что такое пространственные данные в гис

Представление пространственных данных в ГИС

Представление пространственных данных – модель пространственных данных – способ цифрового описания пространственных объектов, тип структуры пространственных данных. Такие модели образуют информационную основу ГИС.

Пространственные данные (ПД) в ГИС представлены следующими примитивами: точка (точечный объект), линия или полилиния (линейный объект), полигон (площадной объект), текст (текстовый объект).

К наборам базовых моделей ПД относят:

Этот перечень не включает модели, используемые для представления поверхностей (рельефов и т.д.)

Растровая модель данных – цифровое представление пространственных объектов в виде совокупности ячеек растра (пикселов) с присвоенными им значениями класса объекта. Растровая модель предполагает позиционирование объектов путем указания их положения в соответствующей растру прямоугольной матрице единообразно для всех типов пространственных объектов (точек, линий, полигонов и поверхностей).

Векторная модель данных – цифровое представление точечных, линейных и полигональных пространственных объектов в виде набора координатных пар с описанием только геометрии объектов. Наиболее распространёнными типами векторных объектов являются точки, полилинии, многоугольники. (рис. 2).

Рисунок 2. Типы ГИС-данных и их модели

Структура данных

Существует два типа структуры данных: топология и слои. Топологию применяют для выделения пространственной связи между объектами, она обеспечивает связь между точками линиями и полигонами и, обычно, не изменяется оператором. Слои применяют для того, чтобы структурировать данные.

Структуру и типы данных определяет пользователь. На основе численных значений, присвоенных векторным объектам на карте, может строиться тематическая карта, на которой эти значения обозначены цветами в соответствии с цветовой шкалой, либо окружностями разного размера. Географические представления организованы в серии наборов данных или слоев. Большинство наборов данных представляют собой наборы таких простых географических элементов, как дорожная сеть, набор границ земельных участков, типы почв, поверхность рельефа, спутниковые изображения от определенной даты, местоположения колодцев и т.д.

Набор тем работает как комплект слоёв (рис. 3). С каждой темой можно работать как с набором информации, независимым от других тем. У каждой есть свое представление (в виде набора точек, линий, полигонов, поверхностей, растров и т.д.).

Рисунок 3. Пример слоев в ГИС

Так как слои пространственно привязаны, они налагаются друг на друга и их можно комбинировать в общем отображении карты. Кроме того, такие инструменты ГИС-анализа, как наложение полигонов, могут агрегировать информацию из нескольких слоев данных, чтобы выявлять производные пространственные отношения и работать с ними.

Любая эффективная база данных ГИС будет наследовать эти общие принципы и концепции. Для каждой ГИС требуется механизм для описания географических данных в этих терминах, а также обширный инструментарий для использования, управления и обеспечения общего доступа к этой информации.

Источник

Представление данных в ГИС (Слои)

Данные в геоинформационных системах описывают, как правило, реальные объекты, такие как дороги, здания, водоёмы, лесные массивы. Реальные объекты можно разделить на две абстрактные категории: дискретные (дома, территориальные зоны) и непрерывные (рельеф, уровень осадков, среднегодовая температура). Для представления этих двух категорий объектов используются векторные и растровые данные.

Растровые данные хранятся в виде наборов величин, упорядоченных в форме прямоугольной сетки. Ячейки этой сетки называются пикселями. Наиболее распространённым способом получения растровых данных о поверхности Земли является дистанционное зондирование, проводимое при помощи спутников. Хранение растровых данных может осуществляться в графических форматах, например TIFF или JPEG.

Векторные данные обычно имеют намного меньший размер, чем растровые. Их легко трансформировать и проводить над ними бинарные операции. Векторные данные позволяют проводить различные типы пространственного анализа, к примеру поиск кратчайшего пути в дорожной сети. Наиболее распространёнными типами векторных объектов являются точки, полилинии, многоугольники.

