2.4 Географические сети

Важным объектом исследований в географии являются различные Географические сети, представляющие собой совокупности линейных фрагментов природного (например, речные, орографические, тектонические) и антропогенного (например, дорожные, электрические, коммуникационные) характера. В общем случае в понятие "географическая сеть" включаются все пространственные (территориальные) связи и отношения, существенные для изучения пространственной организации природных и социально-экономических систем. В этом случае географическая реальность может быть представлена в виде суперпозиции (объединения, наложение) большого количества разнообразных пространственных отношений и связей (транспортных, технологических, экологических, миграционных, информационных и др.) между различными геообъектами (населенными пунктами, предприятиями, административными и экономическими районами, экосистемами и др.). При этом географичность данных отношений состоит в том, что в указанную суперпозицию всегда включается отношение взаимного размещения, которое и придает всему комплексу территориальный, географический характер.

Целью изучения географических сетей является выявление закономерностей их строения, формирования и развития, а также мониторинг, оптимизация и управление (например, в случае транспортных и коммуникационных сетей). ГИС-технология обеспечивает возможность компьютерного представления, моделирования и анализа, сколь угодно больших по числу вершин и ребер сетевых объектов, в сочетании с автоматизированным тематическим картографированием, интерактивным редактированием и визуализацией (включая мультимедиа) соответствующих сетевых моделей.

2.5 Модели и алгоритмы сетевого анализа

В моделировании и анализе географических сетей широко применяются методы теории графов. Как известно, любое картографическое изображение территориальных отношений содержит метрические и топологические атрибуты. Графовые модели акцентируют внимание именно на топологические свойства сетей: порядок соединения вершин, наличие циклов, степень связности и др.

Реальные территориальные отношения и связи можно формализовать и изобразить в виде многомерных графов-картосхем. Однако методика анализа таких графов еще недостаточно разработана. Поэтому при изучении географических сетей чаще всего используются относительно простые графовые модели, методика анализа которых разработана до уровня алгоритмов и программ.

Если в качестве свойств графов рассматривать Помеченность вершин, а также помеченность иНаправленность ребер, то можно выделить 8 типов графовых моделей сетей (Рис. 3.4). (Помеченным называется граф, ребрам и/или вершинам которого приписано значение некоторого признака - числового, порядкового, классификационного). Рассмотрим кратко основные типы выделенных графовых моделей:

1. Непомеченные неориентированные графы. С помощью этого типа

2.6 Пространственный анализ

Задачи пространственного анализа

К средствам пространственного анализа относятся различные процедуры манипулирования пространственными и атрибутивными данными, выполняемые при обработке запросов пользователя. (Например, операции наложения графических объектов, средства анализа сетевых структур или выделения объектов по заданным признакам).

Для каждого ГИС-пакета характерен свой набор средств пространственного анализа, обеспечивающий решение специфических задач пользователя, в тоже время можно выделить ряд основных функций, свойственных практически каждому ГИС-пакету. Это, прежде всего, организация выбора и объединения объектов в соответствии с заданными условиями, реализация операций вычислительной геометрии, анализ наложений, построение буферных зон, сетевой анализ.

Основные функции пространственного анализа данных

Выбор объектов по запросу: самой простой формой запроса является получение характеристик объекта указанного курсором на экране и обратная операция, когда изображаются объекты с заданными атрибутами. Более сложные запросы позволяют выбирать объекты по нескольким признакам, например по признаку удаленности одних объектов от других, совпадающие объекты, но расположенные в разных слоях и т. д.

Для выбора данных в соответствии с определенными условиями используются SQL- запросы. Для выполнения запросов разной сложности реализованы возможности использования при составлении запросов математических и статистических функций, а также географических операторов, позволяющих выбирать объекты на основании их взаимного расположения в пространстве (например, находится ли анализируемый объект внутри другого объекта или пересекается с ним).

Обобщение данных может проводиться по равенству значений определенного атрибута, в частности для зонирования территории. Еще один способ группировки - объединение объектов одного тематического слоя в соответствии с их размещением внутри полигональных объектов других тематических слоев.

Геометрические функции: к ним относят расчеты геометрических характеристик объектов или их взаимного положения в пространстве, при этом используются формулы аналитической геометрии на плоскости и в пространстве. Так для площадных объектов вычисляются занимаемые ими площади или периметры границ, для линейных - длины,  а также расстояния между объектами и т.д.

Оверлейные операции (топологическое наложение слоев) являются одними из самых распространенных и эффективных средств. В результате наложения двух тематических слоев образуется другой дополнительный слой в виде графической композиции исходных слоев. Учитывая, что анализируемые объекты могут относиться к разным типам (точка, линия, полигон), возможны  разные формы анализа: точка на точку, точка на полигон и т.д. Наиболее часто анализируется совмещение полигонов.  

Построение буферных зон. Одним из средств анализа близости объектов является построение буферных зон. Буферные зоны - это районы (полигоны), граница которых отстоит на заданном расстоянии от границы исходного объекта. Границы таких зон вычисляются на основе анализа соответствующих атрибутивных характеристик. При этом ширина буферной зоны может быть как постоянной, так и переменной. Например, буферная зона вокруг источника электромагнитного излучения, будет иметь форму круга, а зона загрязнения от дымовой трубы завода с учетом розы ветров будет иметь форму близкую к эллипсу.

Сетевой анализ позволяет пользователю проанализировать пространственные сети связных линейных объектов (дороги, линии электропередач и т. д.). Обычно сетевой анализ служит для задач определения ближайшего, наиболее выгодного пути, определения уровня нагрузки на сеть, определение адреса объекта или маршрута по заданному адресу и другие задачи.

Пространственные данные (географические данные, геоданные) — данные о пространственных объектах и их наборах. Пространственные данные составляют основу информационного обеспечения геоинформационных систем.

Совокупность пространственных данных, записанных (сохранённых) тем или иным образом, называется пространственной базой данных (англ. spatial database). Современные пространственные БД организовываются на платформе специализированного программного обеспечения, позволяющего сохранять, накапливать и обрабатывать (включая, пространственный анализ) все компоненты пространственных данных в виде логически единой БД.

Пространственные данные обычно состоят из двух взаимосвязанных частей: координатных и атрибутивных данных. Установление связи между этими частями называется геокодированием.

Координатные данные определяют позиционные характеристики пространственного объекта. Они описывают его местоположение в установленной системе координат.

Атрибутивные данные представляют собой совокупность непозиционных характеристик (атрибутов) пространственного объекта. Атрибутивные данные определяют смысловое содержание (семантику) объекта и могут содержать качественные или количественные значения.

Форматы:

• Point

• Linestring

• Polygon

• MultiPoint

• MultiLinestring

• MultiPolygon

• GeometryCollection

Растровая модель данных

Растровая модель данных - цифровое представление пространственных объектов в виде совокупности ячеек растра (пикселов) с присвоенными им значениями класса объекта. Р.м. предполагает позиционирование объектов указанием их положения в соответствующей растру прямоугольной матрице единообразно для всех типов пространственных объектов (точек, линий, полигонов и поверхностей).

• Разбивает всю изучаемую территорию на элементы регулярной сетки или ячейки

• Каждая ячейка содержит только одно значение

• Является пространственно заполненной, поскольку каждое местоположение на изучаемой территории соответствует ячейке растра, иными совами - растровая модель оперирует элементарными местоположениями

Соглашения, принятые для растровой ГИС

• Разрешение  Минимальная линейная размерность наименьшей единицы географического пространства, для которой могут быть приведены какие-либо данные. В растровой модели данных наименьшей единицей для большинства систем выступает квадрат или прямоугольник. Такие единицы известны как сетка, ячейка или пиксель. Множество ячеек образует решетку, растр, матрицу.

• Местоположение Наименьшая единица географического пространства, для которого могут быть приведены какие-либо характеристики или свойства (пиксель, ячейка). Такая частица картографического плана однозначно идентифицируется упорядоченной парой координат - номерами строки и столбца

• Площадной контур (Зона) Набор смежных местоположений одинакового свойства. Термин Класс (или район) часто используется в отношении всех самостоятельных зон, которые имеют одинаковые свойства. Основными компонентами зоны являются ее значение и местоположения

• Значение Единица информации, хранящаяся в слое для каждого пикселя или ячейки. Ячейки одной зоны (или района) имеют одинаковое значение

Векторная модель данных

Векторно-нетопологическое представление данных (см. модель "спагетти") - цифровое представление точечных, линейных и полигональных пространственных объектов в виде набора координатных пар, с описанием только геометрии объектов.

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

Векторная модель данных:

• Основана на векторах (направленных отрезках прямых)

• Базовым примитивом является точка

• Объекты создаются путем соединения точек прямыми линиями или дугами

• Площади определяются набором линий

• Представляет собой объектно-ориентированную систему

Типы векторных объектов, основанные на определении пространственных размеров

Безразмерные типы объектов

Точка - определяет геометрическое местоположение

Узел - топологический переход или конечная точка, также может определять местоположение

Одномерные типы объектов

Линия - одномерный объект

Линейный сегмент - прямая линия между двумя точками

Строка - последовательность линейных сегментов

Дуга - геометрическое место точек, которые формируют кривую определенную математической функцией

Связь - соединение между двумя узлами

Направленная связь - связь с одним определенным направлением

Цепочка - направленная последовательность непересекающихся линейных сегментов или дуг с узлами на их концах

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) - 2-мерный (площадной) объект, внутренняя область, образованная замкнутой последовательностью дуг в векторно-топологических представлениях или сегментов в модели "спагетти". Различают простой П., не содержащий внутренних П., и составной П, содержащий внутренние П., называемые также "островами" (island) и анклавами (hole).

Пиксель - элемент изображения, который является самым малым неделимым элементом изображения

Преимущества

Растровая модель	Векторная модель
1. Простая структура данных 2. Эффективные оверлейные операции 3. Работа со сложными структурами 4. Работа со снимками	1. Компактная структура 2. Топология 3. Качественная графика