Зацерковний В.І. та ін. ГІС та бази даних. І бази даних
 Скачать 31.1 Mb.
|
|
15.3.1. Пошаровий принцип організації даних Пошарова організація збереження просторових даних є найбільш поширеною технологією в ГІС. Сутність цієї організації полягає в тому, що однорідна просторова й атрибутивна інформація про певну територію подається у вигляді тематичних шарів (over lay – покриттів, тем, пластів). Поділ інформації на шари є інтуїтивно зрозумілим і легко співвідносить- ся із загальноприйнятими принципами використання прозорих кальок- накладок при роботі з паперовими картами. Шар (layer, theme, coverage, overlay) – сукупність однотипних (однієї мірності) просторових об’єктів, що відносяться до однієї теми (класу об’єктів) у межах певної території і в системі координат, яка є загальною для цього набору шарів. Покриття (сoverage) – цифрова модель одиниці збереження бази векторних даних ГІС, яка зберігає у вигляді записів усі об’єкти пер- винного (точки, дуги, полігони) і вторинного (координати опорних точок, анотації тощо) рівнів певного просторового об’єкта, а також структуру відношень між ними, зокрема топологічну. 446 Покриття визначається в контексті його змістової визначеності (рослинність, рельєф, адміністративний поділ тощо) або його статусу в середовищі редактора (активний шар, пасивний шар). Покриття може бути порожнім. Порожнє покриття – покриття, в якому відсутні будь-які просторові об’єкти. Шари (покриття) поєднуються в цифрові карти. Карти можуть не підтримувати у своїй структурі покриття, однак у цьому разі беруть частину або всі функції покриттів на себе. Шар однорідний не тільки за тематикою, але й за типам об’єктів. Кожний тематичний шар містить об’єкти певного виду, що поєднуються загальними характеристиками. Шар даних (тема) відповідає логічній сукупності просторових об’єктів із загальними характеристиками. Кож- ний шар / тема визначається наступними умовами: об’єкти одного класу, однаковий набір полів. Геометричний тип об’єкта визначає 6 класів шарів або тем (рис. 15.4). Рис. 15.4. Визначення тематичних шарів Концепція пошарового подання графічної інформації запозичена із систем автоматизованого проектування (CAD-систем), однак у ГІС вона набула якісно нового розвитку. Принципова відмінність полягає в тому, що шари в ГІС можуть бути як векторними, так і растровими, причому векторні шари обов’язково повинні мати одну з трьох характеристик векторних даних, тобто векторний шар повинен бути визначений як точковий, лінійний або полігональний додатково до його тематичної спрямованості. 447 В табл. 15.1 наведено приклади деяких шарів даних із типової ГІС муніципального управління [86]. Таблиця 15.1 Приклади шарів даних Назва шару Об’єкти реального світу Геометричний тип об’єкта Атрибути користувача Осі вулиць Міські вулиці Лінійний Назва, клас вулиці Дорога Проїжджі частини вулиць Полігональний №, площа, ширина Квартали Квартали міста Полігональний Щільність забудови Будівлі житлові Будівлі Полігональний Кількість поверхів, кількість квартир, кількість мешканців Будівлі промислові Будівлі Полігональний Висота, об’єм Земельні ділянки Зонування Полігональний Код ділянки, площа, тип землекористування Залізниця Основні залізничні лінії Лінійний Назва залізниці Лінії газо- забезпечення Система газозабезпечення Лінійний Діаметр, тиск, довжина Лінії водо- забезпечення Система водо- забезпечення Лінійний Діаметр, матеріал, довжина Колодязі водо- забезпечення Система водо- забезпечення Точковий Позначка верху, глибина, запірний пристрій Скарги на каналізацію Місця розташування аварійних ділянок каналізації Точковий Адреса, дата, код аварії Інша важлива відмінність пошарового подання векторних даних полягає в тому, що вони є об’єктними, тобто містять інформацію про об’єкти, а не про окремі елементи об’єкта, як у САПР. В ГІС виділяють вертикальну і горизонтальну пошарову органі- зацію даних. 