УДК 004.9: 681.3 2 страница

Пространственные объекты представляют с помощью следующих графических объектов: точки, линии, области и поверхности.

Описание объектов осуществляется путем указания координат объектов и составляющих их частей.

Точечные объекты – это такие объекты, каждый из которых расположен только в одной точке пространства, представленной парой координат X, Y. В зависимости от масштаба картографирования, в качестве таких объектов могут рассматриваться дерево, дом или город.

Линейные объекты, представлены как одномерные, имеющие одну размерность – длину, ширина объекта не выражается в данном масштабе или не существенна. Примеры таких объектов: реки, границы муниципальных округов, горизонтали рельефа.

Области (полигоны)– площадные объекты, представляются набором пар координат (Х, У) или набором объектов типа линия, представляющих собой замкнутый контур. Такими объектами могут быть представлены территории, занимаемые определенным ландшафтом, городом или целым континентом.

Поверхность - при ее описании требуется добавление к площадным объектам значений высоты. Восстановление поверхностей осуществляется с помощью использования математических алгоритмов (интерполяции и аппроксимации) по исходному набору координат X, Y, Z.

Одних пространственных данных недостаточно для описания картографической или сложной графической информации. Картографические объекты, кроме метрической, обладают некоторой присвоенной им описательной информацией (названия политических единиц, городов, рек и др.). Характеристики объектов, входящие в состав этой информации, называют атрибутами. Совокупность возможных атрибутов определяет класс атрибутивных моделей ГИС.

Атрибутивные данные- это качественные или количественные характеристики пространственных объектов, выражающиеся, как правило, в алфавитно-цифровом виде. Атрибутами могут быть символы (названия), числа (статистическая информация, код объекта) или графические признаки (цвет, рисунок, заполнения контуров). Числовые значения в ГИС могут относиться как к координатным данным, так и к атрибутивным.

Атрибутивные данные описывают тематические и временные характеристики. Таблица, содержащая атрибуты объектов, называется таблицей атрибутов.

Атрибуты, соответствующие тематической форме данных и определяющие различные признаки объектов, также хранятся в таблицах. Каждому объекту соответствует строка таблицы, каждому тематическому признаку - столбец таблицы. Каждая клетка таблицы отражает значение определенного признака для определенного объекта.

Временная характеристика может отражаться несколькими способами: путем указания временного периода существования объектов; путем соотнесения информации с определенными моментами времени; путем указания скорости движения объектов.

Применение атрибутов позволяет осуществлять анализ объектов, хранящихся в БД с использованием стандартных форм запросов и разного рода фильтров, а также выражений математической логики. Последнее эффективно при тематическом картографировании. Кроме того, с помощью атрибутов можно типизировать данные и упорядочивать описание для широкого набора некоординатных данных.

Таким образом, атрибутивное описание дополняет координатное, совместно с ним создает полное описание моделей ГИС и решает задачи типизации исходных данных, что упрощает процессы классификации и обработки.

Существуют различные методы хранения атрибутивных данных в ГИС:

- хранение для всех объектов системы 1-2 стандартных атрибутов;

- хранение таблиц атрибутов, связанных с пространственными объектами, и информации об отношениях между ними;

- хранение ссылок на элементы данных иерархической или сетевой БД;

- хранение атрибутивной информации может вообще не применяться, если система опирается на классификатор.

Атрибуты можно подразделить на:

- пространственные - периметр и площадь площадного объекта, длина линейного;

- непространственные - числовые, текстовые значения каких-то величин описывающих объект;

- первичные - измеренные, введенные. Примеры таких данных: географическое название, видовой состав растительности, характеристики почв и т.п.;

- вторичные - рассчитанные, полученные из значений других атрибутов.

Природа пространственных и атрибутивных данных различна, соответственно различны и методы манипулирования (хранения, ввода, редактирования, поиска и анализа) для двух этих составляющих ГИС. Одна из основных идей, воплощенных в традиционных ГИС - это сохранение связи между пространственными и атрибутивными данными, при раздельном их хранении и, частично, раздельной обработке. [12]

Общее цифровое описание пространственного объекта включает: наименование; указание местоположения; набор свойств; отношения с другими объектами. Наименованием объекта служит его географическое название (если оно есть), его условный код или идентификатор, присваиваемый пользователем или системой.

Однотипные объекты по пространственному и тематическому признакам объединяются в слои цифровой карты, которые рассматриваютсякак отдельные информационные единицы, при этом существует возможность совмещения всей имеющейся информации

2.2. Структуры пространственных данных

Для представления пространственных данных в ГИС применяют векторные и растровые структуры данных.

