Пространственная информация и ее представление в ГИС

1.

Тема:
Пространственная
информация
и ее представление в
ГИС
1 /56

2.

ГИС
(Географическая Информационная Система) это система сбора, хранения, анализа и отображения
пространственных данных
Составные части ГИС:
аппаратные средства (компьютеры,
принтеры…);
программное обеспечение (набор функций
и инструментов, необходимых для ввода,
хранения, анализа и визуализации
пространственной информации;
графический пользовательский интерфейс);
методы (алгоритмы, оценки, используемые
специалистами, работающими с ГИС);
люди (пользователи ГИС, создатели карт и
БД, разработчики ГИС);.
данные.
Люди
Программное
обеспечение
Аппаратные
средства
Данные
Методы
2 /56

3.

Фундаментальные понятия
ГИС:
Пространственный
объект
это
цифровая модель (цифровое представление) объекта
реальности, содержащее его местоположение и
набор характеристик (атрибутов).
Пространственные данные - цифровые
данные о пространственных объектах, включающие
сведения об их местоположении и свойствах.
3 /56

4.

Информационное обеспечение ГИС
Пространственные данные могут содержаться в ГИС в
виде:
цифровых карт;
данных дистанционного зондирования;
табличных данных;
координатных данных, получаемых с помощью GPS.
Источники пространственных данных в ГИС:
картографические источники;
данные дистанционного зондирования;
данные наблюдений;
социально-экономические данные;
метаданные – данные о данных (информация о проекции, уровне
генерализации, времени создания карты, пояснения к атрибутивной
информации в БД)
4 /56

5.

Базовые типы пространственных
объектов в ГИС:
Точка - точечный объект на карте, который слишком мал,
чтобы показывать его линией или областью (0-мерный
объект).
Линия - линейный объект на карте, который имеет длину,
но слишком узок, чтобы показывать его полигоном (1мерный объект).
Полигон - площадной объект на карте, имеющий длину и
ширину (2-мерный объект).
Поверхность - 3-мерный объект,
определяемый
координатами X, Y и Z-значением (например, рельеф)
Пиксел (ячейка) - наименьший элемент изображения.
Имеет прямоугольную форму. Размер пиксела определяет
пространственное разрешение изображения.
5 /56

6. Две составляющие пространственных данных

Пространственные данные состоят из позиционной
непозиционной (атрибутивной) составляющих:
и
• позиционная описывает пространственное положение
данных
(местоположение, форму объектов, возможно
пространственные взаимоотношения с другими объектами);
• атрибутивная содержит тематические данные.
Связь между позиционной и непозиционной частью
осуществляется посредством идентификатора - уникального
номера, приписываемого пространственному объекту слоя (для
векторных данных).
Объекты на карте можно отобразить, символизируя их согласно
атрибутивной информации.
6 /56

7.

Послойное представление
пространственных данных в ГИС
Карта в ГИС - набор слоев информации (гидрография, дороги...).
Слой - совокупность однотипных
(одной мерности)
пространственных объектов, относящихся к одной теме, в пределах
некоторой территории и в системе координат, общих для набора слоев.
На каждом слое может быть
представлена только одна
характеристика
пространственных объектов.
Различают точечные, линейные и полигональные слои, а также слои с
поверхностями. В процессе решения поставленных задач слои
анализируют по отдельности или совместно, выполняют их наложение.
7 /56

8. Базовая карта (географическая основа)

служит для привязки данных,
нанесения тематического
содержания, совмещения слоев
в ГИС.
Базовая карта - карта
землепользования
В качестве базовых могут
быть:
- карты административнотерриториального деления;
- топографические карты;
- карты землепользования;
- ландшафтные карты и др.
Типы землепользования:
населенный пункт
пашня
пастбище
сенокос
сад
лес
залежь
прочее
Поверх.загряз.Cs137(Ки/кв.км) (1999)
0-1
1-5
5 - 15
15 - 40
>40
8 /56

9.

Цифровые модели в ГИС
Цифровая модель данных (цифровое представление
данных) - способ организации пространственных данных
в компьютерных средах.
Преимущества цифрового представления
пространственных данных:
легко копировать,
передаются с большой скоростью,
меньше подвержены физическому износу,
легко трансформировать, обрабатывать, анализировать,
можно делать то, что невозможно с бумажными картами:
быстро и точно измерять, комбинировать, масштабировать,
панорамировать.
9 /56

10.

Основные цифровые
модели :
Векторная модель
Векторная (набор отдельных
объектов в векторном формате);
Растровая (сетка ячеек);
TIN (триангуляционная модель) набор точек триангуляции,
моделирующих поверхность.
Растровая модель
TIN
Ни одна модель не является совершенной, универсальной, т.е. годной
для решения любых задач!
10 /56

11.

Цифровые модели данных
Векторная модель данных
-
цифровое представление
точечных, линейных и полигональных пространственных
объектов в виде набора координатных пар.
Типы векторных объектов:
• Точка - задается одной парой координат (X, Y).
• Линия - задается последовательностью пар координат,
• Полигон - задается замкнутой линией, являющейся его границей, (т.е. полигон
определяется замкнутым набором пар координат, в котором первая и последняя
пары должны совпадать).
11 /56

12.

Векторная модель данных
Векторные объекты имеют точную форму, положение и атрибуты.
Векторная модель лучше всего подходит для описания дискретных
объектов с четко выраженными формами и границами:
естественные образования (реки, растительность);
искуccтвенные сооружения (дороги, трубопроводы, здания);
элементы разбиения земной поверхности (округа, земельные
участки, политические образования).
12 /56

13.

Векторная модель данных
ПРОФИЛЬ
Высота
В ряде случаев непрерывно
изменяющиеся явления (высота,
температура, атмосферное давление), не
имеющие реальных четких границ, также
представляются в виде дискретных
векторных объектов посредством:
• ТОЧЕК - задание точечных
значений, измеренных в некоторых
характерных пунктах (метеостанции,
посты, высотные отметки);
• ЛИНИЙ - создание профилей
сечения поверхности; построение
изолиний (например горизонталей
для отображения рельефа).
• ПОЛИГОНОВ - разделение
площади на зоны, внутри которых
значение считается величиной
постоянной;
Расстояние
13 /56

14.

Векторная модель данных
Источники данных для векторных моделей:
• Дешифрование снимков
• GPS-измерения
• Оцифровка бумажных карт
• Векторизация растровых данных
• Изолинии из TIN, растра
Точность размещения объекта в векторной модели
ограничена неопределенностью его положения на исходной
бумажной карте: линии на карте имеют толщину 0.1 мм,
что в масштабе, например, 1:200 000 соответствует 20 м на
местности - предельная точность данного масштаба.
14 /56

15.

Векторная модель данных
Виды пространственного анализа в векторных моделях:
• Запрос объектов на карте
Наложение полигонов
• Создание буферов
• Слияние и наложение (оверлей)
полигонов
Слияние полигонов
• Анализ окрестности (определение
близости и примыкания объектов)
• Определение оптимального места для
размещения (например, предприятия)
• Сетевой анализ
(исследование потоков в сети)
15 /56

16.

Векторная модель данных
Две разновидности векторной модели
• векторно-нетопологические - в них позиционная
составляющая объектов содержит описание только их
геометрии (например, шейп-файлы ArcView);
• векторно-топологические - описывают не только
геометрию объектов, но и топологические отношения
между полигонами, дугами и узлами (например, покрытия
ГИС ARC/INFO).
Топология
-
математическая
процедура
для
определения пространственных отношений между объектами.
Создание топологии в ГИС включает определение и
кодирование взаимосвязей между узлами, линиями и
полигонами.
16 /56

17.

Элементы векторно-топологической модели данных
4
Полигон
вершины
5
1
Дуга
2
3
Узел
• Точка - точечный объект, определяемый парой координат X,Y.
• Дуга - линейный объект, определяемый набором пар координат.
• Полигон - 2-мерный (площадной) объект, образованный замкнутой
последовательностью дуг.
• Вершины - промежуточные точки вдоль дуги, определяющие ее форму.
• Узел - начальная или конечная точки дуги.
• Нормальный узел - узел, принадлежащий трем и
более дугам;
• Висячий узел – узел дуги, которая не соединяется ни с какой другой
дугой.
• Псевдоузел - узел, принадлежащий только
двум дугам или одной замкнутой дуге.
17 /56

18.

