Растрова модель інформації та ієрархічні моделі растрових файлів (пірамідальні та квадротомічні).

Растровий спосіб формалізації просторових даних має два різновиди — регулярних мереж (grid cells) і власне растровий (raster), що принципово не відрізняються один від одного, оскільки і той і інший базуються на формалізації просторової інформації за комірками (cells) регулярної мережі, що суцільно покриває територію. У кожній комірці цієї мережі інформація відображається одним числом.

Під методом регулярних мере ж звичайно розуміють ручний спосіб оцифрування просторових даних шляхом осереднення або генералізації значень елемента, що цифрується, у кожному квадраті сітки — середнього значення висоти земної поверхні, довжини гідрографічної мережі, концентрації забруднювача, переважаючого різновиду ґрунтового покриву і т.п., що історично передував появі автоматичних методів растеризації просторової інформації, але застосовується і сьогодні. Перші зразки реалізації даного методу як одного з методів аналітичного картографування В.Г. Лінник (1990) відносить, посилаючись на роботу У. Тоблера (США), до 1951 року. На сьогодні уявляється доцільним розглядати метод регулярних мереж як спосіб кодування просторової інформації в рамках растрової моделі даних. Відзначимо також, що останнім часом цей спосіб усе рідше згадується в спеціальній літературі у зв'язку з повсюдним переходом на автоматизовані методи створення цифрових растрових карт.

Растровий спосіб формалізації просторових даних, чи растрова модель просторових даних, у найпростішому випадку полягає в зображенні просторових об'єктів у вигляді мозаїки, що суцільно покриває територію. Ця мозаїка і називається растром. Кожен елемент растра називається чарункою (коміркою) растра або пікселем (від англ. pixel, що є скороченням від picture element — елемент зображення).

Найчастіше використовуються комірки квадратної форми, хоча досить широко відомі комірки трикутної і шестикутної форм. Трикутна мозаїка більш гнучка, ніж чотирикутна, і, в принципі краще підходить для моделювання тривимірних поверхонь. Шестикутна ж мозаїка (з комірками, представленими рівними правильними шестикутниками) приваблива тим, що всі сусідні комірки є еквідистантними, тобто відстань між центрами всіх сусідніх комірок однакова, чого не можна сказати, наприклад, про квадратні і тим більше прямокутні комірки растра.

У растровій моделі просторова інформація кодується у вигляді прямокутної матриці — за рядками і стовпцями, розмір якої відповідає розміру вихідного растра (рис. 4.1). У зв'язку з цим положення кожного елемента растра в просторі визначається номерами стовпця і рядка, у яких розміщений даний елемент. При растеризації картографічних зображень стовпці звичайно розміщуються в напрямку північ-південь, а рядки — захід-схід. Як початкова комірка (з координатами 0, 0 чи 1, 1) найчастіше використовується комірка, розміщена у верхньому (або нижньому) лівому куті растра.

Рис. 4.1. Растрове подання просторової інформації: а) фрагмент землекористування (1 — рілля; 2 — природна степова рослинність; 3 — ліс); б) його растрове подання; в) відповідний масив цифрових даних

 

 

Шари растрової інформації для бази даних ГІС, як відзначено вище, можуть бути підготовлені вручну — шляхом кодування інформації для кожної комірки растра і подальшого введення в комп'ютер за допомогою текстового редактора або електронних таблиць. Однак виконання такої роботи можна здійснити практично лише при розмірі растра в кілька десятків чи сотень елементів, що не є характерним для сучасних геоінформаційних систем.

Поєднання семантичної і позиційної інформації, що є основним позитивом растрових моделей просторових даних, у той самий час обумовлює один з їх істотних негативів - необхідність великої ємності пам'яті для збереження оцифрованих даних у комп'ютері. Так, стандартний знімок зі штучного супутника Землі США серії Ландсат (Landsat), що охоплює близько 30 000 км кв при номінальному розмірі піксела 30x30 м, складається з 35 млн пікселів (Star, Estes, 1990), що еквівалентно приблизно 35 Мб при записі у форматі 1:1.

Ієрархічні растрові структури

Растрові структури зручні для відображення ієрархічно організованої географічної інформації. Подання растрової інформації у вигляді кількох внутрішньо пов'язаних рівнів, при якому нижній рівень відповідає вихідному поданню растра, що має розмір NxM елементів, а кожний розміщений вище є узагальненням інформації в т комірках нижчого рівня, називається ієрархічною растровою структурою. Ієрархічні растрові структури іноді називають пірамідальними, або деревоподібними.

Частковим, однак таким, що досить часто використовується в ГІС, різновидом ієрархічних растрових структур є квадротомічні структури растрових даних, чи квадродерева (quadtree, Q-tree), які відрізняються тим, що в них кожен вищерозміщений рівень є узагальненням інформації строго за чотирма комірками нижчерозміщеного рівня (рис. 4.2). Завдяки цьому квадродерево має жорстку структуру, що не вимагає додаткового опису. Це — деревоподібний граф, ступінь вершини кожного вузла якого дорівнює 4, тобто розмір комірки кожного вищерозміщеного шару в 4 рази більший, ніж попереднього.

 

Рис. 4.2. Подання просторового об'єкта з використанням квадротомічної растрової структури

У. Тоблер і 3. Чен (Tobler, Chen, 1986) розглянули пірамідальну структуру, що могла б бути корисною при кодуванні даних для всієї поверхні Землі. Одинична вершина на верхньому рівні піраміди (дерева) представляє повну поверхню Землі. На 15-му рівні розмір комірки порівнянний з тим, що одержують від метеосупутників, на 26-му рівні просторова роздільна здатність порівняна з роздільною здатністю аерофотознімків, а на 30-му рівні — це роздільна здатність сантиметрового масштабу. У ГІС ORRMIS, розробленій в США для цілей регіонального планування, виділено шість рівнів ієрархії. На верхньому рівні, призначеному для збереження агрегованих даних масштабу біома чи континенту, розмір комірок 7,5x7,5 хвилин (площа 15606,6 га), на нижньому — розмір комірок, по яких зберігаються висоти поверхні, 10x10 м (площа 0,01 га). Число максимальних за розміром комірок — 140, мінімальних — більше 200 млн.