ВВОД, ХРАНЕНИЕ И РЕДАКТИРОВАНИЕ

Глава 5

Ввод данных в ГИС

Приготовления к нашему путешествию близятся к концу. Мы осмотрели наш инструментарий и разработали концептуальную основу для исследования нашего мира, теперь нам нужно сложить все наши инструменты в целостный, удобный комплект. Мы начнем с подготовки карт, подобно тому, как мы начинали бы настоящее путешествие. В данном случае мы посетим цифровой мир, где можем исследовать наземные объекты и их отношения. Готовясь к путешествию, нам нужно решить, какие карты нам понадобятся, выбрать подходящий масштаб, собрать сами карты, отметить на них важные ориентиры и маршруты, которые будут нас направлять. Для нашего цифрового путешествия мы должны собрать карты и все важные характеристики, подготовить их для ввода в наш цифровой мир и ввести их в согласованном виде в базу данных ГИС. Тогда мы сможем исследовать их элементы и их отношения.

Как и в случае с обычными путешествиями, ожидания часто затмевают важность приготовлений. Нам хочется поскорее начать исследование нашего цифрового мира, задавать вопросы, наблюдать мириады явлений. Но если мы не подготовлены должным образом, мы можем вскоре обнаружить, что заблудились. Да, подготовка не увлекает, она скучна, часто трудна и требует времени. В случае ГИС одно только построение базы данных часто занимает три четверти времени. В коммерческих приложениях это означает, что три четверти стоимости системы также уйдет на эту операцию и редактирование, о котором пойдет речь в следующей главе.

Постарайтесь запомнить, что хорошая подготовка приводит к успеху как реального, так и "цифрового" путешествия. Запаситесь терпением и временем для изучения методов, которые вам понадобятся, и потренируйтесь в обнаружении возможных проблем, которые вносят ложку дегтя в бочку меда хорошей БД ГИС. При том, что процесс ввода медленен и часто болезнен, внимание, проявленное по отношению к нему в первый раз, даст значительный выигрыш в дальнейшем, при редактировании. На самом деле, поиск и исправление одной ошибки иногда может потребовать гораздо больше времени, чем нужно для корректного ввода данных. И, конечно, чем меньше вам придется просидеть за редактированием, тем раньше вы сможете начать основную работу.

Есть много способов ввода данных. Одни выглядят примитивными, вроде помещения прозрачной сетки на карту. Другие - более современны, так как используют устройства цифрового ввода — дигитайзеры и сканеры.

Возможно, в вашем курсе геоинформатики будут практические упражнения по вводу карт в ГИС. Даже если и нет, то наверняка вам удастся пообщаться с людьми, которые выполняют ввод в рамках каких-то исследований. Потратьте некоторое время, наблюдая этот процесс. Это наблюдение или ваши собственные упражнения дадут вам представление о том, насколько длителен процесс создания базы данных со многими картографическими покрытиями. По меньшей мере, это научит вас ценить эту работу и время, потраченное при использовании данной подсистемы ГИС. Это также позволит вам оценить, какую экономию времени можно получить, если есть возможность приобретения готовых цифровых данных.

ПОДСИСТЕМА ВВОДА

Перед тем, как мы сможем использовать структуры данных, модели и системы, рассмотренные в Главе 4, мы должны преобразовать нашу реальность в форму, понимаемую компьютером. Методы, при помощи которых это будет сделано, зависят в некоторой степени от имеющегося оборудования и от конкретной системы, что под рукой. Независимо от того, что у нас за система и как мы собираемся вводить в нее пространственные данные, подсистема ввода будет иметь общие с другими характеристики. Во-первых, она спроектирована для переноса графических и атрибутивных данных в компьютер. Во-вторых, она должна отвечать хотя бы одному из двух фундаментальных методов представления графических объектов -растровому или векторному В-третьих, она должна иметь связь с системой хранения и редактирования, чтобы гарантировать сохранение и возможность выборки того, что мы введем, и что можно будет устранять ошибки и вносить изменения по мере необходимости.

Устройства ввода

Самые разные типы устройств использовались и используются для ввода информации в компьютер. Большинство из них, если не все, в большей или меньшей степени используются сегодня для ввода в ГИС. Возможно, первым подходом к картографическому вводу было утомительное и подверженное ошибкам использование прозрачного материала с нанесенной сеткой, с помощью которого данные, ячейка за ячейкой, вводились вручную в компьютер. В большинстве случаев ячейкам растра присваивались числовые значения, которые, опять же вручную, друг за другом вносились в компьютер.

