Расшифровка аббревиатуры ГИС

Введение.

Существует два определения ГИС.

1) ГИС – информационная система, обеспечивающая сбор, построение, хранение, обработку, анализ и отображение пространственных данных.

2) Совокупность программных и технических средств, обеспечивающих работу с данными.

Научные, технические, технологические и прикладные аспекты ГИС изучает геоинформатика.

Объекты среды можно поделить на непространственные и пространственные.

Пространственные данные – данные, имеющие координатную составляющую.

Пространственный объект – часть среды с координатной составляющей.

Характеристики пространственного объекта: [tag=discontinued]

Инструментами для изучения ГИС являются электронные карты.

Расшифровка аббревиатуры ГИС

Гео – следовательно, связано с пространственными данными, которые получают путем перехода от бумажных карт к компьютерному картографированию, переход осуществляется вручную или полуавтоматически. В ГИС используется инструментарий математического ккртографирования

Информационные – следовательно, будем использовать термины информационных систем, БД.

Системы, следовательно, будут использовать свойства и термины системного анализа.

Компоненты ГИС:

1) Люди.

2) Техническое обеспечение – обеспечивается отображение двухмерных и трехмерных карт. Для систем клиент-сервер существует схема: клиент – запрос на сервер – получение результата. В ГИС каждое движение по экрану – новая отрисовка, выбор нового объекта – происходит увеличение оличества запросов на сервер на порядок, поэтому для повышения скорости работы нужны хорошие серверы и каналы связи. Высоки требования к плоттерам и сканерам (размеры и точность).

3) ПО.

4) Данные.

Сфера применения:

1) Земельный кадастр.

2) Картография.

3) Градостроительное планирование.

4) Инженерная коммуникация.

5) Транспортные сети.

6) Навигация.

7) Геомаркетинг – планирование бизнеса с учетом местоположения.

8) Природный комплекс, окружающая среда.

Задачи, составляющие ГИС:

1) Ввод, редактирование, обновление

2) Хранение, контроль качества (целостности)

3) Отображение (на экране, для печати)

4) Анализ местоположения, анализ окружающей местности

5) Моделирование, прогноз

------Билет 2. Источники данных для ГИС. Технология ввода данных с различных источников ------

Ввод данных:

1) Бумажные карты и планы.

2) Данные дистанционного зондирования (ДДЗ) (аэрофото, космические снимки).

3) Измерения (GPS, тахеометры, данные лазерного сканера).

4) Импорт и конвертация данных в электронный вид.

Процесс ввода:

1) Сканирование

2) Калибровка (геопривязка) планшета

Искажения происходят из-за сдвига или неравномерного сжатия при сканировании. Чтобы этого избежать, в память программы вручную вносится планшет с отмеченными на нем точками, далее по этим точкам из соотношений перевода физических координат в растровые восстанавливается другие точки изображения, что позволяет выровнять изображение, то есть происходит его калибровка (геопривязка) и вставка в ГИС.

3) Оцифровка

Существует два вида съемочной аппаратуры: съемка на фотопластинки или пленки, которые затем сканируют; другой вариант – сохранение изображения на ПЗС матрицы, далее изображение по каналу связи передается на землю.

Однако любой снимок нуждается в геопривязке, информация о точке привязки берется из параметров ориентирования спутника (угол навигации, угол подъема, [tag=discontinued]…, фокусное расстояние). Лучше использовать наземную привязку с помощью GPS, то есть необходимо замерить координаты нескольких (пяти-шести) точек привязки.

Существуют искажения из-за рельефа, то есть 10 пикселей на изображении могут представлять 10 или 110 м.

Чтобы это учесть, необходимо использовать цифровую модель рельефа.

Геодезические измерения.

1) GPS – прибор для определения координат в мировой системе координат. Существует 24 спутника, координаты точки определяются по 3 спутникам, у которых известны координаты и 1 от данной точки, которая является пересечением сфер, центры которых – спутники. Координаты можно получить с точностью больше 10 метров. С помощью двух приборов GPS можно получить координаты с точностью до 1 см (1 мм).

