Зацерковний В.І. та ін. ГІС та бази даних. І бази даних

• Название: І бази даних
• Анкор: Зацерковний В.І. та ін. ГІС та бази даних.pdf
• Дата: 06.02.2018
• Размер: 31.1 Mb.
• Имя файла: Зацерковний В.І. та ін. ГІС та бази даних.pdf
• Тип: Книга; #15245
• страница: 18 из 49

Рис. 4.7. Об’єкти ГІС
Точкові об’єкти – це такі об’єкти, кожний із яких розташову-
ється тільки в одній точці простору, що характеризується парою
координат (x, y).
Насправді всі точкові об’єкти мають певну просторову довжину,
інакше ми просто не змогли б їх розгледіти. Однак для забезпечення мож- ливості моделювання вважають, що у таких об’єктів немає просторової довжини або ширини, але кожний із них може бути позначений коорди- натами свого місця розташування, тобто їх можна абстрагувати до точки.
Про такі об’єкти кажуть, що вони дискретні. Це означає, що кожний
із них може займати в будь-який момент часу тільки певну точку простору.
Точковими об’єктами, зображеними на карті (рис. 4.8), можуть бути дерева, будинки, свердловини, перехрестя доріг, населенні пункти тощо.
Точками на карті також позначають об’єкти, які взагалі не мають площі
(наприклад, висотна позначка), або точка, розмір якої залежить від певної атрибутивної інформації (наприклад, від кількості працюючих на підприємстві).
Рис. 4.8. Точкові об’єкти
Точкові об’єкти
Лінійні об’єкти
Полігональні об’єкти

170
Приймаючи відсутність довжини та ширини, наприклад, при змінах атмосферного тиску, який характеризується потенційною множиною точок, вважають, що самі точки завжди займають певне місце без будь- яких перекривань.
Масштаб, при якому спостерігаються ці об’єкти, задає межі, що визначають подання цих об’єктів як точкових. Наприклад, якщо дивитись на будинок з декількох метрів, то споруда буде виглядати монументаль- ною, з певними значеннями довжини та ширини. Але це уявлення буде змінюватися, якщо віддалятися від будинку, – чим далі віддалимося, тим меншою буде виглядати споруда як площинний об’єкт і більше буде нагадувати точковий.
Точками також зображуються ті елементи карти, які невидимі при даному масштабі. Наприклад, точки спостереження або населені пункти на мапах дрібних масштабів. Кожній точці залежно від її типу або значення атрибуту може бути присвоєний певний символ.
Таким чином, вибір об’єктів, поданих у вигляді точок, залежить від масштабу карти чи дослідження, точкові об’єкти при відображенні в ГІС розрізняються розмірами, кольорами, розмірами та кольорами (рис. 4.9).
Рис. 4.9. Типи точкових об’єктів
на карті
Лінійні об’єкти – це об’єкти карти, метричні описи яких є упо-
рядкованим набором координат, які будучи з’єднаними, показують по-
довжену форму об’єкта, занадто вузьку, щоб можна було зобразити
його площину.

171
Такими "одновимірними" об’єктами можуть бути авто- та залізні дороги, річки, кордони, огорожі, лінії електропередач, газо- і нафтопроводи або будь-які інші об’єкти, у яких довжина серед геометричних параметрів
істотно більша за інші. Лінійні об’єкти часто називають мережами.
Об’єкти лінійної мережі складаються з вузлів – місць, де лінія закін- чується, переривається, та дуг, що з’єднують вузли.
Масштаб, при якому спостерігається цей об’єкт, знову ж таки, обумовлює поріг, при перетинанні якого можна вважати ці об’єкти таки- ми, що не мають ширини (рис. 4.10).
Рис. 4.10. Лінійні об’єкти
Однак, як відомо, річки, дороги, огорожі мають два виміри при роз- гляді з близької відстані. Але чим далі ми віддаляємось від них, тим більш тоншими вони стають. Поступово при значному віддалені вони стають такими тонкими, що їх можна представити як лінійні об’єкти.
Деякі лінії на карті, наприклад, адміністративні та політичні кордони, взагалі не мають ширини, іншим прикладом можуть слугувати ізолінії
(ізогіпси), які використовуються для зображення рельєфу.
Для лінійних об’єктів, на відміну від точкових, можна встановлю- вати просторовий розмір визначенням їх довжини. Крім того, необхідно знати хоча б дві точки – початкову та кінцеву – для опису місця розта- шування лінійного об’єкта в просторі. Лінія може бути прямою, що скла- дається з двох точок, – власне об’єкт лінія (line) й полілінією (polyline), яка складається з множини вузлів, що з’єднуються відрізками. Чим складніша лінія, тим більше точок буде потрібно для визначення точного
її розташування. Базуючись на обчислювальній геометрії, можна також визначати форми й орієнтацію лінійних об’єктів. При цьому, лінійні об’єкти сприймаються не тільки як сукупність прямолінійних відрізків, а як об’єкти, що мають у своєму складі сегменти ліній другого та вищого порядків.
Вибір об’єктів, поданих у вигляді ліній, залежить від масштабу карти або дослідження, тому лінійні об’єкти розрізняються за шириною, структурою, кольором, комбінацією ліній (рис. 4.11).

172
Рис. 4.11. Типи лінійних об’єктів на карті
Під сегментом (line segment, segment, chord) у ГІС розуміють відрізок прямої лінії, що з’єднує дві точки з відомими координатами; проміжні точки (vertex, pl. vertices), вузли; елемент дуги при векторному поданні просторових об’єктів.
Полігони – площинні об’єкти, які представлені або набором пар
координат (x, y), або набором об’єктів типу "лінія", що утворюють
замкнутий контур.
Якщо вважати, що всі об’єкти ГІС мають семантичний контекст, який визначає їх як об’єкти реального світу, то замкнені лінійні об’єкти можна поділити на контурні та площинні.
Границя (border, boundary, edge) – лінія, яка розділяє різнойменні
полігони.
Крім зазначення місця розташування полігонів через використання ліній, необхідно також врахувати такі характеристики: форму, орієнтацію та величину площі, яку займає полігон. Площинні об’єкти (рис. 4.12) відображують елементи геопростору, площа яких у даному масштабі є найбільш значимою характеристикою.
Рис. 4.12. Площинні об’єкти (полігони)

