SISTEME DE REPREZENTARE A DATELOR SPATIALE

SISTEME DE REPREZENTARE A DATELOR SPATIALE

Tehnici de intoducere a datelor spatiale

Daca datele disponibile sunt in forma analogica, cum ar fi harti pe suport de hartie sau fotograme ele trebuie convertite in forma digitala inainte de a fi importate in GIS. Sunt doua cai pentru a realiza aceasta conversie: scanarea si digitizarea.

1.1. Procesul de scanare consta in conversia datelor din format analogic (cum sunt hartile traditionale pe suport de hartie, imagini aeriene, sau orice alta imagine) in format digital. Modul in care se realizeaza scanarea este urmatorul: imaginea este impartita in puncte (matrice de puncte) fiecaruia atribuindu-i-se un numar in conformitate cu nuanta de culoare de pe original. Un scaner copiaza imaginea si apoi o stocheaza intr-un fisier raster. Cele mai uzuale formate sunt TIFF (Tag Image File Format) si JPG (Joint Photographic Experts Group). Acest fisier se poate utiliza fie pentru o simpla afisare sau in combinatie cu alte elemente ale BDS (harti vectoriale sau imagini), fie ca suport pentru a obtine o harta vectoriala prin digitizare.

1.2. Procesul de digitizare consta in transformarea datelor grafice din format analogic in format digital. Aceasta actiune presupune existenta unui digitizor conectat la un calculator si prevazut cu un soft specializat (digitizare clasica sau externa mai putin folosita la ora actuala) sau prelucrarea unei imagini scanate prin digitizare dupa ce in prealabil aceasta a fost incarcata in soft (digitizare interna).

O harta poate fi digitizata pentru mai multe scopuri: fie pentru pentru a fi pur si simplu reprodusa intr-o forma mai eleganta, fie pentru selectarea si prelucrarea doar a anumitor straturi. Scopul va decide si alegerea caracteristicilor hartilor, respectiv temele si gradul de detaliere, scara, sistemul de coordonate. Dupa fixarea temelor vom decide cate straturi vor fi necesare. Un strat grupeaza obiecte abstracte in unitati omogene - tip punct, linie, areal. Cand spunem ca digitizam o harta, digitizam de fapt un strat. Este de preferat ca fiecare strat sa contina un singur tip de primitiva grafica: strat punct, strat arc, strat poligon. In exercitiul care urmeaza fiecare tema va reprezenta un strat separat: reteaua hidrografica - strat de tip linie, vatra asezarilor - strat de tip poligon, drumurile - strat de tip linie, curbe de nivel - strat de tip linie.

Digitizarea propriu-zisa a unor elemente de pe harta se realizeaza in functie de tipul de strat adoptat. Astfel in cazul stratelor de tip punct digitizarea presupune fixarea si punctarea cu ajutorul mouse-lui a elementelor geografice prea mici pentru a putea fi descrise prin linii sau poligoane (stalpi de inalta tensiune, copaci, fantani) precum si obiecte care nu au suprafata (varfuri montane). In cazul stratelor de tip linie digitizarea consta in urmarirea cu mouse-ul a elementelor lineare de pe harta, prea inguste pentru a putea fi descrise prin poligoane (drumuri, cai ferate, rauri etc) precum si obiecte liniare care au lungime dar nu au suprafata (curbe de nivel, paralele, izolinii, meridiane) si punctarea locatiilor unde tema respectiva inregistreaza inflexiuni. In cazul stratelor de tip areal/poligon digitizarea presupune urmarirea cu mouse-ul a contururilor unor unitati de pe harta cu suprafete inchise si o anumita forma (lacuri, paduri, tip de sol) si punctarea locatiilor unde tema respectiva inregistreaza inflexiuni. Cu cat pe parcursul liniei sau conturului se pun mai multe astfel de puncte cu atat reprezentarea este mai precisa. Pentru incheierea digitizarii unui element dintr-o tema se acceseaza de doua ori rapid butonul stang al mouse-ului (dublu click) (exceptie punct).

In timpul digitizarii se introduc erori indiferent de tehnologia folosita (hard si soft) sau de abilitatea operatorului. Sa ne imaginam urmatoarea operatiune: fixam cursorul pe un punct, apoi mutam cursorul oriunde pe suprafata de hartie si in fine incercam sa-l fixam din nou pe acelasi punct. Niciodata nu vom putea sa-l pozitionam exact in acelasi punct, ci doar foarte aproape. De asemenea daca digitizam o curba de doua ori, in mod sigur nu vom parcurge acelasi traseu, nici punctele intermediare nu vor fi aceleasi. In aceste conditii este absolut necesar ca sa evaluam gradul de precizie al operatiunilor implicate.

Problema care se pune este de a ne incadra in marjele de eroare pe care ni le impune viitoarea prelucrare pe harta respectiva.

Reprezentarea datelor spatiale

Problema care a aparut era: cum sa fie ea reprezentata intern o harta in calculator? Fiind vorba de un calculator numeric, este evident ca stocarea trebuie facuta sub forma de coduri numerice. Dupa experiente indelungate, s-a convenit ca reprezentarea interna a unei harti sa se faca in doua sisteme: sistemul vector (puncte si linii) si sistemul raster (celule) (Fig. 1.).

2.1. Sistemul vector

2.1.1. Primitive geometrice. In sistemul vector harta este construita, in mare, din puncte si linii, fiecare punct si extremitatile liniilor fiind definite prin perechi de coordonate (x,y - cartezian). Acestea pot forma arce, suprafete sau volume (in cazul in care se mai ataseaza inca o coordonata). Elementele geografice sunt exprimate prin intermediul acestor entitati: o fantana va fi un punct, un varf va fi de asemenea un punct; un rau va fi un arc, un drum va fi de asemenea un arc; un lac va fi un poligon dar si o suprafata impadurita va fi un poligon.

Figura 1. Reprezentarea vector si raster a aceluiasi areal

In alta ordine de idei sistemul vector se bazeaza pe primitive grafice/geometrice. Primitiva grafica este cel mai mic element reprezentabil grafic utilizat la crearea si stocarea unei imagini vectoriale si recunoscut ca atare de sistem. Sistemul vectorial se bazeaza pe cinci primitive grafice: punct; arc ; nod ; poligon, volum.

a) Punctul este unitatea elementara in geometrie sau in captarea fotogrametrica. Nu trebuie confundat cu celula din reprezentarea raster, deoarece el nu are suprafata. El reprezinta o pozitionare in spatiu cu 2 coordonate (x, y). In figura 2 am redat modul de afisare al punctelor, precum si modul de inregistrare pe suport magnetic (in 2D). Fiind vorba de un calculator numeric, inregistrarea pe suport magnetic se va face sub forma de numere. Mai precis, fiecare punct va fi inregistrat intr-un fisier sub forma de tabel care contine doua coloane. In prima coloana va apare un numar de identificare (care este unic), iar in a doua coloana coordonatele punctului in sistemul de referinta ales.

Figura 2. Reprezentarea grafica si tabelara a punctelor

b) Arcul este o succesiune de jonctiuni/legaturi/linii intre o succesiune de puncte. De cele mai multe ori jonctiunea este o dreapta. Astfel, un arc este, in general, o linie franta ce uneste direct doua puncte ale parcursului. O linie franta poate aproxima suficient de bine orice curba prin micsorarea segmentelor. Un arc este orientat direct in sensul parcursului, de la punctul initial la cel final. In figura 3 am infatisat doua arce cu tabelul corespunzator. Ca si in cazul punctelor, inregistrarea pe disc se va face sub forma tabelara. In prima coloana vom avea numarul de identificare, iar in coloana a doua vor fi trecute toate coordonatele punctelor care limiteaza segmentele arcului. Arcul este o entitate de baza in modelele vectoriale si este asociat cu entitatea nod.

Figura 3. Reprezentarea grafica si tabelara a arcelor fara specificarea nodurilor

c) Nodul este definit ca o extremitate de arc si nu trebuie confundat cu conceptul de punct abordat mai sus. Un arc este obligatoriu marginit de un nod de origine si un nod destinatie. Nodurile indica sensul de parcurgere al arcului. Astfel definit, fiecare nod este un varf al unui graf. In figura 4 am schitat o reprezentare posibila a unor arce in care s-au identificat nodurile. In aceasta situatie fisierul contine in plus doua coloane, care vor contine date asociate nodului de inceput si respectiv nodului final. Desi arcele 2 si 3 formeaza un poligon, aici acesta nu este recunoscut ca atare.

Figura 4. Reprezentarea grafica si tabelara a arcelor cu specificarea nodurilor

d) Poligonul este un areal delimitat de arce, ele insele fiind conectate de noduri. Unui poligon ii este atasat in mod obligatoriu un nod izolat, numit centroid. Acest nod privilegiat permite construirea suprafetelor in jurul lui, pana la limitele formate de arcele intalnite. In figura 5 am redat doua poligoane cu tabelul corespunzator fara a se specifica proprietatile lor topologice. Combinatii de poligoane formeaza suprafete bidimensionale sau tridimensionale (vezi DEM).