2) С помощью тахеометра: существуют опорные точки, далее с помощью тахеометра замедляются углы от опорных точек до исследуемых.

3) Лазерное сканирование, получение поля расстояний, преобразование в координаты.

Оцифровка полученного изображения местности осуществляется вручную.

Ввод должен осуществляться с топологической корректностью: для точного определения, например, положения трубопровода, он должен бть целостным, иметь точку пересечения с исследуемым объектом. То есть данные не должны быть противоречивыми.

Топологическое редактирование – при движении объекта все коммуникации передвигаются вместе с ним.

------Билет 3. Три модели представления явлений в ГИС. Пространственный объект и его составные части. Понятие класса объекта и подклассов (стилей), графических форм ------

Основные понятия ГИС. Модели данных.

Три модели представления явлений в ГИС. Пространственный объект и его составные части. Понятие класса объекта и подклассов (стилей), графических форм

Модели данных ГИС – это способы представлении реального мира в ГИС:

1) Векторная – основная модель, используется для описания объектов с четкими границами (здания). Описывается координатами, идентификатором и атрибутами (например, адрес)

2) Растровая – используется дл представления объектов с нечеткими границами. Например, болото: для человека – одно, для танков – другое. Следовательно, возникает понятие болотистости, аналогично указывается высота местности

Рельеф в виде растровой регулярной сетки (матрица высот):

Переход от растровой модели к векторной осуществляется вручную или полуавтоматически.

3) TIN–модель – используется для представления данных триангуляционной сетки, данными являются набор нерегулярных точек (замер концентраций каких-либо веществ на местности)

Плоскость, натянутая на три точки. Переход к растровой модели: координаты точек пересечения растра с треугольными плоскостями

Для векторной модели существуют примитивы, на основе которых строятся все объекты:

1) Точка, мультиточка, примитивный объект

2) Векторный объект

3) Линейный объект (железная дорога, трубопровод и так далее)

4) Полигон (школа с двором)

Модели данных.

Объекты – средства структурирования реальности, обладающие следующими свойствами:

1) Объект состоит из частей, связи между которыми намного сильнее, чем межобъектные связи

2) Элементы или части объекта не могут иметь разное время жизни, то есть создаются и удаляются одновременно вместе с объектом

3) К объекту адресуются как единому целому, а не к частям.

4) С объектом связаны допустимые типы преобразований.

5) С объектом связан набор внутренних – имманентных – характеристик, которые постоянно в границах объекта. Эти характеристики определяют объект, в модели они превращаются в обязательные атрибуты.

Классы пространственных объектов:

1) ID;

2) «Геометрия» – набор графических свойств;

3) «Атрибуты» – набор семантических свойств;

4) Связи с другими непространственными объектами;

5) Методы поведения.

Класс пространственных объектов – совокупность объектов одной структуры.

Пространственный объект характеризуется:

1) ID (идентификатор)

2)  – набор графических определенных стилей, удовлетворяющих

3)  – набор атрибутов

4)  – набор связей с другими объектами.

Класс пространственных объектов определяется следующим образом: это пятерка объектов , где

 – стили – различные типы графических свойств, ;

 – атрибуты – непространственные свойства: ;

 – ограничения на , их взаимное положение: ;

 – набор возможных связей с другими классами пространственных объектов: ;

 – реакция на события среды: .

Типы графических объектов:

1) Контур – множество координат метрического пространства

a. Точка, мультиточка – -мерный объект

b. Полилиния – состоит из сегментов или путей.

c. Векторный объект.

d. Двумерный полигон, состоит из колец, как правило имеет одно внешнее и несколько внутренних.

e. Коллекция – набор из нескольких объектов разного типа (например, полигон + полилиния)

Путь – расстояние между точками пространства.

Если точка внутри контура, то луч, вышедший из этой точки, имеет нечетное количество пересечений с границами контура и наоборот.

Конверт – ограничивающий прямоугольник. В ГИС сначала проверяется, есть ли конверт.

