Базы данных и геоинформационные системы. Атрибутивная информация
Целью настоящей статьи является ознакомление специалистов в области геодезии и картографии с механизмами хранения и обработки данных, которые предоставляют геоинформационные системы
Рассмотрим содержание традиционной топографической карты, в которой объединены два вида представления информации. С одной стороны, карта — это чертеж с геометрическими объектами различного типа локализации, которые описываются при помощи пространственных координат. С другой стороны, карта представляет пространственное распределение некоторых параметров или описательных данных, характеризующих территорию или отдельные ее части, которые сами по себе описываются без привлечения пространственных координат. Первый тип информации называют метрической, второй — семантической (описательной, атрибутивной, смысловой).
Пространственно-распределенную информацию можно разделить на три группы: семантическая, метрическая и топологическая.
Источником семантической информации является способность человека распознавать (выделять) некоторые части пространства и находящиеся в них предметы, а также связывать с ними различные определения или характеристики. Такую информацию удобно хранить в реляционной базе данных. При этом ключом может служить, в частности, название объекта или его номер. Несколько примеров такого рода было рассмотрено в первой части статьи (см. журнал «Пространственные данные». — 2008. — № 4. — http://gisa.ru/49208.html ).
Источником метрической информации является способность человека отличать разные части пространства и осуществлять измерения расстояний, площадей, объемов. Метрическая информация, таким образом, отражает свойство предметов находиться в определенной части пространства и занимать некоторую его часть.
Топологическая информация отражает свойства пространства, которые не меняются при любых его линейных деформациях, проводимых без разрывов и «склеиваний». К топологической информации относятся: точки пересечения объектов, данные о примыкании объектов друг к другу (или общих границах). Простейшими топологическими свойствами являются характеристики положения объектов относительно друг друга, например: «слева», «справа». Каким бы образом мы мысленно не «растягивали» или не «сжимали» пространство, характеристика относительного положения объектов не изменится.
Ответим на вопрос: можно ли такие сущности, как дом, магазин, улица, считать пространственными объектами? Ответ очевиден: да. Каждый из этих объектов занимает определенное пространственное положение, уникальность которого служит для индивидуализации объектов, их отличия одного от другого.
Ответим на следующий вопрос: а можно ли отношения ДОМ и МАГАЗИНЫ считать пространственной информацией? Эти отношения являются не чем иным, как информационным представлением реальных локализованных в пространстве сущностей, объектов. Ответ — нет. Отношения в том виде, в котором они сформулировали в предыдущей части статьи, не позволят различать объекты, основываясь на их пространственном положении, поскольку в атрибутах объектов нет сведений об этом.
Итак, чтобы информационное представление объектов можно было назвать «пространственным», к нему, как минимум, необходимо добавить атрибут, однозначно описывающий область пространства, в которой объект локализован. Добавление такого атрибута к обычной базе данных превращает ее в геоинформационную систему.
Задать подобные атрибуты можно, указав относительное (относительно другого объекта) или абсолютное (с помощью координат) положение объекта.
В соответствии с этим можно определить две модели хранения пространственной информации: растровую (относительное положение) и векторную (абсолютное положение).
Растровая модель и растровые ГИС
На заре развития геоинформационных систем наиболее популярными были растровые ГИС в силу того, что при малой мощности компьютеров выполнять обработку пространственной информации удобно именно в растровом виде.
В растровых ГИС данные хранятся в виде таблиц — сеток с ячейками, напоминающих по внутренней организации растровые файлы форматов BMP, BIL и других форматов без сжатия.
С точки зрения растровой модели, пространственные объекты можно представить как совокупность атрибутов. Например, совокупность атрибутов «болото» и «лес» порождает объект «лес по болоту», компактная и протяженная область рельефа — «овраг», совокупность атрибутов «номер», «улица», «цвет» порождает объект «дом» и т. д. Хранение атрибутов организуется в виде матрицы, каждая клетка которой сопоставляется с прямоугольной областью пространства. Это похоже на координатную сетку, которая расчленяет картографируемую территорию на одинаковые прямоугольники. В каждой клетке записываются значения атрибута, например: высота деревьев, глубина реки. В простейшем случае в клетке просто указывается признак наличия или отсутствия объекта (рис. 1).
