Составные части гис

различают: астрономо- геодезические, включающие результаты астрономических, триангуляционных, полигонометрических и нивелирных работ по созданию плановой и высотной геодезической основы, представленные главным образом в числовой форме: съёмочно-картографические - различные съёмочные материалы: аэроснимки, снимки, полученные посредством наземной фототеодолитной съёмки, снимки с искусственных спутников Земли и космических летательных аппаратов, фотопланы, материалы, полученные топографическими методами съёмки, а также разнообразные карты; текстовые и табличные, содержащие результаты географических, экономико-статистических и др. видов исследований и их обобщения.

Источники данных для ГИС

При анализе информации, необходимой для успешного функционирования создавае-

мой ГИС, должны быть рассмотрены вопросы её доступности, стоимости, полноты, точности,

а также состава и структуры данных.

Затраты на информационное обеспечение геоинформационных систем достигают 90%

от их общей стоимости.

При создании ГИС и её функционировании широко используются 3 основных источ-

ника данных:

– картографические;

– статистические;

– дистанционного зондирования.

Кроме того, могут использоваться литературные (текстовые) источники и данные спе-

циально проводимых полевых исследований и съёмок.

Картографические источники

Достоинствами картографической информации являются:

– чёткая территориальная привязка;

– отсутствие белых пятен в пределах отображаемой территории;

– возможность ввода в компьютер.

Недостатком картографической информации является наличие устаревших данных.

Помимо общегеографических и топографических карт насчитывают десятки и даже

сотни типов различных тематических карт. Рассмотрим их основные классы.

1. Общегеографические карты делятся на: топографические (масштаб 1:200 000 и

крупнее), обзорно-топографические (масштаб от 1:200 000 до 1:1 000 000) и обзорные (мель-

че 1:1 000 000).

Все эти карты содержат разнообразные сведения о рельефе, гидрографии, почвенно-

растительном покрове, населённых пунктах, хозяйственных объектах, путях сообщения, ад-

министративных границах. В геоинформатике карты этого класса служат для двух целей: по-

лучения информации об указанных объектах местности и их географической привязки. К

этой группе источников данных также относятся фотокарты и космофотокарты – полиграфи-

ческие оттиски с фотопланов, составленные по результатам аэро- или космической съёмки, с

нанесённой на них картографической нагрузкой, обычной для общегеографических карт.

2. Карты природы. Эта наиболее разнообразная по тематике группа карт включает кар-

ты геологического строения и ресурсов недр, геофизические, рельефа земной поверхности и

дна океанов, метеорологические и климатические, гидрологические и океанографические,

почвенные, геоботанические, зоогеографические, медико-географические, ландшафтные и

общие физико-географические, охраны природы.

Среди карт земной коры и её ресурсов выделяют: геологические, тектонические, чет-

вертичных отложений, новейшей тектоники, полезных ископаемых, гидрологические, инже-

нерно-геологические и т.п.

8

Среди геофизических карт можно выделить карты магнитного поля (магнитной ано-

малии, магнитного склонения, вековой ход, элементов геомагнитного поля), карты гравита-

ционного поля (вертикальное движение земной коры, изменение силы тяжести, строение

земной коры, гравиметрические карты), карты сейсмических явлений и вулканизма (сейсми-

ческое районирование, землетрясения, цунами, вулканы). Группу карт рельефа составляют:

гипсометрические, морфометрические, углов наклона местности, экспозиции склонов, гори-

зонтального расчленения рельефа, геоморфологические карты.

3. Карты народонаселения. В данной группе карт выделяют следующие основные сю-

жеты: размещение населения по территории и расселение, этнографическая и антропологиче-

ская характеристика народонаселения, демографическая характеристика, социально-

экономическая характеристика.

4. Карты экономики. Здесь выделяют:

– карты промышленности с подразделением на добывающую и обрабатывающую, а

также детальные отраслевые;

– карты сельского хозяйства (земельных фондов, трудовых ресурсов, материально-

технической базы, земледелия и животноводства);

– карты лесного хозяйства;

– карты транспорта и связи;

– карты строительства (капитального строительства, строительных и монтажных ор-

ганизаций, материально-технической базы, территориальных комплексов строи-

тельства);

– карты торговли и финансов;

– общеэкономические карты.

5. Карты науки, подготовки кадров, обслуживания населения. Данный класс карт свя-

зан с картами народонаселения и экономики. Сюда относят карты образования, науки, куль-

туры, здравоохранения, физкультуры и спорта, бытового и коммунального обслуживания,

туризма и некоторые другие.

6. Политические, административные и исторические карты.

7. Экологические карты: биоэкологические, геолого-экологические, географо-

экологические, общие экологические. Кроме того, среди карт природы и социально-

экономических карт могут быть выделены сюжеты, имеющие экологический уклон.

Следует отметить особую роль серий карт и комплексных атласов, где сведения при-

водятся в единообразной, систематизированной, взаимно согласованной форме: по проекции,

масштабу, степени генерализации, современности, достоверности и другим параметрам. Та-

кие наборы карт особенно удобны для создания тематических ГИС.

8.

В растровых моделях дискретизация непрерывных последовательностей реального мира осуществляется наиболее простым способом: вся территория представляется последовательностью ячеек (пикселей), образующих регулярную сеть. Каждой ячейке соответствует одинаковый по размеру, но разный по характеристикам участок территории. В ячейке модели содержится значение характеристик, усредненные по участку территории (рис. 2.23). Процедура формирования изображения называется пиксе-лизация.

Если векторная модель дает представление, «где» находится объект, то растровая модель - «что» расположено в той или иной точке территории.

В качестве атомарной модели используется элементарный участок территории - пиксель. Упорядоченная последовательность пикселей образует растр, который является моделью карты. Каждый элемент растра имеет одно значение плотности или цвета.

Характеристики растровых моделей:

- разрешение;

- значение;

- ориентация;

- зона;

- положение.

Разрешение - минимальный линейный размер наименьшего участка пространства или поверхности, отображаемый одним пикселем. Пиксель чаще всего изображается прямоугольником или квадратом (иногда шестиугольником).

Ориентация определяется через угол между направлением на Север и положением колонок растра.

Зона - это соседствующие друг с другом ячейки, имеющие одинаковые значения. Зоны могут присутствовать не во всех слоях. Основные характеристики зоны - значение и положение.

Буферная зона - зона, границы которой удалены на известное расстояние от любого объекта на карте.

Положение задается упорядоченной парой координат, которые однозначно отображают положение каждого элемента на карте.

Достоинстварастровых моделей:

- растр не требует предварительного ознакомления с предметной областью; данные собираются с равномерно расположенной сети точек, могут легко подвергаться статистической обработке;

- растровые модели просты в обработке, возможна обработка по параллельным алгоритмам, за счет чего обеспечивается высокое быстродействие;

- некоторые задачи, например, создание буферной зоны, проще решаются в растровом виде;

- многие растровые модели позволяют вводить векторные объекты, обратная задача много труднее;

- процессы растеризации проще процессов векторизации алгоритмически.

Основные недостатки растровых моделей:- требуют больших объемов (по сравнению с векторными моделями) памяти для хранения изображения;- растровые объекты сложно масштабировать: при увеличении объекта становятся видны отдельные пиксели, контуры изображения теряют гладкость, изображение становится зернистым;- сложно рассчитать результирующий цвет пикселя, который получается при слиянии нескольких пикселей разных цветов;- проблемы разбиения сложного изображения на произвольные элементы для их раздельного использования и редактирования.

10. Векторная модель данных ГИС

Векторная модель данных (vector data model) или цифровое представление точечных, линейных и полигональных пространственных объектов в виде набора координатных пар, с описанием только геометрии объектов, что соответствует нето-пологическоой модели. Векторно-нетопологическое представление данных в ГИС называют модель «спагетти». Векторным моделям соответствует векторный формат пространственных данных (vector data format).

