Тема 6. Принципи візуалізації просторових та не просторових даних в ГІС

1. Тема 6. Принципи візуалізації просторових та не просторових даних в ГІС

ПЛАН

1. Методи і технології візуалізації інформації в ГІС
2. Представлення картографічних шарів
3. Представлення екранних видів (вікон)
4. Представлення векторних об'єктів
5. Представлення поверхонь і растрових карт

6. Презентація та додаткові відеоматеріали

2. Методи і технології візуалізації інформації в ГІС

Представлення інформації в зрозумілій і зручній для користувача формі є однією з основних функцій будь-якої системи обробки даних. Оскільки ГІС орієнтовані переважно на обробку просторово-розподілених даних, вони представляють оброблену інформацію у вигляді різних карт, картодіаграм, тривимірних і анімізованих зображень.

Побудова картографічного зображення є досить складним науково-методичним і технологічним процесом. Для створення карт та інших геозображень у різних прикладних науках (картографії, геології, землевпорядженні, гідрографії й ін.) розроблені різні стандарти і нормативні вимоги. У той самий час технологія ГІС дає користувачу значно більші можливості для створення й обробки картографічної інформації, які у багатьох випадках не передбачені чи не затребувані традиційними методами паперових технологій.

На екран дисплея можливо вивести кілька вікон з різними тематичними картами для їхнього спільного візуального аналізу; електронні карти легко масштабуються з можливістю автоматизованої генералізації; спеціальні засоби редагування дозволяють швидко змінювати підписи, умовні позначення і загальне компонування картографічного зображення. За наявності картографічної бази даних користувач одержує можливість робити швидкі інтерактивні запити про властивості того чи іншого об'єкта простим указанням курсором миші, складати запити з використанням математичних і логічних функцій, робити вибірки, будувати тематичні карти й картодіаграми. Користувач може ставити перед інформаційною системою запити типу "Які населені пункти з якою загальною чисельністю населення знаходяться на відстані 100 км від АЕС", "Які сади і виноградники знаходиться в межах двох годин їзди від міста N" і одержувати відповіді в картографічній і табличній формі.

У зв'язку з легкістю побудови та аналізу карт за наявності готових картографічних баз даних картографічний аналіз і представлення даних широко поширюються в таких сферах діяльності, як маркетинг земельних ділянок, доставка товарів і надання послуг населенню, територіальне керування, освіта та ін. Для обслуговування широкого кола нових споживачів геоінформації з'явився клас програмних продуктів ГІС, призначених для представлення інформації кінцевому користувачу з мінімальним набором функцій введення і редагування даних (ГІС-вьюери). Так само існує велика кількість програмних продуктів ГІС, призначених для обробки і представлення інформації в стандартах визначеної прикладної галузі діяльності (геологічні карти і розрізи, архітектурні і кадастрові плани, топографічне і гідрографічне картографування) з відповідними шаблонами і наборами умовних знаків. У таких програмних продуктах також велика увага приділяється можливостям одержання твердих копій картографічних зображень з урахуванням нормативних вимог до їхньої точності і зовнішнього вигляду.

Основні принципи виведення інформації на екран дисплея чи тверді носії, дизайн зображень і зручність сприйняття їх людиною характеризуються в цілому поняттям "візуалізація".

Візуалізація (vіsualіzatіon, vіsualіsatіon, vіewіng, dіsplay, dіsplayіng) – син. графічне відтворення, відображення – у ГІС, комп'ютерній графіці і картографії – проектування і генерація зображень, у тому числі геозображень, картографічних зображень і іншої графіки на пристроях відображення (переважно на екрані дисплея) на основі вихідних цифрових даних, правил і алгоритмів їхнього перетворення (Баранов и др., 1997).

3. Представлення картографічних шарів

Уся сукупність об'єктів на вихідній карті чи групі карт, покладених в основу цифрової картографічної бази даних, може бути розбита на групи однотипних об'єктів – гідрографічних, адміністративних границь, доріг, населених пунктів та ін. Такі групи об'єктів, як правило, цифруються, зберігаються й обробляються у вигляді окремих наборів файлів даних. При візуалізації кожний файл даних представляється як окремий картографічний шар.

Шар (layer, theme, coverage, overlay) – сукупність однотипних (однієї мірності) просторових об'єктів, що стосується однієї теми (класу об'єктів) у межах деякої території й у системі координат, загальній для набору шарів. За типом об'єктів розрізняють точкові, лінійні і полігональні шари, а також шари з тривимірними об'єктами (поверхнями). Пошарове, чи багатошарове представлення є найбільш поширеним способом організації просторових даних у пошарово-організованих ГІС (layer-based GІS). Для зручності збереження й обробки великих наборів даних кожний із шарів може бути розбитий на фрагменти у результаті операції фрагментування (tіlіng); при відображенні на екрані виконується зворотне зшивання. Звичайно "нарізання" на фрагменти успадковує прийняту схему разграфлення карт (по окремих аркушах топокарт, по градусній сітці). Логічна нерозривність отриманого фрагментованого шару забезпечується засобами, що підтримують безшовні бази даних (Баранов и др., 1997).

У більшості програмних ГІС-пакетів картографічний шар є основною одиницею представлення даних – на рівні шарів здійснюються пошук, завантаження і вивантаження даних у середовище ГІС, до об'єктів шару застосовуються функції пошуку, форматування, зміни графічних змінних.

При збігу систем координат можливе багаторазове накладення картографічних шарів у векторному представленні, також можливе використання растрових картографічних шарів. У зв'язку з тим що растрові карти непрозорі, вони зазвичай використовуються у вигляді підкладки на задньому плані комбінованого векторно-растрового зображення. Кількість одночасно виведених на екран картографічних шарів обмежена ресурсами комп'ютера.

Для контролю і керування візуалізацією картографічних шарів у різних ГІС-пакетах існують спеціальні інструменти. У деяких програмних оболонках функції керування шарами поєднуються з функціями легенди і керування графічними змінними (ArcGIS Desktop). Для керування шарами доступні функції відкриття і закриття одного шару, відкриття і закриття групи шарів, закриття усіх раніше відкритих шарів.

При одночасному відкритті і перегляді декількох шарів необхідно упорядковувати їх взаємоположення і взаємоперекриття. В екранних вікнах, що керують відображенням шарів, можна побачити розміщення окремого шару порівняно з іншими шарами, а так само покроково перемістити обраний шар нагору чи вниз усієї групи шарів. Для кожного шару встановлюються такі властивості.

Видимість (vіsіble) –включається чи виключається відображення цього шару на екрані (при цьому шар залишається в оперативній пам'яті і бере участь у всіх інших дозволених операціях). Крім цього, є функції відображення шару залежно від масштабу екранного представлення, задаються найменший і найбільший масштаби, при яких шар бачимо на екрані; включається чи виключається відображення службової інформації для окремих об'єктів шару – опорних точок, центроїдів полігонів, напрямків ліній та ін.

Редагованість (edіtable) – в шар, що редагується, дозволено вносити зміни за допомогою всіх доступних інструментів створення і редагування форми об'єктів, а також змінювати графічні змінні об'єктів. Як правило, можна редагувати тільки один шар.

Участь у запитах (selectable) – із шару можна одержувати атрибутивну інформацію за допомогою різних засобів побудови запитів, у протилежному випадку всі запити ігноруються.

Підписування – (auto label, labeled) – у відповідному шарі включається режим автоматичного друку пояснювальних підписів для картографічних об'єктів, наприклад, назв країн, міст, вулиць. За замовчуванням для підпису береться вміст першого текстового поля з атрибутивної бази даних, є можливості настроювання на будь-яке інше поле бази даних чи використання як підпису результату обчислень (злиття фрагментів тексту) у декількох полях. Так само може задаватися формат відображення підпису – шрифт, розмір і колір шрифту, прив'язка до центра точки, лінії чи полігона (у центрі чи збоку зі зсувом униз чи нагору). Задається метод контролю накладення і дублювання підписів (наприклад, підписи не можуть накладатися один на один при даному масштабі, не може бути двох однакових підписів та ін.).

Для відображення службової інформації (наприклад, підписів) поверх усіх відкритих шарів даних створюється косметичний шар. Вміст косметичного шару існує, поки залишається відкритим базовий шар, щодо якого виводиться службова інформація; за необхідності косметичний шар може бути збережений у вигляді окремого файлу даних.

Спеціальні тематичні шари утворюються при створенні тематичних карт, вони прив'язані до шару, на основі якого створена тематична карта. Переміщення за списком накладення шарів базового шару веде до переміщення і похідного тематичного шару.

4. Представлення екранних видів (вікон)

Програмні продукти ГІС здебільшого працюють під керуванням операційної системи Windows і використовують властивості екранних вікон для представлення інформації. Екранні вікна ГІС-пакетів підпорядковується основним функціям роботи з вікнами – переміщенню по робочій області екрана, згортанню і розгортанню розміру вікон, розміщенню вікон каскадом чи мозаїкою, можливості вертикального і горизонтального прокручування зображення у вікні. Одночасно може бути відкрита велика кількість різнотипних вікон; розміщення та вміст вікон на екрані дисплея називається екранним видом (Vіew).

Для візуалізації інформації в ГІС зазвичай використовується кілька типів екранних вікон. Уся просторова інформація виводиться у Вікно карти, атрибутивна – у Вікно табличного браузера, діаграми – у Вікно діаграм, готові звітні форми – у Вікно звітів та ін. Існують спеціальні вікна для виведення легенд тематичних карт, вікна відображення результатів запитів, вікна для перегляду текстів програм. Кожен тип вікон має свої правила роботи і свій інтерфейс.

При роботі з вікном карти в більшості програмних ГІС-пакетів доступні такі функції.

Встановлення області відображення за допомогою указання розмірів і пропорцій вікна карти. Можуть установлюватися режими автоматичного вписування у вікно карти за координатами крайніх точок об'єктів усіх відкритих картографічних шарів, об'єктів активного шару, об'єктів просторової вибірки. Розмір і масштаб відображення можуть задаватися за допомогою рамки, що розсікає, – область зображення, що потрапило в прямокутну рамку, збільшується до розмірів поточного вікна карти. У багатьох ГІС-пакетах доступні функції автоматичної зміни чи збереження масштабу при зміні розмірів вікна карти.

Зумування (zoom) – покрокове збільшення чи зменшення видимого масштабу зображення у вікні карти. Керування зумуванням здійснюється з меню, що випадає, чи піктографічного меню; стандартна піктограма – лупа зі знаком плюс чи мінус. При використанні покрокового зумування звичайно відбувається зменшення/збільшення масштабу в два рази. Так само можливе задання довільного масштабу відображення у встановлених одиницях вимірювання. Поточний масштаб зображення відображається в рядку стану чи спеціально виділеної області службової частини екрана.

Панорамування – горизонтальне прокручування зображення у вікні карти з використанням смуг прокручування (scrollіng) чи спеціального інструмента "долонька".

Для відображення карти у вікні може використовуватися одна з картографічних проекцій, що містяться в спеціальній бібліотеці. У ГІС-пакетах зазвичай вмонтовані глобальні і велика кількість регіональних проекцій.

Для вікна табличного браузера доступні функції сортування полів таблиці – виведення чи заборона виведення визначених полів, зміна порядку проходження полів, зміна шрифту для виведення вмісту таблиці. Перегляд вмісту таблиці здійснюється за допомогою горизонтальних і вертикальних смуг прокручування.

Шляхом установлення розміру, місця розміщення і властивостей екранних вікон формується екранний вигляд, призначений для визначеного виду роботи: екранного цифрування, аналізу, картографічного чи табличного представлення деякого набору даних. Такий екранний вигляд може бути збережений під визначеним ім'ям. У процесі подальшої роботи при завантаженні даного екранного вигляду (робочого набору, проекту) відбувається автоматичне завантаження всіх зв'язаних з даним видом картографічних шарів, їхній розподіл по вікнах, вирівнювання, масштабування, підписування, встановлення легенд тематичних карт, виведення таблиць, побудова діаграм та ін.

5. Представлення векторних об'єктів

Для візуалізації просторових об'єктів цифрових векторних карт використовуються графічні змінні (graphіc varіables, graphіc factors, semіologіcal factors) – графічні засоби, використовувані для побудови окремих картографічних знаків, знакових систем, графічних образів у цілому. Для кожного типу зображень і рівня керування побудовою зображення використаються різні графічні функції чи бібліотеки готових графічних елементів.

Для об'єктів типу точка створена велика кількість різних бібліотек умовних позначень. У більшості випадків ці бібліотеки оформлені у вигляді файлів шрифтів True Type, що входять до системного регістра Windows. Такі бібліотеки символів універсальні й одночасно доступні для різних ГІС-пакетів. Зазвичай бібліотеки символів організовані за тематичним принципом – геометричні символи, топографічні символи, символи з малюнками будинків, транспортних засобів, рослин, фігурками людей і тварин, геологічні і метеорологічні символи, стрілки північ-південь, рози вітрів та ін. Доступні такі настроювання символів: зміна розмірів, кольору, кута нахилу. Для контрастного відображення символу на кольоровому фоні карти передбачений колір, що облямовує.

Відображення лінійних об'єктів виконується посередництвом визначеного набору графічних змінних, кількість і зовнішній вигляд яких залежить від конкретного ГІС-пакета. Для ліній може бути змінений тип (суцільна, переривчаста з різною довжиною штрихів і пробілів, із заповненням, з поперечними і зиґзаґоподібними елементами та ін.), колір лінії і заповнення лінії, товщина (задається в лінійних чи відносних одиницях). Доступні згладжування перегинів лінії в опорних точках (сплайнові функції), згладжування з'єднань і перетинів ліній.

Для об'єктів типу полігон доступні настроювання границі полігона (border, boundary) і його внутрішнього заповнення (fіll). Для границь полігонів доступні ті самі бібліотеки, що використовуються для оформлення лінійних об'єктів. Для внутрішньої частини полігона доступні суцільні заливання (основним чи напівтоновим кольором із стандартної бібліотеки, за необхідності може бути створений новий колір) і штрихування (вибирається тип штрихування, колір ліній чи фігур штрихування, колір міжштрихового простору). У деяких програмних пакетах доступне заповнення полігонів за допомогою текстур чи растрових зображень.

При оформленні текстових об'єктів доступні всі настроювання шрифтів Windows (розмір, колір, нахил, підкреслення), а так само використання тла, що забезпечує кращу видимість кольорового оформлення карти.

6. Представлення поверхонь і растрових карт

Для растрових даних, представлених у вигляді безперервних поверхонь, у різних ГІС-пакетах передбачені кольорові чи чорно-білі палітри. Палітра являє собою послідовність кольорів чи яскравості, за допомогою яких на екрані чи папері відображаються числові значення комірок растрової поверхні. Кількість кольорів у палітрі обмежена; зазвичай використовується 16 чи 256 градацій кольору, розміщених у визначеному порядку. При візуалізації перший колір палітри присвоюється найменшим значенням поверхні, останній – найбільшим, іноді доступний реверс (зворотний порядок проходження кольорів). Для визначення послідовності присвоєння градації кольору конкретним числовим значенням відображуваної поверхні використовується ряд різних методів. Зміна представлення растрової карти може бути досягнута за рахунок різних методів групування (класифікації) значень, зміни кількості класів, різних методів присвоєння кольору різним класам значень.

При використанні лінійної класифікації весь діапазон значень рівномірно розподіляється між мінімальним і максимальним значеннями, ширина класів однакова, кожен клас відповідає порядковому кольору палітри. Таке представлення найбільш оптимальне при рівномірному розподілі значень в інтервалі між найбільшими і найменшими значеннями поверхні (наприклад, при відображенні цифрових моделей рельєфу з рівномірним кроком висотних рівнів). Значення кожної комірки растра відображає кількість комірок, що знаходяться вище за течією (з яких дана комірка одержує водне живлення). Змінюючи верхнє значення відображуваного діапазону, можна одержати різні варіанти видимості водотоків різного класу.