Элементы векторно-топологической модели данных
• Внутренний полигон (остров) - полигон,
находящийся внутри другого полигона.
• Составной полигон содержит внутренние полигоны.
• Простой полигон - не содержит внутренних
полигонов.
• Универсальный полигон -внешняя область;
полигон, внешний по отношению ко всем другим
полигонам слоя.
В ГИС топология определяет следующие
отношения:
связность дуг;
полигоны как наборы дуг;
смежные полигоны.
18 /56

19. Определение и кодирование топологических отношений в ГИС:

1. Связность дуг:
• Дуги должны соединяться друг с
другом в узлах.
• Все дуги и узлы
пронумерованы.
• Помимо координат, в файлах
хранятся номера начального и
конечного узлов каждой дуги.
• Отслеживая в таблице все дуги ,
имеющие один и тот же узел,
система устанавливает, какие
дуги соединяются друг с
другом.
19 /56

20. Определение топологических отношений в ГИС:

2.Создание полигонов из дуг,
соединении замкнутую область:
образующих
при
• все полигоны пронумерованы;
• для каждого полигона хранится список дуг, из которых он составлен, а
НЕ замкнутый набор пар координат (как в векторно-нетопологической
модели).
Преимущества:
координаты
дуги
записываются только
1 раз, даже если она
появляется в списке
дуг более чем для
одного полигона.
Это сокращает объем
данных
и
обеспечивает
совпадение
границ
соседних полигонов.
20 /56

21.

Определение топологических отношений в ГИС:
3. Смежность полигонов:
• Дуги имеют
направление
(т.к.
имеют
начальный и
конечный
узел).
• Система
поддерживает
список
полигонов
слева
и
справа
от
дуги.
• Полигоны
с
общей дугой смежные.
21 /56

22. Определение пространственных отношений между дугами, узлами и полигонами в векторно-топологической модели

1. Все узлы, дуги и полигоны
пронумерованы (идентифицированы)
2. Для каждой дуги хранятся данные о ее начальном и
конечном узлах и полигонах слева-справа от нее, по
которым система определяет связные дуги и смежные
полигоны
Смежные
полигоны
Связные
дуги
3. Для каждого полигона хранятся данные о дугах,
его образующих, и их направлении
список и направление
дуг
Полигоны обходятся
по часовой стрелке
22 /56

23.

Векторно-топологическая модель
Преимущества создания и
хранения топологии в ГИС
меньше объем данных за счет
сокращения избыточных
координат;
можно выполнять различные виды
пространственного анализа:
3
4
1
2
моделирование потоков в сети
через соединяющиеся линии;
3
слияние соседних полигонов с
одинаковыми
характеристиками;
4
1
2
1
2
наложение объектов.
23 /56

24.

ГИС ArcGIS
( разработана Институтом Исследований Систем Окружающей Среды Environmental Systems Research Institute, ESRI)
поддерживает векторно-топологическую
модель данных;
формат векторно-топологических данных в
ArcGIS - покрытие (coverage) ArcInfo.
Карта
3 5
1
2
8
9
12
7
6
11
10
13
14
идентификатор
ID
Табличные данные
ID
1
2
3
4
5
6
7
Типы
почв
Коды
районов
Геол.
зоны
В покрытии
• каждое местоположение описывается набором Х,У
координат;
• атрибуты хранятся в отдельной таблице (по
одной записи для каждого объекта в покрытии);
• каждому объекту присваивается уникальный
идентификатор, который хранится в двух местах:
в файле, содержащем
координаты, и в
атрибутивной таблице; через него поддерживается
связь между пространственными объектами и
записями в атрибутивной таблице;
• пространственные взаимосвязи между объектами
устанавливаются с помощью дуг и узлов, которые
24 /56
имеют свои внутренние идентификаторы.

25.

