1.2 Организация данных в ГИС
Тематические данные хранятся в ГИС в виде таблиц, поэтому проблем с их хранением и организацией в базах данных не возникает. Наибольшие проблемы представляет хранение и визуализация графических данных. Основой визуального представления данных при помощи ГИС-технологий служат специальные графические модели. Они подразделяются на векторные и растровые модели. В общем случае модели пространственных (координатных) данных могут иметь векторное или растровое (ячеистое) представление, содержать или не содержать топологические характеристики. Этот подход позволяет классифицировать модели по трем типам: растровая модель; векторная нетопологическая модель; векторная топологическая модель. Все эти модели взаимно преобразуемы. Тем не менее, при получении каждой из них необходимо учитывать их особенности. В ГИС форме представления координатных данных соответствуют два основных подкласса моделей - векторные и растровые (ячеистые или мозаичные). Возможен класс моделей, которые содержат характеристики, как векторов, так и мозаик. Они называются гибридными моделями. Между векторными и растровыми изображениями имеется различие, характерное именно для ГИС. Растровые изображения отображают поля данных, т.е. носят полевой характер. Векторные изображения в ГИС, как правило, отображают геоинформационные объекты, т.е. носят объектный характер.
Если векторная модель дает информацию о том, где расположен тот или иной объект, то растровая - информацию о том, что расположено в той или иной точке территории. Это определяет основное назначение растровых моделей - непрерывное отображение поверхности.
Растровые модели
В растровых моделях дискретизация осуществляется наиболее простым способом - 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. В теории обработки изображений эта процедура известна под названием пикселизация.
Основное назначение растровых моделей - непрерывное отображение поверхности. В растровых моделях в качестве атомарной модели используют двухмерный элемент пространства - пиксель (ячейка). Упорядоченная совокупность атомарных моделей образует растр, который, в свою очередь, является моделью карты или геообьекта. Растровые модели позволяют отображать полутона и цветовые оттенки. Как правило, каждый элемент растра или каждая ячейка должны иметь лишь одно значение плотности или цвета. Это применимо не для всех случаев. Например, когда граница двух типов покрытий может проходить через центр элемента растра, элементу дается значение, характеризующее большую часть ячейки или ее центральную точку. Ряд систем позволяет иметь несколько значений для одного элемента растра.
Для растровых моделей существует ряд характеристик: разрешение, ориентация, зоны, значение, положение. Разрешение - минимальный линейный размер наименьшего участка отображаемого пространства (поверхности), отображаемый одним пикселем. Пиксели обычно представляют собой прямоугольники или квадраты, реже используются треугольники и шестиугольники. Более высоким разрешением обладает растр с меньшим размером ячеек. Высокое разрешение подразумевает обилие деталей, множество ячеек, минимальный размер ячеек. Значение - элемент информации, хранящийся в элементе растра (пикселе) или легенде. Положение обычно задается упорядоченной парой координат (номер строки и номер столбца), которые однозначно определяют положение каждого элемента отображаемого пространства в растре.
Проводя сравнение векторных и растровых моделей, отметим удобство векторных для организации и работы со взаимосвязями объектов. Тем не менее, используя простые приемы, например, включая взаимосвязи в таблицы атрибутов, можно организовать взаимосвязи и в растровых системах. Необходимо остановиться на вопросах точности отображения в растровых моделях. В растровых форматах в большинстве случаев неясно, относятся ли координаты к центральной точке пикселя или к одному из его углов. Поэтому точность привязки элемента растра определяют как 1/2 ширины и высоты ячейки.
Растровые модели имеют следующие достоинства:
Растр не требует предварительного знакомства с явлениями, данные собираются с равномерно расположенной сети точек, что позволяет в дальнейшем на основе статистических методов обработки получать объективные характеристики исследуемых объектов. Благодаря этому растровые модели могут использоваться для изучения новых явлений, о которых не накоплен материал. В силу простоты этот способ получил наибольшее распространение;
Растровые данные проще для обработки по параллельным алгоритмам и этим обеспечивают более высокое быстродействие по сравнению с векторными;
Некоторые задачи, например создание буферной зоны, много проще решать в растровом виде;
Многие растровые модели позволяют вводить векторные данные, в то время как обратная процедура весьма затруднительна для векторных моделей;
Процессы растеризации много проще алгоритмически, чем процессы векторизации, которые зачастую требуют экспертных решений.
Векторные модели
Векторные модели строятся на векторах, занимающих часть пространства в отличие от занимающих все пространство растровых моделей. Это определяет их основное преимущество - требование на порядки меньшей памяти для хранения и меньших затрат времени на обработку и представление, а главное более высокая точность позиционирования и представления данных.
При построении векторных моделей объекты создаются путем соединения точек прямыми линиями, дугами окружностей, полилиниями. Площадные объекты - ареалы задаются наборами линий. Векторные модели используются преимущественно в транспортных, коммунальных, маркетинговых приложениях ГИС.
Системы ГИС, работающие в основном с векторными моделями, получили название векторных ГИС. В реальных ГИС имеют дело не с абстрактными линиями и точками, а с объектами, содержащими линии и ареалы, занимающими пространственное положение, а также со сложными взаимосвязями между ними. Поэтому полная векторная модель данных ГИС отображает пространственные данные как совокупность следующих основных частей: геометрические (метрические) объекты (точки, линии и полигоны); атрибуты - признаки, связанные с объектами; связи между объектами.
Векторные модели (объектов) используют в качестве элементарной модели последовательность координат, образующих линию. Линией называют границу, сегмент, цепь или дугу. Основные типы координатных данных в классе векторных моделей определяются через базовый элемент линия следующим образом. Точка определяется как выродившаяся линия нулевой длины, линия - как линия конечной длины, а площадь представляется последовательностью связанных между собой отрезков. Каждый участок линии может являться границей для двух ареалов либо двух пересечений (узлов). Отрезок общей границы между двумя пересечениями (узлами) имеет разные названия, которые являются синонимами в предметной области ГИС. Специалисты по теории графов предпочитают слову линия термин ребро, а для обозначения пересечения употребляют термин вершина. Национальным стандартом США официально санкционирован термин цепь. В некоторых системах (arclnfo, geodraw) используется термин дуга. В отличие от обычных векторов в геометрии дуги имеют свои атрибуты. Атрибуты дуг обозначают полигоны по обе стороны от них. По отношению к последовательному кодированию дуги эти полигоны именуются левый и правый. Понятие дуги {цепи, ребра) является фундаментальным для векторных ГИС векторные модели получают разными способами. Один из наиболее распространенных - векторизация сканированных (растровых) изображений. Векторизация - процедура выделения векторных объектов с растрового изображения и получение их в векторном формате. Для векторизации необходимо высокое качество (отчетливые линии и контуры) растровых образов. Чтобы обеспечить требуемую четкость линий иногда приходится заниматься улучшением качества изображения.
При векторизации возможны ошибки, исправление которых осуществляется в два этапа:
1) корректировка растрового изображения до его векторизации;
2) корректировка векторных объектов.
В векторных форматах набор данных определен объектами базы данных. Векторная модель может организовывать пространство в любой последовательности и дает "произвольный доступ" к данным. В векторной форме легче осуществляются операции с линейными и точечными объектами, например, анализ сети - разработка маршрутов движения по сети дорог, замена условных обозначений. В растровых форматах точечный объект должен занимать целую ячейку. Это создает ряд трудностей, связанных с соотношением размеров растра и размера объекта. Что касается точности векторных данных, то здесь можно говорить о преимуществе векторных моделей перед растровыми, так векторные данные могут кодироваться с любой мыслимой степенью точности, которая ограничивается лишь возможностями метода внутреннего представления координат. Обычно для представления векторных данных используется 8 или 16 десятичных знаков (одинарная или двойная точность).
|