У межах поверхонь, отриманих розрахунковими методами, часто спостерігаються одиничні аномально високі чи низькі значення. При використанні лінійної класифікації ці аномальні значення приводять до угрупування основної маси значень в один-два класи і появи значної кількості порожніх класів. У цих випадках рекомендується використання логарифмічної чи експоненційної класифікації (ширина кожного наступного класу збільшується у відповідній залежності). Якщо аномальні значення є наслідком похибки розрахункового методу, їх виведення можна відмінити, установивши мінімальні і максимальні значення для відображення поверхні. 

Залежно від використовуваних кольорів і порядку їхнього проходження палітри бувають монохромними (від білого через збільшення насиченості до базового кольору), двоколірні (два базових кольори на кінцях палітри і перехідні кольори між ними), багатоколірні (у палітрі кілька базових кольорів з перехідними ділянками між ними). Для передачі різних характеристик поверхонь можуть використовуватися палітри з різною плавністю передачі кольору, а так само з різкими змінами колірного тону для підкреслення градієнтів.

Для відображення поверхонь у системах роботи з растровими даними може бути передбачено кілька десятків стандартних палітр, а також надані можливості для створення палітр користувачем. Для відображення класифікованих растрових карт (наприклад, для границь землекористування чи ґрунтових ареалів) використовуються спеціальні переривчасті палітри, у яких сусідні кольори підбираються з максимальним розходженням.

При відображенні поверхонь також використовується метод побудови ізоліній. Користувач може використовувати різні методи класифікації для визначення кроку ізоліній, а так само колір ізолінії залежно від її числового значення. Деякі програмні оболонки дозволяють підписувати значення ізолінії, креслити бергштрихи, згладжувати ізолінії за допомогою сплайнових функцій.

Метод затінення (відмивання) рельєфу добре виявляє і відображає топографічні поверхні. У цьому випадку задаються кутове азимутальне положення й висота над горизонтом джерела освітлення, розраховується кут падіння променів на різні ділянки поверхні, розраховується рівень насиченості базового кольору залежно від освітленості елемента растра. Такі напівтонові карти часто використовуються для відображення рельєфу при створенні поліграфічних макетів політичних карт країн, материків і світу.

Метод побудови векторів відображає напрямок ухилу (зміни температур, концентрації, тиску) між сусідніми елементами поверхні. Напрямок відображається за допомогою стрілок, так само для відображення градієнта між сусідніми елементами растра може використовуватися різний колір чи товщина стрілок. За необхідності суміжні елементи растра групуються в блоки визначеного розміру (2´2; 5´5; 10´10 комірок, інші довільні значення), у цьому випадку стрілка характеризує середній напрямок зміни значень для всіх елементів блока.

Метод тривимірних (3-D) блок-діаграмвикористовує кілька типів відображення рельєфу: у вигляді профілів по одній з горизонтальних осей, у вигляді сітки профілів по обох горизонтальних осях (каркасне зображення), у вигляді трикутних граней TІN-моделі рельєфу. Так само можуть відображатися ізолінії рівних значень поверхні з рівномірним чи змінним кроком. Задаються вертикальний і горизонтальний кути для огляду отриманого тривимірного зображення, вертикальний масштаб, проекція відображення (ортогональна чи перспективна), обмеження перегляду по вертикальних і горизонтальних осях, обрізка країв області блок-діаграми за визначеним контуром. Колір каркасних ліній та ізоліній задається як залежно від значень комірок растра поверхні за палітрою, так і вручну користувачем.

На тривимірну блок-діаграму можливе накладення інших типів зображень – контурних і векторних карт, безперервних чи дискретних текстур, а також графічних файлів із сканованими картами чи аерокосмознімками.

На основі блок-діаграм за наявності в ГІС-пакеті відповідного функціонального модуля будуються різні анімаційні схеми перегляду – задаються напрямок і кут огляду спостережної камери, положення джерела висвітлення, траса руху точки огляду та ін. Отримані зображення з високою фотореалістичною якістю записуються в спеціальний файл із визначеним часовим кроком, на основі окремих кадрів будуються анімаційні фільми з можливістю перетворення і перегляду в стандартних відеоформатах. Такі методи візуалізації використовуються в різних авіаційних чи суднових тренажерах, на яких екіпажі освоюють дії в обстановці визначеного аеропорту, протоки та ін.

7. Презентація та додаткові відеоматеріали

Презентація