Векторная структура– это представление пространственных объектов в виде набора координатных пар (векторов), описывающих геометрию объектов (рис.2.1).

Рис. 2.1. Векторное представление пространственных данных

Растровая структура данных предполагает представления данных в виде двухмерной сетки, каждая ячейка которой содержит только одно значение, характеризующее объект, соответствующий ячейке растра на местности или на изображении. В качестве такой характеристики может быть код объекта (лес, луг и т.д.) высота или оптическая плотность.

Точность растровых данных ограничивается размером ячейки. Такие структуры являются удобным средством анализа и визуализации разного рода информации.

Рис. 2.2. Растровая структура данных

Для реализации растровых и векторных структур разработаны различные модели данных.

2.3. Модели данных

Модели пространственных данных – логические правила для формализованного цифрового описания пространственных объектов. Существуют векторные и растровые модели данных.

Основное преимущество векторных моделей - на порядки меньшее требование к памяти и меньшее время на обработку и представление данных, чем у растровых.

2.3.1. Векторные модели

Векторные модели делятся на собственно векторные (нетопологические) и векторно-топологические.

Векторные нетопологические модели данных. В основе векторных моделей лежит понятие вектор. Вектор - направленный отрезок, у которого есть координаты начала и координаты конца. При построении векторных моделей объекты создаются путем соединения точек прямыми линиями, дугами окружностей, полилиниями. Площадные объекты - ареалы или полигоны задаются наборами линий.

Линией называют границу, сегмент, цепь или дугу. Основные типы координатных данных в классе векторных моделей определяются через базовый элемент «Линия» следующим образом. Точка определяется как выродившаяся линия нулевой длины, линия - как линия конечной длины, а площадь представляется последовательностью связанных между собой сегментов.

Векторные нетопологические модели данных (рис. 2.3) в этом смысле предоставляют больше свободы, но часто в один слой помещаются объекты только одного геометрического типа.

Рис. 2.3. Векторная нетопологическая модель

Число слоев при послойной организации данных может быть и ограничено, и практически неограниченно в зависимости от конкретной реализации. При послойной организации данных удобно манипулировать большими группами объектов, представленных слоями как единым целым, например, включая или выключая слои для визуализации, определять операции, основанные на взаимодействии слоев. В целом можно сказать, что послойная организация данных имеет большой аналитический потенциал. Она часто используется при построении как векторно-топологических, так и векторных нетопологических моделей пространственных данных для ГИС.

Существует несколько способов объединения векторных структур данных в векторную модель данных, позволяющую исследовать взаимосвязи между объектами одного слоя или между объектами разных слоев. Простейшей векторной моделью данных является «спагетти»-модель (рис.2.4). В этом случае переводится «один в один» графическое изображение карты. [13]

Рис. 2.4. «Спагетти»-модель

В этой модели не содержится описания отношений между объектами, каждый геометрический объект хранится отдельно и не связан с другими, например общая граница объектов 25 и 26 записывается дважды, хотя с помощью одинакового набора координат. Все отношения между объектами должны вычисляться независимо, что затрудняет анализ данных и увеличивает объем хранимой информации.

Векторные топологические модели (рис. 2.5) содержат сведения о соседстве, близости объектов и другие, характеристики взаимного расположения векторных объектов.

Рис. 2.5. Векторно-топологическая модель

Векторно-топологическая модель отличается от векторной тем, что объекты хранятся во взаимосвязи.

Топологические модели позволяют представлять элементы карты и всю карту в целом в виде графов. Теоретической основой моделей служат алгебраическая топология и теория графов. Топологическое векторное представление данных отличается от не топологического наличием возможности получения исчерпывающего списка взаимоотношений между связанными геометрическими примитивами без изменения хранимых координат пространственных объектов.

Топологические модели в ГИС задаются совокупностью следующих характеристик:

- связанность векторов - контуры, дороги и прочие векторы должны храниться не как независимые наборы точек, а как взаимосвязанные друг с другом объекты;

- связанность и примыкание районов - информация о взаимном расположении районов и об узлах пересечения районов;

- пересечение - информация о типах пересечений позволяет воспроизводить специальные символы, например мосты и дорожные пересечения

- близость - показатель пространственной близости линейных или площадных объектов, оценивается числовым параметром.

Для случая векторно-топологических моделей данных (рис. 2.6) обычно существуют некоторые дополнительные ограничения - в один лист одного тематического слоя можно поместить объекты не всех геометрических типов одновременно.

