4.3 Преобразование растровых изображений

В процессе создания ГИС используются разнообразные картографические данные – топографические карты, аэрофотоснимки, чертежи и выкопировки документов с границами делянок, границами лесного фонда и др.. Исходные материалы могут быть выполнены в разных масштабах и системах проекций. Для совмещения перечисленных картографических материалов в ГИС выполняется их сохранение в виде файлов изображений (как правило, путем сканирования и сохранения в растровом виде) и трансформирование. Трансформирование координат - операция с координатами пространственных объектов при переходе от одной координатной системы отсчета к координатной системе отсчета, основанной на других датах. При трансформировании координат используют параметры, которые могут быть определены опытным путем с использованием набора пунктов, общих для обеих координатных систем отсчета []. Операция трансформирования может применяться как к растровым, так и к векторным данным¹. Исходные картографические материалы могут быть разнородными и разномасштабными, смещенными относительно друг друга и выполненными в разных системах координат и проекций.

В процессе создания ГИС лесного фонда трансформирование координат растров топографических карт (или других исходных картографических материалов) выполняется на этапе создания цифровых картографических основ. Затем на слои цифровых картографических основ выполняется трансформирование растровых изображений отдешифрированных фотоабрисов.

Процесс преобразования растров в целом включает следующие операции: последовательный выбор пар опорных точек (на слоях ГИС-проекта и на растре), количественная оценка расхождений, преобразование растра с сохранением на отдельном слое. При создании цифровых картографических основ опорными точками могут служить узлы картографической или километровой сетки топографических карт, опорные кресты планшетов, геодезические пункты, точки с известными координатами. При совмещении фотоабрисов со слоями цифровой основы в качестве опорных точек выбираются места, хорошо опознаваемые на аэрофотоснимках и слоях цифровой основы (перекрестки дорог, квартальных просек, устья ручьев, повороты речек, углы зданий, контуры лесов, сельскохозяйственных угодий и пр.).

Рисунок 7. Выбор опорных точек: а - при создании цифровой основы, б – при совмещении фотоабрисов на цифровую основу

Способы трансформирования растровых изображений в ГИС выбираются в зависимости от применяемого программного обеспечения, требуемой точности результатов, качества исходных материалов (наличия и характера искажений, четкости в отображении отдельных деталей). Базовые процессы, лежащие в основе трансформации показаны в табл. и рис.

Условные обозначения:

- первая система координат (до преобразования)

- вторая система координат (после преобразования)

- координаты точки в первой системе координат;

- координаты точки во второй системе координат;

- сдвиг начала координат второй системы координат, относительно начала первой системы координат,

- коэффициент масштабирования,

- угол поворота (от оси OX против часовой стрелки)

Тип искажения	Количество точек	Формула	Характер искажения
Сдвиг (перенос)	1		смещение изображения по осям X и Y без изменения размера и формы
Масштабирование	1		изменение масштаба изображения со сдвигом, или без
Наклон (перекос)			Наклон по оси X и / или Y
Поворот
Сдвиг, поворот, масштабирование по двум точкам	2
Аффинное преобразование (полином 1-й степени)	3		сдвиг, поворот, масштабирование, перекос
Преобразование полиномами 2-й степени1	6		Более эффективно, чем аффинное при сложном характере растяжения точек. , не сохраняет прямые линии.

Преобразование полиномами с большими показателями степени (3-й, 4-й, 5-й) выполняется аналогично, но с большим количеством опорных точек. Необходимость их использования возникает тогда, когда аффинное или полиноминальное 2-й степени не дают желаемого результата. При полиноминальных преобразованиях, в отличии от аффинного возможно получение неравномерной деформации – с минимальными отклонениями исходных точек от преобразованных, но с расхождениями в периферийных частях изображения. Такой результат можно использовать, если деформация исходных материалов неравномерна и нет гарантии достаточно точного задания опорных точек.

	сдвиг	масштабирование	наклон	перекос
Линейные преобразования
Нелинейные преобразования

Математически задача трансформирования координат состоит в поиске таких коэффициентов преобразования , при которых будет наименьшее расхождение между координатами заданных точек трансформации и значениями этих точек в новых координатах¹. При этом координаты точек в исходной и конечной системах координат известны. Итогом трансформирования является пересчет значений координат каждого пиксела растрового изображения в соответствии с выбранными уравнениями и полученными коэффициентами.

Минимальное количество опорных точек при трансформации t-го порядка можно определить по формуле:

[]

Процедура трансформации растров на элементы цифровой картографической основы носит субъективный характер. От качества преобразования зависят искажения линейных объектов (ручьев, дорог, границ), форма и атрибуты площадных объектов (искажения формы выдела могут отразиться на его площади и, как следствие запасах древесины).

На качество трансформации влияют качество исходных материалов (искажения, деформация, изношенность, актуальность, наличие опознаваемых на основе и картографических материалах общих точек), выбранный способ трансформации, количество и расположение опорных точек.

При выполнении трансформации растровых изображений важен выбор опорных точек. В качестве опорных точек можно выбирать элементы топографической ситуации, а также однозначно опознаваемые на снимках отдельные объекты и их части – перекрестки и повороты дорог, квартальных просек, границы вырубок, отдельные группы деревьев, здания, вышки.

1. Основные технологические подходы к созданию ГИС лесоустройства:

2. Общий порядок и основные операции по созданию ГИС лесоустройства

3. Исходные материалами для создания ЦКО ГИС

4. Элементы математической основы ГИС

5. Общий порядок создания цифровых картографических основ

6. Выбор конкретных картографических проекций при создании ГИС

7. Основные методы преобразования плоских систем координат

8. Порядок трансформации растровых изображений на элементы цифровой основы

9. Слои ЦКО в ГИС лесоустройства

10. Порядок векторизации лесоустроительных элементов