Географические информационные системы

Следовательно, на уровне базовых  моделей ГИС, как и ОАСУ, применимы для решения разнообразых задач управления объектами, территориальными комплексами и т.д.

Выводы

Для эффективной работы ГИС необходимы обоснованный выбор  базовых моделей данных и создание интегрированной информационной основы.

Выбор моделей данных осуществляется при анализе области  применения ГИС.

Организация моделей  данных ГИС для управления позволяет решать задачи, которые прежде входили в сферу деятельности АСУ.

ГИС является системой более  широкого применения по сравнению с  АСУ. Она используется в областях, в которых АСУ не применялись, - это военное дело, навигация, экологический  мониторинг, разведка подземных ископаемых, анализ сетей и др.

 

4 Особенности организации данных  в ГИС

ГИС как системы обработки пространственно-временной  информации относятся к классу информационных систем. Они имеют общие, присущие всему классу, и индивидуальные, присущие только ГИС, свойства. К особенностям ГИС следует отнести наличие больших объемов хранимой в них информации. Кроме того, они отличаются специфичностью организации и структурирования моделей данных.

ГИС характеризуются  разнообразием графических данных со специфическими их частями и связями. В частности, карта может быть рассмотрена как двухмерная аналоговая модель, отображающая трехмерную поверхность.

Используя процедуры абстракции, определим  более общую модель геоинформационных  данных как абстракцию данных, которые содержатся на земной поверхности. Такой подход требует выделения основных типов данных и их многочисленных связей.

В разд. 3 в  качестве основного критерия анализа  взаимосвязи частей и построения базовых моделей данных использовалась структура. Этот же подход приемлем для построения моделей геоинформационных данных.

Напомним, что одной из основных моделей  в первых ГИС был набор имен и характеристик в сочетании со множеством именованных данных, местонахождение которых задается координатами. Эта простая модель не содержала каких-либо семантических данных, помогающих пользователю при работе с базами данных. Дальнейшие исследования привели к необходимости развития и усложнения такой модели. Другими словами, возникла потребность создания общей модели данных ГИС и ее основных частей для оптимальной обработки в базах данных и эффективного описания объектов.

Данные  реального мира, отображаемые в ГИС, можно рассматривать с учетом трех аспектов: пространственного, временного и тематического.

Пространственный аспект связан с определением местоположения, временной - с изменениями объекта или процесса с течением времени, в частности от одного временного среза до другого. Примером временных данных служат результаты переписи населения. Тематический аспект обусловлен выделением одних признаков объекта и исключением из рассмотрения других.

Все измеримые  параметры моделей геоинформационных  данных подпадают под одну из этих характеристик: место, время, предмет. Затруднительно исчерпывающим образом описать сразу все три эти характеристики. Поэтому при построении моделей данных на основе наблюдений явлений реального мира один параметр считают "неизменным", изменения другого "задаются" и при этом "измеряют" изменения третьего параметра.

Зафиксировав географическое положение и изменяя время, можно получить временные ряды данных. Зафиксировав время и изменяя географическое положение, получаем данные по профилям.

В большинстве  технологий ГИС для определения  места используют один класс данных - координаты, для определения параметров времени и тематической направленности - другой класс данных -атрибут ы.

Однако  прежде чем рассмотреть два основных класса данных в ГИС, необходимо рассмотреть  методы определения местоположения точек объектов на поверхности Земли.

4.1. Определение положения точек на поверхности Земли

Координатные данные, составляющие один из основных классов геоинформационных данных, используют для указания местоположения на земной поверхности.

Поверхность Земли имеет сложную форму. При  общей площади ее поверхности 510 млн. км^2 71 % приходится на дно морей и океанов и 29 % - на сушу. Это дает основание считать, что земная поверхность состоит из двух резко отличающихся морфологических элементов - материков и океанов.

С учетом того что поверхность вод Мирового океана занимает почти 3/4 поверхности Земли, за общую фигуру земли принимают тело, ограниченное поверхностью воды океанов. Такая поверхность называется уровненной. Потенциал силы тяжести на ней имеет одно и то же значение. Другими словами, эта поверхность везде перпендикулярна отвесной линии, т.е. везде горизонтальна.

Можно построить  семейство горизонтальных поверхностей. Поверхность, которая совпадает с поверхностью Мирового океана в состоянии покоя и равновесия и продолжена под материками, образует фигуру, принятую в геодезии за общую фигуру Земли, называемую геоид.

С помощью  методов дистанционного зондирования удалось установить, что Земля имеет грушевидную форму. В качестве математической модели Земли применяют эллипсоид, который в геодезии принято называть референц-эллипсоидом. В СССР до 1946 г. использовался эллипсоид, полученный Ф. Бесселем. В 1946 г. для обязательного использования был введен эллипсоид, вычисленный в ЦНИИГАиК в 1940 г. под руководством Ф.Н. Красовского при участии А. А. Изотова.

Для отображения  положения точек поверхности  на плоскости используют различные математические модели поверхности и различные системы координат. На практике применяют два основных типа координат: плоские и сферические Реже применяют криволинейные или полярные.

Выбор системы  координат зависит от размеров исследуемых  участков поверхности, как следствие, от влияния кривизны Земли. При изображении небольших участков Земли часть уровненной поверхности можно принять за плоскость. Такими участками будут участки до 20 км длиной и площадью до 400 км^2.

В этих случаях  применимы плоские координаты. Плоские декартовы координаты определяются заданием двух осей. При этом обычно координата Х указывает на восток, Y - на север. Задают масштабные отрезки. Упорядоченная пара (X, Y) определит положение точки в заданной системе.

Плоские полярные координаты используют расстояние от начала координат (r) и угол (j) от фиксированного направления. Направление обычно фиксируется на север, а угол отсчитывается по часовой стрелке от него. Полярные координаты удобны при проведении измерений от какой-либо заданной точки, например когда используются данные таких источников, как радарные съемки.

При необходимости  учета кривизны Земли применяют  пространственные системы координат.

Для определения  географической системы координат (разновидности сферической системы) введем следующие понятия:

• плоскость земного экватора - проходит через центр Земли перпендикулярно к оси вращения;

• плоскость географического (астрономического) меридиана - проходит через ось вращения Земли и отвесную линию в точке земной поверхности;

• меридиан — линия пересечения плоскостей географических меридианов с земной поверхностью;

• параллель - линия, образованная пересечением плоскости, параллельной плоскости земного экватора, с поверхностью Земли. Положение точки определяется широтой ( (р) и долготой ( X). Широта - это угол между точкой и экватором вдоль меридиана '. Она изменяется от -90 ° (южный полюс) до +90 ° (северный полюс).

Долгота - это угол в плоскости экватора между меридианом точки и главным (нулевым) меридианом, проходящим через Гринвич (Англия). Она изменяется от-180° (западная долгота) до+180° (восточная долгота).

Основными понятиями этой системы  координат являются: меридиан - линия постоянной долготы; параллель - линия постоянной широты;

большой круг - воображаемый круг на земной поверхности, образованный плоскостью, проходящей через центр земного шара;

малый круг - воображаемый круг на земной поверхности, образованный плоскостью, не проходящей через центр земного шара.

Рассмотренные системы координат  носят в большей степени теоретический характер. На практике используют более широкий набор систем координат [2]: геоцентрические, топоцентрические, полярные геодезические, эллиптические и др.

4.2. Координатные данные

Геометрически информация, содержащаяся на карте, может быть определена как  совокупность наборов точек, линий, контуров и площадей, имеющих метрические значения, отражающие трехмерную реальность. Эта информация образует класс координатных данных ГИС.

 Такое определение широты  не годится для эллипсоида.

Основные типы координатных моделей

 

Класс координатных моделей можно  разбить на типы. При этом следует учесть, что попытка включить в описание широкий набор групп приводит к усложнению базы данных и процессов обработки. В ГИС используют меньшее число атомарных моделей по сравнению с САПР.

В ГИС, как и в САПР, применяют  набор базовых геометрических типов  моделей, из которых создают все  остальные, более сложные. С учетом предметной области карт ограничиваются лишь описанием таких типов (структур географических данных), которые относятся к представлению топографии и к тематическому упорядочению.

В ГИС включают следующие основные типы координатных данных (рис. 4.1):

• точка (узлы, вершины);

• линия незамкнутая;

• контур (замкнутая линия);

• полигон (ареал, район) - группы примыкающих друг к другу замкнутых участков.

В некоторых системах в описание основных типов моделей включают понятие пространственная сеть, которая является развитием типа данных район. Контуры и линии часто объединяют общим термином - "линейные объекты". Таким образом, в разных ГИС число основных типов координатных моделей меняется от трех до пяти. Проводя сравнение с технологиями САПР, отметим, что основные типы координатных данных являются аналогами атомарных моделей в САПР, которые называют примитивами.

Приведенные выше понятия носят  концептуальный характер. На практике для построения реальных объектов используют большее число составных координатных моделей. В разных ГИС они незначительно отличаются, поэтому рассмотрим в качестве примера набор данных в системе ГеоДраф:

• точка - пара координат X, Y;

• отрезок - линия, соединяющая две точки;

• вершина (вертекс) - начальная или конечная точка отрезка;

• дуга (линия) - упорядоченный набор связных отрезков (или вершин);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• узел - начальная или конечная вершина дуги;

• висячий узел - узел, принадлежащий только одной дуге, у которой начальная и конечная вершины не совпадают;

• псевдоузел - узел, принадлежащий только двум дугам либо одной замкнутой дуге, у которой начальная и конечная вершины совпадают. Исключением является узел, принадлежащий двум дугам, одна из которых самозамкнута в этом узле, а другая примыкает к ней (такой узел является нормальным);

• нормальный узел - узел, принадлежащий трем (и более) дугам. Нормальным также является узел, принадлежащий двум дугам, одна из которых самозамкнута в этом узле, а другая примыкает к ней;

• висячая дуга - дуга, имеющая висячий узел;

• замкнутая дуга - дуга, у которой совпадают начальная и конечная вершины (у такой дуги имеется только один узел);

• полигон - единичная область, ограниченная (находящаяся внутри) замкнутой дугой или упорядоченным набором связных дуг, которые образуют замкнутый контур;

• покрытие - набор файлов, фиксирующий в виде цифровых записей пространственные объекты (точки, дуги , полигоны) и структуру отношений между ними;

• пустое покрытие - покрытие, в котором отсутствуют пространственные объекты;

• слой - покрытие, рассматриваемое в контексте его содержательной определенности (растительность, рельеф, административное деле-йие и т.п.) или его статуса в среде редактора (активный слой, пассивный слой);

• внутренний идентификатор пространственного объекта - целое число, являющееся служебным идентификатором системы (уникальное для йждого объекта данного покрытия и назначаемое автоматически в процессе работы редактора). Может изменяться системой в процессе работы;

• пользовательский идентификатор (внутренний ключ) пространственного объекта - целое число, служащее для связи объектов цифровой карты с базой (таблицами) тематических данных. Назначается и изменяется только пользователем.

На рис. 4.2 показаны основные из рассмотренных элементы векторных данных ГИС.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Точечные объекты. Простейший тип  пространственного объекта задают точечные данные, к которым относятся  не только точки, но и все точечные условные знаки. Выбор объектов, представляемых в виде точек, зависит от масштаба карты или исследования. Например, на крупномасштабной карте точками показываются отдельные строения, а на мелкомасштабной карте - города.

Особенность точечных объектов состоит  в том, что они хранятся и в  виде графических файлов, как другие пространственные объекты, и в виде таблиц, как атрибуты. Последнее обусловлено тем, что координаты каждой точки описывают как два дополнительных атрибута. В силу этого информацию о наборе точек можно представить в виде развернутой таблицы или таблицы, содержащей помимо координат наборы атрибутов (идентификационные номера, тематические характеристики и т.д.). В таких таблицах каждая строка соответствует точке - в ней собрана вся информация о данной точке. Каждый столбец - это признак, содержащий типизированные данные: координаты или атрибуты. Каждая точка независима от всех остальных точек, представленных отдельными строками.

Линейные объекты. Они широко применяются для описания сетей, для которых в отличие от точечных объектов характерно присутствие топологических признаков.

Любая сеть состоит из узлов (вершин) - соединений, концов обособленных линий и звеньев (дуг) - цепей в модели базы данных.

Для каждого узла существует специальная  характеристика, называемая валентностью, определяемая количеством звеньев в нем. Концы обособленных линий одновалентны. Для уличных сетей (пересечения типа "крест") наиболее характерны четырехвалентные узлы. В гидрологии чаще всего встречаются трехвалентные узлы.