Концептуальная модель пространственной информации

На концептуальном уровне создания БД рассматривается основополагающая проблема баз пространственных данных - представление в них реального мира. Досконально эта проблема изучается в курсе геоинформатики. Рассмотрим основные стороны этой проблемы, необходимые для БД ГК.

Для представления сложного реального мира создаются образы - модели действительности, назначение которых - создать подобие некоторых ее сторон. На основе этих моделей создают карты и базы данных. Можно сказать, что база данных является моделью действительности в том смысле, что она представляет некоторые реальные явления или их аппроксимации.

Различают три концептуальные модели пространственной информации, основанные на разных представлениях реальности, необходимых для ее интерпретации и анализа (рис. 3):

·    дискретно в виде отдельных объектов (как реальных, так и их картографических изображений), покрывающих все пространство, без пробелов (объектно-ориентированное представление);

·    в линейно-узловом или сетевом виде, когда важно отображение связей между объектами и путей перемещения в пространстве;

·    в виде географических полей непрерывного распространения переменных, которые могут быть оценены в любой точке пространства с заданными координатами.

Эти модели хорошо коррелируют с образно-знаковыми картографическими моделями. На топографических и многих тематических картах реальность представляется в виде различных объектов, разделенных границами, которые характеризуют смену семантической характеристики объекта; в пределах объекта эта характеристика считается постоянной. Традиционно такие пространственные объекты классифицируются по виду их пространственной локализации: в точках, на линиях или площадях. Размеры и форма объектов определяются методами тематической интерпретации и генерализации при заданном масштабе исследования. Объектно-ориентированная модель подчеркивает индивидуальность явления и хорошо подходит для моделирования реальности, но при этом возникает проблема определения положения границы, особенно для природных объектов.

Примером применения второй модели служат карты транспорта, транспортных потоков, гидрологической сети.

Модели географических полей предназначены для исследования и отображения пространственных географических распределений и непрерывного представления реальности. Действительно, некоторые географические данные меняются непрерывно, например, высота земной поверхности, температура воздуха, атмосферное давление, растительность или тип почв. Такие модели дают возможность отображать на картах объекты и явления «сплошного» распространения, но они целиком зависят и от дискретности снятия отсчетов, и от выбранного метода интерполяции их семантического показателя. Непрерывность их изменения можно показать несколькими способами, например:

- производя измерения в отдельных точках или на профилях, и затем интерполируя их;

- вычерчивая изолинии или псевдоизолинии;

- выполняя построение цифровых моделей по данным, снятым с изолиний.

Все эти способы приблизительны, они лишь отчасти улавливают реальные изменения. Так, при точечных измерениях упускается из виду изменение между точками, профили не отображают изменений в окружающем их пространстве. При районировании предполагается, что на границах происходит резкое изменение, а в пределах зон изменения отсутствуют.

Легко сделать вывод, что выбор концептуальной модели пространственной информации связан с видом ее приложений, например, для решения транспортных задач и для природно-ресурсных приложений необходимы разные модели.

На концептуальном уровне определяется и содержание картографической базы данных, в свою очередь определяемое сутью явления, характером его пространственного распространения и задачей, для которой создается БД. Здесь можно выделить создание одной карты или серии карт одного типа, решение задач комплексного картографирования, создание синтетических карт или системы ГК для многоцелевого и многократного использования.

С первого взгляда очевидно, что при детальном анализе для решения двух различных задач даже на основе однотипных данных содержание БД оказывается разным: при составлении лесохозяйственных и природоохранных карт используют информацию о растительности, но при этом ее параметры выбирают разные.

Итак, первый этап Проектирования базы данных - отбор и определение включаемых в нее типов объектов, второй - поиск адекватных способов пространственного представления каждого типа объектов.

Модели данных

Все модели пространственных данных делятся на растровые и векторные. К растровым относятся непосредственно растровая (матричная), регулярно-ячеистая и квадротомическая модели, к векторным – векторная-топологическая и векторная-нетопологическая.

Растровая (матричная) модель. Всё описываемое пространство делится на гомогенные элементы (пикселы). Каждому пикселу присваивается цифровое значение, указывающее на принадлежность к какому-либо объекту. Для точечных элементов достаточно указать принадлежность к одному, для линейных и полигональных нужно больше пикселов. Решётка, накладываемая на объекты, называется матрицей. Для каждого типа объектов – свой слой матрицы. Номера ячеек (пикселов) именуются слева-направо и сверху-вниз. Растровые модели применяют на начальных этапах работы с оцифрованными (отсканированными) материалами и при создании цифровых моделей рельефа. Достаточно легко исправляются, интегрируются в различные продукты, но занимают большой объём машинной памяти.

Регулярно-ячеистая модель. Структурная единица – ячейка, получающаяся в ходе разбиения пространства линиями регулярной сети. Размеры могут быть различны, и ячейки могут образовывать иерархическую структуру, могут быть вложены друг в друга – учитываются углы ячеек и протяжённость каждой стороны. Некоторые программы обработки данных игнорируют различия между матричной и регулярно-ячеистой моделями. Используется при построении глобальных (общепланетарных) моделей рельефа на начальном этапе.

Квадротомическая модель. Компактна, не занимает много места в машинной памяти. Пространство делится на квадраты на разных иерархических уровнях, количество их определяется конфигурацией описываемых объектов. Используется для построения цифровых моделей рельефа, может быть использована в трёхмерных моделях (сферический треугольник делится на четыре срезанных сферических треугольника).

Векторная-нетопологическая модель (модель спагетти). Нет связи с другими объектами. В описании объектов отсутствуют топологические связи. Представляют собой последовательность объектов с координатным описанием и атрибутами. Встречаются реже топологических.

Векторная-топологическая модель. Основывается на теории графов. В таких моделях выделяют особые элементы, отражающие структуру модели: узел – точка, начальная или конечная точка дуги, нормальный узел – принадлежит трём и более дугам, висячий узел – узел дуги, которая не соединяется ни с какой другой дугой, псевдоузел – принадлежит только двум дугам или одной замкнутой дуге, вершины – точки вдоль дуги, определяющие её форму, дуга – линейный объект, определяемый набором пар координат, полигон, внутренний полигон – находится внутри другого полигона, составной полигон – содержит в себе другой полигон, универсальный полигон – внешняя область лежит за пределами исследуемой области, является внешним по отношению ко всем объектам. Объекты связаны между собой посредством цифровых кодов, входящих в описание объектов. Связь осуществляется через точечные объекты для дуг и через дуги для полигонов. Связь дуг должна иметь следующие характеристики: все дуги должны быть соединены между собой в узлах, все дуги и узлы должны быть пронумерованы, каждая дуга должна иметь начальную и конечную точки. Топология полигонов должна быть выстроена с учётом следующего: все полигоны должны быть пронумерованы, каждый полигон векторной топологической модели представлен описанием какого-то количества дуг, начальный узел первой дуги и конечный узел другой должны совпадать, координаты дуг записываются один раз, связь между полигонами осуществляется через описание дуг. Для неё чаще всего используются реляционные базы данных.

Модель ТИН. Являются частью моделирования на основе ключевых точек, значения которых известны, а точки поверхности являются ключевыми точками выстраивания по математическим расчётам. Применяются для дешифровки аэро- и космических снимков, если имеются точки с известными высотами. Точки описываются плановыми координатами и высотой. После определения точек вершин строится набор треугольников. Все треугольники связываются в сеть. Каждый – это полигон, имеющий свою топологию и содержащий сведения о соседних треугольниках. Элементы модели: точки-вершины, линии, полигоны, ключевые линии – показывают неоднородность рельефа, объекты-исключения – для которых неизвестна высота. Модель ТИН можно представить в трёхмерной или псевдотрёхмерной форме.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: