения объектов.

Шейп-файл может включать четыре дополнительных файла с индексной информацией. Файлы с расширениями .sbn и .sbx образуются, когда мы обращаемся к шейп-файлу с пространственным запросом (т.е. ищем объекты на основе их местоположения). Два атрибутивных индексных файла ( .ain  и . aix )  создаются операцией реляционного связывания таблиц. Данные файлы позволяют быстрее осуществлять поиск атрибутов. Все эти файлы записываются в каталог источника данных.

В папке, где хранится шейп-файл вы можете увидеть еще два файла :  

<имя>.prj  - файл пространственной привязки, содержащий информацию о системе координат шейп-файла.

<имя>.shp.xml   - файл метаданных. Метаданные – это  информация, которая характеризует ваши данные, подобно тому, как карточка в библиотечном каталоге описывает книгу. Метаданные могут содержать различную информацию: кто  автор или владелец этих данных, какова точность данных, в какой системе координат они находятся, дата последнего обновления и др.  

В  ArcCatalog все  файлы, образующие  шейп-файл, представлены как один класс пространственных объектов.  При перемещении, переименовании, копировании или удалении шейп-файла  ArcCatalog сам позаботится о том, чтобы все файлы, составляющие шейп-файл, участвовали в операции.  Если пользователь работает в обычной файловой системе, он должен сам позаботиться об изменении или переносе всех файлов, составляющих шейп-файл.

Рисунки и наборы данных САПР.

К настоящему времени в файлах чертежей  САПР  собран значительный объем географических данных. САПР (Система автоматизированного проектирования) является системой компьютерного черчения и собственно ГИС- продукты не создает.  Особенность файлов САПР состоит  в том, что пространственные объекты в них обычно подразделены на множество слоев: например, здание может быть представлено и полигоном, и линейным объектом, представляющим  границу этого полигона. С точки зрения ГИС  этот формат данных имеет переизбыток информации.

Рисунок САПР является аналогом карты, на котором отображены все картографируемые элементы, используя символы, хранящиеся в самом рисунке.

Каждому рисунку САПР на диске в дереве Каталога соответствуют два элемента: набор данных САПР и рисунок САПР.

Набор данных САПР  (слой САПР) это нечто иное, нежели слой на карте.  Если набор данных САПР имеет 17 слоев – 3 точечных, восемь линейных, четыре полигональных, и два из подписей – то они будут объединены в класс точечных объектов САПР, класс линейных объектов САПР, класс полигональных объектов САПР и класс подписей САПР. Таким образом, класс пространственных объектов САПР содержит  все точки, или все линии, или все полигоны или все аннотации рисунка, а также их атрибуты.   Дополнительные  атрибуты пространственных объектов могут храниться в отдельных таблицах.

Покрытия ARC/INFO: типы объектов.

Следующий формат данных существенно отличается от вышеописанных, он основан на топологической векторной структуре данных.

Формат покрытия ARC/INFO был разработан компанией ESRI  очень давно и многие годы использовался как стандарт представления векторных данных. Формат покрытия  нашел успешное и широкое применение в государственных учреждениях, частных копаниях и независимых организациях всего мира благодаря эффективному хранению пространственных и топологических данных; при этом атрибутивные данные хранятся в реляционных таблицах, которые можно дополнять пользовательскими полями и соединять с другими базами данных.

Покрытия объединяют пространственные и атрибутивные данные, а также хранят топологические связи между пространственными объектами. Пространственные данные хранятся в двоичных файлах. Топологические и атрибутивные данные хранятся в таблицах INFO.

Покрытия, в отличие от шейп-файла, могут содержать внутри себя пространственные объекта разного типа и  разной геометрии.

Первичными типами пространственных объектов являются  точки (points), дуги (arcs), полигоны (polygons) и узлы (nodes). Эти пространственные объекты обладают топологическими связями: дуги образуют периметры полигонов, узлы являются концевыми точками дуг. Точечные пространственные  объекты имеют двойное значение: они могут представлять собственно точечные объекты, они могут так же отмечать внутреннюю область полигонов.

Производными типами пространственных объектов являются тики (ticks), векторы смещений (links), подписи (annotations). Тики используются для пространственной привязки данных, векторы смещений – для геометрической корректировки пространственных объектов (исправления формы), подписи (аннотации) - для подписывания пространственных объектов на карте.

Покрытия могут также содержать составные пространственные объекты. Маршрут представляет собой цепочку дуг с определенной на ней линейной системой координат. Маршруты обычно используются для моделирования транспортных систем. Регионы представляют собой собрание полигонов, которые могут быть смежными, перекрывающимися, или не имеющими общих точек. Регионы обычно используются в приложениях по землепользованию и окружающей среде.

Для крупных наборов данных, покрытия разбиваются на листы в библиотеки карт.

Хранение покрытий: рабочие области.

Покрытия ARC/INFO хранятся не в любом, а  в специально отведенном месте дискового пространства, называемом Рабочая область ARC/INFO.

Рабочая область ARC/INFO – это особая  папка в файловой системе. Папка рабочей области содержит папку info  и папки с именами покрытий для каждого покрытия в рабочей области. Здесь рабочая область называется a_workspace,  покрытия - a_coverage, b_coverage. Папка покрытия содержит набор файлов, в которых хранится информация об объектах покрытия (координаты, топология и т.д.). Атрибуты объектов покрытия хранятся в таблицах атрибутов объектов, управляемых базой данных INFO™. Папка info содержит файлы данных INFO  и параметры таблиц для каждого покрытия.

В ArcCatalog рабочая область представлена иначе. Мы видим рабочую область покрытия в виде папки с данными. По иконке покрытия мы можем узнать его геометрический тип (точечный, линейный, полигональный). Можно также видеть классы объектов покрытия.

На рисунке показаны две рабочие области National_Park_Coverages  и  Maplewood. Рабочая  область Maplewood содержит покрытие floodcov с  полигональной топологией. Покрытие floodcov содержит:

Класс дуг покрытия - линейные пространственные объекты

Класс точек меток покрытия - точки меток, которыми отмечены полигоны. Каждый полигон имеет одну метку.

Класс полигональных пространственных объектов покрытия содержит простые площадные объекты.

Класс регионов покрытия содержит сложные площадные объекты.

Класс тиков покрытия содержит точки, используемые для регистрации карт в географическом пространстве.

В рабочей области покрытия могут также находиться дополнительные файлы, если в базе данных INFO хранятся другие таблицы, например, связанные таблицы данных или справочные таблицы символов. Все таблицы управляются через подпапку info, в ArcCatalog невидимую. При выполнении в ArcCatalog операций по созданию, перемещению и удалению элементов рабочей области ARC/INFO, ее целостность поддерживается автоматически. Нельзя использовать Проводник Windows для управления покрытиями, в противном случае будет нарушена синхронизация между покрытиями и подпапкой info, и данные будут испорчены.   

База геоданных: геометрия пространственных объектов.

“В 1999 году компания ESRI выпустила в свет свою последнюю разработку – новый формат географических данных, - который называется база геоданных.

Базы геоданных реализуют объектно-ориентированную модель данных ГИС. В базе геоданных каждый пространственный объект хранится в виде строки таблицы. Векторная форма объекта хранится в поле формы объекта, а атрибуты - в других полях. В каждой таблице хранится класс объектов.

В дополнение к пространственным объектам базы геоданных могут хранить растры, таблицы данных и ссылки на другие таблицы. Базы геоданных - это хранилища, позволяющие держать все пространственные данные в одном месте. Их можно определить как СУБД с добавлением покрытий, шейп-файлов и растров. Однако, в них имеются также важные новые возможности, отсутствующие в файловой модели данных.

Одно из преимуществ базы геоданных в том, что в ней можно задавать поведение объектов; все пространственные объекты базы геоданных хранятся в одной базе данных, при этом большие классы объектов базы геоданных можно хранить, не разделяя на части.

Помимо общих объектов, таких как точки линии, полигоны, можно создавать пользовательские объекты, например, трансформаторы, трубопроводы или участки. Для пользовательских объектов можно определить специальное поведение, что позволяет лучше представить объекты реального мира. Поведение объектов можно использовать для поддержки сложного моделирования сетей, предотвращения ошибок при вводе данных, особого способа визуализации объектов, создания собственных форм для проверки или ввода атрибутов объектов.

Поскольку возможно создание собственных пользовательских классов объектов, количество классов объектов неограниченно. Класс пространственных объектов имеет специальное поле, хранящее форму и положение пространственных объектов. Это поле называется shape (форма), и оно является полем типа геометрия (geometry). Все пространственные объекты  в пределах одного класса пространственных объектов обладают одним типом геометрии. Базовыми геометрическими классами объектов (формами) являются точки, мультиточки, линии и полигоны. Вы можете также создавать объекты с новой геометрической формой.

Поле shape класса пространственных объектов может относится к одному из следующих типов геометрии: точка, мультиточка,   полилиния или полигон.

Пространственный объект с формой точки (point) имеет единственную пару координат (x,y) или тройку координат (x,y,z). Пространственный объект с формой мультиточки (multipoint) обладает неупорядоченным набором из нескольких пар или троек координат. Геометрия базы геоданных принципиально двухмерная, но вы можете задать свое z-значение каждой формообразующей точке точечного, мультиточечного, линейного или полигонального объекта. Z-значения обычно представляют высоты, но они могут также представлять и другие показатели, например, количество осадков.

Пространственный объект с формой полилинии (polyline)  имеет один или несколько путей.  Путь – это цепочка сегментов, каждый из которых может быть одного из следующих типов параметрических кривых: прямая линия, дуга окружности, дуга эллипса или кривая Безье. С полилинией может ассоциироваться необязательное z-значение или m-значение (линейная мера). Z-значения могут применяться к таким линейным пространственным объектам как реки или гребни. Линия гребня, например, образует некоторый профиль поверхности, и вы можете задать конкретные высоты в каждой промежуточной точке этой линии.

m-значение: некоторые приложения используют линейную систему измерения, которая основана на расстояниях вдоль путей. Вы можете задать свое m-значение каждой формообразующей точке линейного объекта. Примером линейной системы измерений являются километровые столбы или пикеты вдоль дорог или каналов.

