GIS – SYSTEMY INFORMACJI GEOGRAFICZNEJ

DANE RASTROWE W ANALIZACH PRZESTRZENNYCH

PLAN PREZENTACJI

1. RODZAJE DANYCH RASTROWYCH2. OPERACJE NA DANYCH RASTROWYCH3. METODY KOMPRESJI DANYCH RASTROWYCH4. ALGORYTMY RASTERYZACJI DANYCH WEKTOROWYCH5. LOKALNE DRZEWA CZWÓKOWE DLA DANYCH RASTROWYCH6. BUFOROWANIE DANYCH WEKTOROWYCH I RASTROWYCH7. ALGORYTM OKREŚLANIA PUNKTU PRZECIĘCIA DWU ODCINKÓW8. 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. Hermite4. Bell5. B-Spline6. Lanczos37. Mitchell

ALIASING, SUPERSAMPLING (NADPRÓBKOWANIE)

KONWERSJA DANYCH WEKTOROWYCH DO POSTACI RASTRA - RASTERYZACJA

Krzywe prostopadłe Krzywe dowolne (problem trudny)

Punkty

Vector

Raster

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 rasteryzacjiminimalny błąd aproksymacjimozliwość redukcji efektu postrzępienia krawędzi (aliasing)mozliwie najniższa złożoność czasowa i obliczeniowa (unikanie złożonych operacjiarytmetycznych)mozliwość efektywnej implementacji sprzętowej

ALGORYTM RYSOWANIA LINII PROSTEJ - ODCINKA

Algorytm wprowadzony przez Xiaolin Wu w 1991 roku jest alternatywa dla algorytmuBresenhama w przypadku gdy chcemy uzyskac linie wraz z antyaliasingiem.W przypadku algorytmu Bresenhama linia jest malowana najszybciej jednak wprowadzeniedopiero pózniej antyaliasingu jest bardzo kosztowne pod wzgledem czasu. Algorytm Wu nie posiada tej wady gdyż rysuje linie od razu wprowadzajac antyaliasing.

(rysunek pochodzi zhttp://escience.anu.edu.au/lecture/cg/Line/printCG.en.html)

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)

FORMATY DANYCH RASTROWYCH

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 uzyskanialepszej 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 przezMicrosoft, pomyślany jako mechanizm wymiany danychrastrowych 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) 

FormatOpis 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 Arc-Second 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 & 2Stworzony 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 MapperZastrzeżony 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 GISTematyczne 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 fileWykorzystywany 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 LANJedno- 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 RastersFormat 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

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

RASTER ROZDZIELCZOŚĆ

Satellite Imagery – zobrazowania satelitarneDigital Elevation Models – modele DEMDigital Orthophotos – cyfrowe ortozdjęciaDigital Raster Graphics – format danych rastrowychBinary Scanned Files – zeskanowane mapy i zdjęciaGraphic Files – pliki graficzneGIS Software – formaty specyficzne dla konkretnych dostawców oprogramowania

RODZAJE DANYCH RASTROWYCH

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.

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

DATA ELEVATION MODELS - DEM

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

SkanowanieWektoryzacja (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

               

               

               

               

               

               

               

               

Row 1: 5,6Row 2: 4,6Row 3: 3,7Row 4: 3,7Row 5: 3,7Row 6: 2,7Row 7: 2,7

KODOWANIE SERII – RUN LENGHT ENCODING

               

               

               

               

               

               

               

               

Start

N1, E1, N3, E1, N1, E1, N1, E1, S2, E1, S4, W5

KODY ŁAŃCUCHOWE – CHAIN CODES

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 CZWÓRKOWELOKALNE DRZEWA CZWÓRKOWE

PROJEKTOWANIE SILNIKA DANYCH TOPOLOGICZNYCH- PODSTAWOWE RODZAJE OPERACJI W SYSTEMACH GISa. 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 LinearPickSeedsLS2: 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 liczbyelementów w grupie – dołączyć do tej grupyLS3: 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 odstępyLPS3: - 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