Коллекция – состоит из нескольких объектов, чтобы объединить несколько свойств.

------Билет 4. Семантические атрибуты пространственного объекта, шкалы. Пространст­венные атрибуты. Связь графической и семантической части объекта. ------

Шкалы для определения типов атрибутов:

1) Номинальная – шкала наименований – ,

2) Ординальная (порядковая) шкала – определяет место в последовательности, , , ,

3) Интервальная – , , , , , ,  (температура, прирост числа жителей)

4) Рациональная – , , , , , , , ,  (число жителей города, размер участка)

Атрибуты: первичные (хранимые) и вторичные (вычисляемые).

2) Пространственные атрибуты

1) Функции на основе метрической составляющей объекта

2) Могут задаваться напрямую (например, высота).

Центроид – центр масс плоской фигуры.

Конверт – ограничивающий прямоугольник.

Атрибуты: могут лежать в одной или нескольких таблицах БД.

Хранение информации.

Принципы хранения:

1) Данные хранятся по слоям (классы пространственных объектов: здания, реки, коммуникации и тому подобное хранятся отдельно).

    

Наслаиваем друг на друга, получаем картинку.

2) Разделение хранения Графической части и семантической.

Данные хранятся в виде таблицы:

Здание

ID	Этажность	Улица	Дом	Объект

Связь графической и семантической части объекта

Пространственная индексация. Если клиент – серверная система, то в таблице графики появляется столбец с индексами. ID служит для связи графики и семантики.

Хранить данные надо так, чтобы обеспечивать быструю отрисовку экрана.

Окно, имеющее новые физические координаты

ID – поля

В ГиСе (на основе координат по пространственной координате определяем район)

Отличие цифровых карт от обычных. В цифровых картах есть [tag=misunderstand] неводы: либо соединения нет, либо неверная карта; ограничение целостности – пересечения или цели; петли – ошибки при соединении карт.

------Билет 5. Метрическая составляющая пространственного объекта. Модели хранения графических данных ------

Метрическая составляющая пространственного объекта

Скорее всего, имеется в виду геометрическая составляющая, т.е. геометрические атрибуты и размер.

Модели хранения графических данных

Принципы хранения:

1) Данные хранятся по слоям (классы пространственных объектов: здания, реки, коммуникации и тому подобное хранятся отдельно).

    

Наслаиваем друг на друга, получаем картинку.

2) Разделение хранения Графической части и семантической.

Данные хранятся в виде таблицы:

Здание

ID	Этажность	Улица	Дом	Объект

Связь графической и семантической части объекта

Пространственная индексация. Если клиент – серверная система, то в таблице графики появляется столбец с индексами. ID служит для связи графики и семантики.

Хранить данные надо так, чтобы обеспечивать быструю отрисовку экрана.

Окно, имеющее новые физические координаты

ID – поля

В ГиСе (на основе координат по пространственной координате определяем район)

------Билет 6. Пространственные отношения в ГИС. Понятие топологического редактирования.------

Пространственные отношения

Пространственные отношения – отношения, которые действуют на декартово произведение координат и принимают значения 0 или 1.

Пусть  – множество координат объектов, тогда отношение запишется через декартово произведение . Стандарт  содержит отношения: , , , , граничит, разобщены, .

Объекты равны, если набор их координат совпадает с точностью до сдвига координат.

Неравно – отношение, обратное равно.

Граничат – значит, что существуют общие точки на границе объектов.

Пересекаются – внутренние части объектов имеют общие точки.

Разобщены – не граничат и не пересекают.

Множество  - площадной объект: . Дополнение - .

Contains:

	+	-	+
	-		+

 

Для реализации отношений в ГиС используют подобные матрицы.

Стандартные операции в ГиС.

  Выбрать внутри некоторой области:

1) строим конверт;

2) проверка соответствия 1-го контура другому контуру.

Пересечение возможно определить с помощью логических операций.

Точки лежат только в вершинах линий, если нет, то линия не содержит m.

