1.6. Топологічні правила

ArcGIS 8.3 вводит топологию в базу геоданных

На модели данных покрытия ArcInfo сотни тысяч пользователей ГИС в мире узнавали о преимуществах топологии, выполняя операции build и clean в своих базах данных. В версии ArcGIS 8.3 ESRI, Inc. (США) представляет новый набор средств редактирования, предназначенных для построения и поддержки определяемых пользователем топологических отношений в базе геоданных. В ArcGIS функциональность проверки топологии будет гарантировать целостность данных, подтверждая соответствие объектов базы геоданных набору топологических правил.

Одной из основных целей создания версии ArcGIS 8.3 является придание полной топологической функциональности базе геоданных. До этого топология была свойством модели покрытия ArcInfo. Появление новой модели базы геоданных в ArcGIS расширяет традиционные прикладные возможности топологии, а также добавляет новые возможности моделирования пространственных данных. Эта статья знакомит с понятием топологии базы геоданных и демонстрирует ее преимущества на примере упрощенной модели данных для земельных участков.

Топология (в ГИС: жарг.) описание взаимного положения геометрических объектов и их частей в векторно-топологическом представлении данных. Геоинформатика. Толковый словарь основных терминов / Ю.Б. Баранов, А.М. Берлянт, Е.Г. Капралов и др. М.: ГИС-Ассоциация, 1999. 204 с.

Топология, устанавливающая пространственные отношения между географическими объектами, является основополагающим свойством для гарантии качества данных. Топология делает возможным проведение расширенного пространственного анализа и играет фундаментальную роль в обеспечении качества базы данных ГИС.

Топология базы геоданных в двух словах

В настоящее время понятие топологии жестко связано с моделью данных покрытия ArcInfo. Хотя операции build и clean будут еще долгое время оставаться ключевой частью инструментария пользователей ArcInfo, модель базы геоданных обеспечит совершенно новый подход к топологии. В ArcGIS 8.3 пользователи пакетов ArcEditor и ArcInfo получают новые инструменты для определения, проверки и поддержки топологии в базе геоданных.

Правила целостности для топологии покрытия имеют соответствующий эквивалент в топологии базы геоданных. Однако у последней есть ряд преимуществ, не доступных в модели покрытия:

пользователи могут указывать, какие слои данных участвуют в топологических отношениях;

• в одних топологических отношениях могут участвовать несколько классов полигональных, точечных и линейных объектов;

• существует гораздо большее число пространственных условий топологических правил;

• пользователи могут устанавливать, какие правила являются подходящими для соответствующих слоев данных;

• топологические отношения хранятся в многопользовательской, непрерывной, стандартной СУБД;

• пользователи могут выполнять операцию build лишь частично для повышения производительности.

Топологические правила, применяемые к данным

Т. е. модель покрытия является жестко контролируемой средой, в которой постоянно поддерживается топологическая целостность, заданная этой моделью. С другой стороны, топология базы геоданных предлагает более гибкую среду, в которой пользователь может применить более широкий набор правил и условий для поддержки топологической целостности данных.

Хранение и моделирование данных в базе геоданных База геоданных представляет собой открытую структуру для хранения и управления данными ГИС (пространственная геометрия, таблицы, изображения), реализованную в системе управления базами данных (СУБД). База геоданных соответствует фундаментальной реляционной модели данных, в которой каждый пространственный объект и его атрибуты хранятся в виде строки таблицы. Объект представляет собой пространственно протяженный элемент реального мира, который моделируется в данной ГИС (например, земельный участок, здание, фонарный столб, река). Набор похожих пространственных объектов (далее для краткости объекты), таких, как участки или реки, хранится в таблице СУБД и называется классом объектов. Наборы связанных классов объектов, имеющих одинаковую пространственную привязку, могут быть организованы в более крупную структуру, называемую набором классов объектов.

Каждый пространственный объект в базе геоданных содержит описание формы (геометрические характеристики) и может существовать сам по себе, в противоположность модели данных покрытия, где, скажем, полигоны моделируются в виде наборов дуг и точек меток. Способность хранения полного набора геометрических характеристик простого объекта (такого как полигон участка) является одним из преимуществ модели базы геоданных, поскольку каждый пространственный объект всегда доступен для отображения и анализа.

