Построение картографических баз данных 6.2. Представление объектов картографической базы 6.3. Атрибутивные данные для ГИС

6.1Геоинформационная система начинается с создания картографической базы данных. Содержание и состав картографической базы данных зависит от того, какие задачи призвана решать данная ГИС. Задачи определяют конечные пользователи ГИС, проектирующие базы данных. Практически во всех случаях картографические базы данных в геоинформационных системах являются моделями физической поверхности Земли, в них отражаются многие реальные объекты или процессы и явления, происходящие на ней.

При формировании базы картографической информации необходимо помнить, что потребности двух различных предприятий в однотипных данных могут сильно различаться. При создании картографической базы муниципальной геоинформационной системы городской автомобильной инспекции и управлению транспорта необходима картографическая информация об улицах и проездах города, но разного содержания. Земли с точки зрения налоговой службы являются объектом налогообложения, а для министерства сельского хозяйства это производственные территории, имеющие очень сложную классификацию.

Для каждой организации или службы при проектировании базы данных необходимо представить себе ограниченный набор объектов и их характеристик и это состояние действительности должно описываться в прошлом, настоящем и прогнозироваться для будущего средствами геоинформационных систем и их приложений.

Элементы действительности, моделируемые с помощью геоинформационной системы, имеют следующее представление.

1. Объектом является элемент исследования - это может быть здание, участок местности, колодец, участок дороги, местность, пораженная источником загрязнения, причем элемент должен быть последним в ряду подразделения. Один и тот же объект в разных картографических базах может быть одновременно и сложным и простым. Например, город может быть простым объектом на климатической карте, а на крупномасштабной топографический карте город является очень сложным объектом, состоящим из множества простых объектов. Определение набора объектов для картографической базы данных является очень важным этапом проектирования ГИС.

2. Изучаемый объект представляется в картографической базе ГИС в цифровом виде.

3. Для показа объекта на экране монитора используется картографический знак.

Цифровая форма представления объектов в картографической базе данных определяется пространственной размерностью.

Нульмерные предметы имеют положение в пространстве, но не имеют длины. Таким предметом является точка.

Одномерные предметы имеют длину и представлены отрезками прямых и кривых линий.

Двухмерные предметы имеют длину и ширину и ограничены, по крайней мере, тремя одномерными предметами, называются территориями, площадными объектами или ареалами.

Трехмерные предметы имеют длину, ширину и высоту или глубину и ограничены, по крайней мере, четырьмя 2-мерными предметами и характеризуются объемом.

Рисунок 1. Формирование слоев карты: 1- полный набор слоев, 2- поселения, 3- автомобильные дороги, 4 - гидрография.

Объекты объединяются в группы, которые отражают одинаковые по признакам. Такой группой можно считать дорожную сеть, гидрографию, рельеф. Для создания базы данных нужно отобрать группы объектов, необходимые для решения поставленных перед ГИС задач. Очень важно правильно совершить отбор объектов, потому что эти действия во многом определяют дальнейшую разработку. Группы объектов в базе организуются слоями или перекрытиями, или наложениями (рис. 1). Один слой может представлять один тип объектов или группу концептуально взаимосвязанных типов объектов. Возможны самые разные варианты системы слоев, как и модели данных, некоторые базы пространственных данных созданы путем объединения всех объектов в один слой.

При проектировании картографической базы данных количество объектов в слое было оптимальным для решения поставленной задачи. Например, при проектировании объектов дорожного строительства в одном слое должны находятся транспортные магистрали и населенные пункты. Количество слоев будет соответствовать количеству регламентированных тематических групп (рис.1).

При проектировании базы данных все объекты имеют, по меньшей мере, три измерения, но не все эти измерения могут быть одинаково необходимыми для исследования. Например, дорожное покрытие имеет толщину, но важность этого параметра меньше ширины, которая, в свою очередь, не так важна, как длина дороги. Проект картографической базы данных должен учитывать возможные преобразования картографических данных с учетом ограничений, связанных с масштабом исходного документа.

К базе данных предъявляются требования одновременности имеющихся в ней количественных данных. Информация должна быть достаточно подробной, категории данных и их подразделения должны включать все необходимые сведения для анализа или моделирования исследуемого объекта. К ней должны предъявляться требование абсолютной совместимости с другими данными, которые могут накладываться на нее. База данных должна правильно отражать характер явлений, для этого необходимо четко определить включенные в нее явления. Организация базы данных должна иметь возможность обновления имеющейся информации.