Пространственный объект с формой полигона (polygon) имеет одно или более колец. Кольцо – это замкнутая цепочка сегментов. Каждый сегмент может быть типа прямой линии, дуги окружности, дуги эллипса или кривой Безье. Кольцо не может иметь самопересечений, но может пересекать другие кольца в полигоне. Кольца в полигоне могут соприкасаться в любом числе точек. С полигоном может быть ассоциироваться необязательное z-значение.

В формате базы геоданных (в отличии от покрытий)  одночастные и много частные объекты находятся в одном классе объектов. Другое важное отличие состоит в поддержке параметрических кривых: дуг окружностей, дуг эллипсов, кривых Безье. Эти типы линий позволяют точнее представлять форму пространственных объектов,  и особенно важны в строительных приложениях.

База геоданных: пространственная привязка.

Геометрия пространственных объектов хранится как упорядоченный набор координат x и y, который может дополняться z- и m-значениями. Эти координаты соотносятся с точками на поверхности Земли посредством пространственной привязки, состоящей из нескольких частей.

Одна часть привязки- это система координат. Другая часть пространственной привязки определяет представление координат в базе геоданных. Чтобы избежать неоднозначности при сравнении местоположений и применении пространственных операторов, внутри базы геоданных для хранения координат используются целые числа.

При отображении карты на мониторе эти целочисленные значения преобразуются в единицы карты и обратно, и вам не приходится думать о них , за исключением случая, когда определяется координатный домен и масштаб пространственной привязки.

Координатный домен состоит из минимальных и максимальных значений  для x и y, и возможно, z- и m. Масштаб определяет, сколько целочисленных единиц соответствует одной единице карты. Если масштаб равен 1000, то максимальная точность представления координат равна 1/1000 единицы карты.

Существует определенная связь между масштабом и координатным доменом. Очень большое значение масштаба сужает пространственный домен. Практическое правило таково: произведение масштаба  и наибольшего интервала координат в домене не должно превышать 231.

Пространственная привязка ассоциируется с классом пространственных объектов. Если классы пространственных объектов организованы внутри набора классов объектов, то все эти классы пространственных объектов совместно используют одну и ту же пространственную привязку. База геоданных может иметь множество пространственных привязок, - по одной на каждый набор классов объектов и каждый автономный класс пространственных объектов.

После того, как пространственная привязка ассоциирована с классом пространственных объектов или набором классов объектов, вы можете менять систему координат, но не координатный домен или масштаб.

База геоданных: отношения между объектами.

Объекты в реальном мире имеют отношения с другими объектами. Одни объекты имеют фиксированный пространственный экстент (на пример, леса), другие – не имеют (например, люди).Одним из примеров  отношений между объектами является связь земельного участка с владельцем, зоной землепользования, учетной записью или зданием.

Желательно отслеживать эти отношения так, чтобы, когда один объект меняется, связанные с ним объекты могли реагировать. Например, когда удаляется инженерная опора, должны удаляться и все прикрепленные к ней трансформаторы и другое оборудование. Формат базы геоданных имеет средства явного определения отношений среди пространственных и непространственных объектов.

Различают три вида отношений: топологические, пространственные и общие.

Топологические отношения встраиваются в данные в момент создания геометрической сети или плоской топологии (внутри одного класса). Топология базы геоданных аналогична топологии покрытия Arc/Info. Эти отношения позволяют быстро находить соседние полигоны или пересекающиеся линии. В базе геоданных кроме плоской топологии реализован еще один топологический механизм, позволяющий отслеживать пространственные отношения между объектами разных  классов пространственных объектов (между объектами разных слоев), осуществляя, таким образом, межслойную или трехмерную топологию. Например, если граница между государствами подходит по реке, то объекты линейного класса реки должны совпадать с объектами линейного класса граница. Или изолиния с нулевой отметкой должна точно соответствовать границе полигона, представляющего акваторию моря.

Пространственные связи. ArcGIS ArcInfo  реализует богатый набор пространственных операций, которые позволяют определить такие пространственные отношения между объектами как касание, совпадение, пересечение, размещение внутри или вовне. Например, может быть решена такая задача: «Определить общую протяженность автомобильных дорог Республики Татарстан» или «Найти все автомобильные дороги, пересекающие железнодорожную».

Общие отношения – формируют явную постоянную связь между пространственным или непространственным объектом из класса- источника с пространственным или непространственным объектом из класса- адресата.

База геоданных: кардинальность общих отношений.

Отношения имеют определенный набор характеристик. Одной из характеристик является понятие кардинальности отношений. Кардинальность определяет, сколько объектов типа А связано со сколькими объектами типа Б. В целом, отношения могут иметь кардинальность  один-к-одному, один-ко-многим, многие-к-одному и многие-ко-многим.

Общие отношения позволяют явным образом моделировать такие отношения между объектами, которые не могут быть однозначно или автоматически выведены из их геометрии или топологии.

Управление атрибутами с помощью доменов.

Цель каждого пользователя, когда он добавляет или редактирует объекты в базе данных ГИС, состоит в том, чтобы избежать ошибок ввода или хотя бы сократить их. Для многих разработчиков и пользователей это является самым главным аспектом проектирования базы геоданных.

Простейший способ «научить» объекты поддерживать свою «правильность», или (в терминах ГИС)  целостность БД состоит в том, что нужно:

Внести ограничения на возможные изменения атрибутов.

Задать правила проверки корректности того, как пространственные объекты указывают или располагаются по отношению друг к другу.

В базе геоданных первое положение реализовано через атрибутивные домены. Атрибутивный домен — это ограничение на значения атрибутов в классах пространственных объектов и таблицах. Это ограничение может быть числовым интервалом или списком допустимых значений.

В базе геоданных  атрибутивные домены представлены двумя типами: интервальные домены и домены кодированных значений

Интервальный домен ограничивает значения любого числового атрибута в любом объектном классе или классе пространственных объектов заданием минимального и максимального допустимых значений. Это сокращает ошибки при вводе данных. Пример интервального домена: давление в трубе ожидается между 2000 и 14000.

Интервальный домен может применяться к атрибутам с числовыми типами данных.

Редактируя объекты в АгсМар, вы можете ввести объекты с некорректными значениями атрибутов, но в любой момент корректность ввода можно проверить. Некорректные значения атрибутов высвечиваются для редактирования.

Домены кодированных значений. Во многих случаях атрибуты представляют категории пространственных объектов. Например, тип горной породы может ограничиваться таким списком значений:  «глина», «песчаник», «алевролит». Список допустимых значений в домене кодированных значений можно изменить в любой момент.

Домены кодированных значений могут применяться к атрибутам с и числовым, и текстовым  типом данных. Использование домена кодированных значений гарантирует, что атрибут будет иметь одно из ожидаемых значений.

Значения по умолчанию. При вводе данных можно использовать тот факт, что для некоторого атрибута одно значение наиболее часто встречается. Значения по умолчанию используются при создании, разделении или объединении пространственных объектов. Например,  значение "жилой" может использоваться по умолчанию для атрибута типа землепользования при создании и разделении земельных участков.

Правила разделения и объединения объектов. Установив интервальный домен или домен кодированных значений, вы можете уточнить его, объявляя, что должно происходить при разбиении пространственных объектов.

Частый случай — это разбиение участка земли. Когда один участок разделяют на два, некоторые атрибуты получившихся новых участков должны меняться пропорционально размерам этих участков. Другим атрибутам должно присваиваться одно и то же значите. Третьим нужно присваивать значение по умолчанию.

При разделении объектов к их атрибутам могут применяться следующие правила разделения (split policies):

Значение по умолчанию — атрибуту обоих получившихся объектов присваивается значение по умолчанию.

Дублирование — оба получившиеся объекта наследуют значение атрибута исходного объекта.

Геометрическая пропорция — значение атрибута исходного объекта делится между получившимися объектами пропорционально их площади или длине.

При объединении объектов к их атрибутам могут применяться следующие правила объединения (merge policies):

Значение по умолчанию — атрибуту объединенного объекта присваивается значение по умолчанию.

Суммарное значение – атрибуту объединенного объекта присваивается сумма значений атрибута исходных объектов.

Взвешенное среднее – атрибуту объединенного объекта присваивается  взвешенное среднее значений атрибута исходных объектов.

Простое поведение с использованием подтипов.

Имеется и более тонкий контроль корректности, дифференцирующий поведение групп пространственных объектов в пределах класса, которые называются подтипами.

Подтип — это специальный атрибут, позволяющий назначить свой вариант простого поведения для разных категорий объектов класса. Все подтипы объектов класса имеют один и тот же набор атрибутов.

Правила проверки корректности. Правила проверки корректности контролируют целостность пространственных объектов и атрибутов. Типами правил проверки корректности являются: атрибутивные правила, правила связности и правила отношений.

Атрибутивное правило — это атрибутивный домен, применяемый по отношению к подтипу класса. Примером атрибутивного правила может быть такое, что допустимая ширина - 35, 40, 45, а допустимое число рядов- 1,2,4.

Правила объединения/разделения определяют, как будут изменяться атрибуты при разбиении и объединении объектов: асфальтовая дорога при объединении получает число рядов по умолчанию.

Значения по умолчанию определяет, какое значение атрибута будет присвоено вновь создаваемому объекту: новой асфальтовой дороге  по умолчанию дается ширина 35 футов.

Правило связности задает допустимые сочетания значений атрибутов соединяемых сетевых объектов. Двухрядная асфальтовая дорога может соединяться только с другой двухрядной дорогой.

Правило отношений ограничивает число элементов в отношении между классом-источником и классом-адресатом. Например, асфальтовая дорога может быть связана с пересечениями в виде эстакад или тоннелей.

Для реализации простого поведения объектов класс не обязательно должен иметь подтипы. Если ни один подтип не задан, вы, тем не менее, можете задавать атрибутивные домены, значения по умолчанию и правила, при этом они будут действовать по отношению ко всем объектам класса.

Основная причина использования подтипов– повышение быстродействия БГД. База геоданных с десятком–другим классов объектов обладает большим быстродействием, чем база геоданных со многими десятками или сотнями классов.

Общая характеристика персональных и многопользовательских  баз геоданных.

