Гл а в а 13 Информационное обеспечение систем экологического монитGринга 417

ГИС позволяет собрать воедино и проанализировать различную, на

первый взгляд, малосвязанную между собой информацию об окру­

жающей среде Геоинформационная система становится основным

элементом систем экологического мониторинга (рис. 13.1 ).

13.2.Особенности организации данных в ГИС

Кособенностям ГИС относятся наличие больших объемов хра­

нимой в них разнородной информации, специфичность организации

иструктурирования моделей данных [6]. Данные реалыюга мира,

отображаемые в ГИС, в первом приближении можно рассматривать

сучетом трех аспектов: пространственного, временного и темати­

ческого. Пространственный аспект связан с определением место­

знаков объекта и исключением из рассмотрения других. При этом

все измеримые данные при хранении их в ГИС подпадают под одну из характеристик: .место, время, предмет. В большинстве техно­ логий ГИС для определения места используют один класс данных­ координаты, для определения описательной информации и време­ ни - другой класс данных - атрибуты.

Координаты точек пространственных объектов служат для указания .местоположения объектов на земной поверхности, ко­ торая реально имеет сложную форму В качестве ее математической

модели в России с 1946 г. используется так называемый референц­ эллипсоид Ф.Н. Красовского. Для отображения положения точек по­ верхности Земли в двухмерном представлении на карте применяются различные математические модели поверхности (картографические проекции) и различные системы координат. Наиболее широко при­

меняются два основных типа координат: плоские и сферические.

Выбор системы координат зависит от размеров исследуемых участ­ ков поверхности и, как следствие, от влияния кривизны Земли. Плос­ кие координаты - декартовы или полярные - применяются при

изображении небольших (20 х 20 км) участков Земли. При этом по­

ложение точки определяется соответственно либо значением декар­

товых координат Х, У (ось Х указывает на восток, ось- У на север),

либо расстоянием от начала координат r и углом от фиксированного

направления на север <р При необходимости учета кривизны Земли

применяют сферические системы координат Наиболее известная из них - географическая система координат, в которой положение точки определяется широтой и долготой.

Гл а в а 1'3 Информационное обеспечение систем экологического мониторинга 419

ная совокупность таких атомарных моделей образует растр, который

и является моделью карты или объекта.

Растровые модели характеризуются следующими показателями.

Разрешение - минимальный линейный размер реального объ­

екта, отображаемого одним пикселем, который обычно представляет

собой прямоугольник или квадрат. Более высоким разрешением (и,

следовательно, более высоким качеством отображения) обладает

растр с меньшим размером ячеек.

Значение - элемент информации, хранящийся в пикселе. Это

может быть целое или действительное число, символ, имеющие

самостоятельное смысловое значение или являющиеся ссылкой

(кодом) для связи с атрибутивной базой данных.

Ориентация - угол между направлением на север и положе­

нием колонок растра

Зона растровой модели включает примыкающие друг к другу

ячейки, имеющие одинаковое значение. Зоной могут быть, напри­ мер, отдельные объекты, природные явления, ареалы типов почв, области распространения загрязнений и т.д В отдельный класс вы­ деляют так называемые буферные зоны - зоны, границы которых

удалены на известное расстояние от любого объекта на карте. Ос­

новные характеристики зоны - ее значение и положение.

Положение обычно задается номером строки и столбца ячейки

растра, которые однозначно определяют положение каждого элемен­

та объекта, отображаемого в растре. Точность привязки элемента растра определяют как половину ширины и половину высоты ячейки

растра.

Растровые модели широко применяются в том случае, когда тре­ буется качественное представление данных, а не манипулирование

ими или их анализ. Например, при обработке аэрокосмических сним­

ков для отображения данных дистанционного зондирования Земли

применяются растровые модели данных Растровые модели также

часто используются при изучении новых явлений. При этом данные собирают с равномерно расположенной сети точек и с помощью ста­ тистической обработки получают объективные характеристики ис­

следуемых объектов. К достоинствам растровых моделей следует от­

нести тот факт, что процесс их получениясканированиемного проще алгоритмически, чем построение векторных моделей

В общем случае растровые данные хорошо сжимаются и при хране­

нии в системе занимают меньше места, чем векторные данные Кроме

того, во многих растровых моделях предусмотрена возможность

ввода векторных данных; в растровом виде также эффективнее ре-

шаются задачи построения буферных зон. Вместе с тем при отобра­

жении реальных объектов в растровой модели занимается все гра­ фическое пространство, и следовательно, для обработки и манипу­

лирования данными в таких моделях требуются дополнительные пре­

образования (например, распознавание образов определенных объ­ ектов), большие объемы памяти и существенные затраты времени.

В целом векторные представления по сравнению с растровыми

имеют ряд преимуществ:

•векторная технология эффективнее при выполнении расчетов;

•при хранении в исходном виде векторные файлы занимают

меньший (в 100... 1000 раз) объем памяти;

• векторные рисунки легко редактируются, масштабирование и трансформирование векторных изображений в отличие от растро­

вых IJроисходят без искажений.

Векторные модели строятся на использовании векторов, зани­

мающих лишь часть пространства, и поэтому на порядки эффектив­

нее растровых моделей. Полная векторная модель данных ГИС вклю­

чает:

•пространственную информацию, описывающую положение и форму географических объектов и их пространственные связи с дру­ гими объектами;

•описательную информацию об этих объектах.

В векторных ГИС, как и в САПР, для отображения графических

объектов применяют набор базовых геометрических моделей (при­

митивов) [ 1], из которых затем получают более сложные. Число при­

митинов здесь определяется предметной областью карт и сущест­

венно меньше, чем в САПР.

в гиt используются следующие основные модели (рис. 13 2):

•точка - пара координат Х, У (узлы, вершины);

•линия незамкнутая (дуга) - упорядоченный набор коорди­

нат Х, У, причем координаты начала и конца не совпадают,

•контур (замкнутая линия) - упорядоченный набор коорди­

нат вершин Х, У, причем координаты начала и конца совпадают;

•полигонплощадной объектзадается аналогично контуру.

Соответственно различают точечные объекты, которые исполь­

зуются для изображения на карте объектов, размер которых слиш­ ком мал для изображения их линией или контуром; линейные объ­ екты, т.е. объекты, не имеющие площади, характеризующиеся толь­

ко длиной и изображаемые линией или контуром, площадные объ­

екты - замкнутые объекты, ограничивающие однородную по

каким-либо свойствам территорию, имеющие границу (контур) и

Г л а в а 13 Информационное обеспечение систем экологического мониторинга 421

•

Точка Линия (незамкнутая дуга)

о

Рис 13 2 Базовые геометрические примитивы в ГИС

площадь. Каждому примитину в ГИС ставится в соответствие сис­

темный порядковый номер (идентификатор) и хранимые вместе с ним координаты (рис. 13.3).

Пространственные связи между объектами (взаимное располо­

жение объектов, их удаленность друг от друга, смежность, возмож­

ность проезда от одной точки к другой и т.п.) на цифровых картах

описывается с помощью топологии'. При использовании топологии

данные хранятся более эффективно, что ускоряет их обработку и по­

зволяет в итоге обрабатывать наборы данных больших размеров. При наличии топологических связей становятся возможными такие опе­

рации анализа, как, например, моделирование потоков посредством

связывания линий в сеть, объединение смежных полигонов с одина­

ковыми характеристиками, наложение графических объектов и др.

В качестве основных топологических характеристик моделей, используемых в ГИС, можно назвать следующие:

связность линейных объектов;

связность полигональных объектов (взаимное расположение);

•пересечение линейных объектов;

•близость пространственных объектов.

Топологические связи в различных ГИС реализуются по-раз­

ному. Например, в такой известной системе как ARC/INFO, при­

няты три основные топологические концепции:

•дуги (линии) соединяются между собой в узлах (связность);

•дуги, ограничивающие фигуру, определяют полигон (опреде­ ление площадей);

•дуги имеют направление, а также левую и правую стороны

(непрерывность).

1 Топология - математическая дисциплина, занимающаяся определением про­

странствеиных связей.

го типа. Диапазон допустимых значений для каждого атрибута за­

дается заранее. Структура записи (набор атрибутов и их свойства)

задает отношение, которое характеризует тип сущности. Любая таб­

лица имеет один или несколько столбцов. значения в которых одно­

значно идентифицируют каждую ее строку. Такой столбец (или ком­

бинация столбцов) называется первичным ключом таблицы.

Взаимосвязь таблиц - важнейший элемент реляционной базы данных. Она организуется посредством внешних ключей, в качестве

которых используются общие атрибуты разных таблиц. При этом

различают два вида связи, которые можно установить между табли­

цами: реляционное связывание (временное соединение) и реляци­

онное соединение И в том, и в другом случае каждая запись одной

таблицы соединяется с той строкой другой таблицы, которая имеет

такое же значение общего атрибута Связывание временно расши­

ряет таблицу атрибутов объектов, как бы добавляя атрибуты, кото­

рые на самом деле в ней не хранятся. При использовании связыва­

ния связанные файлы могут поддерживаться и обновляться порознь.

При операции соединения таблицы сливаются по общему атрибуту,

образуя новую общую таблицу При этом редактирование данных

может осуществляться только в исходных таблицах. В общем случае

реляционные операции позволяют формировать связи типа: одна-к­

одной, одна-ко-многим, много-к-одной. Операции реляционного связывания и соединения обеспечивают возможность независимого создания отдельных таблиц, принадлежащих к одной тематически

связанной базе данных, и уменьшают избыточность данных.

Для обработки информации, размещаемой в таблицах реляцион­ ной базы данных, используются так называемые метаданные -до­ полнительные данные, содержащие описание структуры таблиц,

формата столбцов и т.д. Метаданные также представляются в виде

таблиц и хранятся в специальном словаре данных.

В реляционной модели не предусматривается поддержание ло­

гической упорядоченности записей. однако кортежи помещаются в физичесi<ую память в определенном порядке, что используется впос­

ледствии для формирования выборок данных и модификации таблиц. В целом преимущества реляционных моделей заключаются в

следующем:

•простая структура данных (таблицы);

•независимость логической структуры данных от физического

способа их хранения и специфики аппаратуры;

• возможность использования непроцедурных языков запроса;