Figura 5. Reprezentarea grafica si tabelara a poligoanelor

e) Volumele (corp delimitat de suprafete), ca si primitive grafice, sunt tratate mai putin de produsele soft, de aceea nu le vom detalia. Amintim doar faptul ca, anumite pachete de programe ofera posibilitatea de a lua in considerare, de a calcula si de a reprezenta prisme sau volume simple. Ele aproximeaza cu o precizie suficienta volumele de pe hartile reprezentate in trei dimensiuni (3D). Reprezentarea uzuala a unei suprafete in 3D se face prin diferite tehnici cum ar fi izoliniile, TIN etc.

2.1.2. Stocarea datelor. Datele vector pot fi stocate sub forma mai multor formate: shapefile; coverage; geodatabase; fisiere CAD; tabelar.

a. Formatul de date shapefile

Prin acest format se poate reprezenta un singur strat. Stocarea datelor intr-un strat este determinata in primul rand de tipul elementelor (daca sunt elemente de tip punct, linie sau poligon) si in al doile rand de asemanarile si deosebirile dintre diversele elemente. Este de preferat ca intr-un strat sa fie stocate doar acele elemente care au aceleasi caracteristici, adica elemente care au aceleasi atribute. Acest format nu are un mecanism de colectie a straturilor. Colectiile de staturi se caracterizeaza prin faptul ca au acelasi sistem de coordonate, aceeasi intindere geografica. Fiecare strat are asociat un tabel de atribute. Atributele sunt stocate in fisiere dBASE. Tabelul asociat contine un camp numit 'Shape' in care sunt stocati identificatorii prin intermediul carora se face legatura cu datele spatiale. Formatul de date shapefile contine cel putin trei fisiere: shapefile.shp, shapefile.shx , shapefile.dbf .In fisierul shapefile.shp este stocata informatia spatiala: coordonatele punctelor sau ale vertexurilor care formeaza liniile sau poligoanele. Fisierul shapfile.shx reprezinta un indice al fisierului shapefile.shp, iar in fisierul shapefile.dbf sunt stocate atributele.

b. Formatul de date coverage

Un coverage este o colectie de straturi. In acest caz, datele sunt stocate sub forma unui director. In acest format de date relatiile spatiale dintre elemente sunt tinute minte in fisiere separate.

Atributele elementelor sunt stocate in tabele INFO care au un camp 'Cover-ID' care face legatura intre tabele si informatia spatiala.

c. Formatul de date Geodatabase

In formatul de date Geodatabase se pot stoca straturi sau colectii de straturi (feature datasets). Atat clasele de elemente, cat si atributele sunt stocate in tabele RDBMS (A Relation Database Management System). Spre deosebie de toate celelalte tipuri de date, in geodatabase este stocat si comportamentul datelor. Tabelul RDBMS contine un camp 'Shape' care stocheaza informatia spatiala.

d. Formatul de date CAD

Datele geografice pot fi stocate si in fisiere Computed Aided Design (CAD), cum ar fi fisiere DXF, DWG sau DGN. Fisierele CAD reprezinta o colectie logica care permite accesarea unui strat sau a tuturor straturilor, la un moment dat. Aceste tipuri de date pot fi editate in ArcGIS doar dupa ce au fost convertite in clase de elemente din geodatabase sau in coverage-uri.

Dintre toate formatele de date vector, doar formatul shapefile contine un singur strat, celelalte avand posibilitatea de a stoca si colectii de straturi.

Sistemul raster

2.2.1. Unitatea de imagine (Celula). In sistemul raster, imaginile sunt construite din celule numite pixeli (pixel=picture element). Pixelul, sau unitatea de imagine, este cel mai mic element de pe o suprafata de afisare, caruia i se poate atribui in mod independent o intensitate sau o culoare. Fiecarui pixel i se va atribui un numar care va fi asociat cu o culoare. Entitatile grafice sunt construite din multimi de pixeli. Un drum va fi reprezentat de o succesiune de pixeli de o aceeasi valoare; o suprafata impadurita va fi identificata tot prin valoarea pixelilor care o contin (vezi fig 1).

Sistemul raster genereaza un singur model numit model raster, sau model matricial. Asa cum am vazut, acesta este compus din celule mici de forma patrata sau dreptunghiulara, avand o suprafata de regula egala cu rezolutia sistemului. Am spus de regula, deoarece nu intotdeauna pixelul este considerat ca unitate de referinta, ci celula conventionala, care este formata din mai multi pixeli. Acest lucru este relevant atunci cand pe o harta in sistem raster se face o scalare (adica se aplica un factor de multiplicare a imaginii) pe o portiune din ea. Imaginea va fi constituita din patrate, iar continuitatea se pierde. In prima sa forma, sau daca vreti in forma originala, pentru a satisface cerintele de acuratete, harta digitala raster va avea celula egala cu un pixel. Inca o data precizam ca este vorba de reprezentarea interna a hartii, care poate sa coincida sau nu cu rezolutia monitorului sau a altor echipamente (plotter, imprimanta). In cazul in care monitorul are o rezolutie mai slaba decat cea reprezentata intern, harta vizualizata va avea acuratetea monitorului, adica mai slaba. Invers daca monitorul are o rezolutie mai buna, afisarea va fi la nivelul rezolutiei interne a hartii.

