Данные ГИС. Хранение. Форматы

Способы ввода данных

ГИС позволяет совмещать и обрабатывать данные, полученные из разных источников в разных форматах, масштабах и системах координат. Источниками данных могут быть следующие:

- бумажные карты (отсканированные);

- координаты (табличный формат);

- цифровые данные (сторонние форматы файлов);

- данные GPS.

Модели представления данных

Данные в ГИС описывают реальные объекты, такие как дороги, здания, водоемы, лесные массивы. Реальные объекты можно разделить на две абстрактные категории: дискретные (дома, территориальные зоны) и непрерывные (рельеф, уровень осадков, среднегодовая температура). Для представления этих двух категорий объектов используются векторные и растровые данные.

В растровой модели реальный мир представлен в виде поверхности, равномерно поделенной на ячейки (рис. **). Ячейки этой сетки называются пикселями. Растровые модели удобны для хранения и анализа данных, распределенных непрерывно на определенной площади.

Рисунок ** – Структура растрового изображения

Растры используются для представления непрерывных слоёв: высот местности, уклонов и экспозиции склонов, растительного покрова, полей температуры, количества выпавших осадков, зон выбросов и разливов загрязняющих веществ и т.д. Чаще всего в виде растров хранятся аэрофотоснимки и различные изображения.

Наиболее распространенным способом получения растровых данных о поверхности Земли является дистанционное зондирование, проводимое при помощи спутников. Кроме изображений, растровые модели включают гриды – модели, содержащие расчетные данные, полученные из векторных моделей.

Векторная модель – представление географической информации в виде графических примитивов: точек, линий, полигонов (многоугольников, рис. **).

Рисунок ** – Векторные модели данных

Точки – это пары координат ХУ. Используются для обозначения географических объектов, для которых важно местоположение, а не их форма или размеры. Возможность обозначения объекта точкой зависит от масштаба карты. В то время как на карте мира города целесообразно обозначать точечными объектами, то на карте города сам город представляется в виде множества объектов. В ГИС точечный объект изображается в виде некоторой геометрической фигуры небольших размеров (квадратик, кружок, крестик), либо пиктограммой, передающей тип реального объекта.

Линии – наборы координат, определяющих форму (координаты начала и конца отрезка). Служат для изображения линейных объектов. Полилиния – ломаная линия, составленная из отрезков прямых. Полилиниями изображаются дороги, железнодорожные пути, реки, улицы, водопровод. Допустимость изображения объектов полилиниями также зависит от масштаба карты. 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.

Полигоны – наборы координат, определяющих границы замкнутых областей. Служат для обозначения площадных объектов с четкими границами. Примерами могут служить озера, парки, здания, страны, континенты. Характеризуются площадью и длиной периметра.

В ГИС к векторным объектам могут быть привязаны семантические данные (атрибуты). К примеру, 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 также могут описывать непрерывные поля величин. Поля при этом изображаются в виде изолиний или контурных линий. Одним из способов представления рельефа является нерегулярная триангуляционная сетка (TIN, triangulated irregular networks). Триангуляционная нерегулярная сеть, в которой реальный мир представлен в виде сети связанных треугольников, начерченных между неравномерно распределенными точками. Значения в произвольной точке внутри сетки получаются путем интерполяции значений в узлах треугольника, в который попадает эта точка (рис.**).

Рисунок ** – Модель TIN в процессе прорисовки

TIN – это эффективный способ хранения и анализа поверхностей. При заданном объеме хранимых данных TIN позволяет более точно, чем растр, моделировать неоднородные поверхности, которые могут резко менять форму на одних участках и незначительно на других. Там где форма резко меняется – много точек, там где незначительно – мало.

Векторные данные обычно имеют гораздо 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.

Табличные данные

ГИС можно назвать СУБД, воспринимающую геометрическую информацию. К каждому классу объектов обязательно присоединена таблица атрибутов. Есть также возможность привязки внешней таблицы по ключевому полю, а также геокодирование.

Геокодирование (geocoding) – метод и процесс позиционирования пространственных объектов относительно некоторой системы координат и их атрибутирования (например, отображение на карте точек, координаты которых содержатся в таблице, или простановка точек из таблицы адресов, на базе существующей сети улиц).

