Создание тематических карт на основе методов пространственного моделирования.

Создание тематических карт на основе методов пространственного моделирования.

Картографические изображения и результаты моделирования входит в функции ГИС-пакетов или специализированных модулей. Создание карт рельефа и производных карт на основе ЦМР – наиболее часто используемая функция в ГИС. Для показа третьего измерения применяют расчет горизонталей или создание растровых ЦМР. Существует 2 основные формы 3х-мерного представления рельефа:

· TIN, векторный формат, нерегулярная сеть треугольников, созданная методом триангуляции Делана.

· GRID, растровый формат представления рельефа, где высота прописывается как атрибут каждого пикселя.

Построение изолинейных карт: для создания изолиний используют растр, каждая линия при этом последовательно соединяет точки с одинаковыми высотами и строится с использованием интерполяции и дисплайна

Отображение шкалой послойной окраски: применяется в основном для растров. Элементы растра закрашиваются отдельными цветами в зависимости от высоты. Некоторые ГИС дают возможность создавать цвета с непрерывными или градиентными заливками.

Построение карт светотеневой отмывки рельефа: для создания отмывки рельефа дополнительно указываются азимут и высота источника освещения в угловых единицах.

Методы географической индикации

Методы географической индикации давно применяются в географии и приобрели особую актуальность при использовании ГИС.

Индикация позволяет по совокупности характерных внешних признаков судить о проявлениях характера явлений.

Ландшафтно-индикационные методы эффективны при картографировании почв или ландшафтов.

Наиболее информативные индикационные признаки – рисунок изображения, его морфологический образ, структурно-текстовые особенности и топология связи.

Индикация особо важна при формировании баз знаний.

Структура системы ГК

На разработку структуры и создание автоматизированных картографических систем (АКС) с конца 70-х гг. были направлены усилия картографов, математиков, программистов. Многие проблемы создания и автоматизации в картографии успешно решены. Существенное влияние на развитие АКС оказали системы.

Современные системы АКС практически не отличаются от ГИС. Основное отличие заключается в подсистеме хранения, обработки и выводи информации.

Отличаются также содержание БД и набор программных средств для моделирования в системах ГК БД преимущественно картографической спецификации и состоит из множества взаимосвязанных цифровых карт.

Цифровая карта - цифровая модель карты созданная путем цифрования картографических источников, фотограмметрической обработки данных ДЗ или полевых съемок.

Цифровые карты содержат не атрибуты объектов реальности, а свойство картографических знаков, выражающих эти атрибуты графически.

Цифровая картографическая информация организуется в картографические БД и банки данных.

Картографические БД - совокупность взаимоувязанных картографических данных.

Картографический банк данных - информационная система централизованного хранения и комплексного использования картографической информации, которая включает БД, СУБД и комплекс прикладных программ.

Процесс создания карт в ГИС намного удобнее и гибче, чем в традиционной картографии.

Особенности картографической БД:

· Непрерывность (без деления на отдельные листы и регионы как карты)

· Возможность создания карт на любую территорию в заданном масштабе с требуемыми символами.

· Легкость пополнения новыми данными

· Возможность копирования и пересылки по сетям.

В системах ГК большинство функций направлено на оптимизацию процессов картографирования. Меньшее внимание уделяется анализу информации.

Для целей ГИС и ГК используют одни и те же программные комплексы.

Полнофункциональные ГИС чаще всего включают полноценные функции по форме подготовке карт и печати.

Для систем ГК так же важны особенности подсистемы вывода информации.

При создания картографической БД цифровых карт должны учитываться особенности представления картографической информации пользователем, что предполагает учет свойств мониторов, особенности печатающих устройств и т.д.

4. Подготовка исходных данных для создания модели (Задачи проектирования картографических БД)

КБД – совокупность взаимосвязанных картографических данных. Они формируются для каждой предметной области исследования, для которой создаются или создавались ранее цифровые карты, образуя в совокупности картографический банк данных.

На концептуальном этапе необходимо учитывать специфику картографических БД и банков данных. Для создания аналитических, комплексных и смешанных карт.

