Представление картографических данных

Первым шагом на пути реализации ГИС-проекта является создание пространственной базы данных цифровой карты. Для переведения карты в цифровую форму необходимо четко понимать, как создаются и хранятся оцифрованные карты, какова модель данных для представления карт в компьютере, организовать структуры для хранения данных и их использования. Как уже говорилось, двумя основными типами информации для ГИС являются пространственные и атрибутивные (тематические) базы данных. Пространственная информация векторных ГИС описывает расположение и очертание географических объектов. Тематическая база данных содержит описание количественных и качественных характеристик объектов, а с помощью топологии явно определяются связи между ними.

Векторное представление данных создается с помощью векторных устройств ввода – цифрователей с ручным обводом, генерирующих поток пар плановых координат при движении курсора (обводной головки) в процессе отслеживания объектов оригинала.

Точечный объект представляется отдельной дискретной позицией и определяет объект карты, который слишком мал, чтобы показать его линией или контуром. Такой объект может представлять точку, вообще не имеющую площади, например, высоту горной вершины. Точечный объект обычно описывается условным знаком или меткой (подписью). Множество точечных объектов, образующее слой однородных данных (например, соответствующих множеству населенных пунктов), может быть представлено в векторном формате в виде неупорядоченной (не обязательно упорядоченной) последовательности записей, каждая из которых содержит три числа: уникальный идентификационный номер объекта (идентификатор), значение координаты X и значение координаты Y.

Линейный объект представлен упорядоченным набором координат, которые, будучи соединены, представляют продольную форму объекта, слишком узкого, чтобы можно было изобразить его площадь. Это может быть объект, вообще не имеющий ширины, например, изолиния. Линии также называются дугами. Множество линейных объектов (например, соответствующее множеству рек), образующее однородный слой, может быть представлено последовательностью координат точек, аппроксимирующих кривые, соответствующие этим объектам, ломаными, составленными из отрезков прямых. Дуги имеют направление, а также левую и правую стороны.

Именно с представлением линейных объектов в виде последовательности образующих их точек связано изначально понятие о векторном формате представления данных: любая кривая может быть описана с заданной точностью совокупностью отрезков прямых – векторов. Фиксируя число допустимых направлений и длин элементарных отрезков (в данном случае – векторов), получаем картину, представленную.

Линейные отрезки, на которые разбивается слой линейных сетей, могут быть представлены соответствующими записями, содержащими идентификатор и упорядоченные последовательности значений координат образующих их точек. Запись линейного объекта может содержать также позиции для семантических атрибутов. В общем файле данных записи отделяются друг от друга определенной меткой (например, словом END) или при помощи целого числа, помещенного сразу после идентификатора, и указывающего число координатных пар.

Полигон или площадной (контурный) объект – замкнутая фигура, ограничивающая однородную территорию, например, штат, округ, водоем. В простейшем случае каждый контур со своим идентификатором представляется записью пар координат образующих его границу линейных отрезков в избранной последовательности (например, по часовой стрелке). Каждый линейный отрезок, заключенный между двумя узловыми точками (за исключением внешней границы контуров), будет описан в этом случае дважды (по и против часовой стрелки).

До сих пор имелись в виду координаты в страничных единицах, т.е. в дюймах, сантиметрах и т.д., т.е. единицах, используемых для измерения расстояний на карте или определения координат объектов с помощью линейки. Однако на картах обычно представлены реальные координаты, спроектированные на плоскость, которые представляют реальные места на земной поверхности в одной из нескольких систем координат.

В этом примере реальные координаты были спроектированы в систему координат, называемую универсальной поперечной Меркатора (или UTM). Единица измерения - метр. Другими широко употребляемыми картографическими проекциями являются коническая равноугольная Ламберта и коническая равновеликая Альберта с координатами X, Y, измеряемыми в футах и метрах. Представление координат в градусах широты и долготы - это общепринятая географическая система координат, однако она не является картографической проекцией, т.к. в ней измеряются углы от центра Земли (в градусах, минутах и секундах), а не расстояния на земной поверхности.

Пространственные связи между объектами также изображаются на карте графически, но их интерпретация зависит от человека, читающего карту. Например, можно посмотреть на карту и сказать, расположен ли город вблизи озера, найти относительное расстояние между городами по дорогам, а также самое короткое расстояние, найти ближайшую больницу и по какой улице к ней ехать, оценить высоту уровня озера по окружающим линиям уровня и т.д. Подобная информация не отображается на карте непосредственно, нужно устанавливать или интерпретировать эти пространственные связи, исходя из графики карты.

Таким образом, объекты земной поверхности отображаются на плоской двумерной карте в виде точек, линий и участков (плоских фигур). Фигуры описываются последовательностью координат X, Y, определяющих отрезки линий, ограничивающих фигуру; это объясняет смысл термина "полигон", который буквально означает "многосторонняя фигура". Пользуясь координатной системой, можно представлять точки, линии и полигоны в виде списка координат, а не рисунка или чертежа. Следует обратить внимание, что у полигона первая и последняя пара координат одинаковы, т.е. полигон всегда замкнут. Списки координат показывают, каким образом объекты карты хранятся компьютером в виде наборов чисел X, Y (отсюда произошел термин "оцифровка", обозначающий ввод данных карты в компьютер). Если же имеется множество объектов, то каждому присваивается порядковый номер или идентификатор. Однако при такой системе ввода данных всю дополнительную информацию, касающуюся пространственных связей между объектами, приходится интерпретировать мысленно. Например, по карте городских улиц можно найти маршрут от аэропорта до гостиницы. На цифровых картах такие связи описываются с помощью топологии.

Топология - это математическая дисциплина, занимающаяся определением пространственных связей. Применительно к картам, топология определяет связи между объектами, устанавливает соседство полигонов, представляет один объект, например, участок, в виде набора других объектов (например, линий).

Сохранение и хранение топологических связей повышает эффективность хранения данных. Обработка данных ускоряется, становится возможным обрабатывать наборы данных больших размеров. При наличии топологических связей можно выполнять различные операции анализа, в частности, моделирование потоков посредством связывания линий в сеть, объединение смежных полигонов с одинаковыми характеристиками и наложение географических объектов.

Описанный выше формат представления линейных объектов не содержит аппарата описания топологических отношений между линейными объектами и их элементами, которые могут соответствовать, например, указанию соподчиненности «главный водоток - приток» в линейных сетях, или указанию принадлежности линейных отрезков к описываемым ими контурам. Поэтому такое представление данных называется векторным нетопологическим.

Векторный нетопологический формат не является эффективным с точки зрения объемов хранимых данных. Создание и хранение топологических связей имеет ряд преимуществ и данные хранятся при этом более эффективно. Практика ГИС выработала подход, называемый линейно-узловым топологическим представлением.

Линейно-узловой топологический подход содержит три основные концепции:

- дуги соединяются между собой в узлах;

- дуги, ограничивающие фигуру, определяют полигон (площадной объект);

- дуги имеют направление, а также левую и правую сторону (непрерывность).

Другими словами, такой подход предполагает описание контурных объектов в виде трех множеств элементов циклических сетей: узлов, дуг и собственно полигонов. Внутренние точки (пары X, Y) дуги, называемые вершинами (vertices), задают форму дуги. Конечные точки дуги называются узлами (nodes). Каждая дуга имеет два узла: начальный узел (from-node) и конечный узел (to-node). Дуги могут соединяться только в конечных точках. Связность дуг определяется по наличию общего узла. Узел может принадлежать одной или нескольким дугам, но не может существовать вне дуги. Таким образом, уже возможен простейший пространственный анализ: компьютеру становится известно, что при продвижении по линии можно свернуть только на ту дугу, с которой имеется общий узел.

Полигоны представляются последовательностями координат X, Y, которые соединяются, образуя границу площадного объекта. Обычно хранятся дуги, определяющие полигон, а не замкнутые наборы пар координат X, Y. Хотя дуга может входить в списки дуг нескольких полигонов, все же каждая из них хранится только в одном месте. Такой способ хранения дуг уменьшает количество данных и исключает перекрывание границ соседних полигонов.

Так как каждая дуга имеет направление (начальный и конечный узлы), есть возможность вести список полигонов, находящихся слева и справа от дуги. Полигоны, имеющие общую дугу, являются смежными. Каждый полигон имеет идентификационную точку (метку), которая осуществляет связь между полигоном и его атрибутами.

Между этими объектами устанавливаются некоторые топологические отношения, необходимым элементом которых должна быть связь имен полигонов и дуг. Полигонам приписывается указатель правого и левого полигонов для того, чтобы определить направление обхода контуров.

При наличии топологических связей можно выполнять различные операции анализа. Пространственные связи между объектами также изображаются на карте графически, но их интерпретация зависит от человека, читающего карту. Например, можно посмотреть на карту и сказать, расположен ли город вблизи озера, найти расстояние между городами по дорогам, оценить высоту уровня озера по окружающим линиям уровня и т.д. Подобная информация не изображается на карте непосредственно, нужно устанавливать или интерпретировать эти пространственные связи, исходя из графики карты.