Все атрибутивные таблицы содержат служебные поля (столбцы), которые служат для привязки пространственных объектов к базе данных, а также рабочие поля, куда может быть занесена полезная информация, характеризующая пространственные объекты, содержащиеся в слое. Рабочие поля могут быть созданы (добавлены) или удалены. При добавлении нового поля необходимо задать его название и тип данных. Название новому полю следует давать, руководствуясь следующими правилами:

- использовать только латинский алфавит;

- название не может начинаться с цифры;

- длина поля не может быть более 8 символов;

- название поля не должно содержать пробелов.

В последней версии ArcGIS 10.*, нарушение этих правил не будет вызывать ошибок, но при работе с несколькими ГИС, и переносе данных между различными платформами, могут возникнуть проблемы.

При выборе типа данных для создаваемого столбца, необходимо решить, какая информация будет в нем содержаться: будет ли это текст, цифры со знаками (например, номера домов, где часто встречаются литеры и дроби), целые или дробные числа. Расшифровка типов данных приводится в табл. 1.

Таблица 1 – Типы табличных данных

Хранение данных

Любая информация хранится, хранящаяся на компьютере локально содержится, как правило, в отдельных файлах. Каждому типу информации (звуковая дорожка, точечное изображение, или текст) соответствует свой тип файла. Деля модели представления информации в ГИС на растровые и векторные, можно разделить на эти категории и типы используемых файлов (табл. 1).

Таблица 1 – Файловые форматы

Окончание таблицы 1

В промышленных серверных системах ГИС-данные организованы в особые структуры – базы геоданных.

База геоданных – это коллекция наборов географических данных различного типа, используемая в ArcGIS и организованная либо как папка с файлами, либо как реляционная база данных.

Чаще всего в рабочих областях и базах геоданных хранят следующие наборы данных:

- Классы пространственных объектов, хранящие дискретные объекты в виде точек, линий, полигонов или аннотаций;

- Хранящиеся в таблицах описательные атрибуты;

- Наборы растровых данных и каталоги растров с изображениями.

В ArcGIS поддерживается два типа баз геоданных: персональная и многопользовательская (табл. 2).

Таблица 2 – Типы баз геоданных

Персональные базы геоданных оптимальны для работы с небольшими наборами данных отдельных ГИС-проектов и малочисленных рабочих групп. Обычно пользователи применяют несколько персональных баз геоданных для сбора своих данных и одновременно используют их при работе с ГИС.

Для работы с многопользовательскими базами геоданных необходимы серверное приложение ArcSDE и возможность работы с разными моделями

хранения данных в СУБД (IBM DB2, Informix®, Oracle (с или без Oracle Spatial) и SQL Server). Многопользовательские базы геоданных в первую очередь используются на уровне рабочих групп, отделов или всей организации.

В базах геоданных механизм управления этими и многими другими важными рабочими процессами заключается в поддержании множества состояний одной базы данных и, что особенно важно, в обеспечении целостности базы данных ГИС. Способность управления всеми этими состояниями, работы с ними и их просмотра основана на механизме поддержки версий. Как следует из названия, этот механизм скрупулезно записывает все версии каждого пространственного и непространственного объекта по мере их корректировки, добавления и удаления. Каждая версия каждого пространственного и непространственного объекта записывается в отдельную строку таблицы вместе с важной информацией о транзакциях.

Внешние источники данных

Сейчас в большинстве географических информационных систем данные слоев и таблиц поступают из разных организаций. Каждая организация разрабатывает более или менее весомую часть, а не все информационное наполнения своей ГИС. Обычно хотя бы некоторые слои данных поступают из внешних источников. ГИС-пользователи в своей работе давно опираются на взаимовыгодную деятельность по обмену данными и их совместному использованию.

Многие географические наборы данных могут компилироваться и управляться как общий информационный ресурс и совместно использоваться сообществом пользователей. Ключевые web-узлы, называемые порталами каталогов ГИС, предоставляют возможность пользователям как выкладывать собственную информацию, так и искать доступную для использования географическую информацию.

В состав ГИС-сети входят три основных блока (рис. **):

- порталы каталогов метаданных, где пользователи могут провести поиск и найти ГИС-информацию в соответствии с их потребностями;

- ГИС-узлы, где пользователи компилируют и публикуют наборы данных;

- пользователи ГИС, которые ведут поиск, выявляют, обращаются и используют опубликованные данные и сервисы.

Рисунок ** – Структура ГИС-сети

Важным компонентом ГИС-сети является каталог ГИС-портала с систематизированным реестром разнообразных мест хранения данных и информационных наборов. Часть ГИС-пользователей действует в качестве распорядителей данных, они компилируют и публикуют свои наборы данных для совместного использования в разных организациях. Они регистрируют свои информационные наборы в каталоге портала. Проводя поиск по этому каталогу, другие пользователи могут найти нужные им информационные наборы и обратиться к ним. Портал ГИС-каталога - это Web-сайт, где ГИС-пользователи могут искать и находить нужную им ГИС-информацию. Предоставляемые возможности зависят от комплекса предлагаемых сетевых сервисов ГИС-данных, картографических сервисов и сервисов метаданных. Периодически сайт портала ГИС-каталога может проводить обследование каталогов связанных с ним сайтов-участников с целью опубликования и обновления одного центрального ГИС-каталога. Таким образом, ГИС-каталог может содержать ссылки на источники данных, имеющиеся как на этом, так и на других сайтах.

Одним из ГИС-порталов является Портал услуг Федеральной службы государственной регистрации, кадастра и картографии, о котором упоминалось ранее в обзоре Интернет-ресурсов. Портал позволяет подключать к настольным приложениям карты из своих ресурсов, в том числе и публичную кадастровую карту.

ArcGIS ESRI, начиная с версии 10.0 обзавелась собственной службой подключения к различным ГИС-порталам ArcGIS Online (рис. **).

Рисунок ** – Подключение к ArcGIS Online

Данная служба совершает поиск и подключение разнообразных ресурсов различных от производителей (справочные и тематические карты, космические снимки), освобождая пользователя от этой работы.

Проект ГИС

Как и любой другой проект, ГИС-проект, независимо от целей, задач и методов, состоит преимущественно из четырех основных этапов:

1. Определение цели

2. Создание базы данных проекта

3. Анализ данных

4. Представление результатов

Рассмотрим подробнее эти основные шаги.

Этап 1. Определение цели.

Для определения задач необходимо ответить на ряд вопросов:

− Какую задачу необходимо решить?

− Как она решается сейчас?

− Каковы альтернативные пути ее решения с помощью ГИС?

− Каков должен быть итоговый результат проекта (отчеты, рабочие карты, презентации)?

− Кто будет пользователем этого продукта (общественность, технические специалисты, планировщики, официальные лица)?

− Будут ли эти данные использоваться для других целей?

− Каковы будут требования для этих целей?

На этой стадии определяется объем проекта и методы анализа.

Этап 2. Создание базы данных проекта состоит из трех шагов:

1. Проектирование базы данных включает:

- определение пространственных данных, которые потребуются;

- указание необходимых атрибутов объектов;

- установка границ исследуемой области;

- выбор системы координат.

2. Ввод и загрузка данных в базу.

3. Управление базой данных.

Этап 3. Анализ данных

В первую очередь необходимо определить, какие данные готовы к анализу, а какие требуют дополнительной обработки.

Подготовка данных для анализа состоит и следующих шагов:

1) проверка качества (точности и актуальности данных);

2) преобразование формата данных;

3) ввод данных: оцифровка, сканирование, преобразование, геопривязка;

4) определение системы координат;

5) проецирование слоев в новую систему координат;

6) слияние соседних слоев.

Анализ в ГИС варьируется от простого картирования до построения сложных пространственных моделей.

Картирование – совокупность процессов, методов и технологий создания карт, атласов и других картографических произведений.

Методы картирования:

− отображение географического распределения данных;

− запрос к данным ГИС;

− определение близости;

− наложение слоев.

Модель – это упрощенное представление реального мира и протекающих в нем процессов и явлений, используемое для имитации процессов, прогнозирования результата или анализа проблемы.

Категории функций моделирования в ГИС:

− функции геометрического моделирования – вычисление расстояний, создание буферных зон и вычисление площадей и периметров;

− функции моделирования совпадений – наложение наборов данных для поиска участков, где значения совпадают (построение изолиний, карт УГВ);

− функции моделирования близости – размещение, поиск пути и изменение деления на районы (построение ближайших маршрутов на трехмерной плоскости для автодорог или трубопроводов).

Этап 4. Представление результатов анализа

В большинстве случаев результаты анализа ГИС лучше представлять на карте. Другие способы: графики, отчеты по выбранным данным.