О роли растровой информации в сегодняшних ГИС

Юрий Королев, главный эксперт СП ДАТА+

ARCREVIEW , 1998, № 1 (4)

Географическая информационная система, ГИС - этими словами сегодня никого уже не уди­вишь. Все знают, что это такое - ну, это те про­граммы, которые работают с картами. Ассоции­рование ГИС преимущественно с картографией довольно широко распространено - посмотреть хотя бы, какие специальности в вузах раньше и ак­тивнее всего начали осваивать новые дисципли­ны, связанные с ГИС. Цифровая карта, картогра­фическая визуализация, картографическое пред­ставление информации, картографический ана­лиз - все эти понятия к ГИС сегодня имеют самое непосредственное отношение. А что такое "geo­graphic imaging"? "Картинка, снимок" - это растр, карта - это вектор. Такое представление прочно утвердилось в широких кругах пользователей ГИС. Давайте попробуем разобраться в сего­дняшних взаимоотношениях карты и снимка, а по­путно и вообще векторного и растрового пред­ставлений информации в ГИС.

ГИС в течение по крайней мере последних 10 лет прочно связаны в массовом сознании с векторной гра­фикой, векторной моделью данных. Где-то на заре вре­мен, когда компьютеры, по существу, еще только учи­лись работать с графической информацией, существо­вали и споры о том, какое из представлений простран­ственной информации - растровое или векторное - луч­ше, И хотя спор фактически закончился признанием прав на существование обеих форм, в последние годы в ГИС доминирует векторное представление графики. Почему? Одна из причин объясняется уровнем развития компьютерной техники. В годы, когда ГИС начали выхо­дить из стадии уникальных экспериментальных систем на широкую дорогу практического применения, мощно­сти компьютеров - быстродействие процессоров, объе­мы оперативной памяти, а главное - объемы и быстро­действие дисковой памяти стали серьезным ограниче­нием для использования растровой модели пространст­венных данных. Действительно, при сохранении близко­го уровня детальности, близкого уровня точности пере­дачи форм объектов объемы растрового файла гораздо больше, чем векторного. Точность передачи положения границ и форм объектов в растровой графике зависят от пространственного разрешения растра - размера пик­села на местности. А точность передачи положения и формы объекта критична для основных в последние го­ды приложений ГИС, связанных с кадастровыми, учет­ными системами. Вторая причина еще более сущест­венна. В годы начала массового внедрения ГИС одним из основных приложений, обеспечившим спрос на ГИС и их развитие, были информационные системы, ИПС на базе ГИС, а одним из самых существенных достижений в области ГИС стала организация взаимодействия ГИС и базы данных, в первую очередь создание т.н. геореля­ционной модели, когда атрибутивная информация хра­нится отдельно от графической в таблицах реляционной СУБД, а связь между ними осуществляется с использо­ванием уникального идентификатора - номера каждого графического объекта. Такая модель позволяет строить эффективные информационно-справочные и кадастро­вые системы, акцентирующие внимание на уникальных характеристиках каждого объекта. Именно такого рода приложения быстро стали основными в практике ком­мерческого использования ГИС, оттеснив временно на второй план сугубо аналитические задачи и задачи мо­делирования процессов в природной среде, где растро­вая модель имеет (и это всегда было ясно) безусловные преимущества. Создание векторно-топологической мо­дели данных значительно увеличило аналитический по­тенциал векторной модели, позволив эффективно реа­лизовывать т.н. оверлейные операции, связанные с на­ложением карт. Тем не менее, и сегодня многочислен­ные аналитические операции, в том числе т.н. полная алгебра карт, требуют на практике использования рас­тровой модели данных. На сегодня типичное соотноше­ние двух моделей таково. Основные фактографические базы данных пространственной информации, в которых в основном содержится информация об индивидуали­зированных объектах, в особенности объектах техноген­ных, созданных человеком, организуются всегда в век­торной модели данных. На ней реализуются базовые свойства ГИС как информационной системы. Растровая модель данных используется как первичная для пред­ставления информации о пространственных явлениях, описываемых непрерывными полями - например, рель­еф местности или геохимические поля. В растровую мо­дель данных переводятся векторные данные для выпол­нения некоторых видов аналитических операций, после завершения которых результаты или переводятся об­ратно в векторную модель как новые графические объ­екты или дополняют набор атрибутов существующих векторных объектов. Таким образом, в развитых сего­дняшних ГИС обеспечивается работа как с растровой, так и с векторной моделями данных, поэтому такие ГИС иногда называют гибридными (растрово-векторными). При этом растровая модель в них занимает подчинен­ное положение и обычно операции с ней реализуются в полной мере с помощью дополнительных модулей рас­ширения, таких, как GRID в ARC/INFO 7.1 и Spatial Analyst в ArcView GIS.

Сегодня ГИС все чаще используются и как средство серьезного анализа и моделирования, и интерес к рас­тровой модели в связи с этим растет. Это как бы два первых (и классических) применения растровой модели данных в ГИС: основной способ представления непре­рывно распределенных свойств (числовых полей) и вре­менное представление другой информации (в первую очередь близкой к тематическим картам) для выполне­ния анализа и моделирования.

В качестве отдельного вида применения растровых данных в ГИС можно рассматривать использование от­сканированных растровых карт. Этот "примитивный" подход, казалось бы, уже прочно вытесненный исполь­зованием карт векторизованных, сегодня как бы вновь находит свое место под солнцем. Разумеется, посколь­ку в растровых картах нет явного выделения индивидуа­лизированных объектов, - это все же только "картинка", и сколько-нибудь удобным образом реализовать связь графического изображения объекта с информацией о его характеристиках невозможно, самостоятельного значения в ГИС этот подход не имеет. Такие карты ис­пользуются как растровая подложка для векторной ГИС, часто значительно повышая наглядность представления информации при одновременном значительном сниже­нии затрат на создание пространственной базы данных. Действительно, если в конкретном проекте, мы, напри­мер, имеем дело с системами трубопроводов и сопро­вождающей их инфраструктурой, то нам в ряде случаев (не всегда!) достаточно иметь в векторном, активном виде только эту и, может быть, еще какую-то избранную информацию, и нет необходимости оцифровывать в вектор всю информацию с топографической карты, ко­торая все равно не будет использоваться в активном ре­жиме - для информационного поиска, для моделирова­ния. Но иметь эту карту в качестве "пассивной" подлож­ки очень удобно. Часто при старте большого проекта можно поэтапно переводить информацию из растрово­го представления в векторные слои, но уже с самого на­чала иметь все карты в виде растровой подложки - од­ной или нескольких, включаемых на выбор. Отсканиро­ванная карта является не в пример более дешевым, чем векторная, и достаточно массовым продуктом. Как пра­вило, бумажные карты необходимо сканировать с раз­решением не более 600-500 точек на дюйм - это вполне доступно обычному недорогому офисному сканеру (час­то достаточно и меньшего разрешения). Правда, по ря­ду причин, особенно при сканировании больших карт и при высоких требованиям к их геометрической точности и цветности, лучше использовать специальные сканеры, предназначенные для сканирования карт. Лучшие кар­тографические сканеры производит небольшая специа­лизированная американская фирма TANGENT Engendering. Есть сегодня и отечественные картографи­ческие сканеры (ProfScan 5020, например), которые, правда, не дотягивают по ряду параметров до лучших мировых образцов, но все же гораздо предпочтитель­нее для этой цели, чем обычные офисные сканеры. Но о картографических сканерах и вообще о проблеме ска­нирования карт мы поговорим как-нибудь в другой раз. Естественно, отсканированные растровые карты явля­ются сегодня основным полуфабрикатом для ручной или полуавтоматической векторизации карт - дигитайзерные технологии практически уходят в прошлое за ис­ключением отдельных, довольно редких ситуаций, где они все еще имеют преимущество перед сканерными.

Еще один вариант использования растровой ин­формации в ГИС сегодня - это растровые тематические карты, полученные методами автоматизированных классификаций (сегментацией) по данным дистанцион­ного зондирования. В принципе, кроме источника и ме­тода получения, они ничем не отличаются от растровых карт, полученных растеризацией векторных карт, ис­пользуемых в сложных аналитических операциях. На та­ких картах значение пиксела представляет обычно код класса, код типа объекта (например, пиксел со значени­ем 1 - леса сосновые, со значением 2 - леса еловые). Поэтому такие растровые карты часто называют класси­фицированным или тематическим изображением, отде­ляя их от полутоновых изображений, содержащих зна­чительную гамму переходов, а не небольшой набор дис­кретных значений. Если выражаться более строго, мож­но сказать, что в виде тематического, или классифици­рованного, растра обычно отображаются данные, пред­ставляющие собой измерения в качественных - номи­нальной и порядковых - шкалах, а в виде полутонового изображения - непрерывные числовые поля, описывае­мые измерениями в количественных - интервальной и рациональной - шкалах. Тематический растр чаще всего используется для представления тематических карт, где основное значение имеют площадные объекты, и при этом внимание акцентируется не на индивидуальных ха­рактеристиках каждого объекта (например, запасы дре­весины или имя собственное каждого лесного массива), а на его родовых характеристиках, то есть на его при­надлежности к определенному типу или классу, (тот или иной тип леса). Отсканированный аэроснимок или кос­мический цифровой снимок, пока он не отдешифрирован или не проинтерпретирован каким-либо образом (человеком или машиной), является, конечно, растром полутоновым - он передает определенную гамму пере­ходов замеренной относительной яркости объектов в том или ином спектральном диапазоне. Отсканирован­ная карта, если она не подвергнута дополнительной об­работке, не принадлежит, строго говоря, ни к тому, ни к другому виду. Фактически исходная карта в бумажном виде - это изображение почти всегда тематическое, да­же в случае представления на ней непрерывных число­вых полей они отображаются опосредованно, транслируясь через некоторое дискретное множество - напри­мер, цветовую легенду, состоящую из ступеней, или с использованием другой кодовой информации (напри­мер, подписей на изолиниях). Тогда на ней теоретичес­ки должны присутствовать только определенные цвета, то есть определенные значения пикселей после скани­рования. Однако на практике, в основном из-за неиде­альности состояния и графического исполнения ориги­нала, там всегда присутствует некоторая гамма значе­ний - синий цвет чуть бледнее в одних местах, и темнее в других, например, за счет потертостей карты. Для ви­зуального восприятия это может не иметь никакого практического значения, но вот если мы хотим заста­вить отсканированную растровую карту "работать" - то есть, допустим, использовать ее в каком-то совместном анализе с другой растровой картой, полученной с помо­щью процедур классификации по космическому снимку, нам этот факт очень даже надо принять во внимание. Лучше всего - редуцировать число оттенков цвета до числа теоретически должных быть на исходной карте. Эта процедура также может выполняться с помощью ав­томатизированных классификаций. Кстати, это обычно полезно сделать и перед использованием автоматизи­рованной трассировки (векторизации) отсканирован­ных карт. С большим или меньшим удобством это вы­полнимо во многих пакетах, работающих с растром - тот же модуль GRID в ARC/INFO или ERDAS Imagine, но су­ществуют и специальные пакеты, только для этого и предназначенные. Иногда эта операция доступна в ПО, предназначенном для векторизации карт - как стадия предварительной обработки.

Но самое интересное и важное сегодня примене­ние растровой информации в ГИС - это работа с данны­ми дистанционного зондирования, с данными различ­ных съемок - космических, аэросъемок. Это также гео­графическое изображение, так как оно тоже представ­ляет определенный участок местности.

Не стоит забывать также об изображении (часто растровом) негеографическом, являющемся графическим атрибутом объекта (например, фотография вида объекта ми деталей его строения), которое может быть с ним связано и вызвано для просмотра указанием объекта. Это типичное применение в ГИС концепции мультимедиа.

