Топологическая модель данных

Векторная топологическая модель данных содержит 3 основных типа объектов: узлы, дуги и регионы. Каждый из этих объектов имеет уникальный идентификатор ID, с помощью которого устанавливаются взаимные связи между объектами.

Слой карты, представленный в виде топологической модели данных, называется покрытием. Этот термин происходит из-за того, что взаимное наложение дуг и регионов в модели покрытия не допускается, а вся совокупность регионов в модели вместе с универсальным регионом «покрывает» всю плоскость (рис. 2.7).

 

 

Рис. 2.7. Пример данных модели «покрытия» (1-9 - узлы, 10-17 - промежуточные точки, a-k - дуги, A-D - регионы, U - универсальный регион)

 

Узлы являются обычными точечными объектами, характеризуемыми координатами на плоскости .

Дуги являются линейными объектами - ломаными, соединяющими пару узлов покрытия и проходящими через последовательность промежуточных точек. Кроме того, дуги характеризуются ссылками на два смежных (слева и справа) региона. Между собой дуги одного покрытия пересекаться не могут.

Регионы (области,полигоны) являются площадными объектами. Они характеризуются набором контуров, каждый из которых, в свою очередь, описывается последовательностью дуг покрытия. Между собой регионы одного покрытия пересекаться не могут.

Регионы бывают нескольких основных видов:

Простой регион - регион, содержащий только один контур.

Составной регион - регион, содержащий более одного контура. При этом составные регионы могут состоять из топологически несвязанных частей и иметь дырки.

Универсальный регион - часть плоскости, не входящая ни в один регион покрытия. Это понятие является абстракцией и в явном виде не представляется в модели покрытия.

 

Модель транспортной сети

Модель транспортной (геометрической) сети предназначена, в первую очередь, для описания в виде связанного графа схемы транспортных коммуникаций (автомобильных и железных дорог, авиалиний и водных маршрутов) с целью последующего сетевого анализа.

Транспортная сеть содержит два основных типа объектов (узлы и дуги), а также один дополнительный - маршруты (рис. 2.8).

1. Узлы являются обычными точечными объектами, характеризуемыми координатами на плоскости . Узлы могут дополнительно характеризоваться такими параметрами, как запреты на выполнение некоторых поворотов и время их выполнения.

2. Дуги являются линейными объектами - ломаными, соединяющими пару узлов транспортной сети и проходящими через последовательность промежуточных точек. Каждая дуга характеризуется длиной или временем движения по ней, разрешенными направлениями движения, классом дороги или пропускной способностью и др.

3. Дополнительно на транспортной сети могут быть определены объекты еще одного типа - маршруты движения транспорта. Каждый маршрут определяется как замкнутая упорядоченная последовательность узлов и дуг, а также различными числовыми характеристиками (например, расчетное время прохождения транспорта через остановки).

Следует заметить, что модель транспортной сети похожа на модель покрытия без регионов. Однако, в отличие от покрытия, в транспортной сети допустимо взаимное пересечение дуг. Это необходимо, например, чтобы показать пересечение автомобильных дорог в разных уровнях.

 

Рис. 2.8. Пример данных модели «транспортная сеть» (1-7 - узлы, 8-12 - промежуточные точки, 7-9 - остановки, a-n - дуги, A-B - маршруты общественного транспорта)

Растровая модель данных

Растровая модель данных является исторически самой первой моделью данных геоинформатики. В этой модели вся плоскость разбивается системой равноотстоящих вертикальных и горизонтальных прямых на одинаковые ячейки - пиксели, каждому из которых сопоставлен какой-то код. В каждом пикселе может храниться какая-то числовая характеристика пространства (например, высота рельефа, цвет на фотоснимке, уровень загрязнения окружающей среды) или код объекта, которому принадлежит соответствующий пиксель.

На рис. 2.9 приведен пример представления карты земельных участков в векторной и растровой модели. В векторной модели для каждого полигона A, B, C и D заданы координаты границ полигонов, т.е. в векторной модели указывается, где находится объект. В растровой модели все пространство разделено на пиксели, в каждом из которых хранится код соответствующего земельного участка, т.е. в растровой модели хранится информация о том, что находится в заданной точке территории.

Рис. 2.9. Пример представления земельных участков в векторной (вверху) и растровой (внизу) модели данных

 

На примере рис. 2.9 видно, что точность задания границ земельных участков в растровой модели невысока, т.к. соответствует размеру пикселя. Поэтому для повышения точности данных приходится существенно увеличивать количество пикселей. Однако бесконечно увеличивать число пикселей также нельзя, т.к. ресурсы компьютеров ограничены. Например, если бы мы захотели на карте города размером км представить карту земельных участков с точностью 1 см (пикселями размером см), то нам понадобилось бы пикселей. Если каждый пиксель мы будем кодировать 4 байтами, то нам понадобится примерно 4 Тб памяти, что значительно превосходит возможности типичного современного персонального компьютера. Именно поэтому при выборе размера и числа пикселей приходится идти на компромисс.

Для экономии затрачиваемой памяти существуют различные алгоритмические методы компрессии растров, которые позволяют в зависимости от типа данных сжимать их в десятки, сотни и даже тысячи раз. Поэтому в вышеприведенном примере на практике может оказаться достаточно только 1 Гб или даже меньше для хранения вышеуказанной карты земельных участков.

Одним из достоинств растровой модели данных является простота алгоритмов обработки, включая операции пространственного анализа. Например, очень легко можно найти все здания, находящиеся в водоохраной зоне, для чего надо наложить растровые слои зданий и водоохранных зон и попиксельно найти искомые здания.

В настоящее время растровая модель не является основной в ГИС, а используется только в тех случаях, когда векторная модель не даёт адекватного результата. Именно поэтому актуальными являются операции преобразования данных из растра в вектор (векторизация) и наоборот (растеризация). Растеризация - это обычная для ГИС и достаточно простая операция, однако векторизация является гораздо более сложной и большинством ГИС не поддерживается. Векторизация обычно выполняется в ручном или полуавтоматическом режиме с помощью специальных программ - векторизаторов.

Определение. Если ГИС поддерживает только векторные модели данных и нерегулярные сети, то она называется векторной ГИС. Если основной для ГИС является растровая модель данных, то она называется растровой ГИС. Растрово-векторной называется такая растровая ГИС, в которой имеется поддержка векторных моделей и средства векторизации и растеризации.