448 Вертикальна пошарова організація даних. Розуміння шарів про- сторових даних як вертикальної форми організації даних представлено в [22, с. 57]. Інструментом просторового взаємозв’язку шарів по вертикалі є єдина для усіх шарів система координат для визначення просторових об’єктів. Сукупність шарів утворює інтегровану основу графічної частини ГІС (рис. 15.5). Рис. 15.5. Пошарова організація даних у ГІС Належність об’єкта або частини об’єкта до шару дозволяє використовувати і додавати групові властивості об’єктам даного шару. А як відомо з теорії обробки даних, саме їх групова обробка є основою підвищення продуктивності автоматизованих систем. Пошарова організація електронної карти за наявності гнучкого механізму управління тематичними шарами дозволяє об’єднати та відо- бразити не тільки велику кількість інформації, на відміну від звичайної карти, але й істотно спростити аналіз картографічних даних за допомо- гою селекції, необхідної для візуалізації та механізму "прозорості" циф- рової карти. Поділ інформації на тематичні шари дозволяє розв’язувати завдання типізації і розбивки даних на типи, підвищувати ефективність інтерактивної обробки і групової автоматизованої обробки, спрощувати процес збереження інформації в базах даних, включати автоматизовані методи просторового аналізу на стадії збору даних і при моделюванні, спрощувати розв’язання експертних задач. Введення топологічних властивостей у графічні дані ГІС дозволяє розв’язувати задачі, які методами програмного забезпечення САПР взагалі не реалізуються. Наприклад, це можливість накладення шарів для отриман- ня нового шару, який є не просто результатом накладання, а містить нові об’єкти, отримані на основі методів просторового аналізу з використанням логічних операцій. Крім того, пошаровий спосіб подання інформації дозво- ляє дрібні території, які зазвичай відповідають аркушам карти, комбінувати у більші одиниці (досліджувані ділянки). 449 В деяких ГІС у шарі можуть міститися об’єкти одного типу, а не однієї теми, наприклад, шари точкових, лінійних чи полігональних об’єктів. Інколи в шарі можуть бути об’єкти різні і за типом, і за темою. Однак найпоширенішим випадком все ж залишається логічний поділ на шари, коли кожен шар визначається як за тематикою, так і за типом, що допомагає організувати споріднені об’єкти шляхом мінімізації числа зв’язків. Працюючи в ГІС, користувач може підключати і відключати те- матичні шари, змінювати порядок їх відображення, згідно зі своїми потре- бами. Кожний шар (пласт) карти містить інформацію, яка відноситься до однієї або декількох тем. Наприклад, для задач планування розвитку міської території такий набір може включати дані про вулиці, міські інженерні мережі, об’єкти транспортної інфраструктури, різні типи зонування міської території, землеволодіння, нерухомості тощо. На рівні шарів здійснюються пошук, завантаження і вивантаження даних у середовище ГІС. До об’єктів шару застосовуються функції пошуку, форматування, зміни графічних змінних. Кожний тематичний шар характеризується такими властивостями: – видимістю (visible) – підключається чи відключається відобра- ження певного шару на екрані (при цьому шар залишається в оперативній пам’яті та бере участь в усіх інших дозволених операціях). Крім цього, є функції відображення шару залежно від масштабу екранного подання, задаються найменший і найбільший масштаби, за яких шар є видимим на екрані; включається чи виключається відображення службової інформації для окремих об’єктів шару – опорних точок, центроїдів полігонів, напрямків ліній тощо; – редагованістю (editable) – у шар, що редагується, дозволено вно- сити зміни за допомогою всіх доступних інструментів створення і редагу- вання форми об’єктів, а також змінювати графічні змінні об’єкти. За- звичай, можна редагувати тільки один шар; – участю в запитах (selectable) – з шару можна отримувати атрибутивну інформацію за допомогою різних засобів побудови запитів, в іншому разі всі запити ігноруються; – можливістю автоматичного друку пояснювальних