ГИС В ГЕОДЕЗИИ Конспект лекций. Конспект лекций по предмету гис в геодезии
 Скачать 1.37 Mb.
|
|
Наименованием объекта служит его географическое наименование (имя собственное, если оно есть), его условный код и/или идентификатор, присваиваемый пользователем или назначаемый системой. В зависимости от типа объекта его местоположение определяется парой (триплетом) координат (для точечного объекта) или набором координат, организованным определенным образом в рамках некоторой модели данных. Это геометрическая часть описания данных, геометрия (метрика) рассматриваемых пространственных объектов, отличная от их семантики (непозиционных свойств). Перечень свойств соответствует атрибутам объекта, качественным и количественным его характеристикам, которые приписываются ему в цифровом виде пользователем, могут быть получены в ходе обработки данных или генерируются системой автоматически (к последнему типу атрибутов принадлежат, например, значения площадей и периметров полигональных объектов). Существует расширенное толкование понятия атрибута объекта; последнему могут быть поставлены в соответствие любые типы данных: текст, цифровое изображение, видео- или аудиозапись, графика (включая карту), что, по существу, реализуется на практике в мультимедийных электронных атласах. Под атрибутами понимаются именно содержательные, тематические (непозиционные, непространственные) свойства объектов. Под отношениями понимают, прежде всего, топологические свойства (топологию). К топологическим свойствам пространственного объекта принято относить его: размерность (мерность, пространственную размерность), сообразно которой выше были выделены 0, 1, 2 и 3-мерные объекты; Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко замкнутость, если речь идет о линейных объектах в широком смысле слова; связность; простота (отсутствие самопересечения линейных объектов и «островов» в полигоне); нахождение на границе, внутри или вне полигона; признак точечного объекта, указывающий, является ли он конечным для некоторой линии. Примерами топологических отношений объектов являются их свойства «пересекаться» (или «не пересекаться»), «касаться», «быть внутри», «содержать», «совпадать». Топология вместе с геометрией образует тополого-геометрическую часть описания данных, его позиционную часть. Таким образом, в самом общем виде в пространственных данных следует различать и выделять три составные части: топологическую, геометрическую и атрибутивную – «геометрию», «топологию» и «атрибутику» цифровой модели пространственного объекта. Четкое разделение позиционных и непозиционных данных – историческая традиция, имеющая определенные технологические корни. Управление атрибутивной частью данных обычно возлагается на средства систем управления базами данных (СУБД), встроенных в программные средства ГИС или внешних по отношению к ним. В наиболее яркой форме оно реализовано в так называемой векторной модели данных, атрибуты которой представлены таблицей, хранятся и управляются СУБД, поддерживающей реляционную модель данных, а их позиционная часть, связанная с атрибутивной через идентификаторы пространственных объектов, управляется другими средствами. Модели пространственных данных такого типа получили широкое распространение и наименование геореляционных. Будучи еше недавно практически единственно и став классической, геореляиионная модель не выглядит достаточно изящной. Современной альтернативой этой модели является интегрированный подход, когда и атрибутивная, и тополого- геометрпческая части данных хранятся и управляются в единой среде СУБД, а также объектный и объектно-реляционный подходы (и одноименные им типы моделей данных). 2.2. Виды компьютерных моделей пространственных объектов В ГИС географические объекты могут быть представлены следующими распространенными компьютерными моделями: Векторные модели – это модели географических объектов на основе представления векторов совокупностями координатных пар. Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко Растровые модели – это модели географических объектов в виде совокупности ячеек регулярной сетки или растра. Триангуляционные модели – это модели географических объектов в виде сети смежных треугольников. 2.3. Векторные модели географических объектов Существуют два вида векторных моделей: векторная нетопологическая модель; векторная топологическая модель. 2.3.1. Векторная нетопологическая модель Пространственная информация о географических объектах представляется наборами элементарных графических примитивов – точек, линий, областей (полигонов). Семантическая информация, передается условными знаками (символами и цветом) и надписями (например, название улицы, этажность дома…). Векторные модели широко применяются в САПР. Они строятся на векторах, занимающих часть пространства в отличие от занимающих все пространство растровых моделей. Это определяет их основное преимущество - на порядки меньший объем памяти для хранения и меньшие затраты времени на обработку и представление, а главное более высокая точность позиционирования и представления данных. При построении векторных моделей объекты создаются путем соединения точек прямыми линиями, дугами окружностей, полилиниями. Площадные объекты - задаются наборами линий Каждое векторное образование в цифровой форме представляется координатными парами X,Y. Точечный географический объект представляется одной координатной парой X,Y. Линейный географический объект представляется последовательностью координатных пар X1,Y1; X2,Y2; X3,Y3;…сегментов полилинии. Полигональный географический объект представляется последовательностью координатных пар X1,Y1; X2,Y2; X3,Y3;…; X1,Y1. сегментов полигона. В этом списке совпадение первой и последней пары координат означает, что полигон замкнутый. При описании множества полигонов каждый отрезок границы, заключенный между двумя узловыми точками (за исключением внешней Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко границы полигонов), будет описан в этом случае дважды (по и против часовой стрелки). Такая модель данных для описания точечных, линейных и полигональных объектов носит наименование модели «спагетти» (Рис.2.1). Она не является эффективной с точки зрения неизбыточности хранимых данных и возможностей использования аналитических операций ГИС и поддерживается недорогими программными средствами настольного картографирования и ГИС. В данной модели пространственные отношения между объектами (топология), например, такие, как положение смежных областей, - подразумеваются, а не записываются в компьютер в явном виде. И все отношения между всеми объектами должны вычисляться независимо. Результатом отсутствия такого явного описания топологии является огромная дополнительная вычислительная нагрузка, которая затрудняет измерения и анализ. Но так как спагетти-модель очень сильно напоминает бумажную карту, она является эффективным методом картографического отображения и все еще часто используется в компьютеризованной картографии, где анализ не является главной целью. Рисунок 2.1 Спагетти-модель векторных данных Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко 2.3.2. Векторная топологическая модель Векторная топологическая модель обязана своим происхождением задаче описания полигональных объектов. Ее называют еще линейно-узловой моделью. С ней связаны и особые термины, отражающие ее структуру; главные ее элементы (примитивы): промежуточная точка; сегмент (линейный сегмент, отрезок (прямой)); узел; дуга; полигон (область, полигональный объект, многоугольник, контур, контурный объект), в том числе: простой полигон; внутренний полигон («остров», анклав); составной полигон; универсальный полигон (внешняя область). В отличие от спагетти-модели, топологические модели (Рис.2.2), содержат топологическую информацию в явном виде. Для поддержки продвинутых аналитических методов нужно внести в компьютер как можно больше явной топологической информации. Подобно тому, как математический сопроцессор объединяет многие специализированные математические операции, так и топологическая модель данных объединяет решения некоторых из наиболее часто используемых в географическом анализе функций. Это обеспечивается включением в структуру данных информации о смежности для устранения необходимости определения ее при выполнении многих операций. Топологическая информация описывается набором узлов и дуг. Узел (node) - больше, чем просто точка, обычно это пересечение двух или более дуг, и его номер используется для ссылки на любую дугу, которой он принадлежит. Каждая дуга (arc) начинается и заканчивается либо в точке пересечения с другой дугой, либо в узле, не принадлежащем другим дугам. Дуги образуются последовательностями отрезков, соединенных промежуточными (формообразующими) точками. В этом случае каждая линия имеет два набора чисел: пары координат промежуточных точек и номера узлов. Кроме того, каждая дуга имеет свой идентификационный номер, который используется для указания того, какие узлы представляет ее начало и конец. Области, ограниченные дугами, также имеют идентифицирующие их коды, которые используются для определения их отношений с дугами. Далее, каждая дуга содержит явную информацию о номерах областей слева и справа от Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко нее, что позволяет находить смежные области. Эта особенность данной модели позволяет компьютеру знать действительные отношения между графическими объектами. Рисунок 2.2 Топологическая векторная модель данных 2.3.3. Векторизация Векторные модели получают разными способами. Один из наиболее распространенных – векторизация сканированных (растровых) изображений. Векторизация – процедура выделения векторных объектов с растрового изображения и получение их в векторном формате. Для векторизации необходимо высокое качество (отчетливые линии и контуры) растровых образов. Чтобы обеспечить требуемую четкость линий иногда приходится заниматься улучшением качества изображения. Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко При векторизации возможны ошибки, исправление которых осуществляется в два этапа: корректировка растрового изображения до его векторизации; корректировка векторных объектов. 2.3.4. Особенности векторных моделей В векторных форматах набор данных определен объектами базы данных. Векторная модель может организовывать пространство в любой последовательности и дает «произвольный доступ» к данным. В векторной форме легче осуществляются операции с линейными и точечными объектами, например, анализ сети – разработка маршрутов движения по сети дорог, замена условных обозначений. Что касается точности векторных данных, то здесь можно говорить о преимуществе векторных моделей перед растровыми, так векторные данные могут кодироваться с любой мыслимой степенью точности, которая ограничивается лишь возможностями метода внутреннего представления координат. Обычно для представления векторных данных используется 8 или 16 десятичных знаков (одинарная или двойная точность). Не все природные явления имеют характерные четкие границы, которые можно представить в виде математически определенных линий. Это обусловлено динамикой явлений или способами сбора пространственной информации. Почвы, типы растительности, склоны, место обитания диких животных - все эти объекты не имеют четких границ. Обычно линии на карте имеют толщину 0,4 мм и, как часто считается, отражают неопределенность положения объекта. В растровой системе эта неопределенность задается размером ячейки. Поэтому следует помнить, что в ГИС действительное представление о точности дают размер растровой ячейки и неопределенность положения векторного объекта, а не точность координат. 