173
Прикладом полігонів або двовимірних об’єктів можуть слугувати території, що зайняті подвір’ями, населеним пунктом або континентом.
При визначенні місця розташування полігонів у просторі, їх границя є лінією, яка починається і закінчується в одній і тій же точці, наприклад, лісові масиви, озера, сільськогосподарські угіддя, населенні пункти тощо.
Колір, характер штрихування, позначення ліній контуру при відо- браженні визначаються типом полігона (типом рослинності) або вели- чиною атрибута – кількістю населення (рис. 4.13).
Рис. 4.13. Приклад використання кольорів і штрихувань
для показу кількісних відмінностей між полігонами
Площинний об’єкт (полігон) – це двовимірний (площинний)
об’єкт, замкнута лінійна фігура, яка обмежує однорідну (квазіоднорід-
ну) територію, наприклад, водоймище, район, будівлю.
При цьому можливі ситуації:
1) полігони є ізольованими областями. Іноді вони можуть перекри- ватись. Досліджувана точка може знаходитися усередині багатьох об’єктів.
Досліджувані об’єкти при цьому можуть не повністю покривати до- сліджувану область, наприклад, лісові пожежі тощо;
2) будь-яка точка, що досліджується, знаходиться усередині одного об’єкта. Об’єкти повністю покривають досліджувану область. Кожна лінія границі розділяє два площинних об’єкта. Площинні об’єкти не перети- наються;
3) будь-який тематичний шар може бути перетворений у шар ін- шого типу, а це означає, що кожний площинний об’єкт може мати будь- яку кількість атрибутів. Площинні об’єкти можуть мати "дірки", які мають набір атрибутів, відмінний від атрибутів основного об’єкта. Прикладом таких дірок можуть слугувати острови на річках, озерах, морях.
В

174
4.5.2. Геометричні об’єкти високого рівня
Точкові лінійні та просторові об’єкти, розглянуті вище, відносяться до класу простих об’єктів. Існує також клас об’єктів, що мають специ- фічне навантаження й особливе значення для аналізу (вузли, центроїди та мережі). Деякі автори [15] відносять до них і сукупності точкових об’єктів.
Ці об’єкти утворюються різноманітними засобами: вузли, наприклад, кодуються в процесі цифрування, центроїди та мережі обчислюються на основі геометрії наявних об’єктів. Такі об’єкти називаються об’єктами високого рівня і також поділяються на точкові, лінійні та полігональні.
Точкові об’єкти "високого рівня". Два основних типи об’єктів високого рівня – це центроїди та вузли. До них можна також віднести і сукупність точкових об’єктів.
Центроїд – уявна точка, центр ваги (геометричний центр)
фігури або внутрішня точка полігона, отримана осередненням коор-
динат усіх точок, що утворюють полігон.
Центроїд, зазвичай, визначається як точка, що міститься в геогра- фічному центрі області або полігона і слугує для його ідентифікації, тобто знаходиться в середині полігона. Він виконує функцію точкового об’єкта, до якого в разі потреби можна віднести властивості полігона.
У випадку невипуклого полігона або складеного полігона, який має внутрішні полігони (острови, або анклави), його положення не збігається з центром ваги полігона.
ГІС у своєму арсеналі мають різні алгоритми автоматичного вибору центроїда. Однак, після автоматичного вибору, центроїд може вручну переноситись в іншу внутрішню точку.
При автоматичному створенні топології центроїди можуть також бути призначені з числа (з шару) точкових об’єктів (наприклад, обласний центр може бути призначений як центроїд області на карті України).
Центроїди можуть також розміщуватися в центрі розподілу певної характеристики (значення), а не в абсолютному геометричному центрі багатокутника. Існують й інші засоби побудови центроїдів. Наприклад, центроїдом може бути центр ваги геометричної фігури, центр пря- мокутника, описаного навколо полігона, центр еліпса, найближчого за фор- мою до полігона, тощо. Це визначення може також використовуватися для складних ліній.
Визначення центроїда багато в чому залежить від моделі даних, яка використовується. Так, наприклад, растрові моделі недостатньо присто- совані для визначення центроїда полігона. У багатьох випадках навіть і векторні моделі не мають відповідної функції для його створення.

175
Прості, або географічні, центроїди у векторній моделі обчислю- ються за правилом чотирикутника, який поділяє багатокутник на декілька чотирикутників, що накладаються один на одний. Центри кожного чотирикутника обчислюються як місце перетину діагоналей, а потім обчислюється їх зважене середнє (рис. 4.14).
Рис. 4.14. Визначення центроїда полігона
Вузли. Вузли – це атрибут топологічної структури тільки векторних систем. Таке поняття не існує взагалі у растрових ГІС. За вузлами здійс- нюється розрахунок довжин відрізків річкової та дорожньої мережі тощо.
Вузли є тим найважливішим елементом, який безпосередньо відображає взаємозв’язки об’єктів. У цьому випадку точки, зображені на електронній карті, містять інформацію не тільки про місце розташування, але й про топологічну структуру лінійного або полігонального покриття.
Саме вони можуть дати відповідь на те, чи перетинаються два транспорт- них маршрути, чи ні. Вузли кодуються в процесі цифрування і повинні легко відокремлюватися або ідентифікуватися звичайними процедурами пошуку ГІС, які підтримують топологічну структуру даних.
Складність виникає тільки тоді, коли вузол помилково закодовано як звичайну формоутворюючу точку. Це ще одна ілюстрація важливості ретельної організації даних [15].
Сукупність точкових об’єктів. Сукупність точкових об’єктів як елементів аналізу часто набуває самостійного значення. Велика щільність точок, яку б подію вони не відображали, завжди відрізняє утворювану ни- ми область від навколишніх, що містять меншу кількість точок. Наприк- лад, на деяких площах сільськогосподарських угідь може бути виявлена значно більша кількість бур’янів або чагарників, що робить їх відмінними від інших. Залишається тільки визначити причину відмінностей: порушен- ня рівноваги, дефіцит пестицидів або властивості місцевого ґрунту або особливостей його обробки тощо.
Інші характеристики розподілу точкових об’єктів, такі, як рівномір- ність або випадковість, також можуть використовуватися для визначення