Цифровые модели данных
Растровая модель данных
цифровое
представление пространственных объектов в виде двухмерного
массива (матрицы) ячеек растра с присвоенными им
значениями.
012
столбцы
x
строки
Структура растра:
0
• охватывает прямоугольную область.
1
2
• все ячейки (пикселы) одинаковые.
• координаты ячейки (x,y) - это номер
столбца (слева направо) и номер строки
(сверху вниз). Нумерация строк и
столбов начинается с 0.
• пространственный
экстент
(охват)
растра определяется
географическими
координатами y
верхнего левого угла сетки;
размерами ячейки;
количеством строк и столбцов.
-
25 /56

26.

Растровая модель применяется, когда интересует каждая точка
пространства с ее характеристиками, а не отдельные объекты.
Оптимальна для работы с явлениями, которые не имеют четко
выраженных
границ
с
непрерывными
данными,
непрерывными поверхностями («полями»: рельеф, температура,
осадки, вегетация, концентрация загрязняющих веществ).
Векторный вид
Растровый вид
Водоем и дорога
на космоснимке
в векторном представлении
в растровом представлении
26 /56

27.

Точность размещения пространственных объектов в растровой модели
ограничена размером ячейки, что определяет пространственное
разрешение растра - размер наименьшего из различаемых объектов на
местности (например, 20x20 м).
Внутри ячейки все детали о каких-либо изменениях теряются и ячейке
присваивается единственное значение.
Растровые данные
• либо моделируют пространственно непрерывные явления,
• либо хранят изображения.
Непрерывное явление (рельеф)
Изображение (космоснимок)
27 /56

28.

Источники растровых данных
Растр можно получить с помощью систем сбора изображений
или посредством вычислений по другим данным:
Космические
снимки
Сканированные
карты
Конвертированные данные
(преобразованные из других
данных, например, векторных –
растеризация)
Аэрофотоснимки
Фотографии
Вычисленные
данные
28 /56

29.

Растровая модель данных
Использование
растровых данных:
как фон для отображения
карты,
как источник для
дешифрования объектов и
получения тематических
данных,
для представления
непрерывных поверхностей,
для анализа
пространственных
процессов (гидрологический
анализ, анализ рельефа
местности)
Рельеф
Водоразделы
29 /56

30.

Две категории
растровых данных:
• изображения (снимки);
• тематические непрерывные данные.
Изображения - получают с
помощью систем сбора
изображений, которые
регистрируют отраженный свет в
одной или нескольких зонах
электромагнитного спектра и
кодируют его значениями от 0 до
255. Соответственно получаются
одноканальные и многоканальные
изображения.
30 /56

31.

Две категории растровых данных
Способы отображения одноканальных растров
1. бинарное каждая ячейка
имеет значение
0 или 1;
3. цветное индексированное (псевдоцветное,
максимум 256 цветов).
Для задания цвета ячеек используется таблица
цветов: значениям ячеек от 0 до 255
сопоставляются тройки значений красного,
зеленого и синего цвета, комбинация которых
определяет итоговый цвет каждой ячейки.
(v-)
2. полутоновое значения ячеек (от 0 до
255) преобразуются в
оттенки серого;
Файл с таблицей цветов
31 /56

32.

Две категории растровых данных
Многоканальные растры
Канал 1 (красный)
Канал 2 (зеленый)
Канал 3 (синий)
Красный
Зеленый
Синий
(v-)
Видимые
участки
(0.4-0.8 мкм)
спектра
электромагнитных волн
• Используются
для
хранения
космоснимков и фотографий.
• Каждый канал - это зафиксированный
сенсором
определенный
участок
спектра электромагнитных волн.
• В обычных цветных снимках каналы
соответствуют красному, зеленому и
синему участкам спектра. Значения
ячеек для каждого канала лежат в
пределах от 0 до 255, их комбинация
образует более 16 млн. цветов (2563).
• Для обнаружения нефти, газа, горячих
источников к красному, зеленому,
синему
каналам
добавляется
инфракрасный.
32 /56

33.

Две категории растровых данных
Тематические непрерывные растровые
данные - значением каждой ячейки в таком растре является
Рельеф
измеренная (либо вычисленная) величина или категория:
• измеренная величина
(высота, концентрация загрязнения)
- число с плавающей точкой,
меняется постепенно, все вместе
значения моделируют некоторую
поверхность;
• категория, класс
(тип землепользования,
растительности) - целое число, при
переходе от одной ячейки к другой
постоянно или меняется скачком.
Данные этого типа образуют
сплошные области с общим
значением ячеек.
Рельеф
Типы почв
33 /56

34.

Способы отображения поверхностей
а) карта рельефа, показанная отмывкой
(тенями имитируется освещенность в
зависимости от положения солнца и
локального уклона)
б) карта высот, показанная
цветовыми оттенками
в) карта высот,
показанная
цветовыми оттенками
+
отмывка рельефа
г) карта уклона рельефа,
показанная цветовыми оттенками.
34 /56

35.

Растровый анализ в ГИС:
• Пространственные преобразования - растр можно
перемещать, растягивать, поворачивать, чтобы
подстроить его к истинному местоположению или
перепроецировать в другую систему координат,
используя полиномиальные преобразования.
• Анализ близости - нахождение объектов,
ближайших к объектам другого слоя.
Высота
Уклон
Отмывка
низкое
сопротивление
высокое
сопротивление
5 день
4 день
3 день
2 день
1 день
• Анализ расстояния - нахождение объектов в
пределах определенных расстояний от других
объектов.
• Анализ поверхности - нахождение характеристик
непрерывных поверхностей: высоты, уклона,
направления уклона (экспозиции), отмывки.
• Поиск маршрута наименьшей «стоимости»
(базируется на оценке перемещения от одной ячейки
к другой в «стоимостных» единицах: времени,
материальных затратах, предпочтительности).
• Анализ
распространения
моделирование
динамики явлений (распространение пожара,
прогнозирование движения нефтяного пятна).
35 /56

36.

Растровый анализ в ГИС
Анализ пригодности
– это наложение растров с разными
характеристиками для моделирования пригодности местности к некоторому
виду освоения по комплексу показателей.
Примеры использования: определение наиболее подходящего места для выращивания
сельскохозкультуры, бурения нефтяной скважины, строительства детского садика,
магазина и т.д.
Наложение (сложение) растров
Каждая ячейка растра представляет определенное
местоположение и имеет определенное значение.
При анализе пригодности ячейки для разных
растровых слоев накладываются друг на друга,
описывая каждое местоположение (ячейку)
=
+
Землепользование
+
Водные
объекты
= Среда
обитания
различными атрибутами.
Для решения задачи пригодности создается модель пригодности. Для этого
значения ячеек накладываемых растров сначала оцениваются по их степени пригодности:
им присваиваются значения пригодности (например по 10-балльной системе).
Затем
растры с присвоенными им значениями пригодности комбинируются
(складываются) для создания комплексной карты пригодности для каждого
местоположения, учитывающей все переменные величины.
36 /56

37.

Географическая привязка растра
Растр представляет собой строки и столбцы ячеек. Чтобы использовать его
вместе с другими данными, растр должен находиться в той же системе
координат, что и эти данные.
Географическая привязка (трансформация) растра - это установление
соотношения между системой координат растра (номера строк и столбцов
ячеек) и системой координат реального мира (Х, У).
Выполнение географической привязки растра:
• задается необходимое количество опорных точек, координаты которых
известны в обеих системах координат (например, хорошо опознаваемые
места - перекрёстки, мосты и т.п.): сначала устанавливается положение
точек на карте, а затем вводятся их новые координаты;
• по координатам (старым и новым) заданных опорных точек
рассчитывается
полиномиальное
преобразование,
определяющее
масштабирование, поворот и сдвиг между двумя системами координат.
Информация о привязке сохраняется или внутри растровых форматов (GeoTiff),
или в отдельных файлах привязки, благодаря чему растр может
преобразовываться и отображаться вместе с другими данными.
37 /56

38.

