Понятие о пространственных объектах и пространственных, данных, гис

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 9Следующая ⇒

Пространственная база данных — база данных (БД), оптимизированная для хранения и выполнения запросов к данным о пространственных объектах, представленных некоторыми абстракциями: точка, линия, полигон и др. (лишь отчасти соответствующих базовым математическим понятиям точка, кривая, полигон).

В то время, как традиционные БД могут хранить и обрабатывать числовую и символьную информацию, пространственные обладают расширенной функциональностью, позволяющей хранить целостный пространственный объект (англ. feature), объединяющий как традиционные виды данных (описательная часть или атрибутивная), так и геометрические (данные о положении объекта в пространстве). Пространственные БД позволяют выполнять аналитические запросы, содержащие пространственные операторы для анализа пространственно-логических отношений объектов (пересекается, касается, содержится в, содержит, находится на расстоянии X от, совпадает и пр.).[1]

Традиционные БД используют индексы для быстрого доступа к данным. Однако большинство данных, содержащихся в таких индексах, не оптимально для пространственных запросов. Вместо этого, пространственные БД используют специальные пространственные индексы для ускорения пространственных операций с БД. В дополнение к типичным запросам SQL, типа оператора SELECT, пространственные БД могут выполнять широкий набор пространственных операторов. Консорциумом OGC поддерживаются следующие типы запросов (не ограничиваясь данными): Пространственные измерения (Spatial Measurements): Поиск расстояний между точками, полигонами и т. д. Пространственные функции (Spatial Functions): Модификация существующих объектов (features) для создания новых (например, построение буферных зон вокруг объекта, пересечение объектов и т. д. Пространственные предикаты (Spatial Predicates): Ответы на вопросы типа 'находится ли какое-либо учреждение образования на расстоянии 300 м от предполагаемого места строительства пивного бара? ' Функции построения (Constructor Functions): Создание новых объектов с помощью SQL-запросов, посредством указания вершин (положения узлов, точек) линий. Если первая вершина совпадает по координатам с последней, то объект может стать и полигоном, имеющим замкнутую границу. Функции аналитических вычислений (Observer Functions): Запросы, которые возвращают специфическую информацию об объектах. Например, координаты центра окружности.

7. Системы координат и математическая основа ГИС

Работа с пространственными данными требует знания используемых систем координат и преобразований для связи между ними. В соответствии с Математической энциклопедией координаты – это числа (величины), по которым находится (определяется) положение какого-либо элемента (точки) в некоторой совокупности (множестве М). Множество M может представлять собой плоскость, поверхность, пространство. Совокупность координат образует систему координат, причем координаты взаимно однозначно соответствуют элементам множества M. Системы координат, используемые в геоинформатике можно разбить на группы по множествам, на которых они определены, а внутри групп по способам задания координат. Поясним сказанное на примерах. Зададим в трехмерном пространстве две системы координат с началом координат в центре масс Земли: геоцентрическую пространственную прямоугольную (ось Z, совпадающая с осью вращения Земли, и оси X и Y в плоскости экватора) и систему координат, связанную с эллипсоидом вращения (широта, долгота, расстояние до эллипсоида). Координаты точек трехмерного пространства (множества M) могут быть пересчитаны из одной системы координат в другую при известных параметрах эллипсоида. Для простоты считаем, что ось вращения эллипсоида совпадает с осью вращения Земли. Рассмотрим теперь систему координат на эллипсоиде вращения (широта, долгота). Здесь множеством M является уже не все трехмерное пространство, а поверхность эллипсоида. Картографическая проекция определяет соответствие точек эллипсоида, или его части и точек плоскости или ее части. Такое соответствие может быть иногда определено и чисто геометрически, но в геоинфомационных технологиях, как правило, используется аналитический способ задания проекции. То есть формулы картографической проекции связывают системы координат, заданные на эллипсоиде и на плоскости. Прямоугольные системы координат на плоскости могут отличаться одна от другой сдвигом начала координат, поворотом координатных осей, изменением масштаба.

В Энциклопедии также предлагается способ введения координат, основанный на оценке положения объекта относительно некоторых выбранных стандартных подмножеств, например, линий, поверхностей и т.п. Примером координатных линий могут служить параллели и меридианы на эллипсоиде или пучки прямых, параллельных осям X и Y Декартовой прямоугольной системы координат на плоскости. Заметим, что при работе с картой ручная реализация операций локализации и съемки опирается именно на положение объектов относительно координатных линий, причем эти линии могут быть связаны как с Декартовой системой координат (километровая сетка), так и с системой географических координат (картографическая сетка). При погружении карт в ГИС точки пересечения координатных линий часто используются для преобразования данных в нужную систему координат. В дальнейшем координатные линии служат в основном для иллюстрации и визуального контроля положения объектов, а координаты, как правило, определяются аналитически. При этом необходимость обмена данными между различными программными оболочками, между различными ГИС, между разными странами и т.д. требует более внимательного отношения к описанию систем координат и их преобразований. Заметим, что при обмене данными координатные линии упрощают распознавание используемой системы координат.

