2.3 Элементы цифровой компьютерной картографии Векторные и растровые модели

Основой визуального представления данных при помощи ГИС-технологий служит так называемая графическая среда. Основу графической среды и соответственно визуализации базы данных ГИС составляют векторные и растровые модели.

В общем случае модели пространственных (координатных) данных могут иметь векторное или растровое (ячеистое) представление, со- держать или не содержать топологические характеристики. Этот подход позволяет классифицировать модели по трем типам:

• растровая модель;

• векторная нетопологическая модель;

• векторная топологическая модель.

Все эти модели взаимно преобразуемы. Тем не менее при получе- нии каждой из них необходимо учитывать их особенности. В ГИС фор- ме представления координатных данных соответствуют два основных подкласса моделей - векторные и растровые (ячеистые или мозаичные). Возможен класс моделей, которые содержат характеристики как векто- ров, так и мозаик. Они называются гибридными моделями.

В дальнейшем под терминами решетка, мозаика, элемент растра будем понимать одно и то же. Основу такой классификации составляет атомарная единица (пространства), содержащая представления площа- дей линий и точек.

Векторная модель

Построение модели. Векторные модели данных строятся на векто- рах, занимающих часть пространства в отличие от занимающих все про- странство растровых моделей. Это определяет их основное преимуще- ство - требование на порядки меньшей памяти для хранения и меньших затрат времени на обработку и представление.

При построении векторных моделей объекты создаются путем со- единения точек прямыми линиями, дугами окружностей, полилиниями. Площадные объекты - ареалы задаются наборами линий. В векторных моделях термин полигон (многоугольник) является синонимом слова ареал.

Векторные модели используются преимущественно в транспортных, коммунальных, маркетинговых приложениях ГИС. Системы ГИС, рабо- тающие в основном с векторными моделями, получили название век- торных ГИС.

В реальных ГИС имеют дело не с абстрактными линиями и точка- ми, а с объектами, содержащими линии и ареалы, занимающими про- странственное положение, а также со сложными взаимосвязями между ними. Поэтому полная векторная модель данных ГИС отображает про- странственные данные как совокупность следующих основных частей:

• геометрические (метрические) объекты (точки, линии и полигоны);

• атрибуты - признаки, связанные с объектами;

• связи между объектами.

Векторные модели (объектов) используют в качестве атомарной модели последовательность координат, образующих линию.

Линией называют границу, сегмент, цепь или дугу. Основные типы координатных данных в классе векторных моделей определяются через базовый элемент линия следующим образом. Точка определяется как выродившаяся линия нулевой длины, линия - как линия конечной дли- ны, а площадь представляется последовательностью связанных между собой сегментов.

Каждый участок линии может являться границей для двух ареалов либо двух пересечений (узлов). Отрезок общей границы между двумя пересечениями (узлами) имеет разные названия, которые являются си- нонимами в предметной области ГИС. Специалисты по теории графов предпочитают слову линия термин ребро, а для пересечения употребля- ют термин вершина. Национальным стандартом США официально сан- кционирован термин цепь (chain). В некоторых системах (Arclnfo, GeoDraw) используется термин дуга.

В отличие от обычных векторов в геометрии дуги имеют свои атри- буты. Атрибуты дуг обозначают полигоны по обе стороны от них. По отношению к последовательному кодированию дуги эти полигоны име- нуются левый и правый. Понятие дуги (цепи, ребра) является фундамен- тальным для векторных ГИС.

Векторные модели получают разными способами. Один из наибо- лее распространенных - векторизация сканированных (растровых) изоб- ражений. Она заключается в выделении векторных объектов со скани- рованного изображения и получении их в векторном формате.

Для векторизации необходимо высокое качество (отчетливые линии и контуры) растровых образов. Чтобы обеспечить требуемую четкость ли- ний, иногда приходится заниматься улучшением качества изображения.

Процесс сканирования требует незначительных затрат труда, но не- обходимость последующей векторизации увеличивает расходы практи- чески до уровня ручного цифрования. При векторизации возможны ошибки, исправление которых осуществляется в два этапа:

1) корректировка растрового изображения до его векторизации;

2) корректировка векторных объектов.

Векторные модели с помощью дискретных наборов данных отображают непрерывные объекты или явления. Следовательно, можно говорить о векторной дискретизации. При этом векторное представление позволяет отразить большую пространственную изменчивость для одних районов, чем для других, по сравнению с растровым представлением, что обусловлено более четким показом границ и их меньшей зависимостью от исходного образа (изображения), чем при растровом отображении. Это типично для социальных, экономических, демографических явлений, изменчивость которых в ряде районов более интенсивна.

Некоторые объекты являются векторными по определению, напри- мер границы соответствующего земельного участка, границы районов и т.д. Поэтому векторные модели обычно используют для сбора данных координатной геометрии (топографические записи), данных об админи- стративно-правовых границах и т.п.

Особенности векторных моделей. В векторных форматах набор данных определен объектами базы данных. Векторная модель может организовывать пространство в любой последовательности и дает "про- извольный доступ" к данным.

В векторной форме легче осуществляются операции с линейными и точечными объектами, например, анализ сети - разработка маршрутов движения по сети дорог, замена условных обозначений.

В растровых форматах точечный объект должен занимать целую ячейку. Это создает ряд трудностей, связанных с соотношением разме- ров растра и размера объекта.

Что касается точности векторных данных, то здесь можно говорить о преимуществе векторных моделей перед растровыми, так как вектор- ные данные могут кодироваться с любой мыслимой степенью точности, которая ограничивается лишь возможностями метода внутреннего пред- ставления координат. Обычно для представления векторных данных исполь- зуется 8 или 16 десятичных знаков (одинарная или двойная точность).

Только некоторые классы данных, получаемых в процессе измере- ний, соответствуют точности векторных данных. Это данные, получен- ные точной съемкой (координатная геометрия); карты небольших учас- тков, составленные по топографическим координатам, и политические границы, определенные точной съемкой.

Не все природные явления имеют характерные четкие границы, ко- торые можно представить в виде математически определенных линий. Это обусловлено динамикой явлений или способами сбора простран- ственной информации. Почвы, типы растительности, склоны, место оби- тания диких животных - все эти объекты не имеют четких границ.

Обычно линии на карте имеют толщину 0,4 мм и, как часто считает- ся, отражают неопределенность положения объекта. В растровой систе- ме эта неопределенность задается размером ячейки. Поэтому следует помнить, что в ГИС действительное представление о точности дают раз- мер растровой ячейки и неопределенность положения векторного объек- та, а не точность координат.

Геометрические данные составляют основу векторной модели, тем не менее, как отмечено выше, в ее состав входят также атрибуты и свя- зи. Атрибуты уже рассматривались достаточно подробно. Остановимся на связях в векторных моделях. Для этого необходимо рассмотреть то- пологические свойства векторных моделей, т.е. рассмотреть топологи- ческие модели, которые являются разновидностью векторных моделей данных.