Данные дистанционного зондирования находят се­годня широчайшее применение в ГИС, и не только в ка­честве исходных данных для создания и обновления картографической (растровой или векторной) инфор­мации в ГИС, но и непосредственно. Все чаще и чаще вместо или вместе с растровой подложкой из отскани­рованной карты используются снимки. Особенно быст­ро развивается использование для этой цели цифровых ортофото - то есть снимков, таким образом, геометриче­ски трансформированных, чтобы устранить на них прак­тически все искажения, включая искажения, связанные с влиянием рельефа местности. Такой снимок в геомет­рическом отношении ничем не уступает карте, так же позволяет производить высокоточные измерения на­правлений и длин линий, координат объектов, перимет­ров и площадей - лишь бы объект был виден на снимке. Сегодня развилась целая индустрия изготовления циф­ровых ортофото, они становятся продуктом массового спроса. Естественно, именно они, будучи точными в ге­ометрическом отношении, дают основной материал для дешифрирования, то есть обновления имеющихся карт и создания новых (за исключением случаев работы с очень крупными масштабами в городских населенных пунктах на участках с высокоэтажной застройкой - там дешифрирование следует проводить не в моноскопическом режиме по ортофото, а в стереорежиме).

Для построения ортофото требуется цифровая модель рельефа. Где ее взять? Можно, конечно, вводить с имеющейся бумажной карты. Но сегодня есть лучшее решение - использовать для построения рельефа автоматизированные методы и те же самые снимки, которые предназначены для трансформирования их в ортофото. И такое построение цифровой модели рельефа - автоматически или интерактивно, и само трансформирование снимков для получения ортофото позволяет делать модуль OrthoMAX системы ERDAS Imagine. Если же использовать готовый рельеф, то ортотрансформирование может выполняться и в базовом пакете ERDAS Imagine 8.3. Обеспечивается работа как с обычными аэроснимками, так и с космическими снимками, например, снимками SPOT.

Даже если корректировать снимок не столь точно, не до уровня ортофото (а это не всегда и необходимо в случае достаточно плоского рельефа местности), то все равно его надо как-то привязать к той же самой координатной системе и картографической проекции, которая используется в нашей ГИС для всех других, в том числе векторных данных. Иначе просто невозможно добиться совмещения растровых и векторных данных на экране. Как это сделать? Ведь в отличие от векторных данных само по себе растровое изображение не может находиться ни в каких внешних координатных системах - в нем есть одна родная система координат - пиксельная, номер строки и столбца пиксела - элемента растра. Такая привязка растра к внешним координатам производится различным образом в разных пакетах, общего для всех подхода не существует. Обычно или в специальный внешний файл, или в какую-то структуру внутри растрового файла записывается привязочная информация - это, например, внешние координаты левого верхнего пиксела и размер пиксела на местности. Такую же процедуру надо произвести для всех растровых данных, не только для снимков, чтобы использовать их совместно с векторными данными и другими растровыми. Для снимков же обычно необходимо выполнить еще то или иное геометрическое трансформирование, чтобы если и не убрать полностью, то уменьшить его искажения по сравнению с другими данными. Это выполняется с успехом, например, в системе ERDAS Imagine или ARC/INFO 7.1. Каким именно образом, и что полезно знать об этом процессе - это тоже должна бы быть тема отдельного разговора.

Сегодня же хочется закончить на том, что мир ГИС все более и более неразрывным образом оказывается связан с дистанционным зондированием, и в не столь отдаленном будущем процесс наполнения данными ГИС будет идти практически без участия бумажных карт как источника информации - они или все будут уже оцифрованы, или их цифрование потеряет актуальность в силу потери актуальности самими картами. Карта станет не источником, а производным документом для ГИС. Источники же - данные съемок с воздуха или из космоса и полевые работы. И те, и другие поставляют информацию непосредственно в ГИС, минуя бумажную стадию. Сама ГИС ближайшего будущего, а где-то уже и сегодняшнего дня - это цифровое ортооткорректированное изображение, многозональное, полученное в цифровом виде прямо в процессе съемки, и переменный набор совмещенных с ним векторных слоев. Растр и вектор вступили в новую фазу взаимодействия - более активную, чем когда-либо ранее, интеграцию. Это, в сущности, результат слияния в единую геоинформационную технологию собственно ГИС и дистанционного зондирования. Именно это и имеется в первую очередь в виду в эпиграфе данной статьи, именно здесь и расположено основное поле взаимодействия растровых и векторных данных в сегодняшних ГИС. Ярким вещественным воплощением такой интеграции является пакет ERDAS Imagine версия 8.3, который помимо очень сильно развитых функций по работе с растром имеет еще и поддержку векторных данных в нескольких форматах, в том числе векторно-топологическом формате ARC/INFO.

© Copyright Data+, Inc.