Модели пространственных данных в ГИС

Администрация городского округа Самара

Автономное  муниципальное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования

СамарскАЯ АКАДЕМИЯ

ГОСУДАРСТВЕННОГО И  муниципальнОГО  управления

 

Факультет «Экономический»

Кафедра «Кадастра и геоинформационных технологий»

Специальность  «Городской кадастр»

 

 

 

 

 

 

Доклад  по

  Информационным технологиям при  ведении кадастра

  на тему:

«Модели пространственных данных в ГИС»

 

 

 

 

 

 

Выполнила:                                  Беляева В.И. Группа 481-Д Проверил:  ст. преп. Михеев  А.Г.

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Самара 2012

 

Информационную основу ГИС образуют цифровые представления (модели) реальности. С появлением компьютера все множество  данных разделилось на два типа: цифровые и аналоговые данные. Последними стали именовать данные на традиционных «бумажных» носителях, используя этот термин как антоним цифровым данным. В отличие от аналоговой, цифровая форма представления, хранения и  передачи данных реализуется в виде цифровых кодов или цифровых сигналов.  
Рассматривая данные по отношению к описываемым ими объектам, говорят о цифровых моделях объектов, а применительно к пространственным объектам в ГИС — о цифровых моделях пространственных объектов. Термин «цифровая модель» нельзя признать удачным — он отражает внешнюю форму их представления, а не его суть как набор логических правил построения системы из слагающих ее элементов — в данном случае элементарных (атомарных) пространственных объектов, имеющих аналогии в компьютерной графике и называемых там графическими примитивами.  
Цифровые по форме, по своей сути модели пространственных данных относятся к типу информационных моделей, отличных от реальных (например, физических), математических, мысленных или моделей особого типа, например картографических.  
Объектом информационного моделирования в ГИС является пространственный объект. Это одно из ключевых понятий геоинформатики. Он может быть определен как цифровое представление (модель) объекта реальности (местности), содержащее его местоуказание и набор свойств (характеристик, атрибутов), или сам этот объект.  
Некоторое множество цифровых данных о пространственных объектах образуетпространственные данные. Они состоят из двух взаимосвязанных частей: позиционной (тополого-геометрической) и непозиционной (атрибутивной) составляющих, которые образуют описание пространственного положения и тематического содержания данных соответственно.

Пространственные объекты как  абстрактные представления реальных объектов и предмет информационного  моделирования (цифрового описания) в ГИС разнообразны и традиционно  классифицируются сообразно характеру  пространственной локализации отображаемых ими объектов реальности, мерности пространства, которое они образуют, модели данных, используемой для их описания, и по другим основаниям. В  рамках объектно-ориентированных моделей  данные могут конструироваться в  новые классы объектов, отличные от базовых или созданных ранее. Базовыми (элементарными) типами пространственных объектов, которыми оперируют современные ГИС, обычно считаются (в скобках приведены их синонимы) следующие: 
• точка (точечный объект) — 0-мерный объект, характеризуемый плановыми координатами;  
• линия (линейный объект, полилиния) — 1-мерный объект, образованный последовательностью не менее двух точек с известными плановыми координатами (линейными сегментами или дугами);  
• область (полигон, полигональный объект, контур, контурный объект) — 2-мерный (площадной) объект, внутренняя область, ограниченная замкнутой последовательностью линий (дуг ввекторных топологических моделях (данных) или сегментов в модели «спагетти») и идентифицируемая внутренней точкой (меткой);  
• пиксел (пиксель, пэл) — 2-мерный объект, элемент цифрового изображения, наименьшая из его составляющих, получаемая в результате дискретизации изображения (разбиения на далее неделимые элементы растра); элемент дискретизации координатной плоскости в растровой модели (данных) ГИС;  
• ячейка (регулярная ячейка) — 2-мерный объект, элемент разбиения земной поверхности линиями регулярной сети;  
• поверхность (рельеф) — 2-мерный объект, определяемый не только плановыми координатами, но и аппликатой Z, которая входит в число атрибутов образующих ее объектов; оболочка тела;  
• тело — 3-мерный (объемный) объект, описываемый тройкой (триплетом) координат, включающей аппликату Z, и ограниченный поверхностями.

Общее цифровое описание пространственного  объекта включает:  
— наименование;  
— указание местоположения (местонахождения, локализации);  
— набор свойств;  
— отношения с иными объектами;  
— пространственное «поведение».

Два последних элемента описания пространственного  объекта факультативны.  
Наименованием объекта служит его географическое наименование (имя собственное, если оно есть), его условный код и/или идентификатор, присваиваемый пользователем или назначаемый системой.  
В зависимости от типа объекта его местоположение определяется парой (триплетом) координат (для точечного объекта) или набором координат, организованным определенным образом в рамках некоторой модели данных, о которых речь пойдет ниже. Это геометрическая часть описания данных, геометрия (метрика) рассматриваемых пространственных объектов, отличная от их семантики (непозиционных свойств).  
Перечень свойств соответствует атрибутам объекта, качественным и количественным его характеристикам, которые приписываются ему в цифровом виде пользователем, могут быть получены в ходе обработки данных или генерируются системой автоматически (к последнему типу атрибутов принадлежат, например, значения площадей и периметров полигональных объектов). Существует расширенное толкование понятия атрибута объекта; последнему могут быть поставлены в соответствие любые типы данных: текст, цифровое изображение, видео- или аудиозапись, графика (включая карту), что, по существу, реализуется на практике в мультимедийных электронных атласах. Под атрибутами понимаются именно содержательные, тематические (непозиционные, непространственные) свойства объектов.  
Под отношениями понимают прежде всего топологические свойства (топологию). К топологическим свойствам пространственного объекта принято относить его размерность (мерность, пространственную размерность), сообразно которой выше были выделены 0, 1, 2 и 3-мерные объекты; замкнутость, если речь идет о линейных объектах в широком смысле слова; связность; простота (отсутствие самопересечения линейных объектов и «островов» в полигоне); нахождение на границе, внутри или вне полигона; признак точечного объекта, указывающий, является ли он конечным для некоторой линии. Примерами топологических отношений объектов являются их свойства «пересекаться» (или «не пересекаться»), «касаться», «быть внутри», «содержать», «совпадать» .  
Топология вместе с геометрией образует тополого-геометрическую часть описания данных, его позиционную часть.  
Таким образом, в самом общем виде в пространственных данных следует различать и выделять три составные части: топологическую, геометрическую и атрибутивную — «геометрию», «топологию» и «атрибутику» цифровой модели пространственного объекта.  
Четкое разделение позиционных и непозиционных данных — историческая традиция, имеющая определенные технологические корни. Управление атрибутивной частью данных обычно возлагается на средства систем управления базами данных (СУБД), встроенных в программные средства ГИС или внешних по отношению к ним . В наиболее яркой форме оно реализовано в рассмотренной ниже векторной модели данных, атрибуты которой представлены таблицей, хранятся и управляются СУБД, поддерживающей реляционную модель данных, а их позиционная часть, связанная с атрибутивной через идентификаторы пространственных объектов, управляется другими средствами. Модели пространственных данных такого типа получили широкое распространение и наименование геореляционных. Будучи еще недавно практически единственной и став классической, геореляционная модель не выглядит достаточно изящной. Современной альтернативой этой модели является интегрированный подход, когда и атрибутивная, и тополого-геометрическая части данных хранятся и управляются в единой среде СУБД, а также объектный и объектно-реляционный подходы (и одноименные им типы моделей данных) .  
Объектно-ориентированный подход к моделированию пространственных объектов вводит также понятие их «пространственного поведения».  
Способы организации цифровых описаний пространственных данных принято называть моделями данных по традиции, унаследованной из теоретических обобщений проектирования систем управления базами данных. Они называются также цифровыми представлениями или просто представлениями пространственных данных.  
На концептуальном уровне все множество моделей пространственных данных можно разделить на три типа: модели дискретных объектов, модели непрерывных полей и модели сетей.

Типами (классами) моделей именуют  также модели, различающиеся по своему внутреннему устройству. В литературе существует множество классификаций  моделей и наименований конкретных моделей. Построить исчерпывающую  классификацию моделей пространственных данных вряд ли возможно: чуть ниже будет  показано, что особенности моделируемой предметной области и специфические  требования к функциональности ГИС  могут потребовать разработки и  использования весьма специальных  моделей данных. Кроме того, как  справедливо заметил Ю. К. Королев, «их нельзя расклассифицировать  по одной оси, они различаются  как бы «в разные стороны» . Тем не менее в практике геоинформатики уже достаточно давно определился набор базовых моделей (представлений) пространственных данных, используемых для описания объектов размерности не более двух (планиметрических объектов):  
• растровая модель;  
• регулярно-ячеистая (матричная) модель;  
• квадротомическая модель (квадродерево, дерево квадратов, квадрантное дерево, Q-дерево, 4-дерево);  
• векторная модель:  
• векторная топологическая (линейно-узловая) модель;  
• векторная нетопологическая модель (модель «спагетти»).

Это список рекомендуемых терминов для обозначения базовых моделей  данных. Он не включает модели, используемые для представления поверхностей (рельефов) и рассмотренные ниже в разделе о цифровом моделировании  рельефа, а также трехмерных расширений базовых моделей и специальных  типов моделей для особых объектов (например, геометрических сетей). Рассмотрим перечисленные модели более подробно.