Лекция02(ГИС)

17

ТЕМА 2

БАЗОВЫЕ СТРУКТУРЫ ДАННЫХ В ГИС

1.Пространственная информация в ГИС.

2.Пространственные объекты в ГИС.

3.Растровые модели данных. Концепция растровых ГИС.

4.Векторные модели данных. Концепция векторных ГИС.

5.Сопоставление растровой и векторной моделей.

6.Организация атрибутивных данных в ГИС.

7.Понятие слоя, покрытия.

1. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ИНФОРМАЦИЯ В ГИС

Информационную основу ГИС образуют цифровые представления (модели) реальности. Рассматривая данные по отношению к описываемым ими объектам, говорят о цифровых моделях объектов, а применительно к пространственным объектам в ГИС – о цифровых моделях пространственных объектов.

Некоторое множество цифровых данных о пространственных объектах образуют пространственные данные. Они состоят из двух взаимосвязанных частей, которые образуют описание пространственного положения и тематического содержания данных.

1.позиционной (тополого-геометрической);

2.непозиционной (атрибутивной).

Базовыми (элементарными) типами пространственных объектов, которыми оперируют современные ГИС, обычно считаются:

•точка (точечный объект) – 0-мерный объект, характеризуемый плановыми координатами. При этом пространственное расположение сущности (объекта, явления важно, метрические размеры не важны, размер объекта не выражается в масштабе модели;

•линия (линейный объект, полилиния) – 1-мерный объект, образованный последовательностью не менее двух точек с известными плановыми координатами (линейными сегментами или дугами). Совокупность связанных линейных объектов образует сеть. Объекты линейных сетей состоят из узлов – мест, где линия заканчивается, прерывается и дуг, соединяющих узлы;

•область (полигон, полигональный объект, контур, контурный объект) – 2- мерный (площадной) объект, внутренняя область, ограниченная замкнутой последовательностью линий и идентифицируемая внутренней точкой (меткой);

•пиксель (пэл, пиксел) – 2-мерный объект, элемент цифрового изображения, наименьшая из его составляющих, получаемая в результате дискретизации изображения (разбиение на далее неделимые элементы растра);

•ячейка (регулярная ячейка) – 2-мерный объект, элемент разбиения земной

19

•элементарные объекты – имеют структурированное описание семантических и графических атрибутов, а также фактов и характера его взаимодействия с другими объектами;

•составные объекты – имеют структурированное описание, образованное группой других объектов с определенным (направленным) порядком их следования при образовании определяемого объекта;

•сложный объект – образуются группой других объектов (элементарных, составных, сложных), порядок следования которых при образовании определяемого объекта не фиксирован.

2. ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ОБЪЕКТЫ В ГИС

В геоинформационных системах пространственные объекты могут включать точки, линии, площади, поверхности.

Точечные данные. Выбор сущностей, которые будут отображены в модели точечными объектами, зависит от масштаба карты, изученности территории и т.д. Например, на мелкомасштабных картах населенные пункты представлены точками, а на крупномасштабных – площадными объектами. В общем, условия, при которых сущность отображается точечным объектом, могут быть выражены следующими положениями:

•пространственное расположение сущности важно;

•метрические размеры сущности не важны;

•размер объекта не выражается в масштабе модели.

Точечные объекты – самый простой тип пространственных объектов. Координаты каждой точки могут быть представлены парой дополнительных столбцов базы данных. В этом случае каждая строка – точка, вся информация о точке заключена в строке, столбцы, не содержащие ординат, - атрибуты. Точки не зависят друг от друга (рисунок 2.1).

Линейные объекты. Линейными объектами представляются сущности, “не имеющие ширины, а лишь протяженность”. Линейные данные часто называют сетями.

Примеры сущностей, представляемых сетями: сети инфраструктуры, транспортные сети (автодороги и железные дороги), линии электропередачи, газопроводы и т.д. (рисунок 2.2) Естественные сети: речная сеть.

Объекты линейной сети состоят из узлов – мест, где линия заканчивается, прерывается, и дуг, соединяющих узлы.

Узел (Node, junction) - начальная точка или конечная точка дуги в векторнотопологическом представлении (линейно-узловой модели) пространственных объектов типа линии или полигона; списки или таблицы. Узлы содержат атрибуты, устанавливающие топологическую связь со всеми замыкающимися в нем дугами; узлы, образованные пересечением двух и только двух дуг или замыканием на себя одной дуги, носят название псевдоузлов.