176
площ як специфічних співтовариств або площ, що мають загальні закономірності розподілів (рис. 4.15).
Рис. 4.15. Сукупність, утворена на основі
щільності точкових об’єктів
Такий засіб визначення площ не вкладено безпосередньо в інстру- ментарій більшості ГІС, але шляхи його реалізації є як у растрових, так і у векторних системах.
Лінійні об’єкти "високого рівня". Деякі типи ліній мають особли- ве значення і тому, мабуть, виправдовують свою назву об’єктів високого рівня. До таких типів можна віднести, наприклад, такі лінійні утворення, як кордони (межі), маршрути та мережі.
Перший тип виникає у топологічних структурах під час встановлен- ня відношень між атрибутами ліній і полігонів, які до них прилягають. Ці лінії називаються кордонами або межами (залежно від державного стату- су територій, які вони розділяють), при перетинанні яких припускається значна зміна одного або багатьох атрибутів місцевості. Іншими словами, важливість лінійних об’єктів високого рівня зумовлена функцією поділу властивостей територій, що до них прилягають.
Прикладом лінійних об’єктів "високого рівня", може слугувати державний кордон між Білоруссю й Україною на карті адміністративно- територіального устрою (рис. 4.16).
Лінія "високого призначення" – кордон, дає можливість відносити всі галузі та райони, що розташовані північніше від неї, до Білорусі, а розташовані південніше – до України.
Якщо ця лінія не має зазначених атрибутів, як це відбувається в нетопологічних системах, то доводиться вживати спеціальні заходи для поділу об’єктів за принципом приналежності до держави (створювати окремі полігональні об’єкти в межах країни та проводити вибір у межах площі замість того, щоб просто користуватися лінією кордону).

177
Лінії можуть також ставати об’єктами "високого рівня", коли вони пов’язані одна з одною певними відношеннями. В таких випадках це не просто зображення лінійних об’єктів або меж між полігонами, а особливі структури, які разом із вузлами утворюють маршрути (routs) і мережі
(network).
Рис. 4.16. Карта адміністративно-територіального устрою України
Мережі – набір сполучених лінійних об’єктів, уздовж яких мож-
ливе прямування від одного вузла до іншого.
Мережі дозволяють моделювати різні потоки: прямування автомобі- лів і поїздів, транспортування вантажів, перекачування нафти, газу, води, і навіть міграції тварин міграційними коридорами. У всіх цих випадках потрібно виконувати аналітичні операції з об’єктами мереж. Тому лінії по- винні мати спеціальні атрибути, необхідні для аналізу потоків, наприклад, обмеження швидкості.
Растрові ГІС не підходять для роботи з мережами, бо у них немає засобів явного визначення мереж [15].
Мережі або їх частини бувають:
• прямолінійні, як автомагістраль (рис. 4.17 а);
• деревоподібні, як річкова мережа (рис. 4.17 б);
• контури, як комбінація вулиць (рис. 4.17 в).

178
а) б) в)
Рис. 4.17. Види мереж:
а – прямолінійні; б – деревоподібні; в – контури
Мережі можуть мати або не мати фіксований напрямок, тобто бути спрямованими чи неспрямованими. Наприклад, річки за нормальних обставин, мають тільки один напрям течії – униз по схилу. Аналогічно, на вулицях з одностороннім рухом дозволено просування тільки в одно- му з напрямків. У випадку, якщо один відрізок мережі перетинається з
іншим, можлива зміна напрямку руху або заборона повороту в одному чи декількох напрямках. У неспрямованих мережах потік може рухатися у будь-якому напрямку [24]. Оскільки мережі можуть моделювати напря- мок потоку, можливість переходу з відрізку на відрізок, опір руху чи його заборону, дозволену швидкість тощо, то всі ці параметри потрібно закодувати в таблиці властивостей мережі.
Варто зазначити, що всі сучасні професійні векторні ГІС або їх додатки дозволяють введення таких атрибутів і відповідне моделювання.
Відсутність можливості такого моделювання істотно обмежує діа- пазон виконуваних аналітичних функцій такої ГІС, тому при придбанні
ГІС необхідно це враховувати.
Сукупність лінійних об’єктів "високого рівня". Подібно точко- вим, лінійні об’єкти "високого рівня" також можуть утворювати сукупнос- ті. Наприклад, можна об’єднати площі з високою щільністю дорожньої мережі або території з невеликою кількістю огорож.
Можна також визначати сукупність за ознакою подібної просторо- вої протяжності лінійних об’єктів або за такими характеристикам розпо- ділу об’єктів, як регулярність або випадковість. Більшість ГІС не мають спеціальних алгоритмів для реалізації зазначених функцій.
Для їх застосування доводиться використовувати додаткові спеці- альні програми, засоби розширення або модифікувати ГІС за допомогою внутрішньої макромови [24].

179
Рис. 4.18. Карта ґрунтів Чернігівської області
Полігональні об’єкти "високого рівня". Як точки і лінії, полігони також можуть бути об’єктами "високого рівня". Самі полігони можуть вико- ристовуватися для визначення регіонів – ділянок земної поверхні, які мають визначену єдність географічних характеристик. Наприклад, полі- тичні регіони визначаються національними кордонами, етнічні – походже- нням населення, біогеографічні – схожістю рис організмів. У ГІС виді- лення цих регіонів може ґрунтуватися на атрибутах, які визначають кожний полігон або набір полігонів. Наприклад, можна визначити регіон, відібравши всі полігони, у яких головним рослинним компонентом є ліс. Це дасть можливість виділити "лісовий регіон", або визначити регіони з однаковими типами ґрунтів (рис. 4.18).
Перед пошуком регіонів треба заздалегідь визначитись, які саме регіони потрібні користувачу, і як вони повинні визначатися. Створення регіонів – справа складна, тому існує велика ймовірність, що вибір наяв- них полігонів або ділянок растру не буде достатнім для їх визначення.

180
Найчастіше доводиться об’єднувати набори атрибутів з декількох різних покриттів. Можливість визначення регіонів на основі великої розмаїтості характеристик є однією з "найкорисніших" функцій ГІС.
У деяких випадках регіони можуть створюватись як полігони, що містять не просто однакові атрибути, а й схожі комбінації різних атрибутів [15].
Регіони відрізняються не тільки атрибутами, але й своєю конфігура- цією в просторі. Розрізнюють три основних види регіонів (рис. 4.19) [15]:
• суцільні;
• фрагментовані;
• перфоровані.
Рис. 4.19. Види регіонів:
а – суцільний; б – фрагментований; в – перфорований
Суцільний регіон утворює одну область. При цьому атрибути полігонів, що дозволяють його створити, можуть бути як однаковими
(гомогенний регіон), так і різними (гетерогенний регіон).
Фрагментований регіон (гомогенний або гетерогенний) складається з двох або більше полігональних фігур, розділених ділянками, які не відносяться до цього регіону. Наприклад, лісовий регіон може виглядати як певна множина розкиданих по карті полігонів, що мають при цьому
єдиний набір дерев визначеного типу. Для фрагментованих регіонів немає обмежень щодо відстані між полігонами, які їх утворюють, за умови збереження подібності атрибутів.
Перфорований регіон, на відміну від фрагментованого, не складається з окремих полігонів, а виключає деякі з них. Тобто такий регіон є суціль- ною областю, з якої виключені внутрішні полігони, так звані отвори або острови. Цікаво, що між перфорованими та фрагментованими регіонами можна легко встановити зв’язок. Завдяки цьому полігони, розташовані все- редині перфорованого регіону, можна об’єднати в єдиний регіон, але вже фрагментований, за ознакою подібності, а інколи й неподібності атрибутів.
Усі розглянуті об’єкти (як прості, так і високого порядку) ГІС по- винні розпізнавати автоматично. Кожен з них повинен мати можливість
а
б
в

181
бути виділеним, окремо затабульованим і відображеним. У векторних і растрових системах, пов’язаних із СКБД, ці об’єкти визначаються в таблицях атрибутів. Прості растрові системи виконують цю операцію за допомогою класифікації.
4.5.3. Безперервні явища
Деякі сутності реального світу не можуть бути точно подані у ви- гляді дискретних точок, ліній або областей, оскільки безперервно зміню- ються у просторі. Їх можна тільки представити безперервними поверх- нями, наприклад, рельєф, опади, температуру, тиск повітря, висоту, солоність океану, щільність населення тощо.
У програмному забезпеченні сучасних ГІС відсутні стандартні методи подання поверхонь, тому поверхні подаються у вигляді точок, ліній і областей з доданням координати висоти.
Поверхні – площинні об’єкт із значеннями висоти (Z). Побудова
(відновлення) поверхонь здійснюється за допомогою математичних алгоритмів (інтерполяції й апроксимації) за вихідним набором координат
X, Y, Z.
Поверхні оточують нас всюди. Пагорби, долини, пасма гір, скелі й багато інших утворень можуть описуватись із зазначенням їх місця розташування, займаною площею, орієнтацією та додаванням третього виміру – висоти.
Поверхні рельєфу складаються з великої кількості точок із зна- ченнями висот. При цьому стверджується, що вони безперервні, оскільки ці точки розподілені без розривів по всій поверхні (рис. 4.20).
Рис. 4.20. Безперервні та дискретні поверхні

182
Через те що висота тривимірного об’єкта змінюється від точки до точки, то можна також вимірювати величину зміни висоти при пере- міщенні від одного краю об’єкта (явища) до іншого.
Маючи таку інформацію, можна визначити об’єм матеріалу в обра- ному утворенні. Такі обчислення здійснюють тоді, коли виникає необхід- ність визначення, наприклад, скільки води міститься у водоймі або скільки матеріалу (пустої породи) лежить поверх вугільного шару.
За допомогою графічних примітивів (точки, лінії, полігона) та поверхні відображується більшість природних і соціальних феноменів, які зустрічаються у повсякденному житті. Точки, лінії й полігони описуються відповідними символами, поверхні ж – або висотами точок або іншими комп’ютерними засобами.
Характеристиками поверхонь є критичні точки:
– піки та заглиблення – найвищі та найнижчі точки;
– лінії хребтів і низин – лінії зміни знака кута нахилу поверхні;
– проходи – місце сходження двох хребтів або низин;
– дефекти – різкі зміни значення (наприклад, стрімчаки);
– фронти – різкі зміни кута нахилу поверхні.
Подання поверхонь у вигляді точок називається цифровою моделлю місцевості та ґрунтується на вибірці через регулярні інтервали значень із досліджуваною поверхнею. У результаті утворюється матриця значень, яку називають растром, сіткою, решіткою, грідом (рис. 4.21).
Рис. 4.21. Подання поверхонь регулярною
мережею точок
Більшість цифрових моделей місцевості створюються саме в такому вигляді й можуть просто конвертуватись у растрове зображення для візуалізації. Подання поверхонь у вигляді лінійних об’єктів ідентичне зображенню на топографічних картах і ґрунтується на використанні лінійних об’єктів. Лінії з’єднують вибіркові точки, що мають однакові значення атрибута (рис. 4.22).

183
Рис. 4.22. Подання поверхонь
ізолініями
Рис. 4.23. Подання поверхонь за
допомогою тріангуляції
Поверхні можуть бути подані площинними об’єктами, найчастіше всього трикутниками, тому що ця фігура завжди опукла і лежить в одній площині. Подання поверхні набором трикутників називається триангу-
ляцією. Вибіркові точки є вершинами трикутників, трикутники повністю покривають досліджувану територію. Вибіркові точки найчастіше всього розташовуються в піках й западинах, уздовж ліній хребтів і низин.
Результатом є вузли, з’єднані дугами та трикутники (рис. 4.23).
При використанні безперервних даних досить часто виникає необ- хідність визначення атрибута поза точками, лініями або вершинами трикутника, що подають поверхню. Ці значення обчислюються шляхом
інтерполяції, за найближчими точками у яких відома величина атрибута.
Поверхні зазвичай володіють одним атрибутом, але іноді можуть мати декілька (наприклад, багатозональні космічні знімки). Кожна комірка має одне значення на всій описуваній нею площі.
4.5.4. Узагальнені за площею об’єкти
Безперервні дані також можуть бути подані у вигляді обмежених площ, які вміщують дані одного типу, наприклад, землі або рослинності.
Незважаючи на те, що дані змінюються безперервно, межа вказує на дискретну зміну показника за площею, наприклад, на земельних ділян- ках, де межа юридично визначена. Таким чином подається інформація на карті ґрунтів або карті екомереж (рис. 4.24).
Дані цього типу характеризують загальну кількість об’єктів у межах даної площі або її узагальнені показники, наприклад, кількість під- приємств у межах адміністративного району, загальну кількість водосто- ків у межах басейну водозбору, кількість будинків у кожному кварталі, забруднення атмосферного повітря в окремому районі (рис. 4.25) тощо.

184
Рис. 4.24. Приклад відображення безперервних явищ
полігонами – елементами екомережі
Рис. 4.25. Приклад тонового відображення

185
Часом дані надходять до ГІС вже в узагальненому (агрегованому) вигляді, наприклад, демографічні дані, що оперують абстрактними поняття- ми "населення", "садиби" тощо, або відсоткове співвідношення категорій
(жителі віком до 60 років, кількість захворювань на 1000 осіб тощо). Ділова
інформація також узагальнюється в межах виробничих та адміністративних структур.
Узагальнювати можна й дискретні та безперервні події. Якщо об’єк- ти мають код, який визначає їхню належність певній площі, вони можуть стати матеріалом для статистичного аналізу. Наприклад, середня зарпла- та по районах міста, області, областям. Ця цифра характеризує площу в цілому. Далі необхідно тільки вирішити, який саме показник характе- ризує дану площу на карті, та підібрати тип відображення.
Картографічне подання об’єктів геопростору вищерозглянутими графічними примітивами зображено на рис. 4.26.
Рис. 4.26. Об’єкти реального світу
та їх картографічне подання

186
V. ІНФОРМАЦІЙНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ
ГІС
Сьогодні за допомогою ГІС інвентаризують природні та трудові
ресурси, планують мережі охорони здоров’я й обслуговування населення,
здійснюють розвиток міст і населених пунктів, проектують траси
нафтопроводів і транспортні магістралі, розробляють екологічні захо-
ди, аналізують результати виборів, вирішують багато інших наукових
та практичних задач. Саме в цьому й полягає головне призначення ГІС –
надавати користувачам достовірну й опрацьовану інформацію для роз-
в’язку управлінських і аналітичних задач або, як висловлюються фахівці з
геоінформатики, "забезпечувати комп’ютерну підтримку прийняття
рішень". Зазвичай, для цього використовуються оперативні карти, які
виявилися найбільш придатними засобами оцінки ситуації для більшості
людей завдяки наочності й оглядовості. Саме так улаштована людина,
яка вважає, що краще "один раз побачити..."
5.1. Джерела даних для ГІС
Людина завжди брала геодані з навколишнього середовища, викар- бовуючи на глиняній табличці план земельних угідь, землі випасу, визна- чаючи своє місцезнаходження за висотою сонця й розташуванням зірок, розглядаючи околиці з найвищого місця тощо.
Існуючі джерела геоданих для ГІС – численні та різноманітні, як за якістю, так і за точністю. Основними джерелами даних для ГІС виступа- ють (рис. 5.1):
– картографічні джерела;
– дані дистанційного зондування (ДДЗ) і фотографічні дані;
– дані польових вишукувань;
– дані різноманітних кадастрів;
– Інтернет;
– дані гідрометеорологічних досліджень;
– літературні (текстові) дані;
– статистичні дані.
"Тип джерела" об’єднує однорідну сукупність вихідних матеріалів, кожна з яких відрізняється комплексом характеристик. До них належить, наприклад, така важлива ознака, в якій (цифровій або аналоговій формі) отримується, зберігається та використовується той або інший тип даних, від чого залежить легкість, вартість і точність уведення цих даних у базу даних ГІС.

187
Зазвичай у ГІС рідко використовується тільки один вид даних, найчастіше відбувається поєднання різноманітних даних про певну тери- торію, які отримуються з різних джерел.
дані
Рис. 5.1. Джерела даних для ГІС
За способом отримання даних у геоінформатиці їх поділяють на
первинні та вторинні.
Первинні дані – це дані, що отримані вимірами або спосте-
реженнями безпосередньо на досліджуваному об’єкті, наприклад, шляхом аерокосмічного знімання, вибіркового дослідження в польових умовах або дистанційного зондування чи за допомогою GPS.
Вторинні дані – це дані, які отримують на основі обробки пер-
винних даних (наприклад, рішення прямої засічки за даними польових журналів), або з уже наявних моделей даних (наприклад, сканування зображення карт, знімків).
Відмінність цих даних не впливає на технологію опрацювання.
Більш важливим фактором є сумарна похибка виміру координат точок досліджуваних об’єктів. У випадку виникнення проблеми підвищення точності обробки даних, необхідно провести ретельний аналіз даних і обрати (при рівних параметрах) первинні джерела, оскільки вони містять менше похибок, спричинених методами вимірів й обробки.
Текстові джерела
Джерела даних ГІС
Статистичні джерела
Картографічні джерела
Гідрометеорологічні
Дані ДЗЗ та
фотограмметричні дані

188
Таким чином, з наведеного зрозуміло, що інформацію про власти- вості та характеристики об’єктів (процесів, явищ) можна отримувати за допомогою різних технологій. Кожна технологія дозволяє збирати певні дані. Різноманітність технологій і методів збору породжує різноманіт- ність типів даних, які згодом необхідно опрацьовувати. Наприклад, на рис. 5.2 зображена схема житлового комплексу, де представлені: буди- нок, що цікавить потенційного покупця, його план і фотографія.
Рис. 5.2. Подання даних у різних формах
(карта, план, фото)
Клас, що утворюють різноманітні вхідні, нестандартизовані
дані називають вхідними даними.
Вхідні дані зазвичай є різнорідними за стандартами, формами, поданням тощо. Оскільки опрацьовувати всю розмаїтість даних незручно та неефективно, то для спрощення процесу обробки, збереження і можли- вості обміну, різнорідні дані в ГІС потребують попередньої обробки для
їх уніфікації. Цей етап опрацювання вихідних даних називають первин-
ною обробкою даних. Клас, що утворюють внутрішні, стандартизовані щодо технологій обробки, дані, називають уніфікованими даними.
Уніфікація – процедура зведення різнорідних даних до єдиного виду.
В процесі уніфікації даних здійснюється побудова єдиної інфор- маційної моделі. Процес перетворення вхідних даних на уніфіковані, представлений на рис. 5.3.
Рис. 5.3. Процес перетворення вхідних даних
в уніфіковані
Вхідні дані
Первинна обробка
Уніфіковані дані

189
Мета цього процесу полягає в доповненні даних інформацією, якої бракує, спрощенні даних, виключенні надлишкових даних, аналізі похибок (видаленні або зменшенні) тощо.
Уніфікація за своєю суттю не змінює інформативність сукупності даних, а зводить їх в інформаційну основу. Однак, за необхідності може відбуватись зміна інформативності та її аналіз.
Сукупність упорядкованої інформації, що використовується при
функціонуванні ГІС, утворює її інформаційну базу.
Джерела просторових даних для ГІС – основа їх інформаційного забезпечення.
Інформаційне забезпечення ГІС – це сукупність методів, засобів і
процесів спрямованих на збір, оцінку, систематизацію та класифі-
кацію інформації для створення баз даних.
Аналіз літератури [8, 15, 20, 21, 22, 24, 40] свідчить, що витрати на
інформаційне забезпечення геоінформаційних проектів становлять від 70 до 90 % від їх загальної вартості. До 70 % усіх даних інформаційних ре- сурсів націй, регіонів і відомств мають просторову прив’язку або можуть бути більш або менш легко координовані, отримавши статус просторо- вих. Незважаючи на це, інформаційне забезпечення ГІС залишається вкрай трудомісткою справою. Це пов’язано з тим, що цифрове середови- ще існування ГІС передбачає цифрову форму, яку воно обробляє, а найголовнішу частку джерел складають аналогові дані ("паперові" карти, статистичні табличні звіти, тексти).
5.2. Картографічні джерела
Мабуть, важко знайти людину, яка хоча б раз у житті не зверталася до карти
21
, як до складного, дуже цікавого та насиченого надзвичайним змістом креслення. Бізнесмен і держслужбовець, льотчик і будівельник, геолог і агроном, лісник і мореплавець, учений і офіцер, синоптик і по- літик час від часу звертаються до карти. Людина, яка вміє читати карту, знаходить у ній стільки матеріалу, на опис якого знадобились би сотні сторінок друкованого тексту.
Карта на всіх етапах свого існування слугувала і слугує людству джерелом інформації про земну поверхню. Жодна наука про Землю не обходиться без картографічних матеріалів, накопичення та систематизації фактичних даних, аналізу й пізнання навколишнього світу. Географія,
21
Назва "карта" походить від латинського слова "сharta", яке позначає аркуш, папір. Уперше термін "карта" з’явився в середньовіччя, в епоху Відродження, до цього в ужитку були слова "tabula" та "descriptions" (зображення). В Росії первісно карта називалася кресленням, і тільки в часи Петра I з’явився спочатку термін "ландкарти", а потім – "карти".

190
геологія, геофізика, гідрографія, екологія, астрономія, соціологія, історія, археологія, економіка, землевпорядкування, агрономія – навіть важко перерахувати всі галузі науки і практики, де застосовуються карти. Карти та знімки нині висвічуються на моніторах і електронних навігаторах у капітанських рубках, у кабінах космічних кораблів, у офісах менеджерів і в салонах сучасних авто.
Картою називається побудоване в картографічній проекції змен-
шене, узагальнене зображення поверхні Землі або її частини, поверхні
іншого небесного тіла або неземного простору, яке показує розта-
шовані на них об’єкти у певній системі умовних знаків.
Карта є провідною мовою геоінформатики, тому що це є реальна модель поверхні, яка забезпечує просторово-часову відповідність. При цьому можна виділити три основні форми подібності:
• геометричну (розмір, форма об’єктів);
• часову (відповідність стану на даний момент часу);
• топологічну (взаємовідношення об’єктів).
Крім названих, можна також відзначити: структурну відповідність, конкретність, абстрактність, вибірковість (відбір даних), синтетичність, метричність, однозначність картографічних перетворень, наочність; наяв- ність "словника" – легенди карти – для перекладу з природної або штуч- ної мови на мову карт.
Карта є провідною мовою геоінформатики.
Картографування в ГІС – створення, аналіз перетворення карт
як моделей об’єктів, явищ, процесів з метою отримання система-
тизованих і нових знань про навколишній світ.
При цьому можна виділити три основні принципи моделювання карт:
– математична формалізація (перехід від сферичної поверхні
Землі до площини через застосування проекції);
– картографічний символізм (використання систем умовних позначень);
– картографічна генералізація (відбір головного, істотного та його цілеспрямоване узагальнення відповідно до призначення, тематики і масштабу карти).
Карти існують тисячі років, і всі ми так або інакше звикли до них та користуємося ними. Традиційний підхід до карт припускає, що карта – це кінцевий продукт, у якому здійснено просторовий розподіл об’єктів реального світу через використання символів, класифікацію тощо.
Карти зображення навколишнього світу показують положення об’єктів у просторі, їх форму, якісні та кількісні характеристики. Ці взаємопов’язані геометричні об’єкти й атрибути є необхідними складо- вими картографічного зображення. Карта є моделлю просторових явищ, абстракцією. Вона не є мініатюрною версією реальності, призначеною

