Основные представления о моделировании. Базовые понятия и термины (стр. 6 )

Полилинии. Например, крупная река в масштабах континента вполне может изображаться линейным объектом, тогда как уже в масштабах города требуется её изображение площадным объектом. Характеристикой линейного объекта является длина.

Многоугольники (полигоны). Примерами могут служить озера, парки, здания, страны, континенты. Характеризуются площадью и длиной периметра.

Семантические данные могут быть привязаны к векторным: например, на карте территориального зонирования к площадным объектам, представляющим зоны, может быть привязана характеристика типа зоны. Структуру и типы данных определяет пользователь. На основе численных значений, присвоенных векторным объектам на карте, может строиться тематическая карта, на которой эти значения обозначены цветами в соответствии с цветовой шкалой, либо окружностями разного размера.

Векторные данные обычно имеют намного меньший размер, чем растровые. Их легко трансформировать и проводить над ними бинарные операции. Векторные данные позволяют проводить различные типы пространственного анализа, к примеру поиск кратчайшего пути в дорожной сети.

Атрибутивные данные - пространственные данные имеющие четкую связь между атрибутивной и геометрической составляющими. Атрибутивная информация - это информация, описывающая различные характеристики и параметры географической составляющей.

Топографические данные. Как правило, являются основой информационного наполнения ГИС. Важные характеристики данных - масштаб, наличие атрибутивной информации. Чаще всего в качестве базовой топографической информации используются топографические карты генерального штаба МО РФ. Масштабы подробнее 1:100'000 являются секретными, 1:100'000 - для служебного пользования, 1:200'000 и мельче - открытыми.

Топографические данные могут использоваться как комплексные топографические планшеты, то есть матрицы информации, где одновременно находится вся топографическая информация и как отдельные топографические слои: гидрографическая сеть, населенные пункты, рельеф и т. д.

17. Модели представления пространственных данных. Растровый и векторный подход.

Модели пространственных данных - логические правила для формализованного цифрового описания пространственных объектов.

Данных разделяют на два типа: цифровые и аналоговые данные. Аналоговые - данные на традиционных «бумажных» носителях. В отличие от аналоговой, цифровая форма представления, хранения и передачи данных реализуется в виде цифровых кодов или цифровых сигналов.

Цифровые по форме, по своей сути модели пространственных данных относятся к типу информационных моделей, отличных от реальных (например, физических), математических, мысленных или моделей особого типа, например картографических.
Объектом информационного моделирования в ГИС является пространственный объект. Он может быть определен как цифровое представление (модель) объекта реальности (местности), содержащее его местоуказание и набор свойств (характеристик, атрибутов), или сам этот объект.

Векторные модели данных. Существует несколько способов объединения векторных структур данных в векторную модель данных, позволяющую исследовать взаимосвязи между объектами одного слоя или между объектами разных слоев. Простейшей векторной моделью данных является «спагетти»- модель. В этом случае переводится «один в один» графическое изображение карты.

В этой модели не содержится описания отношений между объектами, каждый геометрический объект хранится отдельно и не связан с другими, например общая граница объектов 25 и 26 записывается дважды, хотя с помощью одинакового набора координат. Все отношения между объектами должны вычисляться независимо, что затрудняет анализ данных и увеличивает объем хранимой информации.

Векторные топологические модели содержат сведения о соседстве, близости объектов и другие, характеристики взаимного расположения векторных объектов.

Растровые модели используются в двух случаях. В первом случае - для хранения исходных изображений местности. Во втором случае, для хранения тематических слоев, когда пользователей интересуют не отдельные пространственные объекты, а набор точек пространства, имеющих различные характеристики (высотные отметки или глубины, влажность почв и т. д.), для оперативного анализа или визуализации.

ГИС может работать с двумя существенно отличающимися типами данных - векторными и растровыми. Обе модели имеют свои преимущества и недостатки. Современные ГИС могут работать как с векторными, так и с растровыми моделями данных.

В векторной модели информация о точках, линиях и полигонах кодируется и хранится в виде набора координат X, Y (в современных ГИС часто добавляется третья пространственная и четвертая, например, временная координата). Векторная модель особенно удобна для описания дискретных объектов и меньше подходит для описания непрерывно меняющихся свойств (например, плотность населения).

Растровая модель оптимальна для работы с непрерывными свойствами (описывает непрерывные объекты и явления). Растровое изображение представляет собой набор значений для отдельных элементарных составляющих (ячеек), оно подобно отсканированной карте или картинке.

18. Интерполяция пространственных данных. Особенности применения в экологии и почвоведении.

       Интерполяция — вычисление промежуточных значений какой-либо величины по некоторым известным ее значениям. Интерполяция используется во многих прикладных направлениях наук о Земле. В метеорологии интерполируются данные наблюдений метеостанций для получения карт погоды на большие территории, интерполируются данные океанологических и гидрологических измерений, строятся поля концентраций веществ в различных средах и др. В геологии интерполяция применяется для построения двумерных и трехмерных моделей подземных массивов по данным точечных скважин.

Для создания интерполированной карты как минимум необходимый набор точек с данными об их пространственном положение (координаты х, у в пользовательской системе или в виде широты / долготы) и количественное значение параметра (z) в этих точках — высота, давление, температура, концентрация загрязнителя и др. В большинстве практических случаев сеть таких исходных точек нерегулярная, имеет разную плотность, большие разрывы т. д.

Задачей пространственной интерполяции является построение на основе сети исходных точек сплошной поверхности с заданным размером шага сетки.  В зависимости от требуемой пространственной точности выбирается разный шаг (например, участок размером 10Ч10 км может быть интерполированные с шагом 100 м (100Ч100 узлов сетки) или с шагом 10 м (1000Ч1000 узлов) На основании числовых значений точек данных рассчитывается значение для каждого узла сети, что интерполируется. Обычно процедура интерполяции выполняется для области прямоугольной формы — растра.

Использование известных значений той или иной величины в определенных точках для оценки неизвестных значений в неизвестных точках называется пространственной интерполяцией. Например, создавая карту температур какой-либо страны, Вы не найдете достаточно метеостанций, равномерно распределенных по ее территории. Пространственная интерполяция помогает оценить температуры на всей территории, используя существующие данные, взятые с метеостанций. Результат такой интерполяции часто называют статистической поверхностью. Модели рельефа, карты осадков и накопления снега, а также карты плотности населения – вот некоторые примеры результатов пространственной интерполяции.

Например, чтобы создать цифровую модель рельефа на основе высотных данных, собранных с помощью GPS-устройства в определенных точках, выбирается метод интерполяции, подходящий для оптимальной оценки высоты в тех точках, где данные отсутствуют. Полученная модель может быть использована для проведения анализа или как основание для другой модели.

Существует целый ряд методов интерполяции. Два самых широко используемых метода: IDW (англ. Inverse Distance Weighting, рус. Обратное Взвешенное Расстояние) и TIN (англ. Triangulated Irregular Networks, рус. Нерегулярная Триангуляционная Сеть).

  Интерполяция использует векторные точки с известными значениями той или иной величины для оценки этой величины в неизвестных точках и создает растровую поверхность, покрывающую всю область исследования.

Результат интерполяции – растровый слой того или иного формата. Для оптимальной оценки величины важно выбрать подходящий метод интерполяции. IDW-интерполяция присваивает входным точкам коэффициенты взвешивания так, что воздействие точек затухает с увеличением расстояния до новой точки, где производится оценка значения величины. TIN-интерполяция использует входные точки для создания поверхности, состоящей из прилегающих друг к другу треугольников, основываясь на пространственном распределении этих точек.

19. Классификация пространственных данных. Особенности их применения в экологии и почвоведении.

Существует два типа пространственных данных.

Тип данных geometry поддерживает планарные или эвклидовы данные (система координат для плоской Земли. Тип данных geography, который используется для хранения эллиптических данных, таких как координаты GPS широты и долготы.

Объекты пространственных данных

Типы данных geometry и geography поддерживают шестнадцать объектов пространственных данных или типов экземпляров. Однако только одиннадцать из этих типов экземпляров являются материализуемыми. Такие экземпляры можно создавать в базе данных и работать с ними. Эти экземпляры наследуют от родительских типов данных некоторые свойства, которые разделяют их на Points, LineStrings, CircularStrings, CompoundCurves, Polygons, CurvePolygons или несколько экземпляров geometry илиgeography в коллекции GeometryCollection.

Тип Geography имеет дополнительный тип экземпляраFullGlobe.

На рисунке ниже изображена иерархия geometry, на которой основаны типы данных geometry и geography. Инстанциируемые типы geometry и geography выделены синим.