Скачать учебники

Тикунов В. С. Геоинформатика. Регулярно-ячеистая (матричная) модель данных. Квадротомическая модель данных

Скачать полную версию учебника (с рисунками, формулами, картами, схемами и таблицами) одним файлом в формате MS Office Word Скачать книгу

Регулярно-ячеистая модель данных. Описанная выше растровая модель данных пригодна для цифрового представления не только пространственных объектов в ГИС, но и изображений. Примерами могут служить цифровые фотоизображения, снятые непосредственно цифровой фотокамерой или полученные путем цифрования аналоговых негативов или фотоотпечатков на сканере хорошего разрешения и далее превращенные (возвращенные) в графику на страницах иллюстрированных журналов или в семейном фотоальбоме. Данные дистанционного зондирования Земли — аэроснимки и космические снимки, получаемые с борта космических платформ и других летательных аппаратов и представляющие собой, как отмечалось ранее, один из основных источников данных для ГИС, в настоящее время в существенной своей части по форме тоже цифровые, образуют класс растровых цифровых изображений, обрабатываемых программными средствами цифровой обработки изображений. Растровой цифровой копией можно назвать оцифрованную на том же сканере бумажную карту, используемую в качестве графической подложки (растровой цифровой карты-основы) в малозатратных геоинформационных проектах.
Во всех перечисленных выше случаях речь идет о цифровых растровых изображениях, образованных множеством его элементов — пикселов, каждому из которых ставится в соответствие значение (код) цвета или спектрального коэффициента яркости объекта съемки. На эти далее неделимые элементы растра «разбивается» и координатная плоскость с пространственными объектами в их растровом представлении. Если атомарной единицей данных при их описании служит элемент «разбиения» территории — регулярная пространственная ячейка (территориальная ячейка) правильной геометрической формы — речь идет о другой, отличной от растровой, хотя и формально с нею схожей, регулярно-ячеистой модели данных. Формальное сходство абсолютно в случае квадратной (прямоугольной) формы ячеек, хотя известны примеры регулярных (или квазирегулярных) сетей (решеток) с ячейками правильной треугольной, гексагональной или трапециевидной формы, равновеликих или квазиравновеликих. При этом сеть может строиться (разумеется мысленно) на плоскости в условных прямоугольных координатах некоторой картографической проекции или на поверхности шара или эллипсоида; в последнем случае регулярными ячейками обычно являются сферические трапеции фиксированного или переменного углового размера. Пример построения сети равновеликих трапеций на сфере (что эквивалентно равновеликой цилиндрической (квадратной) проекции Ламберта) приведен на рис. 7.

Рис. 7. Разбиение сферы на равновеликие трапеции [Картография..., 1994. – С. 95] (доступно при скачивании полной версии книги)

По ряду технологических и технических причин ГИС первых поколений (60-70-е годы XX в.) использовали регулярно-ячеистую модель данных. На рис. 8 дан пример одной из ранних австралийских геоинформационных систем континентального масштаба ARIS, создаваемой с начала 70-х годов, основу которой составляла картографическая БД GRID с представлением данных в ячейках 0,5х0,5 мин и 0,25х0,25 мин и БД EIGHT с 50 тыс. ячеек 1/8х1/8 мин.

Рис. 8. Регулярная сеть картографической БД GRID 0.5 австралийской национальной геоинформационной системы AR1S[Картография..., 1994. — С. 169] (доступно при скачивании полной версии книги)

Размеры ячеек могут быть различны, определяясь необходимым пространственным разрешением, образуя иерархически организованные системы из трех, как в вышеприведенном примере ГИС ARIS, или более вложенных друг в друга территориальных ячеек, соответствующих разным уровням разрешения (рис. 9).

Рис. 9. Иерархическая организация регулярной сети представления данных в информационной системе для регионального планирования Ок-Риджа ORMIS (США) [Computersoftware, 1981] (доступно при скачивании полной версии книги)

Представление данных на основе регулярных пространственных сетей образует основу глобальных цифровых моделей рельефа (ЦМР) Земли ЕТОР05 и GTOPO30. Первая из них содержит более 8 млн высотных отметок в узлах регулярной сети сферических трапеций с размерами 5x5 утл. мин, вторая, более детальная, представляет высоты в узлах трапеций 30х30 с. Аналогичный регулярно-ячеистый принцип организации данных, как будет показано в разделе о цифровом моделировании рельефа, положен в основу американского национального стандарта на цифровую модель рельефа DEM геологической съемки США с хранением высотных отметок по профилям в узлах ячеек 30 х 30 м в системе координат километровой сетки американских топографических карт (в проекции UTM), а также в узлах трапеций разных размеров.
Заметим в заключение, что зачастую в понятие растровой модели данных объединяются как собственно растровые, так и регулярно-ячеистые модели данных, а разница между пикселом (элементом изображения) и регулярной ячейкой (территориальным элементом), четко различаемых, как упоминалось выше, стандартом SDTS, игнорируется. Причина в том, что и те и другие данные могут храниться в идентичных форматах и обрабатываться одними и теми же средствами, не принимая во внимание (за немногими исключениями) семантического различия между ними.
Ранние реализации ГИС (конца 60-х — начала 70-х годов XX в.) ориентировались преимущественно на растровые и регулярно-ячеистые модели данных, что объясняется техническими и технологическими причинами: неразработанностью и непопулярностью векторных моделей в условиях отсутствия или недоступности средств векторного цифрования картографических источников и средств компьютерной графики, используемых в то время в основном в экспериментах по автоматизированному картографированию.

Квадротомическая модель данных. Обычно описание этой своеобразной модели начинают с того, что главный мотив ее использования и поддержки программными средствами ГИС — компактность по сравнению с растровой моделью, расточительной по объемам машинной памяти, требуемой для хранения растровых данных. Рассматривая растровые данные, мы упоминали о возможностях их значительного сжатия. Не меньшей эффективностью при сохранении быстрого доступа к элементам описания пространственных объектов обладает квадротомическая модель данных, основанная на подходе, известном как квадротомическое дерево (квадро-дерево). В его основе лежит разбиение территории или изображения на вложенные друг в друга пикселы или регулярные ячейки с образованием иерархической древовидной структуры — декомпозиции пространства на квадратные участки (квадраты, квадратные блоки, квадранты), каждый из которых делится рекурсивно на четыре вложенных до достижения некоторого уровня пространственного разрешения. Механизм построения квадродерева исходного участка территории с пятью областями (полигонами), которому в растровом представлении соответствовал бы рис. 10, в результате его последовательной (рекурсивной) декомпозиции на квадранты показан на рис. 11.

Рис. 10. Исходный участок территории с пятью областями А, В, С, D и Е (доступно при скачивании полной версии книги)

Рис. 11. Разбиение (декомпозиция) исходного участка (см. рис. 10) на квадранты (1-34) (доступно при скачивании полной версии книги)

На первом этапе деления исходного участка на четыре квадратных блока (см. рис. 11) и одновременном «ветвлении» квадродерева (рис. 12) образуется один неделимый далее элемент № 1 (ему соответствует «лист» дерева на рис. 12) и три «узла» делимых далее квадратов первого уровня иерархии (принимая «корневой» уровень квадратного участка в целом за нулевой). За исключением девяти гомогенных квадратов на втором иерархическом уровне все остальные элементы делятся далее, пока необходимость дальнейшего деления не будет исчерпана на последнем четвертом этапе. Экономия в сравнении с растровой моделью данных очевидна — область Е оказалась представленной одним квадратом под номером 33 (а не 16 элементами растра или ячеек регулярной сети), и ее цифровое описание подразумевает лишь формализованное представление структуры квадродерева. Обычно оно строится на основе так называемой матрицы Мортона, определяющей оптимальный в некотором смысле порядок ее кодирования и физической записи, обеспечивая минимальный последовательный поиск.
Принимая за нулевой уровень иерархии земную сферу в целом, может быть построено глобальное квадротомическое дерево. Известные формулы между пространственным разрешением и уровнем дерева показывают, что уже на 23-м уровне иерархии достигается метровое его разрешение [Картография..., 1994. — С. 98-99].
Линейная квадротомическая модель данных практически реализована в немногих из известных программных средств ГИС. Ее не следует путать с так называемыми пирамидальными моделями, также рекурсивно организуемыми и используемыми при обработке цифровых изображений, включая данные дистанционного зондирования. В отличие от квадродерева, они представляют собой набор растровых слоев изображений с механически двукратно уменьшаемым разрешением, а потому более компактных, искусственно «затрубленных» в целях их быстрого воспроизведения.
Известны трехмерные расширения линейной квадротомической модели — это так называемая октотомическая модель (модель октарного дерева) как результат рекурсивного деления трехмерного пространства на восемь октантов, используемая для цифрового описания тел.
Предлагалась также модель трихотомического дерева с аналогичным квадратомическому делению треугольных элементов.

< Растровая модель данных

Содержание книги "Тикунов В. С. Геоинформатика."

Векторные модели данных >

Скачать полную версию учебника (с рисунками, формулами, картами, схемами и таблицами) одним файлом в формате MS Office Word Скачать книгу

При копировании информации обязательны прямые ссылки на сайт, а также на авторов книг.
Все книги являются собственностью их авторов и служат исключительно для ознакомления.
© Edu-Knigi.ru, 2011. © Дизайн и программирование от студии "ПСГ".