Рис. 1. Хранение данных в растровой модели
Каждый прямоугольник имеет уникальный номер, состоящий из позиций в столбце (I) и строке (J) матрицы, задающий его положение относительно смежных ячеек. Из рис. 2 видно, что, зная координаты первой ячейки и пользуясь I, J, можно легко перейти к координатам любой другой ячейки матрицы:
X(I) = X(0) + I ( N;
Y(J) = Y(0) + J ( M,
где M, N — размер ячейки в принятой системе координат.
Рис. 2. Координаты ячеек в «сетке» растровой модели
Если в базе данных нужно хранить более одного атрибута, необходимо создать новую матрицу, в которой пространственное положение ячеек будет таким же, как в исходной матрице.
Можно видеть, что при такой организации информации понятие пространственного объекта остается завуалированным. Данные об отдельном объекте в подобной базе данных нигде не хранятся, соответственно нет и топологической информации. Неделимой «единицей» пространственной информации в данном случае является ячейка матрицы.
На первый взгляд может показаться, что это неудобно, однако не следует спешить с выводами. Существует много задач, эффективно решать которые позволяет именно такой подход. Растровые модели данных применяются в тех случаях, когда необходимо сохранить сведения об атрибутах некоторого протяженного пространственного объекта, не имеющего границ, или когда информация о границах объекта не имеет значения для решения поставленной задачи. К таким объектам относятся, например, атмосферный воздух (атрибут — загрязненность), лес (атрибут — запас древесины), поверхность моря (атрибут — загрязненность). В рамках растровой модели можно легко сравнивать различные части объектов между собой, обособлять части объектов и образовывать на их основе новые объекты. Это делается при помощи специфических операторов, предназначенных для работы с пространственными данными.
Рис. 3. Представление контура объекта в векторной модели
Векторная модель и векторные ГИС
Векторная модель данных предназначена для хранения информации о пространственных объектах, границы которых описываются с помощью координат. Граница пространственного объекта формируется посредством геодезических или картометрических измерений путем аппроксимации контура объекта и «превращается» в последовательность координат поворотных точек участков границы (рис. 3). В общем случае, объект может иметь как внешнюю, так и внутреннюю границы. Например, водная поверхность озера будет иметь несколько границ, если посреди него расположены острова.
Контур или набор контуров пространственного объекта есть неделимая единица хранения пространственной информации, с которой связаны атрибуты объекта. В векторной модели в качестве единого и неделимого может быть представлен только тот пространственный объект, который характеризуется одинаковым набором атрибутов и их значений.
Предположим, что нужно создать контуры объектов ДОМА. Каждый дом должен быть представлен отдельно, нельзя обрисовать два различных дома одним и тем же контуром, поскольку в этом случае произойдет потеря адресной информации. Одному и тому же объекту невозможно присвоить более одного значения одноименного атрибута (в данному случае — два адреса). Также нельзя выделить часть объекта и присвоить ему другие атрибуты, сохранив при этом «связь» с исходным объектом. Выделенную часть придется оформить как самостоятельный объект.
Рассмотрим еще один пример: в наличии сущность УЛИЦА (НАЗВАНИЕ), ее атрибуты хранятся в реляционной базе данных. Невозможно создать в векторной геоинформационной системе единый объект «Картографический проспект + Геоинформационный проспект», поскольку значения атрибута НАЗВАНИЕ у улиц различны. Поэтому каждую из улиц придется «оформить» как самостоятельный объект (рис. 4).
Рис. 4. Правила формирования пространственных объектов в векторной модели
В векторной модели граница является точно таким же атрибутом объекта УЛИЦА, как и ее название; этот особенный, «метрический», атрибут характеризует пространственное положение объекта, и, с точки зрения реляционной модели, ничем не отличается от других атрибутов (рис. 5). Отметим, что точное совпадение границ объектов не означает их полную идентичность, для достижения последнего необходимо, чтобы все метрические и семантические атрибуты объектов были одинаковыми.
Рис. 5. Геореляционная модель данных
Модель данных, в которой к обычным атрибутам добавляется пространственная информация, отображаемая в виде особого поля, носит название геореляционной модели данных. Существуют специальные операторы, которые позволяют осуществлять такие действия с пространственной информацией, как объединение, вычитание, построение буфера и др.
Для удобства манипулирования пространственными объектами в геореляционной модели принято разделять их по характеру локализации на площадные, линейные и точечные.
Объекты, столь малые, что в масштабе карты отображаются точкой, будут иметь точечную локализацию; для отображения пространственной информации в этом случае достаточно одной пары координат X, Y. Примерами точечных объектов являются колодцы, трубы, вершины гор и т. п. Линейными объектами являются такие протяженные образования, ширина которых не отображается в масштабе карты, а их длина многократно превышает ширину (дороги, реки и др.). Длина и ширина площадных объектов местности может быть показана на карте с соблюдением масштаба, это, например, озера, крупные реки, контуры населенных пунктов.
Выбор характера локализации для тех или иных объектов в ГИС зависит от решаемых ею задач. При создании ГИС, в которых содержатся разномасштабные картографические материалы, выбор характера локализации часто создает проблему: на мелкомасштабных картах река может представляться линейным объектом, на крупномасштабных для ее отображения потребуется площадной объект.
Особенности хранения топологической информации
Зачем нужна топологическая информация? Дело в том, что любые измерения координат объектов, выполненные геодезическими или картометрическими методами, имеют определенную точность. Знание точности определения координат необходимо для практической работы с цифровыми картами и геоинформационными системами, в противном случае не избежать серьезных ошибок.
Например, имея карту с реками, отображенными линиями, и населенными пунктами, отображенными точками, нужно при помощи ГИС выявить, с какой стороны реки находится населенный пункт. На рис. 6 показана ситуация, когда невысокая точность карты препятствует правильному ответу на этот вопрос.
Рис. 6. Искажение взаимного пространственного положения объектов из-за невысокой точности карты
При создании цифровых карт необходимо внимательно следить за соблюдением топологических отношений между объектами: расположение справа-слева, сверху-снизу, внутри-снаружи и т. п.; примыкание одного объекта к другому и др.
Специалисты ESRI, Inc. (США) разработали специальную цепочно-узловую модель данных, которая основана на использовании реляционной модели данных и позволяет избегать ошибок в топологических отношениях между объектами.
В рамках цепочно-узловой модели пространственные данные об объектах представляются двумя примитивами: линейными и точечными. Линейные примитивы используются для отображения границ линейных и площадных объектов, точечные — для отображения точечных объектов и внутренних областей площадных объектов. Также используются специальные примитивы — узлы, которые указывают точки примыканий границ друг к другу. Информация об объектах хранится в двух служебных реляционных таблицах — AAT (Arc Attribute Table — таблица атрибутов дуг) и PAT (Point Attribute Table — таблица атрибутов точек). Сочетание элементов цепочно-узловой модели и структуры таблиц AAT и PAT приведены на рис. 7.
Рис. 7. Элементы цепочно-узловой модели и структуры таблиц AAT и PAT
Цепочно-узловая модель позволяет контролировать соблюдение топологических отношений, связанных с примыканием объектов и взаимным положением площадных и линейных объектов.
Более подробно реализацию растровой и векторной моделей данных, специальные операторы для работы с пространственными данными, язык запросов SQL и его расширение для работы с данными геоинформационных систем предполагается рассмотреть в следующих публикациях.
RSS
Реклама
Рассмотрим содержание традиционной топографической карты, в которой объединены два вида представления информации. С одной стороны, карта — это чертеж с геометрическими объектами различного типа локализации, которые описываются при помощи пространственных координат. С другой стороны, карта представляет пространственное распределение некоторых параметров или описательных данных, характеризующих территорию или отдельные ее части, которые сами по себе описываются без привлечения пространственных координат. Первый тип информации называют метрической, второй — семантической (описательной, атрибутивной, смысловой).