Как топология реализуется в ArcGIS 8.3

Топология реализуется в виде набора правил целостности, определяющих поведение пространственно взаимосвязанных географических объектов и объектных классов. Топологические правила, применяемые к географическим объектам или объектным классам в базе геоданных, позволяют пользователям ГИС моделировать такие пространственные отношения, как связность (связаны ли линии дорожной сети?) и смежность (существует ли промежуток между двумя полигонами участков?). Топология полезна также для контроля целостности совпадающих геометрических данных у различных классов объектов (например, совпадает ли береговая линия с границей страны).

ArcGIS 8.3 содержит набор пространственных операторов (инструментов редактирования) для редактирования общих (одинаковых для разных объектов) геометрических характеристик и для обнаружения ошибок в пространственных взаимосвязях, произошедших из-за нарушения заданных пользователем правил.

Применение топологии в модели данных ArcGIS можно проиллюстрировать на примере простой базы геоданных, содержащей данные о земельных участках (Parcels), землеотводах (Lots), линиях землеотводов (Lot Lines), зданиях (Buildings) и соответствующего снимка (Imagery). Топологические правила, применяемые к данным

С помощью топологии пространственным данным присваивается поведение реальных ГИС-объектов. Топология обеспечивает возможность получить ответы на вопросы, касающиеся смежности, связности, близости и совпадения. В ArcGIS топология дает мощный и гибкий способ задания правил, служащих для обеспечения и поддержки качества и целостности пространственных данных. Правила помогают, например, убедиться, что полигоны участков образуют замкнутые контуры, при этом не перекрываются и между участками нет промежутков.

Можно использовать топологию для проверки пространственных отношений между объектными классами. Например, можно удостовериться, что линии границ землеотводов в модели данных имеют общие совпадающие геометрические характеристики с границами земельных участков.

Топологические отношения могут рассматриваться как пространственные условия, которые можно применить к пространственным данным. Программное обеспечение ArcGIS будет реализовывать эти отношения и сообщит, когда любое из этих условий будет нарушено. Для этого в программное обеспечение ГИС должны входить инструменты, которые будут «понимать» пространственные условия и обеспечивать поиск и исправление любых нарушений этих правил.

Как топология моделируется в базе геоданных

В ArcGIS топология может быть задана для одного или нескольких объектных классов, входящих в набор классов. Топологические отношения могут быть установлены для нескольких классов точечных, линейных и полигональных объектов. Топология включает в себя набор правил целостности для пространственных отношений вместе с несколькими важными установками: кластерным допуском, рангами для классов объектов (для обеспечения координатной точности), ошибками (нарушениями правил) и любыми исключениями из правил, которые установил пользователь. Версии 8.3 ArcEditor и ArcInfo содержат функцию «Мастер создания топологии», позволяющую выбирать объектные классы, которые будут участвовать в построении топологических взаимосвязей и задавать соответствующие параметры.

Топологические правила

Топологические правила могут быть заданы для объектов внутри объектного класса или для объектов, принадлежащих двум или более объектным классам. Примерами правил могут служить следующие условия: полигоны не могут перекрываться, линии не должны иметь висячих узлов, точки должны лежать в пределах границ полигона, между полигонами не должно быть промежутков, линии не должны пересекаться, точки должны быть расположены на концах линий. Топологические правила также могут быть заданы для подтипов объектного класса.

Топология базы геоданных обладает гибкостью: можно выбрать, какие правила будут применяться к данным класса объектов или набора классов объектов.

Топологические параметры

Кластерный допуск похож на допуск неразличимости. Это расстояние, на котором вершины считаются совпадающими. Вершины и конечные точки, попадающие в пределы кластерного допуска, замыкаются в процессе проверки топологии.

Ранги координатной точности задаются на уровне класса объектов и определяют, сколько объектов класса потенциально можно переместить по отношению к объектам других классов при проверке топологии. Чем выше ранг (единица является максимальным значением), тем меньше объектов можно будет переместить в процессе проверки топологии.

