Способи подання просторових даних
Використовуються два основні способи подання просторових даних: растровий і векторний, що відповідають двом принципово різним концепціям опису (моделям) просторових даних.
У першому способі просторова інформація співвідноситься з комірками регулярної сітки (мережі) як з елементами території (растрове подання), у другому способі використовується система елементарних графічних об'єктів, положення яких у просторі визначається в певній системі координат (векторне подання).
Вибір способу подання просторових даних визначається низкою визначальних чинників: характером просторової інформації, джерелами отримання даних, специфікою завдань, ємністю вільної комп'ютерної пам'яті, швидкодією комп'ютера тощо.
Розрізняють наступні способі подання просторових даних
Растровий спосіб подання просторових даних базується на формалізації просторової інформації за комірками регулярної мережі, яка суцільно покриває певну територію. При цьому кожна комірка цієї мережі містить одиницю інформації про частину території.
Векторний спосіб формалізації просторових даних або векторна модель базується на використанні набору елементарних графічних об'єктів: точкових, лінійних та площинних, що називають графічними примітивами.
Растрові і векторні структури даних мають свої переваги і недоліки:
| Структури даних | ||
| растрові | векторні | |
| переваги | · злиття позиційної і семантичної атрибутивної просторової інформації в єдиній прямокутній матриці, що на відміну від векторної виключає необхідність застосування особливих засобів збереження і обробки семантики просторових даних; · значне спрощення аналітичних операцій над зображеннями; | · компактність збереження, на порядок вища, ніж при растровому представленні; · висока точність позиціонування точкових об'єктів і зображення ліній; |
| недоліки | · значна ємність машинної пам'яті, що необхідна для збереження растрових даних; · висока вартість сканерів, що забезпечують автоматизоване введення інформації; · недостатня точність позиціонування точкових об'єктів і зображення ліній (особливо похилих), що зумовлена генералізацією інформації в межах комірки растру; | · складна система опису топологічної структури даних, внаслідок чого їх обробка вимагає виконання складних геометричних алгоритмів визначення положення вузлових точок, стикування сегментів (дуг), замикання полігонів тощо; · повільне маніпулювання векторними даними, особливо на персональних комп'ютерах з порівняно невеликою швидкодією; |
На основі аналізу переваг і недоліків, векторні структури рекомендується використовувати для збереження феноменологічно-структурованої інформації (ґрунтові і рослинні ареали, ареали використання земель тощо), для мережевого аналізу, у тому числі транспортних і телефонних мереж, а також для підвищення якості відображення при картографуванні лінійних об'єктів, а растрові структури – для швидкого і дешевого оверлею карт, просторового аналізу, а також моделювання поверхонь.
Порівняння переваг і недоліків двох основних способів представлення просторових даних показує, що вони взаємно доповнюються один одного, що зумовлює необхідність їх спільного застосування в рамках ГІС шляхом перетворення (конвертації) однієї структури в іншу (вектор-растрові та растр-векторні перетворення).
3.2. Автоматизація введення просторових даних
Роботи з автоматизації введення просторових даних у ГІС в даний час залежать і спираються в першу чергу на технічні засоби, що використовуються для цих цілей, і знання, формалізовані за допомогою математики.
Засоби автоматизації введення просторових даних у ГІС умовно можна розділити на дві групи: апаратні і програмні. До апаратних засобів відноситься все обладнання, що використовується на різних етапах технологічного циклу створення карт. Це ЕОМ, сканери, дигітайзери, плотери, принтери, відеотермінали і різні спеціалізовані пристрої для виконання деяких вузьких. Однак, існує тенденція - замінювати спеціалізовані пристрої відповідним програмним забезпеченням.
Перевага апаратних засобів перед програмними полягає в тому, що вони виконують свої функції іноді набагато швидше, але вони дорогі, а в міру збільшення потужності ЕОМ різниця в швидкості зникає. Мабуть, єдиними спеціалізованими пристроями, які ніколи не зникнуть, крім самої ЕОМ, що забезпечує функціонування програмних засобів, будуть пристрої введення-виведення, без яких діалог людини з машиною неможливий. Зараз пристроями, що автоматизують введення, є сканери, пристрої фото-і телевводу, що дозволяють у короткий час вводити в ЕОМ зображення в растровій формі; дигітайзери різних конструкцій і автоматичні відслідковувачі, що використовуються для введення вихідної графічної інформації у векторній формі.
Пристрої для введення растрової інформації вигідно відрізняються від інших тим, що дозволяють швидко і точно перенести графічні образи в ЕОМ і відразу ж відмовитися надалі від паперової технології. При цьому важливою особливістю такого способу є те, що запроваджувані дані представляють собою просто опис графічного образу карти без зазначення на змістове значення кожного елемента зображення. Тому машина не може безпосередньо інтерпретувати растрове зображення. Ось чому такі дані необхідно для подальшої обробки перевести у векторний формат. Але недолік такого способу те, що перетворена інформація ще ніяк не оброблена в змістовному плані, має малу кількість семантичних атрибутів і вимагає подальшого розпізнавання і безлічі операцій по обробці.
Навпаки, пристрої для введення інформації в векторному вигляді дозволяють одночасно з введенням провести всі необхідні операції по ідентифікації об'єктів і їх оцифрування. Причому, дані в ЕОМ передаються практично в тому самому вигляді, в якому вони і будуть зберігатися як ЦТО, а тому вимагають мінімальної подальшої обробки. При уявній перевазі цей спосіб має свій недолік: він вимагає великої кількості людської праці, менше піддається автоматизації через наявність у ньому більшої кількості електромеханічних компонентів.
Тому в даний час існують обидва способи первинного введення просторової інформації в ЕОМ. Хоча, аналізуючи розвиток сучасної науки і техніки, перевагу слід віддати растровим пристроям введення зображень. Тим більше, що зараз активно розвивається гібридний спосіб введення картографічної інформації в ЕОМ, що використовує саме ці пристрої. Він передбачає перетворення зображення на фізичному носії у растрову форму з наступним записом цифрового коду на машинний носій. Після цього зображення векторизуется способом, схожим на застосовуваний при роботі з дігітайзером, в ручному, напів-і автоматичному режимі.
3.3. Технічні і програмні засоби введення просторових даних
Для введення значних масивів просторово-розподілених даних у ГІС використовуються спеціальні периферійні пристрої. Для цифрування паперових картографічних матеріалів використовуються дигітайзери (ручне введення даних) і сканери (автоматичне введення даних). При цифруванні за допомогою дигітайзера об'єкти картографуваня обводяться по зовнішньому контуру або осьовій лінії (векторне представлення). Сканер повністю копіює всю площину вихідного графічного матеріалу, при цьому площа карти розбивається на окремі елементи фіксованого розміру і кожному елементу присвоюється код кольору (растрове представлення). Скановане зображення за необхідності перетворюється в растрові дані формату певного ГІС-пакета або використовується для розпізнавання і векторного цифрування об'єктів ручним (екранне дигітизування) чи автоматизованим способом (векторизація).
Для отримання і просторової прив'язки даних у польових умовах використовуються приймачі GPS і електронні геодезичні прилади. Сучасні моделі цих пристроїв можуть працювати як автономно (обмін даними з ПК здійснюється за допомогою flash-карт), так і системно (пряме підключення до мобільного ПК чи нетбука).
На підприємствах використовуються периферійні пристрої, що дозволяють розпізнавати й цифрувати рельєф за аерофотознімками (оптичні або цифрові стереофотограметричні станції).
3.4. Технології введення просторових даних
Сканування
Сканування є одним з основних типів перетворення нецифрової інформації паперових (плівкових тощо) зображень у цифрову інформацію електронних зображень. Процес сканування перебачає послідовний посмуговий перегляд вихідного зображення при цьому кожна смугасегментується окремими елементами зображення.
В залежності від поточного налаштування сканеру, пікселу присвоюється певний код у бітовому, напівтоновому або RGB-форматах, після чого інформація про порядок розміщення і колір піксела записується в растровий графічний файл.
Якість сканування визначається точністю визначення місцеположення елементів зображення оптико-електронною системою сканера, а також якістю передачі кольору. Якість сканованих картографічних документів у більшості випадків вимагає контролю й та геометричної корекції сканованих картографічних документів.
Сканований матеріал не повинен бути зім'ятим, мати складок або розривів. Просторова точність при скануванні карти залежить від детальності: для контурних або рукописних планів – 100 – 150 dpi, для топографічних карт – 200 – 300 dpi, а для систем автоматизованого розпізнавання об'єктів – 400 – 600 dpi). В залежності від розміру ділянки сканування, глибини кольору і просторового розміщення об’єкту картографування автоматично визначається розмір підсумкового файлу.
Процес сканування карт, як правило, здійснюється в середовищі певного графічного редактора, що дозволяє здійснювати збереження і первинну трансформацію отриманих копій. Переважна більшість сучасних програмних пакетів ГІС, що передбачають введення даних за допомогою сканера (MapEdit, Easy Trace, Descartes) призначені для роботи з растровими зображеннями і дозволяють здійснювати наступні типи перетворень:
- змінювати кількість пікселів у зображенні(деталізація дображення);
- змінювати положення окремого піксела або групи пікселів в площині зображення (геометрична корекція);
- змінювати оптичні характеристики кольору всього зображення або групи обраних пікселів (яскравісна та колірна корекція);
- здійснювати фрагментовану зшивку зображення.
Векторизування
Скановані растрові картографічні матеріали використовуються для створення цифрових векторних карт. Для підвищення якості вихідних карт (високої диференціації ліній та контурів, деталізації кольору), усунення фонових і механічних шумів зображення можуть використовуватися системи розпізнавання графічних образів і автоматичного виділення їх контурів. Процедури розпізнавання растра і виділення векторних графічних примітивів визначаються терміном векторизування. Векторизування може виконуватись у ручному або напівавтоматичному режимах. Напівавтоматичне векторизування застосовується для лінійних об’єктів, а ручне – для точкових, полігональних об'єктів.
Процес напівавтоматичного або ручного відстежування лінії за її зображенням на растрі називається трасуванням. Програмні пакети для векторизування використовують певні інструменти трасування, що заздалегідь розраховані на визначені комбінації растрових елементів..
Трасування суцільної або пунктирної лінії в автоматичному режимі передбачає визначення положення початкової точки на еталонній ділянці, а також двох сусідніх точок, що визначають еталонний крок і напрямок. Додаткові операції трасування передбачають визначення максимальної відстані розриву фрагментів лінії, максимального кута повороту лінії і максимального радіуса ділянки пошуку початку наступної лінії, максимальної і мінімальної товщини лінії, відстані між опорними точками вздовж лінії тощо. Існує можливість зміни автоматичного режиму трасування на ручний у будь-який момент може векторизування.
Створення векторних об'єктів передбачає присвоєння ідентифікаторів (номерів трубопроводів, будинків, назв вулиць, відміток горизонталей рельєфу тощо). Одним із режимів автоматичної ідентифікації є присвоєння значень висот лініям горизонталей рельєфу, глибин та інших ізоліній в рівноінтервальній шкалі значень.
Геокодування
Геокодування – метод і процес позиціонування просторових об'єктів в певній системі координат співвідносно їх атрибутів. Для виконання поцедури геокодування необхідно отримати табличний набір координатних даних (географічні, прямокутні координати, вулична адреса, файл просторової бази даних тощо), в яких здійснюватиметься пошук місцеположення точки, а також встановлюватимуться координати точкового об'єкта з заданими атрибутами.
Сучасні ГІС-пакети (Mapinfo, ArcView тощо) реалізовують функції адреснї прив'язки даних з використанням файлів спеціального формату, у яких формалізовано інформацію про вуличні мережі (StreetMap).
Процедура геокодування забезпечує оперативне створення картографічної бази даних з чіткою координатною прив'язкою. Крім вуличних адресних координат, існують шаблони точкових або площинних об'єктів за назвами міст,адміністративних одиниць, за кодами поштових округів тощо. Необхідно здійснювати контроль ідентичності адресних координат у геобазі даних: географічні і прямокутні координати повинні бути мати ідентичний числовий формат та базову систему координат; назви вулиць в обох наборах даних повинні бути відповідними; буквені ідентифікатори будинків повинні зберігатися в окремому полі тощо.
Ручне дигітизування
Ручне дигітизування (дигіталізація, цифрування) – найпоширеніший спосіб введення просторових даних у базу даних ГІС. Суть процесу ручного дигітизування полягає у розпізнаванні об'єкта на вихідній карті і створення елементарного векторного графічного об'єкта шляхом обведення його меж. Вихідна карта являє собою паперовий оригінал, що закріплюється на дигітайзері, або його скановану копію, яка виводиться на екран монітора комп’ютера. У першому випадку виконується апаратне дигітизування, в іншому - екранне дигітизування.
Точність і повнота ручного введення даних визначаються: якістю вихідного картографічного матеріалу (зношеністю паперової карти, якістю сканування); точністю локалізації системи координат на паперовому джерелі або його сканованій копії; кваліфікацією оператора-дигіталізатора.