При создание картографических ГИС проектируют именно картографическую БД. Методика создания такой БД во многом схожа с созданием атласов и комплексных карт

На концептуальном уровне проектирования КБД:

· типы и тематику создаваемых карт;

· необходимые источники данных и в каком виде ( бумажном или цифровом) они доступны;

· содержание КБД для создания карт разной тематики и будут ли они взаимосвязаны;

· цифровые карты-основы и их системы координат, элементы содержания, технологии создания;

· необходимость создания картографических банков данных.

Картографические БД содержатся цифровые карты как модели карт, поэтому в структуре атрибутов необходимо предусмотреть хранение, картографические изображения.

На логическом уровне необходимо определить:

· назначение карты или карт;

· требования к создаваемым картам с учетом особенностей картографируемых явлений и источников для их составления;

· проекцию, масштаб, систему условных знаков и типы пространственных представлений объектов карты в БД;

· базовые (как правило элементы топографической основы) и тематические слои;

· уровень картографической генерализации.

5. Локальная кусочно-линейная интерполяция поверхности (Технология вывода карт. Электронные и компьютерные карты)

Основная цель ГК это создание карт для дальнейшего использования. Термин электронные и компьютерные карты имеет ряд различий.

Электронная карта – это картографическое изображение, визуализирующееся на экране дисплея, на основе цифровых карт и БД ГИС с использованием программных средств.

Важным для электронных карт является использование принятых проекций и систем условных знаков

Компьютерные карты - это карта полученная средствами геоинформационного картографирования с использованием принтеров обеспечивающих картографическое качество печати на любом материале.

Одна из задач создания компьютерных карт приблизить дизайн генерализации изображения к типографскому качеству. Эта задача пока трудно реализуется в виду особенностей программ и массовых печатающих устройств.

С понятием электронной карты связанно понятие электронных атласов.

Электронный атлас – электронная картографическое произведение функционально подобное электронным картам сопровождаемое картографическим браузером

Электронные атласы дополняют текстовыми файлами и различными мультемидийными изображениями.

6.Аппромаксионные методы интерполяции (Графические стандарты)

Большое число устройств, графического ввода и вывода информации предъявляет различные требования к данным. Большинство производителей технических средств ввода-вывода поставляют «драйвера» для их совмещения с ПК.

С точки зрения графического отображения данных с помощью подобных устройств важны стандарты, определяющие необходимые для показа изображения число бит, палитры, размер видеопамяти и тип видео преобразования.

Число бит и палитры – понятия связанные в основном с мониторами.

Для показа черно-белого изображения на экране монитора его адаптер должен иметь один бит для каждого элемента растра. Для показа цвета каждого элемента растра используется несколько бит. Два бита дают 4 комбинации «да» и «нет» и могут показать любой из 4 цветов.

Число бит показывает, сколько цветов может быть изображено одновременно. Эта величина не всегда совпадает с количеством возможных цветов (Например, адаптер с 4 битами позволяет одновременно отображать 16 цветов, кот могут определять собой комбинации из 64 оттенков красного, 64 зеленого и 64 синего; это дает 262144 возможных цвета) Ограниченный набор цветов, использующийся в каждый момент времени называют палитрой. Для адаптера с 8 битами и разрешением 800*600 требуется 8*800*600=3840000 бит или 480Кбайт. Эти величины определяют требования к объему видеопамяти.

Элементы видеопамяти и обработка. Современные мониторы обладают видеопамятью – локальной объектной памятью, в которой храниться весь набор объектов или векторов, относящихся к выводимому на экран изображению. Это позволяет быстрее восстановить изображение объектов, не вводя их заново. (Удобно для работы с подокнами, увеличения масштаба или вращения трехмерных объектов) В видеопамяти фиксируется номера цвета, которые следует показать в каждом из элементов растра.

Поскольку изображение на экране всегда базируется на элементах растра, возникает необходимость создания растровых изображений по введенным векторным данным. Для этого используют векторно-растровые преобразователи.

Таблица перекодировки цветов, которая указывает сочетания красного, зеленого и синего тонов для каждого цвета текущей палитры. Изменяя таблицу, можно быстро менять структуру цветов на экране, не затрагивая при этом дисплейную память.

И основной функциональный элемент- аналогово-цифровой преобразователь, который переводит цифровой сигнал, хранящийся в дисплейной памяти, в напряжение, подаваемое на ЭЛТ или панель LCD( если не поддерживается цифровой режим).

