GIS

GIS – SYSTEMY INFORMACJI GEOGRAFICZNEJ
DANE RASTROWE W ANALIZACH PRZESTRZENNYCH
PLAN PREZENTACJI
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
RODZAJE DANYCH RASTROWYCH
OPERACJE NA DANYCH RASTROWYCH
METODY KOMPRESJI DANYCH RASTROWYCH
ALGORYTMY RASTERYZACJI DANYCH WEKTOROWYCH
LOKALNE DRZEWA CZWÓKOWE DLA DANYCH RASTROWYCH
BUFOROWANIE DANYCH WEKTOROWYCH I RASTROWYCH
ALGORYTM OKREŚLANIA PUNKTU PRZECIĘCIA DWU ODCINKÓW
ALGORYTM INDEKSOWANIA Z WYKORZYSTANIEM R DRZEW
PODZIAŁ WIDMA ELEKTROMAGNETYCZNEGO
ZMIANA REPREZENTACJI WEKTOROWEJ NA RASTROWĄ RASTERYZACJA
Przykład obiektów powierzchniowych:
- wybór kodów obiektów powierzchniowych
- nałożenie siatki rastra
- identyfikacja pikseli, których środki przypadają na obszarze danego obiektu
- kodowanie wartości piksela zgodnie z kodem obiektu, na obszarze którego dany piksel się
znajduje
RESAMPLING
Możliwe metody resamplingu, aproksymacji pixeli w przypadku gdy rozciagamy, bądź kurczymy
obraz:
1. Nearest neighbor (Box)
2. Bilinear (Triangle)
3. Hermite
4. Bell
5. B-Spline
6. Lanczos3
7. Mitchell
ALIASING, SUPERSAMPLING (NADPRÓBKOWANIE)
KONWERSJA DANYCH WEKTOROWYCH DO POSTACI RASTRA RASTERYZACJA
Punkty
Vector
Raster
Krzywe prostopadłe
Krzywe dowolne
(problem trudny)
Rasteryzacja (ang. rasterization or scan-conversion)
Zamiana ciągłej funkcji 2D na funkcję dyskretną (np. rysowanie okręgu na podstawie
równania okręgu). Problem sprowadza się do wyboru pikseli, którym trzeba nadać
kolor, aby w efekcie otrzymac wymagany kształt geometryczny.
Rasteryzacja polega na odwzorowaniu w jak najwierniejszy sposób idealnego prymitywu
geometrycznego (punkt, odcinek, trójkat, wielokat) na dyskretnym zbiorze punktów,
reprezentujacych piksele ekranu. Zagadnienie rasteryzacji jest przykładem ogólnego problemu
próbkowania i reprezentacji sygnału ciagłego przez sygnał dyskretny. W tym przypadku
sygnałem ciagłym jest obraz idealnego prymitywu. Do procesu rasteryzacji mozna zaliczyć
takie operacje jak np. eliminacje powierzchni ukrytych, określanie oświetlenia, zapis pikseli do
pamięci, itp.
Pożądane cechy algorytmów rasteryzacji
minimalny błąd aproksymacji
mozliwość redukcji efektu postrzępienia krawędzi (aliasing)
mozliwie najniższa złożoność czasowa i obliczeniowa (unikanie złożonych operacji
arytmetycznych)
mozliwość efektywnej implementacji sprzętowej
ALGORYTM RYSOWANIA LINII PROSTEJ - ODCINKA
Algorytm wprowadzony przez Xiaolin Wu w 1991 roku jest alternatywa dla algorytmu
Bresenhama w przypadku gdy chcemy uzyskac linie wraz z antyaliasingiem.
W przypadku algorytmu Bresenhama linia jest malowana najszybciej jednak wprowadzenie
dopiero pózniej antyaliasingu jest bardzo kosztowne pod wzgledem czasu. Algorytm Wu
nie posiada tej wady gdyż rysuje linie od razu wprowadzajac antyaliasing.