написів (auto label, labeled) – у відповідному шарі включається режим автоматичного друку пояснювальних написів для картографічних об’єктів, наприклад, назв країн, міст, вулиць. За замовчуванням для напису береться вміст першого текстового поля з атрибутивної бази даних, є можливість налаштування на будь-яке інше поле бази даних або використання як напису результату обчислень (злиття фрагментів тексту) у декількох полях. Так само може задаватися формат відображення напису – шрифт, розмір і колір шрифту, прив’язування до центра точки, лінії чи полігона (у центрі або збоку, зі зсувом вниз чи вгору). Задається метод контролю накладання і дублювання 450 написів (наприклад, написи не можуть накладатися один на одного за певного масштабу, не може бути двох однакових написів тощо). Для відображення службової інформації поверх усіх відкритих ша- рів даних може створюватись "косметичний" шар. Вміст "косметичного" шару існує до того часу, поки залишається відкритим базовий шар, від- носно якого виводиться службова інформація. За потреби "косметичний" шар може бути збережений у вигляді окремого файлу даних. Спеціальні шари утворюються при створенні тематичних карт, вони прив’язані до шару, на основі якого була створена тематична карта. Переміщення за списком накладення шарів базового шару зумовлює переміщення і похідного тематичного шару. Інформаційні компоненти тематичного шару можуть бути зовніш- німи (векторні та растрові шари, таблиці, бібліотеки символів) або внутрішніми (спеціальні типи шарів, запити, карти, макети друку тощо). Сучасні технології введення просторових даних у ГІС, їх інтерпре- тації та збереження передбачають поелементний поділ змісту існуючих карт (дані про рельєф, гідрографічну мережу, населені пункти, дорожню мережу, адміністративні межі тощо). Для забезпечення зручності збережен- ня й обробки великих наборів даних кожний із тематичних шарів додатково може бути поділений на фрагменти. Зазвичай поділ на фрагменти успад- ковує прийняту схему розграфлення карт (за окремими аркушами топокарт, градусною сіткою тощо). Логічна нерозривність отриманого фрагментова- ного шару забезпечується засобами, що підтримують безшовні бази даних. Після операції "фрагментування" (tiling) при наступному відображенні на екрані комп’ютера ГІС надають можливість виконувати зворотні операції – "зшивання". З урахуванням того, що банк картографічних даних у ГІС може включати сотні шарів однорідної просторової інформації, це відкриває широкі можливості для побудови первинних оригіналів поелементних карт на основі шарів однорідних картографічних даних. У разі збігу систем координат можливе багаторазове накладення картографічних шарів як у векторному, так і растровому форматі. Оскільки растрові карти непрозорі, то вони використовуються як ос- нова на задньому плані комбінованого векторно-растрового зображення. Кількість одночасно виведених на екран картографічних шарів обмежується тільки ресурсами комп’ютера. Для забезпечення контролю й управління візуалізацією картографічних шарів у ГІС існують спеціальні інструменти (функції відкриття і закриття одного шару, відкриття і закриття групи шарів, закриття усіх раніше відкритих шарів тощо). За одночасного відкриття й перегляду декількох шарів необхідно впорядковувати їх взаємне розташування і перекриття. В екранних вікнах, що керують відображенням шарів, можна побачити 451 розміщення окремого шару порівняно з іншими шарами, а також покроково перемістити обраний шар нагору або вниз усієї сукупності шарів. Карта в ГІС – сукупність різних шарів, визначених на спільній території і в загальній системі координат. При створенні нового проекту необхідно створити нові або підключи- ти раніше створені тематичні шари. Векторні шари (що містять точкові, лінійні або площинні об’єкти) можуть створюватись безпосередньо в середовищі ГІС або в інших програмних середовищах (наприклад, це може бути креслення в обмінному або двійковому форматі AutoCAD). У шари можуть бути завантажені растрові зображення різних фор- матів (які використовуються в цифровій картографії). З кожним вектор- ним шаром може пов’язуватись таблиця характеристик, що зберігається з векторним шаром, і набір таблиць з атрибутивними (тематичними) даними, які зберігаються у зовнішній СКБД (рис. 15.6). Рис. 15.6. Зв’язок таблиці шару з внутрішньою таблицею СКБД по полю PIN Для кожного шару можна визначити такі об’єкти бази даних: – запити до атрибутивних таблиць; – теми (варіанти тематичного картографування шару); – форми подання довідкової інформації про об’єкти; – діаграми (подання результатів у вигляді різноманітних графіків); – макроси – зовнішньо виконувані програми або внутрішні функції ГІС (задаються користувачем для карти в цілому, для тематичного шару або для окремих об’єктів). 452 Пошарова організація даних припускає, що тематичні шари в просторі по-перше, не мають розривів, по-друге, що скрізь існує певна інформація – навіть "відсутність об’єкта" або "немає даних про наявність чи відсутність об’єкта". Тематика шару необов’язково повинна відповідати тематичному поділу. Наприклад, хоч шосе і річка є лінійними об’єктами карти, немає ніякого сенсу зберігати їх в одному й тому ж тематичному шарі. Атрибути річки можуть містити назву, класифікацію витрат води, тоді як атрибути дороги – найменування і тип покриття. Отже, атрибути доріг і річок різні. Оскільки атрибути різні, вони мають зберігатись у різних шарах, створених для однієї і тієї ж ділянки. Тематичні шари для однієї ділянки є "вертикальними" шарами (рис. 15.7). Рис. 15.7. Вертикальне подання тематичної інформації Кількість, тематику та зміст шарів, як правило, визначають на етапі формування проекту. Визначаючи об’єктний зміст шарів, ураховують склад завдань, які буде розв’язувати ГІС, тому що сконцентрована інформація для одного випадку не буде обов’язково корисною для іншого. Наприклад, використовуючи технологію, орієнтовану на якісний та кількісний облік земель, доцільно всю контурну топографічну інформацію зібрати в одному шарі (темі), а розв’язуючи завдання, пов’язані з плануванням доріг або управлінням руху автотранспорту, інформацію про мережу доріг і населені пункти слід розміщувати в окремих шарах. 453 Також повинен бути визначений пріоритет введення або цифруван- ня просторових даних шарів. Це є обов’язковим, оскільки часто один шар даних містить просторові об’єкти, які співпадають з іншими. Наприклад, озера можуть бути використані для визначення полігонів у шарі даних лісового кадастру. Шари, зазвичай, визначаються розробником, виходячи з потреб користувачів й доступності даних. Визначення шарів може відрізнятися залежно від потреб ГІС. Наприклад, кількість шарів у діючій регіональній ГІС може вимірятися декількома сотнями. Доцільно створювати таку кількість шарів, яку можна виділити з елементарних тематичних груп інформації. Однак такий підхід не завжди виправданий, оскільки для того щоб в подальшому була можливість отри- мання інтегрованої інформації щодо перетину декількох шарів, виникає потреба в топологічних оверлеях, і їх буде тим більше, чим більше шарів було заведено. З іншого боку, внесення всієї інформації в один шар також є не найкращим рішенням, тому що, по-перше, зміна інформації в одній тема- тичній групі може викликати потребу корегування усього шару, по-друге, під час розв’язання окремих завдань не тільки немає потреби викорис- товувати всю наявну інформацію, але й навпаки, її надмірна кількість може суттєво ускладнити роботу і спричинить потребу вичленовування із шару певної надлишкової частини інформації та перенесення її в інший шар. Сукупність шарів (мультишарів) утворює інтегровану основу графічної частини ГІС. Для створення баз даних суміжні покриття мають бути помічені однаковими реєстраційними точками, так званими репе- рами (benchmark), уздовж спільної межі. Ці спільні реєстраційні точки повинні мати однакові значення ідентифікаторів. Репери – це реєстраційні точки, які визначають положення точок на земній поверхні, для яких відомі їх реальні координати. Найкраще розробити і використовувати номенклатурну систему, яку варто застосовувати для всієї графічної бази. Шари, які являють собою логічні набори об’єктів для одних і тих же ділянок, мають реєструватися один за одним по вертикалі. Два шари будуть зареєстровані, якщо можна позитивно відповісти на такі питання: – чи вимірюються шари в однакових одиницях? – чи знаходяться шари в одній координатній системі? – чи мають спільні реєстраційні точки однакові ідентифікатори? – чи викреслюються шари один над одним? Шарова організація карти дозволяє: • спростити аналіз картографічної інформації; • виконувати тематичні або просторові вибірки; • виконувати аналіз тощо. У результаті аналізу тематичних шарів, що відображає "сирі" дані про об’єкти, будуються нові шари, згідно із завданням дослідження. Оскільки 454 шар містить графічні образи, таблиці, числа, рядки, то така неоднорідність істотно ускладнює застосування звичайних СКБД, розрахованих на жорст- ку логічну структуру інформації, що зберігається у вигляді записів. Зрозуміло, що цю умову для ГІС виконати неможливо. Обхідний шлях передбачає поділ даних на однорідні групи з подальшим розміщенням у різних файлах, що негативно впливає на ефек- тивність роботи. Крім того, ускладнюється введення нових типів даних і модернізації існуючих. Поділ інформації на тематичні шари дає змогу: – розв’язувати завдання типізації і розподілу даних на типи; – підвищувати ефективність інтерактивного і групового автомати- зованого опрацювань; – спрощувати процес збереження інформації в базах даних; – включати автоматизовані методи просторового аналізу на стадії збору даних і під час моделювання; – спрощувати розв’язання експертних завдань тощо. Підсумовуючи наведене, можна зробити висновок, що пошарове подання картографічної інформації надає широкі можливості аналізу картографічних даних. Зазвичай у ГІС за один раз уводиться один шар даних. Шар даних буде повністю завантажений, коли будуть виконані графічні перетворення, редагування, топологічні побудови, трансформації атрибутів, зв’язування, а також перевірки перед тим, як буде запущений наступний шар даних. Тому існує декілька етапів повного завантаження шару даних. Більшість геоінформаціних проектів інтегрують шари даних для створення похідних тем або шарів, які становлять результат якогось об- числення або географічної моделі, наприклад, вартості лісів, придатності використання земель тощо. Похідні шари цілковито залежать від цілі проекту. Кожний шар да- них, інтегрований в індивідуальному порядку, топологічно буде вихідним для створення комбінованих даних шарів. Окремі функції аналізу даних можуть бути здійснені, ґрунтуючись на моделі даних, наприклад, растро- вій або векторно-топологічній структурі. Важливо відзначити, що у векторній ГІС топологічна структура визначається тільки за допомогою унікальних міток для кожного просторового об’єкта. Залежно від конкретної реалізації ГІС кількість шарів при пошаровій організації даних може обмежуватись, а може й не обмежуватись. При пошаровій організації даних дуже зручно маніпулювати велики- ми групами об’єктів, представлених шарами, як єдиним цілим, наприклад, включаючи або виключаючи шари для візуалізації, визначати операції, що ґрунтуються на взаємодії шарів. В цілому ж можна стверджувати, що по- шарова організація даних має великі аналітичні можливості. 455 Об’єкти, віднесені до одного шару, утворюють певну фізично окре- му одиницю даних. Вони збираються в один файл або в одну директорію, вони мають єдину і відмінну від інших шарів систему ідентифікаторів, до них можна звертатися як до якоїсь множини. З однієї теми може бути передбачено декілька шарів різного масштабу і відповідно різної точності або різних часових інтервалів. Ця ідея також використовується для логічного упорядкування даних у більшості геоінформаційних програм. |