Генерализация векторных данных в GRASS

Эта страница является черновиком статьи.

Введение

В статье рассматривается генерализация средствами ГИС GRASS.

Предварительная обработка данных

• Если данные уже в базе данных GRASS, то можно переходить к самой генерализации (см. следующий раздел).
• Если данные нужно импортировать, то можно использовать генерализацию импортируемых полигонов по площади. Для этого у модуля v.in.ogr есть опция min_area, отвечающая за минимальную площадь импортируемых полигонов. Внимание: площадной порог задаётся в квадратных единицах (текущих единицах области GRASS), с одним исключение: в области с географической системой координат ("широта/долгота") порог выставляется в квадратных метрах (А можно на это ссылку? А то не понятно, как считаются квадратные метры в широте/долготе) (взято из мануала v.in.ogr, последний обзац в DESCRIPTION).

Предположим, что имеется файл в формате shp, в котором хранятся полигоны. Требуется произвести генерализацию этого файла. Для определенности будем работать с данным файлом.

Поскольку исходный файл содержит данные в системе координат широта/долгота, то предварительно спроецируем его в другую систему координат (например, Меркатора). Эту операцию можно проделать любыми доступными инструментами, в т.ч. и GRASS GIS, но мы воспользуемся [http://gis-lab.info/qa/ogr2ogr-examples.html ogr2ogr

ogr2ogr -f "ESRI ShapeFile" regions2010 regions2010_wgs.shp -t_srs "+proj=merc +lon_0=0 +lat_ts=0 +x_0=0 +y_0=0 +no_defs +a=6378137 +rf=298.257223563 +towgs84=0.000,0.000,0.000 +to_meter=1"

Далее создаем область GRASS на основе полученного файла по одному из способов указанных здесь.

Заходим в созданную область и импортируем данные:

v.in.ogr -e dsn=/home/dima/Desktop/General/reg/regions2010/regions2010_wgs.shp out=regions min_area=1 snap=100

В результате в текущую область будет импортирована векторная карта, которая получит название regions. На рисунке показан фрагмент получившейся карты:

Описание модулей и немного теории

ГИС GRASS предоставляет неплохие возможности для генерализации векторных данных разных типов (как линий, так и полигонов). В данной статье рассматриваются оба модуля с функциями генерализации - v.clean и v.generalize.

Модуль v.clean

Модуль v.clean предназначен для автоматического поиска и обработки топологических ошибок. Модуль имеет две опции, касающиеся генерализации:

• Инструмент prune отвечает за удаление близко расположенных узлов линий и границ. Если обрабатывается граница полигона, то топология не нарушается за счёт того, что первый и последний сегмент границы никогда не изменяются и, кроме того, полигоны и их центроиды никогда не удаляются. Используется классический алгоритм Дугласа-Пекера.
• Инструмент rmarea предназначен для удаления полигонов с заданным площадным порогом.

--> надо расписать, как именно оно работает *amuriy

Модуль v.generalize

Модуль v.generalize создан специально для генерализации данных, включая упрощение, сглаживание, сдвиг (смещение), а также генерализацию векторных сетей. Каждый инструмент -- реализация того или иного математического алгоритма.

Инструменты генерализации

--> может, лучше "Инструменты упрощения"? *amuriy --> Как-то ухо режет. По своей сути это инструменты "прореживания", но это какой-то новый термин получается (во всяком случае, я его не встречал)*КД