Векторные модели строятся с использованием векторов, в которых каждая точка на карте определяется через ее удаленность от опорной точки и величину угла между направлением на точку из опорной точки и направлением на Север (по часовой стрелке). В векторных моделях ГИС описания объектов хранятся в памяти компьютера в виде математических формул и геометрических абстракций, таких как круг, квадрат, эллипс и подобных фигур. При построении векторных изображений создается целостный вид путем соединения точек линиями, дугами или полилиниями. Поэтому векторную модель называют объектной. Векторные изображения занимают значительно меньше памяти ЭВМ при хранении, чем растровые, требуют меньше затрат времени на обработку. Алгоритмы обработки, как правило, более просты.

Базовым примитивом векторных моделей ГИС является точка. Через понятие «точка» определяются все остальные объекты векторной модели.

Безразмерные типы объектов:

- точка - определяет геометрическое местоположение объекта;

- узел - топологический переход или конечная точка, также может определять местоположение объекта.

Одномерные типы объектов:

- линия - одномерный объект;

- линейный сегмент - прямая линия между двумя точками;

- дуга - геометрическое место точек, которые формируют кривую, определенную математической функцией;

- связь - соединение между двумя узлами;

- направленная связь - связь с одним определенным направлением;

- кольцо - последовательность непересекающихся цепочек, строк, связей или замкнутых дуг.

Двумерные типы объектов:

- область - ограниченный непрерывный объект, который может включать или не включать в себя собственную границу;

- внутренняя область - область, которая не включает собственную границу;

- полигон (контур) - двумерный (площадной) объект, внутренняя область которого образована замкнутой последовательностью сегментов в модели «спагетти».

Различают простой полигон, не содержащий внутренних полигонов, и составной полигон, содержащий внутренние полигоны, называемые также «островами» (island ) и анклавами (hole).

Каждый участок линии может быть границей пересечения двух полигонов, каждый из которых может иметь свои отличные от другого атрибуты. Поэтому эти полигоны по отношению к линии именуются «левый» и «правый».

Векторное изображение можно получить различными способами. Наиболее часто используют векторизацию сканированного (растрового) изображения. Векторизация заключается в распознавании на растровом изображении объектов, выделение их, представление каждого объекта в векторном формате. Для автоматической векторизации необходимо иметь изображения высокого качества, часто приходится заниматься исправлением исходного или/и векторного изображений.

К особенностям векторных моделей можно отнести следующие:

- в векторной модели легко осуществляются некоторые операции с объектами, например, разбивка объекта (речной сети) на участки, замена условных обозначений;

- легко проводятся изменение масштаба, повороты, растягивание и другие операции;

- векторные модели имеют преимущество перед растровыми моделями в точности представления точечных объектов.

3.3. Векторный способ цифрового представления

пространственных данных

Векторная модель географических данных (Vector Geographic Data

Model) – это способ представления географических данных в базе дан-

ных ГИС в виде задания пар прямоугольных координат точек (X,Y),

которые определяют начало и направление вектора (элементарную ду-

гу). Последовательность дуг образует линейный пространственный

объект базы данных ГИС. Каждый линейный объект определяется упо-

рядоченным набором пар координат точек. В свою очередь, набор

замкнутых линейных объектов образует полигон – площадной про-

странственный объект базы данных ГИС [39].

В векторной модели данных ГИС реальные географические объек-

ты представляются в виде графических примитивов. Например, опре-

деленные географические объекты могут быть представлены точками

(колодец, водонапорная башня, скважина и др.). В русскоязычной ли-

тературе по ГИС-технологиям точка (Point) – это элементарный гео-

метрический объект географической базы данных ГИС нулевой раз-

мерности, который определяет местоположение соответствующего то-

чечного реального пространственного объекта [39].

Соответственно, реальные географические объекты линейной про-

тяженности (дороги, реки, трубопроводы и др.) моделируются в ГИС

виде дуг. Дуга (Arc) – это элементарный геометрический объект гео-

графической базы данных ГИС, который определяет местоположение

соответствующего линейного реального пространственного объекта

или его части, а также границы полигона или ее фрагмента.

Площадные географические объекты (земельные участки, озеро,

постройка и др.) представляются полигонами. Полигон (Polygon) – это

элементарный геометрический объект географической базы данных

ГИС, который определяет местоположение соответствующего площад-

ного реального пространственного объекта. Менее распространенными

классами графических примитивов, как, например, в ГИС ARC/INFO,

являются секции, маршруты, регионы, границы простирания покрытия

Векторная графика обрабатывается компьютером как идеальные

геометрические фигуры, которые можно масштабировать, вращать и

производить другие действия, при этом изменяются лишь координаты

вершин отрезков и параметры кривых. К числу преимуществ представления пространственных объектов ГИС векторными моделями относятся компактная структура, качественная графика, топология.

Векторная модель данных (vector data model) или цифровое представление точечных, линейных и полигональных пространственных объектов в виде набора координатных пар, с описанием только геометрии объектов, что соответствует нето-пологическоой модели. Векторно-нетопологическое представление данных в ГИС называют модель «спагетти». Векторным моделям соответствует векторный формат пространственных данных (vector data format).

Векторные модели строятся с использованием векторов, в которых каждая точка на карте определяется через ее удаленность от опорной точки и величину угла между направлением на точку из опорной точки и направлением на Север (по часовой стрелке). В векторных моделях ГИС описания объектов хранятся в памяти компьютера в виде математических формул и геометрических абстракций, таких как круг, квадрат, эллипс и подобных фигур. При построении векторных изображений создается целостный вид путем соединения точек линиями, дугами или полилиниями. Поэтому векторную модель называют объектной. Векторные изображения занимают значительно меньше памяти ЭВМ при хранении, чем растровые, требуют меньше затрат времени на обработку. Алгоритмы обработки, как правило, более просты.

Базовым примитивом векторных моделей ГИС является точка. Через понятие «точка» определяются все остальные объекты векторной модели.

Безразмерные типы объектов:

- точка - определяет геометрическое местоположение объекта;

- узел - топологический переход или конечная точка, также может определять местоположение объекта.

Одномерные типы объектов:

- линия - одномерный объект;

- линейный сегмент - прямая линия между двумя точками;

- дуга - геометрическое место точек, которые формируют кривую, определенную математической функцией;

- связь - соединение между двумя узлами;

- направленная связь - связь с одним определенным направлением;

- кольцо - последовательность непересекающихся цепочек, строк, связей или замкнутых дуг.

Двумерные типы объектов:

- область - ограниченный непрерывный объект, который может включать или не включать в себя собственную границу;

- внутренняя область - область, которая не включает собственную границу;

- полигон (контур) - двумерный (площадной) объект, внутренняя область которого образована замкнутой последовательностью сегментов в модели «спагетти».

Различают простой полигон, не содержащий внутренних полигонов, и составной полигон, содержащий внутренние полигоны, называемые также «островами» (island ) и анклавами (hole).

Каждый участок линии может быть границей пересечения двух полигонов, каждый из которых может иметь свои отличные от другого атрибуты. Поэтому эти полигоны по отношению к линии именуются «левый» и «правый».

Векторное изображение можно получить различными способами. Наиболее часто используют векторизацию сканированного (растрового) изображения. Векторизация заключается в распознавании на растровом изображении объектов, выделение их, представление каждого объекта в векторном формате. Для автоматической векторизации необходимо иметь изображения высокого качества, часто приходится заниматься исправлением исходного или/и векторного изображений.

К особенностям векторных моделей можно отнести следующие:

- в векторной модели легко осуществляются некоторые операции с объектами, например, разбивка объекта (речной сети) на участки, замена условных обозначений;

- легко проводятся изменение масштаба, повороты, растягивание и другие операции;

- векторные модели имеют преимущество перед растровыми моделями в точности представления точечных объектов.

11. Модели организации связи между пространственными объектами: векторно-нетопологическая модель векторно-топологическая модель

Векторно-нетопологическое представление данных – это цифровое представление точечных, линейных и полигональных пространственных объектов в виде набора координатных пар, с описанием только

геометрии объектов. Векторно-топологическое представление (линейно-узловое представление) – это разновидность векторного представления линейных и полигональных пространственных объектов, описывающего не только их геометрию, но и топологические отношения между полигонами, дугами и узлами.