Географическая привязка растра
Аффинное (линейное) преобразование –
6 параметров определяют преобразование номеров строк и столбцов растра в
координаты карты:
х' = Ах + By + С
у' = Dx + Еу + F,
где:
x, у
х', у'
А
Е
- номер столбца и номер строки,
Растр
- координаты в единицах карты,
Пространство карты
- ширина ячейки в единицах карты,
- отрицательная высота ячейки в единицах карты
(знак "-", т.к. номер строки увеличивается по направлению вниз, а
значение координаты Y карты - по направлению вверх),
(A, E - коэффициенты, определяющие масштабирование растра)
В, D - коэффициенты вращения (задают поворот растра),
С, F - координаты карты х'0,у'0 для центра левой верхней ячейки
(определяют сдвиг растра).
Для расчета аффинного преобразования требуется не менее 3 опорных точек.
38 /56

39.

Географическая привязка растра
Опорные
точки
Заданные
положения
Рассчитанные
положения
Отклонение
Для каждого преобразования вычисляется среднеквадратическая
ошибка, измеряющая отклонение между рассчитанными и заданными
положениями опорных точек в новой системе координат.
Высокая ошибка говорит о том, что растр трансформирован
некорректно!
Среднеквадратическая ошибка =
39 /56

40.

Примеры файлов, хранящих информацию о географической привязке
растра отдельно от самого растра:
• world-файлы (мировые файлы) для форматов JPEG, ВМР, TIF
• файлы заголовков для других форматов.
Файл заголовка с
блоком информации
о географической
привязке:
A
B
D
E
C
F
• количество строк,
столбцов растра,
Мировой (world) файл привязки со
значениями параметров, задающими
пространственное преобразование
растра:
A
B
• масштабирование (A,E),
D
• вращение (B,D) и
E
C
• сдвиг (C,F)
• координаты левого
верхнего угла растра,
• размер ячейки,
F
Имеет то же имя, что и растр, а его
расширение состоит из 1-й и
последней буквы расширения растра
+ “w” на конце. Например, растру в
формате JPEG соответствует мировой
файл с расширением JGW.
(v-)
40 /56

41.

TIN
(нерегулярная триангуляционная сеть/
Triangulated Irregular Network) способ
моделирования
непрерывных
поверхностей точками и значениями в этих
точках, выбранными с переменной плотностью.
TIN-модель, как и растровая, предназначена для моделирования
непрерывных поверхностей, но с более неоднородным характером
изменений.
Источники данных TIN:
дешифрование снимков
GPS-измерения;
импорт точек с высотами;
преобразование из
векторных изолиний.
41 /56

42.

Свойства TIN,
вытекающие из названия:
• “нерегулярная” - точки берутся с
переменной плотностью для более
детального моделирования участков, где
характер поверхности резко меняется.
• “триангуляционная” - по набору точек
строится оптимизированный набор
треугольников, каждый из которых дает
хорошее представление о локальной
части поверхности.
• “сеть”
TIN
имеет
сетевую
топологическую структуру: каждый
треугольник содержит информацию о
соседних треугольниках, образуя, таким
образом, сеть.
42 /56

43. Элементы TIN

TIN создают по точкам, линиям и
полигонам, которые в TIN-моделях
называются массовыми точками,
линиями перегиба и областями
исключения.
Береговая
линия
Ручей
Озеро
Точки высоты
Остров
• Массовые точки - это точки с координатами Х, У, Z, плотность которых
меняется в зависимости от степени изменения поверхности (плоская
равнина - малая плотность, гористый рельеф - высокая плотность точек).
• Линии перегиба очерчивают резкие неоднородности рельефа (гребни,
дороги, реки).
• Области исключения представляют строго
горизонтальные участки (водные
поверхности или искусственно
выровненные участки).
• Граница проекта также задается
полигоном, отсекающим ненужные части
триангуляции.
Граница проекта
Область
исключения
Линия
перегиба
Массовая
точка
43 /56

