Тикунов В. С. Геоинформатика. Векторные модели данных

Скачать полную версию учебника (с рисунками, формулами, картами, схемами и таблицами) одним файлом в формате MS Office Word Скачать книгу

Векторные модели данных. Обобщенный класс векторных моделей включает два их типа: векторные топологические и векторные нетопологические модели. Они используются для цифрового представления точечных, линейных и площадных (полигональных)
объектов, имея аналогии в картографии, где различаются объекты с точечным, линейным и площадным характером пространственной локализации, что определяет выбор графических средств их картографического отображения, и исторически связаны с технологиями цифрования карт, планов и другой графической документации с помощью устройств ввода векторного типа — дигитайзеров (цифрователей) с ручным обводом, генерирующих поток пар плановых координат (векторов) вслед за движением курсора (обводной головки) по планшету дигитайзера при отслеживании и записи графических объектов помещенного на него оригинала.
Множество точечных объектов, образующее слой однородных данных (например множество объектов, соответствующих населенным пунктам), может быть представлено в векторном формате в виде неупорядоченной (необязательно упорядоченной) последовательности записей (строк таблицы), каждая из которых содержит три числа: уникальный идентификационный номер объекта (идентификатор), значение координаты Хи значение координаты Y в системе условных плановых прямоугольных декартовых координат, например, плоскости стола дигитайзера:

Таблица (доступно при скачивании полной версии книги)

Линейный объект (в общем случае кривая) или граница полигонального объекта могут быть представлены в виде последовательности образующих их точек (промежуточных точек), т.е набором линейных отрезков прямых (сегментов), образующих полилинию.
Расположение образующих полилинию точек будет зависеть от структуры исходной кривой. Их привязка к характерным точкам кривой при достаточно мелком шаге цифрования позволяет дать достаточно точное ее приближение. Два из возможных варианта ее цифровой записи (формата) иллюстрируются ниже:

Рисунок (доступно при скачивании полной версии книги)

Запись линейного объекта образована последовательностью координатных пар (в нашем случае пяти точек) и содержит элемент, позволяющий выделить его в общей совокупности записей линейных объектов слоя, которому соответствует обычно файл данных. В случае А это делается путем помещения вслед за идентификатором целого числа, указывающего число координатных пар, в варианте В линейные объекты отделяются друг от друга меткой END. Разумеется, запись должна быть снабжена идентификатором объекта.
Таким же образом может быть представлена граница полигонального объекта. При этом каждый именованный полигон (со своим идентификатором) представляется записью пар координат, образующих его границу в избранной последовательности (например, по часовой стрелке).
При описании множества полигонов каждый отрезок границы, заключенный между двумя узловыми точками (за исключением внешней границы полигонов), будет описан в этом случае дважды (по и против часовой стрелки). Такая модель данных для описания точечных, линейных и полигональных объектов носит наименование модели «спагетти». Она не является эффективной с точки зрения неизбыточности хранимых данных и возможностей использования аналитических операций ТИС и поддерживается недорогими программными средствами настольного картографирования и ГИС. Другое ее наименование — векторная нетопологическая модель.

Векторная топологическая модель обязана своим происхождением задаче описания полигональных объектов. Ее называют еще линейно-узловой моделью. С ней связаны и особые термины, отражающие ее структуру; главные ее элементы (примитивы):
• промежуточная точка;
сегмент (линейный сегмент, отрезок (прямой));
узел;
дуга;
полигон (область, полигональный объект, многоугольник, контур, контурный объект), в том числе:
— простой полигон;
— внутренний полигон («остров», анклав);
— составной полигон;
— универсальный полигон (внешняя область).

Описание полигона в векторной топологической модели — это множество трех элементов: узлов, дуг и собственно полигонов. Между этими объектами устанавливаются некоторые топологические отношения, необходимым элементом которых должна быть связь Дуг и узлов, полигонов и дуг. Последним приписываются указатели разграничиваемых ею правого и левого полигонов, конвенциализируя направление обхода контуров (рис. 13).

Рис. 13. Линейно-узловое (векторно-топологическое представление) данных (доступно при скачивании полной версии книги)

Соотношение между элементами векторного представления! пространственных объектов точечного, линейного и полигонального типов иллюстрируется рис. 14.

Рис. 14. Одна из возможных векторных моделей данных [М. Molenaar, 1989]. (доступно при скачивании полной версии книги)

Последнее, что стоит отметить о векторной топологической модели данных — связь между позиционной частью и атрибутикой.
В классическом варианте их взаимодействия, когда атрибутивные данные управляются средствами реляционной СУБД и организованы в таблицы, а модель взаимодействия носит название геореляционной, как упоминалось выше, связь устанавливается и поддерживается через идентификатор объекта (рис. 15).

Рис. 15. Связь пространственной и атрибутивной части данных в векторном представлении полигонального слоя [Ю.К.Королев, 1998] (доступно при скачивании полной версии книги)

Различные варианты реализации векторных моделей допускают введение других типов элементарных объектов. Так, граница полигона может быть описана не только ломаной линией (полилинией), но и математической кривой, например, кривой Безье, опирающейся на множество контрольных точек. Могут быть введены особые объекты, например, прямоугольники, заданные двумя контрольными точками (для представления строений и других рукотворных, прямоугольных в натуре объектов на городском цифровом плане), дуги окружности (которые явно понадобятся при необходимости цифрового описания спортивного стадиона на том же плане города). Известны примеры введения класса мультиобьектов: в программных средствах клона ArcInfo (ESRI, Inc.) существуют объекты типа мультиточки, составной полилинии и составного полигона, хранимые в так называемых «шейп-файлах».
Проводятся эксперименты по конструированию нечетких векторных моделей. Введение неопределенности в положение ее позиционных элементов с использованием формализмов теории нечетких множеств позволяет учесть погрешности модели по отношению к ее оригиналу, связанные, к примеру, с реальной «размытостью» границ природных объектов.
Область применимости моделей класса векторных ограничена Двухмерным пространством, не допуская расширения в область трехмерного пространства и накладывая ограничения на тип описываемых ими пространственных объектов.
Будем считать, что этим исчерпываются наиболее употребимые модели пространственных данных.
В практике проектирования ГИС нередки случаи, когда ни одна из перечисленных выше «классических» моделей или их версий не отвечает особым требованиям пользователей к системе, и все они оказываются неизящными, малоэффективными или непригодными для решения специфических классов задач.
Хороший пример тому — сетевой анализ для решения задач оптимизации перевозок, планирования маршрутов или диспетчеризации мобильных транспортных средств. Можно показать, что; при моделировании сети транспортных коммуникаций в рамках классической векторной модели, описывающей ее как слой линейных объектов, вероятны большие трудности: пространственная организация дороги, в том числе автомобильной дороги, с мостами, путепроводами, тоннелями и многоуровневыми развязками не может быть представлена планарным графом, и все подобные случаи нарушения планарности будут квалифицироваться системой как топологическая ошибка в цифровой записи линейных объектов. Требование единственности атрибута дуги, представляющей автомобильную дорогу, в обычной векторной модели может также создать серьезные неудобства, если дугой (последовательностью сегментов от начального до конечного узла) считать участок дороги от перекрестка до перекрестка, поскольку в пределах участка ее характер (тип дорожного покрытия, число полос движения) может меняться. Хорошей альтернативой снятию запрета на псевдоузлы (в данном случае узлы, образованные только двумя дугами), искусственно внедренные в линейный объект узловые точки, является возможность так называемого динамического сегментирования линейного объекта — разбиения дуги на участки с индивидуализированными значениями атрибутов. Вообще же для вполне адекватного реалиям моделирования транспортных сетей и сетей коммуникаций в целом предложены особые типы моделей, например модель геометрических сетей.
Известны также модели «мультимасштабных сетей», в которых допускается введение признака важности узлов (и соответственно дуг), что позволяет построить иерархию подсетей с разным уровнем детальности элементов исходной сети.
Особые модели данных используются в практике проектирования ГИС для решения задач управления сетями инженерных коммуникаций — сетями водо-, газо-, электроснабжения. К примеру, модель сети воздушных линий электропередач с опорами, на которых закреплены провода разных сечений и фаз, а также грозозащитный трос, должна строиться как многолучевой граф. Моделирование средствами ГИС теплосетей, предполагающее не только их тополого-геометрическое описание, но и встраивание моделей гидравлических расчетов, также требует модели данных как ориентированного и взвешенного графа.
Для ряда приложений ГИС большим неудобством может оказаться невозможность представления составных (композитных) объектов, что позволило бы оперировать ими как единым целым (например, земельный участок с объектом недвижимости на нем при общем владельце и строения, и участка).

Скачать полную версию учебника (с рисунками, формулами, картами, схемами и таблицами) одним файлом в формате MS Office Word Скачать книгу