Выше изложенное свидетельствует о том, что формат базы геоданных является в настоящее время наиболее развитым ГИС-форматом векторных данных, позволяющие более точно моделировать сложное поведение и разнообразные  свойства объектов реального мира. У формата базы геоданных есть еще одно важное и полезное свойство, существование которого в других форматах векторных данных невозможно. Эта особенность заключается в возможности использования одной базы геоданных многими пользователями одновременно.

База геоданных представляет объектно-ориентированную модель данных. Вся информация о данных (пространственная,  атрибутивная, отношения и т.д.) хранится в таблицах реляционных СУБД.

Базы геоданных работают со многими платформами СУБД, могут быть разного размера и обслуживать разное количество пользователей. Они варьируют от маленьких однопользовательских баз данных на основе Microsoft Jet Engine до крупных многопользовательских баз данных для рабочих групп, отделов и предприятий. По своей архитектуре база геоданных может быть персональной или многопользовательской.

Персональные базы геоданных, напрямую использовать которые могут все пользователи ArcGIS, используют файловую структуру базы данных Microsoft Jet Engine для хранения ГИС-данных в базах данных небольшого размера. Персональные базы геоданных во многом похожи на файловые рабочие области и поддерживают базы данных размером до 2 Гб. Для работы с атрибутивными таблицами в персональных базах геоданных используется Microsoft Access.

Персональные базы геоданных оптимальны для работы с небольшими наборами данных отдельных ГИС-проектов и малочисленных рабочих групп. Обычно пользователи применяют несколько персональных баз геоданных для сбора своих данных и одновременно используют их при работе с ГИС. Персональные базы геоданных поддерживают только однопользовательское редактирование. Не предусмотрен механизм поддержки версий.

Для работы с многопользовательскими базами геоданных необходимы серверное приложение ArcSDE и возможность работы с разными моделями хранения данных в СУБД (IBM DB2, Informix®, Oracle(с или без Oracle Spatial) и SQL Server). Многопользовательские базы геоданных в первую очередь используются на уровне рабочих групп, отделов или всей организации. Они используют все преимущества архитектуры соответствующих СУБД для поддержки:

очень больших, непрерывных баз ГИС-данных;

одновременной работы многих пользователей;

длинных транзакций и работы с версиями.

Многопользовательские базы геоданных могут иметь очень большие размеры и обеспечивают многопользовательский режим работы. Массовый опыт использования крупных баз геоданных свидетельствует об эффективности СУБД для перемещения больших двоичных объектов, например растровых изображений, в/из таблиц ГИС-данных. Кроме того, размеры базы данных ГИС и количество поддерживаемых пользователей могут быть гораздо большими, чем в случае ГИС на основе файловых баз.

Хранение объектов базы геоданных.

При просмотре базы геоданных в ArcCatalog вы видите таблицы базы геоданных как совокупности наборов классов или просто как отдельные классы объектов.

Каждый класс пространственных объектов базы геоданных содержит объекты одного геометрического типа. Классы объектов можно объединять в наборы классов объектов. Наборы классов объектов удобны для организации классов объектов с совместной топологией.  Их можно также использовать  для организации классов объектов по тематическому признаку. Например, можно объединить в один набор классов три класса водных объектов: точки – родники; линии- реки; полигоны- озера. Внутри набора классов объектов все классы объектов имеют единую систему координат.

В файловой системе (просмотр через Проводник Windows)  персональные базы геоданных представлены файлом Microsoft Access (.mdb). Если открыть этот файл в Access то вы увидите совокупность взаимосвязанных таблиц.

Таблицы.

Таблица (table) состоит из строк и столбцов.

Строка (raw) — это фундаментальная единица информации в таблице и заключает в себе набор свойств объекта. Все строки в таблице должны иметь одинаковый набор свойств.

           Столбец (column) представляет один и тот же атрибут для всех объектов-строк. Определение столбца — его имя и формат, обеспечивающий хранение идентификатора или геометрии объекта, действительного или целого числа, или символьной строки - называют полем.

Виды таблиц. В базе геоданных, таблицы могут хранить непространственные объекты, пространственные объекты и отношения.

Таблицу, содержащую непространственные объекты, называют объектным классом. Эти таблицы обычно содержат дополнительные атрибуты, расшифровки кодов или значения координат. Они могут быть получены из других приложений.

Таблицу, содержащую пространственные объекты, называют классом пространственных объектов. В таблице есть два набора полей: предопределенные поля (predefined fields) — для однозначной идентификации объектов и хранения формы пространственных объектов, — и пользовательские поля (custom fields) — для определения дополнительных атрибутов пространственных объектов. Для каждого класса, поля обоих видов располагаются в одной и той же таблице.

Например, класс пространственных объектов с линейной геометрией имеет ряд предопределенных полей: уникальный идентификатор пространственного объекта, попе слежения за геометрией для записи длины пространственного объекта, поле геометрии для представления формы пространственного объекта. Предопределенные поля управляются ArcGIS ArcInfo, их нельзя модифицировать какими-либо иными программами, осуществляющими доступ к базе данных.

Остальные показанные поля- пользовательские. В качестве примера различных типов атрибутов приведены кодированные значения для типа дороги, описательная строка для типа покрытия, непрерывное числовое значение для ширины дороги, дискретное числовое значение для числа рядов и текст для названий дороги.

Структура растровых данных.

Другим способом представления географического пространства является растровый способ. В настоящее время разработано множество форматов растровых данных. Но все они имеют одинаковую структуру.

Набор растровых данных хранит двухмерную матрицу, в каждой ячейке которой хранится измеренное, интерполированное или иначе вычисленное значение. Все ячейки имеют одинаковые ширину и высоту.

Географические координаты верхнего левого угла сетки вместе с размерами ячейки и количеством их строк и столбцов однозначно определяют пространственный экстент набора растровых данных.

Глубина цвета.

Изображения хранятся в файлах изображений, называемых также image-файлами,  и содержат только числа. Такое представление данных преобразуется в изображение, когда они отображаются на экране монитора или выводятся на печать. При этом программа каждому значению пикселя (или нескольким значениям пикселя, если это многоканальный растр) ставит в соответствие один цвет  и  с помощью этого цвета отображает  пиксель на экране монитора. Цвет каждого пикселя (красный, чёрный, белый или любой другой) хранится в компьютере как комбинация битов. Бит (двоичный разряд) является наименьшей единицей информации, которая может принимать лишь одно из двух значений (да/нет, плюс/минус, чёрное/белое, включено/выключено и т.д.). Чем больше битов используется для пикселя, тем больше оттенков цветов можно получить. Число битов, используемых компьютером для каждого пикселя, называется битовой глубиной, или глубиной цвета. В зависимости от различной глубины цвета выделяют следующие типы растровых изображений:

чёрно-белые штриховые (монохромные);

полутоновые (в оттенках серого);

с индексированным цветом;

полноцветные.

В чёрно-белых штриховых (монохромных) изображениях для хранения каждого пикселя используется лишь один бит информации. Одним битом кодируются два состояния, т.е. два цвета: черный или белый. Глубина цвета в этом случае - один бит, и такой тип изображения называется 1-битовым.

В полутоновых изображениях каждый пиксель кодируется 8 битами (8 бит составляют 1 байт). Глубина цвета такого изображения составляет 8 бит, а каждый его пиксель может принимать одно из 256 различных значений (28=256). Серая шкала имеет 256 градаций серого цвета, каждая из которых характеризуется значением яркости в диапазоне от 0 (черный) до 255 (белый). К полутоновым изображениям относятся аэрофотоснимки и панхроматические космические снимки (SPOT, Ikonos и т.п.). На них информация о земной поверхности представлена 256 оттенками серого цвета.

Изображения с индексированным цветом имеют ограниченную цветовую гамму. Пиксели таких изображений кодируются 4 битами (24=16 цветов) или 8 битами (28=256 цветов). Такие цвета называются индексированными (indexed color). Разумеется, 16 (и даже 256) цветами невозможно полностью передать цветовую гамму фото­изображений. Однако иногда изображения с индексированным цветом можно использовать вместо полноцветных, так как для хранения таких изображений требуется гораздо меньше ресурсов памяти компьютера. Например, топографическая карта имеет всего 8 цветов, и нет смысла хранить её в полноцветном или даже в 256-цветном режиме.

К полноцветным относятся изображения с глубиной цвета не менее 24 бит, что даёт возможность отобразить 16,7 млн цветов (224). Поэтому иногда полноцветные изображения называют true color (истинный цвет). Примером таких изображений могут служить высококачественные цветные фотографии, многозональные кос­мические снимки и т.п.

Способы представления изображений.

На рисунке представлено одно и то же изображение, но с разной глубиной цвета. Необходимо отметить, что глубину цвета растрового изображения всегда можно уменьшить, а вот снова увеличить нельзя. Например, из 24-битного растра можно сделать 4- или 8-битный, но из 4- или 8-битного восстановить 24-битный цвет невозможно. Особенно надо быть внимательным при превращении цветного изображения (полноцветного или с индексированным цветом) в полутоновое или чёрно-белое, поскольку информация о цвете будет утеряна.

От глубины цвета зависит размер файла растрового изображения. Чем больше глубина цвета, тем больший объём компьютерной памяти требуется для хранения изоб­ражения. Самый большой размер файла имеют полноцветные 32-битные и 48-битные изображения, а самый маленький - 1-битовые (чёрно-белые). Если изменить глубину цвета растрового изображения с 24 бит до 8 бит, то размер файла изображения уменьшится в 3 раза. Каждый пиксель растра теперь потребует в 3 раза меньше памяти, чем ранее (24/8=3), и, следовательно, весь файл будет в 3 раза меньше.

Отображение одноканальных растров.

,Растр может иметь один или несколько каналов. Значения ячеек могут отображаться различными способами. Значения ячеек в одноканальных растрах могут быть отображены следующими тремя базовыми способами (на слайде приведены некоторые из способов отображения одноканальных растров на основе значения ячеек).

В бинарном изображении каждая ячейка имеет значение 0 или 1. Такие изображения часто используются для сканирования карт с простым линейным рисунком, типа карт земельных участков.

В полутоновом изображении каждая ячейка имеет значение от 0 до 255. Такие изображения часто используются для черно-белых аэрофотоснимков.