Рис. 2.6. Векторная топологическая модель данных

Топологическая информацияописывается набором узлов и дуг. Узел - это пересечение двух или более дуг, и его номер используется для ссылки на любую дугу, которой он принадлежит. Каждая дуга начинается и заканчивается либо в точке пересечения с другой дугой, либо в узле, не принадлежащем другим дугам. Дуги образуются последовательностью отрезков, соединённых промежуточными точками. В этом случае каждая линия имеет два набора чисел: пары координат промежуточных точек и номера узлов. Кроме того, каждая дуга имеет свой идентификационный номер, который используется для указания того, какие узлы представляют её начало и конец.

Разработаны и другие модификации векторных моделей, в частности, существуют специальные векторные модели для представления моделей поверхностей, которые будут рассмотрены далее. [14]

2.3.2. Растровые модели

Растровые модели используются в двух случаях. В первом случае – для хранения исходных изображений местности. Во втором случае, для хранения тематических слоев, когда пользователей интересуют не отдельные пространственные объекты, а набор точек пространства, имеющих различные характеристики (высотные отметки или глубины, влажность почв и т.д.), для оперативного анализа или визуализации.

Существует несколько способов хранения и адресации значений отдельных ячеек растра, и их атрибутов, названий слоев и легенд.

При использовании растровых моделей актуальным является вопрос сжатия растровых данных, для которого разработаны методы группового кодирования, блочного кодирования, цепочного кодирования и представления в виде квадродерева.

Деление на объекты осуществляется наиболее простым способом - весь объект (исследуемая территория) отображается в пространственные ячейки, образующие регулярную или нерегулярную сеть. При этом каждой ячейке растровой модели соответствует одинаковый по размерам, но разный по характеристикам (цвет, плотность) участок поверхности объекта. В ячейке модели содержится одно значение, усредняющее характеристику участка поверхности объекта. В теории обработки изображений эта процедура известна под названием пикселизация.

Нерегулярная сеть точек - произвольно расположенные точечные объекты, в качестве атрибутов имеющие значение поля в данной точке, рис. 2.7. С помощью такого способа представления, если не иметь очень густо расположенных по сравнению с пространственной изменчивостью поля точек, трудно гарантировать его адекватное представление. Сеть может быть слишком редкая, или точки, выбранные случайно, не попадают на характерные представительные места/значения, или наоборот, точки выбраны неслучайно и тоже не являются представительными. Для обработки такое представление тоже не очень удобно.

ID Число Тип Код Сосна Осина

Рис. 2.7. Нерегулярная сеть точек

Регулярная модель- более удобный для многих случаев вариант, когда поля задаются регулярно расположенными в пространстве точками достаточной густоты, особенно когда это не точки, интерполированные из нерегулярных, а измерения, проведенные по регулярной сети, рис. 2.8. Из них легко перейти к любой другой форме представления.

Рис. 2.8. Регулярная модель

Если векторные модели данных оперируют непосредственно с координатами объектов и слагающих его точек, то растровые модели оперируют с делением пространства, где положение объекта или слагающего его элемента задается принадлежностью к некоторому дискрету, элементу делимости пространства, рис. 2.9.

Если векторная модель дает информацию о том, где расположен тот или иной объект, то растровая - информацию о том, что расположено в той или иной точке территории. Это определяет основное назначение растровых моделей - непрерывное отображение поверхности.

В растровых моделях в качестве атомарной модели используют двухмерный элемент пространства - пиксель (ячейка). Упорядоченная совокупность атомарных моделей образует растр, который, в свою очередь, является моделью карты или геообъекта.

Рис. 2.9. Векторная и растровая модели

2.3.3. Нерегулярная триангуляционная сеть – TIN

Модель данных TIN (triangulated irregular network - нерегулярная триангуляционная сеть) предназначена для представления поверхностей значений, полей (в первую очередь, поверхности рельефа местности), рис. 2.10. Эта модель позволяет использовать для описания рельефа точки некоторой сетки. Точки могут размещаться как регулярно, так и нерегулярно.

Для получения модели поверхности нужно соединить пары точек ребрами определенным способом, называемым триангуляцией. Тогда, при необходимости получения трехмерного представления, TIN может быть показана в виде проволочной модели или модели с закрашенными гранями. Наличие связок между точками дает некоторое представление о поведении поля (или форме поверхности) на данном участке в промежутке между точками. Поэтому модель данных типа TIN часто позволяет получать более качественное и экономное представление поверхностей (полей). Это средство представления поверхностей на самом деле использовалось в качестве главной структуры данных в ранних системах работы с данными поверхностей. К сожалению, многие типы аналитических задач трудно выполнимы на этом типе модели данных.