Точки используются для обозначения географических объектов, для которых важно местоположение, а не их форма или размеры. Возможность обозначения объекта точкой зависит от масштаба карты. В то время как на карте мира города целесообразно обозначать точечными объектами, то на карте города сам город представляется в виде множества объектов. В ГИС точечный объект изображается в виде некоторой геометрической фигуры небольших размеров (квадратик, кружок, крестик), либо пиктограммой, передающей тип реального объекта.

Полилинии служат для изображения линейных объектов. Полилиния — ломаная линия, составленная из отрезков прямых. Полилиниями изображаются дороги, железнодорожные пути, реки, улицы, водопровод. Допустимость изображения объектов полилиниями также зависит от масштаба карты. Например, крупная река в масштабах континента вполне может изображаться линейным объектом, тогда как уже в масштабах города требуется её изображение площадным объектом. Характеристикой линейного объекта является длина.

Многоугольники (иногда используется калька «полигоны») служат для обозначения площадных объектов с чёткими границами. Примерами могут служить озера, парки, здания, страны, континенты. Характеризуются площадью и длиной периметра.

Семантические данные могут быть привязаны к векторным: например, на карте территориального зонирования к площадным объектам, представляющим зоны, может быть привязана характеристика типа зоны. Структуру и типы данных определяет пользователь. На основе численных значений, присвоенных векторным объектам на карте, может строиться тематическая карта, на которой эти значения обозначены цветами в соответствии с цветовой шкалой, либо окружностями разного размера. Непрерывные поля величин могут быть описаны векторными данными. Поля при этом изображаются в виде изолиний или контурных линий. Одним из способов представления рельефа является нерегулярная триангуляционная сетка (TIN, triangulated irregular networks). Такая сетка формируется множеством точек с привязанными значениями (в данном случае высота). Значения в произвольной точке внутри сетки получаются путем интерполяции значений в узлах треугольника, в который попадает эта точка.

Источник

Геоинформационные системы (ГИС)

ГИС используют для решения научных и прикладных задач инфраструктурного проектирования, городского и регионального планирования, рацион

ГИС появились в 1960 гг при появлении технологий обработки информации в СУБД и визуализации графических данных в САПР, автоматизированного производства карт, управления сетями.

Назначение ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными и прикладными), такими как инвентаризация ресурсов, управление и планирование, поддержка принятия решений.

Этапы создания ГИС:

предпроектные исследования, в тч изучение требований пользователя и функциональные возможности используемого ПО,

технико-экономическое обоснование (ТЭО)

системное проектирование ГИС, включая стадию пилот-проекта, разработку ГИС;

тестирование ГИС на небольшом территориальном фрагменте или тестовом участке или создание опытного образца,

эксплуатация и обслуживание ГИС.

Источники данных для создания ГИС:

данные дистанционного зондирования (ДДЗ): в тч, получаемые с космических аппаратов и спутников материалы, Изображения получают и передают на Землю с носителей съемочной аппаратуры, размещенных на разных орбитах. Полученные снимки отличаются разным уровнем обзорности и детальности отображения объектов природной среды в нескольких диапазонах спектра (видимый и ближний инфракрасный, тепловой инфракрасный и радиодиапазон), что позволяет решать широкий спектр экологических задач. К методам дистанционного зондирования относятся также аэро- и наземные съемки, и другие неконтактные методы, например гидроакустические съемки рельефа морского дна. Материалы таких съемок обеспечивают получение как количественной, так и качественной информации о различных объектах природной среды;

результаты геодезических измерений на местности, выполняемые нивелирами, теодолитами, электронными тахеометрами, GPS приемниками и др;

данные государственных статистических служб по самым разным отраслям народного хозяйства, а также данные стационарных измерительных постов наблюдений (гидрологические и метеорологические данные, сведения о загрязнении окружающей среды и пр).

литературные данные (справочные издания, книги, монографии и статьи, содержащие разнообразные сведения по отдельным типам географических объектов). В ГИС редко используется только один вид данных, чаще всего это сочетание разнообразных данных на какую-либо территорию.

Эффективное использование ГИС для решения разнообразных пространственно-локализованных задач требует от пользователя достаточного объема знаний о геодезических системах координат, картографических проекциях и других элементах математической основы карт ГИС, знаний о методах получения по карте различной информации, математических и других методов использования этой информации для решения пространственно-локализованных задач ГИС.

Научные, технические, технологические и прикладные аспекты проектирования, создания и использования ГИС изучаются геоинформатикой.

Данные, собираемые в геоинформатике, выделяют в особый класс данных, называемых геоданными.

Геоданные описывают объекты через их положение в пространстве непосредственно (например, координатами) или косвенно (например, связями).

В целом следует выделить следующие технологии сбора данных в геоинформатике:

воздушная съемка, которая включает аэросъемку, съемку с мининосителей;

глобальная система позиционирования (GPS);

космическая съемка, которая является одним из важнейших источников данных для ГИС при проведении природоресурсных исследований, экологического мониторинга, оценки сельскохозяйственных и лесных угодий и т. д.;

карты или картографическая информация, которая является основой построения цифровых моделей ГИС;

данные, поступающие через всемирную сеть Internet;

наземная фотограмметрическая съемка служит источником информации для ГИС при анализе городских ситуаций, экологического мониторинга за деформацией и осадками;

цифровая фотограмметрическая съемка основана на использовании цифровых фотограмметрических камер, которые позволяют выводить информацию в цифровом виде непосредственно на компьютер;

видеосъемка, как источник данных для ГИС, используется в основном для целей мониторинга;

документы, включая архивные таблицы и каталоги координат, служат основным источником данных для ввода в ГИС так называемой предметной или тематической информации, к которой относятся экономические, статистические, социологические и другие виды данных;

геодезические методы (автоматизированные и не автоматизированные) используются для уточнения координатных данных,

источником данных для ГИС являются также результаты обработки в других ГИС;

фотографии, рисунки, чертежи, схемы, видеоизображения и звуки;

статистические таблицы и текстовые описания, технические данные;

почтовые адреса, телефонные книги и справочники;

геодезические, экологические и любые другие сведения.

ГИС используют для решения научных и прикладных задач инфраструктурного проектирования, городского и регионального планирования, рационального использования природных ресурсов, мониторинга экологических ситуаций, принятия оперативных мер в условиях ЧС и тд.

ГИС классифицируются по следующим признакам:

1. По функциональным возможностям:

полнофункциональные ГИС общего назначения;

специализированные ГИС, ориентированные на решение конкретной задачи в какой либо предметной области;

информационно-справочные системы для домашнего и информационно-справочного пользования. Функциональные возможности ГИС определяются также архитектурным принципом их построения:

2.По пространственному (территориальному) охвату ГИС подразделяются на глобальные (планетарные), общенациональные, региональные, локальные (в том числе муниципальные).

Структура ГИС включает комплекс технических средств (КТС) и программное обеспечение (ПО), информационное обеспечение (ИО).

Рабочая станция используется для управления работой ГИС и выполнения процессов обработки данных, основанных на вычислительных и логических операциях.

Ввод данных реализуется с помощью разных технических средств и методов: непосредственно с клавиатуры, с помощью дигитайзера или сканера, через внешние компьютерные системы. Пространственные данные могут быть получены с электронных геодезических приборов, с помощью дигитайзера или сканера, либо с использованием фотограмметрических приборов.

Базовое ПО включает операционные системы (ОС), программные среды, сетевое программное обеспечение, системы управления базами данных, и модули управления средствами ввода и вывода данных, систему визуализации данных и модули для выполнения пространственного анализа.

Многослойная организация электронной карты, при наличии гибкого механизма управления слоями, позволяет объединить и отобразить гораздо большее количество информации, чем на обычной карте.

Информация, представленная в виде отдельных слоев, и их совместный анализ в разных комбинациях позволяет получать дополнительную информацию в виде производных слоев с их картографическим отображением (в виде изолинейных карт, совмещенных карт различных показателей и тд).

ГИС-технология объединяет разрозненные данные в единый вид, что упрощает принятие управленческих решений информационного обеспечения на различных уровнях планирования и получать, анализировать и принимать решения в науке, управлении хозяйствовании.

Рынок ГИС, отличающихся по функциональным возможностям, требованиям к КТС, ПО и ИО, довольно развит.

Источник

Визуализация и анализ географических данных на языке R

9.1 Предварительные требования

Данный модуль посвящен введению в работу с пространственными данными в R. Рассмотрены общие вопросы моделирования реального мира средствами моделей пространственных данных. Рассматривается чтение векторных и растровых данных, их визуализация стандартными средствами.

Необходимые для работы пакеты:

9.2 Модели пространственных данных

Если говорить по сути, то пространственные данные можно определить как данные о географических объектах или явлениях, фиксирующие их местоположение и/или распределение в системе координат, привязанной к телу Земли или любого другого небесного тела. Таким образом, отличительной особенностью пространственных данных перед непространственными является координатное описание местоположения. На профессиональном жаргоне пространственные данные также часто называют геоданными. Не следует использовать этот

Важно знать отличия между векторной и растровой моделью пространственных данных.

Векторная модель пространственных данных включает описание координатных данных пространственных объектов и, опционально, топологических отношений между ними. Векторные данные фиксируют местоположение и форму объектов в виде геометрических примитивов, таких как точки, линии, полигоны, объемные тела. Выбор модели объекта (например, представить город точкой или полигоном) зависит от масштаба анализа и целей исследования. Векторная модель данных является объектно-ориентированной.

Растровая модель описывает не объекты, а пространственное распределение некоторой (выбранной исследователем) характеристики. Пространство разбивается регулярной сеткой ячеек, в каждой ячейке фиксируется значение исследуемого параметра (путем статистического осреднения, семплирования в центре ячейки и т.п.). Растровые данные могут быть как количественными (например, поле температуры), так и качественными (например, растр классифицированного снимка, каждая ячейка которого фиксирует принадлежность к тому или иному типу объекта). Таким образом, растровая модель является пространственно-ориентированной (или феномен-ориентированной).

Существуют и другие модели пространственных данных, однако их рассмотрение выходит за рамки настоящей лекции.

В настоящей лекции мы познакомимся с чтением и визуализацией пространственных данных в векторном и растровом формате, а также рассмотрим вопросы связанные с использованием картографических проекций.

9.3 Векторные данные

9.3.1 Simple Features

Simple Features (официально Simple Features Access) — это стандарт OGC 06-103, разработанный Open Geospatial Consortium (OGC) и реализованный также в виде международного стандарта ISO 19125, который определяет общую модель хранения и доступа к векторным объектам (точка, линия, многоугольник, мульти точечные, мультилинии и т. д.), в географических информационных системах.

Геометрическое представление пространственных объектов базируется на следующих принципах:

В дополнение к координатам \(X\) и \(Y\) имеются два дополнительных дополнительных параметра:

В случае использования широт и долгот \(X\) соответствует долготе, \(Y\) соответствует широте.

Всего стандарт Simple Features включает в себя 17 типов геометрий. Из них наиболее употребительными являются следующие 7:

Примеры различных видов геометрий представлены на рисунке ниже:

Существует два официально закрепленных формата представления SF: Well-Known Text (WKT) и Well-Known Binary (WKB), которые необходимы для чтения таких данных человеком и машиной соответственно.

Well-Known Text (WKT) — стандарт представления геометрии в виде множества списков координат, в которых координаты вершин разделены пробелами, вершины разделены запятыми, а компоненты полигонов и мультигеометрий заключены в круглые скобки и также разделены запятыми. Вышеприведенной картинке соответствуют следующие строки WKT:

Well-Known Binary (WKB) — бинарный формат хранения координат. Именно этот формат фактически используется в базах данных, поскольку он обеспечивает высокую скорость чтения и записи данных (в отличие от текстового). Однако внешний вид данных в формате WKB мало о чем говорит человеку, поскольку он предназначен для чтения компьютером. Например, вышеприведенная строка LINESTRING будет выглядеть так:

9.3.2 Базовые библиотеки

В R существует высоко развитая инфраструктура для работы с векторными данными, которая обеспечивается пакетом sf. Этот пакет появился относительно недавно (в 2016 году), и активно развивается в настоящее время. Ранее поддержка пространственных данных обеспечивалась пакетом sp, который по прежнему используется некоторыми пакетами R. Пакет sf базируется на библиотеках PROJ, GDAL, GEOS и S2, которые устанавливаются вместе с ним. Их назначение кратко описано на следующем рисунке:

Рис. 9.1: Архитектура программных библиотек для работы с пространственными данными в R

9.3.3 Чтение

Существует большое количество форматов хранения пространственных данных. Но в общем и целом их можно разделить на две категории: файловые форматы (наиболее привычные пользователям) и хранение данных в СУБД — системах управления базами данных. Благодаря библиотеке GDAL пакет sf имеет возможность читать и записывать более 90 различных форматов векторных даных.

Исторически наиболее распространенным форматом был (и остается) ESRI Shapefile. Данный формат, однако не отвечает современным техническим требованиям с точки зрения гибкости, соответствия стандартам и возможностям хранения разнообразных типов геометрий (напомним, что в стандарте Simple Features их 17, а с учетом четырех вариантов размерности точек получается целых 68 ). Современный формат, который обеспечивает полную поддержку стандарта Simple Features (и не только) — это GeoPackage. Именно его мы и будем использовать в нашем практикуме.

Для чтения данных средствами sf необходимо использовать функцию st_read() :

Лог функции сообщил нам следующую информацию:

Подгрузим также для работы данные по другим типам объектов:

9.3.4 Внутренняя структура

В R используется первый подход, в котором информация о геометрии хранится в специальном столбце таблицы. Каждая ячейка этого столбца соответствует геометрическому объекту Simple Features. Представление геометрических объектов реализовано стандартными средствами, такими как списки, матрицы и векторы. Эти структуры данных упорядоченным образом хранят координаты объектов и естественным образом соответствуют способу организации данных, который регламентируется стандартом Simple Features. Поскольку геометрический столбец хранит не обычные переменные, а структуры данных, он реализуется в виде так называемого списка-колонки (list-column), каждый элемент которой соответствует отдельному объекту.

Исходя из этих соображений, представление пространственных объектов реализовано в R в виде иерархии из трех классов объектов:

Посмотрим, как все это реализовано, на конкретном примере:

Данная форма записи говорит о том, что прочитанный слой имеет класс sf, который, в свою очередь, является расширением класса data.frame.

А теперь посмотрим на последние колонки в первых строках таблицы:

Теперь если просмотреть начало данных, то мы увидим, что это больше не фрейм данных, а аннотированный список:

Далее можно опуститься на базовый уровень геометрии, получив доступ к отдельному объекту. Поскольку объект класса sfc представляет собой список, любой элемент можно извлечь по его порядковому номеру. Класс полученного объекта будет:

9.3.5 Визуализация

9.3.5.1 Базовая графическая система

Если попытаться применить функцию plot() к геометрии объекта, она попытается нарисовать тематические карты по всем имеющимся атрибутам (но остановится, если их более 9):

Если задача стоит нарисовать границы объектов, то нужно отображать объект sfc:

Для быстрого построения тематических карт по выбранному показателю необходимо при вызове функции plot() указать соответствующий атрибут фрейма данных:

Внимание: чтобы слои совместились на карте, они должна иметь одинаковую систему координат.

Ясно, что на полученных нами картах можно много что улучшить, однако это мы отложим до следующей главы, где подробно разбирается построение тематических карт в R.

Внимание: чтобы слои данных можно было совместно анализировать и наносить на одну карту, они должны иметь одну и ту же координатную систему (проекцию).

9.3.6 Интерактивные карты

R предоставляет возможности для интерактивного просмотра пространственных данных средствами библиотек веб-картографирования. В данном разделе мы кратко познакомимся с возможностями пакета mapview, который использует возможности библиотеки Leaflet. Функции данного пакета не предназначены для создания тематических карт высокого качества и рассчитаны на выполнение исследовательского анализа данных.

Чтобы отобразить векторный или растровый слой средствами mapview, достаточно вызвать одноименную функцию данного пакета:

Чтобы скомбинировать несколько слоев, необходимо сложить несколько вызовов mapview() :

9.3.7 Атрибутивные операции

Поскольку пространственные объекты хранятся в фреймах данных, к ним можно применять стандартные операции выборки по атрибутам и преобразования таблиц. Например, можно выбрать Италию и отобразить ее на отдельной карте:

Следующий пример иллюстрирует как выбрать страны с населением более 100 млн человек:

Обратите внимание на то, что при вызове функции select() столбец geometry не был указан в числе выбираемых переменных. Тем не менее, то, что мы смогли построить карту по результатам выборки, говорит о том, что данный столбец был сохранен. Функции dplyr определены для объектов sf таким образом, чтобы всегда сохранять геометрический столбец.

Еще интереснее работает агрегирование объектов по атрибутам. В случае, когда агрегируются пространственные объекты, необходимо объединять и их геометрию. При этом если у агрегируемых объектов имеется общая граница, ее необходимо удалить, а если объекты разнесены в пространстве, из них нужно собрать новый мульти-объект.

Например, мы можем агрегировать валовой региональный продукт по континентам:

Потрясающе просто, не правда ли? Вдобавок, мы еще и получили границы континентов (достаточно условные, конечно), которых у нас раньше не было. Данный пример также показывает, что атрибутивные операции над пространственными объектами всегда учитывают их геометрию.

9.3.8 Создание пространственных объектов

Пространственные объекты в R можно собирать “вручную”, если есть такая необходимость. Например, вам известны координаты границ участков полевого обследования, полученные посредством GPS, а вам необходимо превратить их в полигоны, чтобы выполнить анализ и картографирование. Придется из координат собрать полигоны программным путем. Процесс создания пространственных объектов осуществляется в последовательности их иерархического соподчинения: sfg > sfc > sf.

9.3.8.1 Геометрические объекты (sfg)

Для создания геометрических объектов в пакете sf существует ряд функций с говорящими названиями:

В зависимости от типа создаваемого объекта, данные функции принимают координаты, организованные в виде одной из трех структур данных:

Проще всего создаются отдельные точки (POINT):

Дополнительный параметр dim= служит для уточнения типа геометрии точек и по сути нужен только тогда, когда необходимо создать редко используемые точки типа XYM. во всех остальных случаях (XY, XYZ, XYZM) размерность геометрии распознается по умолчанию.

При создании мультиточек (MULTIPOINT) и линий (LINESTRING) необходимо подавать на вход функции уже матрицу координат:

В первом случае геометрия состоит из отдельных точек. Во втором случае те же самые точки соединены линией:

Создание полигонов (POLYGON), мультиполигонов (MULTIPOLYGON) и мультилиний (MULTILINESTRING) требует уже создания списков из матриц.

Почему нельзя представить обычный (не мульти) полигон просто матрицей координат? Потому что полигон может содержать дырки. Например, контур леса может содержать дырку в том месте, где находится озеро. Или озеро может содержать дырку в том месте, где находится остров. Природа предлагает нам бесконечное число таких примеров. В целях универсализации приходится закладываться на возможность наличия дырок в полигонах, поэтому даже полигоны без дырок представляются в виде списков. При этом действу.т следующее правила:

Если дыр в полигоне нет, его список будет содержать только одну матрицу. Рассмотрим оба примера построения полигонов:

Мультиполигоны (MULTIPOLYGON) и мультилинии (MULTILINESTRING) требуются тогда, когда один и тот же географический объект состоит из нескольких геометрических объектов. Простейший пример — островные государства. Чтобы представить страну, занимающую архипелаг (Багамские острова, Индонезия, Япония и т.д.) как один пространственный объект, необходимо создать мультиполигон. Все компоненты мультиполигона будут иметь общий набор атрибутов (непространственных характеристик). Мультилинии используются реже мультиполигонов и необходимы для представления линейных объектов, разорванных в пространстве. Примером такого объекта может быть любая река или канал, которые разорваны в тех местах, где они протекают через озеро или водохранилище, представленное полигональным объектом.

В мультиполигонах добавляется еще один уровень списка, то есть искомые матрицы координат будут располагаться как минимум на втором уровне вложенности:

Как насчет острова на озере? Если остров и суша, окружающая озеро, составляют единое целое (например, подлежат учету как единый массив леса), их можно собрать как мультиполигон. В этом случае первая компонента мультиполигона будет представлять собой полигон с дыркой, а вторая компонента — остров. Порядок компонент в данном случае роли не играет:

Из данного примера также видно, что при сборе мультиполигона на самом нижнем уровне вложенности можно подавать не списки матриц координат, а готовые полигоны.

Мультилиния, в отличие от мультиполигона, не требует дополнительного списка верхнего уровня, поскольку линии не могут содержать дыр. Например, можно собрать мультилинию из двух частей, соответствующих участкам реки до и после озера:

Наконец, еще один вид геометрии — это геометрическая коллекция (GEOMETRYCOLLECTION), который позволяет хранить вместе любые виды геометрий. Эта возможность используется достаточно редко, тем не менее, рассмотреть ее нужно. Геометрическая коллекция собирается из списка объектов с простыми типами геометрии (мы создали их ранее):

9.3.8.2 Списки геометрических объектов (sfc)

При создании списка геометрий для него может быть определена система координат (это можно сделать и позднее при создании таблицы пространственных объектов). Для этого используем уже знакомую нам функцию st_crs() :

Для списка геометрий может быть определена только одна система координат

Можно посмотреть, куда легли наши точки:

9.3.8.3 Пространственные объекты (sf)

9.3.8.4 Точки по координатам

Теперь создадим пространственные точки на основе этой таблицы, взяв координаты из столбцов lat и lon соответственно и указав код системы координат:

9.3.8.5 Преобразование типов геометрии

9.3.8.6 Полигонизация и разбиение линий

Полигонизация — это процесс преобразования линии или мультилинии в полигон(ы). Полигон может быть образован последовательностью из одной и более линий, для которых выполняются следующие условия:

Полигонизация может применяться только к одному геометрическому объекту (simple feature geometry). Соответственно, это должна быть либо просто замкнутая линия, либо мультилиния, компоненты которой образуют замкнутую последовательность.

Рассмотрим операции полигонизации и добавления узлов на простом примере трех пересекающихся отрезков:

Из рисунка видно, что линии образуют треугольную замкнутую область. Также рисунок показывает, что у компонент мультилинии нет вершин в точках пересечения. Мы можем попытаться найти замкнутые области и превратить их в полигоны, используя st_polygonize() :

Операция завершилась возвратом пустой геометрической коллекции, то есть программа не смогла выделить замкнутые области. Это произошло по причине того, что линии не разбиты в точках пересечения. Разбить их на компоненты можно, используя функцию st_node() :

Таким образом, после разбиения линий на куски в точках пересечения стала возможной операция полигонизации.

9.3.9 Геометрические атрибуты

Обратите внимание на то, что площадь и периметр выводятся с указанием единиц измерений! Это возможно благодаря тому, что объекты типа sf поддерживают единицы измерений на основе пакета units.

Если данные находятся в плоской прямоугольной системе координат, то единицы измерения как правило указываются в параметрах проекции — следовательно, они могут быть использованы при вычислении геометрических параметров объектов. Если же данные хранятся в широтах и долготах, то вычисление геометрических параметров осуществляется пакетом sf по формулам сферической тригонометрии через пакет geosphere. Это позволяет выводить результат в плоских единицах измерения.

Ограничивающий прямоугольник можно быстро преобразовать в полигон и нанести на карту, применив функцию st_as_sfc() :

Как видно, в данном случае центроид и характерная точка расположились относительно рядом. Однако так бывает далеко не всегда. Выполним аналогичные вычисления для Индонезии:

9.3.10 Экспорт

9.4 Растровые данные

Работа с растровыми данными в целом гораздо проще, чем работа с векторными объектами. Это обусловлено в том числе жесткой сеточной структурой данных, которая предоставляет не так много свободы в различных сценариях обработки данных. В то же время, эта структура позволяет сделать растровые алгоритмы универсальными и робастными, многие задачи решаются в растровом виде быстрее и проще, чем в векторном.

9.4.1 Теоретические сведения

Растр представляет из себя матрицу значений. Каждой ячейке матрицы соответствует прямоугольная пространственная область фиксированного размера, которая называется пикселом. Различают растры непрерывные и категориальные (классифицированные). Также необходимо разделять одноканальные и многоканальные растры. Примером одноканального растра является цифровая модель рельефа. В виде многоканальных растров часто представляют космические снимки.

В отличие от векторных данных, которые требуют указания координат для каждой вершины, регулярно-ячеистый характер растровой модели позволяет вычислять координаты пикселов на основе их индексов. Поэтому фактически растровые данные хранятся в виде линейно упорядоченного списка значений (raster values) и описания геометрии растра (raster geometry).

Геометрия растра определяет, где именно располагаются в пространстве пикселы растра и может быть описана путем указания следующих компонентНазвания перечисленных компонент геометрии растра укоренились благодаря распространенности стандарта Esri ASCII Grid

В отличие от векторной модели, которая позволяет хранить данные только о нужных географических локациях, растровая модель такой свободы не предоставляет. Матрица ячеек растра всегда покрывает область данных целиком, и за простоту растровой структуры приходится расплачиваться ее неэкономичностью. Поскольку часто данные имеются не на всю территорию, возникает необходимость кодирования ячеек, для которых данные не известны, специальным числом (назовем его условно NODATA_VALUE ). Значение этого числа хранится в метаданных растра и позволяет интерпретировать соответствующие ячейки как пустые.

В этой и ближайших лекциях мы будем работать с растрами в формате stars, поскольку он концептуально близок к пакету sf.

9.4.2 Чтение

Для чтения растров любой размерности можно использовать функцию read_stars() :

9.4.3 Внутренняя струкура

Для работы с данными типа stars необходимо понимать их внутреннюю структуру. Для начала можно взглянуть на нее посредством стандартной функции str() :

Видно, что данный трёхканальный растр представляет собой список из единственного элемента с названием BlueMarbleJuly.tif — это имя было присвоено автоматически при чтении растра. Каждый такой элемент соответствует переменной данных. В данном случае переменная одна — это интенсивность цвета. Хранится она в виде трехмерного массива ( array ) размерностью \(720 \times 360 \times 3\) :

Например, посмотрим параметры измерения x растра:

Видно, что атрибут raster содержит 3 элемента:

9.4.4 Визуализация

9.4.4.1 Статичные карты

Для синтезирования цветного изображения на основе многоканального растра необходимо объект stars предварительно подать в функцию st_rgb() :

Поскольку при визуализации космических снимков часто используют различные варианты синтеза каналов (чтобы лучше дешифрировать те или иные категории объектов), функция st_rgb() предоставляет такую возможность. Достаточно перечислить последовательность каналов растрового стека (по умолчанию эти каналы будут подставлены в каналы R, G и B соответственно):

Источник