Тема 2 Организация информации в ГиЗИС

Виды информации. Позиционная и семантическая составляющая пространственных данных. Форма предоставления пространственных данных. Типы пространственных объектов: точки, линии, полигоны, поверхности (рельеф). Модели пространственных данных.

Конкретизируя термины "данные", "информация", "знания", применительно к оперированию ими в информационной системе, можно отметить, что, имея много общего, эти понятия различаются по своей сути.

Под данными понимается совокупность фактов, известных об объектах, либо результаты измерения этих объектов. Данные, используемые в ГИС, отличаются высокой степенью формализации. Данные - это как бы строительный элемент в процессе создания информации, поскольку она получается в процессе обработки данных.

Применительно к ГИС под информацией понимается совокупность сведений, определяющих меру наших знаний об объекте.

В таком контексте знания можно рассматривать как результат интерпретации информации. Наиболее общее определение: знание – результат познания действительности, получивший подтверждение в практике. Научное знание отличается своей систематичностью, обоснованностью и высокой степенью структуризации.

Информационные системы можно рассматривать как эффективный инструмент получения знаний.

Различия между терминами «данные», «информация» и «знания» прослеживаются в истории развития технических систем, так вначале появились банки данных, позднее информационные системы, затем появились системы, основанные на знаниях - интеллектуальные системы (экспертные системы).

В настоящее время на рынке программных продуктов представлено несколько видов систем, работающих с пространственно распределенной информацией, к ним в частности, относятся системы автоматизированного проектирования, автоматизированного картографирования и ГИС. ГИС по сравнению с другими автоматизированными системами обладают развитыми средствами анализа пространственных данных.

При организации базы данных различают:

• тип данных [картографические и атрибутивные (описатель­ные)];

• форму предоставления пространственных данных (векторную, растровую, трехмерную);

• структуру данных (топология и слои);

• модель базы данных (иерархические, сетевые, реляционные, гиб­ридные).

Существует два главных типа данных в ГИС: картографические и атрибутивные (описательные).

Картографические данные — это картографическая информа­ция, хранящаяся в цифровой форме. Данные формируются по географическим объектам, описываемым на карте. Можно классифицировать на точки линии и полигоны.

Точечные объекты – это такие объекты, каждый из которых расположен только в одной точке пространства, представленной парой координат X, Y. В зависимости от масштаба картографирования, в качестве таких объектов могут рассматриваться дерево, дом или город.

Линейные объекты, представлены как одномерные, имеющие одну размерность – длину, ширина объекта не выражается в данном масштабе или не существенна. Примеры таких объектов: реки, границы муниципальных округов, горизонтали рельефа.

Полигоны (Области) – площадные объекты, представляются набором пар координат (Х, У) или набором объектов типа линия, представляющих собой замкнутый контур. Такими объектами могут быть представлены территории, занимаемые определенным ландшафтом, городом или целым континентом.

Дополнительные непространственные данные об объектах образуют набор атрибутов.

Атрибутивные данные - это качественные или количественные характеристики пространственных объектов, выражающиеся, как правило, в алфавитно-цифровом виде.

Примеры таких данных: географическое название, видовой состав растительности, характеристики почв и т.п.

Общее цифровое описание пространственного объекта включает: наименование; указание местоположения; набор свойств; отношения с другими объектами.

Выделяют три группы признаков (характеристик) описания объектов: идентификационные, классификационные, выходные.

Идентификационные служат для однозначного определения местарасположения объекта на карте и его опознания (его географическое название, координаты, род объекта и др.).

Классификационные служат для количественного и качественного описания объекта, и используют для получения справок об объектах. Они являются основой для получения производных характеристик путем математической обработки (качественный и количественный анализ, моделирование).

Выходные содержат информацию об источниках и датах получения соответствующих данных по каждой из характеристик для любого объекта. Назначением данной группы признаков является обеспечение возможности определения достоверности поступающей информации.

Природа пространственных и атрибутивных данных различна, соответственно различны и методы манипулирования (хранения, ввода, редактирования, поиска и анализа) для двух этих составляющих геоинформационной системы. Одна из основных идей, воплощенных в традиционных ГИС - это сохранение связи между пространственными и атрибутивными данными, при раздельном их хранении и, частично, раздельной обработке.

Однотипные объекты по пространственному и тематическому признакам объединяются в слои цифровой карты, которые рассматриваютсякак отдельные информационные единицы, при этом существует возможность совмещения всей имеющейся информации

При выполнении пространственных запросов атрибутика по­могает более точно идентифицировать объект. Можно организовывать выбор объектов на карте посредством запросов к атрибутивной таблице, так как выделение графических объектов связано с выделением их атрибутивных записей.

Идентификаторы предназначены для осуществления связи картографических и атрибутивных данных, так как в большинстве ГИС эти характеристики объектов обрабатываются раздельно. Пользователь может указать на объект, например курсором, и сис­тема определит его идентификатор, по которому найдет относя­щиеся к объекту одну или несколько баз данных и, наоборот, по информации в базе определит графический объект.

Как отмечалось, пространственные данные в современных ГИС представлены в двух основных формах: векторной и растро­вой.

Векторная структура данных основывается на представлении пространственных объектов в виде набора координатных пар (векторов), описывающих геометрию объектов в виде точек, линий и плоских замкнутых фигур.

Растровая структура данных предполагает представления данных в виде двухмерной сетки, каждая ячейка которой содержит только одно значение, характеризующее объект, соответствующий ячейке растра на местности или на изображении. В качестве такой характеристики может быть код объекта (лес, луг и т.д.) высота или оптическая плотность.

Точность растровых данных ограничивается размером ячейки. Такие структуры являются удобным средством анализа и визуализации разного рода информации.

Векторные модели используют в ГИС для предоставления ин­формации, которую в дальнейшем нужно обрабатывать (обнов­лять, корректировать, удалять). Растровые модели используют в качестве подложки для дальнейшей векторизации картографичес­кого изображения.

Растровая модель дает информацию о том, что расположено в той или иной точке территории, а векторная модель — о том, где расположен тот или иной объект.

Растровые модели — это самые простые из всех имеющихся, в которых данные о районе можно представить как набор отдельных картографических слоев, т. е. как набор данных, характеризующих один показатель для каждой позиции в пределах ограниченного географического ареала. В одном слое каждая пространственная позиция характеризуется лишь одним элементом информации, при наличии нескольких элементов требуется создать несколько слоев. Типичные растровые базы данных содержат до 100 слоев (матрица, сетка, растр, массив), обычно имеющих сотни тысяч ячеек.

Характерные показатели слоя — его разрешение, ориентация и зона (зоны).

Под разрешением понимают (обычно прямоугольный) линей­ный размер наименьшего участка географического пространства, для которого имеются данные.

Ориентация — это угол между направлением на север и поло­жением колонок растра.

Зона картографического слоя включает соседствующие друг с другом ячейки, имеющие одинаковое значение. Это могут быть: участки землевладения; административно-территориальные еди­ницы (регионы, муниципальные образования); озера или острова; ареалы типов почв или растительности и т. д.

Основные характеристики зоны — ее значение и положение. Значение — это элемент информации, хранящийся в данном слое для соответствующей ячейки (или элемента растра). Положение обычно задается упорядоченной парой координат (номер строки и номер столбца), которые однозначно определяют положение каж­дого элемента географического пространства в растре (ячейка, элемент растра, ячейка сети).

Векторная модель ГИС базируется на векторах (в отличие от занимающих все пространство растровых структур). Основной элемент этих ГИС — точка, а объекты создаются путем соедине­ния точек прямыми линиями. В некоторых системах точки можно соединять, используя дуги окружностей. Ареалы (полигоны) зада­ются наборами линий.

Векторные данные исторически используются в большинстве систем ГИС и CAD для предоставления информации, которая имеет объектную природу и нуждается в анализе путем манипули­рования. Объекты хранятся в виде точек и линий, связанных гео­метрически и математически. Эти связи означают, что информа­ция может толковаться как серия индивидуальных точек, на ос­нове которой также можно образовывать новые сложные струк­туры данных. Наличие атрибутов позволяет интерпретировать информацию, например, формировать базы данных по типу почв, характеристикам гидрологической сети или жилых строе­ний. Такая информация обычно хранится в сопутствующих базах данных.

Крупные векторные базы данных преобладают в транспортных, коммунальных, маркетинговых приложениях ГИС.

В ГИС, применяемых в системе управления земельными ресур­сами, используются как растровые, так и векторные модели.

Создание базы векторных данных включает следующие этапы:

ввод пространственных данных путем сканирования линий с последующей векторизацией или непосредственно из других циф­ровых источников;

ввод данных об атрибутах;

увязка пространственных и атрибутных данных.

Аналитические функции векторной ГИС выше аналогичных функций растровой ГИС по следующим причинам:

• больше операций производится с объектами;

• размеры, например площадь, вычисляются по координатам объектов, а не путем подсчета ячеек;

• вычисление площади по полигонам дает большую точность, чем подсчет элементов растра;

• вычисление периметра более точно, чем подсчет границ эле­ментов растра на ребре зоны.

При этом скорости проведения операций векторной и растро­вой ГИС также разнятся. Например, наложение слоев, нахожде­ние буферных зон производятся медленнее в векторной ГИС, а нахождение маршрута по сети дорог — быстрее.

Важнейшей современной тенденцией являются соединение ра­стровых и векторных систем, показ векторных данных, наложен­ных на растровую основу. При этом источником растровых дан­ных может быть файл ГИС (например, изображение, полученное с помощью дистанционных методов, или файл сканирования плос­кого изображения).

С помощью векторных и растровых ГИС можно сформировать зоны: охранную вокруг озер и водотоков, шумового загрязнения вдоль дорог, транспортной напряженности, загрязнения подзем­ных вод вокруг свалки отходов и пр.

Анализируют растровые и векторные ГИС по следующим по­казателям: точность координат, скорость аналитической обработ­ки, потребности в массовой памяти.

Точность растра не позволяет отобразить объекты, размеры ко­торых меньше 5 м, например пожарные краны, объекты ливневой канализации, опоры ЛЭП. Кроме того, такая точность не отвечает потребностям лиц, имеющих дело с различными устройствами. С другой стороны, точность в 5 м позволяет избежать сколько-ни­будь значительной потери информации о большинстве природных объектов.

Определение расположения координат в растровых форматах затруднено, а точность связки составляет 1/2 ширины и высоты ячейки.

Точность вектора может кодироваться с любой степенью точ­ности и ограничивается возможностями метода внутреннего пред­ставления координат. Обычно для представления используют 8 или 16 десятичных знаков (одинарная или двойная точность).

Точность вектора соответствует группам данных, полученных:

точной съемкой (координатная геометрия);

с карт небольших участков, составленных по топографическим координатам.

Для немногих природных объектов характерны четкие гра­ницы, которые можно представить в виде линий, определенных математически. Почвы, типы растительности, склоны, место­обитания диких животных — все эти объекты не имеют четких границ.

В растровых форматах возможна быстрая обработка данных для решения таких аналитических задач, как наложение, опре­деление соседства, логические запросы; определение относительного положения в различных слоях не требует никаких вы­числений.

Условия хранения данных разнятся при растровой и векторной системах. Простейший метод хранения растровых данных — при­менение одной позиции (т. е. один-два байта памяти) для каждой ячейки. Это неэффективный метод, хотя его и применяют в неко­торых системах. В таких системах существуют строгие ограниче­ния числа рабочих строк и столбцов.

Кроме того, необходимы различные методы сжатия файлов, наиболее распространенный из которых — групповое кодирова­ние. Степень сжатия зависит от пространственной изменчивости данных. При обработке очень сложных данных групповое кодиро­вание дает отрицательный результат. Упаковка и распаковка дан­ных дают лишь небольшое преимущество по сравнению с их поячейным хранением.

Хранение векторных данных имеет следующие особенности:

• для хранения простых полигонов требуются очень малые объе­мы памяти;

• необходимые объемы памяти зависят от сложности объектов, а также от точности координат (одинарная или двойная);

• объемы памяти зависят также и от того, какие взаимосвязи объектов хранятся в базе данных.

В некоторых системах хранят лишь малое число взаимосвязей, при этом требуется небольшой объем памяти, а другие взаимосвязи при необходимости рассчи­тывают. Другие системы имеют более совершенные модели базы данных, хранят большое число взаимосвязей, требуют для этого больших объемов памяти.

В целом векторные системы используют меньший объем мас­совой памяти по сравнению с растровыми системами, разрешение которых сопоставимо с векторными.

В векторных форматах обычно хранятся данные координатной геометрии (топографические записи) и данные об административ­но-правовых границах.

Если свойства объекта описаны в растровом формате, то доста­точно сложно создать целостный объект из отдельных ячеек, на­пример, соединить ячейки, расположенные вдоль дороги.

В растровых форматах используются ячейки одинакового раз­мера, поэтому растр организует географическое пространство в за­данной последовательности, обеспечивает последовательное до­стижение реальной. Точечный объект должен занимать целую ячейку, это создает ряд трудностей при установлении их местона­хождения.

В векторной форме можно организовать пространство в любой последовательности, что обеспечивает произвольный доступ к данным.

С помощью сочетания растра и вектора, позволяющего объеди­нить лучшие характеристики обоих подходов, можно хранить данные в векторной форме, а обрабатывать в растровой. Для этого необходим эффективный алгоритм перевода из растрового форма­та в векторный и наоборот. Это позволяет сэкономить компью­терное время и объем массовой памяти.

Можно также использовать системы, в которых растровый и векторный анализ могут осуществляться параллельно, например при установке растровой и векторной систем в одном персональ­ном компьютере с использованием функций преобразования в од­ной или в обеих системах. Также этот способ возможен при нало­жении векторной карты участков с различным типом использова­ния земель на аэроснимок для более точного дешифрирования. Затем этот снимок может быть использован для корректировки векторной карты ареалов растительности.