21

Дуга (Arc, link):

1.последовательность сегментов, имеющая начало и конец в узлах; элемент (примитив) векторно-топологических (линейно-узловых) представлений линейных

иполигональных пространственных объектов (см. линия, полигон);

2.кривая, описываемая относительно множества точек некоторыми аналитическими функциями.

Выделяется несколько элементов линейной сети (рис. 2.3).

Рисунок 2.3 – Элементы линейной сети

Валентность узла – это число дуг, связанных с узлом. Окончание линии имеет валентность 1, узлы с валентностью 4 часто встречаются в дорожных сетях, а с валентностью 3 – в сети рек.

Разновидностью сети является дерево, имеющее только один путь между парами узлов. Большинство речных сетей являются деревьями.

Примерами атрибутов дуг являются направление и объем трафика, время движения по дуге; диаметр трубы, направление движения газа; напряжение линии электропередачи, высота столбов и др; атрибутов узлов: названия пересекающихся в узле улиц; количество трансформаторов на подстанции и др.

Площадные данные. Границы контуров могут представлять различные природные феномены, такие, как озера, леса, крупные населенные пункты (рисунок 2.4).

Для сущностей в виде площадных объектов в ГИС можно отметить следующие особенности:

1.Сущности являются изолированными областями, возможно перекрывающимися. Любая точка может находиться внутри любого количества объектов. Объекты могут не полностью покрывать исследуемую область. Например, лесные пожары.

2.Любая точка должна находиться внутри одного объекта. Объекты полностью покрывают исследуемую область. Каждая линия границы разделяет два площадных объекта. Площадные объекты не могут пересекаться.

3.Любой слой первого типа может быть преобразован в слой второго типа: каждый площадной объект может теперь иметь любое число атрибутов.

22

БРЕСТБРЕСТ

Рисунок 2.4 – Площадные объекты в ГИС: площадная тема «Леса Брестского района» учебной ГИС

Площадные объекты могут иметь «дыры», имеющие набор атрибутов, отличных от атрибутов основного объекта. Например, на реках есть острова (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 – Сложные площадные объекты

Непрерывные поверхности. Некоторые сущности не могут быть точно представлены в виде дискретных точек, линий или областей. Некоторые сущности непрерывно изменяются в пространстве. Поэтому есть объекты, которые наилучшим образом представляются в ГИС непрерывными поверхностями.

Примеры непрерывных поверхностей: рельеф, температура, давление, плотность населения.

Характеристиками поверхностей являются критические точки:

• пики и углубления – самые высокие и низкие точки;

23

•линии хребтов и низин – линии изменения знака угла наклона поверхности;

•проходы – место схождения двух хребтов или низин;

•дефекты – резкие изменения значения (например, утесы);

•фронты – резкие изменения угла наклона поверхности.

В программном обеспечении современных геоинформационных систем нет стандартных методов представления поверхностей, поэтому поверхности представляются в виде точек, линий и областей.

Представление поверхностей в виде точек называется цифровой моделью местности и основано на выборке через регулярные интервалы значений с исследуемой поверхности (рисунок 2.6). В результате получается матрица значений, называемая также растром, сеткой, решеткой. Многие цифровые модели местности создаются именно в таком виде и могут быть просто конвертированы в растровое изображение для визуализации.

Рисунок 2.6 – Представление поверхностей регулярной сетью точек

Представление поверхностей в виде линейных объектов идентично изображению на топографических картах и основано на использовании линейных объектов. Линии соединяют выборочные точки, имеющие одинаковые значения атрибута (рисунок 2.7).

200

234

200

Рисунок 2.7 – Представление поверхностей изолиниями

Поверхности могут быть представлены площадными объектами, чаще всего

24

треугольниками, так как эта фигура всегда выпуклая и лежит в одной плоскости. Представление поверхности набором треугольников называется триангуляцией. Выборочные точки являются вершинами треугольников; треугольники полностью покрывают исследуемую территорию. Выборочные точки чаще всего располагаются в пиках и впадинах, вдоль линий хребтов и низин. Результатом являются узлы, соединенные дугами, и треугольники (рисунок 2.8).

