Відображення об'єктів реального світу в ГІС

Основною проблемою при реалізації геоінформаційних застосувань є створення формалізованого опису конкретної предметної області і її відображення на електронній карті. Графічне представлення довільної ситуації на екрані комп'ютера передбачає відображення різних графічних образів. Сформований на екрані ЕОМ графічний образ складається з двох, різних з погляду середовища зберігання, частин - графічної «підкладки», або фону та інших графічних об'єктів. По відношенню до цих інших графічних образів «образ-підкладка» є «площадковим», або двомірним просторовим зображенням.

Геоінформаційні об'єкти реального світу описуються просторовими, часовими і тематичними характеристиками. Просторові характеристики визначають положення об'єкту в заздалегідь визначеній системі координат; часові - фіксують час дослідження об'єкту, а тематичні відбивають економічні, статистичні, технічні та інші властивості об'єкту, набір яких залежить від вирішуваного завдання і предметної області.

Для представлення просторових об'єктів в ГІС використовують просторові і атрибутивні типи даних, джерелами яких є: картографічні матеріали (топографічні і загальногеографічні карти, карти адміністративно-територіального ділення, кадастрові плани тощо); дані дистанційного зондування; матеріали польових досліджень територій; статистичні та літературні дані. Основним класом даних в ГІС є просторові (координатні) дані, які містять інформацію про місцерозташування і геометрію об'єктів і відбивають просторовий аспект за допомогою графічних об'єктів (точок, ліній, областей, поверхонь тощо). До основних типів просторових даних відносяться: точка (вузол, вершина), лінія (незамкнута), контур (замкнута лінія), полігон (ареал, район), поверхня. Опис об'єктів здійснюється шляхом вказівки координат об'єктів і складових їх частин.

Точка, або точковий об'єкт – це об'єкт, розташований в одній точці простору, що задається парою координат X, Y в певній системі відліку. Залежно від масштабу картографування, в якості таких об'єктів можуть виступати дерево, будинок або місто.

Лінії, або лінійні об'єкти відбивають відстані між двома точками. Вони одновимірні (мають один вимір – довжину), для їх представлення необхідні щонайменш два набори координат, що задають початок та кінець лінії. Приклади таких об'єктів: річки, ділянки лінії електромереж чи річок, межі муніципальних округів, горизонталі рельєфу. Набір з’єднаних між собою відрізків ліній може утворювати мережу з численними розгалуженнями. Такі мережі використовують у ГІС для моделювання систем транспортних потоків різного роду (дороги, газо- та водотранспортні мережі тощо).

Області (полігони) – це замкнуті контури, представлені набором пар координат (Х, У) або набором об'єктів типу лінія. Такими об'єктами можуть бути образи території, зайняті певним ландшафтом, містом або цілим континентом. Очевидно, що для представлення таких об’єктів необхідно стільки пар координат, скільки точок – границь відрізків ліній – містить контур, причому координати першої і останньої точки мають збігатися, оскільки контур замкнутий.

При описі поверхонь задають ще висоту об’єкта, яка відбивається значенням третьої координати Z. Окрім безпосереднього використання для утворення моделі рельєфу поверхні, координата Z може використовуватися для збереження додаткової інформації про стан тих чи інших об’єктів та явищ у точках з координатами X, Y. Залежно від змісту параметру, відбитого Z, можна створювати тривимірні моделі просторового розподілу цих параметрів, наприклад, моделі розподілу температур, тисків, кількості опадів, густини населення, вартості земельних ділянок тощо. Відновлення поверхонь здійснюється за допомогою використання математичних алгоритмів інтерполяції та апроксимації за вихідним набором координат X, Y, Z.

Додаткові непросторові дані про об'єкти представляють атрибутивними даними - якісними або кількісними характеристиками просторових об'єктів, вираженими переважно в алфавітно-цифровому вигляді. Приклади таких даних - географічна назва, видовий склад рослинності, характеристики грунтів тощо.

Внаслідок різної природи просторових і атрибутивних даних для маніпулювання (зберігання, введення, редагування, пошуку і аналізу) ними застосовують різні методи. Одна з основних ідей, втілених в традиційних ГІС, - це збереження зв'язку між просторовими і атрибутивними даними за роздільного їх зберіганні і, частково, роздільної обробки.

Загальний цифровий опис просторового об'єкту включає: найменування; вказівку місцеположення; набір властивостей; відншення з іншими об'єктами. Найменуванням об'єкту слугує його географічна назва (якщо вона є), його умовний код або ідентифікатор, що присвоюється користувачем або системою. Однотипні за просторовими і тематичними ознаками об'єкти об'єднуються в шари цифрової карти,. Ці шари розглядаються як окремі інформаційні одиниці, при цьому існує можливість об’єднання всієї наявної інформації.

Структури даних

Для представлення і збереження просторових даних у ГІС застосовують векторні і растрові структури даних, для реализації яких розроблені різні моделі даних.

Векторна структура – це представлення просторових об'єктів у вигляді набору сукупностей координат (векторів) у певній системі відліку, що описують геометрію об'єктів (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Векторне представлення просторових даних

Всі особливості земного рельєфу можна відбити за допомогою п’яти описаних у попередньому параграфі типів просторових даних (об’єктів) – точок, ліній, мереж, областей і поверхонь. Векторний формат зручний для представлення чітко відокремлених частин рельєфу місцевості та фрагментів інфраструктури і побудови тривимірних (3D) моделей просторового розподілу тих чи інших величин. Цей формат забезпечує високу точність та економічність моделей завдяки високій точності вимірювання координат та мінімальним обсягам пам’яті для збереження заданої у ньому інформації.

Растрова структура даних передбачає представлення даних у вигляді двомірної сітки, кожна комірка (піксель) якої містить тільки одне значення, яке характеризує об'єкт, що відповідає комірці растру на місцевості або на зображенні (рис.8.4). Такою характеристикою може бути код об'єкту (ліс, луг тощо), його положення на місцевості, висота або оптична щільність.

Точність растрових даних, тобто точність визначення положення, обмежується розміром комірки (роздільною здатністю). Такі структури є зручним засобом аналізу і візуалізації різного роду інформації, змінної у просторі, наприклад, типу ґрунту. Джерелом геоінформації у растровому форматі є аерофотозйомка та космічна зйомка.

Рис. 8.4. Растрова структура даних

Перші ГІС працювали з даними або у векторному, або у растровому форматі. Сучасні геоінформаційні технології містять програмне забезпечення, яке дає змогу перетворювати один формат на інший, а також здійснювати накладання даних у різних форматах (шарів даних) з одночасним виведенням на екран користувача. Дані з різних шарів можна комбінувати і утворювати нові шари. Наприклад, наклавши шар з просторовим розподілом опадів на шари з розподілом ґрунтів та вільних земельних ділянок і скомбінувавши його з вимогами до вирощування певних рослин з бази даних ГІС, можна визначити найбільш сприятливі території для їх вирощування.

Моделі даних

Основу графічного середовища для візуального представлення просторових даних в геоінформаційних технологіях становлять векторні і растрові (комірчасті) моделі даних. Моделі просторових даних – це логічні правила для формалізованого цифрового опису просторових об'єктів.

Векторні моделі даних формалізують способи об'єднання векторних структур даних для дослідження взаємозв'язків між об'єктами одного або різних шарів. Найпростішою векторною моделлю даних є «спагетті»-модель (рис. 8.5), яка забезпечує найочевиднішу відповідність моделі графічному зображенню карти. Векторні топологічні моделі (рис. 8.6) містять відомості про сусідство об'єктів, відстані між ними та інші характеристики взаємного розташування векторних об'єктів. Існують також спеціальні векторні моделі для представлення моделей поверхонь.

«Спагетті»-модель не відбиває відношень між об'єктами, кожний геометричний об'єкт зберігається окремо і не пов'язаний з іншими. Наприклад спільна межа об'єктів 25 і 26 (рис. 8.5) записується двічі, хоча й за допомогою однакового набору координат. Всі відношення між об'єктами обчислюються незалежно, що утруднює аналіз даних і збільшує обсяг інформації, що зберігається.

Рис. 8.5. «Спагетті»-модель

У векторній топологічній моделі (рис.8.6) топологічна інформація описується набором вузлів і дуг. Вузол - це перетин двох чи більше дуг, і його номер використовується для посилання на будь-яку дугу, якій він належить. Кожна дуга починається і закінчується або в точці перетину з іншою дугою, або у вузлі, що не належить іншим дугам. Дуги утворюються послідовністю відрізків, сполучених проміжними точками. В цьому випадку кожна лінія описується двома наборами чисел: пари координат проміжних точок і номера вузлів. Крім того, кожна дуга має свій ідентифікаційний номер, який використовується для вказівки того, які вузли представляють початок і кінець дуги.

Рис. 8.6. Векторна топологічна модель даних

Растрові моделі використовуються для збереження початкових зображень місцевості, оперативного аналізу чи візуалізації геоінформації. Для зберігання тематичних шарів ці моделі застосовують тоді, коли користувачів цікавлять не окремі просторові об'єкти, а набір точок простору з різними характеристиками (висотні відмітки або глибини, вологість грунтів тощо). Існує кілька способів зберігання і адресації значень окремих комірок растру, їх атрибутів, назв шарів і легенд. Для стискання растрових даних розроблені методи групового і блочного кодування, кодування ланцюжків і представлення у вигляді квадродерева.

Формати даних

Формати даних визначають спосіб зберігання інформації на жорсткому диску і механізм її обробки. Вибір форматів залежить від підтримуваних моделей даних. У більшості ГІС підтримуються основні формати зберігання растрових даних (TIFF, JPEG, GIF, BMP, WMF, PCX) і спеціальні формати GeoSpot, GeoTIFF, що дають змогу передавати інформацію про прив'язку растрового зображення до реальних географічних координат. Найрозповсюдженішим серед векторних форматів є формат DXF. Деякі системи можуть реалізувати маніпулювання даними і в растровому, і в векторному форматах, обираючи формат, оптимальний для даного типу операції над даними. Такі системи підтримують функції перетворення з векторного формату у растровий і навпаки.

Всі системи підтримують обмін просторовою інформацією з іншими ГІС і САПР через типові для цих цілей формати: SHP, E00, GEN (ESRI), VEC (IDRISI), MIF (MapInfo Corp.), DWG, DXF (Autodesk), WMF (Microsoft), DGN (Bentley). Окремі національні та галузеві системи підтримують спеціальні національні формати обміну даних, наприклад, SXF (Військово-топографічна служба).