14. Технология моделирования в гис

ГИС (географические информационные системы) используют разнообразные данные об объектах, характеристиках земной поверхности, информацию о формах и связях между объектами, различные описательные сведения. Чтобы полностью отобразить геообъекты реального мира и все их свойства, понадобилась бы бесконечно большая база данных. Использование приемов генерализации и абстракции позволяет сводить множество данных к конечному объему, который обеспечивает возможность проведения анализа и управления. Здесь речь идет о способах организации данных посредством моделей, которые сохраняют основные свойства объектов исследования. В качестве основного критерия анализа взаимосвязи частей и построения базовых моделей использовалась структура.

Данные реального мира, отображаемые в ГИС, можно рассматривать с учетом трех аспектов: пространственного, временного и тематического.

Пространственный аспект связан с определением местоположения. Временной аспект отражает изменение объекта или процесса с течением времени. Тематический аспект обусловлен выделением одних признаков объекта и исключением из рассмотрения других.

В большинстве технологий ГИС для определения места используется класс данных – координаты. Пространственная информация векторных ГИС описывает расположение и очертание географических объектов. Будучи частью (классом) общей модели данных в ГИС, координатные данные определяют класс координатных моделей. Данные, встречающиеся на карте, представляют собой связанные объекты.

В ГИС применяют набор базовых геометрических типов моделей, из которых создают затем более сложные. К геометрическим примитивам относятся прежде всего:

• точка (узлы, вершины);

• линия незамкнутая;

• контур (замкнутая линия);

• полигон (ареал, район) – группы примыкающих друг к другу замкнутых участков.

Точки описываются парой координат X и Y. К точечным объектам относятся не только точки, но и все точечные условные знаки, имеющие определенное графическое начертание и использующиеся подобно условным знакам в обычных картах. Контуры и линии обычно называют линейными объектами. Приведенные выше примитивы имеют концептуальный характер. В существующих ГИС имеется широкий набор элементов координатных моделей. В нем могут содержаться такие геометрические типы, как отрезок, дуга, узел и т.п.

Для определения параметров времени и тематической направленности используется класс данных – атрибуты. Тематическая информация содержит описание количественных и качественных характеристик объектов и связей между ними. Атрибуты – это, прежде всего числовые или символьные характеристики, содержащиеся в базе данных, они могут относиться как к самим примитивам, так и к объектам. Данные, хранящиеся в атрибутах этих видов, принадлежат, как правило, к целым, вещественным и символьным типам, а также обладают графическими признаками (цвет, рисунок, заполнение контуров).

Здесь уместно уточнить, что числовые значения в ГИС могут относиться как к координатным данным, так и к атрибутивным. При этом координатные данные хранятся в виде наборов (файлов) координат (X и Y) узлов, вершин и т.п. Поскольку основное представление атрибутивной информации является таблица, то и в таблице могут также храниться координаты объектов (координатные данные).

Применение атрибутов, как дополнение к координатам, позволяет осуществлять анализ объектов базы данных с использованием стандартных форм запросов и разного рода фильтров и выражений математической логики, проводить типизацию данных, упорядочивая описание некоординатных данных.

Совокупность примитивов и атрибутов образует простой объект. Совокупность простых объектов образует сложный или составной объект. Иерархия объектов очень удобна, т.к. позволяет избежать дублирования информации и обеспечивает наследование, т.е. изменение объекта или атрибута порождают изменения во всех объектах, частью которых он является.

Все объекты и примитивы должны иметь свой номер или идентификатор, при помощи которого можно привязать тематическую информацию к графической.

Использование идентификаторов открывает широкие возможности для просмотра и анализа. Пользователь может указать на объект курсором, и система определит его идентификатор, по которому найдет относящиеся к объекту одну или несколько баз данных, и, наоборот, по информации в базе можно определить графический объект.

Можно по–разному организовывать взаимосвязь координатного и атрибутивного описания. Например, В. Вебером предложено особое сочетание взаимосвязи координатного и атрибутивного классов описания картографических данных. По Веберу для построения общей модели данных ГИС вводится четырехмерное пространство объекта, где первые два (плановые) размера содержат значения X и Y, в третьем измерении находятся атрибуты, четвертое используется для временных наборов данных. Разработаны различные методы хранения атрибутивной информации:

• хранение для всех объектов системы стандартных атрибутов;

• хранения таблицы атрибутов, связанных с пространственными объектами, и информации о реляциях;

• хранение ссылок на элементы данных иерархической или сетевой БД;

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

По мере развития ГИС разнообразие используемых атрибутов увеличивается. Многие ГИС используют графические и аудио–атрибуты (растровые образы объектов или их аудиоописание), а также атрибуты “действия” или “поведения”, т.е. функции, которые должны быть выполнены при определенных условиях.

Понятие слоя. Как уже говорилось, данные в ГИС организуются различными способами. Наиболее распространённым является послойный принцип. Не будем пояснять его, так как он имеет тот же смысл, что и слой в общеизвестных системах AutoCAD или MicroStation.

Физически геометрические примитивы записываются как последовательность пар координат – X и Y. Окружности и кривые показываются списком пар координат, площадь записывается как серия пар или серия идентификаторов ломанной, которая описывает замкнутый контур. Координаты первой и последней точки должны при этом совпадать, иначе контур не будет замкнут. Совокупность точек, линий и площадей образует цифровое представление карты.

Карта во многих системах организована как набор слоев информации. Слой составляют объекты, объединенные одной темой, например, гидрография, жилые здания, коммуникации, административные границы и т.п. В традиционной картографии этому примерно соответствуют цветные слои карты. В некоторых ГИС в слое могут содержаться объекты одного типа, а не одной темы, например, слои точек. Иногда в слое могут быть объекты, разные и по типу и по теме, но чаще всего встречается все–таки логическое разбиение информации на слои. Разбиение на слои позволяет решать задачи типизации, повышая эффективность интерактивной обработки и групповой автоматизированной обработки, что позволяет:

• упрощать процесс хранения информации в БД;

• включать автоматизированные методы пространственного анализа при сборе и моделировании;

• упрощать решение экспертных задач.

В системах, полностью ориентированных на объектную организацию информации, отсутствует ее деление на слои. Такие системы, опираясь на использование методов классификации, являются более перспективными, реализуя бесслоевой объектно–ориентированный подход к представлению объектов на цифровой карте. В соответствии с ним объекты входят в классификационные системы, которые отражают определённые логические отношения между объектами предметных областей. Группировка объектов разных классов для разных целей (отображения или анализа) производится более сложным способом, однако, объектно–ориентированный подход более близок к характеру человеческого мышления, чем послойный принцип. Следование ему ведёт к более продуктивным построениям данных в ГИС при решении самых сложных задач.

Одним из важных для ГИС–технологий является вопрос, связанный с пространственными топологическим отношениями между объектами, отображаемыми на цифровой карте. ГИС, не поддерживающая топологические отношения между объектами, нельзя назвать серьёзной геоинформационной системой, поскольку в этом случае множество аналитических возможностей ГИС просто нереализуемы с необходимой эффективностью.