Полноценная работа с изображениями в ArcGIS 9

Валерий Гохман, ДАТА+

Многим организациям, использующим в своей деятельности растровые изображения, в том числе космические снимки, необходимы экономически эффективные решения для работы с большими объемами растровых данных, как одним из важных информационных ресурсов корпоративных ГИС.

Программное обеспечение ESRI может служить основой масштабируемых решений для многопользовательской работы с разными типами данных, в том числе и с растровыми. Это подтверждается опытом сообщества ГИС-пользователей, которые все более активно используют продукты семейства ArcGIS для управления растровыми изображениями. Комбинация настольных продуктов ArcGIS Desktop с дополнительными модулями и серверных приложений ArcSDE и ArcIMS предоставляет готовое решение для хранения, управления, обновления, комплексного анализа и распространения коллекций фотографий, аэроснимков, спутниковых изображений, цифровых моделей рельефа и других типов растровых данных, таких как отсканированные документы и карты. Это решение обеспечивает:

• Хранение всех основных типов пространственных данных и управление ими в разных СУБД;
• Быстрый поиск на основе географического охвата, типа контекста, формата данных или по ключевому слову;
• Развитые средства визуализации растровых и векторных данных в виде слоев электронных карт и на глобусах;
• Разнообразные инструменты обработки и анализа геоданных;
• Сжатие LZ77 без потери или с потерей качества;
• Сжатие данных в форматы JPEG и JPEG 2000;
• Создание пирамидных слоев для ускоренного отображения растровых данных;
• И другие возможности.

После выхода девятой версии ArcGIS пользователи получили дополнительные возможности работы с растровыми данными на ГИС-платформе ESRI, в том числе путем создания собственных приложений на основе средств ArcGIS Engine и ArcGIS Server. Предлагаемые решения обеспечивают мощные средства управления, анализа, преобразования и публикации изображений и других типов растровых данных практически любого объема (рис. 1).

Рис. 1. Система управления растровыми данными на основе продуктов ArcGIS.

Управление

Для управления растровыми данными и их визуализации используются настольные продукты ArcGIS Desktop (ArcInfo, ArcEditor и ArcView). Они позволяют автоматически создавать отпечатки (footprints) изображений и публиковать их описания (метаданные), с помощью которых пользователи могут быстро находить нужные им наборы растровых данных. Для тех, кому требуется объединить имеющиеся наборы растровых данных в один непрерывный слой, имеется несколько методов для создания растровых мозаик размером в терабайты. Также имеются методы сжатия растров, позволяющие увязать требования к качеству изображений с размером доступного свободного места для их хранения. С помощью библиотеки ГИС-компонентов ArcObjects можно создавать пользовательские приложения для управления хранилищем растров в соответствии с потребностями вашей организации.

Многие пользователи уже активно используют преимущества хранения изображений с помощью ArcSDE. Загрузка данных в ArcSDE создает среду для эффективного управления изображениями и наборами данных очень большого размера. ArcSDE – основной компонент корпоративной системы управления всеми типами данных в базе геоданных, позволяющий организациям хранить их растровые данные и связанные с ними метаданные в коммерческих системах управления реляционными базами данных (IBM DB2, Informix, Microsoft SQL Server и Oracle), обеспечивающий быстрый онлайновый многопользовательский доступ к растровым данным.

Анализ

Дополнительные модули к ArcGIS 9 расширяют возможности и облегчают анализ данных. Все, кто уже использует эти модули, могут теперь воспользоваться предоставляемыми ими новыми возможностями для анализа растровых и векторных данных. Применение дополнительных модулей ArcGIS обеспечивает совместную работу с данными в разных форматах для оптимизации отображения или анализа растров без привлечения сторонних продуктов. Результатом является получение новой полезной информации, сохранение времени и средств организации.

Некоторые возможности дополнительных модулей ArcGIS для ГИС-моделирования растров и анализа изображений описываются ниже.