In general sistemul raster este un mare consumator de resurse. Pentru a ilustra necesarul de suport in stocarea unei harti in format raster, vom da cateva exemple. O imagine format A4 (210x297 mm), reprezinta, cu o rezolutie a unei imprimante laser, aproximativ 9 milioane de celule (300 d.p.i = 12 puncte/mm si 12x12 = 144 puncte/mm² si 144x210x297=8981280).

Modelul raster este simplu, el continand doua entitati: celula si imaginea. Este important de notat ca o celula nu are decat o singura valoare si ca aceasta valoare este valabila pe toata suprafata celulei, chiar daca in procesul de actualizare sunt disponibile informatii mai fine. Pozitia ei este definita prin numar de linie si numar de coloana intr-o imagine si numai una. Este clar ca in aceasta celula nu intra entitati geografice. Acestea din urma nu pot fi recunoscute decat dupa tema imaginii si valoarea de atribut a fiecarei celule. O imagine presupune una sau mai multe celule. Fiecare imagine este definita de tema sa si de un numar de imagine. Teritoriul care contine aceasta imagine este definit de coordonate si de extremitati. Aceste caracteristici contin si unitatea de masura si atributul fiecarei celule. In consecinta putem rezuma:

In figura 9 avem o harta raster in care pixelii sunt reprezentati prin numere. Aceste numere care, in fond le corespund anumite caracteristici cantitative de pe suprafata Pamantului, se convertesc la o afisare pe un monitor, in culori. Aceasta este asa-numita reprezentare logica a hartii. Asa cum am amintit mai sus, un pixel este definit de un numar de linie si un numar de coloana. Spre deosebire de modelele vector in care originea este in stanga jos, aici originea este in stanga sus (0,0). In figura 10 avem o matrice de celule de 8 linii x 13 coloane. Aceasta se materializeaza printr-un fisier care va contine numerele respective. Numaratoarea celulelor merge de la stanga la dreapta si de sus in jos. Inregistrarea fizica a imaginii este o singura coloana lunga de numere formata, in cazul nostru: 0,0,0,1,1,1,2,1,1,0,0,1,1,3,3,3,1,3,3,2,2 Aceste numere pot fi reprezentate intern prin bytes, numere intregi sau numere reale.

Figura 10 Modelul raster infatisat ca o matrice de

Se observa ca o succesiune de numere asa cum am facut mai sus este cu totul neeconomica. In consecinta s-a adoptat un sistem de reprezentare 'impachetat' de genul: 3,0,3,1,1,2,2,1,2, 0,2,1,3,3 care semnifica 3 valori de 0, 3 de 1, o valoare de 2 etc. In acest mod avem o economie importanta daca valorile se repeta mult in secventa.

2.2.2. Stocarea datelor. Exista doua moduri in care pot fi stocate datele raster: ca imagini sau ca grid-uri In ambele cazuri, datele sunt stocate sub forma unor randuri si coloane de celule de dimensiune egala. Fiecare celula stocheaza o valoare. Detaliile depind de dimensiunea celulei. Cu cat dimensiunea celulei este mai mica, cu atat datele sunt stocate mai precis. Unele formate pot avea mecanisme de colectie.

Exista numeroase tipuri de imagini: tiff, bmp, sid, jpg, ERDAS. Formatul nativ al lui ArcInfo pentru stocarea datelor raster este gridul. Gridurile pot fi de doua tipuri: discrete si continue. Gridurile discrete au doar valori intregi, pe cand gridurile continue pot stoca si valori zecimale. Doar gridurile discrete pot avea asociate tabele de atribute.

Intre cele doua sisteme (raster si vector) exista diferente privind modul de stocare, manipulare si afisare a datelor. Principalul avantaj al sistemului vector fata de cel raster este faptul ca memorarea datelor este mai eficienta. In acest sistem doar coordonatele care descriu trasaturile caracteristice ale imaginii trebuiesc codificate. Se foloseste de regula in realizarea hartilor la scara mare. In sistemul raster fiecare pixel din imagine trebuie codificat. Diferenta intre capacitatea de memorare nu este semnificativa pentru desene mici, dar pentru cele mari ea devine foarte importanta.