Vektoriesitys

Karttakohteiden kuvaukseen käytetään kahta rakennetta: vektori- ja rasterimuotoa. Vektorimuotoisessa esityksessä kohteet tallennetaan koordinaattipisteiden avulla. Kohde voi olla piste, useamman pisteen määrittämä viiva tai viivojen sisäänsä sulkema alue. Paikkatieto-ohjelmistoille läheistä sukua olevissa CAD-ohjelmissa on mahdollista muodostaa myös tasojen muodostamia kolmiulotteisia objekteja.

Topologialla tarkoitetaan ohjelman ominaisuuksia, joilla karttakohteet muodostuvat, liittyvät toisiinsa ta vaikuttavat karttatasojen välillä. Esimerkiksi kaksi toisensa leikkaavaa viivaa eivät välttämättä vaikuta toisiinsa mitenkään, ellei ohjelmoija ole kertonut ohjelmakoodissa, että leikkauspisteeseen tulee muodostua solmu. Ohjelmaan on voitu edelleen kertoa, että sulkeutuvien viivojen sisään muodostuu alue ilman erillistä "muodosta alue"-komentoa. Vastaavasti viivan lisääminen toiselle karttatasolle jo jollain tasolla olemassa olevan alueen yli voi käskeä ohjelmaa muodostamaan yhden tilalle kaksi toisiinsa liittyvää aluetta. 

Monimutkaisimmillaan topologia on niin sanotussa objektiorientoituneessa tietomallissa. Tällöin kaikki kuvattavaan objektiin liittyvät pisteet, viivat tai alueet muodostavat topologisen kokonaisuuden, joka on kyseinen objekti. Objektiorientoituneella tietomallilla voidaan kuvata esimerkiksi kokonainen kaupunki katuineen, taloineen ym. objekteineen yhtenä kokonaisuutena.

Vektorimuotoiseen karttakohteeseen voidaan liittää rajattomasti ominaisuustietoa joko yhtenä tiedostona tai nykyisin yleensä relaatiotietokantojen avulla.   

Ominaisuustiedolla tarkoitetaan karttakohteen ominaisuuden kuvausta. Se voi olla:

• yksilöivää (tien tunnus, kuvion numero, tilatunnus jne.)

• paikantavaa (osoite)

• kuvailevaa (maalaji, suojelukohteen laatu, pääpuulaji jne.)

• ajoittavaa (rakennusvuosi, inventointiaika jne.) 

Rasteriesitys

Rasteritiedosto on eräänlainen kuva, joka muodostuu kuva-alkioista eli pikseleistä. Rasteritiedoston pienin yksikkö on siis vakiokokoinen ruutumainen solu, johon voi liittyä yksi tai useampia ominaisuustietoja. Pikselikoko ilmoitetaan yleensä maastometreinä. Kaukokartoitusaineistojen (esim. ilma- ja satelliittikuvat) yhteydessä puhutaan tällöin geometrisesta resoluutiosta. Solun sijainti matriisissa ilmoitetaan rivi- ja sarakeindeksien avulla. Matriisin maantieteellinen sijainti puolestaan ilmoitetaan joidenkin pikseleiden tunnettujen koordinaattien avulla (yleensä kulmakoordinaatit).

Esimerkki rasteritiedostosta (skannattu peruskartta). Tässä esimerkissä rasterilla on 4 mahdollista arvoa eli pikselin värit. Pikselikoko on 2 m.

Rasteritiedoston solulla on yksinkertaisimmillaan ainoastaan 2 mahdollista arvoa (1 ja 0). Luokiteltuja aineistoja esitetään esimerkiksi 16 tai 256 väriä mahdollistavien tiedostotyyppien avulla. Rasterin soluun voidaan liittää teoriassa lähes rajattomasti ominaisuustietoa, mutta ongelmaksi muodostuu helposti tiedostokokoon kasvu ja hakutoimintojen hitaus. Rasterin arvona voi olla myös joku viittaus tietokantaan, jossa tämän tunnisteen saavien solujen ominaisuustiedot on määritelty 

Näennäisestä yksinkertaisuudestaan rasteritiedosto voi sisältää runsaasti tietoa, jonka vasta havainnoitsijan aivot muuttavat ymmärrettävään muotoon. Esimerkiksi taustakartta ei tietokoneen kannalta ole mitään muuta kuin muutamaa väriä sisältävä kuvatiedosto, mutta tulkitsijalle se on käyttöliittymän korvaamaton elementti.   