Рис. 2.10. Модель TIN. Векторное представление поверхности образуется соединением точек с известными значениями высоты

2.3.4. Организация цифровой карты в виде множества слоев

Цифровая карта может быть организована как множество слоев (покрытий или карт-подложек), рис. 2.11.

Слои в ГИС могут быть как векторными, так и растровыми, причем векторные слои обязательно должны иметь одну из трех характеристик векторных данных, т.е. векторный слой должен быть определен как точечный, линейный или полигональный дополнительно к его тематической направленности.

Слои в ГИС являются типом цифровых картографических моделей, которые построены на основе объединения (типизации) пространственных объектов (или набора данных), имеющих общие свойства или функциональные признаки. Такими свойствами могут быть: принадлежность к одному типу координатных объектов (точечные, линейные полигональные); принадлежность к одному типу пространственных объектов (жилые здания, подземные коммуникации, административные границы и т. д.); отображение на карте одним цветом.

Рис. 2.11. Организация цифровой карты в виде множества слоев

Совокупность слоев образует интегрированную основу графической части ГИС. Принадлежность объекта или части объекта к слою позволяет использовать и добавлять групповые свойства объектам данного слоя.

Данные, размещенные на слоях, могут обрабатываться как в интерактивном, так и в автоматическом режиме.

С помощью системы фильтров или заданных параметров объекты, принадлежащие слою, могут быть одновременно масштабированы, перемещены, скопированы, записаны в базу данных. В других случаях (при установке других режимов) можно наложить запрет на редактирование объектов слоя, запретить их просмотр или сделать невидимыми,

Многослойная организация электронной карты при наличии гибкого механизма управления слоями позволяет объединить и отобразить не только большее количество информации, чем на обычной карте, но существенно упростить анализ картографических данных с помощью селекции данных, необходимых для визуализации и механизма "прозрачности" цифровой карты.

Таким образом, разбиение на слои позволяет решать задачи типизации и разбиения данных на типы, повышать эффективность интерактивной обработки и групповой автоматизированной обработки, упрощать процесс хранения информации в БД, включать автоматизированные методы пространственного анализа на стадии сбора данных и при моделировании, упрощать решение экспертных задач.

Введение топологических свойств в графические данные ГИС, позволяет решать задачи, которые методами ПО САПР не реализуются. Это, например, возможность наложения слоев для получения нового слоя, который не является простым результатом наложения, а содержит новые объекты, полученные на основе методов пространственного анализа с использованием логических операций.

В целом сочетание методов топологии и послойного представления картографической информации богатые возможности анализа картографических данных.

Проявление современных тенденций в информационных технологиях оказывает влияние и на ГИС. Наиболее актуальным и перспективным с точки зрения эффективности обработки картографических данных и технологичности использования инструментальных средств для создания ГИС, является объектно-ориентированный подход (ООП). Смысл такого подхода состоит в том, что он позволяет применить объектную ориентацию для решения всего круга проблем, связанных с разработкой информационных систем. Использование ООП позволяет в полной мере использовать возможности объектно-ориентированных языков, существенно повышает качество разработки в целом и ее фрагментов, дает возможность создавать системы на основе стабильных промежуточных описаниях, делая системы более открытыми: снижает степень риска при разработке системы и создает более полное соответствие объектной модели реального мира восприятию человека.

2.4. Форматы данных

Форматы данных определяют способ хранения информации на жестком диске, а также механизм ее обработки. Модели данных и форматы данных определенным способом взаимосвязаны.

Существует большое количество форматов данных. Можно отметить, что во многих ГИС поддерживаются основные форматы хранения растровых данных (TIFF, JPEG, GIF, BMP, WMF, PCX), а также GeoSpot, GeoTIFF, позволяющие передавать информацию о привязке растрового изображения к реальным географическим координатам, и MrSID - для сжатия информации. Наиболее распространенным среди векторных форматов является - DXF.

Все системы поддерживают обмен пространственной информацией (экспорт и импорт) со многими ГИС и системами автоматизированного проектирования (САПР) через основные обменные форматы: SHP, E00, GEN (ESRI), VEC (IDRISI), MIF (MapInfo Corp.), DWG, DXF (Autodesk), WMF (Microsoft), DGN (Bentley). Только некоторые, в основном отечественные системы, поддерживают российские обменные форматы – F1M (Роскартография), SXF (Военно-топографическая служба).

Довольно часто для эффективной реализации одних компьютерных операций предпочитают векторный формат, а для других растровый. Поэтому, в некоторых системах реализуются возможности манипулирования данными в том и в другом формате, и функции преобразования векторного в растровый, и наоборот, растрового в векторный форматы.