Проверка ошибок топологии

Операция проверки топологии используется для замыкания (слияния) геометрических характеристик объектов при попадании вершин в пределы кластерного допуска и для контроля нарушений заданных топологических правил. Проверка топологии начинается с замыкания вершин объектов на расстоянии меньше кластерного допуска, принимая в расчет ранг классов объектов (как это описано выше). Если вершины объектов находятся в пределах допуска, объекты из класса с минимальным рангом координатной точности будут перемещены к объектам с более высоким рангом. В рамках процедуры замыкания во время операции проверки топологии также будут добавляться вершины в местах пересечения объектов, если такие вершины не существуют.

Любые нарушения правил, обнаруженные в процессе проверки топологии, помечаются как ошибки. Полный список ошибок представлен в «Свойствах топологии» в ArcCatalog и ArcMap. В ArcMap может быть организован поиск ошибок, они могут быть отображены на карте или в виде списка в «Инспекторе ошибок».

Коррекция ошибок топологии

При обнаружении ошибок в процессе проверки топологии пользователь может действовать следующим образом:

• исправить ошибку с помощью инструмента «Исправление топологической ошибки» или другого метода;

• оставить ошибку без исправления;

• пометить ошибку как исключение.

Инструмент «Исправление топологической ошибки» предлагает много способов коррекции в зависимости от типа ошибки и типа объекта.

Исключения

При разрешении ситуаций с ошибками пользователь всегда может пометить ошибку или группу ошибок как исключение. Иногда появление определенной ошибки может быть допустимым. В таких случаях ошибка должна отмечаться как исключение.

К примеру, если здание, показанное в нашем примере, является торговым центром, то такое здание, перекрывающее несколько земельных участков, не будет ошибкой, а исключением из правила. Когда ошибка помечена как исключение, она остается в этом качестве до тех пор, пока не будет переустановлена вновь как ошибка. Запуск проверки топологии по той же области не покажет ошибку для варианта, помеченного как исключение.

Общая (совместная) геометрия

Выявление общих геометрических показателей «на лету», в противоположность хранению взаимосвязей в базе данных, дает значительный выигрыш в производительности труда при редактировании данных. Кроме того, инструменты редактирования в ArcGIS обеспечивают большую гибкость в процессе редактирования. Например, при работе в среде ГИС, в которой границы полигонов хранятся только раз, не является редким случай, когда некоторые границы между объектами разных слоев (объектных классов) реально не совпадают. Повторная оцифровка линий и перестройка топологии могут занять значительное время. При использовании инструментов редактирования ArcGIS 8.3 можно выбрать, скажем, ребро объекта и увидеть все объекты, частью которых является это ребро. Можно отключить соответствующую опцию связи объектов для того, чтобы иметь возможность изменять один или более классов объектов независимо от других.

Преимущества топологии в базе геоданных

Модель покрытия ArcInfo точно определяет, хранит и поддерживает топологическую информацию внутри структуры покрытия и использует фиксированный набор инструментов для создания и поддержки топологии. Результатом является жестко контролируемая среда, в которой последовательность операций диктуется программным обеспечением и строго поддерживается топологическая целостность. Такая модель данных не допускает большой гибкости. Таким образом, разработка приложений (макросы ArcEdit) для редактирования требует создания и поддержки более сложных моделей данных, чем большинство ГИС-приложений.

Что касается ArcGIS, топология базы геоданных обеспечивает достаточно мощные и гибкие возможности для создания правил, служащих для обеспечения качества и целостности данных, а специально разработанный набор инструментов поддерживает топологическое редактирование базы геоданных. Преимущества топологии в модели базы включают:

лучшее управление данными можно выбирать, какие классы объектов участвуют в топологических отношениях;

больше гибкости в топологических отношениях могут участвовать несколько полигональных, линейных и точечных классов;

усовершенствованная поддержка целостности данных можно устанавливать соответствующие топологические правила для данных;

больше возможностей для моделирования данных к данным можно применять намного больше возможных пространственных условий;

многопользовательская среда ArcSDE преимущества работы с сервером пространственных данных ArcSDE и многопользовательской средой редактирования;

большие картографические слои большие непрерывные картографические слои, хранящиеся в одной базе данных.

В рамках модели базы геоданных топология предлагает более гибкую среду совместно с возможностью установления более широкого набора правил целостности и пространственных условий. Пользователю нет необходимости повторно запускать команду clean, чтобы перестроить топологию. В результате может быть реализован любой ГИС-процесс, состоящий из последовательности операций, в которой топологическая целостность будет анализироваться в точно указанное пользователем время.