Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии

Подождите немного. Документ загружается.

Для определения географической системы координат

(разновидности сферической системы) введем следующие

понятия:

• плоскость земного экватора - проходит через центр

Земли пер

пендикулярно к оси вращения;

• плоскость географического (астрономического)

меридиана - про

ходит через ось вращения Земли и отвесную линию в точке

земной по

верхности;

• меридиан - линия пересечения плоскостей

географических мери

дианов с земной поверхностью;

• параллель - линия, образованная пересечением

плоскости, парал

лельной плоскости земного экватора, с поверхностью Земли.

Положение точки определяется широтой (Ф) и долготой

(Я.).

Широта - это угол между точкой и экватором вдоль

меридиана1. Она изменяется от -90 ° (южный полюс) до +90 °

(северный полюс).

Долгота - это угол в плоскости экватора между

меридианом точки и главным (нулевым) меридианом,

проходящим через Гринвич (Англия). Она изменяется от -180

° (западная долгота) до +180 ° (восточная долгота).

Основными понятиями этой системы координат являются:

меридиан - линия постоянной долготы;

параллель - линия постоянной широты;

большой круг - воображаемый круг на земной

поверхности, образованный плоскостью, проходящей через

центр земного шара;

малый круг - воображаемый круг на земной поверхности,

образованный плоскостью, не проходящей через центр

земного шара.

Рассмотренные системы координат носят в большей

степени теоретический характер. На практике используют

более широкий набор систем координат[2]: геоцентрические,

топоцентрические, полярные геодезические, эллиптические и

др.

4.2. Координатные данные

Геометрически информация, содержащаяся на карте,

может быть определена как совокупность наборов точек,

линий, контуров и площадей, имеющих метрические

значения, отражающие трехмерную реальность. Эта

информация образует класс координатных данных ГИС,

Такое определение широты не годится для эллипсоида.

являющийся обязательной характеристикой геообъектов.

Будучи частью (классом) общей модели данных в ГИС,

координатные данные определяют класс координатных

моделей.

Основные типы координатных моделей

Класс координатных моделей можно разбить на типы. При

этом следует учесть, что попытка включить в описание широкий

набор групп приводит к усложнению базы данных и процессов

обработки. В ГИС используют меньшее число атомарных моделей

по сравнению с САПР.

В ГИС, как и в САПР, применяют набор базовых

геометрических типов моделей, из которых создают все остальные,

более сложные. С учетом предметной области карт

ограничиваются лишь описанием таких типов (структур

географических данных), которые относятся к представлению

топографии и к тематическому упорядочению.

В ГИС включают следующие основные типы координатных

данных (рис. 4.1):

• точка (узлы, вершины);

• линия незамкнутая;

• контур (замкнутая линия);

• полигон (ареал, район) - группы примыкающих друг к другу

зам

кнутых участков.

В некоторых системах в описание основных типов моделей

включают понятие пространственная сеть, которая является

развитием типа данных район. Контуры и линии часто объединяют

общим термином -"линейные объекты". Таким образом, в разных

ГИС число основных типов координатных моделей меняется от

трех до пяти. Проводя сравнение с технологиями САПР, отметим,

что основные типы координатных данных являются аналогами

атомарных моделей в САПР, которые называют примитивами.

Приведенные выше понятия носят концептуальный характер.

На практике для построения реальных объектов используют

большее число составных координатных моделей. В разных ГИС

они незначительно отличаются, поэтому рассмотрим в качестве

примера набор данных в системе ГеоДраф:

• точка - пара координат X, Y;

• отрезок - линия, соединяющая две точки;

• вершина (вертекс) - начальная или конечная точка отрезка;

• дуга (линия) - упорядоченный набор связных отрезков (или

вер

шин);

Контур

(замкнута

линия)

Полигон (ареал)

Рис. 4.1. Основные типы координатных данных

• покрытие - набор файлов, фиксирующий в виде цифровых

запи

сей пространственные объекты (точки, дуги , полигоны) и

структуру

отношений между ними;

• пустое покрытие - покрытие, в котором отсутствуют простран

ственные объекты;

• слой - покрытие, рассматриваемое в контексте его

содержатель

ной определенности (растительность, рельеф, административное

деле

ние и т.п.) или его статуса в среде редактора (активный слой,

пассивный

слой);

• внутренний идентификатор пространственного объекта - целое

чис

ло, являющееся служебным идентификатором системы (уникальное

для

каждого объекта данного покрытия и назначаемое автоматически в

процес

се работы редактора). Может изменяться системой в процессе

работы;

• пользовательский идентификатор (внутренний ключ)

простран

ственного объекта - целое число, служащее для связи объектов

цифро

вой карты с базой (таблицами) тематических данных. Назначается

и из

меняется только пользователем.

На рис. 4.2 показаны основные из рассмотренных элементы

векторных данных ГИС.

Точка

Линия

незамкнута

Висячая

дуга

Замкнутая

дуга

• узел - начальная или конечная вершина дуги;

• висячий узел - узел, принадлежащий только одной дуге, у

которой

начальная и конечная вершины не совпадают;

• псевдоузел - узел, принадлежащий только двум дугам либо одной

замкнутой дуге, у которой начальная и конечная вершины совпадают.

Исключением является узел, принадлежащий двум дугам, одна из

кото

рых самозамкнута в этом узле, а другая примыкает к ней (такой узел

является нормальным);

• нормальный узел - узел, принадлежащий трем (и более) дугам.

Нормальным также является узел, принадлежащий двум дугам, одна из

которых самозамкнута в этом узле, а другая примыкает к ней;

• висячая дуга - дуга, имеющая висячий узел;

• замкнутая дуга - дуга, у которой совпадают начальная и конечная

вершины (у такой дуги имеется только один узел);

• полигон - единичная область, ограниченная (находящаяся

внутри)

замкнутой дугой или упорядоченным набором связных дуг, которые

об

разуют замкнутый контур;

Нормальный

узел

Рис. 4.2. Основные элементы векторных данных ГИС

Точечные объекты. Простейший тип пространственного

объекта задают точечные данные, к которым относятся не только

точки, но и все точечные условные знаки. 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.

Висячи

узел

Псевдоузел

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 два дополнительных атрибута. В силу этого

информацию о наборе точек можно представить в виде

развернутой таблицы или 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. Они широко применяются для описания се-

тей, для которых в отличие от точечных объектов характерно

присутствие топологических признаков.

Любая сеть состоит из узлов (вершин) - соединений, концов

обособленных линий и звеньев (дуг) - цепей в модели базы данных.

Для каждого узла существует специальная характеристика,

называемая валентностью, определяемая количеством звеньев в

нем. Концы обособленных линий одновалентны. Для уличных

сетей (пересечения типа "крест") наиболее характерны

четырехвалентные узлы. В гидрологии чаще всего встречаются

трехвалентные узлы.

В древовидной сети (Е-дерево) каждая пара узлов имеет лишь

одно соединение, не допускаются петли и замкнутые контуры,

большая часть речных сетей имеет древовидную структуру.

Линейные объекты, как и точечные, имеют свои атрибуты,

причем разные для дуг (звеньев) и узлов. Атрибутами для дуг

являются:

• направление движения, интенсивность движения,

протяженность;

• количество полос, время пути вдоль звена;

• диаметр трубы, направление движения газа;

• напряжение в ЛЭП, высота опор;

• количество путей, уклон, ширина тоннеля, грузоподъемность

и др.

Атрибуты для узла:

• наличие перехода, названия пересекающихся улиц;

• наличие автоматического регулирования перекрестков;

• тип (ручной или автоматический) перевода стрелок;

• характеристики трансформаторов ЛЭП;

• мощность компрессора.

Некоторые атрибуты (например, названия пересекающихся

улиц) служат для связи одного типа объектов с другими (узлы со

звеньями), другие характеризуют только участки звеньев сети.

Во многих ГИС для включения дополнительных атрибутов в

сеть необходимо разбиение существующих звеньев и создание

новых узлов. Например, звено улицы, часть которой

ремонтируется, разрывается на месте начального и конечного

участка ремонта, его атрибуты присваиваются новому

(двухвалентному) узлу. Другой пример: для отрезка дороги,

проходящей через мост, создаются новое звено и два новых узла.

Такой подход может привести к появлению недопустимо большого

числа звеньев и двухвалентных узлов, поэтому он имеет

ограничение, определяемое ресурсами конкретной ГИС.

Сети часто используют как системы линейной адресации. В

этих случаях точки размещают в сети по данным о номере звена и

о расстоянии от его начала. Это более удобно, чем использовать X,

Y координаты точки из таблицы, поскольку такие данные

непосредственно указывают положение точки в сети.

Данный подход определяет метод присвоения атрибутов

отдельным участкам звеньев. При этом линейные объекты (здания,

тоннели) хранятся в отдельных таблицах, а с сетью они увязаны

путем указания номера звена и расстояния от его начала.

Для точечных объектов необходимо указать одно значение

координат, для линейных - два (для начальной и конечной точек).

Это позволяет при необходимости рассчитать X, Y координаты

этих объектов и исключает необходимость дробить звенья и

вводить двухвалентные узлы.

Ареалы. В настоящее время в ГИС может быть представлено

несколько типов ареалов: зоны в приложении к окружающей среде

или природным ресурсам, социально-экономические зоны, данные

об угодьях и др.

Для ареальных объектов границы могут определяться

свойством или явлением, а также независимо от явления (затем

перечисляются значения атрибутов). Кроме того, границы могут

устанавливаться искусственно, например для микрорайонов.

Взаимосвязи между координатными

моделями

В общем случае пространственные данные могут иметь

большое число разнообразных связей. Эти связи играют важную

роль для пространственного анализа данных. Например, связь типа

"содержится в" позволяет соотносить объекты с их окружением,

связь "пересекает" между двумя линиями важна для анализа

маршрутов в сетях.

Взаимосвязи могут существовать между объектами одного

типа или разных типов.

Исходя из критерия построения моделей можно выделить три

основных типа взаимосвязей между координатными объектами.

Первый тип - взаимосвязи для построения сложных объектов

из простых элементов, например, взаимосвязи между дугой и

упорядоченным набором определяющих ее вершин, взаимосвязи

между полигоном и упорядоченным набором определяющих его

линий. При этом используют процедуры агрегации и обобщения

(см. разд. 3).

Второй тип - взаимосвязи, которые можно вычислить по

координатам объектов. Например, координаты точки пересечения

двух линий определяют взаимосвязь типа "скрещивается" и

наличие четырехвалентного узла. Табличные координаты

отдельной точки и данные о границах полигонов позволяют найти

полигон, включающий данную точку. Этим определяется

взаимосвязь типа "содержится в". Используя данные о границах

полигонов, можно выяснить, перекрываются ли полигоны, и тем

самым установить взаимосвязь типа "перекрывает". Другими

словами, второй тип связи содержится в атрибутивных данных в

неявном виде.

Третий тип - "интеллектуальный". Эти взаимосвязи нельзя вы-

числить по координатам, они должны получать специальное

описание и семантику при вводе данных. Например, можно

вычислить пересечение двух линий, но, если этими линиями

являются автодороги, нельзя сказать, пересекаются они или в этом

месте находится развязка автодорог. Следовательно, для решения

дополнительных задач необходима информация о связях. Учет

связей происходит при кодировании данных, т.е. в подсистемах

семантического моделирования.

4.3. Номенклатура и

разграфка

топографических карт

Поскольку основой интеграции данных в ГИС является

географическая информация, необходимо рассмотреть понятия

разграфка и номенклатура топографических карт.

Разграфкой называется разделение топографических карт на

листы.

Номенклатура - это система обозначений отдельных листов

топографических карт.

Общегеографические карты делятся на три вида:

• обзорные (масштаб 1:1 000 000 и мельче);

• обзорно-топографические (масштаб 1: 100 000 - 1 : 1 000 000);

• топографические (масштаб 1 : 100 000 и крупнее).

Обзорно-топографические карты составляются по картам более

крупных масштабов.

Топографические карты составляются по результатам съемок

территорий и отличаются детальностью изображения местности.

Это мно-голистные карты, т.е. на каждом листе отображается часть

территории, а в совокупности на всех листах содержится полное

отображение. Строго говоря, криволинейная часть поверхности

отображаемой на листе карты соответствует некоей криволинейной

трапеции. Поэтому для обозначения определенных листов карты

используют термин трапеция.

В основу разграфки топографических карт положен лист карты

масштаба 1 : 1 000 000. Для составления карты такого масштаба

изображение земной поверхности разбивается на 60 колонн

(двухугольников) начиная от Гринвичского меридиана через 6°

(рис.4.3).

Рис. 4.3. Номенклатура и разграфка карты масштаба 1:1 000 000

Двухугольники нумеруются арабскими цифрами от 1 до 60 на

восток от 180°. Возможна нумерация от 0°. В этом случае

двухугольники называют не колоннами, а зонами. Нумерация зон

от колонн отличается на 30 единиц, например, колонна с номером

40 соответствует зоне с номером 10.

Таким образом колонны и зоны делят земной шар по

меридианам. Параллелями через 4° по широте изображение земной

поверхности делится на ряды, обозначаемые буквами латинского

алфавита к северу и югу от экватора (см. рис. 4.3). Таким делением

по меридианам и параллелям определяется номенклатура листа

карты масштаба 1:1 000 000 (миллионной).

Номенклатура каждого листа включает букву ряда и номер

колонны. Так, лист, на котором показывается г. Москва, имеет

номенклатуру N-37, что соответствуют 52 - 56° широты и 36 - 42°

долготы. Номенклатура сдвоенных или счетверенных листов карты

складывается из обозначений широтного пояса и соответственно

двух или четырех колонн.

Номенклатура листов карт более крупных масштабов связана с

номенклатурой листов миллионной карты. Так, лист карты

масштаба 1 : 500 000 (рис. 4.4) составляет 1/4 листа миллионной

карты и обозначается добавлением прописной буквы А, Б, В, Г к

номенклатуре листа миллионной карты, например N-37-Б.

N-37

Лист карты масштаба 1 : 300 000 составляет 1/9 листа

миллионной карты и обозначается римскими цифрами от I до IX,

расположенными перед номенклатурой миллионного листа,

например I-N-37 (см. рис. 4.4).

Лист карты масштаба 1 : 200 000 (рис. 4.5) составляет 1/36

листа миллионной карты и обозначается римскими цифрами от I

до XXXVI, расположенными после номенклатуры миллионного

листа, например N-37-I.

N-37

I II

III

IV V VI

VII XII

XIII XVIII

XIX XXIV

XXV XXX

XXXI ХХХI

XXXII

XXXI

XXX

XXXV

О - N-37-I Рис. 4.5. Номенклатура листов

карты масштаба 1: 200 000

Лист карты масштаба 1 : 100 000 (рис. 4.6) составляет 1/144

листа миллионной карты и обозначается арабскими цифрами от 1

до 144, расположенными после номенклатуры миллионного листа,

например

N-37-143.

Номенклатура листов карт более крупных масштабов строится

на основе листа карты масштаба 1 : 100 000, подобно тому, как

строились номенклатуры рассмотренных выше карт на основе

листа миллионной карты.

Так, лист карты масштаба 1:50 000 составляет 1/4 листа карты

масштаба 1: 100 000 и обозначается добавлением прописной буквы

А, Б, В, Г к номенклатуре листа карты стотысячного масштаба

( рис. 4.7, а), например N-37-144-A.

- N-37-Б

Рис. 4.4. Номенклатура листов карт

масштабов 1:500 000 и 1:300 000