44. Создание TIN

Элементы TIN добавляются последовательно,
чтобы развить и усовершенствовать модель
поверхности.
Этапы создания TIN:
Получить набор точек с координатами
Х,У,Z, определить линии перегиба и области
исключения.
По точкам ГИС создает оптимальную сеть
треугольников, называемую триангуляцией
Делоне - формируется начальная TIN,
отражающая общую форму поверхности.
Массовые точки
Линия перегиба
Полигон
Вводятся линии перегиба. В результате создаются новые точки (узлы)
там, где эти линии пересекаются с первоначальными треугольниками. TIN
обновляется, чтобы включить эти новые узлы в сеть.
Вводятся полигоны. Создаются новые узлы. TIN снова уточняется, чтобы
моделировать области постоянных значений и границы триангуляции.
44 /56

45. Моделирование поверхности острова в TIN

Озеро
моделируется
областью
исключения с
постоянной
высотой
Пологий
участок
требует мало
массовых
точек
Крутой
участок
требует много
массовых
точек
Береговая
линия острова
моделируется
полигоном,
определяющим
внешние ребра
набора граней.
Водный поток
моделируется
линией перегиба
45 /56

46.

TIN
Триангуляция Делоне (названа в честь российского математика Б.Н.Делоне)
- треугольная полигональная сеть, образуемая на множестве точечных
объектов путем их соединения непересекающимися отрезками.
Принцип триангуляции Делоне - треугольники по точкам строятся так,
чтобы любая окружность, проведенная через три узла в треугольнике,
не включала никакого другого узла.
(При этом создаются треугольники наиболее похожие на равносторонние,
которые наилучшим образом моделируют локальную часть поверхности).
Пример: в случае с четырьмя точками возможны две триангуляции.
Какая из них справедлива?
Эта триангуляция
удовлетворяет
испытанию Делоне!
Эта триангуляция
не удовлетворяет
испытанию Делоне.
46 /56

47.

в TIN:
• треугольники - это грани, линии граней ребра, точки – узлы;
Узел
Грань Ребро
• все грани точно смыкаются с соседними в
каждом узле и вдоль каждой грани;
• структура данных топологическая: для
каждой грани хранится список ее узлов и
список соседних с ней граней.
Треугольник
Список
узлов
Соседи
47 /56

48.

Растровая модель
Построение TIN-модели из горизонталей,
рассчитанных по растровой модели
рельефа
Горизонтали
TIN-модель рельефа
48 /56

49. Визуализация граней TIN

TIN можно отобразить
• цветами, показывающими высоту, уклон или экспозицию
(направление уклонов) граней;
• с помощью отмывки рельефа (затемнения граней,
имитирующих их освещенность, для создания реалистического
изображения).
Высота, переданная
цветовой шкалой
Отмывка рельефа
(солнце на северо-западе)
Уклон, переданный
цветовой шкалой +
отмывка рельефа
49 /56

50. Анализ в TIN-модели

Вычисление высоты, уклона и экспозиции для любой точки поверхности
(для вычисления высоты любой точки поверхности сначала находится
содержащая эту точку грань, а затем интерполируется значение высоты
в ее пределах – через уравнение плоскости, заданной вершинами
треугольника).
Построение изолиний по сети триангуляции.
Определение диапазона высот поверхности.
Вычисление статистики по поверхности (объем относительно опорной
плоскости, средний уклон, площадь и периметр).
профиля поверхности
вдоль указанной линии.
Анализ видимости -
определение участков
поверхности, видимых из
заданной точки вдоль
указанной линии.
Высота
Показ вертикального
ПРОФИЛЬ
Расстояние
Зеленый - видимый
участок линии из
заданной точки,
50 /56
красный - нет

51. Факторы, влияющие на выбор цифровой модели:

Ни одна модель не является универсальной, т.е. годной
для решения любой задачи.
Факторы, влияющие на выбор цифровой
модели:
Что моделируется?
если отдельные (дискретные) объекты с четкими формами необходима векторная модель;
если непрерывные явления - растровая или TIN.
Какая требуется точность пространственного размещения
объектов?
высокая точность возможна в векторной модели;
в растровых данных точность положения ограничена размерами
ячейки;
в TIN моделях хорошо определены только положения массовых
точек, линий перегиба и областей исключения.
В растровых и TIN моделях местоположения пространственных
объектов и их форма в целом неотчетливы.
51 /56

52.