Апаратне дигітизування
Апаратне дигітизування виконується з використанням спеціального пристрою дигітайзера із застосуванням високоякісних оригінальних паперових або пластикових картографічних матеріалів. До складу багатьох програмних ГІС-пакетів входять модулі налаштування і керування роботою різних моделей дигітайзерів.
Аркуш паперового (пластикового) оригіналу, закріплюється на поверхні планшета дигітайзера за допомогою притискних планок або прозорого листа пластику. Передусім виконується процедура ототожнення - на карті визначаються чотири і більше контрольних точок, а з клавіатури вводяться їх координати. В результаті процедури ототожнення визначається похибка детермінаці визначення системи координат і запроваджується процедура геометричної корекції збраження.
Оператор в ручному або в напівавтоматичному режимі за допомогою курсора дигітайзера здійснює обведення контурів просторових об'єктів, зчитуючи координати опорних точок. Координати точок записуються у відповідний активний файл бази даних, а відповідні атрибутивні дані вводяться з клавіатури. Точність і мобільність введення просторових даних залежать від кваліфікації оператора.
При заміні аркушів карт на планшеті дигітайзера, лінійкрму або кутовому зсуві аркуша карти, або при поновленні роботи дигітайзера необхідно виконати повторневстановлення системи координат дигітайзера.
Відсутність в номенклатурі ряду деяких оригіналів паперових карт, наявність похибок нанесення і механічних ушкоджень, а також висока вартість пристроїв зумовили необхідність заміни технологій апаратних дигітайзерів технологіями екранного дигітизування.
Екранне дигітизування
При екранному дигітизуванні вихідний попередньо сканований і просторово прив'язаний картографічний матеріал розміщується на задньому плані екрана. Виконується оверлей косметичних шарів, у межах яких, шляхом візуальної ідентифікації оригінальних об'єктів на шарі-підкладці створюють копії – аналоги об’єктів.
Для цифрування різних типів просторових об'єктів використовується спеціалізований інструментарій. В залежності від типу інструментальної ГІС і моделі просторових даних (топологічна, нетопологічна, CAD) формується певний набір таких інструментів і організація інтерфейсу користувача для роботи з ним.
Для будь-якого активного об'єкта або групи об'єктів виконуються операції копіювання в буфер обміну і вставки з буфера обміну, об'єкт може бути переміщений в інше місце робочої області. Також доступними є операції зміни розмірів і пропорцій активного об'єкта, дзеркального вертикального, горизонтального або діагонального перетворення, повороту об'єкта.
По завершенню введення графічного об'єкта створюється новий запис у базі даних, при введенні просторового об’єкта атрибутивна інформація заноситься в базу даних.
3.5. Цифрова топографічна основа земельного кадастру та методи її отримання
Цифрова топографічна основа земельного кадастру (ЦТО ЗК) - це межі об'єктів нерухомості при мінімальному обсязі топографічної інформації. Для кожного об'єкта нерухомості необхідно показати тільки його кадастровий номер.
Топографічна інформація необхідна тільки для того, щоб показати положення об'єкту нерухомості в міському середовищі. Число умовних знаків (об'єктів топографії) для ЦТО ЗК має бути не більше 30.
Цифрова топографічна основа земельного кадастру є просторова модель об'єктів нерухомості в системі координат державного земельного кадастру.
ЦТО ЗК є офіційною державною інформацією та призначається для створення і ведення державного земельного кадастру в автоматизованій інформаційній системі земельного комітету.
Принциповою відмінністю ЦТО ЗК від топографічної карти є вимога відображення (картографування) нерухомості на місцевості на поточний момент. У розширеному розумінні ЦТО ЗК - це система створення і підтримки в актуальному стані просторової (картографічної) моделі (кадастрових) об'єктів нерухомості.
ЦТО ЗК складається з трьох базових і декількох тематичних інформаційних шарів.
Перший базовий інформаційної шар містить інформацію про координати геодезичної мережі населеного пункту і задає метричний простір.
Другий базовий шар містить інформацію про координати меж та кадастрових номерах земельних ділянок.
Третій базовий інформаційний шар містить векторну цифрову карту нерухомості населеного пункту при мінімальному обсязі топографічної інформації.
