Векторная модель

Построение модели. 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.

Векторные модели (объектов) используют в качестве атомарной модели последовательность координат, образующих линию.

^ Линией называют границу, сегмент, цепь или дугу. Основные типы координатных данных в классе векторных моделей определяются через базовый элемент пиния следующим образом. Точка определяется как выродившаяся линия нулевой длины, линия - как линия конечной дли­ны, а площадь представляется последовательностью связанных между собой сегментов.

Каждый участок линии может являться границей для двух ареалов либо двух пересечений (узлов). Отрезок общей границы между двумя пересечениями (узлами) имеет разные названия, которые являются си­нонимами в предметной области ГИС. Специалисты по теории графов предпочитают слову линия термин ребро, а для пересечения употребля­ют термин вершина. Национальным стандартом США официально сан­кционирован термин цепь (chain). В некоторых системах (Arcinfo, GeoDraw) используется термин дуга.

В отличие от обычных векторов в геометрии дуги имеют свои атри­буты. Атрибуты дуг обозначают полигоны по обе стороны от них. По отношению к последовательному кодированию дуги эти полигоны име-нуютсялевым и правый. Понятие дуги (цепи, ребра) является фундамен­тальным для векторных ГИС.

Векторные модели получают разными способами. Один из наибо­лее распространенных - векторизация сканированных (растровых) изоб­ражений. Она заключается в выделении векторных объектов со скани­рованного изображения и получении их в векторном формате.

Для векторизации необходимо высокое качество (отчетливые линии и контуры) растровых образов. Чтобы обеспечить требуемую четкость ли­ний, иногда приходится заниматься улучшением качества изображения.

Процесс сканирования требует незначительных затрат труда, но не­обходимость последующей векторизации увеличивает расходы практи­чески до уровня ручного цифрования. При векторизации возможны ошибки, исправление которых осуществляется в два этапа:

1) корректировка растрового изображения до его векторизации;

2) корректировка векторных объектов. Векторные модели с помощью дискретных наборов данных отобра­жают непрерывные объекты или явления. Следовательно, можно гово­рить о векторной дискретизации. При этом векторное представление позволяет отразить большую пространственную изменчивость для од­них районов, чем для других, по сравнению с растровым представлени­ем, что обусловлено более четким показом границ и их меньшей зависи­мостью от исходного образа (изображения), чем при растровом отобра­жении. Это типично для социальных, экономических, демографических явлений, изменчивость которых в ряде районов более интенсивна.

Некоторые объекты являются векторными по определению, напри­мер границы соответствующего земельного участка, границы районов и т.д. Поэтому векторные модели обычно используют для сбора данных координатной геометрии (топографические записи), данных об админи­стративно-правовых границах и т.п.

^ Особенности векторных моделей. В векторных форматах набор данных определен объектами базы данных. Векторная модель может организовывать пространство в любой последовательности и дает "про­извольный доступ" к данным.

В векторной форме легче осуществляются операции с линейными и точечными объектами, например, анализ сети - разработка маршрутов движения по сети дорог, замена условных обозначений.

В растровых форматах точечный объект должен занимать целую ячейку. Это создает ряд трудностей, связанных с соотношением разме­ров растра и размера объекта.

Что касается точности векторных данных, то здесь можно говорить о преимуществе векторных моделей перед растровыми, так как вектор­ные данные могут кодироваться с любой мыслимой степенью точности, которая ограничивается лишь возможностями метода внутреннего пред­ставления координат. Обычно для представления векторных данных исполь­зуется 8 или 16 десятичных знаков (одинарная или двойная точность).

Только некоторые классы данных, получаемых в процессе измере­ний, соответствуют точности векторных данных. Это данные, получен­ные точной съемкой (координатная геометрия); карты небольших учас­тков, составленные по топографическим координатам, и политические 1?аиицы, определенные точной съемкой.

Не все природные явления имеют характерные четкие границы, ко­торые можно представить в виде математически определенных линий. Это обусловлено динамикой явлений или способами сбора простран­ственной информации. Почвы, типы растительности, склоны, место оби­тания диких животных - все эти объекты не имеют четких границ.

Обычно линии на карте имеют толщину 0,4 мм и, как часто считает­ся, отражают неопределенность положения объекта. В растровой систе­ме эта неопределенность задается размером ячейки.

Поэтому следует помнить, что в ГИС действительное представление о точности дают раз­мер растровой ячейки и неопределенность положения векторного объек­та, а не точность координат.

Геометрические данные составляют основу векторной модели, тем не менее, как отмечено выше, в ее состав входят также атрибуты и свя­зи. Атрибуты уже рассматривались достаточно подробно. Остановимся на связях в векторных моделях. Для этого необходимо рассмотреть то­пологические свойства векторных моделей, т.е. рассмотреть топологи­ческие модели, которые являются разновидностью векторных моделей данных.

^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.

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.

Основные топологические характеристики моделей ГИС. Топо­логические модели в ГИС задаются совокупностью следующих харак­теристик:

• связанность векторов - контуры, дороги и прочие векторы должны храниться не как независимые наборы точек, а как взаимосвязанные друг с другом объекты;

• связанность и примыкание районов - информация о взаимном рас­положении районов и об узлах пересечения районов (рис. 4.9, в);

• пересечение - информация о типах пересечений позволяет вос­производить мосты и дорожные пересечения (рис. 4.9, а). Так Т-образ-ное пересечение (3 линии) является трехвалентным, а Х-образное (4 линии сходятся в точке пересечения) называют четырехвалентным;

• близость - показатель пространственной близости линейных или ареальных объектов (рис. 4.9, б), оценивается числовым параметром, в данном случае символом S.

Топологические характеристики линейных объектов могут быть представлены визуально с помощью связанных графов. Граф сохраняет структуру модели со всеми узлами и пересечениями. Он напоминает карту с искаженным масштабом. Примером такого графа может служить схема метрополитена. Разница между картой метро и схемой метро по­казывает разницу между картой и графом.