Часть программных продуктов, обслуживающих геоинформационные технологии, работают с двумя видами систем координат на плоскости, условно называемых «Земля» и «не Земля». К первым относятся географические координаты и прямоугольные координаты в заданной картографической проекции, ко вторым - координаты, не имеющие явной связи с географическими. В других системы координат разбиты на 3 группы: географические (долгота/широта), в заданной картографической проекции и без проекции. При необходимости согласования данных, представленных в разных системах координат вида «не Земля» между собой или с данными, представленными в системах координат вида «Земля», как правило, используются преобразования плоскости по опорным точкам.

Понятия «система координат» и «математическая основа карты» тесно связаны.

В математике термины «карта» и «система координат» могут использоваться как синонимы. В картографии карте соответствует ее теоретическая система координат, задаваемая выбором математических элементов, то есть астрономо-геодезической основы, картографической проекции, главного масштаба, координатных сеток, а также элементов компоновки. Указанные математические элементы и составляют математическую основу традиционной географической карты (см. например Гинзбург, Салманова, 1964). Заданная теоретическая система координат вместе с координатными линиями позволяет определять (находить) положение объектов на карте, осуществлять операции локализации и съемки.

После перевода в цифровую форму карта может быть представлена и отображаться на экране в системе координат, отличающейся от теоретической, но находящейся с ней в близком геометрическом соответствии (система координат цифрования). Соотношение системы координат цифрования и теоретической системы координат карты аналогично соотношению исходной системы координат снимка и системы координат его теоретической модели.

Математическая основа электронной карты отличается, прежде всего, новым содержанием понятия «масштаб». Главный масштаб карты, влияющий на полноту и подробность изображения, на точность карты и степень ее генерализации, остается элементом математической основы, так как во многом определяет возможность локализации объектов и отображения явлений. Масштаб перестает быть параметром системы координат и становится частью названия карты. Место масштаба в системе координат занимают единицы измерения. Появляется понятие текущего масштаба изображения. В математическую основу электронной карты можно дополнительно включить набор масштабных диапазонов (пример 1), определяющих границы видимости на экране различных элементов содержания карты.

Математическая основа ГИС требует системного подхода к самому понятию, так как это не только математическая основа карт, участвующих в создании и работе ГИС (карт-источников, базовых карт для интеграции разнородных картографических материалов и карт–приложений), а также и множество преобразований, обеспечивающих связи между этими картами. Причем наряду с традиционными преобразованиями картографических проекций и систем геодезических координат это могут быть и преобразования по опорным точкам, необходимые в частности для перехода от системы координат цифрования в теоретическую систему координат карты. Таким образом, математическая основа конкретной геоинформационной системы, определение которой желательно осуществлять при проектировании ГИС, характеризуется набором систем геодезических координат, картографических проекций, масштабным диапазоном, набором необходимых вариантов компоновки и координатных сеток, и, кроме того, возможностями программного обеспечения по преобразованию координат пространственно привязанных данных. В том случае, если исходные данные не являются картой (это могут быть снимки, показания различных приборов и т.д.), в математическую основу ГИС следует включать преобразования для связи этих данных с базовой картой. Заметим, что выбор математической основы (и системы координат) базовой карты всегда требует особой тщательности, как при традиционном, так и при геоинформационном картографировании. Понятие базовой карты пришло в геоинформатику и цифровую картографию из традиционной картографии, так как существовали базовые карты для составления карт более мелкого масштаба, созданные на основе интеграции данных с карт более крупных масштабов. В некоторых случаях основой для интеграции разнородных картографических материалов целесообразно выбирать не базовую карту, а базовую систему координат долгота/широта и преобразовывать в нее все имеющиеся материалы. Это связано с тем, что обмен данными, привязанными к картам мелких масштабов, пока предпочтительнее в географических системах координат (долгота/широта), тем более, что для самых мелких масштабов выбранная геодезическая система координат вообще не имеет значения, а для несколько более крупных по крайней мере переход от одной геодезической системы к другой не требует слишком высокой точности. При использовании системы координат (долгота/широта) следует учитывать, что непосредственное отображение данных на экране, как правило, осуществляется в нормальной цилиндрической проекции: x = λ, y = φ, что соответствует равнопромежуточной, а точнее в квадратной, проекции (Plate Carree) на сфере единичного радиуса. Проекция не является ни равноугольной, ни равновеликой, а в том случае, когда λ и φ относятся к эллипсоиду вращения даже и не остается строго равнопромежуточной. На рисунке 2 видно, что изображение, представленное в базовой системе координат (долгота/широта) может быть использовано как элемент базы данных, но не желательно как элемент содержания окончательно оформленной карты.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 Следующая ⇒