I. тип «размножение»

1) В вершинах контура

Паттерн , контур . Результат:

2) На выходе из вершин

, , в последней точке нет

2а) На выходе из первой вершины (для векторных).

3) На входе в вершину

3а) На входе в последнюю вершину

тупиковая ветвь железной дороги:

4) Размножение вдоль контура (линейный объекты)

,  (деревянная ограда)

5) Размножение внутри замкнутого контура – для полигонов.

Режимы: ,  + создание своей заливки

6) Текст – может выводить значения семантических атрибутов

Пример: ЛЭП на металлических опорах на незастроенной территории

1) Точки в вершинах контура

2) На входе

3) На выходе

4) Вдоль линии

Дистанционное зондирование.

Получение информации: 1) об атмосфере и земной поверхности, 2) о рельефе о поверхности, 3) 

------Билет 8. Генерализация ------

Картографическая генерализация – обобщение изображений более мелкого масштаба относительно более крупные, осуществляемое  в связи с назначением, тематикой или техническими условиями самого изображения. То есть это отбор, выделение главных типических черт объекта с целью уменьшения нагрузки при переходе более мелкому масштабу

Обобщение координат и атрибутивных к данных о пространственном объекте в интерактивном или другом режиме с целью генерализации – это генерализация пространственного объекта в ГИС.

Генерализация опоры – трансформация классов пространственных объектов

1) Отображение не меняется.

2) Исчезновение / возникновение кл. пр. об. через диапазон видимости слоя (0:5000 – например)

3) Возникновение / исчезновение подэлементов (форм)

ГИС автоматически гасит слои в зависимости от диапазона видимости.

4) Смена вида отображения без изменения геометрической формы

5) Отбор объектов (показ только угловых домов). Действуют семантические ограничения

6) Смена геометрической формы.

а)   не меняется размерность представления – прореживание координат форма проще.

б) уменьшение размерности – полигон в линию  точечный объект.

2 стиля: контур , точечное отображение:

7) Агрегация классов пространственных объектов в один.

Дома – квартал – улица

Автоматизация процедуры:

1. Упрощение формы, сглаживание, разрядка. Задается . Точки с меньше  в одну
2. Объединение смежных полигонов с уменьшением границ:

1. Уменьшение размерности: полигон – точка, полигон – линия

------Билет 9. Тематические карты и их виды (без методов классификации)------

Тематические карты – специальные отображения в зависимости от значений семантических полей. Например, отображение городов разного размера.

Схема вывода:

1) Отбор объектов

2) Вычисление атрибутов, влияющих на отображение

3) Классификация

4) Отображение

Т.е. атрибуты фактически уже передавать не надо

Виды тематических карт в зависимости от отображения:

1) Точечный объект (вид символа, цвет, размер)

2) Линейный объект (вид линии, толщина, цвет)

3) Полигональный объект (вид закраски, прозрачность, густота штриховки)

Типы тематических карт.

Метод диапазонов.

------Билет 10. Методы классификации при создании тематических карт методом диапазонов ------

Используется для переменных в интервальной, рациональной шкале (вещественная переменная, следовательно, все разные раскрашивать по-разному нельзя, следовательно, существует функция близости и значения делятся на диапазоны)

Пусть  – множество, выделение из него подмножеств – таксономия.

Классификация – разбиение  на  подмножеств.

Классификация разбиения на классы:

; :

1)

2)

3)

Разбиваем на подмножества, пытаясь максимально удовлетворить критериям.

Методы разбиения на диапазоны:

Метод равных интервалов.

 – применяется для равномерного распределения значений.

Одномерная гистограмма значений.

ГиС выбирает max и min и делит на количество классов уже заданное.

Достоинство – простота;

Недостаток – неравномерность.

Буферные зоны.

Буферный объект – это объект, все точки которого лежат на равном расстоянии от исходного объекта.

Способы построения: буферные зоны

а) Равные расстояния от вершин

б) Равные расстояния от ребер

1) Задается объект и  – радиус буферной зоны.

2)   По отмосткам (только для объектов-ломанных).

------Билет 12. Язык пространственно-семантических запросов ------

Анализ.

Простейшая операция – вычисление площади и периметра объекта.

К процедурам простейшего анализа относятся: вычисление площади объекта, определение буферных зон (зоны вокруг здания).

Например, надо получить все здания на данной местности:

Запросы:

Select здание.ID,здание. Adress

From здания, район

Where здание.obj within район.obj and

area (здание. obj) >200 and район.Name=’Кировский’

После запрос оптимизируется и выполняется.

Введение к Билету 13.

Триангуляционные (TIN).

Триангуляция – построение функции в виде совокупности кусочно - линейной функции

Триангуляция – интерполяция внутри выпуклой области.

Триангуляция – планарный граф, все внутренние ребра которого – треугольники; способ представления пространства в виде примыкающих друг к другу треугольников без перекрытий. На наборе точек триангуляция строится несколькими способами.

Нужен алгоритм для построения оптимальной триангуляции.

Плоскость, проходящая через 3 точки.

1) Найдем треугольник, который ;

2)  - строим уравнение плоскости.

Чтобы проверить находятся ли точки внутри треугольника или нет, необходимо подставить значение в уравнение линий – ребер треугольника. Если все 3 уравнения > 0, то внутри.

Структура представления:

Каждая триангуляция содержит одинаковое количество треугольников.

, где  – количество внутренних точек,  – количество точек.

Жадный триангуляция.

  Все точки соединяем ребрами, выбираем минимум, добавляем в триангуляцию. Далее берем следующий минимум, не пересекающийся с предыдущими и т.д. В результате получена жадная триангуляция.

Триангуляция Делоне.

 Внутрь окружности, описанной вокруг любого треугольника, не попадают точки других треугольников. Строится единственным образом.

Флипом называется переброска ребер. Она позволяет перейти от обычной триангуляции к триангуляции Делоне. Чтобы проверить принадлежность точки к окружности: подставить, если  < R, то внутри.

Условие  Делоне.

Уравнение окружности, проходящей через три точки:

Если меньше нуля, то внешняя, иначе – внутренняя.

 – условие Делоне.

Алгоритм построения триангуляции Делоне:

1) Подследственного добавления точек – простой итеративный алгоритм:

Есть набор  добавляем в треугольник, осуществляется построение  разбиение треугольника  перестроение. На нулевом этапе добавляем 3-4 фиктивные точки, которые заведомо покрывают наш конверт, все точки внутри. После кидаем точку, смотрим в какой треугольник попала, разбиваем на 3, для каждого треугольника проверяем условие Делоне и осуществляем флип переброску ребер. Среднее количество перестроений равно трем.

Теоретическая сложность

2) Методы ускорения. Основан на статистически зависимых точках. Затравочный треугольник – треугольник в который попала предыдущая точка. Затем соединяем две точки – предыдущую и новую.

Перемещаемся из первой точки в другую.

Преимущества GRID:

• проще процедура анализа;
• точнее;
• выглядит естественно.

Преимущества TIN:

• быстро отображается;
• лучше приспособлена к разрывам;
• быстрее строится.

Дополнительные элементы:

1) Полигоны замещения, то есть

2) Полигоны отсечения – полигоны, внутри которых надо построить рельеф.

3) Линейные объекты – ребра, по которым должна проводиться триангуляция

------Билет 15. Триангуляция Делоне с ограничениями. Применение триангуляция Делоне для реализации пространственных операторов ------

Структура триангуляции.

VPoint record  узлы

x, y,z: double;

end;

TEdge = record

p1, p2: ptTPoint;

t1, t2: pTTriangle;

end;

TTriangle = record треугольники

p1, p2,p3:  pTTPoint;

R1, R2, R3: pTEdge  t1, t2, t3: pTTriangle;

end;

В треугольнике может храниться центр и радиус окружности.

Рассмотрим задачу:

Пусть есть триангуляция Делоне с ограничениями. Необходимо классифицировать треугольник на попадание в полигон.

               

1) Простая проверка:  - сложность.