Цветовая таблица. Один из способов представить цвета на изображении - это использовать таблицу цветов. Значениям ячеек произвольно сопоставляются тройки значений компонент цвета - красной, зеленой и синей. В данном случае речь идет о цветовой модели RGB.

Цветовые модели – это  способы разделения цветового оттенка на составляющие компоненты. В компьютерной графике в основном применяют цветовые модели RGB, CMYK, HSB и др.

Цветовая модель RGB описывает способ получения цвета на экране монитора или телевизора. Название происходит от трёх базовых цветов, используемых в модели - Red, Green, Blue (красный, зелёный, синий). Базовые цвета иначе называются каналами. Следовательно, RGB - трёхканальная цветовая модель. Смешав три базовых цвета в разных пропорциях, можно получить всё многообразие оттенков.

Яркость каждого базового цвета может принимать значения от 0 до 255 (256 значений). Для кодирования всех возможных значений яркости одного базового цвета (канала) достаточно 8 бит (28=256), а для всей модели (3 канала) - 24 бит (224=2563=16 777 216). Таким образом, модель RGB описывает более 16 млн цветов.

Если значения яркости трёх базовых цветов равны нулю (R: 0, G: 0, В: 0), то получается чёрный цвет. Если яркость всех трёх базовых цветов максимальна (R: 255, G: 255, В: 255), при их сложении получается белый цвет. Если яркость каждого базового цвета одинакова, но находится в промежутке от 0 до 255 (например, R: 204, G: 204, В: 204 - см. фоновый цвет табл. 5), получается серый цвет. При этом, чем больше значения яркостей, тем серый цвет светлее. Чтобы получить один из базовых цветов модели, необходимо установить яркость этого цвета максимальной, а остальных каналов - минимальной. Например, R: 255, G: 0, В: 0 - красный цвет, R: 0, G: 255, В: 0 - зелёный, R: 0, G: 0, В: 255 - синий.

Отображение многоканальных растров.

Набор растровых данных может иметь несколько каналов. Каналы набора растровых данных используют одну и ту же сетку, но значения ячеек в них — разные.    Многоканальные растры чаще всего используются для хранения многозональных космоснимков и фотографий. В этих случаях один канал представляет определенный участок спектра электромагнитных волн, зафиксированный сенсором, включая диапазоны, не видимые глазом – инфракрасные или ультрафиолетовые области спектра.

Каналы растра часто сопоставляются красной, зеленой и синей компонентам. Для каждой компоненты («красной», «зеленой», «синей») значения ячеек лежат в пределах от 0 до 255. Такая комбинация может быть непосредственно отображена на мониторе компьютера, который использует эти компоненты для воспроизведения всевозможных цветов.

Формат TIN.

Нерегулярная триангуляционная сеть (TIN) (triangulated irregular network) служит эффективной и точной моделью для описания непрерывных поверхностей. Программное обеспечение по работе с TIN включает многие функции анализа поверхностей.

Упрощенно, набор данных TIN формируется следующим образом: из набора точек с координатами х, у, z программное обеспечение ГИС создает оптимальную сеть треугольников, называемую триангуляцией Делоне, при которой грани в TIN создаются как можно более похожими на равносторонние треугольники.

Грань TIN  представляет собой треугольник, расположенный в трехмерном пространстве. Грань определяет плоскость, ее уклон и направление уклона.

Для любой точки с координатами (х, у) с помощью TIN можно рассчитать высоту (а точнее координату z), сначала находя содержащую эту точку грань, и затем интерполируя значение высоты в ее пределах.

TIN является эффективным методом представления поверхностей, так как плотность точек в любой части поверхности может быть пропорциональна пересеченности рельефа. Для плоской равнины достаточно малой плотности точек. Гористый рельеф требует высокой плотности точек, особенно на участках быстрых перепадов высот. С помощью TIN можно представлять не только рельеф, но и любую другую измеряемую поверхность, а также цифровые модели местности, включающие трехмерные географические объекты (здания, промышленные объекты и др. ).

Хранение растровых данных и наборов TIN в  ArcCatalog.

ArcCatalog позволяет вам напрямую обращаться к растровым данным, хранящимся в разных форматах. Все растровые данные в ArcCatalog отображаются одинаково, независимо от их формата. Поддерживаемые растровые форматы перечислены в диалоговом окне Опции в ArcCatalog. Однако вы можете сделать видимыми расширения растровых файлов, отключив опцию Скрыть расширения файлов в диалоговом окне Опции. Поддерживаемые растровые форматы перечислены в диалоговом окне Опции в ArcCatalog.

Наборы растровых данных состоят из одного или нескольких диапазонов (каналов). Отдельные гриды, такие как цифровые модели высот (DEM), или изображения с одним диапазоном отображаются в ArcCatalog как растровые наборы данных с одним каналом. Многозональные изображения отображаются как растровые наборы данных, содержащие несколько каналов.

Несколько наборов растров могут быть объединены в каталоги растров.       Каталоги растров содержат или ссылаются на многие связанные растры, которые могут быть представлены в различных форматах и с различным разрешением.    

Вы можете работать с множеством типов изображений, гридов ESRI и растрами, хранящимися в базах геоданных.

Наборы данных TIN отображаются желтой пиктограммой с символом пирамиды, TIN используются в качестве альтернативы растрам для представления поверхностей.

Хранение растровых данных и наборов TIN в  файловой системе.

В  файловой системе растровые наборы данных отображаются в виде совокупности нескольких файлов- файла содержащего собственно изображение и вспомогательных файлов. Названия файлов имеет единую основу, но разные расширения.

Вспомогательный файл (.aux) – это файл, связанный с набором растровых данных и расположенный в той же папке и содержащий любую дополнительную информацию, которая не может быть сохранена внутри набора растровых данных.

Так, если статистическая информация не может быть сохранена внутри растрового формата, она будет сохранена во вспомогательном файле. Этот файл создается автоматически при первой попытке выполнить задание с вашим растровым слоем, если это задание требует наличия статистики. Однажды созданный этот файл будет использоваться во всех дальнейших процедурах, требующих статистической информации. В .aux-файле также хранится указатель на файл пирамидных слоев (.rrd), конечно, если пирамидные слои для набора растровых данных строились. Если вы используете операционную систему для перемещения набора растровых файлов, для которых ранее строились пирамидные слои, программное обеспечение будет искать файлы .rrd в указанном месте. Если .rrd файлы там найдены не будут, программа стать искать их в той папке, в которую вы переместили набор растровых данных. Рекомендуется использовать приложение ArcCatalog для копирования или перемещения наборов растровых данных,  в таком случае вы можете быть уверены, что будут скопированы и все вспомогательные файлы.

Файлы пирамидных слоев .rrd. Для несжатых наборов растровых данных размер файла .rrd составляет примерно 8 процентов от исходного размера набора растровых данных. Тем не менее, в зависимости от способа сжатия исходного растра, несжатый файл .rrd может быть больше, чем исходный файл.

Еще одним видом вспомогательного файла является так называемый файл привязки (world file). Файл привязки является текстовым файлом и содержит информацию о преобразовании внутренних координат изображения к реальным земным координатам. Файл привязки изображения использует то же самое имя, что и само изображение, но с добавлением "w". Например, файл привязки изображения с именем karta_3_1.bmp будет назван karta_3_1.bmpw.

Файлы с дополнительным расширением .xml  являются файлами  метаданных.

Изображения в формате ESRI ARC GRID  имею более сложную организацию. Файлы грида объединяются в специальную папку с названием этого грида и управляются через папку info подобно покрытиям ArcInfo.  Также как и другие изображений, они могут иметь вспомогательные файлы .aux  и .rrd

TINы в файловой системе представлены в виде папок с наборами файлов, обеспечивающих структуру T

Тема 6. Основные характеристики карт. Картографические проекции

Карта - модель реальности. Основные характеристики карт. Системы координат. Картографические проекции.

Карта – модель реальности. Карта является моделью пространственных явлений, абстракцией. Она не является миниатюрной версией реальности, предназначенной показать все детали изучаемой области.

Главная причина переоценки возможностей карт в отображении реальности является то, что они самые удачные инструменты передачи пространственной информации. Карты существуют тысячи лет, и столь долгое их существование с компактностью карт и привлекательным внешним видом приводит к ощущениям полноты и непогрешимости.

Основные характеристики карт.

Детальность и пригодность карт для решения практических задач зависят от их характеристик. Это в равной степени относится  и к электронным картам, и к традиционным бумажным. Техническими характеристиками, определяющими карты и их использование, являются масштаб, разрешение, точность, проекция.

Масштаб – это отношение между расстояниями на карте и соответствующими расстояниями в реальном мире. Например, легенда карты может сообщать, что одному сантиметру на карте соответствуют 500 м на земле. Масштаб, выраженный словами "в одном сантиметре 500 метров" называется вербальным масштабом.

Другим распространенным представлением является численный масштаб, когда расстояние на карте и расстояние на земле даются в одних единицах измерения, как дробь, устраняя тем самым необходимость упоминать единицы измерения.

Линейный масштаб: здесь действительные расстояния на земле показываются прямо на  карте.

Начав работать с ГИС, вы обнаружите, что большинство программ очень легко выполняют операции изменения  масштаба. И конечно, масштаб входных данных может отличаться от масштаба отображения результатов.

Способность программного обеспечения как угодно преобразовывать масштаб карты может привести к чрезмерному доверию к карте, что может в дальнейшем вызвать некоторые проблемы и ошибки. Помните, что на мелкомасштабной карте, скажем, 1:100000, линия толщиной 1 мм покрывает на земле 100 000 мм, то есть 100 м, а это, примерно, длина футбольного поля.

При увеличении  масштаба отображения карты, детальность и качество карты не улучшается. Детальность карты масштаба  1: 200000 так и останется детальностью карты масштаба 1:200000, как бы вы ее не увеличивали, т.к. ее характеристики остаются прежними и не соответствуют характеристикам карт более крупного масштаба.

Существует полезное эмпирическое правила: следует избегать изменения масштаба больше, чем в 2,5 раза. . Это относится к увеличению и к уменьшению масштаба.

Опыт свидетельствует, что следует избегать изменения масштаба набора данных более чем в 2.5 раза по сравнению с масштабом исходных данных. Это относится не только к увеличению, но и к уменьшению масштаба.