(rysunek pochodzi z
http://escience.anu.edu.au/lecture/cg/Line/printCG.en.html)
FORMATY DANYCH RASTROWYCH
Obraz rastrowy zapisywany jest najczęściej w formatach cyfrowych :
– TIFF (Tag Image File format)
– GIF (Graphics Interchange Format)
– JPEG (Joint Photographic Experts Group)
– EPS (Encapsulated PostScript File Format)
GIF (GIF87a, GIF89a)
Rozwinięty przez CompuServe i UNISYS
Pozwala na prezentację 8-bitowego koloru
Uzywa kompresji bezstratnej (LZW)
Pozwala na wyświetlanie z przeplotem
GIF89a pozwala na zapis animacji
JPEG
Rozwinięty przez Joint Photografic Expert Group
Wykorzystuje ograniczenia wzroku ludzkiego dla uzyskania
lepszej kompresji; kompresja stratna
Pozwala na odwzorowanie koloru 24-bitowego
Bardzo dobrze nadaje się do zapisu zdjęć i naturalnych obrazow
Użytkownik określa jakość/stopień kompresji
TIFF (Tagged Image File Format)
Opracowany przez Aldus Corp. (1986) poźniej wspierany przez
Microsoft, pomyślany jako mechanizm wymiany danych
rastrowych w sposob niezależny od platformy
Pozwala na zapis wielu rożnych typow obrazow
Bez kompresji lub kompresja bezstratna
Postscript/PDF
Produkt Adobe, specjalny język opisu strony
Pozwala na włączanie tekstu, grafiki wektorowej, bitmap
Nie ma wbudowanej kompresji, często bardzo duże pliki
PNG
Powstał jako reakcja na wprowadzenie opłat za używanie GIF
Może prezentować wszystkie typy grafiki rastrowej
Trochę lepsza kompresja niŜ GIF (kompresja bezstratna)
2-wymiarowy przeplot
Brak możliwości animacji
FORMAT PLIKÓW BITMAP
FORMAT PLIKU TIFF
Dostępne formaty plików rastrowych (oprogramowanie ArcGIS)
Format
Opis
Rozszerzenie(a)
Arc Digitized Raster Graphics (ADRG)
Rozprowadzane na CD–ROM przez US NIMA. Format
ADRG stanowi format z odniesieniem geograficznym z
wykorzystaniem systemu tzw. the equal arc-second raster
chart/map (ARC) system - w którym kula ziemska została
podzielona na 18 południkowych stref (latitudinal bands or
zones). Dane zawierają obrazy rastrowe wygenerowane
przez urządzenia skanujące..
Różne pliki:
Data file—extension *.img or *.ovr
Legend file—extension *.lgg
Band Interleaved by Line (ESRI BIL), Band Interleaved by
Pixel (ESRI BIP), Band Sequential (ESRI BSQ)
Format zapewnia metodę odczytu i wyświetlenia
nieskompresowanych, BIL, BIP, and BSQ danych
rastrowych. Tworzenie pliku ASCII z opisem kompozycji
danych rastrowych, danych czarno-białych, danych w skali
szarości, pseudo kolorze oraz danych rastrowych
wielopasmowych wyświetlanych bez konieczności konwersji
do formatu zastrzeżonego.
Różne pliki:
Data file—extension *.bil, *.bip, or *.bsq
Header file—extension *.hdr
Colormap file—extension *.clr
Statistics file—extension *.stx
Bitmap (BMP), Device-Independent Bitmap format (DIB), or
Microsoft Windows Bitmap
Pliki BMP jako Windows bitmap images.
Pojedyńcze rozszerzenie *.bmp
Compressed ARC Digitized Raster Graphics (CADRG)
Rozprowadzane na CD–ROM przez US NIMA. Format
CADRG stanowi format z odniesieniem geograficznym z
wykorzystaniem geograficznego odniesienia z
systemem tzw. the equal arc-second raster chart/map
(ARC) system - w którym kula ziemska została podzielona
na 18 południkowych stref (latitudinal bands or
zones)..Dane zawieraja obrazy rastrowe wygenerowane
przez obrazy rastrowe.
Pojedyncze rozszerzenie—brak standardowego
rozszerzenia.
Choose to search all files or add your file extensions to
ArcCatalog.
Controlled Image Base (CIB)
Panchromatyczne (grayscale) obrazy z wykonaną
georeferencją - kalibrowaniem - oraz korekcją zniekształceń
topograficznych wzniesień rozprowadzana przez US NIMA.
Podobne do cyfrowych ortozdjęć (quads), z podobnymi
zastosowaniami —takimi jak podstawa do innych zdjęć lub
danych lub jako proste mapy.
Pojedynczy plik—brak standardowego rozszerzenia.
Digital Geographic Information Exchange Standard
(DIGEST):
Arc Standard Raster Product (ASRP), UTM/UPS Standard
Raster Product (USRP)
Dane DIGEST są cyfrowymi replikami graficznych
produktów zaprojektowanych do pokrycia mapy świata.
Dane ASRP są przekształcane na system the Equal ArcSecond Chart/Map (ARC) system - dzielą powierzchnię
ziemi na strefy południkowe. Dane USRP data odnoszą się
do układu współrzędnych UTM lub UPS.. Oparte są na
WGS 1984 datum.
Różne pliki:
Main raster image—extension *.img
General information file—extension *.gen
Georeference file—extension *.ger
Source file—extension *.sou
Quality file—extension *.qal
Transmission header file—extension *.thf
Digital Terrain Elevation Data (DTED) Level 0, 1 & 2
Stworzony przez National Imagery and Mapping Agency
(dawne Defence Mapping Agency—DMA).
Single file—various file extensions *.dt0, *.dt1, *.dt2
All possible file extensions are available by default (*.dt0,
*.dt1, *.dt2).
ER Mapper
Zastrzeżony format rastrowy firmy ER Mapper, tworzony
przez pakiet oprogramowania obróbki zdjęć - ER Mapper.
Różne pliki:
Nagłówek—extension *.ers
Plik danych — zwykle taki sam plik nagłówka *.ers
rozszerzenie, jednak możliwość dowolnego rozszerzenia
zdefiniowanego w pliku naglówkowym.
Graphics Interchange Format (GIF)
Popularny w szeregu zastosowaniach, m.in Internet
Pojedyncze rozszerzenie — extension *.gif
ERDAS 7.5 GIS
Tematyczne obrazy jednopasmowe tworzone przez
oprogramowanie ERDAS 7.5 image processing software.
Różne pliki:
Plik danych — extension *.gis
Plik mapy kolorów — extension *.trl
ESRI GRID
Format zastrzeżony firmy ESRI wspierający 32-bitowe
liczby całkowite oraz 32-bitowe liczby zmiennoprzecinkowe
jako dane rastrowych siatek. Siatki wykorzystywane są do
reprezentowania geograficznych obiektów i zjawisk
zmieniających się w sposób ciągły w przestrzeni oraz do
modelowania przestrzennego i analiz przepływu.
Katalog Colormap file—extension *.clr
ESRI GRID Stack
Wykorzystywany jako odniesienie do pewnej liczby plików
siatek ESRI GRID jako zbiór wielopasmowy. Stos
przechowywany w strukturze katalogowej, podobnej do
siatki lub modelu coverage.
Katalog
ESRI GRID Stack file
Wykorzystywany do odwołania do wielu plików siatek ESRI
GRIDs jako zbioru wielopasmowego siatek rastrowych
Pojedynczy plik, rozszerzenie —*.stk
ERDAS IMAGINE
Wykorzystywany i tworzony przez IMAGINE oprogramowanie obróbki obrazów stworzone przez
firmę ERDAS. Pliki IMAGINE mogą być przechowywane w
postaci ciągłej oraz dyskretnej, jako dane jedno lub
wielopasmowe.
Pojedynczy plik—extension *.img
Integraph Raster Files:
CIT - Binary data; COT Grayscale data
Format zastrzeżony firmy Integraph dla 16-bitowych
obrazów rastrowych (CIT), oraz 8-bitowych (bez znaku)
(COT).
Multiple files:
Binary imagery— extension *.cit
Grayscale imagery—extension *.cot
JPEG File Interchange Format (JFIF)
Standardowa kompresja kolorowych obrazów oraz obrazów
w skali szarości.
Single file, possible file extensions of *.jpg, *.jpeg, *.jpe
ArcCatalog only recognizes the .jpg file extension by
default. To add .jpeg or .jpe files to ArcMap without
renaming them, add those file extensions to ArcCatalog or
drag those files from Windows Explorer into your map.
Joint Photographic Experts Group version 2000 (JPEG
2000)
Technika kompresji szczególnie przydatna do zachowania
jakości dużych zdjęć. Umożliwia duży stopień kompresji i
szybki dostęp.
Pojedyncze rozszerzenie—extension *.jp2
ERDAS 7.5 LAN
Jedno- lub wielopasmowe ciągłe obrazy w formacie
oprogramowania ERDAS 7.5.
Różne pliki:
Plik danych—extension *.lan
Colormap file—extension *.trl
Multi resolution Seamless Image Database (MrSID)
Format wykorzystujący kompresję szczególnie
przydatny do obsługi dużych zdjęć z zachowaniem
odpowiedniej jakości. Możliwa kompresja z dużym
współczynnikiem kompresji i szybki dostęp do dużej
liczby danych w dowolnej skali.
Pojedyncze rozszerzenie—extension *.sid
ArcSDE Rasters
Format danych rastrowych przechowywanych w
bazach ArcSDE.
Przechowywane w bazie SDE
Tag Image File Format (TIFF) (obsługa tagów
GeoTIFF)
Szeroko stosowany format prezentacyjny i
publikacyjny.
Single file, possible file extensions *.tif, *.tiff, *.tff
ArcCatalog only recognizes the .tif file extension by
default. To add .tiff or .tff files to ArcMap without
renaming them, add those file extensions to
ArcCatalog or drag those files from Windows
Explorer into your map.
ERDAS RAW
Metoda odczytu i wyświetlania plików
sformatowanych w sposób możliwy do opisu przez
niewielką liczbę parametrów. Poprzez utworzenie
pliku opisu ASCII istnieje możliwość wyświetlania bez
znajomości formatu zastrzeżonego (ERDAS IMAGE).
Pojedyncze rozszerzenie—extension *.raw
Portable Network Graphics (PNG)
Przenośny format, z dobrą bezstratną kompresją,
dobrze udokomentowany. Możliwe że zastąpi format
gif.
Pojedyncze rozszerzenie—extension *.png
National Image Transfer Format (NITF)
Rozwijany przez NIMA standard obrazów i danych.
Początkowo standard w organizacjach rządowych,
obecnie również cywilnych.
Pojedyncze rozszerzenie—extension *.ntf
RASTER ROZDZIELCZOŚĆ
ROZDZIELCZOŚĆ to liczba pikseli (w obrazku) lub kropek (w urządzeniach).
PPI (pixels per inch) ilość pixeli na cal w obrazku. Jednostka podobna do dpi, jednak zamiast
ilości kropek (plamek farby drukarskiej) liczymy w niej ilość pikseli. Rozdzielczość obrazka
ustawiamy w zależności od przeznaczenia (sposobu prezentacji):- WWW, Microsoft PowerPoint 72 ppi.- Druk offsetowy - 2x ilość linii rastra.
LPI (lines per inch) ilość linii punktów rastra (pikseli, lub plamek) na cal. Inna nazwa to liniatura
rastra. Jest to parametr ustalany w drukarni (zależy od sprzętu drukarskiego, jakości papieru,
techniki druku - tutaj zajmujemy się techniką offsetową).
DPI (dots per inch) ilość kropek na cal, czyli rozdzielczość urządzenia wyjściowego. Wykaz
urządzeń i ich rozdzielczości: monitor - 72 dpi; drukarka 150 - 1200 dpi; naświetlarka 2400 dpi.
RASTER ROZDZIELCZOŚĆ
1 cal = 2,54 cm
250 DPI = 25.4 mm
1 piksel = 25.4/250 = 0.1 mm
Mapa w skali 1:500
1 piksel = 0.1mm x 500 = 5 cm
Mapa w skali 1:1000
1 piksel = 0.1mm x 1000 = 10 cm
Mapa w skali 1:10 000
1 piksel = 0.1mm x 10000 = 1 m
RODZAJE DANYCH RASTROWYCH
Satellite Imagery – zobrazowania satelitarne
Digital Elevation Models – modele DEM
Digital Orthophotos – cyfrowe ortozdjęcia
Digital Raster Graphics – format danych rastrowych
Binary Scanned Files – zeskanowane mapy i zdjęcia
Graphic Files – pliki graficzne
GIS Software – formaty specyficzne dla konkretnych dostawców oprogramowania
ZOBRAZOWANIA SATELITARNE
Landsat 7 Enhanced Thematic Mapper-Plus (ETM+): 15m rozdzielczość
panchromatic, i 30m wielospektralne.
ASTER: 15m rozdzielczość w paśmie widzialnym i bliskiej podczerwieni, 30m
in podczerwienikrótkofalowej, and 90m w podczerwieni cieplnej.
AVHRR: 1.1km rzzdzielczość.
SPOT: 5 i 2.5m rozdzielczość jednopasmowe, i 10m wielopasmowe.
Ikonos: 1m rozdzielczość panchromatyczna, and 4m wielospektralne.
QuickBird: 61cm rozdzielczość panchromatyczna, i 2.44m wielospektralna.
DATA ELEVATION MODELS - DEM
The 7.5-minute DEM
The 30-minute DEM
The 1-degree DEM
Alaska DEMs
Dane dostawców innych niż USGS DEMs
Dane regionalne i globalne DEMs
DIGITAL ORTHOPHOTOS – ORTOZDJĘCIA CYFROWE
Ortozdjęcie (digital orthophoto quad - DOQ) jest cyfrowym obrazem otrzymanym z
zdjęcia lotniczego lub innych danych zdalnych, w którym zniwelowane zostały
zniekształcenia spowodowane nachyleniem urządzenia rejestrującego – kamery
oraz rzeźbą terenu.
Ortozdjęcia zawierają informacje o położeniu na powierzchni Ziemi i mogą być
rejestrowane z innymi mapami.
DIGITAL RASTER GRAPHICS
DRG – (A digital raster graphic - DRG) jest zeskanowanym obrazem z map
topograficznych USGS.
Rozdzialczość USGS DRG rzędu of 2.4 metrów.
DIGITALIZACJA
Skanowanie
Wektoryzacja (Raster to Vector)
Optical Character Recognition (OCR)
Digitalizacja na ekranie monitora (On-screen digitization)
Digitalizacja na oryginalnym materiale (tablet or table)
STRUKTURY DANYCH RASTROWYCH I KOMPRESJA RASTRA
Cell-by-cell structure - komórka - komórka
Run length encoding – kodowanie długości serii
Chain codes – kody łańcuchowe
Block codes – kody blokowe
Regional quad tree – lokalne drzewa czwórkowe
Cell-by-Cell
komórka - komórka
KODOWANIE SERII – RUN LENGHT ENCODING
Row 1: 5,6
Row 2: 4,6
Row 3: 3,7
Row 4: 3,7
Row 5: 3,7
Row 6: 2,7
Row 7: 2,7
KODY ŁAŃCUCHOWE – CHAIN CODES
Start
N1, E1, N3, E1, N1, E1, N1, E1, S2, E1, S4, W5
KODY BLOKOWE
(7,1), (6,1), (2,3) – BLOKI O DŁUGOŚCI 1
(2,4) – BLOK O DŁUGOŚCI 4
(7,2) – BLOK O DŁUGOŚCI 25
LOKALNE DRZEWA CZWÓRKOWE
LOKALNE DRZEWA CZWÓRKOWE
PROJEKTOWANIE SILNIKA DANYCH TOPOLOGICZNYCH- PODSTAWOWE
RODZAJE OPERACJI W SYSTEMACH GIS
