Особенности организации данных в ГИС (Модели пространственных данных) презентация

Растровые и векторные 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. Те и другие могут быть двумерными (2D), т.е. расположенные на плоскости, или трехмерными (3D), т.е. расположенные в трехмерном пространстве.

Этот подход позволяет классифицировать модели по трем типам:
• растровая модель;
• векторная нетопологическая модель (объектная, псевдотопологическая); (MapInfo)
• векторная топологическая модель (узло-дуговая) (ArcInfo)
Все эти модели взаимно преобразуемы. Тем не менее при получении каждой из них необходимо учитывать их особенности.
Возможен класс моделей, которые содержат характеристики как векторов, так и мозаик. Они называются гибридными моделями.

Векторные модели
Векторные модели данных строятся из графических примитивов, таких как:
Точки
Линии Полигоны

Точечные объекты
Простейший тип пространственного объекта задают точечные данные. Выбор объектов, представляемых в виде точек, зависит от масштаба карты или исследования. Например, на крупномасштабной карте точками показываются отдельные строения, а на мелкомасштабной карте - города. Как правило точками показываются геологические пробы.
Точечный объект определяется парой координат X, Y (на плоскости), или тремя координатами X, Y, Z – в пространстве.

Особенность точечных объектов состоит в том, что они хранятся и в виде графических файлов, как другие пространственные объекты, и в виде таблиц, как атрибуты. Последнее обусловлено тем, что координаты каждой точки описывают как дополнительные атрибуты. В силу этого информацию о наборе точек можно представить в виде таблицы, содержащей помимо координат наборы атрибутов (идентификационные номера, тематические характеристики и т.д.). В таких таблицах каждая строка соответствует точке - в ней собрана вся информация о данной точке. Каждый столбец - это признак, содержащий типизированные данные: координаты или атрибуты. Каждая точка независима от всех остальных точек, представленных отдельными строками.

Линейные объекты
В простейшем случае линейный объект (отрезок) определяется двумя парами (тройками) координат, задающими начало и конец отрезка.
В случае полилинии (линии состоящей из набора отрезков - сегментов), она определяется координатами каждого из ее узлов. Полилинии могут располагаться как на плоскости, так и в пространстве. Полилиния, дуга, цепь; узел, вершина.

Полигональные объекты
Площадной объект (ареал, полигон) – замкнутая двумерная или трехмерная (блок) фигура, описывающая объект реального мира.
Площадные объекты явно создаются только в векторных нетопологических системах (MapInfo). В системах, поддерживающих топологию, площадные объекты определяются связанным набором дуг и вершин, т. е. их границами и метками.
В качестве примера полигональных объектов на плоскости можно привести микрорайоны, или горные отводы рудников.

Для полигонов, кроме уже рассмотренных понятий, вводится понятие ценроида, или метки полигона. Для большинства объектов центроидом является геометрический центр объекта, то есть точка расположенная в середине объекта. Но в некоторых объектах геометрический центр находится вне объекта, а центроид должен находиться в самом объекте.

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

Трубопровод

Границы площадей

Самопересекающиеся объекты
В инструментальных пакетах ГИС предусмотрены процедуры проверки топологической связности, что принципиально отличает их от CAD – систем.

Особенности векторных моделей
Векторные модели данных строятся на графических примитивах, 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.
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.

Растровые модели
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.
Основное назначение растровых моделей - непрерывное отображение поверхности. (Растр, мозаика, решетка.)
Большинство природных явлений лучше описывается именно растровыми моделями. (нет резких границ, полутона)

Фотография как регулярная решетка
В растровых моделях в качестве атомарной модели используют двухмерный элемент пространства - пиксель (ячейка).
Разрешение - минимальный линейный размер наименьшего участка пространства (поверхности), отображаемый одним пикселем.
Пиксели обычно представляют собой квадраты. Более высоким разрешением обладает растр с меньшим размером ячеек. Высокое разрешение подразумевает обилие деталей, множество ячеек, минимальный размер ячеек.
В ячейках растра черно-белой фотографии хранятся значения яркости каждого пиксела. Диапазон значений от 0 до 256

Положение обычно задается упорядоченной парой координат (номер строки и номер столбца), которые однозначно определяют положение каждого элемента отображаемого пространства в растре.
Тип значений 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.
2D grid матрица

Регулярные и нерегулярные модели
Растровые модели делятся на регулярные и нерегулярные.
Плоские регулярные мозаики бывают трех типов: квадрат, треугольник и шестиугольник. Квадрат - самая удобная и распространенная модель, так как позволяет относительно просто проводить обработку больших массивов данных.
Среди нерегулярных мозаик чаще всего используют треугольные сети неправильной формы (Triangulated Irregular Network - TIN) и полигоны Тиссена (диаграммы Вороного).

TIN-модели
Сети TIN удобны для создания цифровых моделей отметок местности по заданному набору точек (но не только). Они применяются как в растровых, так и в векторных моделях.
Модель треугольной нерегулярной сети (TIN) в значительной мере альтернативна цифровой модели рельефа, построенной на регулярной сети (grid, преимущество-не сглаживает).

TIN-модели (продолжение)
При построении TIN-модели дискретно расположенные точки соединяются линиями, образующими треугольники. В пределах каждого треугольника поверхность обычно представляется плоскостью. Поскольку поверхность каждого треугольника задается высотами трех его вершин, применение треугольников обеспечивает каждому участку мозаичной поверхности точное прилегание к смежным участкам. Это обеспечивает непрерывность поверхности при нерегулярном расположении точек.

Полигоны Тиссена (диаграммы Вороного)
Полигоны Тиссена (или диаграммы Вороного) представляют собой геометрические конструкции, образуемые относительно множества точек таким образом, что границы полигонов являются отрезками перпендикуляров, восстанавливаемых к линиям, соединяющим две ближайшие точки. Полигоны Тиссена позволяют проводить анализ на соседство, близость и достижимость.

Особенности 3D моделей
В настоящее время существуют два основных способа представления трехмерных моделей в ГИС.
2.5D (два-с-половиной-мерные).
3D (трехмерные)
Первый способ, назовем его псевдотрехмерным, основан на том, что создается структура данных, в которых значение третьей координаты Z (обычно высота) каждой точки (X, Y) записывается в качестве атрибута.
Второй способ - создание истинных трехмерных представлений - структур данных, в которых местоположение фиксируется в трех измерениях (X, Y, Z). В этом случае Z- не атрибут, а элемент местоположения точки.

Дополнительные пространственные типы данных в 3D моделях
Каркасные (сеточные) модели (mesh3D).
Блочные модели (grid3D)
Сплошные объемные тела (solids).

Сеточные модели
Каркасная модель 3D эллипса

Обычная технология оценки запасов минерального сырья предусматривает создание блочных моделей рудных тел и/или месторождений, которые иногда могут быть построены без определения каких-то геологических границ (рудных тел, зон и т.п.) и распространяться на все пространство месторождения. Но в большинстве случаев все рудные тела, зоны, литологические типы пород, поверхности тектонических нарушений и т.д. предварительно оконтуриваются с помощью каркасных (триангуляционных) моделей поверхностей или замкнутых объемов.
Каркасные модели могут соединятся друг с другом и вырезаться одна из другой. Например при моделировании карьера необходимо объединить поверхность карьера с топографической поверхностью.

Чаще всего замкнутыми объемами ограничивают рудные тела и зоны.
Обычный набор каркасов для модели:
Рудные тела и/или зоны; части зон, разделенные тектоникой
Специально выделяемые районы месторождения с высокими (или низкими) содержаниями
Безрудные зоны внутри рудных тел
Ограниченные в пространстве объемы литологических разностей пород и т.п.
Подсчетные блоки руды с утвержденными ГКЗ запасами
Подземные горные выработки

Для того, чтобы получить каркасную модель нужно предварительно создать некоторое множество замкнутых 2-мерных или 3-мерных периметров, а затем объединить их в каркас. Плоские периметры могут быть введены дигитайзером или сканером (с последующей векторизацией). Обычно таким образом с геологических планов и разрезов вводятся:
• контуры рудных тел, зон
• планы подземных горных выработок
• контуры подсчетных блоков и т.д.

Последовательность создания 3D оболочек
1) Создание набора сечений
2) Соединение сечений между собой
3) Затененное отображение каркасной модели

Блочные модели
Простейший тип трехмерной модели месторождения - это прямоугольная пространственная решетка, где каждая ячейка имеет одинаковую ориентацию и содержит единственную характеристику для каждой переменной. Это наиболее общий тип модели, используемый в большинстве горных систем, потому что его структура наиболее удобна для эффективного применения в компьютерных расчетах.

Блочные модели (продолжение)
Также как и в двумерном варианте блочные модели характеризуются размером блока
В простых системах все ячейки модели задаются одного размера.
В более «продвинутых» возможно задавать блоки переменного размера, в зависимости от изменчивости параметра.

Способы создания блочных моделей
Существует несколько способов создания блочных моделей. Первый из них не требует предварительного конструирования каркасов и имеет две разновидности:
Выбранное пространство полностью заполняется ячейками. По ним проводится интерполяция требуемых показателей, а затем на эту модель накладывается модель «воздуха». (коробка с кубиками)
По каждому из слоев блочной модели (вертикальному или горизонтальному) проводится оконтуривание нужных зон с помощью замкнутых периметров. Производится заполнение периметров блоками. Выполняется интерполяция между слоями.

Способы создания блочных моделей (продолжение)
Второй - самый распространенный способ создания блочных моделей – заполнение каркасов (как правило замкнутых) ячейками.
Основные разновидности блочных моделей:
Модель рудных зон и минерализации (рудная модель).
Модель литологии (геологическая модель).

Сплошные объемные тела (solids)
Сплошная 3D модель рудного тела
Сплошные объемные тела (твердотельные объекты, boolean) наиболее близко соответствуют физическим объектам реального мира.
Позволяют задавать объекту физические параметры, такие как плотность, упругость, коэффициент трения и т. д.
Имитировать физические воздействия на объекты, такие как действие силы тяжести или давления.
Производить булевские операции над объектами.

Булевские (boolean) операции над сплошными объектами
Два исходных твердотельных объекта (выделены разным цветом). Объект А – показан серым цветом, объект B – красным.
С помощью твердотельных объектов возможно вырезать модель горных выработок из модели рудного тела.

Булевские операции (продолжение)
Результат исключения (вычитания,subtraction) объекта A из объекта B (B-A).
Результат пересечения (intersection) двух объектов.
Результат объединения (union) двух объектов

Послойная организация модели
Цифровая модель может быть организована как множество слоев (покрытий или карт-подложек). Концепция послойного представления графической информации заимствована из систем CAD, однако в ГИС она получила качественно новое развитие.
Совокупность слоев образует интегрированную основу графической части ГИС.
В 3D моделировании трехмерные модели вкладываются одна в другую в трехмерном пространстве. Например блочная модель рудных залежей может быть объединена с каркасными поверхностями тектонических нарушений.

Многослойная организация электронной карты при наличии гибкого механизма управления слоями позволяет объединить и отобразить не только большее количество информации, чем на обычной карте, но существенно упростить анализ картографических данных с помощью селекции данных, необходимых для визуализации и механизма "прозрачности" цифровой карты.

Таким образом, разбиение на слои позволяет решать задачи типизации и разбиения данных на типы, повышать эффективность интерактивной обработки и групповой автоматизированной обработки, упрощать процесс хранения информации в базах данных, включать автоматизированные методы пространственного анализа на стадии сбора данных и при моделировании, упрощать решение экспертных задач. (пример)