2.5. Базы данных в ГИС

База данных (БД) ГИС – это самостоятельная, предназначенная для длительного хранения и использования организация геоданных, которая включает данные и соответствующие методы управления этими данными.

Основными компонентами БД ГИС являются:

- система управления БД, отвечающая за опрос, манипуляцию, управление доступом к данным, целостность данных;

- описание структур геоданных;

- геоданные.

Систему БД можно рассматривать как распределенную информационную систему, которая отвечает за:

- управление геоданными;

- эффективный доступ к большим объемам геоданных;

- управление распределенным доступом к геоданным;

- координацией объектов различных типов.

Альтернативным способом хранения данных является файловая система, которая в свою очередь не предоставляет всех функций управления данными. Эти функции должны быть реализованы средствами конкретного программного продукта, использующего эти данные.

Каждая прикладная программа имеет собственный набор данных. БД ориентированы на коллективное использование данных прикладными программами.

БД ГИС по степени распределенности делятся на:

- десктоп-БД;

- локальные БД, в которых все компоненты находятся на рабочей станции;

- файл-серверные БД, в которых данные находятся на файловом сервере, а система БД на рабочих станциях;

- клиент-серверные БД, в которых все компонениты БД находятся на сервере.

Модель данных определяет способ представления и обработки данных в БД. При этом учитываются методы:

- описания типов и логических структур данных;

- манипулирования данными;

- описания и поддержки целостности БД.

Наиболее распространенные модели современных БД:

- реляционная;

- объектно-ориентированная;

- объектно-реляционная.

Реляционная модель БД представляет объекты и взаимосвязи между ними в видетаблиц (отношений), а все операции над данными сводятся к операциям над этими таблицами. На этой модели базируются практически все современные СУБД, поскольку она:

- проста для понимания – таблицы являются легко воспринимаемым способом представления информации;

- предоставляет мощный механизм обработки данных – SQL.

Основной проблемой реляционной модели является отсутствие возможности естественного представления данных со сложной структурой. Даже в том случае, когда сложный объект удается представить реляционной моделью, его данные распределяются, как правило, по многим таблицам. Извлечение каждого такого объекта требует выполнения многих операций соединений, что значительно замедляет работу с ним. [15]

На раннем этапе развития ГИС использовали свои собственные форматы файлов для хранения данных и свои собственные интерфейсы для доступа к этим данным.

Вначале 90-х годов с введением требований к отрытым ГИС крупнейшие разработчики ГИС перешли к созданию приложений, в которых реляционные БД использовались как хранилища данных. Это дало их продуктам такие преимущества, как одновременный доступ многих пользователей, стандартные средства сохранения и восстановления данных и возможность работы в режиме клиент-сервер. Реляционные БД обеспечили представление пространственных данных в типах SQL и пространственное индексация этих данных. Однако доступ к данным все еще происходил через собственные интерфейсы ГИС

В настоящее время существуют следующие способы хранения геоданных в реляционных БД:

- ГИС-специфическое хранение геоданных: геометрические и негеометрические (атрибутивные) данные хранятся в одном файле (или совокупности файлов);

- гибридное хранение: геометрические данные – в файле, атрибуты – отдельно в реляционной БД;

- геометрические данные и атрибуты в одной (как правило, реляционной) БД;

- связанные БД с геометрическими данными и атрибутами;

- распределенные БД.

Вопросы и задания

1. Поясните принципы отображения реальных объектов в ГИС. Каким образом они характеризуются? Приведите примеры.

2. Раскройте суть понятия «пространственный объект». Что подразумевается под пространственным и атрибутивным описанием объекта? Как связано понятие «слой» с описанием объекта?

3. Перечислите и охарактеризуйте основные структуры описания пространственных данных.

4. Поясните назначение и принципы организации атрибутивных данных в ГИС. Перечислите методы хранения. Приведите классификацию атрибутивных данных и их примеры.

5. Приведите примеры и дайте пояснения к основным структурам формализованного описания пространственных данных в ГИС.

6. Постройте классификацию моделей данных в ГИС. Укажите преимущества и недостатки каждого типа моделей. Приведите примеры.

7. Поясните назначение и принцип организации векторных моделей данных. Дайте определения векторной нетопологической и векторной топологической моделям данных. Поясните различия между ними.

8. Постройте векторную нетопологическую модель данных.

9. Каким образом цифровые карты ГИС работают с топологической информацией? Что такое векторная топологическая модель данных?