Рисунок 2.8 – Представление поверхностей триангуляционной сетью

3. РАСТРОВЫЕ МОДЕЛИ ДАННЫХ. КОНЦЕПЦИЯ РАСТРОВЫХ ГИС

Растровая модель описывает характер исследуемого географического явления на всей территории и генерализирует реальный мир. Растровая модель представляет окружающий мир в виде регулярной сети ячеек. Растровая модель является самой простой из распространенных моделей пространственных данных (рисунок 2.9).

Растр – это набор данных, имеющих географический характер, значения которых организованы в прямоугольный массив объектов.

Отмечаются несколько характеристик растровых слов.

Разрешение растрового слоя – это минимальный линейный размер самого мелкой части географического пространства, для которого в слое записываются данные. В общем случае эта часть прямоугольная, но чаще всего - квадратная.

Ориентация слоя – это угол между действительным географическим севером и направлением, заданным линией столбцов растра.

Зона растрового слоя – это множество соприкасающихся клеток растра, имеющих одинаковое значение. Не все растровые карты содержат зоны: если клетки слоя содержат значения непрерывно изменяющегося в пространстве явления, этот слой не будет содержать зон.

Значения ячеек – это хранящаяся в слое информация о географическом явлении по строкам и столбцам. Ячейки, принадлежащие одной зоне, имеют одинаковые значения.

25

Рисунок 2.9 – Растровая модель данных

Значение ячеек выбирается одним из трех способов (рисунок 2.10):

•значение агрегируется по всем точкам пространства, покрываемым ячейкой;

•значения выбираются из точки, лежащей в центре ячейки;

•значения выбираются из точек, совпадающих с узлами сети.

Значение агрегируется

Значение выбирается из средней точки

Значение выбирается из узлов сетки

Рисунок 2.10 – Способы выборки значений

Принято считать, что для данных дистанционного зондирования в качестве стандартного принят первый способ, а для цифровых моделей местности - второй или третий. Различия между способами выборки значений ячейки часто игнорируются, и растр понимается просто как массив ячеек.

Местоположение определяется упорядоченной парой ординат (номером сроки и столбца ячейки). Обычно известны реальные географические координаты нескольких углов растрового изображения.

В большинстве случаев с ячейкой растра связано только одно значение. Совокупность этих ячеек со связанными значениями образуют растровый слой.

26

База данных может содержать несколько таких слоев, но они должны быть идеально выровнены. Каждый слой должен быть совместим с остальными слоями. Во всех слоях должно быть одинаковое количество строк и столбцов, и они должны отображать одно местоположение в пространстве.

Типы значений, содержащихся в ячейках, зависят как от типа моделируемых географических сущностей, так и от используемого программного обеспечения ГИС. Различные системы позволяются использовать разные классы значений: целые числа, вещественные числа, строковые значения. Большинство систем, работающих с растровыми изображениями, используют для значений ячеек только целые числа.

Целые значения часто используются как коды, идентифицирующие класс покрываемой ячейкой территории (рисунок 2.11).

Рисунок 2.11 – Кодирование классов целыми числами

Примерами использования растровой модели в ГИС являются:

1.Данные дистанционного зондирования, полученные с искусственных спутников Земли;

2.Цифровые модели местности (DEM).

4. ВЕКТОРНЫЕ МОДЕЛИ ДАННЫХ. КОНЦЕПЦИЯ ВЕКТОРНЫХ ГИС

Векторные модели используются для цифрового представления точечных, линейных и площадных объектов по аналогии с картографией, что определяет выбор графических средств их картографического отображения. Исторически они связаны с технологиями цифрования карт и другой картографической документации с помощью устройств ввода векторного типа (дигитайзеров – цифрователей) с ручным обводом, генерирующих поток пар плановых координат вслед за движением курсора.

Цифрование – это процесс перевода исходных (аналоговых) картографических материалов в цифровую форму.

Ввекторной модели пространственных данных графические данные представлены в виде объектов – точек, линий и территорий – с которыми связаны атрибутивные данные. Координатами точек являются декартовы координаты в некоторой прямоугольной системе координат (например, в системе координат проекции Гаусса-Крюгера) или пара географических координат – широта и долгота. Линии или дуги представляются последовательностью точек.

Ввекторной базе данных объекты собираются в единое целое посредством