6.2 Много объектов исследуемой территории являются нульмерными и их можно представить в виде точек. Выбор такого представления зависит от масштаба карты и темы исследования.

Например, на крупномасштабной карте точками показываются отдельные элемента трасс подземных коммуникации - смотровые колодцы и камеры, а на мелкомасштабной карте точки могут обозначать города.

Тематическая информация, описывающая точечные объекты, представляется в таблице атрибутов. В строках хранятся качественные и количественные признаки, и каждая строка соответствует точке, а столбец атрибуту. Координаты точек можно также хранить в таблице атрибутов в двух дополнительных столбцах. Каждая точка независима от всех остальных точек, представленных отдельными строками в модели базы картографических данных

Одномерные объекты называют линейными и образуют сети: инфраструктурные, транспортные, коммунальные, природные сети и т.д.

Любая сеть состоит из: узлов (соединений, концов обособленных линий), звеньев (цепей в модели базы данных)

Валентность узла определяется количеством звеньев в нем, концы обособленных линий одновалентны, для уличных сетей наиболее характерны четырехвалентные узлы, в гидрологии чаще всего встречаются трехвалентные узлы, в древовидной сети каждая пара трехвалентных узлов имеет лишь одно соединение, не допускаются петли и замкнутые контура, большая часть речных сетей древовидны.

Для звеньев выбирают необходимые для анализа атрибуты. Для звена автомобильной дороги представляет интерес направление и интенсивность движения, протяженность, количество полос, время пути вдоль звена. Для газопровода необходимыми могут быть данные о параметрах трубы, давлении газа и направлении движения газа. Линия электрической передачи – это сведения о напряжении, количестве проводов, высоте опор. Звено железной дороги обеспечивается сведениями о количестве путей, количестве поездов, уклоне, ширине самого узкого тоннеля, грузоподъемности.

Для узла выбираются свои атрибуты. Для перекрестка улиц - наличие светофора, наличие перехода и названия пересекающихся улиц. Некоторые атрибуты характеризуют непосредственно узел, а другие, например, названия пересекающихся улиц, связывают один тип объектов с другим (узлы со звеньями).

Некоторые атрибуты характеризуют только участки звеньев сети, например, часть звена железной дороги между двумя соединениями может проходить внутри тоннеля, например, часть звена автодороги между двумя соединениями может нуждаться в текущем ремонте дорожного полотна.

Во многих ГИС для включения таких атрибутов в сеть необходимо разбиение существующих звеньев и создание новых узлов, например, звено улицы разрывается на месте здания, его атрибуты присваиваются новому (двухвалентному) узлу. Для отрезка железной дороги внутри тоннеля создается новое звено и два новых узла, такое требование может привести к появлению недопустимо большого числа звеньев и двухвалентных узлов.

Сети как системы линейной адресации - сети часто приходится использовать как систему адресации (пример - уличная сеть) - сопоставление адресов - это процесс определения местоположения здания на уличной сети по его адресу. Например, если известно, что в данный квартал входят дома с номерами от 100 до 198, то дом № 124 будет, вероятно, находиться на расстоянии 1/4 длины этого звена. Точки можно размещать в сети по данным о номере звена и о расстоянии от его начала. Это удобнее, чем использовать (x,y) координаты точки, поскольку такие данные непосредственно указывают положение точки в сети - подобный подход позволяет решить проблему присвоения атрибутов отдельным участкам звеньев - такие объекты (здания, тоннели) хранятся в отдельных таблицах, с сетью они увязаны путем указания номера звена и расстояния от его начала. Для точечных объектов необходимо указать одно расстояние, для протяженных объектов (тоннели) - два (для начальной и конечной точек).

Площадные или ареальные объекты картографических данных имеют широкий диапазон приложений и определяются искусственными или естественными явлениями.

Можно выделить несколько типов ареалов. Зоны, имеющие отношение к окружающей среде или природным ресурсам. Массивы леса, озера, заболоченные пространства, сельские и городские территории, геологические и почвенные данные, определяющие типы пород и почв, территории распространения вредного воздействия от промышленного производства. В некоторых случаях эти ареалы определяются естественными явлениями, но многие определяются искусственно, земельные участки в селе и городе, социально-экономические зоны, включая переписные участки, территории почтовых индексов, территории интегральной оценки, микрорайоны и т.п.

Почти все соединения границ ареалов трехвалентны. При использовании ареальных данных требуется учитывать геометрические вариации пространственного покрытия. Площадные объекты представляют собой обособленные ареалы, возможно перекрывающиеся, объект может находиться внутри любого числа объектов или не входить ни в один из них. Ареалы не всегда покрывают все пространство, любой объект может находиться внутри любого объекта. Границы разделяют два или три ареала, которые не могут перекрываться.

Многократное перекрытие ареальных объектов осложняет использование данных такого типа. Внутри ареала материка находится ареал страны, внутри которой ареал природной зоны, внутри ареал озера, внутри ареал острова, внутри ареал леса. Для каждого из них необходимо создать таблицу атрибутов, которая должна восприниматься базой данной ГИС. Необходимо, чтобы база данных правильно воспринимала такие ситуации.

Примерами непрерывных поверхностей, представляемых в геоинформационных системах, являются: рельеф местности, осадки, давление, температура, плотность населения, распределение в атмосфере и на поверхности любых химических элементов. Для обработки этой ступени картографических данных должна существовать возможность выборки нужной информации в любом месте исследуемой территории.

В объектах исследования, характеризуемых непрерывными поверхностями, выделяют существенные признаки. Такими признаками являются характерные точки, отмечающие максимальные и минимальные значения (вершины и впадины). Хребты и днища долин являются линиями резкой смены экспозиции склонов, перевалы или седловины являются схождением двух хребтов и двух долин, сбросы представляют резкое нарушение непрерывности высот - береговые уступы, фронты - резкое нарушение непрерывности угла наклона, углы наклона и экспозиции можно определить, исходя из высот.

В традиционных моделях данных отсутствуют способы представления поверхностей, поэтому поверхности представляются с использованием точек, линий или ареалов.

Цифровая модель рельефа - ЦМР - основана на данных о поверхности высотах, взятых через одинаковые интервалы, в итоге получается матрица точек, такую форму имеют многие данные о высотах.

Представление поверхностей методом горизонталей широко используется в геоинформационных системах.

6.3 Картографические материалы, представленные в геоинформационных системах, отличаются от обычных карт тем, что они снабжены необходимой дополнительной информацией, которая называется тематической или атрибутивной.

Атрибутом называется количественный или качественный признак объекта, выбранного для представления. Обычно атрибуты не имеют пространственного характера, хотя некоторые могут иметь связь с пространственной природой изучаемого объекта (координаты, длина, площадь, периметр, объем). Значение атрибута измеряется или определяется методом экспертной оценки и хранится в базе данных. Почти всегда тип объекта маркируется и опознается по своим атрибутам. Дорога обычно имеет название и идентифицируется по ее классу - переулок, скоростная автострада и снабжается другой тематической информацией, содержание которой оговаривается на стадии проектирования объекта. Значения атрибутов часто упорядочиваются в виде таблиц атрибутов, строки которых соответствуют отдельным объектам, а столбцы - тематическим признакам. Каждая клетка таблицы отражает, таким образом, значение определенного признака для определенного объекта и соответствует свойствам объекта. Есть смысл загрузить как можно больше информации, для того, чтобы более полно отразить его свойства.

Очень важной для функционирования геоинформационной системы является организация картографической базы данных. Однако определяющее значение имеет содержание тематической атрибутивной базой данных и связь ее параметров с картографическими объектами. Именно наличие достаточных, актуализированных атрибутов, описывающих графические объекты, помогает поднять на другой уровень применение картографической информации при управлении территориями. В качестве атрибутивной информации могут быть использованы социально-экономические данные, данные о населении, экологическая информация о внешней среде, информация об объектах недвижимости и земельных участках, информация об условиях эксплуатации объектов, технологическая информация и пр.

Атрибуты содержатся в СУБД, различают три класса: иерархические, сетевые и реляционные системы управления базами данных. Наиболее распространены реляционные базы, в которых информация помещена в табличной форме, обеспечивает использование простых непроцедурных языков запроса.

Таблица 3 Атрибуты автомобильной дороги

При решении других задач таблицу атрибутов можно изменить или, продублировав слой, сделать другую таблицу, например, с экономическими расчетами стоимостей ремонта или инвентаризации объектов.