Геоинформационной системы в современном обществе

  Представление пространственных объектов реальной действительности основано на следующих допущениях:

• пространственные данные состоят из цифровых представлений реально существующих дискретных пространственных объектов;
• свойства, показанные на карте, например, озера, здания, контуры должны пониматься как дискретные объекты;
• содержание карты может быть зафиксировано в базе данных  путем превращения свойств карты в пространственные объекты;
• многие свойства, которые показаны на карте, на самом деле виртуальны. Например,  контуры или границы реально не существуют, но здания и озера – реальные объекты.

      Множество цифровых данных о пространственных объектах образует пространственные данные. Пространственные данные состоят из двух взаимосвязанных частей: позиционной и непозиционной составляющей данных, иначе говоря, описания пространственного положения и тематического содержания данных. При этом выделяются соответственно   тополого-геометрические и атрибутивные данные. В самом общем виде в пространственных данных следует различать и выделять три составные части: топологическую, геометрическую и атрибутивную.  В настоящее время сформировалось два различных подхода к определению понятия «пространственные данные» [2]. В первом случае под пространственными данными понимаются цифровые данные об объектах реальности (местности, территории, акватории и т.п.), которыми оперируют при создании геоинформационной системы. Во втором случае термин «пространственные данные» понимается в более широком смысле слова, включая в себя не только данные в первом значении, но все «пространственно-координированные данные» (цифровые изображения, цифровые карты, каталоги  координат пунктов опорной геодезической сети и т.п.).  Термин «пространственные данные» имеет несколько синонимов, употребляемых в обоих значениях. Первый из них (по частоте употребления)- «географические данные» - может претендовать на роль стандартизованного, наряду с «пространственными данными». К менее распространенным относятся «геоданные», «геоинформационные данные» и «геопространственные данные», имеющие свою концептуальную схему в организации [рис. 2]. 

     
 
 
 
 
 

               

             Рис. 2. Концептуальная схема организации данных в ГИС [11]

   Перечень  элементарных пространственных объектов (основные метрические и тополого-геометрические примитивы), которыми оперируют современные ГИС, выглядит следующим образом:

• Точка син. точечный объект;
• Линия син. линейный объект;

• Полигон син. полигональный объект, многоугольник, контурный объект, область;

• Поверхность син. Рельеф;
• Тело;
• Пиксел син. пиксель, пэл;
• Ячейка (регулярной сети).

Выбор способа организации данных в  ГИС, и, в первую очередь, модели

данных, т.е. способы цифрового описания пространственных объектов, значительно  важнее, чем выбор программного продукта, поскольку напрямую определяет функциональные возможности создаваемой ГИС и применимость или иных технологий ввода информации.

    От  типа модели данных зависит как пространственная точность представления графической  части информации, так и возможность  получения качественного картографического материала и организации контроля карт. Для облегчения работы и получения наиболее удачного варианта проекта карты, применяется выборка, определяющаяся  темой [рис. 3].

      
 
 
 
 
 

     Рис. 3. Пространственная выборка (уточнение территории) [2]

Содержание  базы пространственных данных включает:

1) цифровые  версии реально существующих  объектов (например, зданий);

2) цифровые  версии искусственно выделенных  свойств карты (например, контуры);

3) искусственные  объекты, созданные специально  для целей построения базы данных (например, пиксели).

Разновидность непрерывных свойств:

1) некоторые  свойства пространственных объектов  существуют повсеместно, изменяются  непрерывно над земной поверхностью  (высота, температура, атмосферное давление) и не имеют реально представленных границ.

Компоненты  пространственных данных:

- расположение: пространственные данные вообще часто называются данными о размещении;

- пространственные отношения: взаимосвязи между пространственными объектами описываются как пространственные отношения между ними;

- атрибуты: атрибуты фиксируют тематические описания, определяя различные характеристики объектов;

     - время: временная  изменчивость фиксируется разными способами:

1) интервалом  времени, в течение которого  существует объект;

2) скоростью  изменчивости объектов;

3) временем  получения значений свойств.

   2.2. Геоинформационные  структуры и модели  данных

   Для визуализации геоинформационной структуры  используют

   растровые и векторные модели данных [рис. 4].

                          

    Рис. 4. Растровая и векторная модели пространственных данных [2]

        В растровых моделях данных, в отличие от векторных, нет объектов как обособленных сущностей, в них объекты понимаются как области однородных характеристик. Растровые данные всегда обладают собственной системой координат: каждый пиксел адресуется номером ряда и столбца, на пересечении которых он расположен. Для всякого растрового изображения известны его размеры по горизонтали и вертикали. При использовании растра в качестве подложки для векторных цифровых карт производится так называемое трансформирование растра, обеспечивающее совмещение обоих изображений. При трансформировании выполняется преобразование координат пикселов из пиксельной системы координат в систему координат карты.

        Векторные модели данных. Модель данных имеет в основе так называемую линейно-узловую топологию, или структуру узлов и дуг. Дуги являются основным (базовым) типом линейных объектов, узлы – это специальный тип точечных объектов, существующий совместно с дугами. В основе линейно-узловой структуры [рис. 5] лежит принцип последовательного конструирования линейных объектов из точечных и площадных из линейных. Так, два несовпадающих узла определяют начальную и конечную точки одного линейного объекта (дуги), при этом они могут также соединяться с одной или несколькими другими дугами.

 
 
 
 

                

          

                  Рис. 5. Пространственные объекты линейного типа [7]

Узел – это либо свободное окончание или начало каждой дуги,

или точка  пересечения дуг.

Дуга – это самостоятельный линейный объект, состоящий, как

минимум, из двух узлов – начального и  конечного.

       Топология - одна из ключевых концепций ГИС. Это пространственные взаимоотношения межу смежными и близлежащими объектами. Топология отражается в структуре данных. Топологические

структуры более предпочтительны [pис. 6].

Типы  топологий:

1. Линейно-узловые топологические отношения;

2. Объектные  топологии:

• внутриобъектные топологические отношения;
• Межобъектные топологические отношения;
• Узловые топологические отношения;
• Межобъектные топологические отношения в пределах одного слоя;
• Межслойные топологические отношения между объектами.

3. Топологические  межобъектные ресурсные связи;

4. Концептуальные  топологические отношения (отношения  между

классами  объектов, или логические связи).

     

         Рис. 6. Топологическое представление векторных объектов

Рассмотрим  преимущества растровой и векторной  моделей.

          Растровая модель:

• картографические проекции просты и точны, т.е. любой объект

неправильной формы описывается с точностью до одной ячейки растра;

• непосредственное соединение в одну картину снимков дистанционного

зондирования (спутниковые изображения или  отсканированные аэрофотоснимки);

• поддерживает большое разнообразие комплексных пространственных

исследований;

• программное обеспечение для растровых ГИС легче освоить и оно более

дешевое, чем для векторных ГИС.

      Векторная модель:

• Хорошее визуальное представление географических ландшафтов.
• Топология местности может быть детально описана, включая

телекоммуникации, линии электропередач, газо- и нефте-трубопроводы.

• Превосходная графика, методы которой детально моделируют реальные

объекты.

• Отсутствие растеризации (зернистости) графических объектов при

масштабировании зоны просмотра [рис. 7].

   

       Рис. 7. Сопоставление растровой и векторной моделей данных

Выделим преимущества растровой и векторной моделей данных.

Растровая модель:

     1) простая структура данных;

     2) эффективные оверлейные операции;

     3) работа со сложными структурами; 

     4) работа со снимками.

Векторная модель:

     1) компактная структура; 

     2) топология; 

     3) качественная графика.

     2.3. Классификация и функциональные подсистемы ГИС

     ГИС системы разрабатываются с целью решения научных и прикладных задач по мониторингу экологических ситуаций, рациональному использованию природных ресурсов, а также для инфраструктурного проектирования, городского и регионального планирования, для принятия оперативных мер в условиях чрезвычайных ситуаций и др. Множество задач, возникающих в жизни, привело к созданию различных ГИС, которые могут классифицироваться по следующим признакам:

       По функциональным возможностям:

- полнофункциональные ГИС общего назначения;

- специализированные ГИС ориентированы на решение конкретной задачи в какой либо предметной области;

- информационно-справочные системы для домашнего и информационно-справочного пользования.