Подготовка растра для геоинформационных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Глава 1 «Принцип перехода с бумажного носителя к цифровому»

Глава 2 «Форматы растровых данных и их особенность»

Глава 3 «Методы подготовки и использования растровых картографических материалов»

Заключение

Библиографический список

Введение

В данной курсовой работе рассматривается подготовка растровых данных для ГИС, с следующих сторон:

- «Принцип перехода с бумажного носителя к цифровому»

- «Форматы растровых данных и их особенность»

- «Методы подготовки и использования растровых картографических материалов»

Это позволит выявить некоторую методику для работы с растрами в Различных Геоинформационных систем.

ГИС -- это системы, предназначенные для сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных данных и связанной с ними информации о представленных в ГИС объектах.

Глава 1 «Принцип перехода с бумажного носителя к цифровому»

Бумажный носитель информации -- любой материальный объект, содержащий информацию, могущий достаточно длительное время сохранять в своей структуре занесённую на него информацию.

В данной работе под бумажным носителем понимается: любого масштаба карту, топоплан, абрис, схему привязки и расположение геодезических пунктов.

Для преобразования бумажного носителя в цифровой необходимо отсканировать бумажный носитель.

Рассмотрим принцип сканирования и некоторые характеристики сканеров.

Сканер (англ. scanner) -- устройство, которое, анализируя какой-либо объекn, создаёт цифровую копию изображения объекта.

Бывают ручные (англ. Handheld), рулонные (англ. Sheet-Feed), планшетные (англ. Flatbed) и проекционные сканеры. Разновидностью проекционных сканеров являются слайд-сканеры, предназначенные для сканирования фотопленок. В высококачественной полиграфии используются барабанные сканеры, в которых в качестве светочувствительного элемента используется фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).

Итак, теперь можно приступать непосредственно к сканированию. Но прежде чем приниматься за работу, следует определиться по крайней мере в двух параметрах:

С какой битностью (глубиной цвета) следует сканировать;

С каким разрешением сканировать.

Ответы на эти вопросы зависят от того, для каких целей будет использована данная карта. Если требования минимальны, то есть карта будет использоваться только для визуального анализа, либо как растровая подложка, которая почти в любом ГИС будет находиться в самом нижнем слое, то можно особо над этим не задумываться. В таком случае достаточно будет того качества, при котором человеческий глаз различает необходимые детали. Как правило, для топографических карт масштаба 1 : 100 000 и

1 : 200 000 достаточно глубины цвета 256 indexed color (8 bpp) и разрешения 300 dpi.

Если возникает желание вытащить из карты максимум возможного, то есть получить возможность математического анализа, полуавтоматической или автоматической векторизации, иметь возможность одновременно просматривать в проектах ГИС множество растровых тем, которые не будут загораживать друг друга аналогично векторным слоям, то с самого начала нужно быть готовым уже на этапе сканирования подходить к обработке исходного материала с величайшей тщательностью и аккуратностью. Описываемые здесь технологии основаны на методе тематического цветоделения, поэтому все требования обусловлены тем, что в конечном итоге мы получаем тематически цветоделённое зарегистрированное растровое изображение.

Для того, чтобы не испытывать дополнительных трудностей в дальнейшей обработке нам понадобится полноцветное изображение. То есть True color -- 24 bit per pixel или выше. Хотя глубины цвета 24 бита на пиксель вполне достаточно. Что же касается разрешения, то существует очень простая формула

д = 2/n

где: д -- разрешение, с которым следует сканировать;

n -- минимальная толщина линии на карте.

То есть, самая тонкая линия, начерченная на карте, должна состоять как минимум из 2 пикселей. Таким образом, для топографических карт, минимальная толщина линий для которых по нормативам составляет 0.1 миллиметра, получаем минимально достаточное разрешение -- 20 пикселей на миллиметр. Или 508 dpi.

Глава 2 «Форматы растровых данных и их особенность»

Во-первых, дадим определение растровому изображению.

Растровое изображение -- это файл данных или структура, представляющая собой сетку пикселов или точек цветов (обычно прямоугольную) на компьютерном мониторе, бумаге и других отображающих устройствах и материалах.

Рассмотрим следующие типы файлов (tiff, bmp, jpeg, gif, png).

Формат TIFF

Формат TIFF (Tagged Image File Format -- формат файлов изображений, снабженных тегами) является одним из наиболее широко распространенных форматов, используемых при подготовке графики. Этот формат является фактически стандартом для подготовки изображений в полиграфии. Файлы этого формата обычно имеют расширение TIF или TIFF.

TIFF является одним из наиболее сложных по своей внутренней структуре форматов. Файлы TIFF начинаются с заголовка файла изображения (IFH -- Image File Header), имеющего длину 8 байтов. Заголовок файла содержит блок, называемый каталогом файла изображения (IFD -- Image File, Directory). Этот блок позволяет графическим программам определить внутреннюю структуру файла.

В файле формата TIFF изображение может храниться в цветовых моделях CMYK, RGB, Lab в режиме индексированных цветов, а также в виде оттенков серого (grayscale). Это позволяет использовать формат для хранения самых разных изображений, применяемых как для подготовки web-графики, так и в полиграфииМаксимальное число битов, которыми описывается один пиксел изображения в формате TIFF, составляет 24. Это позволяет закодировать до 16 777 216 цветов.

Формат BMP

Формат BMP также может использоваться для хранения данных без потери качества. Этот формат является собственным форматом Windows и используется для целей системы. По сути дела, любое приложение, использующее графический интерфейс Windows, имеет в своем составе средства для открытия, редактирования и сохранения BMP-файлов.

В формате BMP можно сохранять изображения с глубиной цвета (числом битов, описывающих один пиксел изображения) 1, 4, 8 и 24 бита, что соответствует максимальному числу используемых цветов 2, 16, 256 и 16 777 216 соответственно. Файл может содержать палитру, определяющую цвета, отличные от принятых в системе.

В отличие от таких форматов как TIFF или PSD, в формате BMP не предусматривается использование системы цветокоррекции. Это значит, что вы не сможете гарантировать того, что получатель вашего файла увидит цвета изображения такими, какими вы их определили (предположите, к примеру, что у вашего коллеги монитор настроен на меньшую или большую, чем у вас, яркость).

Если вы работаете с изображением в режиме RGB, то BMP-файл может иметь глубину цвета 16, 24 или 32 бита. Режимы градаций серого и индексированных цветов позволят вам сохранять файлы с глубиной цвета 4 и 8 битов, а также использовать сжатие изображения. Черно-белые изображения (режим bitmap) сохраняются в формате BMP с глубиной цвета один бит. Сжатие для таких файлов не производится. В окне выбора режима сохранения файла в формате BMP (см. рис. 1.2) есть кнопка Advanced Modes (Расширенные режимы). Нажав ее, вы можете выбрать режим сохранения с учетом специальных параметров.

В общем, формат BMP позволяет сохранять изображения с достаточным качеством и глубиной цвета, но он не позволяет использовать цветокоррекцию, хранить слои и другие элементы изображений. Поэтому он используется редко, в основном как конечный формат при подготовке графики для Windows.

Формат JPEG

Основная особенность формата JPEG -- высокая степень сжатия данных, достигаемая за счет сжатия с потерями. То есть часть данных во время сжатия отбрасывается. Это приводит к снижению качества картинки (теряются мелкие детали, появляются разводы и муар), но позволяет достичь хорошего сжатия изображения. Разумеется, такой подход неприменим к чертежам, схемам и другим видам графики, требующим передачи четких линий и надписей.

Формат GIF

Формат GIF был разработан компанией CompuServ специально для передачи цветных изображений по компьютерным сетям. Разработчики стремились создать формат, который позволял бы передать изображение на компьютер пользователя за кратчайшее время. Сейчас наиболее широко используются спецификации этого формата GIF87 и GIF89a (цифры обозначают, год выпуска стандарта).

Прежде всего следует сказать несколько слов о сжатии изображения. GIF был и остается одним из немногих широко распространенных форматов, поддерживающих передачу сжатых данных. Следует заметить, что скорость передачи данных определяется в первую очередь их размером. То есть для увеличения скорости передачи надо уменьшить размер передаваемых файлов.

Cохранение полноцветных изображений в этом формате -- бесперспективное занятие, однако, хотя число цветов ограничено, сами цвета могут быть любыми. Они задаются тремя цветовыми составляющими, на каждую из которых отводится по одному байту. Это позволяет определить 16 777 216 цветов.

Глава 3 «Методы подготовки и использования растровых картографических материалов»

В настоящее время современные технологии создания и обработки цифровой картографической продукции в основном базируются на использовании растровых картографических материалов. На начальном этапе при проектировании и создании Геоинформационных Систем геокодированные растры представляют самый дешевый способ получения полной визуальной информации о местности. Сочетание векторных и растровых слоев позволяет полноценно и иногда оптимально сочетать методы пространственного и визуального анализа картографической информации при принятии решений. Поэтому к растровой картографической информации также как и к векторной предъявляются достаточно жесткие требования. В каждом конкретном случае эти требования разные и зависят от задач, которые будут решаться с использованием данной информации.

В настоящий момент единственным оптимальным способом получения высококачественных растров является сканирование исходной картографической информации.

При создании цифровой картографической продукции в основном используются следующие исходные материалы:

Диапозитивы постоянного хранения (ДПХ);

Прозрачные пластики;

Планшеты на жесткой основе;

Цветные тиражные оттиски (ЦТО);

Ксерокопии с исходных оригиналов.

Технологическая схема получения растровых материалов состоит из следующих этапов:

Сканирование;

Коррекция цветов;

Подготовка к трансформированию и трансформирование;

Создание производных растровых материалов;

1. Сканирование

Основными требованиями при подготовке растровых картографических материалов для создания цифровых карт являются:

Объем информации;

Дискретность сканирования;

Достаточная (оптимальная) цветовая передача;

Выбор оптимального дискрета сканирования черно-белых (бинарных) оригиналов в основном зависит от толщины минимальной линии на исходном материале. Обычно наиболее оптимальный дискрет сканирования определяется по формуле (Минимальная_Толщина_линии/2). Таким образом, при сканировании топографических карт, где по нормам минимальная толщина линии составляет 0,1-0,15 миллиметров, оптимальная цена дискрета сканирования составляет 50 мкм или 0.05 мм ~ 600 dpi. Для сканирования оригиналов кадастровых съемок достаточно дискрета 100 мкм = 0,1мм ~ 360 dpi, так как минимальная толщина линии оригинала равна 0,2-0,25 мм.

2. Коррекция цветов

Главной задачей обработки цветных тиражных оттисков является получение бинарных изображений наиболее соответствующих диапозитивам постоянного хранения. Цветная линия состоит из основной скелетной линии и ореолов. При подготовке цветных материалов к цифрованию выбор дискрета сканирования определяется толщиной общего цветового пятна, из которого можно сделать бинарный слой. Требования к толщине скелетной линии должны быть не хуже чем требования к линиям на черно-белых оригиналах. Ореолы это граница перехода от одного цвета к другому. Они используются для смягчения границ при отображении растровых картинок. При получении бинарного изображения ореолы могут, как помогать, так и мешать процессу качественного выделения линии. Главным критерием борьбы с ними является устранение слипаний близко расположенных элементов содержания. Чем выше дискрет сканирования, тем легче происходит обработка границ и борьба с ореолами. В нашей компании за основу принят дискрет сканирования 50 мкм. Выбор такого дискрета позволяет получить изображение с тремя пикселями в скелетной части линий и двумя пикселями в ореолах. Этого вполне достаточно для получения качественной линии при трассировке.

При сканировании черно-белых оригиналов требования к цветовой передаче определяются настройками яркости и контрастности сканера. Более точные настройки позволяют устранить лишний шум и выбрать наиболее качественные параметры для последующей трассировки.

При сканировании цветных оригиналов требования к цветовой передаче определяются глубиной цвета, которая оптимально передает информативность отсканированного изображения. В связи с тем, что карта в основном печатается в 4, 6 или 8 красок, где каждая краска является информационным слоем, в нашей компании выбрана технология сканирования с глубиной цветовой передачи в 256 цветов из оптимизированной палитры. Данный режим позволяет без потери качества сократить объем занимаемого дискового пространства, что существенно при обработке больших объемов информации. Но встречаются достаточно сложные оригиналы, например с высокогорным рельефом, где расстояние между линиями составляет менее 0.1 мм. Для таких сложных оригиналов применяется технология TRUE COLOR, что позволяет более качественно сгустить цвета.

Одной из главных проблем обработки цветной растровой информации является бланкирование пересекающихся слоев. Устранение бланкирования полностью приводит к соответствию растровых слоев цветной карты слоям диапозитивов постоянного хранения.

Если векторизовать отсканированный набор и набор прошедший последующую обработку, то временная разница, при прочих равных условиях составляет до 30%.

3. Подготовка к трансформированию и трансформирование

Трансформирование растрового картографического материала необходимо:

для устранения погрешностей исходного материала;

для устранения погрешностей возникших в результате сканирования;

для преобразования в производные проекции;

для совмещения различных слоев.

При создании цифровых карт существует два способа подготовки материалов к цифрованию:

Если заказчику необходим растр. Деформируется исходный растровый материал. Передается заказчику для контроля. Выполняется оцифровка уже по деформированному материалу. (Самый дорогой способ)

Если заказчику растр не нужен. Выполняется оцифровка на существующем растре. Выполняется деформация векторного материала. Производится контроль деформации. Передается заказчику для работы.

Основной претензией заказчиков бывает недовольство, связанное с непосадкой векторного материала на растровый. Данная проблема возникает в результате применения различных методов деформирования картографической основы Заказчиком и Исполнителем. В первом случае (п.1) исполнитель защищает себя от претензий Заказчика передачей и растра и вектора, которые находятся в единой системе координат. Во втором случае исполнитель не защищен от претензий, так как растр, который заказчик получает сам, может быть деформирован по другой схеме и не соответствовать векторному материалу. Большую часть времени при решении данной проблемы приходится уделять согласованиям и выяснению отношений, кто сделал деформацию корректней. Данная проблема решается только строгим оформлением договоров.

Для трансформирования материалов в нашей компании используются следующие методы:

Линейное трансформирование по четырем точкам с учетом угла поворота;

Нелинейное трансформирование с использованием опорных точек (коэффициентов);

Ручное выравнивание взаимного расположения цветовых слоев;

Первый метод наиболее быстрый и простой. Но в связи с тем, что данный метод применим только к высококачественным исходным оригиналам (ДПХ), он используется очень редко.

Второй метод наиболее универсален и может применяться к различным видам цифровой картографической продукции. Трудоемкость его заключается в наборе и проверке правильности введения набора опорных точек. Для упрощения ввода опорных точек созданы специальные программы, которые предлагают ввод следующей точки на основании экспертного анализа уже введенных. Построение выходных опорных точек (математических) формируется автоматически на основании параметров выходной проекции, в которую будет трансформироваться цифровой материал. Чем больше опорных точек будет построено на карте, тем точнее будет получен результат трансформирования. Как пример - для трансформирования стандартных топографических карт масштаба 1:200 000 используется около 180 опорных точек. Но есть и недостаток в данном методе. Чем больше опорных точек будет использоваться, тем медленнее будет идти процесс обработки, так как на каждую точку будет выполнено N операций. Процесс трансформирования соответственно существенно увеличивается.

Третий метод применяется исключительно к слоям растровых цифровых карт созданных по цветным тиражным оттискам. Так как цифра расхождения слоев при печати (на точных топографических картах) иногда достигает трех и даже пяти миллиметров, приходится слои совмещать вручную.

4. Создание производных растровых материалов

Под построением производных растровых материалов подразумевается:

геокодирование и приведение к единому масштабу растров с различной дискретностью;

построение растровых мозаик;

сшивка растровых материалов;

подготовка единых растровых наборов;

приведение к единой палитре;

Сшитые растровые картографические материалы обладают всей полнотой и наглядностью исходных карт и превосходят векторные карты своей низкой себестоимостью изготовления. Растровые карты - это идеальный материал для нанесения специальной нагрузки. Главным преимуществом есть то что, не дожидаясь получения векторной карты, за сравнительно небольшие деньги Заказчик может получить материал для оценки местности при подготовке договоров. Недостатком таких карт есть большое занимаемое дисковое пространство и отсутствие работы с запросами.

Растровые карты могут быть отсканированы с различной дискретностью и палитрой. Приведение их к единой системе координат без потери изобразительного качества называется геокодированием. Так как в основном растровые наборы состоят из чередований битов или байтов, процесс геокодирования сводится к прописке в паспорте растрового набора координатной системы, в которой он будет отображаться. В связи с тем, что растровые матрицы прямоугольные, многие растровые форматы позволяют хранить рамку или отсекающую область для вывода только той информации, которая находится внутри. Этот одно из важных условий для построения мозаик. Пример, отключение вывода зарамочного оформления.

Важным фактором при построении геокодированных растровых изображений является формат хранения. Компании идут разными путями при выборе форматов. Строят свой либо расширяют существующий. Наиболее удобным для расширения является формат TIFF. Используя теговую структуру хранения информации в нем можно разместить все данные о координатах и рамке набора. На его основе создан формат GEOTIF.

Из опыта прошлых лет видно, что многие компании хотели использовать единые сшитые растровые материалы. Наборы занимали много места. Были трудно вращаемые и не удобные в использовании.

В данный момент тенденция развития стремится к построению мозаик.

Удобство мозаик заключается в распределенном доступе к информации. Растры могут находиться на разных компьютерах и в различных видах, в том числе и в архивных. Многие геоинформационные системы поддерживают обработку мозаик в своих проектах. Одна из главных задач решаемых нашей компании это профессиональная подготовка растровых картографических мозаик для использования в ГИС проектах.

растровый картографический материал

Заключение

В заключение хотелось бы сказать следующее, при написании этой курсовой работы было рассмотрено очень большое количество технологических процессов, для корректной и качественной подготовки растра для разных ГИС, были рассмотрены оптимальные типы файловых основ для хранения и работы с растрами, а так же в главе 3 подробно разобрана методика подготовки и использования растровых картографических материалов.

Библиографический список

1 Дзюба А.К, АО “ЦКМ” Методы подготовки и использования растровых картографических материалов

2 Как добавить растровую картинку - http://www.geofaq.ru/art/1addraster.shtm

3. Особенности визуализации изображений с учетом и без учета нулевых значений в его статистике http://gis-lab.info/qa/hist-zeroes.html

4. Сравнение степени сжатия у разных форматов http://lit999.narod.ru/images.html

5 Типология сканеров -http://www.gsi.ru/good.php?id=1239

6 Форматы растров - http://www.compdoc.ru/grafics/photoshop/web/3.shtml

Размещено на Allbest.ru