• Инструмент reduction -- самый простой алгоритм из представленных, удаляет точки линии, которые лежат около друг-друга ближе, чем на заданное пороговое расстояние. Таким образом, алгоритм использует один задаваемый пользователем параметр -- максимально допустимое расстояние, при котором точки считаются идентичными.
• Инструмент douglas реализует классический алгоритм Дугласа-Пекера. Инструмент принимает один параметр -- максимальное допустимое отклонение генерализованной линии от изначальной.
• Инструмент douglas_reduction представляет собой модификацию алгоритма Дугласа-Пекера, в которой задается дополнительный параметр -- желаемое количество точек генерализованной линии, которое требуется достичь (измеряется в процентах по сравнению с количеством точек исходной линии).
• Инструмент lang также похож на алгоритм Дугласа-Пекера. Основное отличие состоит в том, что lang представляет собой не рекурсивный алгоритм. Поэтому, во избежание рекурсии алгоритм использует дополнительный параметр (look_ahead), задающий число точек, которые требуется просмотреть, начиная от стартовой точки. Далее как и в алгоритме Дугласа-Пекера, строятся секущие линии между первой точкой и последующими, для каждой построенной секущей измеряется максимальное отклонение между ней и исходной линией. Если все отклонения не превышают порогового значения, то производится генерализация -- просмотренные сегменты линии заменяются одним. Таким образом, алгоритм использует два параметра: число просматриваемых точек и максимально допустимое отклонение.
• Инструмент reumann использует коридор из двух параллельных линий заданной ширины. Для построения коридора берутся две последовательные точки линии и в направлении, заданном отрезком между точками строится коридор. Далее определяется место выхода линии за границы коридора, в результате точки и сегменты исходной линии, которые попали внутрь коридора, замещаются одним сегментом и процесс повторяется со следующей парой непросмотренных точек. Параметр алгоритма -- ширина коридора.

Инструменты сглаживания

• Инструмент boyle сглаживает методом скользящего среднего: алгоритм расчитывает среднее между look_ahead последовательных точек линии, начиная с текущей. Таким образом алгоритм использует единственный параметры -- ширину окна look_ahead.
• Инструмент sliding_averaging сначала расчитывает средние кординаты для look_ahead точек до и look_ahead после текущей точки (т.е. усредняется 2*look_ahead+1 точка), полученные координаты запоминаются. Целевая (сглаженная) точка помещается на отрезке, проведенном между исходной и усредненной точкой, местоположение на котором задается параметром slide (0 -- исходная точка, 1 -- усредненная точка). Соответственно, алгоритм использует два параметра: ширину окна look_ahead и степень сдвига slide.
• Инструмент distance_weighting аналогичен предыдущему, за исключением того, что усредненная точка расчитывается методом взвешенного среднего. Как и sliding_averaging, алгоритм использует два параметра: ширину окна look_ahead и степень сдвига slide.
• Chaiken's Algorithm
• Hermite Interpolation
• Snakes

Практика

Генерализация полигонов

Выполним следующую команду:

v.clean in=regions out=regions_bona type=boundary tool=prune,rmarea thresh=50000,100000000

В этой команде вызывается модуль v.clean с описанными выше инструментами. В данном случае параметр thresh задает настройки точности для инструмента prune в 50 000 (в единицах проекта), т.е. узлы, находящиеся ближе друг к другу, чем задано, будут удалены. Аналогично, будут удалены все области, чья площадь окажется меньше, чем 100 000 000 единиц. В результате выполнения будет создана карта regions_bona, фрагмент которой показан на рисунке:

Обратите внимание на то, что в восточной части показанного фрагмента осталась область, граница которой не была генерализована. Если увеличить масштаб, то получим следующий фрагмент:

Дело в том, что на данном участке находился анклав, который не был удален инструментом rmarea, т.к. его размеры (свыше 40 000 000 000) превышают заданный порог, но при этом, если произвести генерализацию данного участка, то в результате генерализованная граница должна пересечь этот анклав. Понятно, что вновь появившееся пересечение меняет исходную топологию и поэтому недопустимо. Таким образом этот и подобные участки должны быть обработаны отдельно (вручную или автоматически с использованнием других порогов) в зависимости от того, что именно требуется получить на выходе.

Сглаживание "зубчатых" полигонов

"Зубчатые" полигоны часто получаются, например, при векторизации растров. Опытным путём установлено, что самым оптимальным алгоритмом для их сглаживания подобных полигонов с максимальным сохранением формы является Chaiken.

Пример:

Использовалась команда:

v.generalize in=vect out=vect_gener method=chaiken threshold=15

Размер меньшего из двух полигонов, изображённых на картинке, примерно 30 метров. Как видно из команды выше, сглаживание проводилось с порогом в 15м.

Генерализация полигонов с помощью буферных зон

--> Пример отсюда, надо это повторить в GRASS -- *amuriy

Смысл: -- делаем широкий буфер вокруг полигона, он скрывает мелкие ненкжные детали, оставляя общие очертания полигона; -- делаем ещё один буфер "отрицательный" внутрь полигона (той же величиной, что и первый), чтобы уменьшить полигон до исходного.

Генерализация линий

Модуль v.clean c опцией "prune" можно использовать также и для генерализации линейных объектов.