a. Database Query – zapytania do baz danych
- powierzchnia, średnica, atrybuty
b. Overlay - nakładkowanie
- porównanie różnych warstw
c. Algebra
- modyfikowanie: dodawanie, odejmowanie, mnożenie, dzielenie
d. Transformacje
-modyfikacja poprzez odwzorowanie, ukląd odniesienie
e. Klasyfikacje
-dissolve, group, merge, generalize
f. Distance - odległości
- powierzchnie kosztu, odleglóść od obiektów, buforowanie
g. Network - sieci
-hydrologiczne, transportowe, migracje zwierząt
h. Statistics - statystyka
-filterowanie, wygładzanie, tworzenie powierzchni 3D (analiza powierzchni)
i. Modeling
-e.g. rozprzestrzenianie pożarów: rodzaj pożaru (las, budynki), prędkość wiatru, kierunek, topografia
TWORZENIE B DRZEW
WSTAWIANIE ELEMENTÓW DO B - DRZEWA
R DRZEWA - IMPLEMENTACJA
WYSZUKIWANIE W R-DRZEWIE
Ponieważ prostokąty ograniczające węzłów na tym samym poziomie mogą mieć część wspólną, wyszukiwanie może wymagać
sprawdzenia w danym węźle więcej niż jednego węzła potomnego
SEARCH (N NODE, E OBJECT)
Jeżeli N nie jest Węzłem liściem:
Dla każdego węzła potomnego wywołaj SEARCH(child R1, r2, R3)
w przeciwnym razie sprawdź zawieranie się punktu w MBR węzła R1, R2, R3 – zwóć wynik
CHOOSELEAF(E OBJECT) – wyszukuje miejsce w drzewie – w danym węźle, gdzie należy wstawić dany obiekt
Z M +1 elementów i tworzy dwie grupy
LINEAR SPLIT:
LS1: Wybierz dwa pierwsze elementy z zastosowaniem LinearPickSeeds
LS2: Jeżeli wybrano wszystkie elementy, zakończ działanie. Jeżeli jedna z grup ma poniżej ustalonego m minimum elementów,
tak że wszystkie pozostałe elementy muszą zostać do niej dodane, żeby spełniony został warunek minimum liczby
elementów w grupie – dołączyć do tej grupy
LS3: Wybierz element do dodania do 2 grup. Wybierz ten element losowo z jeszcze nie Przydzielonych. Dodaj do grupy, której
prostokąt ograniczający będzie musiał zostać Powiększony najmniej. W przypadku takiego samego wzrostu, dodać do grupy z
najmniejszym polem MBR, w następnej kolejności do grupy z mniejszą liczbą Elementów.
LinearPickSeeds:
LPS1: – Wybierz dla każdego z wymiarów dwa skrajne prostokąty, o największym mniejszym boku, i najmniejszym większym
boku. Zapamiętać odstęp.
LPS2: - Znormalizować zapamiętane odstępy
LPS3: - Wybrać parę o największym znormalizowanym odstępie ze wszystkich wymiarów.
PODZIAŁ ELEMENTÓW DRZEWA WZGLĘDEM OPTYMALNYCH
PROSTOKĄTÓW OGRANICZAJĄCYCH
Podział z lewej strony generuje dwa MBR o dużym polu, z prawej o mniejszym polu, i
z tego względu podział z prawej strony należy wybrać w procedurze SPLIT
RÓWNANIE PROSTEJ
WYZNACZANIE PUNKTU PRZECIĘCIA DWU ODCINKÓW
LITERATURA
Chris Smith Nicki Brown Erdas Field Guide (ERDAS Inc.)
Rasteryzacja, Algorytmy graficzne 2D, Wykład 6, Józef Sienkiewicz Marcin Wilczewski Bartosz Reichel