Масштаб отражает разрешение и относительную точность данных на карте: чем крупнее масштаб, тем более точен и набор данных.

Пространственное разрешение определяется как размер самых маленьких объектов, которые возможно нанести на карту в выбранном масштабе. Разрешение карты напрямую связано с ее масштабом. По мере уменьшения масштаба карты разрешение уменьшается, границы элементов должны быть сглажены, упрощены или просто не должны быть отражены. (Слайд 4)

Точность карты определяет, насколько точно элементы карты должны быть отражены на карте заданного масштаба. Точность карты определяется уровнем ошибок, возникающих в процессе создания карты. Нужно отметить, что ошибки разных источников имеют кумулятивный эффект.

Е = f(l)+f(с)+f(d)+f(a)+f(m)+f(mp)+u, где

Е – суммарная ошибка карты

f – ошибка  измерения  местоположение на Земле ( проекция и информация о геодезической системе координат)

с - картографическая интерпретация (правильная интерпретация элементов)

d - ошибка эскиза (точность в отрисовке элементов и толщина эскизного пера)

а - калибровка дигитайзера (устройство ввода векторных данных)

m - устойчивость носителя (коробление и вытягивание, образование складок и морщин на карте)

mp - машинная точность (округление координат компьютером при хранении и преобразовании)

u - непредвиденные дополнительные ошибки источников (например, невнимательность составителя карты).

Экстент карты- это площадь земной поверхности, представленной на карте. Экстент – это предел покрываемой площади, обычно представленной прямоугольником, размер которого позволяет включить все картографируемые элементы. Размер изучаемой площади зависит от масштаба карты.

Легенда карты. Пространственные объекты на карте представляются с помощью символов. Ключом к пониманию картографических символов является легенда карты, которая соединяет фактически геометрические объекты с их атрибутами.

Системы координат

Данные в ГИС имеют привязку к поверхности Земли.

Система координат необходима для определения расстояний и направлений на Земле. Географическая система координат использует трехмерную сферическую поверхность для определения местоположения объектов на поверхности Земли. Она применяется для определения положений объектов на сферической поверхности Земли (единицы измерения: градусы, минуты, секунды или десятичные градусы). Широта и долгота не являются регулярными на поверхности Земли.

Прямоугольные система координат или системы координат проекций

Системы координат проекций определяют правила проецирования координат на плоскую двухмерную поверхность. Спроецированная система координат является производной от географической системы координат, которая основывается на сфере или сфероиде.

Системы координат проекций позволяют точно указывать положение объектов на плоских картах (единицы измерения: X и Y – координаты, отсчитываемые от начала координат в метрах, милях, футах). Измерения длин и углов в прямоугольной системе координат регулярны.

Представление трехмерного тела Земли. Модели трехмерной поверхности Земли.

Сфера и сфероид – абстрактные фигуры, предназначенные для представления формы Земли, как космического и геологического тела. Поверхность Земли отличается от идеальной поверхности глобуса.

Геоид - фигура сложной формы, образованная поверхностью уровня вод Мирового океана, продолженной под материками. Эта поверхность во всех точках перпендикулярна (нормальна) вектору силы тяжести. Отвес направлен перпендикулярно поверхности геоида, а не к центру Земли! Это связано с тем, что плотность Земли распределена неравномерно.

В настоящее время для исследования фигуры Земли, а также для решения геодезических задач используется так называемый квазигеоид. Преимущество квазигеода состоит в том, что его поверхность может быть изучена только на основании гравиметрических данных, без привлечения данных о структуре Земной коры.

Поверхности геоида и квазигеоида совпадают на территории Мирового океана, на равнинах различаются не более чем на несколько см, в горных районах – различие достигает 2 м. Поверхности геоида и квазигеоида не являются математически правильными неизменными во времени и поэтому для обработки геодезических измерений нужно использовать стабильную и более простую поверхность сравнения. В картографии в качестве таковой используют поверхность эллипсоида вращения.

Эллипсоид - тело, полученное вращением эллипса вокруг его малой оси. Размеры подбирают так, чтобы среднеквадратичное отклонение от поверхности геоида было минимально либо по всей поверхности Земли, либо для заданной территории.

Измерения зависят от положения центра и параметров эллипсоида, используемого для представления трехмерной поверхности Земли.

Виды эллипсоидов.

Размеры эллипсоида и его ориентировка в теле Земли должны быть такими, чтобы поверхности эллипсоида и квазигеоида были по возможности близки друг другу.

Наилучшим образом этому удовлетворяет  общеземной  эллипсоид  у которого:

- центр совпадает с центром тяжести Земли, а плоскость экватора совпадает с плоскостью земного экватора,

- сумма квадратов отклонений по высоте поверхности эллипсоида   от поверхности квазигеоида -  минимальная.

Общеземной эллипсоид аппроксимирует поверхность Земли в целом. Задачи определения размеров общеземного эллипсоида и его ориентирования в теле Земли должны решаться совместно. Однако точное выполнение указанных выше условий невозможно без детальной изученности поверхности квазигеоида в целом.

Для точной аппроксимации отдельных участков поверхности Земли вычисляются параметры эллипсоидов определялись в результате вычислительной обработки данных государственных и региональных геодезических сетей. Полученный таким способом эллипсоид называется референц-эллипсоид.

Поскольку геодезические  сети создавались на разных континентах, разными средствами и с разным уровнем точности, на настоящий момент имеется более двух десятков референц-эллипсоидов, каждый из которых оптимален лишь для определенной части Земли. Для территории России таким эллипсоидом является эллипсоид Красовского, рассчитанный в 1940 г.

Таким образом, эллипсоиды  бывают 2 типов: общеземные, аппроксимирующие поверхность Земли в целом и референц-эллипсоиды, наиболее точно представляющие поверхность Земли на некоторой ограниченной территории, например, в пределах отдельной страны.  Примеры земного эллипсоида

Название          Дата         Большая полуось            Малая полуось  Применение

Айри (Airy)          1830               6377563.396        6356256.91     Великобритания

Бессель (Bessel)    1841              6377397.155               6356078.96284 Центральная Европа, Чили,                            Индонезия

Кларк (Clarke)       1866               6378206.4                 6356583.8       Североамериканский континент, Филиппины

Хелмет (Helmet)    1907                6378200                  6356818.17   Египет

Красовский          1940                 6378245               6356863.018   СНГ,Россия, некоторые страны вост. Европы

Сфера  

                                                    6370997                6370997        Весь мир (мелкий масштаб)

WGS84          1984               6378137            6356752.31   Весь Мир (GPS приемники)

 

Привязка местоположений объектов. Датум.

Хотя начало координат определяется как точка на пересечении экватора и Гринвичского меридиана, в действительности для задания отсчета координат используется косвенный метод, когда для некоторой точки на реальной поверхности Земли (так называемого начального пункта) фиксируются значения широты и долготы, производится совмещение нормали к поверхности референц-эллипсоида и отвесной линии в данной точке, а плоскость меридиана исходного пункта устанавливается параллельно оси вращения Земли. Эти исходные данные, называемые также геодезическими датами (datum), жестко фиксируют систему геодезических координат относительно тела Земли.

В то время как сфероид аппроксимирует форму Земли, датум определяет положение сфероида  относительно центра Земли. Датум предоставляет систему отсчета для определения местоположения объектов на поверхности Земли. Он определяет начальную точку и направление линий широты и долготы. При изменения датума , или, более точно, географической системы координат, значения координат пространственных объектов меняются.

Поскольку датум основан на эллипсоиде (общеземном или референц-эллипсоиде), то соответственно, различают геоцентрические и топоцентрические (местные, локальные) датумы.

В геоцентрической системе размеры эллипсоида, ориентация и положение его центра выбираются следующим образом:

объем эллипсоида предполагается равным объему геоида;

большая полуось эллипсоида лежит в плоскости экватора геоида;

малая полуось направлена по оси вращения Земли;

центр масс Земли использован в качестве начальной точки;

среднеквадратичное отклонение поверхности эллипсоида от поверхности геоида минимально по всей территории земного шара.

Топоцентрическая (локальная) система центрирует сфероид таким образом, что он наилучшим образом описывает поверхность Земли для данной конкретной территории. Точка на поверхности сфероида поставлена в соответствие определенной точке на поверхности Земли. Эта точка известна как начальная точка датума. Координаты “начальной точки” зафиксированы, и все остальные точки являются расчетными по отношению к этой точке. Центр сфероида (эллипсоида) местного датума смещен относительно центра Земли. При этом сфероид располагается таким образом, чтобы для заданной территории среднеквадратичное отклонение поверхности сфероида от поверхности геоида было минимальным. При этом отклонения на другой стороне Земли может быть сколь угодно велико.

Отклонения эллипсоида Красовского от геоида на территории СНГ не превышают 150 м. Для эллипсоида Красовского точка начала координат задана в Пулково (центр круглого зала обсерватории), и этим задается основа Системы координат 1942 г. (СК-42).

Что такое картографическая проекция?

Независимо от того, рассматриваете ли Вы Землю как сферу или как сфероид, Вы должны преобразовать ее трехмерную поверхность в плоское изображение на карте. Это преобразование, выполняемое по математическим законам, называется картографической проекцией. Проекции – не абсолютно точные представления географического пространства. Каждая создает свой набор типов и величин искажений на плоской карте. Искажаются  на карте: форма объектов, площадь, расстояние, направления.

В зависимости от того, какие пространственные характеристики при проектировании остаются без искажения, различают равноугольные (или конформные), равновеликие, равнопромежуточные (эквидистантные) проекции и азимутальные проекции.

Равноугольные проекции. Равноугольные проекции сохраняют без искажений малые локальные формы.

Равновеликие проекции. Равновеликие проекции сохраняют площадь изображаемых объектов. Вследствие этого другие свойства: форма, углы, масштаб - искажаются.

Равнопромежуточные проекции. Карты с равнопромежуточными проекциями сохраняют расстояния между определенными точками. Правильный масштаб не сохраняется никакой проекцией на всей карте; однако, в большинстве случаев существует одна или более линий на карте, вдоль которых масштаб сохраняется постоянным.