Кількість тематичних шарів державного земельного кадастру не визначається. У тематичних шарах ЦТО ЗК можуть відображатися: адміністративні та територіальні межі, кадастрове районування, підземні комунікації, сервітути, межі оціночних зон і т. д.
Склад інформації ЦТО ЗК повинен бути мінімально необхідним для підтримки земельного кадастру та забезпечення виконання зазначених завдань. В основному, це контури об'єктів нерухомості при мінімальній топографічної інформації, яка необхідна для розуміння положення об'єкта в просторі.
Кожному об'єкту нерухомості ставиться у відповідність кадастровий номер.
ЦТО ЗК створюється в високоточній місцевій системі координат в розграфці і номенклатурі за прийнятим для земельного кадастру інформаційним забезпеченням.
Точність моделі визначається методами її створення. При аналітичному визначенні координат кутів повороту меж земельних ділянок або об'єктів нерухомості - помилка 5 см відносно найближчого пункту геодезичної мережі. Фотограмметричні методи дозволяють будувати модель з похибкою не гірше 40 см. Оцифровка топографічних карт масштабу 1:500 дозволяє будувати модель з похибкою порядку 20см, а масштабу 1:2000 - 100 см. Тому модель повинна мати векторну форму подання і необхідно вказувати характеристику точності кожного елемента моделі. Це дозволяє почати створювати ЦТО ЗК з оцифрування планів масштабу 1:2000 і поступово уточнюючи положення елементів ЦТО ЗК довести точність положення найбільш важливих елементів до 5 см.
ЦТО ЗК повинна відповідати таким основним вимогам:
- Достовірно та з відповідним масштабом, точністю і повнотою відображати сучасний стан кадастрових об'єктів;
- Забезпечувати визначення координат кадастрових об'єктів з необхідною для ведення земельного кадастру точністю;
- Створюватися в спеціальній системі координат, розграфці і номенклатурі топографічних планів, прийнятих для ведення земельного кадастру;
- Кадастрові об'єкти повинні бути узгоджені за змістом, системою класифікації та кодування, форматам і структурами подання; суміжні плани в цифровому вигляді мають бути зведені за всіма елементами їх змісту, включаючи і кадастрові дані;
- Інформаційний зміст ЦТО ЗК повинен дозволяти автоматизувати виконання основних робіт зі створення і ведення земельного кадастру.
ЦТО ЗК призначена для вирішення наступних завдань:
- реєстрація прав на земельні ділянки;
- облік і відстеження змін (моніторинг) земельних ресурсів;
- контроль використання земельних ділянок;
- економічна оцінка земель;
- інформаційне забезпечення конкурсів і аукціонів земельних ділянок;
- облік і контроль надходжень земельних платежів.
ЦТО ЗК дозволяє:
- показувати положення земельних ділянок в середовищі населеного пункту;
- показувати положення нерухомості щодо земельної ділянки і середовища населеного пункту;
- бути сполучном елементом між різними тематичними шарами банку даних земельного кадастру;
- пов'язувати об'єкти нерухомості з їх адресами (поштовими та МіськБТІ) і земельно-правовими документами, які зареєстровані в земельному кадастрі;
- створювати кадастрові карти на паперових носіях і т.д.
ЦТО ЗК створюються шляхом:
- цифрування існуючих топографічних планів;
- обробки матеріалів аерофотознімання на автоматизованих фотограмметричних комплексах;
- проведення комплексних польових робіт з перетворенням їх результатів в цифрову форму;
- збору та переводу у цифрову форму інформації про кадастрові об'єкти, а також з використанням інших методів створення цифрових топографічних карт і кадастрів.
Ведення в оперативному режимі ЦТО ЗК виконується шляхом:
- введення в базу даних інформації при реєстрації прав землекористувачів;
- введення в базу даних результатів операцій з нерухомістю;
- обробки та аналізу матеріалами аерофотозйомок та космічних знімків;
- польового обстеження, виконавчих топографічних зйомок із залученням додаткових і довідкових матеріалів.
Базовим масштабом топографічних карт населених пунктів є масштаб 1:500. Створення ЦТО ЗК еквівалентної по точності і детальності планом масштабу 1:500 настільки дорогий і трудомісткий процес, що слід починати роботи з масштабу 1:2000. Немає прямого зв'язку між вимогами до топографічних карт і цифрових топографічних карт. Сучасні фотограмметричні методи забезпечують точність порядку 40см, що приблизно відповідає вимогам до топографічних планів масштабу 1: 1000.