Цифровые модели местности

В основе геоинформационных систем как средства решения задач анализа различных пространственно распределенных данных о территории должна находиться универсальная информационно-математическая модель. В качестве такой основы вы-ступает цифровая модель местности (ЦММ). В сущности ЦММ объединяет в себе две компоненты ГИС: модель пространственно-координированных данных о местности и атрибутивные базы данных пространственных объектов данной местности.

Цифровая модель местности – это структурированная совокупность множеств метрической, атрибутивной, топологической информации и класса операций преобразования над этими множествами [18].

Цифровая модель местности – это комплексная модель местности, структура которой должна отражать четыре основных свойства модели, вытекающих из ее определения [11, с.148-150, 159-160]:

• Как модель вообще ЦММ должна быть определена на известном классе моделей. Это означает, что она должна иметь вполне определенную структуру и содержать в своей основе одну из базовых моделей данных (имеются в виду модели баз данных и модели пространственно-координированных данных). Это означает, что ЦММ должна обладать общими свойствами безотносительно к предметной области. Следовательно, логическая структура ЦММ, с одной стороны, должна содержать индивидуальные свойства объектов, с другой стороны, не вступать в противоречие с существующими методами описания и использования моделей данных.

• Как цифровая модель она должна быть оптимально организована и удобна при работе на ЭВМ. Это означает, что для полной ее реализации должна быть определена ее физическая структура.

• Как модель местности (совокупность моделей объектов конкретной предметной области) – она должна содержать специальную информацию данной предметной области. Это означает, что ЦММ, должна содержать элементы координатного и атрибутивного описания, характеризующие как саму предметную область, так индивидуальные свойства моделей объектов.

• Как элемент базы данных – ЦММ должна быть пригодна для моделирования, многократного использования, анализа и решения различных задач. Для возможности многократного применения ЦММ должна быть более информативна по сравнению с информационной моделью ручной технологии, обеспечивающей получение разового продукта. Это означает, что ЦММ должна, по возможности, содержать свойства (атрибуты) подкласса (группы объектов), а не одного объекта. Это требует выполнения обобщенного описания цифровых моделей местности на уровне типов, т. е. для этого необходимы предварительный анализ и последующая максимальная типизация пространственных объектов. Индивидуальные свойства конкретного объекта должны выражаться на уровне знаков. Такое сочетание индивидуального и обобщенного описания в теории моделей данных известно под названием классификация. Следовательно, для полного создания ЦММ должна быть предварительно разработана система классификации (или некий классификатор), являющаяся неотъемлемой частью ЦММ.

Эти свойства обеспечивают целостность и непротиворечивость, гибкость и функциональность ЦММ.

Целостность ЦММ. При обработке данных в БД недостаточно, чтобы ЦММ просто отражала объекты реального мира. Важно, чтобы такое отражение было однозначным и непротиворечивым. В этом случае говорят, что ЦММ удовлетворяет усло-вию целостности.

Дискретность ЦММ. ЦММ всегда относится к классу дискретных моделей, представляет собой совокупность моделей пространственных объектов.

Многофункциональность ЦММ. ЦММ должна быть легко адаптируема для решения различных задач. Для многократного использования ЦММ необходимо определять дополнительные данные: классификаторы, описания данных, правила применения и т. д., иными словами, метаданные. 

Цифровая модель местности описывается с помощью задания ее логической и физической структуры.

Логическая структура ЦММ определяется как совокупность схем и логических записей, описывающих данную ЦММ. Логическая структура обуславливается концепцией и методологией моделирования. Она может включать схемы взаимосвязи частей ЦММ в реальности, в базе данных, схемы взаимосвязи свойств ЦММ и схемы построения ЦММ. Она содержит логические записи, составляющие информационную основу и вносящие содержательный аспект, к которому относятся смысл, интерпретация, значимость данных.

Физическая структура ЦММ определяется способом реализации логической ЦММ на конкретной технической основе. В частности, она задается форматом записи данных, хранимых на носителях информации. Элементом физической структуры ЦММ является физическая запись.

В ГИС с векторно-топологическим представлением данных ЦММ храниться в памяти в виде взаимосвязанных структур данных – топологических структур, представленных адресными ссылками и специальными физическими записями. Анализируя структуру данных такой ЦММ можно сделать выводы о взаимосвязях и взаимодействиях между объектами местности.

Назначение ЦММ: прежде всего цифровая модель местности служит основой для моделирования процессов на территории, по результатам которого принимается решение на уровне

управления территорией. Второе назначение ЦММ – получение цифровых карт (фактически, цифровая карта является побочным продуктом ГИС, поскольку автоматизированное производство цифровых карт не является прямой задачей ГИС).

Цифровая карта – отображение ЦММ в определенном масштабе представления с использованием некоторого символьного языка [18].

Одной ЦММ могут соответствовать множество цифровых карт некоторого масштабного ряда, сформированных в различных системах координат, проекциях, разграфке, системах условных знаков, с учетом правил картографической генерализации и требований к точности. Цифровые карты, созданные на основе одной и той же ЦММ, могут так же отличаться друг от друга тематикой и территориальным охватом. Цифровая карта содержит часть атрибутивной информации ЦММ, соответствующую тематике карты.

Электронная карта – изображение цифровой карты, полученное с помощью компьютера на экране или иных устройствах графического вывода, а так же картографическое произведение в электронной (безбумажной форме), как правило, представляющее собой CD-ROM с цифровыми данными вместе с программными средствами визуализации.

Электронная карта представляет собой изображение цифро-вой карты, это означает, что в электронной карте отсутствует атрибутивная информация об объектах в виде семантических таблиц. Тем не менее, с целью сохранения атрибутивной информации, при переходе от цифровой карты к электронной (например, при подготовке к печати) стараются как можно большее количество атрибутивных данных выразить непосредственно на карте в виде условных знаков.

Независимо от способа получения ЦММ, созданные на ее основе цифровые и электронные карты должны соответствовать нормативным требованиям, предъявляемым к качеству и оформлению картографического материала.

В связи с тем, что цифровая модель местности является пространственным каркасом, который служит основой для решения ряда различных задач, ЦММ должна обладать возможностями построения и визуализации аналитической трехмерной топографической поверхности, математическим аппаратом моделирования процессов в трехмерном географическом пространстве. Исходя из этого, ЦММ должна содержать цифровую модель рельефа (ЦМР), как необходимую платформу для всего остального множества объектов.