Rasteritiedostoja käytetään erityisesti:

• Vektoriesitysten taustakarttoina

• Vähittäistä muutosta kuvaavien pintojen esitykseen

• Erilaisten luokiteltujen aineistojen esittämiseen

• Korkeusmallin esittämiseen

Kaukokartoitusaineistot ovat poikkeuksetta rasteritiedostoja (esim. ilma- tai satelliittikuvat). Niiden analysointi ja muokkaus on eräs GIS-analyysin tärkeimpiä käyttöalueita.

Rasterikuvien oikaisu ja asemointi

Rasterikuvien käyttöön liittyy aina oikaisu ja asemointi. Oikaisulla tarkoitetaan rasterikuva uudelleen muodostamista käytetyn koordinaatiston ja ellipsoidin mukaiseksi. Oikaisussa jokainen kuva-alkio saa uuden aseman uudessa kuvatiedostossa käytetyn oikaisuyhtälön perusteella. Oikaisuyhtälö voi olla ensimmäistä astetta (lineaarinen oikaisu), tai monimutkaisempi toisen tai kolmannen asteen polynomi.  Näitä käytetään epälineaarisesti vääristyneiden aineistojen (esim. suurta aluetta kuvaava satelliittikuva) oikaisussa.

Oikaisussa tuloskuvan resoluutio l. pikselikoko voidaan määritellä uudestaan. Uusia pikseleiden arvoja määritettäessä voidaan käyttää useita menetelmiä. Näistä tarkemmin rasterikuva-analyysin yhteydessä.

Asemoinnilla tarkoitetaan rasterikuvan sitomista koordinaatistoon esim. kulmakoordinaattien avulla. Esimerkiksi skannattuja pientä aluetta kuvaavia karttoja on harvoin tarpeen oikaista. Oikaisun sivutuotteena aineisto yleensä asemoituu haluttuun koordinaatistoon. 

Vektori-rasterikonversio

Joissain tapauksissa on tarkoituksenmukaista muuntaa l. konvertoida vektoritieto rasteritiedostoksi tai päinvastoin. Konversioon on olemassa monenlaisia työkaluja, joihin palaamme lähemmin rasteri- ja vektoritiedoston analyysin yhteydessä. 

Yksinkertaisimmillaan rasteri-vektorikonversio tarkoittaa kuvaruudulla näkyvän kartan kaappaamista rasterikuvaksi. Tämä voi olla tarpeen, jos suhteellisen monimutkaisesta aineistosta (esim. maastotietokanta) koostettua visualisointia (sähköinen perus- tai maastokartta) haltaan käyttää vaikkapa paikkatietoesityksen taustakarttana.

Vektori-rasterikonversion kehittyneempi muoto ovat erilaiset jatkuvien pintojen interpolointimentelmät. Tällöin piste-, viiva- tai aluekohteita sisältävistä tasoista muodostetaan jatkuvia pintoja, joissa useimmiten on tasoitettu vektoriesitykseen liittyvät diskreetit arvot.

Konversion tarvetta voimme havainnollistaa vaikkapa sääkarttaesimerkillä. Oletetaan, että meillä on ilmanpainehavainto pariltakymmeneltä lähes mielivaltaisesti sijoitetulta säähavaintoasemalta ympäri Suomea. Kyseessä on siis paikkatietojärjestelmän kannalta vektoriesitys, jossa pistemäisillä objekteilla on tietty arvo.

Luodaksemme ilmanpainekartan meidän tulee muodostaa rasteripinta, joka kuvaa ilmanpaineen vähittäistä muutosta havaintopisteiden välillä. Tarkoitukseen soveltuvia interpolointimetodeja on useita. Interpoloimalla luodaan vektoriaineistoon (havaintopisteet) perustuva rasteripinta.

Kun ilmanpainetta kuvaava rasteripinta on luotu, voidaan sen avulla piirtää korkeuskäyriä muistuttavat samapainekäyrät eli isobaarit. Kun isobaarit piirretään Suomea kuvaavan yksinkertaisen taustakartan päälle, olemme luoneet alkeellisen sääkartan. Kyseessä on siis vektori-rasteri-vektorikonversio.

Samankaltainen esimerkki konversiosta on korkeusmallin luonti:

• Korkeuspisteistä tai korkeuskäyristä luodaan ns. TIN-malli (kolmioverkko).

