Основные функции пространственного анализа данных

Тема 4. Обобщенные функции ГИС.

Базы данных

Совокупность цифровых данных о пространственных объектах образует множество пространственных данных и составляет содержание баз данных.

База данных (БД) – совокупность данных организованных по определенным правилам, устанавливающим общие принципы описания, хранения и манипулирования данными.

Создание БД и обращение к ней (по запросам) осуществляется с помощью системы управления базами данных (СУБД).

Логическая структура элементов базы данных определяется выбранной моделью БД. Наиболее распространенными моделями БД являются иерархические, сетевые и реляционные и объектно-ориентированные.

Иерархические модели представляют древовидную структуру, в этом случае каждая запись связана только с одной записью, находящейся на более высоком уровне (система классификации растений и животных). Главное понятие такой модели уровень. Количество уровней и их состав зависит от принятой при создании БД классификации.

Сетевые модели каждая запись в каждом узле сети может быть связана с несколькими другими узлами. Записи, входящие в состав сетевой структуры, содержат в себе указатели, определяющие местоположение других записей, связанных с ними.

Реляционные модели собирают данные в унифицированные таблицы. Таблице присваивается уникальное имя внутри БД. Каждый столбец - это поле, имеющее имя, соответствующее содержащемуся в нем атрибуту. каждая строка в таблице соответствует записи в файле. Одно и тоже поле может присутствовать в нескольких таблицах. Так как строки в таблице не упорядочены, то определяется один или несколько столбцов, значения которых однозначно идентифицируют каждую строку. Такой столбец называется первичным ключом. Взаимосвязь таблиц поддерживается внешними ключами. Пользователь может легко заносить в базу новые данные, комбинировать таблицы, выбирая отдельные поля и записи, и формировать новые таблицы для отображения на экране.

Объектно-ориентированные модели применяют, если геометрия определенного объекта способна охватывать несколько слоев, атрибуты таких объектов могут наследоваться, для их обработки применяют специфические методы.

Для обработки данных, размещенных в таблицах необходимы дополнительные сведения о данных, их называют метаданными.

Метаданные - данные о данных: каталоги, справочники, реестры и иные формы описания наборов цифровых данных.

Большинство современных ГИС осуществляют комплексную обработку информации. Обобщенные функции ГИС:

1. Ввод и редактирование данных;

2. Поддержка моделей пространственных данных;

3. Хранение информации;

4. Преобразование систем координат и трансформация картографических проекций;

5. Растрово-векторные операции;

6. Измерительные операции;

7. Полигональные операции;

8. Операции пространственного анализа;

9. Различные виды пространственного моделирования;

10. Цифровое моделирование рельефа и анализ поверхностей;

11. Вывод результатов в разных формах.

Рассмотрим поэтапно реализацию функциональных возможностей программного обеспечения.

Ввод и редактирование данных. Аналого-цифровое преобразование данных, в том числе методы и технологии цифрования картографических источников с помощью цифрователей (дигитайзеров) с ручным обводом или путем сканирования аналоговых ори­гиналов с последующей векторизацией, а также импорт готовых цифровых данных, контроль ошибок цифрования, топологиче­ской и геометрической корректности и общая оценка качества получаемой цифровой модели. Создание цифровой картографической основы – первый этап составления любой топографической или тематической катры, атласа и т.п. Цифровая катрографическая основа обычно содержит информацию взятую с общегогегрфической карты соответствующего масштаба. Таким образом, содержание цифровой картографической основы могут составлять следующие слои: элементы матматической основы, рельеф, гидрография и гидротехнический сооружения, населенные пункты, социально-экономические объекты, дорожная сеть и дорожные сооружения, растительный покров, границы. Используется привлечение нескольких карт разного масштаба, данные дистанционного зондирования, материалы полевых съемок для уточнению и получения более подробной информации о интересующем объекте (ах).

Существует несколько способов цифрования:

1. По точкам – для ввода материала сложного или плохого качества удобнее пользоваться способом цифрования по точкам, когда оператор обводит нужный объект, одновременно нажимая клавиши мыши или дигитайзера. Этот способ требуем много время- и трудозатрат, а так же зависит от квалификации оператора, хотя применим в любом случае.

2. По растровой подложке – отсканированное изображение выводится на экран и по нему обводятся нужные объекты, однако в этом случае точность зависит от качества сканера и монитора.

3. Автоматическое цифрование – отсканированное изображение полностью переводиться в векторную форму. Однако большинство программ требует проведения редактирования, что может быть очень трудоемким. Примерами таких программ могут служить Easy Trace, R2V.

4. Интерактивный способ – совмещает достоинства автоматического и цифрования по растровой подложке. Он дает возможность проводить выборочную векторизацию и не проводить редактирование после нее.

Поддержка моделей пространственных данных. Полученная цифровая модель может существовать, храниться и обрабатываться в рамках определенных моделей (представлений), к ним относят: растровую, векторную, квадротомическую и иные двух- и трехмерные модели данных, которым соответствуют некоторые форматы данных.

Хранение данных. Проектирование и ведение баз данных (БД) атрибутивной информации ГИС, поддержка функций систем управления базами данных (СУБД), включая ввод, хранение, манипулирование, обработку запросов (в том числе пространственных), поиск, выборку, сортировку, обновление, сохранение целостности, защиту данных и создание базы метаданных в рамках основных моделей организации данных БД.

Преобразование систем координат и трансформация картографических проекций. Наиболее распространенные задачи – переход от условных декартовых прямоугольных координат источника к географическим или геодезическим координатам, пересчет координат пространственных объектов из одной картографической проекции в другую, эластичные преобразования растровых изображений по сети опорных точек, а также иные операции с пространственными объектами, выполняемые на эллипсоиде или шаре.

Растрово-векторные операции. Обслуживают возможности совместного использования двух наиболее употребительных моделей пространственных данных — растровой и векторной, экспорт и импорт в среду других программных продуктов, ввод или вывод данных. Автоматическое или полуавтоматическое преобразование (конвертирование) растрового представления пространственных объектов в векторное (векторизация), векторного — в растровое (растеризация) и графическое совмещение растровых и векторныхслоев данных.

Измерительные операции и операции аналитической (координатной) геометрии. Вычисление длин отрезков прямых и кривых линий, площадей, периметров, объемов, характеристик форм объектов и т.п., автоматизация обработки данных геодезических измерений.

Полигональные операции. Включают определение принадлежности точки полигону, линии полигону, наложение полигонов (топологический оверлей), уничтожение границ и слияние полигонов, индикацию и удаление паразитных полигонов, генерацию полигонов Тиссена (диаграмм Вороного).

Пространственно-аналитические операции (операции пространственного анализа). Одна из базовых функциональных групп ГИС, включающая анализ близости (окрестности), расчет и анализ зон видимости/невидимости, анализ сетей (сетевой анализ), расчет и построение буферных зон (буферизация).

Пространственное моделирование (геомоделирование). Построение и использование моделей пространственных объектов, их взаимосвязей и динамики процессов (математико-статистический анализ пространственных размещений и временных рядов, межслойный корреляционный анализ взаимосвязей разнотипных объек­тов и т. п.) средствами универсальных ГИС со встроенными функциями пространственного моделирования, специализированных ГИС или путем создания интерфейса с моделями вне среды ГИС. Суть моделирования заключается в абстрагировании и упращенном отображении действительности логико-математическими формулами, передающими сведения о структуре, взаимосвязях и динамики исследуемых объектов. Можно выделить 3 вида моделей:

1. Математические модели, строящиеся без учета простраственного координирования явлений, результаты реализации которых не подлежат картографированию

2. Модели, в которых результаты картографируются, но простраственный аспект не учитывается на этапе реализации математических алгоритмов

3. Модели, в которых без учета пространственного положения явлений невозможно реализовать математические расчеты.

Цифровое моделирование рельефа и анализ поверхностей. Создание и обработка цифровых моделей рельефа, расчет производных морфометрических характеристик (углов наклона, экспозиции склона и формы склона), построение трехмерных изображений местности, профилей поперечного сечения, вычисление объемов, генерация линий сети тальвегов иводоразделов и иных особых точек и линий рельефа, интерполяция высот, построение изолиний по множеству значений высот, автоматизация аналитической отмывки рельефа, цифровое ортотрансформирование изображений. Моделирование трехмерных объектов (тел) в рамках моде­лей данных «истинных» трехмерных ГИС.

Вывод данных. Генерация отчетов, документирование резуль­татов в текстовой, графической (в том числе картографической), табличной формах с использованием различных графических периферийных устройств (принтеров, графопостроителей и т.п.), экспорт данных.

На следующих лекциях и практических занятиях мы познакомимся с этими операциями подробнее.