Файл: Курс лекций Учебное пособие Зерноград 2015 2 удк 528 (075. 8) Печатается по решению методической комиссии.pdf

33
Рисунок 8 – Декомпозиция объектов в линейно-узловой модели данных.
Один из вариантов структуры данных в линейно-узловой модели (другое название – цепочно-узловая структура) приведѐн на рисунке 9.
Кроме глобального списка обобществлѐнных точек (узлов) имеется гло- бальный список обобществлѐнных линий. Следовательно, в самих структурах полигонов теперь хранятся только ссылки на описатели линий (рѐбер), из кото- рых состоит полигон. На общее ребро двух полигонов может быть много ссы- лок – ровно столько, сколько полигонов граничит между собой этим ребром.
Структура, кодирующая линию, не содержит координат граничных точек, а имеет только ссылки на значения с координатами из глобального списка точек.

34
Рисунок 9 – Структура данных в линейно-узловой модели
На рисунке 10 показана внутренняя структура объектной модели данных для рагмента карты, где изображены два полигональных объекта (треугольники) с одной общей гранью. Каждый объект в памяти компьютера содержит непо- средственно в относящейся к нему структуре данных все координаты (х,у) вер- шин.

35
Рисунок 10 – Структура данных объектной ГИС
Межобъектные топологические отношения. Узловая топология. Узло- вая топология является простейшим видом межобъектных топологических от- ношений.
Все точки, которые есть на карте (безотносительно, каким объектам они принадлежат), собраны в один гигантский список, а каждый объект содержит в своей индивидуальной структуре данных только ссылки на те точки из этого списка, которые обозначают его вершины (рисунок 11).
Рисунок 11 – Структура данных с узловой топологией

36
Единый глобальный список координат точек позволяет сэкономить на дуб- лях координат точек, т.к. этих дублей теперь нет. Есть всегда только один эк- земпляр координат каждой точки. Ссылки во внутренних структурах объектов, относящиеся к вершинам, могут адресоваться к этим общим точкам одновре- менно из нескольких полигонов-соседей (на карте).
Однако обобществленный список точек для всех объектов лишил объекты структурной автономности, и теперь при перемещении всего объекта или его части приходится проверять, не имеет ли объект общих точек с другими объек- тами.
Топологические межобъектные отношения.Модель данных объектная, но с возможностью установления любых необходимых топологических и пото- ковых связей между объектами. На рисунке 12 приведена внутренняя структура двух расположенных рядом простых полигональных объектов. Однако теперь она дополнена таблицей, в которой зарегистрированы топологические отноше- ния между объектами (за счѐт ссылок на их топологически связанные части).
При объединении топологического и объектного подходов цифровая карта приобретает все свойства и топологических, и объектных цифровых карт, рас- сматриваемых в «чистом» виде, и, кроме того, дополнительно может реализо- вать то, что указанные структуры на сегодня реализовать не могут.
Объектно-топологическая ГИС позволяет реализовать любые другие типы топологических и нетопологических отношений. Для этого она должна только заполнять поле «тип отношения» в таблице отношений и реализовывать соот- ветствующие операции. Так можно охватить и традиционные топоотношения, и концептуальные топоотношения, и динамические топоотношения, и топологи- ческие ресурсные связи.
Рисунок 12 – Структура данных объектно-топологической ГИС

