Векторные топологические форматы

В отличие от графических векторных форматов форматы (модели) пространственных данных включают в себя топологические отношения (топологию объектов), с помощью которых при анализе данных определяются локализованные точечные, линейные и площадные объекты и пространственные отношения между ними в терминах «расстояния», «направления», «взаимоположения» и «связности». Благодаря топологии автоматически определяется, является ли, например, многоугольник на цифровой карте лишь результатом пересечения улиц или это объект, идентифицируемый как квартал.

Такая геореляционная структура формируется как иерархическая:

 

 

 

 

При топологическом описании приняты следующие обозначения.

Нульмерные объекты: точки – объекты, определяющие геометрическое положение с помощью координат; узлы вершин – топологические соединения, которые могут определять одновременно геометрическое положение с помощью координат.

Одномерные объекты: отрезок линии, вектора, сегмента – прямые между двумя точками; полилиния, ломаная, цепь – направленная последовательность непересекающихся отрезков (сегментов) с узлами на концах.

Двумерные объекты: полигоны, кольца, площадные объекты, контурные объекты – последовательность непересекающихся полилиний с замыканием.

Пример топологического описания полигона через объекты более низкого уровня представлен на рис. 10. Если на рис. 9 система кодирования требует «двойной оцифровки» всех границ полигонов, то на рис. 10 показан способ «одинарного» кодирования. Границы оцифровываются в виде полилиний с выделением координат начальных и конечных точек (узлов). Конечные точки незамкнутых строк координат X, Y кодируются совместно, если они находятся на расстоянии в пределах допуска, непересекающиеся полилинии соединяются в полигоны в виде замкнутых звеньев. Кроме того, графотопологическая модель пространственных данных дополняется левыми и правыми идентификаторами, что предоставляет значительно большие возможности для решения различных топологических задач.

 

 

Рис. 10. Векторное топологическое представление
пространственной информации

Полилинии

а X_{a 1} Y_{a 1}, X_{a 2} Y_{a 2},..., X_ai Y_ai; 1, 4; A, Æ

_{................................}

f X_{f 1} Y_{f 1}, X_{f 2} Y_{f 2},..., X_fn Y_fn; 2, 3; Æ, C

 

УзлыПолигоны

1 a, b, c; A, B, Æ A a, b

............... B b, c, e, d

4 a, b, d; A, B, Æ C e, f

 

Такое представление пространственной информации обозначается как линейно-узловая векторно-топологическая структура. Оно позволяет структурировать информацию по слоям в зависимости от вида объектов (точечные, линейные, полигональные), от атрибутивных характеристик этих объектов.

Ввиду того, что в векторной (структурной) форме, по существу, описываются только положение и границы физических объектов, объем машинной памяти для хранения пространственной информации по сравнению с растровыми (позиционными) методами значительно уменьшается. Эффективно решаются также задачи по определению расстояния между объектами, их взаимное положение («вовне», «внутри», «принадлежит», «расположен слева, справа» и т.п.). Наиболее технологично решаются задачи сетевого анализа. Благодаря этим достоинствам векторное представление занимает доминирующее положение [17].

Цифровая модель карты может быть разбита на несколько самостоятельных подмоделей или так называемых тематических слоев. Тематический слой графически содержит, как правило, однородные объекты, например, шоссейные дороги, или реки, или населенные пункты и т.д. При наложении всех тематических слоев получаем результирующую карту. Тематические слои можно также складывать в произвольных сочетаниях, создавая тематические карты различной «нагруженности». Такая операции в ГИС называется наложением, или оверлеем.

Графически операция наложения представлена на рис. 11.

 

 

Рис. 11. Оверлей тематических слоев

 

Такое структуривание пространственной (географической) информации аналогично широко распространенной древовидной файловой структуре. Роль каталогов (папок) играют тематические карты, которые в свою очередь состоят из вложенных папок – тематических слоев. Тематические слои состоят из файлов – данных об объектах этого тематического слоя. Такая древовидная структура позволяет быстро находить необходимую пространственную информацию и манипулировать объектами и тематическими слоями.

Глава II. Принципы работы геоинформационной системы

§ 1. Основные функции геоинформационных систем

Геоинформационные системы можно классифицировать по следующим основаниям:

– величина пространства;

– вид исследуемых объектов и процессов;

– предметная область и проблемная ориентация (мониторинг, управленческие задачи, инвентаризация, поддержка принятия решений и т.д.);

– функциональные возможности.

Ниже перечислены основные функции ГИС:

1. Ввод и редактирование данных.

2. Хранение данных и преобразование моделей пространственных данных.

3. Преобразование систем координат и проекций.

4. Растрово-векторные операции.

5. Ведение СУБД.

6. Операции аналитической геометрии (измерительные и вычислительные).

7. Пространственный анализ.

8. Пространственное моделирование (геомоделирование).

9. Построение цифровых моделей рельефа.

10. Вывод данных.

Функционирование ГИС базируется на основе методов машинной графики и вычислительной геометрии, системы автоматического проектирования (САПР), СУБД, цифровой фотограмметрии, картографии и дистанционного зондирования.

Укрупненно функциональные возможности ГИС и цели, достигаемые с помощью этих функций, показаны на рис. 12.

Рассмотрим подробнее основные функции, которые выполняют современные ГИС.

Ввод информации. Как уже говорилось в § 5 гл. I, функции ввода пространственной информации в ГИС реализуются путем оцифровки обычных карт с помощью специальных средств ввода – дигитайзеров или считывания изображений карт в растровом формате через сканирующие устройства. В дальнейшем эта растровая информация может оцифровываться (векторизоваться) автоматически с помощью специальных программ или путем обводки вручную электронного изображения объектов на карте мышью. Кроме того, как источники картографической информации широко используются материалы дистанционного зонирования: аэро- и космические фотоснимки, получаемые в видимом, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, радиотелеметрические данные, передаваемые с помощью глобальных спутниковых систем позиционирования GPS (global positioning system – российская система ГЛОНАСС и американская NAVSTAR). Сегодня уже имеются GPS – приемники, способные работать с обеими системами.