2.3.5. Форматы векторных данных Векторные графические форматы данных представлены в табл.2.1. Таблица 2.1. Векторные графические форматы данных Наименование формата Описание DXF, DWG, DGN Форматы данных систем автоматизированного проектирования (САПР) DX90 Формат цифровых навигационных карт DLG Формат данных геологической съемки США Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко DWF Формат передачи графических данных по Интернету F1M Формат данных Роскартографии, предназначен для обмена данными GEN Обменный формат ГИС-пакета ARC/INFO SHP Формат данных ГИС-пакета ArcView (шейп-файл), описывается несколькими файлами записей с определенными расширениями: .shp – позиционные данные; .shx – индекс формы пространственных данных; dbf – атрибутивные данные и др. TAB Формат ГИС-пакета MapInfo; описывается файлами с определенными расширениями: .tab – текстовое описание структуры данных таблиц; .dat – табличные данные; .mар – графические объекты; .ID – список указателей (индекс) на графические объекты MIF/MID Обменный формат ГИС-пакета MapInfo HPGL Формат вывода на принтер или графопостроитель DMF Формат ГИС-пакета Digital 2.3.6. Векторная модель для представления поверхностей Определение модели TIN В отличие от цифровых представлений точечных, линейных и площадных объектов, трехмерные объекты требуют особых форм представления, т.к. их местоположение описывается не только двумерными, но и высотными координатами. К наиболее распространенному типу трехмерных объектов относится топографический рельеф земной поверхности. При помощи трехмерных объектов могут быть также смоделированы карты плотности населения, атмосферного давления, влажности и т.п. Цифровые модели рельефа позволяют по конечному набору выборочных точек определять возвышение, крутизну склона, направление ската в произвольной точке на местности. Возможно выявление особенностей местности – бассейнов рек, дренажных сетей, пиков, впадин и т.п. Такие модели широко применяются во многих процедурах ГИС-анализа: при выборе места строительства зданий и коммуникаций, в анализе дренажных сетей, в анализе видимости, при выборе маршрута движении по пересеченной местности. Поверхности являются непрерывными феноменами в противоположность дискретным объектам, выражаемым точками, линиями и полигонами. Но существуют способы представления поверхностей, в которых используется конечное количество точек. Разные подходы к выбору узловых точек, в которых известно значение возвышения поверхности, определяют две наиболее распространенные модели данных. В геоинформационных системах поверхности обычно описываются при помощи растровых моделей и триангуляционных сетей. В растровых моделях выборочные точки расположены в узлах регулярной растровой решетки, а в триангуляционных сетях – Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко располагаются нерегулярно так, чтобы наилучшим образом ―обогнуть‖ поверхность (отсюда название – triangulated irregular networks – TIN). Модель TIN (Triangulation Irregular Network - триангуляционная нерегулярная сеть) географических объектов – модель поверхности в виде сети смежных не пересекающихся треугольных граней, определенная по узлам и ребрам, которые покрывают поверхность (Рис. 2.3). Рисунок 2.3 Модель TIN Геометрия модели TIN образуется гранями, узлами и ребрами в трехмерном пространстве. Грань (Face) – поверхность треугольника в трехмерном пространстве. Узел (Node) – вершина треугольника с координатами X,Y,Z. Ребро (Edge) – сторона треугольника в трехмерном пространстве. Каждая грань TIN является частью поверхности в 3D-пространстве. Свойства модели TIN Модель TIN обладает следующими свойствами: Модель TIN позволяет получить точное представление о локальной части поверхности, используя переменную плотность узлов со значением Z и линии перегиба поверхности; Модель TIN является основой 3D-визуализации поверхности; Модель TIN позволяет выполнить сложный анализ поверхности (вычисление высот, уклонов, экспозиций склонов, получение изолиний поверхности, расчеты объемов, вертикальные профили по трассе линии, анализ видимости). Триангуляция Делоне Исходными данными для построения TIN является набор точек с координатами X,Y,Z. Задача заключается в том, чтобы по этому набору точек создать сеть смежных непересекающихся треугольников. Задача построения триангуляции по набору точек является одной из базовых в вычислительной геометрии. К ней сводятся многие другие задачи, она Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко широко используется в машинной графике и геоинформационных системах для моделирования поверхностей и решения пространственных задач. Наибольшее распространение в ГИС получила триангуляция Делоне (Delaunay), которая названа по имени ее автора советского математика Бориса Николаевича Делоне (1890-1980). По определению Делоне три точки формируют треугольник в триангуляции тогда и только тогда, когда в окружности, описанной вокруг этого треугольника нет других точек разбиения. Каждый ограничивающий треугольник круг не содержит точек из набора внутри его. Один из алгоритмов построения триангуляции Делоне основан на генерировании полигонов Тиссена (Thiessen) или Вороного. Для этого поверхность разбивается на области, в которых каждая точка расположена ближе всего к некоторому узлу сети – генерирующей точке. Полученные границы называют полигонами Тиссена или полигонами Вороного. Две точки соединяются линией в триангуляции Делоне, если их полигоны Тиссена имеют общую границу. Этот метод позволяет получить требуемые треугольники. Полигоны Тиссена используются также при анализе близости. |