Генерализация линий

Рассматривается как важная часть автоматизированной генерализации, т.к. обхватывает большинство объектов картографирования.

При генерализации происходит манипулирование с парами координат при помощи алгоритмов.

Среди них выделяют 5 основных:

1. Упрощение, при этом исключается меньшие или не нужные пары координат по геометрическому критерию;

2. Сглаживание – позволяет перемещать пары координат для устранения мелких нарушений;

3. Перемещение – сдвиг или объединение объектов при уменьшении масштаба;

4. Корректировка – уже готовые объекты вносятся изменения для увеличения сходства с оригиналом;

5. Слияние – объединение 2х параллельных линий при уменьшении масштаба.

Наиболее узким местом автоматизированного построения карт является место отрисовки.

Упрощение набора данных на 70 % значительно экономит ресурсы памяти без искажения картографических объектов.

Для упрощения линий используются несколько алгоритмов, отличающиеся критерием отбора точек:

1. Алгоритм независимых точек – отбрасываются пары координат без учета топологии связей.

2. Алгоритм локальной обработки для принятия решения об исключении точек. Используются следующие данные о соседних точках:

· Расстояние между точками;

· Углы между соседними отрезками или комбинации первых двух способов.

3. Алгоритм глобальной обработки – линия рассматриваемая как единое целое, задается коридор отклонений, в результате многократного просмотра линий рассматривается наиболее удачные.

Использование теории фракталов.

Упрощение и сглаживание линий полезно для отображения объектов, при этом важно сохранять природные особенности отображения объектов.

Л.Ричардсон при исследовании береговой линии Англии установил, что некоторые очертания линий повторяются в различных масштабах. Такие линии называются самоподобные и могут быть промоделированы фрактальными линиями.

Термин фракталы ввел в 70-е годы Мандельброт.

Главные понятия теории фракталов это размерность.

На плоскости отличаются возможностью дробного представления не превышая при этом эвклидову размерность.

Для генерализации большое значение имеет самоподобие фигур.

Непропорциональная зависимость изменений очертаний от масштаба вычисления при помощи системы Ричардсона.

Линии с небольшой фрактальной размерностью сохраняет свою длину при изменении масштабов.

При размерности 1.15 длина линии при генерализации быстро теряется.

Фрактальность выражается в отсутствие масштабной независимости результатов измерения.

По определению Б. Мандельброта, объект будет являться фрактальным, если его размерность по Хаусдор-фу—Бэзиковичу, т.е. фрактальная размерность превышает топологическую размерность, являясь, таким образом, нецелым числом.

Термин «фрактал» образован от латинского fractus, а соответствующий глагол означает прерывать, создавать нерегулярные дробления.

«Фрактальное множество» — это математическое понятие, а «естественный фрактал» — это природный феномен, который может быть представлен фронтальным множеством.

Фрактальный анализ уже нашел широкое применение в метеорологии и климатологии; были показаны проявления самоподобия в картографии, при изображении рельефа, в структурах информационных систем. Им пользуются градостроители для анализа различных сторон городских структур и т. п.

В основе фрактального анализа лежат два главных критерия его применимости к изучаемым объектам: самоподобие, или инвариантность по отношению к масштабу, и наличие фрактальной размерности.

Центральным показателем аппарата фрактального анализа является фрактальная размерность объекта исследования. Существует много способов определения фрактальной размерности, применение которых обусловливается спецификой поставленной задачи.

Все они основываются на уже имеющихся методах, принадлежащих другим наукам, но определяющим те или иные черты пространственно-временной структуры объекта исследования.

Картометрические функции

Картометрические функции – это операции, позволяющие измерять расстояния, координаты, площади, периметры, объемы, заключенные между секущими поверхностями и т.д. В ГК картометрия основывается на использовании цифровых карт и картометрических функций ГИС-пакетов.

Картометрические измерения тесно связаны с морфометрическими измерениями, суть которых заключается в вычислении морфометрических показателей, т.е. показателей формы и структуры явлений (извилистости, расчленения, плотности и мн. др.) на основе картометрических определений. Измерения и исчисления по тематическим картам иногда выделяют в особый раздел – тематическую картометрию и морфометрию.