Факторы, влияющие на выбор цифровой модели данных
Нужна ли топология пространственных объектов?
если объекты используются только как фон на карте,
топологический формат не нужен;
если будет проводиться, например, анализ сети, то объекты
должны быть топологическими.
Какой требуется вид анализа?
• TIN обеспечивает расчет объема между двумя поверхностями;
оценку видимости из заданной точки; вычисление высот,
уклонов и экспозиции; создание профилей высот по линии.
• растровая модель анализирует динамику распространения
процесса, определяет близость объектов, путь наименьшей
«стоимости», производит наложение растров для анализа
пригодности.
• векторная модель позволяет определить оптимальное место
для размещения предприятий, исследовать потоки в сети,
запрашивать объекты на карте, определять их близость и
примыкание.
52 /56

53.

Стандартные форматы
хранения данных в ГИС
Формат файла - это шаблон, по которому он создается, или иначе,
форма записи информации в файл (описывает, какие данные и в каком
порядке должны быть занесены в файл).
Форматы данных в ГИС делятся на векторные и растровые:
• в векторном формате геометрия и атрибуты хранятся в
разных файлах:
геометрия - в двоичном файле в виде записей, состоящих
из набора координат;
атрибуты - в отдельной атрибутивной таблице;
• в растровом формате геометрия и атрибуты хранятся в одном
файле - записи организованы по столбцам или строкам
растра; каждое число в записи кодирует значение,
относящееся к одной ячейке.
53 /56

54.

Стандартные форматы хранения данных в ГИС
Сравнение векторного и растрового форматов
Данные в растровых форматах для многих операций
обрабатываются быстрее (например, наложение).
Векторные системы в целом используют меньший объем памяти.
Для сжатия растровой информации используется
метод группового кодирования: последовательность
ячеек с одинаковым значением кодируется парой
чисел - количеством таких ячеек и их значением.
При больших однотипных площадях размер файла при
506162436031
таком сжатии может быть заметно уменьшен.
В общем случае растровые данные занимают много
места и плохо сжимаются.
Растровые данные просты в организации, их легко получить путем
сканирования, но во многих случаях растровый подход ведет к
потере деталей.
0
1
2
3
0
0
1
2
3
0
0
1
2
3
0
0
1
2
0
1
0
1
2
0
1
1
2
3
0
1
54 /56

55.

Преимущества
Растровая модель
1. Простая структура данных
2. Эффективные оверлейные
операции
3. Работа со сложными
структурами
4. Работа со снимками
Векторная модель
1. Компактная структура
2. Топология
3. Качественная графика
55 /56

56.

Стандартные форматы хранения данных в ГИС
Внутренние и обменные форматы
Каждая ГИС имеет свой формат данных. Различают:
• внутренний формат системы, предназначенный для работы в
данной ГИС;
• обменный формат - формат, в который может быть преобразован
внутренний формат для обмена информацией между
пользователями, работающими в разных ГИС и на разных
платформах.
Необходимым
компонентом
ГИС
являются
модули
преобразования (конвертирования) внешних форматов данных,
содержащие средства импорта/экспорта наиболее распространенных
векторных и растровых форматов. Если ГИС знакома с "чужим"
форматом, она может прочитать данные из такого файла и записать
свои данные в этом формате для передачи в другую систему.
56 /56

57.

Наиболее распространенные
форматы данных в ГИС
Векторные внутренние
форматы:
• покрытие - формат Arc/Info.
• шейп-файлы - формат ArcView.
• DWG - формат системы AutoCad
данных САПР (файлы чертежей).
Векторные обменные форматы:
• E00 или GEN (формат Arc/Info),
• MIF/MID (формат ГИС MapInfo).
• DXF - формат системы AutoCad
данных САПР (файлы чертежей).
Растровые форматы:
TIFF,
BMP (двоичный формат),
JPEG (сжатый BMP),
GRID - формат ESRI для
тематических данных,
• ERDAS - изображения,
созданные с помощью
системы обработки
изображений ERDAS.
57 /56