Модели и объекты геоинформационной системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Структурные элементы ГИС

Среди основных структурных элементов ГИС выделяются входные данные в виде географически привязанных измерений геополей, геообъектов и карт различного содержания, их ввод и хранение в БД, комплексный анализ геоданных и геообъектов, вывод результирующей информации [1].

Входные данные в виде пространственных объектов, как отмечалось, разделяются в ГИС на четыре типа: точки, линии, области (контура) и поверхности.

Точечные объекты - это такие объекты, каждый из которых расположен в одной точке пространства. Они являются дискретными, поскольку каждый объект занимает в любой момент времени только определенную точку пространства и у них отсутствуют пространственная протяженность, длина и ширина, но каждый точечный объект обозначен координатами сво-его местоположения.

Линейные объекты - это одномерные объекты в координатном про-странстве. Такими объектами являются реки, границы, разломы и т.д., т.е. они узкие и имеют существенную длину. Масштаб, при котором наблюда-ются линейные объекты, обуславливает порог, позволяющий считать их не имеющими ширины, аналогично тому, как точечные объекты не имеют ни длины, ни ширины.

Пространственный размер линейных объектов оценивается простым определением их длины.

Для прямой линии достаточно задать начальные и конечные точки, а для сложных линий требуется задание нескольких точек с их координатами.

Объекты, рассматриваемые с такого расстояния, при котором они имеют и длину, и ширину, называют областями или площадными объектами, контурами. Например, лесной или горный массивы. При определении местоположения области (контура) в пространстве её границей является линия, начинающаяся и заканчивающаяся в одной и той же точке.

Для характеристики области (площадного объекта) следует указать её атрибуты: форму, ориентацию по площади, величину площади, которую она занимает.

Добавление нового измерения, а именно высоты к площадному объекту, позволяет перейти к поверхности. Это - холмы, долины, скалы, рельеф местности и т.д.

Поверхности состоят в общем случае из бесконечного числа точек по значениям высоты, но ввиду необходимости их дискретизации при вводе в ЭВМ, диапазон изменения высот разбивается на градации и поверхности становятся дискретно заданными.

Наиболее распространенными шкалами измерений объектов являются номинальная шкала, которая различает объекты по именам, но не позволяет сравнивать объекты между собой, и порядковая шкала, обеспечивающая представление о последовательном сравнении пространственных объектов. При более точном сравнении объектов пользуются интегральной

шкалой, в которой измеряемым атрибутам объектов приписываются чис-ленные значения. Так, с помощью сферической системы координат по ме-ридианам измеряют угловое расстояние от начального меридиана, проходя-щего через Гринвич (Англия) до 1800 восточной и 1800 западной долготы, а по параллелям измеряют угловое расстояние от экватора (00 широты) до 900 северной широты и до 900 южной широты.

Сбор исходных данных по геополям производится из космоса, с воздуха, с земли (воды) и из скважин.

При отсутствии недостающих точечных значений используются методы интерполяции для их восполнения.

Карта, как основной язык компьютерной географии, является формой представления пространственных данных и состоит из различных координатных систем, проекций, наборов символов, включая легенды.

В ГИС используются карты планов населенных пунктов, земельных и лесных угодий, снимки дистанционного зондирования, топографические и геологические карты и т.д.

Их наложение друг на друга образуют топологические покрытия по тематике, т.е. в ГИС обычно используются тематические карты.

Для карт важен их масштаб и атрибуты, отображающие тематику карт. Геометрические объекты и их атрибуты взаимосвязаны через легенду карты. Для изображения объектов с учетом сферичности Земли используются картографические проекции.

Для ввода в БД координат X и Y при определении местоположения точек, линий и областей используют дигитайзеры - цифровые устройства для ввода координат в ГИС, обычно основанные на простой декартовой системе координат, а также систему GPS (global position system).

При анализе больших территорий используют данные дистанционного зондирования (ДДЗ) для их ввода в БД ГИС. При этом размер порции земной поверхности отображается в виде прямоугольной матрицы пикселов. Размер порции земной поверхности, покрываемой одним пикселом, называется пространственным разрешением и чем меньше размер пикселов, тем выше разрешенность.

Размер пиксела от нескольких сантиметров до нескольких километров. Объекты, меньше размера пиксела, не могут быть обнаружены.

Одна из важнейших функций и структурных элементов ГИС - хранение объектов и их атрибутов таким образом, который позволяет для их отображения выбирать комбинацию этих объектов. Это обеспечивается организацией хранения данных в виде файлов.

Основой визуального представления данных при помощи ГИС-технологий является так называемая графическая среда. Основу графической среды и соответственно визуализации базы данных ГИС составляют векторные и растровые модели.

В общем случае модели координатно - привязанных пространственных данных могут иметь векторное или растровое (ячеистое) представление, содержать или не содержать топологические характеристики.

Векторные модели строятся на векторах, занимающих часть пространства, в отличие от занимающих все пространство растровых моделей. Это определяет основное преимущество векторных моделей, состоящее в меньших затратах памяти на порядки и меньшем времени на их обработку и представление.

При построении векторных моделей объекты создаются путем соединения точек прямыми линиями, дугами окружностей и полилиниями. Площадные объекты, или иначе ареалы, задаются наборами линий.

В растровых моделях дискретизация реализуется простым способом, при котором весь объект (исследуемая территория) отображается в пространственные ячейки, образующие регулярную сеть. При этом каждой ячейке растровой модели соответствует одинаковый по размерам, но разный по характеристикам (цвет, плотность) участок поверхности объекта.

В ячейке модели содержится одно значение, усредняющее характеристику участка поверхности объекта. Таким образом, если векторные модели дают информацию о том, где расположен тот или иной объект, то растровые модели - информацию о том, что расположено в тот или иной точке территории. Это определяет основное назначение растровой модели, состоящее в непрерывном отображении поверхности. Основные характеристики растровой модели: разрешение, значение, ориентация, положение.

Данные дистанционного зондирования полезны для ввода в растровые ГИС. Ввод растровых данных реализуется с использованием сканеров.

Информация о связности пространственных отношений координат и атрибутов называется топологией.

Наиболее распространенной моделью организации данных является послойная модель, обеспечивающая деление на тематические слои, и объекты, отнесенные к одному слою. Например, они помещаются в один файл или в один каталог, имеют единую и отдельную из других слоев систему идентификаторов, к которым обращаются как к некоторому множеству.

Так, в один слой (топологическое или тематическое покрытие) выносятся всё, относящееся к растительному покрову, геологическому строению для заданной геологической эпохи и т.д. При этом организуется деление одного тематического слоя по горизонтам, т.е. по аналогии с отдельными листами карт, что обеспечивает удобство администрирования БД и во избежание работы с чрезмерно большими файлами.

Следовательно, в БД помещается векторная нетопологическая модель данных и векторная топологическая модель данных. Последняя является более гибкой, в один слой помещаются только объекты одного геометрического типа. Число слоев при послойной организации данных может быть весьма большим и зависит от конкретной реализации. При послойной организации данных удобно манипулировать большими группами объектов, представленных слоями как единым целым, например, включая или выключая слои для визуализации определять операции, основанные на взаимодействии слоев. Послойный принцип организации преобладает в растровых моделях данных.

Другая, менее распространенная модель организации данных в ГИС-объектно-ориентированная, реализуется на использовании взаимоотношений между объектами.

В настоящее время используются следующие модели организации данных в БД ГИС:

- растровая - на регулярной сетке с одним размером ячейки (пиксе-ом);

- модель типа квадродерева (или матричная) - на нескольких сетках с кратными размерами ячеек с целью оптимизации хранения и поиска;

- модель векторная топологическая, в которой в явном виде хранятся топологические отношения между объектами;

- модель векторная нетопологическая, с элементами объектной организации или без них, построенная на иерархическом классификаторе или без такового;

- модели данных, предназначенные для использования топологических отношений, но не хранящие их в файлах, а рассчитанные на их построение «на лету», т.е. в процессе запроса;

- модели данных типа TIN.

Последняя модель используется для построения цифровой модели местности (ЦММ). Как модель местности, ЦММ должна содержать элемен-ты координатного и атрибутивного описания, характеризующие как саму предметную область, так и индивидуальные свойства моделируемых объек-тов. В то же время ЦММ, как структура базы данных, должна иметь воз-можность для моделирования, многократного использования, анализа и ре-шения различных задач.

Координаты местоположения объектов и отметки их высоты либо берутся с существующих карт, либо могут быть получены с помощью GPS - приемников. Атрибутивные данные в векторах ГИС обычно вводятся с использованием клавиатуры компьютера, а ввод растровых данных осуществляется с использованием сканеров.

Поскольку существует множество форматов и типов носителей информации, от магнитных лент до компакт-дисков, от простых до весьма сложных структур файлов, то при вводе в БД ГИС необходимо указать нужный формат файла и тип носителя.

Помимо ввода и хранения данных, важным структурным элементом ГИС является пространственный, чаще комплексный, анализ данных с целью нахождения и определения местоположения объектов, их классифика-ции.

Определения точечных объектов на основе их атрибутов.

Точечные объекты, как и другие объекты, различаются не только по их местоположению, но, что более важно, по их атрибутам, (признакам, характеристикам). геоинформационный интерполяция векторный растровый

Населенные пункты отличаются от пересечения границ, тектонических нарушений и т.п. Такие различия дают разные, но часто взаимосвязан-ные пространственные распределения каждой группы объектов.

Точечные объекты могут быть разделены по типам с использованием номинальной шкалы измерения, они также могут быть разделены и классифицированы в соответствии с порядковой шкалой.

Важно, чтобы ГИС могла определять каждую категорию точечных объектов отдельно и вносить в таблицу результаты поиска, что позволяет создать графическое покрытие из точечных объектов заданных значений атрибутов. Кроме того, необходимо показать пространственные отношения между объектами конкретного точечного класса с другими объектами того же класса для обеспечения дальнейших аналитических операций по количественному определению этих отношений.

Классификация объектов зависит от типов объектов, которые должны быть сгруппированы. Существуют раздельные классификации для геологических формаций, почв, растительности и т.д. С этой целью чаще всего используются методы математической логики, главных компонент и фак-торного анализа, метод К - средних (или метод динамических сгущений) [4,26]. Кроме того, применяются также различные фильтры в скользящих окнах: фильтры низких частот для выявления региональных и фоновых составляющих, фильтры высоких частот для усиления градиентных участков и подавления мелких флуктуаций и шума, для подчеркивания ориентации объектов реализуются анизотропные фильтры.

Для классификации поверхностей используются такие характеристи-ки трехмерных поверхностей, как уклон, азимут, форма, взаимная види-мость, которые могут применяться и в векторных и в растровых моделях ГИС в зависимости о сложности программного обеспечения.

Для представления поверхности внутри компьютера как в растровых, так и векторных ГИС используют цифровые модели местности или цифровые модели рельефа (ЦМР). ЦММ или ЦМР являются моделями изображений, которые базируются либо на точках, либо на линиях (изолиниях). Последние создаются сканированием или оцифровкой существующих изолиний.

Целью таких моделей является извлечение формы поверхности из имеющихся линий. После ввода данные представляются как линейные объекты, либо как полигоны с определенной высотой в качестве атрибута. На такой модели данных неудобно определять уклон и часть её преобразуют в точечную модель, называемой дискретной матрицей высот.

Эта матрица соответствует методу точечного изображения поверхности, при котором каждая точка имеет одно значение высоты, что аналогично дискретизации любого геофизического поля.

Нерегулярные сети преобразуются в модель TIN двумя способами. При первом используются сами точки сети в качестве вершин треугольных граней TIN и при этом не требуется ввод дополнительных данных. При втором способе расстояния между точками и их значения высот используются для интерполяции значений вершин регулярной матрицы треугольных граней TIN, но естественно, что интерполированные значения не так точны, как измеренные. Для интерполяции могут быть реализованы: линейная интерполяция, метод обратных взвешенных расстояний на базе сплайнов и крикинг, оптимизирующий процедуру интерполяции на основе статистических (корреляционных) связей.

Размещено на Allbest.ru