Глава 2. Модели пространственных данных

Классификация моделей

В основе геоинформационных систем лежат различные модели данных, являющиеся отражением реальных сущностей на местности, отношений между ними и других дополнительных знаний, имеющих пространственную привязку. Каждая модель данных ГИС включает в себя различные отдельные пространственные объекты, связанные между собой дополнительными топологическими отношениями.

Определение. Пространственный объект(цифровая модель объекта местности) - цифровое представление некоторого объекта реальности, включающее координатную привязку (описание геометрии) и набор атрибутов (текстовых и числовых характеристик).

В современных ГИС обычно используются следующие базовые типы пространственных объектов (рис. 2.1):

 

Рис. 2.1. Базовые типы пространственных объектов

 

Векторные объекты (используются в нетопологической и топологической моделях данных, см. ниже):

1. Точки - 0-мерные (точечные) объекты, характеризуемые координатами на плоскости или в пространстве.

2. Мультиточки - 0-мерные (точечные) объекты, состоящие из нескольких (не менее одной) точек. Этот тип объектов является обобщением типа «Точки».

3. Линии (полилинии, полиполилинии) - 1-мерные (линейные) объекты, состоящие из последовательности (не менее двух) точек, соединённых между собой отрезками (сегментами, дугами). Заметим, что не все последовательные точки могут соединяться между собой отрезками, а потому объекты данного типа могут иметь разрывы, т.е. быть топологически несвязанными. Топологически связанные линии обычно называют полилиниями, а несвязанные - полиполилиниями.

4. Полигоны (области, регионы) - 2-мерные (площадные) объекты, состоящие из нескольких (не менее одного) контуров, заданных в виде последовательности замкнутых линий, и частей плоскости внутри контуров.

Вышеприведенные типы векторных фигур называют простыми в противовес следующим:

5. Сложные фигуры(фигуры оформления, объекты САПР- из систем автоматизированного проектирования) - разнообразные 0-, 1-, 2- и 3-мерные фигуры, используемые в ГИС для оформления. При этом на практике используются прямоугольники, эллипсы, дуги эллипса, сплайны, внедренные изображения ( в виде растров и метафайлов), OLE-объекты (объекты для вставки на карту произвольных графических изображений по технологии OLE операционной системы Windows), различные текстовые надписи, указатели, размерные линии, а также специальные объекты для оформления карт в ГИС (масштабные линейки, стрелки направления на север, легенды карты, фрагменты других карт).

При выполнении операций пространственного анализа (построение оверлеев, буферных зон, анализ близости) с использованием сложных фигур вначале выполняется их преобразование к простым типам.

Ячеистые элементы (элементы растровых, регулярных и нерегулярных моделей):

6. Пиксели - 2-мерные (площадные) объекты, являющиеся элементами регулярной прямоугольной решетки в растровой модели данных.

7. Ячейки - 2-мерные (площадные) объекты, являющиеся элементами регулярного разбиения в модели регулярной сети.

8. Треугольники - 2-мерные (площадные) объекты, являющиеся элементами разбиения поверхности на треугольники в нерегулярной модели триангуляции.

Определение. Модель данных - способ описания однотипных пространственных объектов, включающий способ описания отдельных объектов, топологических отношений между ними, а также дополнительных знаний о всей совокупности объектов в модели.

Все множество моделей пространственных данных делится на две большие группы (рис. 2.2).

Векторные модели предназначены для описания совокупностей отдельных объектов, например, границ рек, озер, контуров зданий, осей дорог и инженерных коммуникаций. В векторных моделях каждый объект задается некоторым набором координат на плоскости или в пространстве, а также совокупностью атрибутов.

 

Рис. 2.2. Модели пространственных данных

 

В векторных нетопологических моделях все объекты являются полностью независимыми друг от друга и могут произвольно размещаться в пространстве.

Векторные топологические модели состоят из собственно описания отдельных объектов, а также из описаний топологии - отношений отдельных объектов между собой. Наиболее распространенными топологическими моделями являются линейно-узловая модель (покрытие) и транспортная сеть.

Ячеистые модели описывают непрерывные поля данных, такие как фотоснимки местности, поля загрязнений окружающей среды, высотных отметок (рельеф). В ячеистых моделях некоторый участок территории неразрывно разбивается на одинаковые (прямоугольники в растровой или треугольники в регулярной модели) или различные фрагменты (треугольники в нерегулярной триангуляционной модели), каждый из которых описывается своим набором атрибутов.

 

В геоинформационных системах все данные организуются в логические группы (тематические), называемые слоями, которые, в свою очередь, группируются в карты.

Определение. Слой карты (тема) - совокупность однотипных пространственных объектов, определенных в одной модели данных на общей территории и в общей системе координат.

Определение. Карта в ГИС - совокупность различных слоёв, определенных на общей территории и в общей системе координат.

В заключение этого раздела рассмотрим еще несколько важнейших понятий.

Определение. Цифровая модель местности (ЦММ) - математическая модель местности, состоящая из множества наборов пространственных данных, описывающих различные виды сущностей и знаний о земле.

ЦММ соответствует объектному составу топографических карт и планов и включает в себя описание формы рельефа земли, природных и антропогенных объектов и сооружений.

Определение. Цифровая карта - математическая модель графического изображения бумажных карт, общепринятых в картографии. В некотором смысле цифровая карта является упрощенным представлением ЦММ, включающей в себя только те данные по объектам местности, которые непосредственно отображаются на карте.

Определение. Цифровая модель рельефа(ЦМР) - часть цифровой модели местности, описывающая форму земной поверхности. ЦМР в геоинформационных системах моделируется с помощью ячеистых моделей данных, называемых обычно DEM(регулярная сеть высот) и TIN (нерегулярная триангуляционная сеть).

В геоинформационных системах ЦММ, цифровые карты и ЦМР являются частью соответствующих карт и представляются в виде совокупности слоёв.