В каких гис цифровое представление географических объектов формируется в виде совокупности пикселей

Обновлено: 07.07.2024

Любая географическая информация обрабатываются в ГИС с помощью трех начальных структур данных:

Классы пространственных объектов
Атрибутивные таблицы
Растровые наборы данных

Каждый из этих основных типов данных может быть расширен за счёт дополнительных возможностей для поддержания целостности данных (например, используя топологию), для моделирования географических отношений (связности сети или поток) или для добавления расширенного поведения.

В любой ГИС есть наборы данных

Обычно ГИС используется для обработки нескольких разных наборов данных, каждый из которых содержит данные об определенном наборе пространственных объектов (например, дорожная сеть), географически привязанном к земной поверхности.

Дизайн базы данных ГИС основан на сериях тем с данными, каждая из которых имеет определенное географическое представление. Например, отдельные географические элементы могут быть представлены как пространственные объекты (точки, линии и полигоны), как растровые изображения или как поверхности с помощью пространственных объектов, растров и TIN, а также в виде хранящихся в таблицах описательных атрибутов.

В ГИС однородные коллекции географических объектов организованы по таким темам с данными, как земельные участки, колодцы, строения, ортофотоизображения и основанные на растрах цифровые модели рельефа (ЦМР). Точное и простое определение географических наборов данных очень важно для полезности географических информационных систем, а концепция слоёв тем данных - важная концепция ГИС.

Наборы данных ГИС - это логические коллекции географических объектов

Набор данных — это собранный по темам набор однородных пространственных объектов.

Географические представления организованы в серии наборов данных или слоев. Большинство наборов данных представляют собой наборы таких простых географических элементов, как дорожная сеть, набор границ земельных участков, типы почв, поверхность рельефа, спутниковые изображения от определенной даты, местоположения колодцев и т.д.

В ГИС наборы пространственных данных обычно организованы как наборы данных классов пространственных объектов или основанные на растрах наборы данных.

Многие темы данных лучше всего представляются в виде одного набора данных, например, типы почв или колодцы. Другие темы, такие как дорожно-транспортная сеть, лучше представлять несколькими наборами данных (отдельные классы пространственных объектов для улиц, перекрестков, мостов, железных дорог и т.д.). Например, транспортная сеть может быть представлена в виде нескольких классов пространственных объектов улиц, пересечений улиц, мостов, съездов на автомагистралях, железных дорог и т. д. В таблице ниже показано, как рельеф можно представить с помощью нескольких наборов данных.

Наборы растровых данных используются для представления пространственно привязанных изображений, а также непрерывных поверхностей высот, уклонов и аспектов.

Крупные водные объекты

Центральные линии дорог

Высота земной поверхности

Растры рельефа с отмывкой

Записи о стоимости земельных участков

Тематические слои становятся наборами данных. Это ключевой принцип организации в базе данных ГИС.

Каждая ГИС стала содержать множество тем для общей географической территории.

Набор тем работает как комплект слоёв. С каждой темой можно работать как с набором информации, независимым от других тем. У каждой есть свое представление (в виде набора точек, линий, полигонов, поверхностей, растров и т.д.).

Так как слои пространственно привязаны, они налагаются друг на друга и их можно комбинировать в общем отображении карты. Кроме того, такие инструменты ГИС-анализа, как наложение полигонов, могут агрегировать информацию из нескольких слоев данных, чтобы выявлять производные пространственные отношения и работать с ними.

Любая эффективная база данных ГИС будет наследовать эти общие принципы и концепции. Для каждой ГИС требуется механизм для описания географических данных в этих терминах, а также обширный инструментарий для использования, управления и обеспечения общего доступа к этой информации.

Как пользователи ГИС работают с географической информацией

Существует два основных способа работы с географическими данными:

В качестве наборов данных, однородные коллекции географических объектов, растров и атрибутов организованы по таким темам с данными, как земельные участки, колодцы, строения, ортофотоизображения и основанные на растрах цифровые модели рельефа (ЦМР)
В качестве отдельных элементов или поднаборов, такие отдельные пространственные объекты, растры и значения атрибутов содержатся в отдельных наборах данных

Работа с наборами данных ГИС

В ArcGIS однородные коллекции географических объектов организованы по таким темам с данными, как земельные участки, колодцы, строения, ортофотоизображения и основанные на растрах цифровые модели рельефа (ЦМР).

Многие выполняемые в ArcGIS операции работают с наборами данных как входными данными или создают новые наборы данных на выходе. Наборы данных также чаще всего используются для обеспечения общего доступа к данным пользователям ГИС.

Наборы данных предоставляют первичные источники информации для всего описанного ниже:

Карты, глобусы, 3D сцены: на них географическая информация принципиально отображается как серии слоев карты. Каждый слой карты ссылается на определенный набор данных ГИС и используется для отображения и надписывания наборов данных. Таким образом, слои карты ''оживляют'' наборы данных ГИС.

Слои на 2D картах и 3D сценах используются для отображения и надписывания наборов данных ГИС. Таким образом, на карте есть слои городов, автострад, региональных и государственных границ, рек и озер. Каждый из этих слоёв используется для изображения набора данных ГИС.

Геообработка помогает автоматизировать многие задачи как серии операций, чтобы их можно было запустить за один раз. Это позволяет создать повторяемый, хорошо документированный рабочий процесс по обработке данных.

Пользователи работают с наборами данных ArcGIS также и для выполнения пространственного анализа.

Эта модель показывает, как найти и проранжировать возможные места для обустройства новых парков. В подходящих местах должна быть высокая численность населения, и они не должны находиться поблизости от существующих парков.

Работа с отдельными пространственными объектами и элементами наборов данных

Помимо работы с наборами данных, пользователи также работают с отдельными элементами, содержащимися в наборах данных. Эти элементы включают отдельные пространственные объекты, ряды и столбцы атрибутивных таблиц и отдельные ячейки наборов растровых данных. Например, если вы щёлкаете мышкой и идентифицируете отдельный земельный участок, то вы работаете с отдельным элементом набора данных:

При редактировании пространственных объектов вы работаете с отдельными элементами данных — как в данном примере с редактированием осевых линий дорог:

При работе с таблицами используется описательная информация, содержащаяся в строках и столбцах, как показано ниже:

Геоинформационные технологии можно определить как совокупность программно-технологических средств получения новых видов информации об окружающем мире. Геоинформационные технологии предназначены для повышения эффективности: процессов управления, хранения и представления информации, обработки и поддержки принятия решений.

Содержание

1. Введение…………………………………………………………………………. 3
2. Понятие геоинформационной системы (ГИС)………………………. 5
3. История развития геоинформационных систем……………………………..….6
4. Составные части ГИС…………………………………………………………. 11
5. Классификация ГИС……………………………………………………………..12
6. Функциональные подсистемы ГИС и их характеристика…………………….15
7. Области применения геоинформационных систем……………………………16
8. Заключение……………………………………………………………………….20
9. Библиографический список………………………

Работа содержит 1 файл

Курсовая по ГИС.doc

Программное обеспечение Гарвардской лаборатории широко распространялось и помогло создать базу для развития многих ГИС-приложений. Именно в этой лаборатории Дана Томлин заложила основы картографической алгебры, создав знаменитое семейство растровых программных средств Map Analysis Package.

Благодаря работам Гарвардской лаборатории в области компьютерного картографирования была окончательно закреплена ведущая роль, которую играют картографические модели данных, картографический метод исследований, картографические способы представления информации в современных геоинформационных системах.

В конце 60х годов в США сформировалось мнение о необходимости использования ГИС - технологий для обработки и представления данных Национальных Переписей Населения.

Потребовалась методика, обеспечивающая корректную географическую "привязку" данных переписи. Основной проблемой стала необходимость конвертирования адресов проживания населения, присутствовавших в анкетах переписи, в географические координаты таким образом, чтобы результаты переписи можно было бы оформлять в виде карт по территориальным участкам и зонам Национальной переписи.

Был разработан специальный формат представления картографических данных DIME, для которого были определены прямоугольные координаты перекрестков, разбивающих улицы всех населенных пунктов США на отдельные сегменты.

Таким образом, в этой разработке впервые был широко использован топологический подход к организации управления географической информацией, содержащий математический способ описания пространственных взаимосвязей между объектами

Создание, государственная поддержка и обновление DIME-файлов стимулировали также развитие экспериментальных работ в области ГИС, основанных на использовании баз данных по уличным сетям:

автоматизированные системы навигации
системы вывоза городских отходов и мусора
движение транспортных средств в чрезвычайных ситуациях и т.д.

Одновременно на основе этой информации была создана серия атласов крупных городов, содержащих результаты переписи 1970 года, а также большое количество упрощенных компьютерных карт для маркетинга, планирования розничной торговли и т.д.

Пользовательский период поздние 1980 - настоящее время:

В этот период пример нового отношения к пользователям показали разработчики и владельцы геоинформационного программного продукта GRASS для рабочих станций, созданного американскими военными специалистами для задач планирования природопользования и землеустройства.

Они открыли GRASS для бесплатного пользования, включая снятие авторских прав на исходные тексты программ. В результате, пользователи и программисты могут создавать собственные приложения, интегрирую GRASS с другими программными продуктами.

Насыщение рынка программных средств для ГИС, в особенности, предназначенных для персональных компьютеров резко увеличило область применения ГИС-технологий.

Это потребовало существенных наборов цифровых геоданных, а также необходимости формирования системы профессиональной подготовки и обучения специалистов по ГИС. [3]

Составные части ГИС

Работающая ГИС включает в себя пять ключевых составляющих: аппаратные средства, программное обеспечение, данные, исполнители и методы.

Аппаратные средства. Это компьютер, на котором запущена ГИС. В настоящее время ГИС работают на различных типах компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров.

Программное обеспечение ГИС содержит функции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации. Ключевыми компонентами программных продуктов являются: инструменты для ввода и оперирования географической информацией; система управления базой данных (DBMS или СУБД); инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения); графический пользовательский интерфейс (GUI или ГИП) для легкого доступа к инструментам.

Данные. Это вероятно наиболее важный компонент ГИС. Данные о пространственном положении (географические данные) и связанные с ними табличные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем, либо приобретаться у поставщиков на коммерческой или другой основе. В процессе управления пространственными данными ГИС интегрирует пространственные данные с другими типами и источниками данных, а также может использовать СУБД, применяемые многими организациями для упорядочивания и поддержки имеющихся в их распоряжении данных

Исполнители. Широкое применение технологии ГИС невозможно без людей, которые работают с программными продуктами и разрабатывают планы их использования при решении реальных задач.

Пользователями ГИС могут быть как технические специалисты, разрабатывающие и поддерживающие систему, так и обычные сотрудники (конечные пользователи), которым ГИС помогает решать текущие каждодневные дела и проблемы.

Методы. Успешность и эффективность (в том числе экономическая) применения ГИС во многом зависит от правильно составленного плана и правил работы, которые составляются в соответствии со спецификой задач и работы каждой организации. [4]

Классификация 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 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.

Функциональные возможности ГИС определяются также архитектурным принципом их построения:

- закрытые системы - не имеют возможностей расширения, они способны выполнять только тот набор функций, который однозначно определен на момент покупки.

- открытые системы отличаются легкостью приспособления, возможностями расширения, так как могут быть достроены самим пользователем при помощи специального аппарата (встроенных языков программирования).

По пространственному (территориальному) охвату:

- локальные (в том числе муниципальные).

По проблемно-тематической ориентации:

- экологические и природопользовательские;

- отраслевые (водных ресурсов, лесопользования, геологические, туризма и т.д.). [4]

Кроме того ГИС можно классифицировать по типам представления географической информации. Выделяют два типа ГИС, в которых используются разные модели представления данных (рис.1):

- ГИС на основе растровой модели представления данных. В таких ГИС цифровое представление географических объектов формируется в виде совокупности ячеек растра (пикселей) с присвоенным им значением класса объекта;

- ГИС на основе векторной модели представления данных. В этом случае цифровое представление точечных, линейных и полигональных пространственных объектов осуществляется в виде набора координатных чисел.

Следует отметить, что современные геоинформационные системы обычно работают как с векторной, так и с растровой моделями представления данных.

Рассмотрим преимущества растровой и векторной моделей.

1. Картографические проекции просты и точны, т.е. любой объект неправильной формы описывается с точностью до одной ячейки растра.

2. Непосредственное соединение в одну картину снимков дистанционного зондирования (спутниковые изображения или отсканированные аэрофотоснимки).

3. Поддерживает большое разнообразие комплексных пространственных исследований.

4. Программное обеспечение для растровых ГИС легче освоить и оно более дешевое, чем для векторных ГИС.

1. Хорошее визуальное представление географических ландшафтов.

2. Топология местности может быть детально описана, включая телекоммуникации, линии электропередач, газо- и нефтетрубопроводы, канализационную систему.

3. Превосходная графика, методы которой детально моделируют реальные объекты.

4. Отсутствие растеризации (зернистости) графических объектов при масштабировании зоны просмотра. [5]

Функциональные подсистемы ГИС и их характеристика

1. Подсистема ввода и преобразования данных. Основная функциональная задача этой подсистемы – создание целостного информационного цифрового образа исследуемого объекта или явления на основе преобразования графической информации в цифровой вид и ввода ее в компьютер.

Источниками данных могут быть бумажные и цифровые карты, различные геодезические приборы, аэрофото- и космические снимки. Такая информация может быть введена с клавиатуры, с помощью сканера или получена из другой компьютерной системы.

Наиболее распространены три способа преобразования графической информации в цифровую форму: точечный, линейный и сканирование.

2. Подсистемы обработки и анализа ГИС. В их задачи входит выполнение процедур обработки данных, манипулирования пространственными и семантическими данными, осуществляемых при отработке пользовательских запросов. К наиболее важным относят операции, обеспечивающие выбор и внесение данных в память машины, а также все аналитические операции, которые происходят при решении задачи: поиск данных в памяти; установление размерности отдельных исследуемых областей; проведение размерности отдельных исследуемых областей; проведение логических операций над данными территориальных единиц исследуемого региона; статистические расчеты; специальные математические расчеты в соответствии с требованиями пользователя.

3. Подсистема вывода (визуализации) данных. Она служит для вывода изображений на экран монитора или печатающие устройства, что позволяет выполнять следующие действия: создание диаграмм; вывод статистических данных; создание картографической продукции; совмещение этих результатов в отчетах и т.д.

4. Подсистема предоставления информации. Она предназначена для оперативного предоставления данных по запросам пользователей ГИС. В данной подсистеме также определяются условия и режимы предоставления информации по запросам пользователей, осуществляется защита от несанкционированного доступа.

5. Пользовательский интерфейс. Он должен отвечать требованиям физического и психологического комфорта пользователя, быть эффективным, быстродействующим, обладать возможностями адаптации для конкретного пользователя, сочетать возможности интерактивного ввода, текстовых и графических меню. Пользовательский интерфейс должен обеспечить многооконное отображение графических данных с возможностью открытия неограниченного числа окон, связывать с окнами как различные изображения, так и фрагменты одного и того же изображения, представленные в разных масштабах.

Многообразие существующих ГИС-решений укладывается в различные виды классификаций ГИС [Цветков В.Я., 1998; ДеМерс Майкл Н., 1999; Сырецкий Г.А., 2007].

ГИС различаются предметной областью информационного моделирования — городские или муниципальные (Urban GIS — UGIS), природоохранные (Environmental GIS), производственные (Manufacturing Facilities GIS — MFGIS) и т.д. Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней научными и прикладными задачами — инвентаризация ресурсов (кадастр), анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений.

Интегрированные ГИС (Integrated GIS — IGIS) совмещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) в единой интегрированной среде.

Масштабно-независимые ГИС (Multiscale GIS — MSGIS) основаны на множественных представлениях пространственных объектов (Multiscale Representation), обеспечивая графическое или картографическое вопроизведение данных на любом уровне масштабирования на основе того набора данных, который обеспечивает наибольшее пространственное разрешение. Пространственно-временные ГИС (Spatio-temporal GIS — STGIS) оперируют пространственно-временными данными.

Реализация геоинформационных проектов (GIS Project), включает обычные этапы жизненного цикла:

предпроектных исследований (Feasibility Study), в том числе изучение требований пользователя (User Requirements) и функциональных возможностей (Functional Facilities) используемых программных средств ГИС;
технико-экономическое обоснование разработки ГИС;
оценку соотношения "затраты/прибыль" (Costs/Benefits);
системное проектирование ГИС (GIS Designing), включая стадию пилотного проекта (GIS Pilot Project);
разработку (GIS Development);
тестирование на небольшом территориальном фрагменте, или тестовом участке (Test Area);
прототипирование или создание опытного образца (Prototyping);
внедрение (GIS Implementation);
введение в эксплуатацию и использование (Setting into Operation).

Научные, технические, технологические и прикладные аспекты проектирования, создания и использования ГИС являются предметом изучения быстро развивающейся ветви информатики — геоинформатики.

В истории развития ГИС геоинформатика выделяет четыре основных периода:

60-е — середина 70-х годов: исследование принципиальных возможностей использовать большие ЭВМ того времени для накопления, обработки, анализа и построения банков и баз географических данных; теоретические работы в области обработки таких данных, накопление опыта;
середина 70-х — середина 80-х годов: появление автоматизированных систем управления (АСУ), в том числе и первых специализированных ГИС, разработка крупных государственных ГИС-проектов в области контроля атомной энергии и гидроэнергетики, обороны и т.д;
середина 80-х — конец 90-х годов: становление понятия ГИС, появление рынка программных средств, реализующих различные ГИС на базе персональных компьютеров, мощных серверов и сетевых коммуникациях; расширение области применения ГИС на основе интегрированных БД и мощных СУБД, включающих инструменты для обработки и требуемой визуализации географических и описательных данных; появление прикладных ГИС для непрофессиональных пользователей, а также специализированных распределенных ГИС, поддерживающих государственные и корпоративные базы таких данных;
начало ХХ века — сегодняшний момент: возросшая потребность в географических данных в связи с глобализацией многих сфер экономики, сильная конкуренция на рынке ГИС, появление многочисленных групп пользователей, заинтересованных в конкретных прикладных программных ГИС-средствах, использование принципов искусственного интеллекта и интеллектуальных сетей при проектировании ГИС, применение технологии программных мобильных агентов для сбора специализированной информации в экспертных ГИС, формирование мировой ГИС-инфраструктуры.

Указанные этапы развития предъявляли всё новые требования к функциональности различных ГИС, однако эти требования сложились в общих чертах на третьем этапе в 80-х 90-х годах. Отметим сразу, что ГИС — это не просто географическая карта, перенесенная на компьютер. Геоинформационные системы хранят информацию в виде наборов тематических электронных слоев, которые можно объединять по любому требуемому признаку. Поэтому технологии ГИС интегрируют в себе операции для работы со слоями, базами данных, средствами анализа и визуализации слоев, содержащих требуемые данные в нужных сочетаниях.

Рис. 5.6. Трансформация слоев и конвертирование данных из одного формата в другой

Например, строительство крупного супермаркета в мегаполисе требует совместного анализа данных, указанных на рис. 5.5. Трансформация (объединение, расщепление, масштабирование и т.д.) слоев и конвертирование данных из одного формата в другой производится методами математической картографии и управления данными в базе данных ГИС (рис. 5.6).

Функциональные возможности ГИС

В ГИС в целом выполняется пять основных функциональных процедур с данными: ввод, манипулирование, управление, запрос и анализ, визуализацию [Андрианов В., 1999].

Ввод данных. Географические данные (числа, текст, изображения) для использования в ГИС вводятся в векторном или растровом виде, если такие данные уже существуют в подходящем цифровом формате, либо предварительно оцифровываются с помощью диджитайзера или сканера. Каждый элемент или объект изображения имеет координатную привязку. Тем самым, любые свойства и характеристики реальных объектов (моделей) или их элементов "привязаны" к местоположению объекта в координатной сетке. При этом всегда следует иметь в виду, что технологии оцифровки или занесения данных в конкретный тематический слой, а также наложение и сведение слоев могут сопровождаться значительными ошибками, которые в дальнейшем приведут к заметным искажениям картографических данных и визуализации результата (рис. 5.7).

Средства манипулирования представляют собой различные способы выделения, группировку и преобразования данных, например, приведение всей геоинформации к единому масштабу и проекции на определенный тематический слой для удобства совместной обработки. Для хранения, структурирования и управления данными в ГИС чаще всего используются реляционные базы данных с элементами OLAP-технологий (On Line Analytical Processing) и технологий создания отчетов (Report Creation).

Запрос и анализ можно выполнять на разных уровнях сложности — от самых простых вопросов: где находится объект и каковы его описательные свойства — до поисков и компиляции данных по сложным шаблонам и сценариям вида "А что если. ". В современных ГИС имеются развитые средства анализа взаимной близости и наложения объектов, принадлежащим разным тематическим слоям.

Первый инструмент связан с выделением буферных зон вокруг заданных объектов по комбинации различных параметров (например: "Выделить населенные пункты, расположенные не далее двух километров от конкретного аэропорта" или "Рассчитать зоны поражения при аварии на АЭС и выделить населенные пункты, попадающие в эти зоны"). Второй позволяет рассчитывать пересечение, объединение, исключение и другие сочетания двух и более распределенных объектов (оверлейные операции) при сведении слоёв (рис. 5.6).

Рис. 5.7. Влияние ошибок оцифровывания и сведения слоев

Визуализация. Результаты различных операций можно просто отображать на экране или же создавать (рисовать) новые объекты с любыми наборами атрибутивных характеристик. Развитые средства и способы визуализации позволяют ГИС легко управлять отображением данных. Традиционным результатом обработки, анализа и отображения пространственных географических данных является карта, которая дополняется отчетными документами, рельефными цветными изображениями реальных и смоделированных объектов, фотографиями, таблицами, диаграммами, видео клипами развития ситуации и другими мультимедийными средствами.

Кроме указанных базовых операций, современные ГИС имеют достаточно много специальных групп функций, реализующих пользовательские задачи: прокладку оптимального маршрута, поиск кратчайших расстояний, расчетные задачи пространственной статистики, создание моделей геологических структур, морских и воздушных течений и т. д.

Модели географических данных. Для графического представления географических данных, описывающих реальные объекты и их модели в ГИС, используются электронные карты и тематические описания. Параметры местоположения объектов и их отношений есть пространственные (метрические) данные, параметры временных и тематических свойств — атрибутивная (описательная) информация.

В основе моделей данных в ГИС лежит классификатор объектов карты. Он определяет состав и содержание метрических, семантических, тематических, динамических свойств объекта и их изобразительных средств. Система условных обозначений формируется с использованием палитры красок, текстуры линий и заливок, шаблонов знаков и шрифтов. В современных ГИС реализована технология послойного графического представления информации, она соответствует представлению координатных моделей в топологической форме (представление объектов и их связей в виде графа). Атрибутивная информация отображается на слое электронной карты числами, символами и их совокупностями — надписями. Связь координатных и атрибутивных данных устанавливается в БД через соответствующие идентификаторы (по умолчанию или через пользовательский интерфейс). Для представления географических объектов применяются растровые и векторные модели.

Растровая модель — отображение участков поверхности суши и океанов в виде дискретного набора элементов, составляющих нужную картину. Такие элементы называются пикселами (Picture Element), они образуют отображение тематического слоя электронной карты на экране монитора. Каждый пиксел занимает некоторую малую площадь в виде прямоугольника, имеет координаты центра (X,Y) в плоскости слоя карты, связанные с координатами точек географического объекта, и описание его свойств (яркость, цвет и плотность тона), соответствующих аналогичным свойствам объекта.

Растровые цифровые изображения могут быть получены непосредственно при цифровом фотографировании земной поверхности со спутников, либо при обработке аэрокосмических фотографий методами цифрового сканирования с использованием диджитайзеров. Такие изображения хороши для зрительного восприятия и удобны для многоаспектной обработки. Однако они занимают много места в памяти вычислительных устройств и плохо масштабируются — при многократном и многоразовом изменении масштаба, сжатии и дешифровке четкость изображений сильно ухудшается. Поэтому в тех случаях, где заранее оговаривается необходимость масштабирования изображений без потери четкости, применяется технология векторной графики.

Векторная модель — это структурно заданное графическое изображение пространственного объекта. Положение точек объекта задается координатами конца вектора (x,y,z) и описанием свойств этой точки. Отображение объекта задается совокупностью векторов. Так как конец вектора (точка) не имеет площади, то при многократном увеличении или уменьшении изображения объекта (масштабировании) искажения не происходит (рис. 5.8). Векторная графика оперирует точечными, линейными (дуги и контуры) и площадными (полигонными) моделями пространственных объектов.

Рис. 5.8. Растровая и векторная модели графического изображения пространственного объекта

Допустимы следующие формы векторной модели данных:

цельнополигональная структура (топологическая структура типа "спагетти");
линейно-узловая (графовая структура);
реляционная (структура отношений);
нерегулярная триангуляционная сеть.

Формирование топологии заключается в определении положения точек и узлов в выбранной системе координат на плоскости или в пространстве (для рельефных изображений) и цифровое кодирование взаимосвязей между точечными, линейными и площадными географическими объектами. В настоящее время применяются объектно-ориентированные модели баз географических данных (например, ArcGIS компании ESRI), формирующие классы объектов, классы отношений, геометрические сети и послойную топологию.

Данные в геоинформационных системах описывают, как правило, реальные объекты, такие как дороги, здания, водоёмы, лесные массивы. Реальные объекты можно разделить на две абстрактные категории: дискретные (дома, территориальные зоны) и непрерывные (рельеф, уровень осадков, среднегодовая температура). Для представления этих двух категорий объектов используются векторные и растровые данные.

Растровые данные хранятся в виде наборов величин, упорядоченных в форме прямоугольной сетки. Ячейки этой сетки называются пикселями. Наиболее распространённым способом получения растровых данных о поверхности Земли является дистанционное зондирование, проводимое при помощи спутников. Хранение растровых данных может осуществляться в графических форматах, например TIFF или JPEG.

Векторные данные обычно имеют намного меньший размер, чем растровые. Их легко трансформировать и проводить над ними бинарные операции. Векторные данные позволяют проводить различные типы пространственного анализа, к примеру поиск кратчайшего пути в дорожной сети. Наиболее распространёнными типами векторных объектов являются точки, полилинии, многоугольники.

Точки используются для обозначения географических объектов, для которых важно местоположение, а не их форма или размеры. Возможность обозначения объекта точкой зависит от масштаба карты. В то время как на карте мира города целесообразно обозначать точечными объектами, то на карте города сам город представляется в виде множества объектов. В ГИС точечный объект изображается в виде некоторой геометрической фигуры небольших размеров (квадратик, кружок, крестик), либо пиктограммой, передающей тип реального объекта.

Полилинии служат для изображения линейных объектов. Полилиния — ломаная линия, составленная из отрезков прямых. Полилиниями изображаются дороги, железнодорожные пути, реки, улицы, водопровод. Допустимость изображения объектов полилиниями также зависит от масштаба карты. Например, крупная река в масштабах континента вполне может изображаться линейным объектом, тогда как уже в масштабах города требуется её изображение площадным объектом. Характеристикой линейного объекта является длина.

Многоугольники (иногда используется калька «полигоны») служат для обозначения площадных объектов с чёткими границами. Примерами могут служить озера, парки, здания, страны, континенты. Характеризуются площадью и длиной периметра.

Семантические данные могут быть привязаны к векторным: например, на карте территориального зонирования к площадным объектам, представляющим зоны, может быть привязана характеристика типа зоны. Структуру и типы данных определяет пользователь. На основе численных значений, присвоенных векторным объектам на карте, может строиться тематическая карта, на которой эти значения обозначены цветами в соответствии с цветовой шкалой, либо окружностями разного размера. Непрерывные поля величин могут быть описаны векторными данными. Поля при этом изображаются в виде изолиний или контурных линий. Одним из способов представления рельефа является нерегулярная триангуляционная сетка (TIN, triangulated irregular networks). Такая сетка формируется множеством точек с привязанными значениями (в данном случае высота). Значения в произвольной точке внутри сетки получаются путем интерполяции значений в узлах треугольника, в который попадает эта точка.

Читайте также: