Організація даних в ГІС. Моделі даних, концепція баз геоданих в управлінні природними ресурсами

 

 

 

 

Географічна карта здавна була засобом для прийняття рішень про положення в просторі. На ній приймаються, і зараз, рішення про взаємне положення об'єктів, обчислюються відстані від об'єкта до об'єкта, виробляється прокладка маршруту й обчислення його довжини.

В електронному вигляді географічна карта зветься цифровою. На ряду з термінами, що ввійшли у повсякденний лексикон, що принесла епоха бурхливого розвитку обчислювальної техніки, термін «Цифрова карта» міцно зайняв своє місце. Цифрові карти застосовуються, як у глобальних системах прогнозування погоди і геоморфології, так і в дуже примітивних портативних індикаторах положення на місцевості в межах якого-небудь промислового об'єкта. Точно так як і картографія, у свій час придбала обрису науки, так і цифрова картографія стала наукою з усіма властивими їй атрибутами.

На цифрових картах будуються спеціальні програмні комплекси для вирішення спеціальних задач керування, контролю і прогнозування. Ще один термін, що приніс прогрес в обчислювальній техніці – «Геоінформаційні системи». Геоінформаційні системи вирішують усі задачі керування, контролю і прогнозування, а також багато іншіх й основу цих рішень складають цифрові карти.

Цифрова карта–двомірна візуальна модель карти або поверхні Землі, відтворена при допомозі засобів комп’ютерної графіки в заданій картографічній проекції і має можливість (на відміну від звичайної карти) змінюватись у масштабах відображення і при змінах візуального відображення деталей. Цифрова карта може бути представлена в паперовому вигляді при допомозі засобів комп’ютерної поліграфії.

Цифрова карта створена як сукупність шарів.

Багатошарова організація цифрової карти при існуванні механізму керування шарами дозволяє об’єднувати і відображати не тільки велику кількість інформації, ніж на звичайній карті, але суттєво спростити аналіз просторових об’єктів.

Таким чином, розділ на шари дозволяє вирішити задачі розбиття даних на типи, підвищувати ефективність інтерактивної обробки групової автоматизованої обробки, спрощувати процес зберігання інформації в базах даних, вмикати автоматичні методи просторового аналізу на етапі збору даних і при моделюванні, спрощувати рішення експертних задач.

Необхідність проаналізувати географічне розміщення явищ та об’єктів, їх кількісні та якісні характеристики за допомогою карти виникає у представників різних професій. Насамперед це, звичайно, структури управління, які володіють великими масивами інформації, на основі якої приймаються рішення. В картографічних даних також мають потребу спеціалісти, які оцінюють і прогнозують стан будь якої сфери діяльності людини, наприклад, ринку збуту продукції, забруднення території і т. д.. Коло її можливих користувачів дуже велике, це являється одною із причин швидко зростаючого за останні роки попиту на географічні інформаційні системи – ГІС.

В основі концепції ГІС лежить допущення, що реальний світ складається з багатьох географічних компонентів, які можуть бути представленні у вигляді зв’язаних шарів даних.

Пошаровий принцип є одним із загальноприйнятих підходів організації просторової інформації. Суть його полягає в тому, що різноманітна інформація про певну територію організується у вигляді серії тематичних шарів, що відповідають конкретним зрізам географічної інформації. Кожний шар може містити відомості, що стосуються тільки до однієї або декількох темам. Наприклад, для цілей вивчення природних ресурсів такими темами можуть виступати дані по геології корінних порід, геології четвертинних відкладень, по ґрунтах, типам землекористування. висотам рельєфу місцевості, гідрографічної мережі, уклонам рельєфу, експозиціям схилів, транспортної мережі. Для завдань планування розвитку міської території такий набір може включати дані по вулицях, міським інженерним мережам, об'єктам транспортної інфраструктури, різним типам зонування міської території, землеволодінням і нерухомості. Такий поділ інформації на шари є інтуїтивно зрозумілим та звичним, подібно до використання прозорих плівок при роботі з паперовими каргами. Пошарова організація даних припускає, що шари в просторі не мають розривів, і що скрізь ми маємо якусь інформацію– оча б «відсутність об'єкта» або «немає даних про наявність або відсутність об'єкта». Однак шари необов'язково повинні в точності відповідати тематичному розподілу. Наприклад, кілька різних шарів може бути присвячено одній і тій же темі, наприклад, геологічній будові на різних рівнях зрізів по глибині. Тематика одна і таж, але в багатьох випадках такий поділ є зручним. Інші приклади–представлені окремими шарами дані можуть стосуватися до різних точок або різних періодів (даних перепису населення різних років, карти забруднень навколишнього середовища за різні роки).

