Зацерковний В.І. та ін. ГІС та бази даних. І бази даних
 Скачать 31.1 Mb.
|
|
Рис. 8.9. Векторне подання геооб’єктів графічними примітивами 273 Для визначення положення об’єктів на карті з місцями земної по- верхні використовується декартова система координат (x, y). Кожна точка визначається однією парою координат (x, y). Лінії або дуги описуються впорядкованою системою координат (x, y), фігури – послідовністю коор- динат (x, y) відрізків ліній, які визначають відрізки ліній, що обмежують фігуру. Користуючись координатною системою, можна подати точки, лінії і полігони у вигляді списку координат, а не малюнка або креслення. На рис. 8.10 пари координат (2,2) описують положення точки, пари коорди- нат (1,7; 3,5; 5,5; 5,3; 9,3) – лінію (дугу), а пари координат (3,10; 6,9; 7, 10; 10,7; 9,5; 4,6; 3,8; 3,10). Збіг першої і останньої пари координат означає, що полігон замкнений. Перша й остання пари координат полігона однакові, оскільки полігон завжди замкнений. Ці списки координат показують, яким чином об’єкти карти зберігаються комп’ютером у вигляді наборів пар чисел х, у. Рис. 8.10. Подання об’єктів у векторній формі Власне, звідси і походить термін "цифрування" (digitalization), який означає введення даних паперової карти в комп’ютер, тобто перетво- рення аналогових даних (analog data) на цифрові (digital data). Концептуальним тут є те, що геооб’єкти у комп’ютері зберігаються як файли координатних пар (наборів). Табличні списки координатних пар є формою подання плоских цифрових файлів. Реальні ГІС мають справу не з абстрактними лініями та точками, а з об’єктами, які включають лінії й ареали, що займають певне просторове положення і мають доволі складні взаємозв’язки. Тому повнофункціо- нальна векторна модель даних ГІС повинна відображати просторові об’єкти як сукупність [22]: Полігон Лінія Точка 274 – геометричних (метричних) об’єктів, поданих у вигляді точок, ліній і полігонів; – атрибутів; – зв’язків між об’єктами. Кожному об’єкту векторного зображення може відповідати запис у базі даних, чим досягається прив’язка інформації до місцевості. За наяв- ності двох або більше географічних об’єктів кожному з них присвою- ється ідентифікаційний (порядковий) номер (рис. 8.11). Ідентифікатор – унікальна характеристика просторового об’єк- та, що присвоюється конкретному об’єкту користувачем або інфор- маційною системою і яка використовується для фіксації координатних та адресних даних просторових об’єктів. Використання ідентифікатора відкриває широкі можливості для перегляду й аналізу просторової інформації, з’являється можливість при- в’язки до об’єкта певної тематичної (атрибутивної) інформації, яка може міститись в одній чи декількох внутрішніх або зовнішніх базах даних. Об’єкти у векторній моделі подаються у вигляді невпорядкованої послідовності записів, кожний з яких включає (рис. 8.12): – ідентифікатор об’єкта; – значення координати х; – значення координати y. Рис. 8.11. Векторні моделі подання множини географічних об’єктів Рис. 8.12. Подання об’єктів у векторній формі з використанням ідентифікатора На базі перерахованих вище графічних примітивів (точка, лінія, по- лігон) будується будь-яка векторна модель просторових даних. Цієї сукуп- ності елементарних графічних об’єктів цілком достатньо для опису форми як лінійних, так і просторових картографічних об’єктів, які кодуються у вигляді сукупності координат точок, що апроксимують форму лінійного 275 об’єкта, наприклад, адміністративного кордону, русла річки або контуру (кордону) територіального об’єкта, території землекористування населе- ного пункту, басейну річки тощо. Точкові геооб’єкти, зображені на рис. 8.11, подаються таблицею координатних пар, що представлені в табл. 8.1. Таблиця 8.1 Таблиця точкових географічних об’єктів Номер географічного об’єкта Координатні пари 1 X 1 ,Y 1 2 X 2 ,Y 2 3 X 3 ,Y 3 Лінійні геооб’єкти, зображені на рис. 8.11, подаються таблицею послідовностей координатних пар, що представлені в табл. 8.2. Таблиця 8.2 Таблиця лінійних географічних об’єктів Номер географічного об’єкта Координатні пари 1 X 11 ,Y 11 , X 12 ,Y 12 , X 13 2 X 21 ,Y 21 , X 22 ,Y 22 , X 23 ,Y 23 , X 24 ,Y 24 , X 25 ,Y 25 Полігональні геооб’єкти, зображені на рис. 8.11, подаються табли- цею послідовностей координатних пар, що представлені в табл. 8.3. Таблиця 8.3 Таблиця полігональних географічних об’єктів Номер географічного об’єкта Координатні пари 1 X 11 ,Y 11 , X 12 ,Y 12 , X 13 ,Y 13 , X 11 ,Y 11 2 X 21 ,Y 21 , X 22 ,Y 22 , X 23 ,Y 23 , X 24 ,Y 24 , X 25 ,Y 25 , X 21 ,Y 21 Усю сукупність векторних моделей поділяють на два типи: – нетопологічні, які не відображують зв’язків між об’єктами, а описують тільки їх геометрію (шейп-файли ArcView, модель "Спагеті"); – топологічні, які дозволяють одержувати вичерпну інформацію про взаємовідношення між геометричними примітивами без зміни коор- динат просторових об’єктів (векторна топологічна модель, модель DIME, модель "Дуга-вузол", геореляційна модель, TIN-модель, покриття ГІС ARC/INFO) [86]. 276 8.4. Нетопологічні (прості) векторні моделі 8.4.1. Модель "Спагеті" Метод подання лінійних об’єктів у вигляді неупорядкованого набору лінійних об’єктів, які описують тільки їх геометрію, отримав назву модель "Спагеті" (spaghetti model), оскільки не має апарату опису топологічних відношень між лінійними об’єктами та їх елементами. Такі подання, як відомо, називаються нетопологічними векторними моделями. На рис. 8.13 представлена модель "Спагеті", яка, по суті, переводить "один в один" графічне зображення карти. Рис. 8.13. Нетопологічна модель "Спагеті" У цієї моделі відсутній опис відношень між об’єктами, а кожний геометричний об’єкт зберігається окремо і не пов’язаний з іншими, наприклад, межа об’єктів 25 та 26 (рис. 8.13) записується двічі за допомогою однакового набору координат. Усі відношення між об’єктами повинні розраховуватись незалежно, що ускладнює аналіз даних і збільшує обсяг інформації, яка зберігається в базі даних. Опис сутностей спагетної моделі векторних даних, зображених на рис. 8.13, представлено в табл. 8.4. Таблиця 8.4 Опис сутностей спагетної моделі векторних даних Об’єкт Номер Положення Точка 5 Одна пара координат (x,y) Лінія 16 Набір пар координат (x,y) Область (полігон) 25 Набір пар координат (x,y), де перша і остання співпадають 277 Назва "спагетна" на перший погляд звучить дивно, хоча насправді вона досить точно характеризує суть моделі. Якщо уявити собі покриття кожного графічного об’єкта паперової карти у вигляді шматочків "спагеті", то кожний із них є примітивом: дуже короткі – для точок, більш довгі – для відрізків прямих, набори відрізків, з’єднаних кінцями, – для меж областей (полігонів). Тобто за допомогою примітивів ("спагеті") різної довжини можна описати будь-який просторовий об’єкт. У цій моделі області, що межують між собою, мають різну довжину "спагеті" для опису загальних сторін. Не існує областей, для яких будь-який ланцюг "спагеті" був би спільним. Кожна сторона кожної окремої області має свій унікальний набір ліній і пар координат. Хоча зрозуміло, що спільні сторони областей, навіть будучи записаними окремо в комп’ютер, мають однаковий набір координат, що призводить до надлишковості внесеної до комп’ютера інформації внаслідок подвійного проходження по загальних для двох суміжних полігонів межах. Це спричиняє значне збільшення витрат часу на введення даних, а також появу двох меж просторових об’єк- тів, які не збігаються внаслідок неточностей позиціонування дигітайзера. Ця модель подання векторних даних була характерна для початко- вого періоду розвитку ГІТ і не враховувала взаємного розташування просторових об’єктів (топологічність об’єктів), а отже, не дозволяла виконати багато видів аналізу. 8.4.2. Шейп-файли Шейп-файл – це нетопологічна структура даних, яка не зберігає топологічні відношення в явному вигляді. Однак, на відміну від інших спрощених графічних структур даних, полігони у шейп-файлі подаються у вигляді однієї або декількох ланок (rings). Ланка – це замкнута петля, яка не перетинається. За допомо- гою такої структури можна представляти складні (складені) структури (полігони, що містять у собі "острови" (пустоти)). Вершини ланки розта- шовуються (нумеруються) послідовно в напрямку за ходом годинникової стрілки, при цьому область справа за ходом руху вздовж межі ланки буде знаходитись усередині даного полігона, а область, що ліворуч, – за даним полігоном (рис. 8.14). Оскільки полігональні об’єкти у форматі шейп-файлу можуть скла- датися з однієї або декількох частин, то в цьому форматі можуть бути подані об’єкти, що складаються з окремих частин, що не змикаються або які перекриваються. Наприклад, окрема земельна ділянка, що розділяється дорогою, може бути представлена або у вигляді двох окремих полігонів за допомогою двох ланок і двох записів у таблиці атрибутів, або як один полі- 278 гон, що складається з двох частин з одним записом у таблиці атрибутів. Через це частину користувачів може ввести в оману той факт, що вико- ристання деяких команд ArcView GIS може привести до створення просторово розрізнених об’єктів, які складаються з декількох частин. Рис. 8.14. Полігони в шейп-файлі Головною перевагою шейп-файлів є те, що ця проста структура файлів забезпечує більш швидку візуалізацію порівняно з покриттями. Можливо, саме тому структура даних у вигляді шейп-файлів була розроблена для ArcView GIS – програмного забезпечення, первісно призначеного швидше для відображення даних, а не для їх аналізу. Крім того, шейпфайли легко копіювати, при цьому не потрібно їх експортувати, що вимагається для файлів формату .e00. Специфікація шейп-файлів доступна, і більшість програмних продуктів їх підтримують. Через це цими причинами шейп-файли стали провідним стандартом обміну геоданими. Топологічні структури даних, що притаманні сучасним ГІС, забез- печують більш логічний (автоматизований) шлях для проведення цифру- вання, виправлення похибок і артефактів; дозволяють скоротити об’єм даних по полігонах, що зберігаються, оскільки межі між суміжними полігонами не дублюються; а це забезпечує ефективний просторовий аналіз таких відношень, як суміжність, зв’язність і включення. 279 Примітка. Поширеною оманою щодо шейп-файлів є те, що, використовуючи їх, неможливо знаходити суміжні об’єкти, оскільки топологія в них відсутня. Проте суміжні об’єкти можуть бути з легкістю виявлені за перетинанням цільових полігонів з іншими полігонами на тій же карті та ідентифікації точок перетину полігонів, які стосуються меж або накладаються на них. Геометричні перетини суміжних об’єктів миттєво виявляються шляхом порівняння вершин суміжних об’єктів, а не шляхом пошуку суміжних полігонів у таблиці. Наприклад, для того щоб знайти всі ділянки, що прилягають до досліджуваної ділянки, треба обрати цю ділянку, обрати опцію "Вибрати темою" з меню "Тема", вказати "перетинають" зі спадаючого вікна і клац- нути на кнопці "Нова вибірка", щоб вибрати всі ділянки, що прилягають до первісно обраної ділянки. Більш складний аналіз суміжності (сусідства) можна провести, об’єднуючи вибірку темою із запитом специфічних атрибутів, таких як ідентифікація тільки житлових ділянок, що прилягають до промислових зон. Хоча більш складні типи суміжності, які включають напрям (наприклад, пошук суміжних ділянок на схід від заданої дороги), доволі важко виявити без створення топології. Однак подібні варіанти аналізу застосовуються не дуже часто і не завжди є критично важливими для пересічних користувачів. 8.4.3. Точкова полігональна структура Сукупність трьох елементарних графічних об’єктів – точки, лінії та полігона – є цілком достатньою для опису форми як лінійних, так і просто- рових картографічних об’єктів, які в цьому випадку кодуються як су- купність координат точок, що апроксимують форму лінійного об’єкта, наприклад, адміністративного кордону, русла річки тощо, або контуру (межі) територіального об’єкта, наприклад, території землекористування населеного пункту, басейну річки. Векторне подання просторових об’єктів у вигляді точок нази- вають точковою полігональною структурою (point polygon structure) [15]. Первісно таке подання даних з’явилося в системах автоматизації проектування (CAD-системах) і в простих графічних пакетах. Форма або образ просторового об’єкта точковою полігональною моделлю подається точками, розміщених у місцях зміни форми. У базі даних у цьому випадку зберігається пооб’єктна інформація про координати точок введення (рис. 8.15). У структуру атрибутивних таблиць вводиться описова інформація про геооб’єкти, що цифруються, а також інформація про графічне зображення об’єктів на карті. Цей різновид векторних структур просторових даних відповідає початковому періоду розвитку ГІТ, хоча деякі сучасні ГІС і сьогодні використовують цей формат. Прикладом може бути формат MIF/MID – MapInfo Data Interchange Format – відкритий обмінний формат пакета MapInfо, а також шейп-файли (shapefiles) фірми ESRI [50]. 280 Рис. 8.15. Подання геооб’єктів з використанням точкової полігональної структури:а – формалізація вихідної карти; б – таблиця координат опорних точок; в – таблиця атрибутів полігонів Основний недолік цього способу формалізації просторових даних полягає у відсутності в запису даних топологічної інформації (інформації про взаємне розміщення об’єктів), що вимагає при введенні метричних даних за допомогою дигітайзера проводити повний обхід кожного полігона. Це призводить до подвійного проходу по спільних для двох суміжних по- лігонів межах, що обумовлює значне збільшення витрат часу на введення, а також появу двох, що не збігаються через неточності позиціонування дигітайзера, спільних меж суміжних просторових об’єктів, які створюють так звані "паразитні" полігони [50]. Цей спосіб подання часто також називають "спагеті". 8.4.4. Лінійна полігональна структура Основні типи координатних даних у класі векторних моделей можуть визначатись і через базовий елемент "лінія". Векторне подання просторових об’єктів у вигляді ліній нази- вають лінійною полігональною структурою (line polygon structure). Усі просторові об’єкти у лінійній полігональній структурі склада- ються з ліній. Наприклад, куб можна зобразити шістьома зв’язаними пря- мокутниками, кожний з яких утворюється чотирма зв’язаними лініями, або можна представити куб у вигляді дванадцяти зв’язаних ліній, що утворюють ребра цього куба (рис. 8.16). 281 Рис. 8.16. Подання куба лінійною полігональною структурою Площинні об’єкти (полігони, ареали) задаються наборами ліній. Кожна ділянка лінії є межею для двох ареалів або двох перетинань (вузлів). Як і будь-який об’єкт, лінія має властивості: форму (пряма, крива), товщину, колір, накреслення (суцільна, пунктирна). Замкнуті лінії (полігони, ареали) здобувають властивість заповнен- ня. Охоплюваний ними простір може бути заповнений іншими об’єктами (текстурами, картами) або обраним кольором. Вузли мають властивості, параметри яких впливають на форму кінця лінії й характер поєднання з іншими об’єктами. Приклади атрибутів вузлів: – назви пересічних у вузлі вулиць; – кількість трансформаторів на підстанції тощо. Деякі атрибути пов’язані з частинами дуг, наприклад, частина заліз- ничної гілки (що представлена дугою) може проходити усередині тунелю. Враховуючи вищезазначене, стає зрозуміло, чому в ГІС лінію іноді називають межею, сегментом, ланцюгом, ребром або дугою. Множина полігональних об’єктів подається аналогічно множині лінійних об’єктів з тією різницею, що в полігональних об’єктах початкові й кінцеві координати повинні збігатися. 8.5. Необхідність уведення топологічних відношень у ГІС Подання геооб’єктів простими векторними моделями у вигляді спис- ків координатних пар дозволяє утворювати складні об’єкти у вигляді комбінації графічних примітивів – точок, ліній, полігонів. Однак подання суміжних полігонів простими (нетопологічними) векторними моделями стає неефективним тому, що сторони, спільні для двох суміжних полігонів, зберігаються двічі. Топологічне векторне подання даних відрізняється від нетопологічного наявністю можливості отримання вичерпного списку Вершин 8 Ребер 12 Граней 6 Граней при вершині 3 282 взаємовідношень між геометричними примітивами без зміни координат просторових об’єктів, які зберігаються. Однією з основних причин розробки топології було створення стро- гого автоматизованого методу виправлення похибок уведення і перевірки коректності даних. Другою перевагою топологічних структур даних є менший розмір результуючих файлів, оскільки спільні вершини або суміжні полігони не зберігаються двічі. Теоретично ці файли повинні бути вдвічі меншими, ніж нетопологічні файли. Однак, на практиці шейп-файли рідко бувають вдвічі більшим за розміром, ніж ті ж дані, що зберігаються в покриттях, зокрема тому, що для покриттів необхідні додаткові файли для збереження топологічної інформації. Під таблиці атрибутів часто відводиться істотна частка загального розміру файлів, але їх розмір є однаковим незалежно від того, як зберігається геометрія об’єктів. Більш того, хоча розмір був важливим чинником у минулому, зараз у зв’язку з відносною дешевизною засобів збереження інформації цей чинник не є визначальним. У загальному випадку повноцінна ГІС повинна передбачати наявність трьох блоків інформації: – блоку інформації про характеристики (якісні та кількісні) об’єкта; – блок інформації про просторове розташування об’єкта моделю- вання; – блок інформації про зв’язки об’єкта моделювання з іншими об’єк- тами дослідження (топологію об’єкта, які дають змогу поєднати наявну інформацію з елементами карти і створити взаємозв’язки, які дозволяють, наприклад, визначити придатність різних ділянок на території для розро- бок, визначити вплив на навколишнє середовище різних виробництв, ви- значити об’єми збору зернових, знайти найкраще місце для заводу, школи або супермаркету. |