Это требовало применения некоторого правила, определяющего, где внутри ячейки растра помещался вводимый объект. В качестве такой точки может использоваться центр ячейки или любой из четырех ее углов (имеется в виду растр из прямоугольных ячеек). В то время как знание точного положения точки пространственной привязки каждого элемента принципиально необходимо для векторных систем, также важно определить это и для растровых данных, которые будут представляться внутри компьютера ячейками растра. Представьте себе, например, измерение расстояния на основе количества ячеек растра: вам нужно будет знать, от чего вы отсчитываете, - от сторон ячеек или от их центров. В конце концов, помните, что всякая ячейка растра занимает некоторую площадь. И чем больше эта площадь (т.е. чем ниже разрешение), тем более значимым становится этот вопрос.

Хотя большинству из нас не придется вводить данные с помощью прозрачной сетки, в некоторых мелких проектах это все-таки бывает нужно, как и в некоторых учебных заведениях, где желают продемонстрировать процесс оцифровки на его первобытном уровне. Обычно вы будете работать с более современным и сложным оборудованием. Для ручного ввода пространственных данных стандартом являетсядигитайзер (digitizer). Он является более совершенным и гораздо более точным родственником наиболее широко используемого графического манипулятора - мыши, которую пользователь может свободно перемещать по практически любой поверхности. Внутри мыши находятся датчики, которые реагируют на вращение резинового шара, помещенного внутрь корпуса мыши. Для увеличения точности подобного устройства в дигитайзере используется электронная сетка на его столике.

К столику присоединено подобное мыши устройство, называемое курсором, которое перемещается по столу в различные положения на карте, которая к этому столу прикреплена. Курсор обычно имеет перекрестие, нанесенное на прозрачную пластинку, которое позволяет оператору позиционировать его точно на отдельных элементах карты. Кроме того, на курсоре размещены кнопки, которые (число их зависит от уровня сложности устройства) позволяют указывать начало и конец линии или границы области, явно определять левые и правые области и т.д. Использование кнопок определяется в основном спецификой программы ввода.

Рабочая поверхность дигитайзера может быть гибкой или жесткой, размерами от книжной страницы до очень больших форматов для размещения больших карт, даже с запасом (Рисунок 5.1). Некоторые из крупноформатных дигитайзеров имеют подъемно-поворотное основание, позволяющее оператору устанавливать оптимальное для работы положение стола. Размер стола определяются частично размером вводимых документов, частично — размером бюджета. Обычно с уменьшением размера уменьшается и цена. Кроме того, существует прямая зависимость между ценой прибора и его точностью. Недорогие дигитайзеры обычно дают приемлемые результаты, а с развитием технологии цена этих устройств постоянно снижается. Современные дигитайзеры могут обеспечить разрешение около 0.03 мм с общей точностью, приближающейся к 0.08 мм на площади 1х1.5 м [Cameron, 1982].

Рисунок 5.1. Крупноформатный дигитайзер. Большинство таких столов позволяют менять высоту и угол наклона рабочей поверхности.

Факторы, определяющие выбор дигитайзера, включаютстабильность, воспроизводимость, линейность, разрешение и перекос (stability, repeatability, linearity, resolution, skew). Стабильность характеризует сохранение значений отсчетов в процессе прогрева аппаратуры. Новичка может привести в полное замешательство изменение показаний прибора при том, что курсор остается на месте. Простейшее решение состоит в том, чтобы подождать, пока аппаратура прогреется. Если же дрейф не исчезает даже после прогрева, то, возможно, что дигитайзер требует ремонта или замены.

Воспроизводимость — синоним точности. Если вы помещаете курсор в одну и ту же точку дважды, насколько близки будут отсчеты? Хорошие дигитайзеры должны обеспечивать расхождение не более 0.03 мм [Cameron, 1982]. Линейность характеризует способность дигитайзеры обеспечивать отсчеты в пределах заданного допуска при перемещении курсора на большие расстояния. Для современного оборудования обычна нелинейность 0.08 мм на расстоянии 1.5 м. Разрешение — это способность дигитайзера фиксировать малые смещения, другими словами, чем меньше порции, которыми он может оперировать, тем выше его разрешение. Оно похоже на разрешающую способность видеокамеры или датчика дистанционного зондирования. Разрешение 0.03 мм - очень хорошее и может оказаться избыточным для большой части работы с ГИС. Наконец, перекос является мерой прямоугольности координат дигитайзера, он отвечает на вопрос о том, насколько точный прямоугольник образуют крайние положения курсора. На некоторых участках площади стола дигитайзера, особенно по краям, снижается точность отсчетов, поэтому рабочая площадь обычно меньше размеров стола.

С расширением использования компьютеров растет и автоматизация ввода в них информации. Для автоматизации ввода карт используются такие устройства, как автоматизированные дигитайзеры и растровые сканеры с программами векторизации или без них.

Автоматизированные дигитайзеры, илидигитайзеры с отслеживанием линий, имеют устройство, подобное головке оптического считывания проигрывателя компакт-дисков. Оно фиксируется на выбранной пользователем линии (как проигрыватель фиксируется на дорожке записи) и, самостоятельно следуя вдоль нее, передает координаты точек линии в компьютер. Эти устройства требуют постоянного участия оператора, так как их нужно вручную устанавливать на каждую новую линию для продолжения процесса сканирования. Кроме того, они легко могут ошибаться на сложных картах и картах с низкой контрастностью изображения. Например, когда линия расщепляется на две, вполне обычна ситуация, когда сканер не знает, куда идти дальше. Эта проблема может .оказаться еще тяжелее, линии изображаются пунктиром, который дигитайзер не может проследить из-за разрывов или из-за того, что цвет светлее и имеет меньший контраст, чем исходная линия.

Большее распространение получили растровые сканеры. Они позволяют вводить растровое изображение карты в компьютер без вмешательства оператора — ему нужно только установить параметры и нажать кнопку "Старт". Для ввода цветных карт и снимков следует использовать цветные сканеры, для панхроматических снимков и топографических карт достаточно черно-белых сканеров, которые несколько дешевле. Если карта должна храниться в векторной модели данных, то после сканирования растровое изображение должно быть векторизовано. Векторизация в компьютере выполняется подобно тому, как работает сканер с отслеживанием линий, но здесь уже возможно более "разумное" поведение алгоритма, самостоятельно находящего и оцифровывающего линии. Здесь также наиболее удачно оцифровываются контрастные карты невысокой сложности.

Сами растровые сканеры делятся наручные, роликовые (с протяжкой листа), планшетные и барабанные. Планшетные сканеры представляют из себя прозрачное стекло, на которое кладется оригинал, и под которым перемещается лампа и устройство оптического считывания. Ручной сканер является, по сути, оптической головкой планшетного сканера, и пользователю приходится самому двигать ее по поверхности оригинала. Очевидно, что точность сканирования ручных сканеров - самая низкая, поэтому устройства этого вида практически не пригодны для ввода карт. Сканеры с протяжкой листа действуют подобно факсовому аппарату, т.е. в них двигается не головка считывания, а сам оригинал, как в пишущей машинке. Эти устройства обладают точностью, меньшей, чем планшетные сканеры, но зато позволяют сканировать очень длинные оригиналы. В барабанных сканерах оригинал закрепляется на круглом барабане, вдоль которого перемещается головка считывания. Эти устройства могут обеспечить высокую точность сканирования очень больших оригиналов.

Основные характеристики сканеров - оптическое разрешение, скорость сканирования и стабильность. Для офисных работ обычно используются достаточно быстрые сканеры с невысоким разрешением (300 точек на дюйм). Возможности калибровки обычно отсутствуют. Эти устройства могут использоваться для ввода карт и снимков дистанционного зондирования, когда требования точности позволяют это.

Наиболее продвинутые (и, конечно, наиболее дорогие) сканеры образуют категорию так называемых фотограмметрических сканеров. Для них характерны очень высокая точность и стабильность, которые должны регулярно подтверждаться процедурами калибровки.

Другой вид сканеров, барабанный, использует более подобный растру подход, который на самом деле ближе к векторному режиму. Карта прикрепляется к барабану, который вращается, в то время как чувствительный датчик прибора перемещается под прямым углом к направлению вращения. Таким образом, сканируется вся карта, линия залинией. Записывается каждое положение на карте, даже если там нет картографических объектов. В результате создается подробное растровое изображение всей карты. Барабанные сканеры могут давать как монохромное, так и цветное изображение. В последнем случае каждый из трех основных цветов должен сканироваться по отдельности. Как монохромное, так и цветное изображение должны преобразовываться в векторную форму, если таковая требуется вашей ГИС. Обе формы создают очень большие файлы данных.

Рисунок 5.2. Принципы сканирования карты. Рисунокпоказывает барабанный сканер с вращающимся барабаном и перемещающимся вдоль него сканирующим устройством.

Специализированные картографические сканеры большого формата очень дороги по сравнению с дигитайзерами того же формата. Кроме того, векторизация введенного растра может занять почти столько же времени, сколько и ручная оцифровка, особенно если карта оказалась очень сложной. Мне довелось наблюдать операторов векторизации, по несколько дней пытающихся отыскать потерянные линии, или соединяющих линии, которые должны были быть замкнутыми. Несомненно, по мере совершенствования технологии объем необходимого редактирования будет уменьшаться. Но пока не верьте заявлениям, что сканеры освободят человека от процесса ввода. Короче говоря, по меньшей мере в ближайшем будущем устройства автоматизированного ввода и программы векторизации будут экономить время только при условии четких карт с высоким контрастом, относительно простых по уровню детализации. Всего чаще дорогие сканеры используются фирмами, специализирующимися на услугах оцифровки. Вы же можете ориентироваться на оцифровку карт с помощью дигитайзера, или с помощью менее дорогих сканеров, если их характеристики приемлемы для ваших целей.