191
для відображення всіх деталей предметної галузі, оскільки відобразити всі деталі й об’єкти реальності на карті принципово неможливо. Існують межі того, що можна зображувати на картах.
Карта – одне з найважливіших джерел масових даних для форму- вання позиційної й змістовної частин баз даних ГІС.
Картографічні моделі в ГІС можуть застосовуватись як:
• джерела просторових даних;
• спосіб збереження та інтеграції даних про просторові об’єкти;
• засіб організації запитів до БД;
• засіб просторового аналізу;
• спосіб представлення результатів роботи з ГІС.
При введенні існуючих карт до бази (банку) даних ГІС, необхідно знати про вплив різних рівнів генералізації, масштабів, проекцій, символізації та ін. на те, що вводиться і як це вводиться.
Для аналізу даних необхідно знати про можливості похибок у деяких пластах (темах, шарах), створених із дрібномасштабних карт.
Більшість технологій ГІС ґрунтуються на методичному апараті, по- передньо розробленому в картографії. Зокрема до них належать транс- формації картографічних проекцій та інші операції на еліпсоїді, які базуються на математичній картографії, обчислювальній математиці
(розрахунок площ, периметрів тощо).
Відносно новою сферою моделювання є поєднання аерокосмічного та картографічного моделювання (рис. 5.4).
Рис. 5.4. Приклад поєднання аерокосмічного
та картографічного моделювання

192
Використання супутникових даних разом з картами значно розши- рює уявлення про територію дослідження. Аерокосмічні знімки як моделі місцевості відображують форму об’єктів, відповідність розмірів, оптичні властивості об’єктів і зовнішній вигляд, тобто морфографію. Ця первинна
інформація отримується шляхом дешифрування знімків.
Аерокосмічні знімки надають актуальну інформацію про природні й
інфраструктурні об’єкти, що є цінною інформацією для прокладання маршрутів, враховуючи те, що карти з території України давно не оновлювались і часто мають істотні викривлення [87].
Побудова та кількісний аналіз карт, створених за аерокосмічними моделями, є основою нового напряму в картометрії – динамічної картометрії.
5.2.1. Класифікація картографічних джерел
Картографічні джерела можуть бути різноманітними (рис. 5.5).
Рис. 5.5. Фрагменти карт різного призначення

193
Всі карти, що зображують поверхню Землі, а також моря і океани, називаються географічними картами, які показують розміщення, стан і зв’язки різних природних і суспільних явищ.
Географічна карта – зменшене, узагальнене, математично ви-
значене, образно-знакове зображення земної поверхні на площині, яке
показує розміщення, стан і зв’язки різних природних і суспільних
явищ, які відбираються і характеризуються у відповідності з призна-
ченням кожної конкретної карти [69].
Географічні карти класифікуються:

за територіальним охопленням: світові карти, карти материків, карти держав тощо;

за змістом: загальногеографічні та тематичні карти;

за масштабом: велико-, середньо- і дрібномасштабні карти;

за призначенням: довідкові, учбові, туристичні, шкільні тощо.
Загальногеографічні карти (топографічні, оглядово-топографічні, оглядові) включають різноманітні відомості про рельєф, гідрографію,
ґрунтово-рослинний покрив, транспортні мережі, населені пункти, кордо- ни тощо.
На карті зображуються об’єкти і явища природи та суспільства.
Окремі з них можна спостерігати на місцевості і провести топографічне знімання їх контурів (наприклад, гідрографію, рельєф, ґрунтово-рослин- ний покрив, різні споруди тощо). Інші об’єкти, такі як кліматичні явища, магнітні схилення тощо, утворюються в результаті спостережень за допомогою спеціальних приладів. Певні явища пов’язані з дослідженням життєдіяльності людей та історичних подій. На карті можуть позначатися не тільки об’єкти і явища місцевості, а й різні явища, що відбуваються над земною поверхнею (вітри, температури повітря тощо) або в її сере- дині (епіцентри землетрусів). Карти можуть показувати зміну явищ у часі
(розливи річок і озер), переміщення явищ (маршрути подорожей, паса- жиро- і вантажопотоки, морські течії), реальні та прогнозні явища, давати оцінку явищам (оціночні карти) тощо.
Одними з найважливіших властивостей географічних карт є їх огля-
довість і наочність. Оглядовість дозволяє користувачу охопити одним поглядом усю відображену на ній земну поверхню або її частину. Цей процес полегшується тим, що на карті об’єкти та явища реальності відо- бражені з відбором й узагальненням їх якісних характеристик, тобто в результаті читання карти у користувача виникає узагальнений, проте адекватний дійсності "образ місцевості". Цими властивостями одночасно не володіє жодне інше картографічне зображення (аеро- і космічні знімки, малюнки, математичні моделі тощо). Якщо знімки дають копію місцевості,
її "портрет", то на картах за допомогою умовних знаків можна передати

194
кількісні та якісні характеристики об’єктів, показати об’єкти, які не сприй- маються органами почуттів (магнітні схилення), недоступні погляду людини об’єкти (будову земної кори на великих глибинах), представити наукові поняття, узагальнення, абстракції.
На карті може бути показане розміщення явища, його стан, зв’язок різних явищ природи і суспільства.
Особливістю географічної карти є те, що всі її елементи зображують- ся в плані. Іншою особливістю географічної карти, як уже зазначалося, є застосування спеціальних умовних знаків для відображення вмісту карти.
Деякі умовні знаки за своїм малюнком нагадують зображуваний об’єкт.
Застосування різних умовних знаків дозволяє складати карти, які відобра- жають декілька явищ (наприклад, рельєф, ґрунтово-рослинний покрив,
ґрунти тощо).
При зображенні багатьох об’єктів дають їх контури, а всередині контурів поміщають прийняті позначення. Так, поверхня морів, озер і рі- чок фарбують блакитним кольором, ґрунтово-рослинний покрив відобра- жають кольором, штрихуванням або різними значками.
Якщо певний об’єкт не відображується в масштабі карти, то застосо- вують умовні значки довільного розміру, проте завжди необхідно прагну- ти до їх правильної локалізації. Наприклад, знак автостради, накресленої на карті, якщо її ширину виміряти з урахуванням масштабу, значно перевищує ширину цієї дороги на місцевості, проте розташовуватись він повинен так, щоб його вісь збігалася з дійсним положенням осі дороги.
Для інших об’єктів (вказівник доріг, дерево, що стоїть окремо, труба) умовні знаки наносяться так, що їх основа збігається з дійсним поло- женням об’єкта.
Підписи на карті також можуть відігравати роль особливих умовних знаків, указуючи не тільки назву того або іншого об’єкта, а й найчастіше даючи якісну, а часом і кількісну його характеристику. Наприклад, засто- совуючи різні шрифти, відображають тип поселень: міста – прямий заголовний шрифт, міські селища – скошений заголовний, сільські посе- лення – прямий рядковий; судноплавну частину річки підписують прописними буквами, а несудохідну – рядковими.
Умовні знаки повинні добре читатися, бути легкими для виконання, густими (компактними), бути зручними для друкування, не переван- тажувати карту тощо.
Топографічна карта є сукупністю двох різних видів подання інфор- мації. З одного боку, це креслення, на якому представлені геометричні об’єкти різного виду локалізації. Ці об’єкти описуються за допомогою про- сторових координат. З іншого – карта є поданням просторового розподілу різних параметрів або описових даних, що характеризують територію або її окремі частини, які описуються без залучення просторових координат.

