5.3.5. Векторные и растровые модели

Основой визуального представления данных при помощи ГИС-технологий служит так называемая графическая среда. Основу графической среды и соответственно визуализации базы данных ГИС составляют векторные и растровые модели.

В общем случае модели пространственных (координатных) данных могут иметь векторное или растровое (ячеистое) представление, со­держать или не содержать топологические характеристики.

Этот подход позволяет классифицировать модели по трем типам:

• растровая модель;

• векторная не топологическая модель;

• векторная топологическая модель.

Все эти модели взаимно преобразуемы. Тем не менее, при получе­нии каждой из них необходимо учитывать их особенности. В ГИС фор­ме представления координатных данных соответствуют два основных подкласса моделей - векторные и растровые (ячеистые или мозаичные). Возможен класс моделей, которые содержат характеристики, как векто­ров, так и мозаик. Они называются гибридными моделями.

В дальнейшем под терминами решетка, мозаика, элемент растра будем понимать одно и то же. Основу такой классификации составляет атомарная единица (пространства), содержащая представления площа­дей линий и точек.

Векторная модель

Векторные модели данных строятся на векто­рах, занимающих часть пространства в отличие от занимающих все про­странство растровых моделей. Это определяет их основное преимуще­ство - требование на порядки меньшей памяти для хранения и меньших затрат времени на обработку и представление.

При построении векторных моделей объекты создаются путем со­единения точек прямыми линиями, дугами окружностей, полилиниями. Площадные объекты - ареалы задаются наборами линий. В векторных моделях термин полигон (многоугольник) является синонимом слова ареал.

Векторные модели используются преимущественно в транспортных, коммунальных, маркетинговых приложениях ГИС. Системы ГИС, рабо­тающие в основном с векторными моделями, получили название век­торных ГИС.

В реальных ГИС имеют дело не с абстрактными линиями и точка­ми, а с объектами, содержащими линии и ареалы, занимающими про­странственное положение, а также со сложными взаимосвязями между ними.

Поэтому полная векторная модель данных ГИС отображает про­странственные данные как совокупность следующих основных частей:

• геометрические (метрические) объекты (точки, линии и полигоны);

• атрибуты - признаки, связанные с объектами;

• связи между объектами.

.

Топологическая модель

Основные понятия.

Большое количество графических данных в ГИС со специфическими взаимными связями требует топологического описания объектов и групп объектов, которое зависит от "связанности" (простой или сложной). Оно определяет совокупность топологических моделей.

Напомним, что топологические свойства фигур не изменяются при любых деформациях, производимых без разрывов или соединений. На рис. 5.10 представлены топологически родственные фигуры: прямоуголь­ный четырехугольник, замкнутый контур произвольной формы, окруж­ность, треугольник. Эти объекты (фигуры) имеют одинаковую тополо­гию - одинаковые топологические свойства. Другим примером топо­логически родственных фигур могут служить арифметические знаки сложения " + " и умножения " х ".

Рис. 5.10. Топологически родственные фигуры

В геоинформационных системах применение термина топологичес­кий не такое строгое, как в топологии. В ГИС топологическая модель определяется наличием и хранением совокупностей взаимосвязей, та­ких, как соединенность дуг на пересечениях, упорядоченный набор звень­ев (цепей), образующих границу каждого полигона, взаимосвязи смеж­ности между ареалами и т.п.

В общем смысле слово топологический означает, что в модели объек­та хранятся взаимосвязи, которые расширяют использование данных ГИС для различных видов пространственного анализа.

Топологическими характеристиками графические модели ГИС су­щественно отличаются от моделей САПР. Соответственно это различие просматривается в программно-технологическом обеспечении этих си­стем.

Например, вплоть до настоящего времени много разработок ГИС выполняется с использованием средств AutoCAD, версий от 10 до 13. Однако в нем не предусмотрены ни работа с покрытиями, ни оверлей­ные процедуры, ни обработка топологических данных. Принципиально такие операции в системах CAD (Computer Aided Desing) возможны, но путем доработки программного обеспечения, что требует достаточно высокой квалификации пользователя и, естественно, ограничивает их круг.

В системах ГИС названные выше процедуры являются встроенны­ми и делают доступным анализ картографической информации широ­кому кругу пользователей без всякой доработки.

Элементы топологии, входящие в описание моделей данных ГИС, в простейшем случае определяются связями между элементами основных типов координатных данных. Например, в логическую структуру описания данных могут входить указания о том, какие линии входят в район, в каких точках эти линии пересекаются.

Топологические модели позволяют представлять элементы карты и всю карту в целом в виде графов. Площади, линии и точки описываются границами и узлами (дуговая/узловая структура). Каждая граница идет от начального к конечному узлу, и известно, какие площади находятся слева и справа.

Теоретической основой моделей служат алгебраическая топология и теория графов. В соответствии с алгебраической топологией коорди­натные типы данных: площади, линии и точки называются 2-ячейками, 1-ячейками и 0-ячейками соответственно. Карта рассматривается как ориентированный двухмерный ячеечный комплекс.

Двойственность между теорией графов и алгебраической топологи­ей позволяет применять теоретические положения графов, а также то­пологический подход.

Топологическое векторное представление данных отличается от не топологического наличием возможности получения исчерпывающего списка взаимоотношений между связанными геометрическими прими­тивами без изменения хранимых координат пространственных объектов.

Необходимая процедура при работе с топологической моделью - подготовка геометрических данных для построения топологии. Этот процесс не может быть полностью автоматизирован уже на данных сред­ней сложности и реализуется только при дополнительных затратах тру­да (обычно значительных). Таким образом, данные, хранимые в систе­ме, не предусматривающей поддержки топологии, не могут быть надежно преобразованы в топологические данные другой системы чисто автома­тическим алгоритмом.

Топологические характеристики должны вычисляться в ходе коли­чественных преобразований моделей объектов ГИС, а затем храниться в базе данных совместно с координатными данными.

Растровые модели

Основы построения.

Напомним, что модель данных представляет собой отображение непрерывных последовательностей реального мира в набор дискретных объектов.

В растровых моделях дискретизация осуществляется наиболее про­стым способом - весь объект (исследуемая территория) отображается в пространственные ячейки, образующие регулярную сеть. При этом каж­дой ячейке растровой модели соответствует одинаковый по размерам, но разный по характеристикам (цвет, плотность) участок поверхности объекта. В ячейке модели содержится одно значение, усредняющее ха­рактеристику участка поверхности объекта. В теории обработки изоб­ражений эта процедура известна под названием пикселизация.

Если векторная модель дает информацию о том, где расположен тот или иной объект, то растровая - информацию о том, что расположено в той или иной точке территории. Это определяет основное назначение растровых моделей - непрерывное отображение поверхности.

В растровых моделях в качестве атомарной модели используют двух­мерный элемент пространства - пиксель (ячейка). Упорядоченная сово­купность атомарных моделей образует растр, который, в свою очередь, является моделью карты или геообъекта.

Векторные модели относятся к бинарным или квазибинарным. Рас­тровые позволяют отображать полутона.

Как правило, каждый элемент растра или каждая ячейка должны иметь лишь одно значение плотности или цвета. Это применимо не для всех случаев. Например, когда граница двух типов покрытий может проходить через центр элемента растра, элементу дается значение, характе­ризующее большую часть ячейки или ее центральную точку.

Ряд систем позволяет иметь несколько значений для одного элемента растра.

Характеристики растровых моделей.

Для растровых моделей су­ществует ряд характеристик: разрешение, значение, ориентация, зоны, положение.

Разрешение - минимальный линейный размер наименьшего участ­ка пространства (поверхности), отображаемый одним пикселем.

Пиксели обычно представляют собой прямоугольники или квадра­ты, реже используются треугольники и шестиугольники. Более высо­ким разрешением обладает растр с меньшим размером ячеек. Высокое разрешение подразумевает обилие деталей, множество ячеек, минималь­ный размер ячеек.

Значение - элемент информации, хранящийся в элементе растра (пикселе). Поскольку при обработке применяют типизированные дан­ные, то есть необходимость определить типы значений растровой мо­дели.

Тип значении в ячейках растра определяется как реальным явлени­ем, так и особенностями ГИС. В частности, в разных системах можно использовать разные классы значений: целые числа, действительные (десятичные) значения, буквенные значения.

Целые числа могут служить характеристиками оптической плотно­сти или кодами, указывающими на позицию в прилагаемой таблице или легенде. Например, возможна следующая легенда, указывающая наиме­нование класса почв: 0 - пустой класс, 1 - суглинистые, 2 - песчаные, 3 - щебнистые и т.п.

Ориентация - угол между направлением на север и положением колонок растра.

Зона растровой модели включает соседствующие друг с другом ячейки, имеющие одинаковое значение. Зоной могут быть отдельные объекты, природные явления, ареалы типов почв, элементы гидро­графии и т.п.

Для указания всех зон с одним и тем же значением используют по­нятие класс зон. Естественно, что не во всех слоях изображения могут присутствовать зоны. Основные характеристики зоны - ее значение и положение.

Буферная зона - зона, границы которой удалены на известное рас­стояние от любого объекта на карте. Буферные зоны различной ширины могут быть созданы вокруг выбранных объектов на базе таблиц сопря­женных характеристик.

Положение обычно задается упорядоченной парой координат (но­мер строки и номер столбца), которые однозначно определяют положе­ние каждого элемента отображаемого пространства в растре.

Проводя сравнение векторных и растровых моделей, отметим удобство векторных для организации и работы с взаимосвязями объектов. Тем не менее, используя простые приемы, например, включая взаимосвязи в таб­лицы атрибутов, можно организовать взаимосвязи и в растровых системах.

Необходимо остановиться на вопросах точности отображения в ра­стровых моделях. В растровых форматах в большинстве случаев неяс­но, относятся координаты к центральной точке пикселя или к одному из его углов. Поэтому точность привязки элемента растра определяют как 1/2 ширины и высоты ячейки.

Растровые модели имеют следующие достоинства:

• растр не требует предварительного знакомства с явлениями, дан­ные собираются с равномерно расположенной сети точек, что позволя­ет в дальнейшем на основе статистических методов обработки получать объективные характеристики исследуемых объектов. Благодаря этому растровые модели могут использоваться для изучения новых явлений, о которых не накоплен материал. В силу простоты этот способ получил наибольшее распространение;

• растровые данные проще для обработки по параллельным алго­ритмам и этим обеспечивают более высокое быстродействие по сравне­нию с векторными;

• некоторые задачи, например создание буферной зоны, много про­ще решать в растровом виде;

• многие растровые модели позволяют вводить векторные данные, в то время как обратная процедура весьма затруднительна для векторных моделей;

• процессы растеризации много проще алгоритмически, чем про­цессы векторизации, которые зачастую требуют экспертных решений.

Наиболее часто растровые модели применяют при обработке аэро­космических снимков для получения данных дистанционных исследо­ваний Земли.