ГИС В ГЕОДЕЗИИ Конспект лекций. Конспект лекций по предмету гис в геодезии
 Скачать 1.37 Mb.
|
|
3.3. Виды моделей организации данных Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко Принципы организации данных определяют соответствующие модели организации данных: 1) геореляционная модель организации данных; 2) объектно-ориентированная модель организации данных; 3) объектно-реляционная модель организации данных. Широкое распространение получили модели данных ESRI: а) геореляционная модель организации данных в виде модели данных "Шейпфайл" и модели данных "Покрытие", б) объектно-ориентированная модель организации данных в виде модели данных "База геоданных". На рис.3.2 представлена иерархия моделей данных ESRI от общего верхнего уровня моделей географических объектов до нижнего специального уровня организации данных. Рисунок 3.2 Модели данних ESRI На рис. 3.2 модель данных "База геоданных" представлена как ветвь векторной объектно-ориентированной модели, которая в ней играет ведущую роль. Фактически база геоданных содержит модели данных "шейпфайл" и "покрытие", растровые и триангуляционные модели данных. 3.4. Геореляционная модель данных 3.4.1. Сущность геореляционной модели данных Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко В базе данных, спроектированной как реляционная модель данных, данные хранятся как наборы таблиц (называемых отношениями), которые логически ассоциированы друг с другом с помощью общих атрибутов. Отдельные записи хранятся как строки таблиц, в то время как атрибуты хранятся в виде колонок. Каждая колонка может содержать атрибутивные данные только одного типа: дату, текстовую строку, числовые данные и т.п. Таблицы обычно стандартизуются для минимизации дублирования. ГИС содержит два типа данных – пространственные и семантические. Пространственные даные географических объектов хранятся в отдельных таблицах пространственных данных в виде последовательности координатных пар Х,У. Атрибутивные данные географических объектов организовываются в таблицы атрибутивных данных. Число записей в таблицах атрибутов равно числу графических объектов в двоичных файлах. Отношения между географическими объектами делаются явными с помощью топологии, которая также представляется соответствующими таблицами. Сущность этой модели заключается в раздельном хранении значений координат и атрибутивных данных. Эта модель основана на геометрическом типе объекта и отображает мир в виде наборов точек, линий и полигонов. Координаты каждого объекта с уникальным идентификационным номером, хранятся в двоичных файлах. Атрибутивные значения и описание топологии хранятся в таблицах реляционной СУБД (Рис. 3.3). Записи связаны с геометрией посредством идентификационного номера объекта (Identifier – ID). Модель географических данных представляет географические объекты как набор взаимосвязанных пространственных и атрибутивных данных. При этом ГИС осуществляет совместное согласованное управление целостной информацией объектов, распределяемой между файловой системой и базой данных. Рисунок 3.3 Принцип геореляционной модели Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко Таким образом, геореляционная модель данных определяется следующими условиями: 1) между записями в таблицах пространственных данных, которые отображают модели географических объектов (точками, линиями, полигонами), и записями в таблице атрибутов устанавливается отношение "один-к-одному"; 2) связь между географическим объектом и записью в таблице атрибутов поддерживается через единственный уникальный номер – идентификатор объекта; 3) идентификатор хранится в двух местах: в файлах географических объектов, содержащих пары координат Х,У, и в соответствующих записях таблицы атрибутов географических объектов. 3.4.2. Модель данных "Шейпфайл" Модель данных "Шейпфайл" представляется цифровым форматом Shapefile. Формат Шейпфайл (Shapefile) – это цифровой векторный формат ESRI для хранения пространственной и связанной семантической/атрибутивной информации о географических объектах. Этот формат не приспособлен для хранения топологической информации. Формат Shapefiles создан для ArcView GIS; он может использоваться в ARC/INFO, ArcGIS. Формат Shapefile содержит набор файлов с одинаковым названием, но с разным расширением. Эти файлы делятся на обязательные и факультативные (дополнительные). Обязательными файлами являются три файла с расширением .shp, .shx, .dbf, так как они содержат базовые данные: Файл формы с расширением .shp (shape file) – это главный файл, который хранит географические объекты в его собственной записи как список координатных пар x,y. Файл индекса формы .shx ускоряет вычерчивание всех пространственных объектов в шейпфайле. Файл атрибутов с расширением .dbf (dBASE file) хранит атрибутивную информацию о пространственных объектах в .shp файле как таблицу атрибутов в формате dBASE. Шейпфайлы являются простыми, поскольку они хранят примитивные геометрические типы данных точечные, линейные и полигональные. Эти примитивы имеют ограниченное использование без каких-либо признаков для указания того, что они представляют. Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко Таким образом, таблица записей будет хранить пространственные объекты / атрибуты для каждой примитивной формы в шейпфайле. Формы (точечные, линейные, полигональные), а также данные атрибутов могут создавать бесконечное множество представлений о географических данных. Представление предоставляет возможности для мощного и точного вычисления. 3.4.3. Модель данных "Покрытие" Покрытие (Coverage) - это геореляционная модель, которая имеет векторный топологический формат данных. Покрытие содержит пространственные и атрибутивные данные географических объектов. Покрытие использует набор классов пространственных объектов для представления географических объектов. Модель данных Покрытие использует следующие классы пространственных объектов (Рис.): Точка (Point) – используется для представления точечных пространственных объектов или пользовательских идентификаторов ID полигонов. Точка определяется координатной парой x,y. Дуга (Arc) – используется для представления линейных пространственных объектов или границ полигонов. Дуга определяется последовательностью координатных пар x,y начального узла, промежуточных вершин, конечного узла. Дуги топологически связываются через их конечные точки (узлы). Один линейный объект может быть образован многими дугами. Узел (Node) – представляет конечные точки дуг или пересечение линейных объектов. Узел имеет уникальный идентификатор. Узел может быть топологически связан с набором дуг, которые соединены одна с другой. Путь (Route) – линейный пространственный объект, составляющий одну или несколько дуг или части дуг. Секция (Section) – дуга или часть дуги, которая используется для определения пути или создания путевых блоков. Полигон (Polygon) - представляет площадные объекты. Полигоны топологически определяются серией дуг, которые формируют их границы, включая дуги, определяющие острова внутри. Пользовательские идентификаторы ID полигонов представляются точками внутри границ. Регион (Region) – совокупность полигонов, представляющих географический объект. Аннотация (Annotation) - текст, используемый для обозначения объектов. Аннотации не имеют топологических связей с другими объектами, не используются для аналитических целей. Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко Реперная точка (Tic) – регистрационная точка, определяющая положение известной точки на земной поверхности, для которой известны координаты реального земного пространства. Реперные точки позволяют регистрировать и трансформировать координаты покрытия. Количество реперных точек рекомендуется 4 и более. Охват покрытия (Coverage Еxtent) – минимальный прямоугольник, ограничивающий покрытие, который представляет территориальный охват покрытия. Охват покрытия определяется предельными координатами Xmax, Xmin, Ymax, Ymin его элементов. Рисунок 3.4 Классы пространственных объектов в покрытии Описательные данные для классов пространственных объектов хранятся в соответствующих таблицах атрибутов. Связывание пространственных объектов и атрибутов обеспечивается следующими базовыми положениями: Пространственные объекты в покрытии существуют в отношении один-к- одному с соответствующими записями в таблице атрибутов пространственных объектов; ArcGIS поддерживает связь между пространственными объектами и атрибутами посредством уникального идентификатора, назначенного каждому объекту; Порядковый номер пространственного объекта физически хранится в двух местах покрытия: в файлах, содержащих пространственные данные для каждого пространственного объекта (координатные пары) и с соответсвующей записью в таблице атрибутов пространственных объектов. ArcGIS автоматически создает и поддерживает эти связи. 3.4.4. Преимущества и недостатки геореляционной модели данных Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко Геореляционная модель имеет следующие преимущества: простая структура таблиц, которые легко читать; интуитивный, простой пользовательский интерфейс; наличие множества инструментов для конечных пользователей (например, макросов и скриптов); простота изменения и добавления новых привязок, данных и записей; простота использования таблиц, описывающих географические элементы с общими атрибутами; возможность привязки таблиц, описывающих топологию, необходимую для ГИС-анализа; прямой доступ к данным, обеспечивающий их быструю и эффективную обработку; независимость данных от приложения; наличие больших объемов ГИС-данных в этом формате. Геореляционная модель имеет следующие недостатки: ограниченное представление реального мира; ограниченную гибкость управления запросами и данными; медленный последовательный доступ; трудность моделирования сложных отношений данных, поскольку для этого часто необходимы квалифицированные прикладные программисты баз данных; необходимость выражения сложных отношений в виде процедур в каждой программе, которая обращается к базе данных. 4. СБОР И ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ДАННЫХ Основу информационного обеспечения ГИС составляют источники пространственных данных. Информационное обеспечение ГИС остается крайне трудоемким делом. Затраты на информационное обеспечение геоинформационных проектов достигают 90% от их общей стоимости. Об объеме пространственных данных говорят следующие результаты специально проведенных исследований: до 70% всех данных, составляющих информационные ресурсы наций, регионов и ведомств, имеют пространственную привязку или могут быть координированы, получив статус пространственных. Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко В современном обществе геоинформация рассматривается как национальный ресурс. Она является также товаром, который создают и покупают. Геоинформация служит основой управления в тех организациях, где нужна актуальная информация, связанная с пространственными структурами. Она сочетает в себе все свойства информации и информационных продуктов в этом ее уникальность и ценность. Сбор информации решает две задачи: получение первичной геоинформации и частичное преобразование ее в геоданные. 4.1. Источники географических данных Наиболее распространенные источники пространственных данных следующие: топографические карты и планы аналоговые; топографические карты и планы цифровые; данные топографических съемок, измерений электронными тахеометрами и приемниками глобальной системы позиционирования; материалы дистанционного зондирования Земли; базовые наборы геопространственных данных; интернет-источники цифровых пространственных данных; общегеографические и тематические карты; землеустроительная документация; градостроительная документация; Наиболее распространенные источники семантических данных ледующие: таблицы; текстовые документы. 4.1.1. Топографические карты и планы аналоговые Топографическая карта представляет собой уменьшенное и обобщенное изображение земной поверхности, созданное по единой математической основе и оформлению, передающее размещение и свойства основных природных и социально-экономических объектов местности. Топографические карты и планы, которые традиционно создавались на бумажной основе, и представляют собой аналоговые модели. Топографические карты являются первичными данными. Топографические карты являются источником данных для производных карт, например, тематических. Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко Недостатком карт является то, что они ограничены в двумерных статических представлениях, и что они всегда отображаются в определенном масштабе. Карта всегда является графическим представлением на определенном уровне детализации. На карте масштаб определяет пространственное разрешение графического представления. Чем меньше масштаб, тем меньше деталей карта может показать. С другой стороны, точность представления данных ограничивает диапазон соответствующих масштабов. Выбор надлежащего масштаба карты является одним из первых и наиболее важных шагов. Карты больших физических размеров должны быть разрезаны на листы для удобства пользования. Недостатком карт является также то, что они ограничены в отображении семантики объектов из-за ограниченного места на листе карты. Для перевода аналоговых данных в цифровую форму выполняют оцифровку (цифрование – digitizing) аналоговых топографических карт. Для этого современные ГИС-пакеты имеют встроенные инструменты. Различают оцифровку а) дигитайзером, б) по дисплею (интерактивную или автоматизированную). 4.1.2. Топографические карты и планы цифровые Цифровые топографические карты создаются путем: 1) оцифровки аналоговых топографических карт, 2) обработки материалов топографических съемок, геодезических измерений электронными тахеометрами и приемниками глобальной системы позиционирования. 3) обработки материалов дистанционного зондирования Земли (аэрофотоснимков, космических снимков), 4) комбинированным способом. 4.1.3. Данные топографических съемок, измерений электронными тахеометрами и приемниками глобальной системы позиционирования В базу данных ГИС теперь можно загружать трехмерные данные любой инструментальной съемки, измерений электронными тахеометрами, GPS- приемниками и выполнять в ней все традиционные вычисления, необходимые для корректировки этих данных и создания координатных точек с известными уровнями ошибки. Для получения наилучшего значения точки можно произвести корректировку разрозненных данных методом наименьших квадратов. Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко Измерения координатной геометрии (СОGО) могут быть также объединены с данными съемки, их можно обрабатывать одним и тем же способом. В базу данных геосъемки также можно включить координаты, полученные GPS-приемниками. Обработка данных съемки и вычисления выполняются в базе геоданных в том же координатном пространстве, что и обработка других данных. Процесс передачи данных от полевых станций, обработки данных инструментальной съемки, последующей передачи обработанных данных в системы СОGО и САПР для отрисовки и структуризации и затем передачи в ГИС для интеграции с другими данными сегодня может быть реализован в одной базе геоданных в едином координатном пространстве. Новая возможность, существенная с точки зрения обеспечения точности базы данных ГИС, — интеграция данных геодезической съемки с местоположением ГИС-объектов на карте. Может быть установлена привязка между координатами, полученными из данных съемки, и точками на объектах. После этого объекты можно переместить в правильное положение и в таком виде сохранить их в базе данных. Можно выбрать допуски замыкания, алгоритмы конфигурирования и пакетную обработку по уравниванию. Можно добавить целиком новые ГИС-объекты, определенные по данным геодезических измерений, а также повысить точность существующих ГИС-данных. Ошибки местоположений новых объектов могут быть представлены эллипсами погрешностей. Теперь можно провести количественное сравнение допусков относительной и абсолютной ошибки, указанных в описаниях информационных продуктов, с точностью размещения объектов. 4.1.4. Материалы дистанционного зондирования Земли Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) — наблюдение поверхности Земли авиационными и космическими средствами, оснащѐнными различными видами съемочной аппаратуры. Рабочий диапазон съѐмочной аппаратуры составляет от долей микрометра (видимое оптическое излучение) до метров (радиоволны). Методы зондирования могут быть пассивные, то есть использующие естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на поверхности Земли, обусловленное солнечной активностью, и активные, использующие вынужденное излучение объектов, инициированное искусственным источником направленного действия. Материалы дистанционного зондирования Земли, являются одним из основных источников данных для геоинформационных систем. Это, прежде всего материалы аэрофотосъемки и космической съемки. Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко Аэрофотоснимки Аэрофотосъемка выполняется в основном для топографического картографирования территории, также применяются в геологии, в лесном и сельском хозяйстве. Современные методы обработки материалов аэрофотосъемки – цифровая фотограмметрическая обработка, позволяющая определять геометрические, количественные и другие свойства объектов на поверхности земли по фотографическим изображениям, получаемым с помощью летательных аппаратов любых видов. В настоящее время обработка полученных изображений ведется с помощью компьютерной техники и программ для фотограмметрической обработки изображений. При этом дополнительно выполняются коррекции перспективы, дисторсии и иных оптических искажений, цветокоррекция полученных снимков. Фотографическое изображение преобразовывается в цифровую форму путем сканирования. При этом изображение делится на определенное количество пикселов равных площадей. Каждый такой площадной объект содержит достаточную информацию в отношении цвета и плотности цвета. В цифровой фотограмметрии точность получения результатов возрастает с увеличением разрешения сканирования. Чем меньше размер пиксела, тем точнее результат. Широко используемым продуктом цифровой обработки являются ортофотопланы. Ортофотоплан - это фотографический план местности на точной геодезической опоре, полученный путѐм аэрофотосъѐмки с последующим преобразованием аэроснимков (из центральной проекции в ортогональную) на основе эффективного метода их дифференциального ортофототрансформирования. |