Растровые модели данных

Общие положения

Определение 3.11. Растровая модель данных – это цифровое представление пространственных объектов в виде совокупности ячеек растра (пикселей) с присвоенными им значениями класса объектов. Растровое представление предполагает позиционирование объектов указанием их положения в соответствующей растру прямоугольной матрице единообразно для всех типов пространственных объектов (точек, линий, полигонов и поверхностей).

Ранние реализации ГИС (конца 60-х – начала 70-х годов прошлого столетия) ориентировались на «ячеистые» структуры (ячейки регулярных сетей как элементы территории). Затем появились ГИС, в которых использовались растровые модели данных (модели, определение которых полностью совпадает с тем современным определением растровых моделей, что мы дали выше). В настоящее время растровые ГИС продолжают повсеместно использоваться. Примером таких ГИС является ГИС IDRISI (США).

Основное преимущество растровой модели – это слияние позиционной и семантической атрибутики растрового слоя в единой прямоугольной матрице, положение элементов (пикселей) которой определяется номером их столбца и строки, а значение элемента является непосредственным указателем ее семантической определенности. С каждым семантическим значением элемента или смысловым кодом, кроме того, может быть связан неограниченный по длине набор атрибутов. При необходимости координаты пикселя могут быть вычислены. На рис. 3.11 приведен пример формирования растровой модели.

В растровых моделях дискретизация осуществляется наиболее простым способом – весь объект отображается в пространственные ячейки, образующие регулярную сеть. При этом каждой ячейке растровой модели соответствует одинаковый по размерам, но разный по характеристикам (цвет, плотность) участок поверхности объекта. В ячейке модели содержится одно значение, усредняющее характеристику участка поверхности объекта. В теории обработки изображений эта процедура известна под названием пикселизация.

Если векторная модель дает информацию о том, где расположен тот или иной объект, то растровая – информацию о том, что расположено в той или иной точке территории (матрицы). Это определяет основное назначение растровых моделей – непрерывное отображение поверхности объектов (рис. 3.11б).

Рис. 3.11. Пример формирования растровой модели
а – фрагмент реального мира,
б – растровая модель объектов из а (вид сверху)

В растровых моделях в качестве атомарной модели используют двумерный элемент пространства – пиксель (ячейку). Упорядоченная совокупность атомарных моделей образует растр, который, в свою очередь, является моделью карты или геообъекта.

В отличие от векторных моделей, которые относятся к бинарным или квазибинарным, растровые модели позволяют отображать полутона или цвета.

Элементы бинарной матрицы, описывающей растровую модель, могут принимать только два значения: «1» или «0». В этом случае матрица соответствует черно-белому изображению (рис. 3.11б).

Как правило, каждый элемент растра или каждая ячейка матрицы должны иметь лишь одно значение плотности или цвета. Это применимо не для всех случаев. Например, когда граница двух типов полигонов может проходить через центр элемента растра, в этом случае элементу дается значение, характеризующее большую часть ячейки или ее центральную точку. Ряд ГИС позволяет иметь несколько значений для одного элемента растра.

При обмене растровыми изображениями между ГИС одним из острых вопросов является передача привязки растров к координатным системам. Стандартные форматы растровых изображений не включают таких параметров, как сдвиг растра относительно начала координат, проекцию растра и т.п. Поэтому в целях обмена изображениями между ГИС перспективно использование соответствующих расширений форматов растров, позволяющих передавать такие параметры в другую ГИС. Примером может являться формат GeoTIFF.

Заметим, что преобразования (обработка) растровых изображений – это достаточно серьезная проблема с точки зрения качества преобразования и изучается она в теории обработки изображений. Обеспечение высокого качества растра при преобразованиях требует значительных накладных расходов, поэтому некоторые фирмы-производители программного обеспечения ГИС часто жертвуют качеством для повышения скорости преобразования. Пользователям ГИС, в которых ведется преобразование растровых изображений, следует не ограничиваться вопросом о наличии функций для реализации таких преобразований, а необходимо более подробно изучать вопрос о возможностях реализованных в ГИС методах и алгоритмах этих преобразований.