С использованием ГИС стало возможным:

· На основе ЦМ выполнять разнообразные картометрические и морфометрические расчеты;

· Анализировать и оценивать влияние картографической генерализации, строить крупномасштабные карты на основе мелкомасштабных;

· Производить анализ и учёт искажений вносимые картографическими проекциями;

· Выявить и учитывать деформацию бумажных карт;

· Опроксимировать кривые линии, измеренные как ломаные;

· выполнять картометрические определения только в подходящих проекциях или на поверхности эллипсоида;

· все основные картометрические функции, реализованные в ГИС-пакетах ввиде стандартных функций или дополнительных модулей.

Процесс вычисления картометрических и морфометрических функций состоит в определении координат, направлений, дистанций, периметров, размеров, площадей, форм объектов, а также параметров дистанционной съемки, полученных по стереопаре. При проведении картометрических измерений нужно знать, что:

• процесс вычисления координат объектов различается для разных примитивов: проще всего вычислить координаты точек - (x, y), затем линий – (x1, y1; …; xn, yn), и, наконец, полигонов – (x1, y1; … xn, yn; x1, y1). Для линий иногда приходится вычислять дополнительные характеристики, такие как длина и угол простирания. Для полигонов чаще всего определяют периметр, площадь, размеры;

• форму обычно охарактеризовывают такими параметрами, как факторы формы круга и эллипса. Фактор формы круга показывает насколько полигон близок к кругу, т.е. фигуре, площадь которой ограничена наименьшим периметром. Для круга фактор формы круга равняется 1. С увеличением периметра фигуры при неизменной площади значение фактора формы круга уменьшается до 0. Фактор формы эллипса говорит о близости фигуры к эллипсу (изменение значений этого фактора такое же, как для круга);

• вычисление стереологических параметров необходимо для описания объемной (3d) структуры объектов. Фундаментом для расчета параметров служат значения площади и периметра примитива, полученные с карты. В большинстве случаев, этими параметрами описывают структуры, элементы которых связаны между собой в пространстве.

Центроиды и скелетезация

Центроид, характерная точка геометрического центра полигона. Используется для привязки подписей объектов из БД или привязки инфы по полигону в целом.

Скелетезация - процесс построения уменьшенного полигона с сохранением основных свойств исходного.

Скелетезация начинается с построения каркаса, сети линий внутри полигона, создаваемых таким образом, чтобы каждая его точка находилась на одинаковом удалении от 2х ближайших сторон исходного полигона. Она используется при автоматизированной генерализации сложных надписей внутри объектов.

ГИС и интернет

Интеграция ГИС в глобальные и корпоративные компьютерные сети все усиливается, развитие одной технологии влечет разработки в другой. В этот процесс втянуты также картография, дистанционное зондирование, глобальные системы позиционирования и примыкающие к ним отрасли знаний и технологии. Формируется особое геоинформационное гиперпространство – среда, в которой функционируют, цифровая геоинформация и геоизображения всевозможных видов и назначений.

Одновременно организации, работающие в области ГИС, стали усиленно использовать Интернет для того, чтобы сделать геоин-формацию, включающую цифровые снимки и карты, доступной для широкого круга профессионалов. Обилие геоизображений, обращающихся в Интернете, делает очевидным для многих специалистов возможность интеграции ГИС-технологий и высокоско-ростных электронных сетей для создания и модернизации ГИС, баз данных и картографирования. Введены новые термины «Веб-ГИС», «Интернет-ГИС», «Интернет-картографирование». На многочисленных сайтах в Интернете можно найти:

· карты и целые атласы, полученные сканированием печатных оригиналов;

· аэро- и космические снимки, в том числе в цифровом формате, пригодные для использования в ГИС;

· карты, атласы, трехмерные модели и др. геоизображения, созданные специально для Интернета.

· интерактивные геоизображения, составляемые и обновляемые по запросам пользователей;

Статичные карты и снимки наиболее привычны и многочисленны в электронной сети. Сегодня дешевле поместить подготовленную карту в Интернет, чем издать ее полиграфическим способом. По этой причине Интернет становится важным каналом картографической коммуникации, даже несмотря на то, что преобразование карт в цифровую форму и последующее воспроизведение понижает их графическое качество.