ArcGIS Spatial Analyst. Этот модуль позволяет создавать растровые данные, проводить совместный анализ данных во всех растровых и векторных форматах, поддерживаемых в ArcGIS. Он добавляет в настольные продукты ArcGIS Desktop набор из около 200 развитых инструментов пространственного моделирования и анализа. С помощью модуля Spatial Analyst вы сможете решать многие аналитические ГИС-задачи, такие как анализ поверхностей на основе цифровых моделей рельефа, гидрологическое моделирование, послойное наложение данных с учетом весов, моделирование пригодности территории, а также обработку изображений, включая их фильтрацию, классификацию и генерализацию.

ArcGIS Spatial Analyst также предлагает полноценный набор операторов для алгебры карт и интегрированную среду написания скриптов для создания пользовательских аналитических инструментов.

ArcGIS 3D Analyst. Этот модуль обеспечивает эффективную визуализацию и анализ данных по поверхностям. Используя 3D Analyst, вы можете рассматривать поверхности с разных точек и направлений, делать к ним запросы, определять видимость участков поверхности из одной или нескольких точек наблюдения, создавать реалистичные перспективные изображения местности с наложенными на нее растровыми и векторными данными, проводить трехмерную навигацию по территории, создавать анимации полета над местностью.

Приложение ArcGlobe, добавленное в модуль 3D Analyst в 9-й версии ArcGIS, предоставляет возможность отображать в локальной или глобальной трехмерной перспективе очень большие наборы трехмерных географических данных. Это приложение обеспечивает прямое интерактивное взаимодействие с любой географической информацией, представленной в виде обычных слоев данных или на трехмерном глобусе. Оно оптимально для быстрой интерактивной навигации – «полета» над местностью, представленной наборами растровых изображений, в том числе очень большого размера (сотни гигабайт — терабайты).

Image Analysis for ArcGIS. Этот модуль предоставляет полноценное решение для обработки снимков, полученных с помощью воздушных и космических сенсоров, для их анализа, подготовки и создания готовых для ГИС-использования данных, изображений и слоев карт, для извлечения пространственной и непространственной информации из изображений. Image Analysis для ArcGIS позволяет получать актуальную, надежную информацию из изображений и напрямую добавлять ее в базу геоданных. Он обеспечивает импорт/экспорт данных во многих растровых форматах. В этот модуль, являющийся совместной разработкой ESRI и компании Leica Geosystems, включены многие функции и инструменты, которые предоставляет система ERDAS IMAGINE.

Image Analysis для ArcGIS позволяет сэкономить ваше время при сборе надежной географической основы для ГИС. Работа напрямую с данными в базе геоданных позволяет исключить нарушения целостности данных, что нередко происходит при многошаговых процессах.

Stereo Analyst for ArcGIS. Этот модуль, разработанный компанией Leica Geosystems, предназначен для работы со стереоснимками, создания стереопар и цифровых моделей рельефа на их основе. Поддерживаются все форматы растровых и векторных данных, используемые в ERDAS IMAGINE. Используя спутниковые изображения или аэроснимки, этот модуль позволяет преобразовать растровые изображения в точные векторные объекты и хранить их в базе геоданных. Stereo Analyst для ArcGIS обеспечивает точность данных, необходимую для их анализа, цифровой картографии, 3D визуализации и создания векторных объектов.

Распространение

Серверные продукты ArcIMS и ArcGIS Server, появившийся в 9-й версии ArcGIS, предоставляют решения для распространения ГИС-функциональности, карт и данных (в том числе векторных объектов, растровых изображений и метаданных) по локальным и глобальным сетям. ArcIMS предоставляет масштабируемую среду для публикации ГИС в Интернете. С сервисами на основе ArcIMS могут взаимодействовать разные клиенты, такие как пользовательские Web-приложения, настольные продукты ArcGIS Desktop, мобильные и беспроводные устройства.

ArcGIS Server предоставляет современную платформу для распространения корпоративных ГИС-приложений, управляемых централизованно и поддерживающих многопользовательский режим работы. ArcGIS Server — это базовая структура для создания и внедрения централизованных ГИС-приложений и сервисов, отвечающих потребностям разных клиентов.

Удобным средством для распространения ГИС-данных и услуг являются каталоги ГИС-порталов, обеспечивающие быстрый поиск нужных наборов векторных и растровых данных и соответствующих метаданных. Они позволяют из единого интерфейса Web-сайта обращаться к распределенным источникам данных и дополнительных сервисов. Для облегчения создания ГИС-порталов ESRI предлагает специальный модульный продукт GIS Portal Toolkit, в основу которого положена технология ArcIMS и ArcSDE.

Новые возможности

Начиная с 9-й версии ArcGIS вы имеете возможность воспользоваться функцией экспорта в документы XML. В файлы XML можно экспортировать как наборы векторных данных и наборы классов векторных объектов, домены, таблицы и наборы инструментов, так и растровые данные из базы геоданных, включая каталоги растров, наборы растровых данных и атрибуты типа растр. При этом, поскольку растровые изображения нередко имеют очень большой размер, сами растровые данные для удобства работы с ними не включаются в документ XML, они экспортируются в отдельный каталог с расширением .idb. Растровые каталоги предоставляют среду поиска и выборки, недоступную в случае, когда ваши растровые данные не привязаны к базе геоданных.

Растровые данные могут храниться как физически в базе геоданных под управлением ArcSDE, так и, начиная с этой версии, визуально в персональной базе геоданных. В случае персональной базы геоданных, имеющей ограничения на размер (около 2 Гб), физически растровые данные хранятся вне ее, но в дереве ArcCatalog они автоматически отображаются в базе геоданных в специальном каталоге, содержащем файлы изображений, преобразованные в форматы ERDAS IMAGINE. Исходные растры также сохраняются на вашем компьютере. Эта новая возможность обеспечивает централизованный просмотр всех растровых данных базы геоданных и работу с ними.

Соответствующие наборы растровых данных должны быть контролируемы базой геоданных, а растровые каталоги могут быть как контролируемыми, так и неконтролируемыми персональной базой геоданных. При использовании первого варианта управление данными обеспечивается средствами приложения ArcCatalog. То есть, если Вы, например, удалите набор растровых данных из базы геоданных, то из включенного в нее каталога .idb будет удален соответствующий файл, а при перемещении базы геоданных в новое место вместе с ней будет перенесен и каталог .idb. Каталоги растров, неконтролируемые базой геоданных, аналогичны обычным каталогам изображений, за управлением ими следит сам пользователь. Ссылка на растровые данные хранится в поле имени (Name) в таблице каталога растров. Однако, поскольку при таком варианте хранения не происходит преобразования данных, загрузка растровых данных в персональную базу геоданных происходит намного быстрее, чем в случае контролируемого базой геоданных растрового каталога. Растровые данные, хранящиеся с помощью ArcSDE, всегда управляются базой геоданных, преобразуются в растровый формат ArcSDE и хранятся в базе геоданных в табличном виде. При желании, можно хранить растровые данные и вне базы геоданных ArcSDE, предварительно создав ссылочный растровый каталог.

ArcGIS 9 предоставляет новую среду геообработки, включающую широкий набор инструментов для работы с растровыми данными, преобразования данных в растровые и из растровых наборов данных. На основе этих инструментов можно создать скрипты и модели для автоматизации задач управления растрами. К специализированным инструментам геообработки для работы с растрами относятся такие как Копировать растр, Создать набор растровых данных, Мозаика, Мозаика в новый растр. С помощью двух последних инструментов можно, соответственно, сформировать мозаику из наборов растровых данных и создать отдельный набор растровых данных, представляющий единую мозаику наборов растровых данных. В 9-й версии появились новые возможности работы с мозаикой: создание пирамидных слоев не только для всего набора растровых данных, но и для загружаемой или обновляемой области; полноценный доступ к растровым данным по областям, включая их просмотр, в процессе создания пирамидных слоев по этим областям. В ArcCatalog можно просматривать свойства наборов растровых данных, сгруппированные по пяти категориям: Источник данных, Информация о растре, Экстент, Пространственная привязка и Статистика растра. Имеются инструменты геообработки для построения пирамидных слоев и расчета статистических параметров растров. Путем растяжки расчетных гистограмм можно менять контрастность отображения как всего непрерывного набора растровых данных, так и поднабора пикселей, представляющих текущую область отображения, сохраняя ее статистику по каждому из каналов в файле XML.

Растровый каталог – это совокупность наборов растровых данных, сгруппированных в виде записей в отдельной таблице. Его особенно удобно использовать для отображения прилегающих или перекрывающихся наборов растровых данных без необходимости сборки единой мозаики в виде нового набора растровых данных. Сгруппированные в каталог растровые наборы данных сохраняют свои индивидуальные свойства, например цветовую палитру или число каналов, причем каждым набором можно управлять по отдельности. Имеются инструменты геообработки для создания, копирования и удаления растровых каталогов. Для загрузки наборов растровых данных во вновь созданный каталог растров используется приложение ArcCatalog. Для реализации потокового режима рекурсивной загрузки растров в существующий каталог растров и формирования мозаики в имеющемся наборе растровых данных на сайте техподдержки ESRI (http://support.esri.com) предлагается несколько примеров инструментов, в том числе для растров, хранящихся в сжатом формате MrSID. При визуализации набора растровых данных из каталога растров в приложении ArcMap программа применяет наиболее подходящий метод отображения для конкретного растра.

В ArcGIS 9 с каждым растровым набором данных хранится его векторный отпечаток, показывающий область охвата растровых данных, ранее эти отпечатки не хранились, а создавались на лету в ArcSDE. И эти отпечатки теперь можно легко отображать, строить к ним пространственные запросы и делать по ним выборки, что полезно для управления данными и проведения анализа. Например, можно выбрать все наборы растровых данных, которые пересекает заданная дорога. Вы можете открыть атрибутивную таблицу растрового каталога и работать с отпечатками как с обычными векторными объектами. В версии 9.1 появилась специальная команда для обновления отпечатков по пунктам растрового каталога корпоративной базы геоданных в случае обновления соответствующих наборов растровых данных. Без такого обновления отпечатки остаются пустыми и не отображаются в ArcGIS.

В атрибутивных таблицах классов объектов базы геоданных или в отдельной таблице теперь можно задать поле типа Растр, содержащее любое поддерживаемое изображение, картинку или набор растровых данных, например, цифровую фотографию объекта, отсканированный поэтажный план здания и т.д. После задания этого поля вы можете добавлять соответствующие данные в ходе сеанса редактирования в ArcMap, идентифицировать и просматривать растры и их свойства в отдельном окне.

В версии 9.1 прямо из приложения ArcGlobe поддерживается взаимодействие с дополнительным модулем ArcGIS Publisher. C его помощью теперь можно создавать файлы публикации (файлы .pmf) на основе документов глобуса ArcGlobe (файлы .3dd) и распространять их с помощью бесплатного вьюера ArcReader, оснащенного средствами 3D-отображения (рис. 2). При публикации в документ глобуса можно включить файлы анимации (файлы .aga), в том числе созданные с помощью нового инструмента орбитального полета, и затем посмотреть их в ArcReader.

Рис. 2. Вьюер ArcReader в версии ArcGIS 9.1 позволяет просматривать 3D-данные и опубликованные документы ArcGlobe.

Данные

В комплект поставки настольных продуктов ArcGIS входят записанные на DVD и CD-дисках наборы готовых к использованию векторных и растровых данных. В числе предлагаемых растровых данных спутниковые изображения на весь мир с разрешением 150 м, цифровые модели рельефа и другие (рис. 3). В версии 9.1 данные обновлены, а их состав расширен.

Рис. 3. Глобальные изображения «Земля без облаков» с разрешением 1км и «Земля ночью» из наборов растровых данных, входящих в комплект поставки ArcGIS Desktop.