2) Берем ребро и проверяем в каждой точке с одной и другой стороны ребра, алгоритм растровой заливки.

3) Выделение полигонов из триангуляции: у каждого треугольника индекс. Берется треугольник с определенным индексом, для него допускается алгоритм растровой заливки для каждого из индексов. Причем отличаются ребра, через которые прошла заливка и через которые не проходила. Поэтому отслеживаются граничные ребра – определяется полигон, используется для пространственного объединения.

1. Ищем точку пересечения полигонов – ребер.

2. На расширенном наборе точек определяем вершины.

3. Строим трианы Делоне для этих точек.

4. Классифицируем треугольник ON на попадание в треугольник.

5. Выстроим новую индексацию: .

6. Выделение полигона из трингуляции.

Достоинства: вычисление точное, хорошо обрабатываются случаи.

Полигоны Вороного (Тиссена) – полигоны ближайшего соседа.

 

------Билет 16. Задачи на ЦМР (профили, подсчет площади и периметра, анализ видимости, преобразование TIN-модели в растровую модель, построение линий уровня и пр.)------

Задачи на ЦМР.

1) TIN GRID

Имеем триангуляцию Делоне, вешаем на нее сетку. , . Берем точки в узлах сетки и определяем, в каком треугольнике она находится. Бывают разрывные функции.

2) Построение линий уровня  (горизонталей) -  линий постоянной высоты.  (в основном для TIN)

а) Определяем отрезки пересечения плоскости  с набором треугольников

б) Все отрезки собираются в линию.

Условия:

1) Равенство координат

2) Принадлежность соседним точкам

3) Замкнутость

4) Выход концами на оболочку

Сглаживание сплайнами проводить нельзя, чтобы не было пересечения линий уровня. Поэтому используют коридорный алгоритм.

Определение видимости.

Видимость - опр. по раствору прибора – опр. видимых и не видимых точек плоскости.

1. Сначала строится профиль

а) Определение видимости двух точек

б) Дана точка и луч, определить, какие части луча будут видны

в) Какие точки будут видны в пределах конуса видимости

Для каждого конкретного случая

а) Соединяем точки, если профиль пересекает, то не видно, иначе – видно

б)

Отмеченная часть – начальный уровень горизонта, ниже точки не видны,  – текущий уровень плавающего горизонта.

, тогда точка не видна

, тогда точка видна и

 присваиваем :

Данный алгоритм используется для определения видимости на GRID модели.

Для TIN-модели надо вычислить видимость точек для границ отрезков, то есть надо искать пересечение луча, когда условие  и  нарушается, с профилем и находится новая точка на отрезке.

в) Для GRID

Для каждой четверти используется метод плавающего горизонта.

Проводим луч. Точка пересечения луча с предыдущим столбцом (строкой) – это . Производим интерполяцию значения горизонта:

------Билет 17. Физическая форма Земли. Системы координат. Пересчет между системами координат ------

Картографические проекции.

Определение. Картографическая проекция определяет способ отображения эллипсоида на плоскую поверхность

, , ,

Эллипсоид или шар развернуть на плоскость без искажений нельзя. Существуют искажения площадей, углов и линейных размеров. ,  – зависит от направления – линейные искажения.

Если нет искажения углов, то искажения равноугольные. Если , то проекции называются равновеликими.

Типы проекций:

Цилиндрическая

Максимальные искажения у полюсов и минимальные – на экваторе.

Азимутальные

               

Искажение на полюсе минимально.

Конические

             

В зависимости от ширины конуса минимальное искажение достигается на той или иной параллели. Можем регулировать там, где хотим получить min погрешности.

Гаусса-Крюгера

Весь шар делим на зоны по , каждую зону проецируют на цилиндр.

В итоге получим 60 лепестков.

В каждой зоне СК, диаметр каждой зоны приблизительно равен 600 км. Чтобы были только положительные координаты надо, чтобы СК была смещена на 500 км.

Есть система координат: СК-42 – система координат 42 года, СК-63, СК-95. Можно вводить свою систему коорди