Благодаря Интернету сформировалось международное «сетевое» сообщество пользователей дистанционной информацией – космическими снимками, получаемыми разными съемочными системами. Многие из них распространяются свободно.

Большая часть карт в Интернете предназначена для поиска и получения актуальной справочной информации. Это карты погоды, городов, автодорог. Но все больше появляется карт и Интернет-атласов, других геоизображений, ориентированных на профессиональные интересы пользователей.

Производители программного обеспечения ГИС включают в ГИС-пакеты модули, обеспечивающие интеграцию ГИС- и WWW-технологий в режиме «клиент-сервер». WWW(World Wide Web) или Web-сервер – символ глобальной сети обеспечивает простой способ общения с Интернетом, легкий и понятный поль-зовательский интерфейс, основанный на гипертекстовом пред-ставлении информации в формате HTML. При этом пользователь не задумывается, как организованы данные, как обрабатываются запросы и получаются ответы, в том числе адресованные к пространс-твенным базам данных. Специальные программы Web-браузеры позволяют просматривать HTML-страницы. Наряду с применением методов Web-картографирования с применением картографических Интернет-серверов (Internet Map Server – IMS) правомерно говорить и об интерактивном Интернет-использовании карт.

Наиболее популярными источниками пространственной информации, интегрированными с технологиями ГИС и геоинформаци-онного картографирования в последнее время стали Google Earth и Google Map – бесплатные сервисы компании Google Inc. (США), разработчика одноименной наиболее популярной машины поиска в Интернете, созданной компанией Keyhole Inc. в 2004 г.

Google Earth позволяет визуализировать глобальную бесшовную мозаику аэро- и космических снимков (с разрешением не хуже 15 м, вплоть до 0,15 м на некоторые участки), строить трехмерные изоб-ражения (для ряда крупных городов), формировать пользователь-ские метки, вести поиск объектов по координатам, географическим названиям и адресам (для США и Канады) и многое др., используя клиентское приложение – загружаемый так называемый геобраузер с возможностями Веб-картографирования.

Google Map использует средства Веб-картографирования, позволяя визуализировать картографические данные, поставляемые компаниями Tele Atlas и NAVTEQ.

Программные средства Веб-картографирования. Возрастание потребности работы в Интернете с пространственными данными определило развитие программных средств Веб-картографирования. Его растровая технология не вызывала затруднения, поскольку размещение и пересылка растровых карт и других геоизображений осуществлялись стандартными Интернет-средствами (браузерами) с использованием форматов GIF или JPG. Эти технологии пригодны как для справочного, так и аналитического картографирования. Векторное картографирование требует больших усилий, временных затрат на пересылку и запрос карт, а также на создание специальных картографических браузеров (р1пйчп) для расширения имеющихся графических функций браузера. Однако векторный формат обладает преимуществами для интерактивной работы с картами; он позволяет менять в разумных пределах масштаб изображения и двигаться по нему, работать со слоями данных разного типа геометрии (включать и отключать их), выполнять координатные преобразования и менять оформление карт. Для векторного представления данных в Интернет пригодны форматы SVG и GML (последний специально разработан для кодирования географических данных).

Возможности Интернета привлекательны не только средствами поиска и публикации готовых карт, но и средствами интерактивной работы с ними с помощью функций геоинформационных систем: манипулирования слоями цифровой карты, идентификации объектов, поиска объектов по запросам и т. п. Реализация таких возможностей основана на новейших технологиях публикации баз данных в Интернете. Первоначально пользователю предлагается обобщенная (генерализованная) карта, по которой он может выбрать участок для последующей детализации, а также набор функций для поиска информации по атрибутивному признаку. Это может быть как список улиц, городов, так и поля для ввода критериев поиска нужных объектов. После ввода необходимых данных пользователь получает картографическое изображение объектов и всю присоединенную атрибутивную информацию.

Учитывая современные телекоммуникационные потребности, ряд ведущих фирм в области создания ГИС-пакетов разработали программные приложения для Веб-картографирования. К таким приложениям относятся разработки ESRI – ArcView Internet Map Server (IMS) и Map Object IMS (для растрового картографирования) и АгсIMS (для растрового и векторного картографирования), а также Intergraph – GeoMedia Web Map и GeoMedia Web Enterprise (для векторного картографирования и пространственного анализа данных). Эти программные приложения поддерживают работу в архитектуре «клиент-сервер»: на удаленном ГИС-сервере устанавливается соответствующий ГИС-пакет и Веб-приложение, а пользователь (клиент) получает возможность работать с выбранным ГИС-пакетом по Интернету, создавая новые или редактируя старые карты.

