Векторная модель данных
Объекты реального мира моделируются графическими примитивами. Точка (point, vertex). Нульмерный пространственный объект, координатные данные которого состоят из единственной пары координат (X, Y) и необязательной координаты Z. (Мультиточка – объект, состоящий из нескольких точек). Линия (line). Одномерный пространственный объект, координатные данные которого состоят из двух пар координат – (X 1, Y 1, [Z 1]) , (X 2, Y 2, [Z]2) Полилиния (polyline). Одномерный пространственный объект, координатные данные которого состоят более двух пар координат – (X 1, Y 1, [Z 1]) , (X 2, Y 2, [Z]2), (X 3, Y 3, [Z 3])…. (Xn, Yn, [Zn]). Полилиния не имеет площади. Она может быть замкнутой, но область, ограниченная полилинией не может быть закрашена и площадь этой области не может быть посчитана. Полигон (polygon) Двухмерный пространственный объект, ограниченный замкнутым линейным объектом. В отличие от полилинии, обладает площадью и при визуализации может быть закрашен. Пространственный треугольник. Определяется 3 D координатами трёх точек, не лежащих на одной прямой. Является элементом при моделировании поверхностей и тел.
В зависимости от масштаба, точкой могут быть представлены шурфы, буровые скважины, месторождения, вулканы, города и т. д.
Большая дыра (Big Hole) — огромный недействующий алмазный рудник в городе Кимберли (ЮАР). Считается, что это наибольший карьер, разработанный людьми без применения техники. В настоящее время является главной достопримечательностью города Кимберли. Начиная с 1866 по 1914 год около 50 тысяч горняков вырыли карьер с помощью кирок и лопат, добыв при этом 2722 килограмма алмазов (14, 5 миллионов карат). В процессе разработки карьера было извлечено 22, 5 млн тонн грунта. Именно здесь были найдены такие знаменитые алмазы, как «Де Бирс» (428, 5 карата), голубовато-белый «Портер-Родс» (150 карат), оранжево-жёлтый «Тиффани» (128, 5 карата). В настоящее время это месторождение алмазов исчерпано. Площадь «Большой дыры» составляет 17 гектаров. Её периметр составляет 1, 6 км, а ширина — 463 метра. Дыра была вырыта на глубину 240 метров, но затем был засыпана пустой породой до глубины 215 метров, в настоящее время дно дыры заполняет вода, её глубина составляет 40 метров. На месте карьера раньше (примерно 70 — 130 миллионов лет назад) находилось жерло вулкана.
Разлом Сан Андреас образовался в результате столкновения Тихоокеанской и Североамериканской литосферных плит. Являясь их границей, разлом берёт начало Линиями и проходя мимо моделируются еще в Мексике, пересекает штат с юга на север, полилиниями Лос-Анджелеса через дорожная и речная сеть, Сан-Бернардино, и уходит в океан прямо под Сан-Франциско. геологические границы, горные выработки (стволы скважин, канавы, штольни, 1 280 км (с Глубина разлома достигает, по меньшей мере, 16 км, а длинаштреки…), востока на юг трубопроводы, просеки и т. д. штата Калифорния). Все землетрясения происходят вдоль этой границы.
Полигоны используются для изображения областей – геологических тел, лесных массивов, озёр морей. При определённых масштабах полигонами моделируются крупные реки, городские кварталы и т. п.
Представление линий и полигонов последовательностью фиксированных векторов. (Этот способ дал название векторной модели отображения пространственных данных) 3 3 3 4 1 8 2 7 1 3 6 5 1 7 7 4 6 2 5 5 8 7 3, 3, 3, 4, 7, 5, 6, 5, 7, 8, 2, 7, 1, 1 В настоящее время полилинии и полигоны хранятся в ГИС в виде последовательности координат точек.
Векторная модель данных может быть объектной (нетопологической) и топологической Объектная модель (нетопологическая) хорошо подходит для картографии Топологическая модель обеспечивает корректность карты и базы данных, позволяет выполнять Расширенный пространственный анализ
Нетопологическая (объектная) векторная модель ( «спагетти» ). В нетопологической модели каждый полигон является самостоятельным объектом и хранится в виде последовательности координат всех составляющих его точек. Смежные стороны полигонов дублируются. Между объектами не существует никаких взаимоотношений
Топологическая линейно-узловая векторная модель. В топологической линейно-узловой векторной модели создаются как сами пространственные объекты, так и пространственные отношения между ними - связность, соседство, смежность, вложенность и контролируется целостность объекта. При этом объекты типа «полигон» создаются в результате сборки полигонов из дуг, образующих замкнутые контура. В ГИС применяются узловые топологии (Node Topology), сетевые топологии (Network Topology) и полигональные топологии (Poligon Topology).
Топологические свойства объектов. Топологическими свойствами векторных объектов называются такие их свойства, которые не изменяются при деформации «резинового листа» (т. е. деформации растяжения, сдвига, скручивания, но без разрывов). К топологическим свойствам относятся смежность, количество граней и вершин полигонов, принадлежность точки полигону, замыкание (пристыковка) одной линии на другую, точка на пересечении линий и др. ). Смежность. Два полигона являются смежными. Они имеют общие рёбра и вершины (выделены синим цветом). При деформации смежность, количество рёбер и вершин сохраняются. Вложенность. Точка внутри полигона после деформации остаётся внутри полигона. ТОПОЛОГИЯ - раздел математики, занимающийся изучением свойств фигур (или пространств), которые сохраняются при непрерывных деформациях
Топологические свойства объектов. Связность Замыкание одной линии на другую сохраняется при деформации Точка на пересечении линий
Элементы топологической векторной модели. Точка (вершина) - vertex– ID (идентификатор), координаты X, Y и необязательная Z - высота. Узел - node – начальная или конечная точки дуги. (идентификатор ID, координаты X, Y, [Z], необязательный вес [w] ). Псевдоузел – узел, образованный замыканием дуги на себя или соединяющий только две дуги. Псевдоузлы не являются узлами ветвления, не являются необходимыми для решения топологических задач и поэтому могут быть удалены Висячий узел – узел, принадлежащей только одной дуге (висячей).
Элементы топологической векторной модели. Отрезок – линия, соединяющая две вершины. Дуга (ребро, arc)- упорядоченный набор связных отрезков (соединенных вершинами). Каждое дуга характеризуется следующим набором данных: ID, Start. Node, End. Node и необязательными Left. Pol, Right. Pol, Direct. Weight, Back. Weight (ID - дентификатор; Start. Node, End. Node –начальный и конечный узел дуги, Left. Pol, Right. Pol - идентификаторы полигонов справа и слева от дуги, Direct. Weight, Back. Weight – вес дуги в прямом и обратном направлении. Висячая дуга – дуга, имеющая висячий узел. Полигон - область, ограниченная замкнутой дугой или набором связанных дуг, образующих замкнутый контур. Каждый полигон может характеризоваться следующим набором данных: ID, Area, N, X, Y, (ID – идентификатор, Area – площадь, N – количество дуг, X, Y – координаты центроида).
Построение топологии. 2 Узел 5 g a 1 А Г 4 d Б e В b X Y Дуга Начало Конец 1 2 3 4 5 0 2 3 2 4 1 4 0 2 3 a b c d e f g 1 3 3 1 3 5 4 2 2 1 4 4 5 2 Полигон Дуги Дуга Слева Справа А Б В Г a, d, g c, d, e f b, e, g, -f a b c d e f g + D + A B D A A + B B D C D f 3 c Отыскиваются (создаются) все узлы На основе узлов определяются дуги и их направление (начальные и конечные узлы) Полигоны определяются перечислением дуг Для каждой дуги определяется полигон, находящийся справа и слева (если дуга находится на границе изучаемой области, то полигон помечается как «внешний мир» )
Некоторые правила топологии, реализованные в Arc. Gis Для полигонов Не должны перекрываться Не должны иметь пробелов Должны совмещаться с объектами другого класса. Содержит точку
Некоторые правила топологии, реализованные в Arc. Gis Для линий Не должны перекрываться Не должны пересекаться Не должны иметь псевдоузлов Не должны иметь висячих узлов Не должны пересекать сами себя
Некоторые правила топологии, реализованные в Arc. Gis Для точек Должны лежать на границе Должны находиться внутри полигона Должны лежать на линии
Форматы векторных файлов Векторные данные часто создают в других программах (САПР, векторизаторы, графические редакторы), которые используют для хранения данных свои внутренние закрытые форматы. Импорт и экспорт данных в ГИС осуществляется с помощью обменных форматов. Шейп-файлы - стандартный обменный формат для представления векторных нетопологических данных от фирмы ESRI (производитель Arc. GIS, Arc. View, ARC/INFO). В этом файле можно представлять точки, мультиточки, линии или полигоны, (в одном файле смешивать геометрические примитивы разного типа запрещено). Все объекты могут представляться с координатами в 2 -мерном (X, Y), 3 -мерном (X, Y, мера M) и 4 -мерном (X, Y, Z, мера M) пространстве. В настоящее время формат шейп-файлов поддерживается большинством производителей ГИС в качестве обменного а иногда и внутреннего формата. Каждый шейп-файл сохраняется в виде трёх обязательных файлов: 1) с расширением. SHP для представления геометрии, 2) с расширением. DBF для представления атрибутики (этот файл хранится в формате d. Base III) 3) с расширением. SHX для представления вспомогательных индексов.
Обменный формат покрытия ARC/INFO (файлы с расширением. E 00). Этот формат является стандартным для представления векторных топологических данных (покрытий) от фирмы ESRI. (Формат является открытым обменным эквивалентом внутреннего файла покрытия, которое использует Arc. Info). Он состоит только из одного файла, что достаточно удобно. Формат является текстовым, в силу чего размер файла E 00 получается существенно больше по сравнению с обычным покрытием ARC/INFO. Обменный формат Map. Info (файлы с расширением. mif и. mid Этот формат является стандартным форматом обмена векторными нетопологическими данными от фирмы Map. Info, Inc (США). Формат поддерживается большинством современных ГИС. Файл формата MIF представляет собой текстовый файл, в котором содержатся графические данные (объекты), а также может содержаться описание таблицы данных, содержащей атрибутивную информацию, связанную с объектами. Сама атрибутивная информация содержится в файле. mid
Обменный формат Autocad (файлы с расширением. dwg и. dxf Формат DWG является стандартным форматом для представления чертежей в системе автоматизированного проектирования (САПР) Auto. CAD от фирмы Autodesk, Inc (США). В ГИС этот формат используется обычно только чтобы прочитать чертеж и подложить его на карту в качестве слоя. Если предполагается выполнять пространственный анализ объектов чертежа DWG, то из него читаются только точки, линии и полигоны. Формат DWG долгое время оставался закрытым форматом, а потому был недоступен для чтения и создания во многих других программах. Начиная с 13 -й версии Auto. CAD, формат DWG был раскрыт и теперь доступен для широкого использования. Обменный формат DXF. Этот формат изначально был задуман как открытый обменный эквивалент формата DWG. В настоящее время, когда формат DWG раскрыт, единственным достоинством формата DXF является то, что он является текстовым, а потому его достаточно просто создавать и читать. Форматы F 1 M и SXF. Эти форматы являются российским изобретением для представления электронных карт, а потому поддерживаются только некоторыми российскими ГИС. Формат F 1 M является стандартом Роскартографии, а SXF – стандартом Военно-топографической службы.
Формат WMF (Windows Metafile) EMF (Enhanced Windows Metafile). Список команд устройству графического интерфейса Windows. Используется в ГИС, только чтобы передать графическое изображение слоя или всей карты в другие программы. Формат CDR файла разработан компанией Corel (Канада) для использования в собственных программных продуктах. CDR-файлы не поддерживаются многими программами, предназначенными для редактирования изображений.
Сравнение растровой и векторной моделей. Минусы растровой модели. x 2, y 2 x 1, y 1 Растровая картинка обладает избыточной информацией, требует больших объемов памяти компьютера, создает серьезные трудности при обработке данных. Программы, занимающиеся обработкой растровых изображений, работают очень медленно. Растровая модель представляет прямоугольные области и поэтому является менее точной. Ячейки растра никак не связаны между собой. Объекты в явном виде не существуют (например, растровое изображение дороги достаточно трудно перемещать, удалять, преобразовывать его форму, длину). Растровая модель плохо переносит изменение масштаба.
Плюсы растровой модели. Слияние позиционной и содержательной информации, в результате чего отпадает необходимость в особых средствах хранения и манипулирования атрибутивной частью данных. Растр не требует предварительного знакомства с явлениями. Данные собираются с равномерно расположенной сети точек, что позволяет в дальнейшем на основе статистической обработки получать объективные характеристики исследуемого объекта. Благодаря этому растр может использоваться для изучения новых явлений, о которых не накоплен материал. Существенно упрощается решение аналитических задач, многие из которых сводятся к попиксельным операциям с пакетом растровых слоев. Процессы растеризации много проще и быстрее, чем векторизации.
Многие приложения, использующие графику для расчетов работают только с векторными файлами, т. к. векторная технология намного эффективнее. Компактность записи данных ( векторные файлы занимают объем в несколько сотен раз меньше, чем растровые). Меньшие затраты времени на обработку и представление. Высокая точность. (вычисления производятся с точностью до 8 и 16 знака, в то время как в растровых моделях точка занимает ячейку целиком, в какой бы части ее она не располагалась). Легче осуществляются операции с точечными и линейными объектами (редактирование). Свойство/Модель данных Растровая Векторная Масштабируемость - + Избыточность (объем данных) - + Передача непрерывных свойств + - Передача дискретных объектов - + Легкость создания + - «Бумажные карты приводят к пожарам, но хорошо выполняют декоративные функции»
По сравнению с картинкой на бумаге растр обладает некоторыми преимуществами: изображение находится в памяти компьютера в цифровом виде, что позволяет создавать программы для автоматического распознавания и последующей обработки элементов изображения; цифровое изображение можно с помощью специальных программ преобразовывать (разрезать, сшивать, выделять элементы одного цвета, масштабировать) и создавать в неограниченных количествах копии на бумаге как всей картинки, так и отдельных ее фрагментов; на одном компьютере в сжатом виде можно хранить большие каталоги растровых изображений.
Скачать презентацию Векторная модель данных Объекты реального мира моделируются
911f2e6d65bbc68f11bac47acc1e8f34.ppt