 

 

Цифрова карта може бути трьохмірною моделлю, але як карта вона повинна відповідати вимогам які ставляться до карт.

Цифрова карта найзручніша для простої візуальної обробки інформації, так як працює з двомірними зображеннями. Цей підхід широко розповсюджений на звичайних ГІС типу MapInfo, ArcGIS та ін.

На відміну від цифрової карти цифрова модель представляє собою в загальному випадку трьохмірну просторову модель, не обтяжену картографічними обмеженнями. Цифрова модель може містити і відображати криволінійний простір, в той час як цифрова карта це модель, яка приводить до відповідної картографічної проекції.

Цифрову модель можна розглядати як деякий просторовий каркас, який слугує основою для вирішення прикладних задач.

 

 

Модель географічних даних є певною абстракцією реального світу, робота якої грунтується на використанні наборів об’єктів даних, що підтримують відображення, запити, редагування та аналіз карт.

Упродовж останніх двох десятиліть бази просторових даних залишаються сферою активних наукових досліджень. Основними стимулами цих досліджень є потреби систем автоматизованого проектування (САПР), географічних інформаційних систем (ГІС), а також мультимедійні системи і системи супутникових спостережень за поверхнею Землі. Просторовими даними називають інформацію про просторові об’єкти, яка містить посилання на їх локалізацію у просторі. Такі посилання називають позиційними атрибутами об’єктів. У сфері ГІС синонімами терміну ”просторові дані” (spatial data) є географічні або геопросторові дані (geographic (al) data, geospatial data, georeferenced data) – цифрові дані про просторові об’єкти або явища, що містять відомості про їх місцеположення та властивості (просторових та непросторових атрибутах). Традиційно моделі геопросторових даних подаються двома взаємозв’язаними частинами: позиційною (spatial, locational) та непозиційною (aspatial), іншими словами, описами просторового положення (spatial location) і тематичного змісту (thematic content) даних або геометричними і атрибутивними даними (жаргонними вважаються пари: ”графіка-семантика”,”геометрія-семантика”, які не рекомендується вживати для позначення позиційної та непозиційної складових просторових даних). Для абстрактного опису геометричної складової просторових даних застосовують спеціальні структури просторових даних (spatial data structure)  (геометричні моделі, формальні геометричні мови, спеціальні абстрактні типи геометричних даних у програмах та базах даних тощо).

У геоінформаційних системах першого покоління переважала парадигма винятковості геопросторових даних, наслідком якої стало різноманіття підходів та форматів від різних виробників інструментальних ГІС поряд з високим рівнем стандартизації уявлення і оброблення фактографічних даних в універсальних системах керування базами даних (СКБД) на рівні мови SQL та уніфікованих механізмів і засобів доступу до даних. Така ситуація на початкових етапах розвитку ГІС, що випали на 80-ті роки минулого століття, мала об’єктивні причини, оскільки технології універсальних СКБД дійсно не могли запропонувати готових ефективних рішень для обробки просторових даних.

Розширення сфер застосування ГІС у 90-х роках та їх практична спроможність перетворитися в засіб інтегрування різноманітних даних про навколишнє середовище стимулювали поєднання спеціальних геометричних моделей з реляційними моделями атрибутивної частини просторових даних. Такі моделі були названі геореляційними (georelational data model) та знаменували нове покоління геоінформаційних систем.

Загальну методичну основу подальшого інтегрування ГІС з універсальними СКБД складає об’єктно-реляційний підхід, оскільки чисто реляційні моделі не забезпечують ефективної підтримки даних нових (багатовимірних просторових) типів зі складними структурами, які не мають прямого відображення на традиційні абстрактні типи і структури реляційних СКБД. Записи в об’єктно-реляційних базах даних (ОРБД) можуть містити дані довільних типів зі складною структурою та поведінкою, які визначаються і моделюються методами (програмними функціями), що додатково розробляються та інкапсулюється в бібліотеку класів нових абстрактних типів даних і об’єктів. До нових типів віднесено геометричні примітиви для представлення просторових об’єктів, цифрові геозображення та мультимедійні дані. Використання ОРБД є основною ознакою ГІС третього покоління. В таких ГІС обидві компоненти моделі географічних об’єктів (атрибутивна й просторова) зберігаються в середовищі єдиної бази даних, а розширена мова SQL дозволяє описувати множину просторових предикатів. Завдяки цьому досягається “технологічна зрілість” ГІС з точки зору універсальних методів інформаційних технологій та ідеї об’єктно-орієнтованого погляду на світ, що створює умови для переходу на вищий теоретичний і практичний рівень в моделюванні і проектуванні геоінформаційних систем. Стосовно моделювання геопросторових даних це означає перехід від ”графічного примітивізму” (з його основними концептами: ”шар об’єктів”, ”лінійний об’єкт”, ”полігональний об’єкт”, ”точковий об’єкт або позамасштабний знак” тощо) до об’єктно-орієнтованих моделей реального світу, які ґрунтуються на категорії класів об’єктів, що мають просторові та фактографічні властивості, а також різноманітні просторові, топологічні та семантичні зв’язки і відношення. ”Графічний примітивізм” при моделюванні геопросторових даних успадкований від цифрової картографії, коли об’єкти розбиваються на групи за типом просторової локалізації. При цьому поняття просторової локалізації підмінюється поняттям розмірності, оскільки усі об’єкти розділяються на точкові, лінійні та площинні. Реальні ж об’єкти є фізичними тілами (дискретними об’єктами) або полями, а їх локалізація може бути точковою, лінійною, смуговою, площинною, просторовою (об’ємною), комбінованою і глобальною. Поля мають глобальний тип локалізації, оскільки існують у будь-якій точці земної поверхні або її частини, що моделюється. Дискретні об’єкти можуть мати будь-який тип просторової локалізації, крім глобального, а також мати множинне уявлення (multiple representations) геометричними моделями в базі геопросторових даних. Наприклад, вулиці можуть бути представлені осьовими лініями, двома осьовими у відповідності з напрямками руху, осьовими окремих сегментів або площинними (смуговими) об’єктами окремих ділянок. Разом з тим, осьові сегменти вулиць можуть входити до складу комплексного об’єкта типу вулично-дорожньої мережі або типу ”маршрут певного транспортного засобу”. Сказане справедливе для моделювання річок, мережі залізниць тощо.

Таким чином, маємо досить складні відношення як між об’єктами реального світу та їх просторовими моделями, так і між певними елементами графічної моделі й моделями реальних об’єктів на рівні ситуаційного встановлення відношень. Аналогічно поля можуть бути представлені регулярними та нерегулярними сітками, TIN-моделями, ізолініями тощо. Зміни реальних об’єктів у часі породжують динамічність просторових даних (data temporality) та розширюють поняття просторових даних до просторово-часових даних (spatio-temporal data, spatiotemporal data). Урахування часової розмірності даних (temporal dimension of data)–один із проявів багатовимірності просторових даних. Таким чином, комплексну модель геопросторових об’єктів слід розглядати як сукупність взаємозв’язаних просторової, атрибутивної, часової і топологічної компоненти.