Азимутальные проекции или проекции истинных направлений - используются для сохранения некоторых кривых, описывающих большие окружности, и придают правильные азимутальные направления всем точкам на карте относительно центра.

Семейства проекций.

Поскольку карты являются плоскими, в качестве вспомогательных поверхностей некоторых простейших проекций используются геометрические фигуры, которые можно развернуть на плоскость без растяжения их поверхностей. Они называются развертывающимися поверхностями. Типичными примерами являются конусы, цилиндры и плоскости. Картографические проекции систематически проецируют местоположения с поверхности сфероида на условные местоположения на плоской поверхности, используя уравнения картографических проекций. Первым шагом при проецировании одной поверхности на другую является создание одной или более точек контакта. Каждая такая точка называется точкой касания.

Азимутальная проекция проходит по касательной к глобусу только в одной точке. Конусы и цилиндры касаются глобуса вдоль линии. Если поверхность проекции пересекает глобус, то полученная в результате проекция является секущей, а не касательной. Независимо от того, является ли контакт касательным или секущим, его место очень значимо, поскольку определяет точку или линии нулевого искажения. Эту линию истинного масштаба называют стандартной линией.

В общем случае, искажение проекции увеличивается с увеличением расстояния от точки контакта. Картографические проекции можно классифицировать в соответствии с используемой для них проекционной поверхностью: конические, цилиндрические или азимутальные (проекции на плоскость).

Процесс переноса земной поверхности на плоскость карты

Процесс переноса реальной земной поверхности на плоскость карты довольно сложный и выполняется в несколько шагов:

1. Нерегулярная форма Земли (геоид) аппроксимируется некоторой регулярной поверхностью (то есть такой, которую можно описать одной формулой).

2. Выбранная поверхность фиксируется относительно тела Земли и становится поверхностью относимости (называемой также референц-поверхностью). Этим задается система геодезических (географических) координат.

3. Поверхность относимости масштабируется (уменьшается) соответственно главному масштабу карты.

4. Изображение географических объектов с уменьшенной поверхности относимости строгими математическими методами отображается (проецируется) на плоскость или развертываемую без искажений поверхность.

Параметры  проекций.

Система координат картографической проекции во многих случаях является прямоугольной. По традиции горизонтальную координату называют Х , вертикальную - Y. Так как обычно, карты ориентированы севером вверх, X – координата называется отсчетом на восток, Y- координата – отсчетом на север.

Удобно, когда координаты определяются только положительными числами. Чтобы не иметь дела с отрицательными абсциссами и ординатами, начало координат (0,0)  условно смещают на определенную, общепринятую величину. Смещение вдоль оси X  называют  ложным сдвигом в восточном направлении, вдоль оси Y - ложным сдвигом в северном  направлении.

Различают угловые и линейные параметры проекций:

Угловые параметры

Центральный меридиан — Определяет начало координат по оси x.

Широта начала координат— Определяет начало координат по оси x.

Стандартная параллель 1 и стандартна параллель 2— для конических проекций.

Широта и долгота точек касания и др.

Линейные параметры

Сдвиг по оси x —линейное значение, применяемое для определения начала координат по оси x.

Сдвиг по оси y —линейное значение, применяемое для определения начала координат по оси y.

Масштабный коэффициент - безразмерная величина, применяемая для центральной точки или линии проекции.

Масштабный коэффициент, называемый также относительным масштабом,  определяется как отношение местного масштаба на карте к главному масштабу. По определению масштабный коэффициент на промежуточном сфероиде равен 1. Когда же мы переходим от его сферической поверхности к двумерной карте местный масштаб не будет равен главному, поскольку плоская и сферическая поверхности не совместимы. Следовательно, масштабный коэффициент в общем случае не равен 1 и будет различным в разных частях карты. Чем больше масштабный коэффициент отличен от 1, тем сильнее искажения на карте.

Выбор проекции. Использование различных проекций зависит от задач и от масштаба планируемых работ.

При исследовании движения или регистрации положений, где важна угловая ориентация (навигационные, топографические карты), используют конформные проекции (Меркатора, поперечная Меркатора, коническая конформная Ламберта, конформная стереографическая).

Если среди вычислений преобладают вычисления площадей (общегеографические, учебные карты), то лучше всего подойдут равновеликие проекции (равновеликая Альберта и равновеликая Ламберта).

При определении кратчайших маршрутов, особенно на длинные дистанции (карты воздушного сообщения, радиопеленгации, слежение за спутниками) используют азимутальные проекции (стереографическая, ортографическая).

В России распространена поперечно – цилиндрическая проекция Гаусса-Крюгера, основанная на системе координат 1942 года.

Проекция Гаусса-Крюгера и универсальная поперечная координатная система Меркатора (UTM) обеспечивают точные измерения в метрической системе. Проекция Гаусса-Крюгера и Universal Transverse Mercator (UTM) - это разновидности поперечно-цилиндрической проекции.

Проекция Гаусса-Крюгера и Универсальная Поперечная проекция Меркатора (UTM). Наиболее широко распространенной в ГИС проекцией является Универсальная Поперечная проекция Меркатора (UTM), в России аналогом этой системы является система проекция Гаусса-Крюгера. (Слайд 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32)

Эти проекции является поперечно цилиндрическими, зональными. Проекции Гаусса- Крюгера и UTM делят земную поверхность на 60 пронумерованных зон шириной по 6 градусов долготы. Зоны пронумерованы. Нумерация в проекции Гаусса-Крюгера начинается с Гринвичского меридиана, в UTM - начиная от 180- градусного меридиана в восточном направлении.

Зональная проекция подразумевает проведение проецирования не одновременно для всего сфероида, а отдельно для каждой зоны. Проецирование осуществляется столько раз, сколько существует зон. Для получения проекции какой-либо из 60-ти зон, цилиндр размещают относительно сфероида таким образом, чтобы поверхность цилиндра наиболее плотно прилегала к поверхности сфероида в пределах этой зоны. Центральный меридиан размещается в центре области интереса. Такой способ проецирования позволяет свести искажения, неизбежные при проецировании, к минимуму. Эти проекции наилучшим образом подходит для регионов, вытянутых в направлении север-юг.

Система координат зоны проекций Гаусса- Крюгера и UTM.

Каждая зона имеет свой центральный меридиан, относительно которого она охватывает 3 градуса к западу и 3 градуса к востоку. Меридианы и параллели представляют собой кривые линии, за исключением осевого (центрального меридиана) меридиана. Каждая зона представляет особую координатную систему. Система координат прямоугольная. Начало координат каждой зоны находится в точке пересечения экватора с осевым меридианом зоны. Каждая зона имеет свое начало координат. Осевой меридиан и  экватор принимают за координатные оси: осевой меридиан за ось абсцисс, а экватор за ось ординат. Единица измерения – метр. Для областей, находящихся в северном полушарии, ложный сдвиг северном направлении равен 0 м, в восточном направлении 500 000 м (координата  X самой западной точки зоны составляет »165 км).

В проекции Гаусса-Крюгера цилиндр касается эллипсоида по центральному меридиану, масштаб (scale) вдоль него равен 1

Проекция UTM является конформной  (равноугольной), искажения площадей, расстояний и направлений в пределах каждой зоны минимальны. UTM - это проекция на секущий цилиндр и масштаб равен единице вдоль двух секущих линий, отстоящих от центрального меридиана на 180 000 м. Вдоль центральная меридиана масштабный коэффициент равен 0,9996.

Цилиндр разворачивают в плоскость и накладывают прямоугольную километровую сетку с началом координат в точке пересечения экватора и центрального меридиана. Вертикальные линии сетки параллельны центральному меридиану. Для того, чтобы все прямоугольные координаты были положительны, вводится величина ложного восточного смещения (false easting), равное 500 000 м, т.е. координата X на центральном меридиане равна 500 000 м.

В южном полушарии в тех же целях вводится ложного северного смещения (false northing)10 000 000 м.

Важно понимать, что вертикали километровой сетки не ориентированы точно на север (за исключением линии на центральном меридиане), угол расхождения с меридианами может составлять до 3°.

Сравнение  проекций UTM и Гаусса-Крюгера
Параметры	Проекция UTM	Проекция Гаусса-Крюгера
Ширина зоны	6°	в России 6°
Масштабный коэффициент на центральном меридиане зоны	0.9996	1.0000
Начальный меридиан	180°	0°
Ложный восточный сдвиг (False Easting)	500 000 м	500 000 м
Ложный северный сдвиг (False Northing),северное полушарие	0 м	0 м
Ложный северный сдвиг (False Northing), южное полушарие	10 000 000 м	10 000 000 м
Диапазон применения	80°S - 84°N

 

 

 

 

 Тема 7. Вывод в ГИС

Вывод результатов — конечный продукт любого анализа. Здесь мы рассмотрим как способы вывода ГИС, так и некоторые требования дизайна для создания качественного, понятного выходного продукта. Обе стороны важны, так как техника физически ограничивает наши возможности создания изображений, а пользователи имеют физические и психологические ограничения и особенности восприятия, влияющие на интерпретацию результатов.

Вопросам дизайна вывода ГИС уделено относительно мало места в литературе, хотя в области традиционной картографии — предостаточно. Именно в подсистеме вывода ГИС наиболее близка традиционной картографии. Корни ГИС уходят в картографию - обе включают в себя карты и атрибуты, обе используют географические данные, включая масштаб, проекции, координатные системы.

При разработке макета карты вам также может помочь литература по графическому дизайну, которой тоже немало.

Вывод результатов анализа может быть постоянным или временным, в зависимости от типа выходного устройства. К первой категории мы относим вывод на бумагу, пленку, компакт-диски или другие носители - все они могут хранить результат долгое время. Вторая категория – временный вывод, обычно выводит данные  на экран монитора или проекционный экран, с целью демонстрации результатов анализа или предварительного просмотра файлов при решении об использовании их в анализе или о постоянном выводе.

Вывод может быть также разделен на человеко- и машинно ориентированный. Машинно-ориентированные вывод чаще всего используется для сохранения материала на компьютерных носителях информации. Человеко-ориентированный вывод предназначен для восприятия людьми. Машинно-ориентированные формы требуют решений о структуре данных, носителе информации и совместимости с другими программами и компьютерными системами, принять которые проще, чем решения о человеко-ориентированном выводе, поскольку люди больше различаются по опыту и уровню понимания графических средств коммуникации. По этой причине мы уделим больше внимания именно человеко-ориентированному выводу.

Картографический вывод: назначение карт.

Традиционным является картографический вывод. Карты всё еще остаются наиболее компактным способом представления географической информации. Традиционно карты создавались для осуществления двух основных функций. Первая функция- это хранение информации. Создание карты - это способ зафиксировать информацию о местоположении пространственного объекта. Вторая функция состоит в том, чтобы через изображение донести пространственную информацию до пользователя.

Соответственно, различают карты двух типов. Первый - это основные справочные карты, например Административная карта Российской Федерации или карта города. Карты этого типа содержат информацию о взаимном расположении объектов. Второй тип - тематические карты, используемые для передачи информации по определенной одной или нескольким тематикам, например землепользование, уровень добычи полезного ископаемого или уровень экологической безопасности. Большинство карт на выходе ГИС относятся к тематическим картам, выделяющим структурные отношения в рамках выбранной темы. В случае ГИС слово "тема" можно заменить на "решение", так как такие карты чаще всего являются результатом решения определенной задачи или ключом к завершению процесса принятия решения.>

Существует множество карт, каждая из которых может нести как базовую, так и специализированную информацию. Если для создания карты, отвечающей каким-либо специальным требованиям, обычно требуется опытный картограф, то любой желающий может сделать хорошую базовую и информативную карту, учитывая следующие простые принципы. Эти принципы организованы в 6 разделов, и вы можете руководствоваться ими для создания и совершенствования ваших карт.

Как правило, у карты какое-либо одно назначение. Попытки соединить очень много информации в одной карте (то есть сделать многоцелевую карту) приводят к нечеткости восприятия и сбивают с толку пользователей карт. Лучше использовать несколько карт, каждая из которых выполняет определенную задачу.

Дизайн карт. 

Назначение карты принципиально для ее дизайна. При создании карты картограф должен знать ответы на некоторые фундаментальные вопросы, например: Что будет нанесено на карту? Для кого она предназначена? Как она будет представлена: как самостоятельное издание, или как часть отчета? Какие технические средства будут использованы для отображения карты?

Каждый помещаемый на карту объект должен что-то говорить на тему этой карты. На карте не должно быть ничего лишнего. Следовательно, первое правило при составлении карты гласит, что она должна быть читаема, анализируема и интерпретируема.

Размер, масштаб и средства передачи также имеют большое значение Физический размер карты, зависящий от географического экстента, показанного на карте, будет предписывать масштаб карты, и определять, каким образом будет передаваться фактический размер и количество объектов на карте. Этот вопрос является актуальным в том случае, когда масштаб входных данных и масштаб выходного изображения существенно различаются. Например, если слой дорог был создан в масштабе 1:24 000, то при нанесении его на карту с масштабом 1:2 000 000 получится, что дороги на ней будут значительно более детализированы, чем требуется. Значит, вам понадобится сократить количество объектов-дорог на вашей карте.

При уменьшении масштаба вывода, когда проблема избыточности информации не может быть решена простым удалением объектов (все объекты должны быть отображены), возможно, вам потребуется выполнить генерализацию входных данных. Генерализация – это упрощение (сглаживание) формы линейных и полигональных объектов. Генерализация может быть выполнена путем сглаживания линий и границ полигонов (в различной степени и различными методами), либо путем изменения мерности объектов. Например, узкий вытянутый полигон при уменьшении масштаба может быть представлен линией, а изометричный- точкой.

Дизайн карты может быть очень сложным, особенно при широких возможностях современных компьютерных программ. Однако логические (интеллектуальные) и графические (визуальные) цели картографического дизайна часто конфликтуют. Разрешение этих проблем почти всегда происходит путем компромисса. Например, если вы располагаете символы домов на карте, то и логика, и эстетика диктуют согласованный подход, скажем, расположение символов в точных координатах домов. Но если там же имеется линейный символ, представляющий дорогу, проходящую очень близко от этих домов, то либо символ дороги, либо символы домов должны быть смещены. При некоторых обстоятельствах вам может потребоваться смещение как символов домов, так и символа дороги в сторону от их точных положений. Выбор, показанный  на рисунке в нижней части слайда отражает важнейшее положение о том, что графические объекты не абсолютно точно указывают реальное положение физических объектов, которые они представляют. Картографам приходилось решать огромное множество подобных проблем, поэтому они создали подробный набор соглашений  и традиций, которые являются результатом проб и ошибок, а главное, — проверки среди пользователей карт. Эти результаты содержат самые эффективные методы достижения компромисса, они должны быть для вас руководством для ваших собственных картографических решений. Отклонения от установленных норм почти всегда приводят к созданию карты, менее эффективной в сообщении результатов вашего анализа, чем она могла бы быть.

Следующим фактором графического дизайна является целевая аудитория. Будете ли вы делать карту для нескольких пользователей или для большой аудитории в сотни или даже миллионы человек. Необходимо учитывать уровень подготовки аудитории к восприятию информации на вашей карте.

Многие пользователи выходных документов ГИС не имеют знаний и опыта в географии и картографии. В таких условиях карта должна восприниматься как можно легче, благодаря сохранению лишь наиболее важных объектов и названий и применению общеизвестных символов. В то же время, более опытные пользователи смогут извлечь дополнительную информацию из более плотного представления с более абстрактными символами. Значение может иметь также и возраст: например, пожилым людям и детям  труднее воспринимать мелкие символы и текст.

Фокус.

Другой аспект назначения карты, эргономическая задача имеет в виду не столько то, что отображается, сколько то, как это делается. Фокус подчеркивает то, что создатель карты считает нужным донести для пользователя в первую очередь.

Решив, что вы изобразите на карте, вам нужно также выбрать форму представления, которая сможет адекватно передать ваше сообщение. Если карта показывает опасные зоны, то ее дизайн должен недвусмысленно демонстрировать их важность: обычно холодные тона (голубой, зеленый и светло-серый) используются для фона, в то время как теплые тона (красный, желтый, черный) используются для того, чтобы акцентировать внимание на чем-либо.

Баланс карты. Компонуя карту, вам придется размещать ее элементы на ограниченной площади. Собственно карта должна быть доминирующим элементом на листе. Многие карты выглядят неинтересными вследствие того, на  них слишком много или слишком мало белого фона. Карта, которая полностью состоит из основного изображения, менее желательна, чем карта с некоторым аморфным фоном, обособляющим основное изображение. Фон поднимает также контраст и визуальную привлекательность. Карта, на которой слишком много фона, уменьшает значение основного изображения и может вызвать у зрителя подозрение о том, что она не полна.

Последним принципом графического дизайна является иерархическая организация. Все графические элементы, присутствующие на карте, должны быть организованы таким образом, чтобы подчеркнуть то, что наиболее важно. Этот принцип слабо применяется на общегеографических картах, так как их цель - дать возможность различным по интересам пользователям фокусироваться на важных для них элементах, поэтому все элементы такой карты должны иметь равное значение. А тематические карты, наиболее распространенные в среде ГИС, должны подчеркивать конкретные объекты или результаты анализа. Это может быть сделано посредством иерархической организации, или разделения элементов по уровням визуальной значимости.

Существуют три основных метода достижения иерархической организованности. Стереограммный метод требует выбора и модификации графических приемов с тем, чтобы позволить наиболее значимым элементам выглядеть расположенными выше, чем менее важные элементы. Ключами к восприятию глубины могут быть использование трехмерных объектов, различия в толщине линий, цвете, яркости или размере.

Второй метод иерархической организации называется расширительным,  он чаще всего используется для ранжирования линейных или точечных объектов. Например, главные дороги должны выглядеть более заметными, чем второстепенные. Здесь мы можем варьировать  толщину линий, их яркость или внутреннюю структуру.

Последний метод создания иерархической графической организации, называемый методом подразделительной иерархии, применяется главным образом для показа различий во внутреннем устройстве областей. Так, например, удельный вес русского населения в этническом составе Южного Федерального округа может быть подразделен на высокий, средний и низкий. Различие между расширительным методом и методом подразделительной иерархии состоит в том, что первая больше соответствует порядковой шкале измерений, а вторая –номинальной.

Процесс дизайна.

Составление карты представляет собой процесс, включающих ряд технологий, а также научный и художественный подходы, необходимые для создания географических карт. Картография развивалась и совершенствовалась задолго до появления компьютеров и ГИС и имеет устоявшиеся традиции. Например, теорию визуального разнообразия условных знаков Джека Бертина. В основе его теории лежит принцип визуального отличия одного символа от другого, что помогает в восприятии изображения. Совершенствуются также другие возможности картографии, учитывающие и человеческую психологию, и визуальное восприятие.

Первый шаг состоит в выборе типа карты, которую вы собираетесь создать, размещаемых на ней объектов и общего ее вида. Эта стадия интуитивна, результат ее - общий план вашей карты. Основные элементы карты представлены здесь на слайде:

Собственно карта – основная отображаемая область. Вы можете показать более одного изображения на области отображения в вашем документе. Например, вы можете показать динамику какого-либо процесса, демонстрируя несколько карт, например карты численности населения за разные года. Ваша карта может также содержать обзорную карту (мелкомасштабную карту, которая поможет пользователю понять, где расположена основная область интересов), карту-врезку (для передачи более детального изображения области, трудной для восприятия на основной карте) или индексную карту (как правило, показывающую последовательность карт, в ходящих в основную карту). Все это помогает донести информацию до пользователей.

Название сообщает пользователю, что представлено на карте. Как правило, вводится в компоновку карты как текст.

Легенда – список условных знаков, использованных на карте с описанием того, что они изображают. Создается или редактируется с использованием Мастера легенды в компоновке

Масштаб можно отобразить числом (1:10 000), графическим элементом (масштабная линейка), или описанием (в одном сантиметре один километр).

Проекция. На карте обязательно должна быть информация о проекции.

Направление  обычно отображается Стрелкой севера. На карте может показываться географический полюс или магнитный полюс. Этот элемент помещается в компоновку карты.

Источник данных – библиографический список источников, использованных при создании карты.

Можно включить также множество других компонентов - даты, рисунки, координатные и градусные сетки, отчеты, таблицы, дополнительный текст, рамки и фамилии авторов.

При создании карты вы должны варьировать вид графических примитивов, представляющих точечные, линейные и площадные объекты, чтобы эти объекты были различимы.

Основные параметры, которые могут изменяться, это форма, размер, ориентация и цвет. Кроме этого, для заполнения площадных объектов могут использоваться штриховки, которые характеризуются организацией — регулярной или случайной, частотой следования элементов, позволяющей делать их светлее или темнее, и ориентацией этих элементов.

Все эти параметры могут изменяться для улучшения графического представления объектов и их групп. Поскольку карты воспринимаются как единое целое (в отличие текста, воспринимаемого последовательно, слово за словом), необходимо также уделять внимание таким характеристикам дизайна, как разборчивость, визуальный контраст, отношение основного изображения и фона  и иерархическая структура.

Графические символы должны быть прежде всего разборчивыми: отдельные линии - разделимыми, цвета - различимыми, формы - узнаваемыми. Классическим примером являются фигуры, используемые на дорожных знаках, - они позволяют передать сообщение без использования текста. Размеры символов должны учитывать расстояние, с которого карта рассматривается и которое может меняться от десятков сантиметров при индивидуальной работе до нескольких метров при демонстрации в коллективе. При этом нужно помнить и о физических ограничениях оборудования и человеческого глаза.

Заключительная стадия процесса дизайна состоит в точной настройке того, что было сделано на предыдущей стадии. Здесь в общий план карты могут вноситься только небольшие изменения. Прежде чем публиковать карту, всегда имеет смысл дать кому-нибудь проверить ее, особенно грамматику и общий вид.

Главное - создание прототипа на экране монитора перед выводом на печать, так как принтеры и плоттеры намного медленнее экрана монитора. При этом следует учитывать возможные различия изображений на экране монитора и на бумаге, обусловленные использованием специальных языков управления периферийными устройствами. При выводе текста нередко получается так, что шрифты в компьютере и в принтере немного различаются, что приводит к наложению или сдвигу надписей, чего не наблюдалось на экране, или замене некоторых символов (особенно символов национального алфавита и специальных), коды которых различаются в компьютере и принтере. Эта проблема радикально решается установкой в драйвере периферийного устройства (например, принтера) флажка требования выводить всё, включая текст, в виде графики. При этом, возможно, некоторое замедление вывода, зато соответствие всегда будет полным.

Другая часто встречающаяся проблема – несоответствие цветов: заметно различающиеся на экране компьютера цвета могут оказаться практически одинаковыми на бумаге. Здесь можно порекомендовать вывести уменьшенную копию карты или ее часть, чтобы оценить соответствие и, если нужно, внести коррективы перед печатью всей карты. Более надежный путь - калибровка оборудования с использованием специальных калибровочных программ (обычно используемых в издательском деле) для достижения максимального соответствия изображений на экране и бумаге. После калибровки учет всех, различий и их корректировка производятся программой автоматически в процессе вывода.

Нетрадиционный картографический вывод.

Традиционно, тематические карты создаются главным образом в их ортографической форме, когда зритель как бы смотрит на землю сверху. Такие карты рассчитаны на близкое к реальности воспроизведение форм и соотношений. Но существуют и другие картографические формы, имеющиеся во многих ГИС. Хотя такие карты малоценны с точки зрения анализа, они очень эффективны в представлении результатов анализа, особенно представляемых в виде поверхностей. Поскольку современные программы позволяют визуально накладывать на эти трехмерные поверхности данные других покрытий, пользователь легко может идентифицировать связи между топографией и другими факторами.

Сегодня некоторые системы позволяют наблюдать карты этого и других типов не только статически, но и с эффектами анимации. Для двухмерных карт анимация позволяет наблюдать динамические системы так, как они действуют в реальном мире, или демонстрировать процессы, которые не воспринимались бы из-за их слишком медленного развития в реальности. При этом движение может быть замедлено, ускорено, приостановлено или обращено, что дает возможность лучшего понимания этих явлений. Сейчас существуют и системы с трехмерной анимацией, создающие впечатления пролета над местностью. Не следует преуменьшать мощь этих приемов, ибо зрение человека гораздо лучше замечает движущиеся объекты, чем неподвижные, что, безусловно, помогает выявлению взаимодействий объектов и их распределений.

В последние годы  популярными стали изображения и анимации на глобусе, дающие полное и наглядное представление процессов и явлений планетарного масштаба или для того, чтобы показать, как выглядят объекты интереса на глобусе в разных масштабах.

Наконец, аналитик должен рассмотреть набор нетрадиционных картографических форм, которые несколько недооцениваются сообществом пользователей. Они называются картограммами и имеют внешний вид карт, но расположение объектов на них соответствует не  реальному положению в пространстве, а значению некоторого показателя. Картограммы можно встретить повсюду, что говорит об их полезности.

Например, в автобусах и поездах, метро можно встретить схемы маршрутов. На них остановочные пункты располагаются на прямой линии,  причем расстояние между ними также обычно не соответствует реальному. Эти условности упрощают карту до уровня схемы, оставляя только наиболее важные пространственные характеристики - состав и последовательность остановок и возможности пересадок. В дорожных атласах можно встретить линейные маршрутные картограммы, на которых показаны еще и расстояния между населенными пунктами и примерное время в пути.

Картограммы изменяют географическое пространство, преобразуя его в легко понимаемые модели реальности. Среди наиболее используемых видов картограмм находятся площадные картограммы, которые варьируют размер каждой нанесенной на карту области в зависимости от некоторого параметра этой области.

В самом начале 20 века немецкий картограф Вихель поразил воображение соотечественников необычными картами, которые он сам называл «картограммами». Это были карты результатов голосования в рейхстаг. А необычность заключалась в том, что площади административных единиц (земель) были пропорциональны количеству голосов, поданных, «за» ту или иную политическую фракцию.

Автор метода объяснял свою методику примерно так: предположим, что административные единицы выполнены из пластичного материала, толщина которого пропорциональна показателям картографирования. Если по такой «карте» пройтись катком, чтобы толщина слоя стала бы равна среднему показателю, то толстые районы расширились бы, а за счет сжатия соседей, тонкие уменьшились по площади и стали толще, достигнув также средней величины. Таким образом, общая площадь картографируемой территории осталась бы прежней, а внутренние границы причудливым образом перераспределились бы за счет неоднородности картографируемого показателя.

Позднее появился термин «анаморфоза». В.Даль давал такое толкование слову: «Безобразная, но правильно искаженная картина, принимающая свой вид в граненом или гнутом зеркале».

Пример интерактивного вывода: ГИС в службах спасения

Несмотря на преобладание карт и их производных  среди выходных документов ГИС, некоторые данные лучше представляются в иных формах, когда карта не создается вовсе, или как дополнение к карте (когда, например, карта не может быть непосредственно воспринята целевой аудиторией).

Возможно, классическим примером замены картографического вывода альтернативной формой является использование ГИС в службе спасения. Если вызов требует тушения пожара, то ГИС позволяет одновременно с принятием вызова оператором определить ближайшую к указанному адресу пожарную часть и направить в нее электронный сигнал тревоги. То есть, в данном случае выводом ГИС будет не карта, а электронный сигнал. Кроме того, та же ГИС может определить кратчайший маршрут для пожарной машины и нанести его на карту, а саму карту дополнить маршрутным листом, в котором перечислены улицы, перекрестки и иные отметки, позволяющие пройти маршрут без помощи карты. Хотя эксплуатируемые сегодня системы не так интеллектуальны, технические возможности вполне позволяют реализовать описанный сценарий, в котором альтернативный вывод может как дополнять карту, так и заменять ее.

Примеры некартографического вывода.

Существуют многие альтернативные виды вывода из ГИС, но более других распространены таблицы, текстовые отчеты, графики и диаграммы, которые, помимо прочего, не требуют для вывода дорогостоящего оборудования.

Построение текстовых отчетов с развитой графикой благодаря компьютеру стало почти что тривиальной задачей. Многие современные программы используют специальное программное обеспечение, именуемое генератором отчетов. Генераторы отчетов помогают максимально автоматизировать составление и печать отчетов на основе атрибутивной информации, а также дать им должную наглядность.

Многие современные  ГИС интенсивно развивают свое программное обеспечение в области 3-х ме

 

1. Клиническая фармакология в медицине. Цель, задачи, значение для практики
2. История мировых войн XX века- аналитический обзор электронных ресурсов
3. Реферат- Определение затрат на качество
4. Тема5 Подготовка к сессии
5. Тільки навчилася писати згадує письменниця так і почала псувати безліч паперу повістями і казками.
6. КУРСОВИЙ ПРОЕКТ З ДИСЦИПЛІНИ ldquo;Основи комп~ютерного матеріалознавстваrdquo; Вико
7. Варіації факторів виробництва та оптимум товаровиробника
8. Варіант. Програмнотехнічною експертизою було встановлено що на відновлення файлів інформації в яких було з
9. Варіант 3 Хто з Київських князів уклав писаний збірник законів Руська правда
10. Здоровье населения и методы его изучения
11. Вариант 12 1 Кейнсианская теория ~ это теоретическое обоснование- а свободной конкуренции б рыночной эк
12. S M12291 841502568парламентS Российской Федерации является представительным и M12291 841500615законодательным органом.
13. Информация Делопроизводство ~ это деятельность охватывающая вопросы документирования и организации р
14. ~ателігі мол ~аза~ тілін ~йренуге ж~не оны~ дамуына зор кедергі; Екіншіден латыншаны~ ~азіргі б~~аралы~
15.  великий лікар і вчений педагог і суспільний діяч; один з основоположників хірургічної анатомії й анатомо
16. Лабораторна робота 5 ДОСЛІДЖЕННЯ ЦИФРОАНАЛОГОВОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА ІЗ ДВІЙКОВОЗВАЖЕНИМИ ОПОРАМИ М
17. Доклад утверждает что совокупное состояние трех самых богатых семей в мире больше чем годовой доход 600 милли.html
18. Реферат Депривация детского возраста
19. партнера нарахування амортизації погашення овердрафту отримання страхової премії сплата дивідендів акці
20. Методические рекомендации для студентов стоматологического факультета и преподавателей Под редакцией

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе