Структурирование пространственных данных

Пространственные данные (spatial data), геопространственные данные (geographic(al) data, geospatial data, georeferenced data), географические данные, геоданные - цифровые данные о пространственных объектах, включающие сведения об их местоположении, форме и свойствах и пред­ставленные в координатно-временной системе .

Согласно данному определению, структура пространствен­ных данных может быть представлена как совокупность двух взаимосвязанных частей: позиционных, или координатных, данных (spatial data, locational data) и непозиционных, или атрибутивных, данных (aspatial data).

Позиционные (координатные) данные представляют собой ха­рактеристики пространственного объекта, описывающие его место­положение и определяющие геометрические свойства (форму и раз­меры). При этом описание местоположения осуществляется в уста­новленной системе привязки или системе координат в виде последовательности наборов координат точек.

Непозиционные (атрибутивные) данные состоят из набора имен и значений атрибутов пространственного объекта. В ГИС и цифровой картографии атрибутивные данные именуют семантикой. Полное опи­сание атрибутивных данных складывается из взаимосвязанных описа­ний топологических свойств, геометрии, графической атрибутики объ­ектов и семантики, отражающей содержательную часть объекта.

Необходимость учета динамичности, изменчивости данных, их обновления требует, наряду с пространственностью, учета вре­менных аспектов данных (data temporality), что приводит к расши­рению понятия пространственных данных до пространственно-временных данных (spatiotemporal data, spatiotemporal data).

Для обеспечения эффективной работы ГИС к пространст­венным данным предъявляются определенные требования: точ­ность, актуальность, полнота. Точность пространственных данных имеет три аспекта. Пер­вый из них — позиционнаяточность, с помощью которой оценивается близость к истинным результатам позиционирования объекта в про­странстве. Временная точность отражает близость фиксируемого времени существования объекта к фактическому. Третий аспект - атрибутивная точность представляет собой близость фактических значений атрибутов к истинным значениям.

Постоянное изменение условий существования пространствен­ных объектов приводит к изменению их свойств. В этой связи возника­ет вопрос о возможности применения данных, полученных в конкрет­ный момент времени. Другими словами, речь идет об актуальности пространственных данных (современности, существенности для на­стоящего момента). Неактуальные данные — это устаревшие данные.

В ряде случаев, для решения практических задач, необходимо принимать во внимание степень достаточности сведений, т.е. полноту пространственных данных. Когда данных достаточно, нет необходимо­сти проводить их дополнительный сбор.

Основными источниками пространственных данных в ГИС яв­ляются цифровые топографические и тематические карты, данные дис­танционного зондирования Земли, данные систем спутникового пози­ционирования GPS и ГЛОНАСС. Для крупномасштабных приложений используются геодезические данные, получаемые с помощью цифро­вой (электронной) аппаратуры и приборов для геодезических измере­ний. Кроме того, в ГИС используются данные земельного, градострои­тельного, водного и иных государственных кадастров, а также данные органов государственной статистики и т.п.

Функции технологической схемы ввода, обработки и вывода данных в ГИС:

1. Ввод и редактирование данных.

Сюда входит аналого-цифровое преобразование данных, в том числе методы и технологии цифрования картографических источников с помощью цифрователей (дигитайзеров) с ручным обводом или путем сканирования аналоговых оригиналов с последующей векторизацией, а также импорт готовых цифровых данных, контроль ошибок цифрования, топологической и геометрической корректности и общая оценка качества получаемой цифровой модели.

2. Поддержка моделей пространственных данных.

Полученная цифровая модель может существовать, храниться и обрабатываться в рамках определенных моделей (представлений); к ним относят растровую, векторную, квадротомическую и иные двух- и трех­мерные модели данных, которым соответствуют некоторые форматы данных.

3. Хранение данных.

Проектирование и ведение БД атрибутивной информации ГИС, поддержка функций систем управления базами данных, включая ввод, хранение, манипулирование, обработку запросов, поиск, выборку, сортировку, обновление, сохранение целостности, защиту данных и создание базы метаданных в рамках основных моделей организации данных БД: иерархической, сетевой и реляционной, реализация геореляционного и объектно-ориентированного подходов к БД ГИС.

4. Преобразование систем координат и трансформация картографических nроекций. Наиболее распространенные задачи - переход от условных декартовых прямоугольных координат источника в географические координаты, пересчет координат пространственных объектов из одной картографической проекции в другую, эластичные преобразования растровых изображений по сети опорных точек.

5. Растрово-векторные операции.

Обслуживают возможности совместного использования двух моделей пространственных данных - растровой и векторной, экспорт и импорт в среду других программных продуктов, ввод или вывод данных. Автоматическое или полуавтоматическое преобразование (конвертирование) растрового представления пространственных объектов в векторное (векторизация), векторного в растровое (растеризацuя) и графическое совмещение растровых и векторных слоев данных.

6. Измерительные операции и операции аналитической (координатной) геометрии.

Вычисление длин отрезков прямых и кривых линий, площадей, периметров, объемов, характеристик форм объектов и т. п., автоматизация обработки данных геодезических измерений.

7. Полигональные операции.

Включают определение принадлежности точки полигону, линии полигона, наложение полигонов (топологический оверлей), уничтожение границ и слияние полигонов, индикацию и удаление паразитных полигонов.

8. Пространственно-аналитические операции (операции пространственного анализа).

Одна из базовых функциональных групп ГИС, включающая анализ близости (окрестности), расчет и анализ зон видимocти/нeвидимocти, анализ сетей (сетевой анализ), расчет и построение буферных зон (буферизация).

9. Пространственное моделирование (геомоделирование).

Построение и использование моделей пространственных объектов, их взаимосвязей и динамики процессов (математико-статистический анализ пространственных размещений и временных рядов, межслойный корреляционный анализ взаимосвязей разнотипных объектов и т. п.) средствами встроенных функций пространственного моделирования или путем создания интерфейса с моделями вне среды ГИС.

10. Цифровое моделирование рельефа и анализ поверхностей.

Создание и обработка цифровых моделей рельефа, расчет производных морфометрических характеристик (углов наклона, экспозиции и формы склонов), построение трехмерных изображений местности, профилей поперечного сечения, вычисление объемов, генерация линий сети тальвегов и водоразделов и иных особых точек и линий рельефа, интерполяция высот, построение изолиний по множеству значений высот, автоматизация аналитической отмывки рельефа, цифровое ортотрансформирование изображений, моделирование трехмерных объектов.

11. Вывод данных.

Генерация отчетов, документирование результатов в текстовой, графической (в том числе картографической), табличной формах с использованием различных графических периферийных устройств (принтеров, графопостроителей и т. п.), экспорт данных.

Модели пространственных данных:

Объектом информационного моделирования в ГИС является пространственный объект. 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 образует пространственные данные. Они состоят из двух взаимосвязанных частей: позиционной (тополого-геометрической) и непозиционной (атрибутивной) составляющих, которые образуют описание пространственного положения и тематического содержания данных.

Набор базовых моделей пространственных данных, используемых для описания объектов размерности не более двух:

растровая модель;

регулярно-ячеистая (матричная) модель;

квадротомическая модель (квадродерево, дерево квадратов, квадрантное дерево, Q-дерево, 4-дерево);

векторная модель: векторная топологическая модель; векторная нетопологическая модель.

Растровая модель данных. Модель данных, именуемая растровой, имеет аналогии в компьютерной графике, где растр - прямоугольная решетка - разбивает изображение на составные однородные далее неделимые части, называемые пикселами (элемент изображения), каждому из которых поставлен в соответствие некоторый код, обычно идентифицирующий цвет в той или иной системе цветов (цветовой модели).

Регулярно-ячеистая модель данных: Единицей данных при их описании служит элемент «разбиения» территории - регулярная пространственная ячейка (территориальная ячейка) правильной геометрической формы.

Квадротомическая модель данных: В основе лежит разбиение территории или изображения на вложенные друг в друга пикселы или регулярные ячейки с образованием иерархической древовидной структуры.

Векторные модели данных: Используются для цифрового представления точечных, линейных и площадных объектов с помощью устройств ввода векторного типа - дигитайзеров (цифрователей).

Типы:

векторные топологические;

векторные нетопологические.

Аналого-цифровое преобразование данных:

Цифровые карты-основы (ЦКО) могут готовиться в разных форматах, в которых реализованы различные модели данных: векторная, растровая.

ЦКО в векторном формате - создают по технологии цифрования с помощью дигитайзера с ручным обводом или сканированием оригиналов с последующей векторизацией, используя программные средства - векторизаторы.

Растровая ЦКО - создается сканированием топокарт.

Процесс аналога-цифрового преобразования данных состоит из трех крупных блоков:

цифрование;

обеспечение качества оцифрованных материалов;

интеграция разнородных цифровых материалов.

Цифрование – перевод исходных картографических материалов на твердой основе (бумага, пластик и т.д.) в цифровую форму.

Перевод осуществляется двумя способами:

путем векторизации растра;

дигитайзерным вводом.

Интеграция разнородных цифровых материалов для создания единой картографической основы:

Единая цифровая картографическая основа (ЕКО) – это комплексная система цифровых картографических материалов, согласованных по территориальному охвату, содержанию, формату, масштабам, системам условных знаков, классификаторам.

Основой для интеграции данных должна служить базовая карта или система карт.

После выполнения необходимых действий в соответствии с технологией использования разнородных картографических материалов, формируется «первичная» ЕКО, представляющая собой набор разнородных цифровых картографических данных, оптимальным и корректным образом приведенных к единой системе координат.

ЕКО, как и исходные картографические материалы, использующиеся для ее создания, должна отвечать определенным требованиям:

исходные картографические материалы должны быть оптимальным и корректным образом приведены к единой системе координат - создана «первичная» ЕКО;

должно быть произведено составление «первичной» ЕКО и создание результирующей ЕКО. Основной задачей составления является согласование элементов содержания ЕКО.