2. Организация данных в гис

2.1 Организация пространственных данных

ГИС как системы обработки пространственно-временной информа- ции относятся к классу информационных систем. Они имеют общие, присущие всему классу, и индивидуальные, присущие только ГИС, свой- ства. К особенностям ГИС следует отнести наличие больших объемов хранимой в них информации.

Рис. 2.1

Кроме того, они отличаются специфичностью организации и структурирования моделей данных (Рис. 2.1).

ГИС характеризуются разнообразием графических данных со спе- цифическими их частями и связями. В частности, карта может быть рас- смотрена как двухмерная аналоговая модель, отображающая трехмер- ную поверхность (Рис.2.2).

Рис. 2.2

Используя процедуры абстракции, определим более общую модель геоинформационных данных как абстракцию данных, которые содержатся на земной поверхности. Такой подход требует выделения основных типов данных и их многочисленных связей.

Одной из основных моделей в первых ГИС был набор имен и характеристик в сочетании с множеством именованных данных, местонахождение которых задается координатами. Эта простая модель не содержала каких-либо семантических данных, помогающих пользователю при работе с базами данных. Дальнейшие исследования привели к необходимости развития и усложнения такой модели. Другими словами, возникла потребность создания общей модели данных ГИС и ее основных частей для оптимальной обработки в базах данных и эффективного описания объектов.

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

Пространственный аспект связан с определением местоположения, временной - с изменениями объекта или процесса с течением времени, в частности от одного временного среза до другого. Примером временных данных служат результаты переписи населения. Тематический аспект обусловлен выделением одних признаков объекта и исключением из рассмотрения других.

Все измеримые параметры моделей геоинформационных данных подпадают под одну из этих характеристик: место, время, предмет. Затруднительно исчерпывающим образом описать сразу все три эти характеристики. Поэтому при построении моделей данных на основе наблюдений явлений реального мира один параметр считают "неизменным", изменения другого "задаются" и при этом "измеряют" изменения третьего параметра.

Зафиксировав географическое положение и изменяя время, можно получить временные ряды данных. Зафиксировав время и изменяя географическое положение, получаем данные по профилям.

В большинстве технологий ГИС для определения места используют один класс данных - координаты, для определения параметров времени и тематической направленности - другой класс данных - атрибуты.

Однако прежде чем рассмотреть два основных класса данных в ГИС, необходимо рассмотреть методы определения местоположения точек объектов на поверхности Земли.

Определение положения точек на поверхности Земли

Координатные данные, составляющие один из основных классов геоинформационных данных, используют для указания местоположения на земной поверхности.

Поверхность Земли имеет сложную форму. При общей площади ее поверхности 510 млн. км² 71 % приходится на дно морей и океанов и 29 % - на сушу. Это дает основание считать, что земная поверхность состоит из двух резко отличающихся морфологических элементов - ма- териков и океанов.

С учетом того, что поверхность вод Мирового океана занимает по- чти 3/4 поверхности Земли, за общую фигуру земли принимают тело, ограниченное поверхностью воды океанов. Такая поверхность называ- ется уровненной. Потенциал силы тяжести на ней имеет одно и то же значение. Другими словами, эта поверхность везде перпендикулярна от- весной линии, т.е. везде горизонтальна.

Можно построить семейство горизонтальных поверхностей. Повер- хность, которая совпадает с поверхностью Мирового океана в состоя- нии покоя и равновесия и продолжена под материками, образует фигу- ру, принятую в геодезии за общую фигуру Земли, называемую геоид.

С помощью методов дистанционного зондирования удалось уста- новить, что Земля имеет грушевидную форму. В качестве математичес- кой модели Земли применяют эллипсоид, который в геодезии принято называть референц-зллипсоидом. В СССР до 1946 г. использовался эл- липсоид, полученный Ф. Бесселем. В 1946 г: для обязательного исполь- зования был введен эллипсоид, вычисленный в ЦНИИГАиК в 1940 г. под руководством Ф.Н. Красовского при участии А.А. Изотова.

Для отображения положения точек поверхности на плоскости ис- пользуют различные математические модели поверхности и различные системы координат. На практике применяют два основных типа коорди- нат: плоские и сферические. Реже применяют криволинейные или по- лярные.

Выбор системы координат зависит от размеров исследуемых участ- ков поверхности, как следствие, от влияния кривизны Земли. При изоб- ражении небольших участков Земли часть уровненной поверхности мож- но принять за плоскость. Такими участками будут участки до 20 км дли- ной и площадью до 400 км².

В этих случаях применимы плоские координаты. Плоские декар- товы координаты определяются заданием двух осей. При этом обыч- но координата Х указывает на восток, Y - на север. Задают масштабные отрезки. Упорядоченная пара (X, Y) определит положение точки в за- данной системе.

Плоские полярные координаты используют расстояние от начала координат (r) и угол (() от фиксированного направления. Направление обычно фиксируется на север, а угол отсчитывается по часовой стрелке от него. Полярные координаты удобны при проведении измерений от какой-либо заданной точки, например, когда используются данные таких источников, как радарные съемки.

При необходимости учета кривизны Земли применяют пространственные системы координат.

Для определения географической системы координат (разновидности сферической системы) введем следующие понятия:

• плоскость земного экватора - проходит через центр Земли перпендикулярно к оси вращения;

• плоскость географического (астрономического) меридиана- проходит через ось вращения Земли и отвесную линию в точке земной поверхности;

• меридиан - линия пересечения плоскостей географических меридианов с земной поверхностью;

• параллель - линия, образованная пересечением плоскости, параллельной плоскости земного экватора, с поверхностью Земли.

Положение точки определяется широтой ((р) и долготой ( А.).

Широта - это угол между точкой и экватором вдоль меридиана '. Она изменяется от -90 ° (южный полюс) до +90 ° (северный полюс).

Долгота - это угол в плоскости экватора между меридианом точки и главным (нулевым) меридианом, проходящим через Гринвич (Англия). Она изменяется от -180° (западная долгота) до +180° (восточная дол- гота).

На рисунке 2.3 изображено измерение широты и долготы для точки на поверхности Земли с координатами 55⁰ с. ш. и 60⁰ в. д.

Рис. 2.3

Основными понятиями этой системы координат являются:

меридиан - линия постоянной долготы;

параллель - линия постоянной широты;

большой круг - воображаемый круг на земной поверхности, обра- зованный плоскостью, проходящей через центр земного шара;

малый круг - воображаемый круг на земной поверхности, образо- ванный плоскостью, не проходящей через центр земного шара.

Рассмотренные системы координат носят в большей степени теоре- тический характер. На практике используют более широкий набор сис- тем координат: геоцентрические, топоцентрические, полярные гео- дезические, эллиптические и др.