195
Перший тип інформації називають метричною (позиційною, коор- динатною, просторовою) інформацією, а другий – семантичною (описо- вою, атрибутивною, змістовною). Третім типом інформації є топологічні відносини між об’єктами, що представлені на карті.
Джерелом метричної інформації є здатність людини відрізняти певні частини простору та здійснювати виміри відстаней, площ, об’ємів.
Метрична інформація, таким чином, відбиває властивість предмета розта- шовуватися в певній частині простору і займати певну його частку.
Джерелом семантичної інформації є спроможність людини розпіз- навати (виділяти) певні частини простору і предмети, що знаходяться в ньому, та пов’язувати з цими частинами різноманітні визначення або ха- рактеристики. Таку інформацію в ГІС найзручніше зберігати в базі даних.
Топологічна інформація відображає топологічні властивості просто- ру, тобто такі його властивості, які не змінюються за будь-яких лінійних деформацій простору, що відбуваються без розривів і склеювань. До топологічної інформації відносяться: точки перетинань об’єктів, інфор- мація про приєднання об’єктів один до одного (або про спільні границі).
Найпростішими топологічними властивостями є характеристики щодо розташування об’єктів відносно один одного, наприклад, ліворуч, право- руч. Яким би чином ми уявно не "розтягували" або "стискували" простір, характеристика об’єктів щодо один одного не зміниться.
Таким чином, використання географічних карт як джерел вихідних даних для формування тематичних структур баз даних ГІС є зручним і ефективним, тому що:
– по-перше, відомості, зчитані з карт, мають чітку просторову при- в’язку;
– по-друге, в них відсутні пропуски, "білі плями" в межах зображеної території;
– по-третє, вони в будь-якій своїй формі придатні для запису на машинні носії інформації.
Топографічні (масштаб 1:200 000 і більше), оглядово-топографічні
(менше 1:200 000 до 1:1 000 000 включно) й оглядові (менше 1:1 000 000) карти містять різноманітні відомості про рельєф, гідрографію, ґрунтово- рослинний покрив, населені пункти, об’єкти господарської діяльності, транспортну мережу, лінії комунікацій, кордони тощо. У ГІС ці карти використовуються з метою отримання інформації про:
• певні об’єкти місцевості;
• просторову прив’язку об’єктів місцевості.
За допомогою топокарт можна визначити й безпосередньо цифру- вати такі просторові об’єкти:
– систему координат (географічну чи топографічну);

196
– місце розташування й висоти пунктів опорної геодезичної мережі;
– оцінки висот рельєфу, контури й глибину ерозійних форм;
– назви населених пунктів, кількість будинків, тип і контури великих будівель, кар’єрів тощо;
– розташування та характеристики інженерних об’єктів, зокрема, тип покриття, ширину проїжджої частини й узбіччя для автодоріг, конструкцію, довжину й вантажопідйомність мостів, висоту (глибину) насипів і виїмок;
– місце розташування гідрографічних об’єктів, оцінки зрізів води, глибин, ширини русла, швидкості й напрямку течії;
– контури лісових маси- вів або ділянок природної рос- линності, тип деревних порід, висоту й густоту рослинності, ширину лісосмуг;
– місцерозташування й тип елементів лінійної техніч- ної інфраструктури (ЛЕП, тру- бопроводи).
Джерелом інформації про контури водних просторів, гли- бину й характер дна можуть слугувати навігаційні карти
(рис. 5.6).
Загальногеографічні й тематичні карти можуть слугувати джерелом даних для ГІС. Але треба враховувати, що більшість таких карт виконані в масштабі дрібніше 1:1000000 в різних картографічних проекціях і мають значні лінійні або кутові спотворення. Цифрування таких мате- ріалів вимагає урахування параметрів картографічних проекцій, дані про які є в більшості наявних картографічних редакторів.
У процесі обробки таких карт можуть знадобитися процедури загальної або локальної трансформації зображень для прив’язки системи координат джерела даних під систему координат загальної бази даних геоінформаційного проекту.
В геоінформатиці зустрічається велике розмаїття карт із геології, топографії або ґрунтознавства. У додаток до геологічних, топографічних, кадастрових і ґрунтових карт тематичне наповнення покрить ГІС вклю- чає карти рослинності, розподілу тварин, транспорту, комунальних служб, плани міст, зональні карти, карти землекористування, ландшафтів
і знімки дистанційного зондування. Ці карти можуть мати як цілком звичний вид, так і такі нетрадиційні форми як блок-діаграми, карти щільності точок, об’ємні карти тощо. Для забезпечення можливості
Рис. 5.6. Приклад навігаційної карти

197
подальшого використання даних з паперових карт у ГІС необхідно виконати цифрування.
До цієї ж групи джерел можна віднести фотокарти та космофото- карти – поліграфічні відбитки з фотопланів, складених за результатами аеро- або космічного знімання з нанесеними на них горизонталями та
іншим картографічним навантаженням, прийнятим для загальногеогра- фічних карт.
Застосування фотокарт як джерел даних відкриває нові можливості безпосереднього використання з цією метою цифрових моделей місце- вості, які створюються в процесі фотограмметричної обробки дистан- ційних зображень.