Топология – это математическая дисциплина, занимающаяся определением пространственных связей. Топология в ГИС определяется

как пространственные взаимоотношения между смежными или близкорасположенными объектами . Топологические структуры данных

в ГИС более предпочтительны, так как они обеспечивают наиболее логичный (автоматизированный) путь для проведения оцифровки, исправления ошибок и артефактов; сокращают объем хранимых данных по полигонам, поскольку границы между смежными полигонами хранятся один раз (не дублируются); обеспечивают продвинутый пространственный анализ таких отношений, как смежность, связность ивключение.

Например, в ГИС ARC/INFO реализуются три основные топологические концепции:

Дуги соединяются между собой в узлах (связность).

Дуги, ограничивающие фигуру, определяют полигон (опреде-

ление фигуры).

Дуги имеют направление, а также левую и правую стороны

(непрерывность).

Соответственно, для определения отношений между пространственными объектами используются три топологических принципа:

связность, замкнутость и смежность. Например, ГИС ARC/INFO хранит координаты только для точек, дуг и узлов и использует топологические отношения между ними для определения полигонов и сетей. В свою очередь, полигоны и сети являются материалом для построения регионов и маршрутов. Связность определяется линейно-узловой топологией, т. е. дуги соединяются только в узлах. Набор таких дуг может определять сеть.

Для определения полигона используется полигональная топология и его площадь. Полигон задается как упорядоченный набор соединяющихся дуг, причем первая и последняя дуги полигона должны иметьобщую точку. Каждая дуга имеет признак правого и левого полигонов. Маршруты определяются как серия дуг, однако первая и последняя дуги не обязательно должны иметь общий узел. Регионы представляются набором полигонов.По определению линейно-узловой топологии внутренние точки (пары х, у), называемые вершинами (vertices), задают форму дуги. Конечные точки дуги называются узлами (nodes). Каждая дуга имеет два узла: начальный узел (from-node) и конечный узел (to-node). Дуги могут соединяться только в конечных точках. ARC/INFO определяет связанность дуг по наличию общего узла.

2.3. Модели организации пространственных данных

Самой распространенной моделью организации данных является слоевая модель, рис.2.5. Суть

модели в том, что осуществляется деление объектов на тематические слои и объекты, принадлежащие

одному слою. Получается так, что объекты отдельного слоя сохраняются в отдельный файл, имеют

свою систему идентификаторов, к которой можно обращаться как к некоторому множеству. Как вид-

но из рис.2.5., в отдельные слои вынесены индустриальные районы, торговые центры, автобусные

маршруты, дороги, участки учета населения. Часто один тематический слой делится еще и по гори-

зонтали – по аналогии с отдельными листами карт. Это делается для удобства администрирования БД

и во избежание работы с большими файлами данных.

В рамках слоевой модели существует две конкретных реализации: векторно-топологическая и

векторно-нетопологическая модели. Об основах этих моделей мы говорили в первом модуле, когда

рассматривали ГИС на основе векторной модели представления данных.

Первая реализация – векторно-топологическая, рис.2.6. В этой модели есть ограничения: в

один лист одного тематического слоя можно поместить объекты не всех геометрических типов одно-

временно. К примеру, в системе ARC/INFO в одном покрытии можно поместить или только точечные

или только линейные, или полигональные объекты, либо их комбинации, исключая случай “точечные

+ полигональные” и три типа объектов сразу.

Векторно-нетопологическая модель организации данных – это более гибкая модель, но час-

то в один слой помещаются только объекты одного геометрического типа. Число слоев при слоевой

организации данных может быть весьма большим и зависит от конкретной реализации. При слоевой

организации данных удобно манипулировать большими группами объектов, представленных слоями

как единым целым. Например, можно включать и выключать слои для визуализации, определять опе-

рации, основанные на взаимодействии слоев.

Рис.2.6. Векторно-топологическая модель организации данных.

Следует отметить, что слоевая модель организации данных абсолютно преобладает в растро-

вой модели данных.

Наряду со слоевой моделью используют объектно-ориентированную модель. В этой модели

используется иерархическая сетка (топографический классификатор), рис. 2.7.