• TIN-mallin päälle asetetaan tasavälinen pisteverkko l. hila, jonka pisteiden korkeusarvot lasketaan kolmioiden pinnan ko. pisteessä saaman arvon perusteella.

• Muodostetaan rasteri, jossa jokaisen solun keskipisteeksi tulee em. hilapiste, ja arvoksi pisteen saama arvo.

Näin saadulla korkeusmallilla (DEM = digital elevation model) voidaan laskea esimerkiksi maaston jyrkkyyksiä. Tulos voidaan muuntaa jälleen vektoreiksi esimerkiksi piirtämällä kartalle alueet, joiden jyrkkyys ylittää annetun raja-arvon.

Ohjelmallisella rasteri-vektorikonversiolla on pyritty nopeuttamaan karttapohjien digitoimista muuttamalla esimerkiksi skannattuja karttapohjia vektoritiedostoiksi. Prosessi on kuitenkin vaikea, ja tulokset vaihtelevat alkuperäismateriaalin laadusta riippuen. Parhaimmillaankin konversio vaatii runsaasti editointi- ja tallennustyötä. 

• Tietokantarakenteet

• Paikkatietojärjestelmien perusteiden etusivulle

Tehtävä 1.

Seuraavassa esimerkki vektorimuotoisesta tiedostosta (MapInfo MIF).

Etsi tiedostosta koordinaatistomäärittely, tietokannan rakenne ja ensimmäinen karttakohde!

Version 300
Charset "WindowsLatin1"
Delimiter ","
Index 1
CoordSys Earth Projection 24, 28, "m", 30, 0, 1, 4500000, 0 Bounds (-3749440.61376, -10002359.5931) (12749632.7035, 10002232.0388)
Columns 11
Numero Decimal(10, 1)
Tila Char(10)
Omistaja Char(30)
Metsätyyppi Char(5)
Ika Integer
Paapuulaji Integer
Kehitysluokka Char(5)
Tilavuus_ha Integer
Ala Decimal(10, 2)
Tilavuus_kuviolla Decimal(10, 2)
Kentta10 Decimal(10, 1)
Data

Region 1
22
4474027.81 6945043.81
4474077.11 6944896.92
4474068.13 6944890.93
4474061.14 6944885.94
4474052.16 6944887.94
4474041.18 6944895.92
4474032.19 6944900.91
4474025.21 6944910.9
4474017.23 6944919.88

jne

Tehtävä 2

Seuraavassa esimerkki rasterikuvan otsaketiedostosta . Etsi tästä tiedostosta kulmakoordinaatit, rasterin koko, käytettävä koordinaatisto  sekä luettava kuvatiedosto

!table
!version 300
!charset WindowsLatin1
!Copyright National Land Survey of Finland
! Helsinki, 1996

Definition Table
File "b422312.tif"
Type "Raster"
(4490000,6950000) (0,0) Label "Pt 1",
(4500000,6950000) (4999,0) Label "Pt 2",
(4500000,6940000) (4999,4999) Label "Pt 3",
(4490000,6940000) (0,4999) Label "Pt 4"
CoordSys Earth Projection 24, 28,"m",30,0,1,4500000,0
Units "m"

Tehtävä3: Rasteriaineiston asemoint

Lataa tehtävätiedostot tästä (1.65 Mt)

Tehtäväaineisto sisältää peruskarttalehden sekä ilmakuvan, joka kuvaa aluetta Honkalammin eteläpuolella peruskarttalehden keskiosassa.

Tehtäväsi on etsiä työohjeen mukaan ilmakuvalta ja kartalta selkeäsi erottuvat vastinpisteet, ja asemoida ilmakuva näiden vastinpisteiden mukaan. Tulos on hyvä, mikäli oikaisupisteiden keskivirhe jää alle 2 pikselin.

Millaisia ovat hyvät oikaisupisteet?   

TIN-malli. Korkeuspisteet on yhdistetty toisiinsa viivoilla

Vektoritiedosto on ns. vektorigrafiikkaa. Kartta  tulostuu siististi suurennussuhteesta riippumatta.

Vektoritiedosto on periaatteessa suhteellisen pienikokoinen. Monimutkaisissa ominaisuustietokanta-
rakenteissa tiedostokoko ja hakuajat kasvavat.

Rasteritiedosto saattaa menettää luettavuuttaan voimakkaasti suurennettaessa.

Rasterimuotoinen korkeusmalli on esimerkki rasteritiedostosta, jossa solun (pikselin) ominaisuustietona on sen korkeus merenpinnasta