Экспертная подсистема ГИС

Ценность географической информации в системах принятия решений особенно возрастает при включении в ГИС программных модулей, базирующихся на технологиях и методах искусственного интеллекта.

В системах искусственного интеллекта оперируют базами знаний, также представленных в символьной, числовой и логической формах. Машины, реализующие алгоритмы искусственного интеллекта, называются машинами, основанными для знаний.

В 80-е гг. сформировалось самостоятельное направление – экспертные системы. Основная цель управления – разработка таких программ, которые при решении задач, трудных для эксперта-человека, получали исходные результаты. Экспертные системы отличаются от БД использованием преимущественно символьного способа хранения информации и эвристического поиска решений. Для реализации функций принятия решений на современном этапе экспертные системы в ГИС предполагают участие эксперта в разработке решений. Основная часть экспертной системы – машина логического ввода, которая соотносит информацию от пользователя с известными фактами и правилами. В результате сравнения базы знаний вырабатывается необходимый результат.

Экспертная система должна обладать способностью объяснять полученный результат и доказать его обоснованность. Эта способность относится к числу главных отличительных черт экспертных систем. Знания, на которые они опираются, называются решающими правилами и основаны на конкретных примерах.

В современных ГИС в качестве правил принятия решений используются продукции. Продукции – логические правила, позволяющие описать ситуацию или действие при помощи программ. На ГИС экспертные системы возлагается роль обучения и уточнения данных. Такая схема рационально реализуема при наличии базы эталонных вариантов решений и программной оценки решений с этой базой.

Большие надежды на работу экспертных систем связаны с развитием технологий искусственных нейронных систем. Искусственная нейронная сеть – система многих простых вычислительных элементов, работающих параллельно. Функциональность ее определяется структурой и набором программ, аналогичных мышлению человека. Алгоритмы делятся на два класса: с обучением и без.

Физический проект.

Заключается в структурировании данных, т.е. разработка детальной схемы базы с форматом данных с согласованным о просмотре проектов и полей атрибутивных таблиц, типов записей данных.

Выборочные форматы должны стандартизироваться в пределах организации. Необходимо разработать требование к использованию данных и технологиям создания различных карт. Кроме того, на данном уровне должны рассматриваться вопросы необходимого оборудования, физической защиты данных и возможности развития ГИС.

Пилот-проект.

Выполняется для экспериментального изучения структуры БД. Проводится оценка ее возможностей, эффективностей и гибкостей проекта.

В рамках пилотного проекта берется небольшой набор данных, решаются типовые задачи, приводится оценка работы БД с ними.

Этот этап работы проводится силами пользователей с обязательным получением замечаний и предложений.

22) Учет особенностей модели данных и функциональных средств в ГИС. Существует 4 основных типа прикладных ГИС:

Создание тематических карт на основе методов пространственного моделирования.

Картографические изображения и результаты моделирования входит в функции ГИС-пакетов или специализированных модулей. Создание карт рельефа и производных карт на основе ЦМР – наиболее часто используемая функция в ГИС. Для показа третьего измерения применяют расчет горизонталей или создание растровых ЦМР. Существует 2 основные формы 3х-мерного представления рельефа:

· TIN, векторный формат, нерегулярная сеть треугольников, созданная методом триангуляции Делана.

· GRID, растровый формат представления рельефа, где высота прописывается как атрибут каждого пикселя.

Построение изолинейных карт: для создания изолиний используют растр, каждая линия при этом последовательно соединяет точки с одинаковыми высотами и строится с использованием интерполяции и дисплайна

Отображение шкалой послойной окраски: применяется в основном для растров. Элементы растра закрашиваются отдельными цветами в зависимости от высоты. Некоторые ГИС дают возможность создавать цвета с непрерывными или градиентными заливками.

Построение карт светотеневой отмывки рельефа: для создания отмывки рельефа дополнительно указываются азимут и высота источника освещения в угловых единицах.