37
Объектно-топологическая ГИС позволяет создавать карты как в соответ- ствии с нетопологическим объектным подходом (если не создавать топологиче- ские связи), так с установкой традиционных топологических пространственных отношений между объектами.
Межслойные топологические отношения между объектами.Межслой- ные топоотношения – это топологические пространственные отношения между объектами разных типов, которые обычно регистрируются в разных слоях кар- ты.
Без этого нельзя моделировать физические процессы в коммуникациях.
Объекты слоя «водопроводные трубы» не удаѐтся соединить с объектами слоя кирпичных домов, объектам слоя водоисточников, электрических подстанций и т.д.
Топологические межобъектные ресурсные связи. Традиционное манипу- лирование термином «топоотношения» позволяет манипулировать только ста- тическими бинарными отношениями соседства, вложенности, примыкания к границе и т.п.
Однако для анализа не только пространственного распределения некото- рых характеристик, но и движения ресурсных потоков через объекты, которые нарисованы на карте, необходимо понятие топологических пространственных ресурсных связей.
Топологические пространственные ресурсные связи (ТПС) – это такие про- странственные топологические отношения, которые кроме обозначения про- странственных топоотношений несут дополнительную функциональную
«нагрузку» – отражают расположение в пространстве реальных физических ка- налов передачи вещественных, энергетических и информационных ресурсов че- рез границы объектов, отражаемых на цифровой карте. Другими словами, ТПС отражают ресурсные потоки на территории города и являются основой, напри- мер, для представления топологии моделей сетевых коммуникаций, в которых протекают физические процессы. ТПС устанавливаются, разрываются или пре- образуются в топологические пространственные отношения (ТПО) либо явным образом самим оператором, либо динамически моделирующими программами, работающими среде ГИС.
Концептуальные
топологические
отношения.
В объектно- ориентированных системах мы имеем дело не только с экземплярами объектов, но и с их классами, причем эти классы связаны в многоуровневые конструкции путем реализации механизма наследования свойств.
Для объектно-ориентированных ГИС можно ввести понятие концептуаль-
ных топологических отношений (КТО), распространяющих топологические отношения на классы объектов. В пределе, когда осуществляется переход от класса (т.е. множества однотипных объектов) к их экземплярам, КТО вырожда- ются в традиционные топологические отношения. КТО образуют многоуровне-

38 вую систему, поскольку определяют связи между классами, также образующи- ми многоуровневые конструкции.
КТО представляют собой систему «разрешительных» или «запретитель- ных» отношений между классами объектов, например объекты класса «здания» не могут накладываться на объекты классов «лес» или «река», объект класса
«энергетическая подстанция» должен быть топологически связан с объектом соответствующей кабельной сети (рисунок 13).
Рисунок 13 – Примеры концептуальных топологических отношений
а) Недопустимые отношения. Объект класса «здания» не может пересекаться
с объектом класса «реки»;
б) Допустимые отношения. Объект класса «дороги» может пересекать объ-
ект класса «реки» при наличии в точке пересечения объекта класса «мосты».
Задание подобных отношений между классами позволяют ГИС непрерыв- но следить за действиями пользователя и давать ему рекомендации непосред- ственно в процессе создания электронной карты.
Наряду с КТО в ГИС могут устанавливаться логические отношения меж- ду объектами и классами объектов, которые не имеют отношения к простран- ственным связям.
Псевдотопология.Виртуальная или процедурная топология – это исполь- зование топологических свойств пространства и анализа взаиморасположения группы объектов для формирования временной (внутренней) топологической конструкции, образуемой этими объектами.
Многие операции, требующие обработки топологии, на самом деле ло- кальные, т.е. проводятся не над всей картой, а над еѐ фрагментом. Поэтому то- пологию нужно будет построить перед аналитической или редактирующей опе- рацией только для того участка, где требуется провести анализ. Такое построе- ние топологии называется построением традиционной пространственной топо- логии «на лету».

39
Большинство операций, требующих наличие топологических структур, могут быть реализованы процедурно.
У методов виртуальной топологии есть существенное методологическое ограничение.
Так, процедурным путѐм в общем случае нельзя навести топологические ресурсные связи между объектами, поскольку этот вид топологии (ТПС) опре- деляется не только пространственной составляющей, и для получения ТПС не- достаточно только анализа взаимного пространственного расположения объек- тов. Они связаны в соответствии со схемой ресурсных потоков.
Вопросы для повторения и самоконтроля
1. Дайте определение топологии.
2. Какие существуют топологические отношения?
3. Что такое линейно-узловые топологические отношения?
4. Что такое внутриобъектные топологические отношения?
5. Что такое межобъектные топологические отношения?
6. Что такое узловые топологические отношения?
7. Что такое межобъектные топологические отношения в пределах одного слоя и межслойные топологические отношения между объектами?
8. Что такое топологические межобъектные ресурсные связи?
9. Что такое концептуальные топологические отношения?
10. Дайте определение псевдотопологии.
7
АНАЛИЗ
ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДАННЫХ
7.1
Задачи пространственного анализа
7.2
Основные функции пространственного анализа данных
7.3
Анализ пространственного распределения объектов
7.1
Задачи пространственного анализа
К средствам пространственного анализа относятся различные процедуры манипулирования пространственными и атрибутивными данными, выполняе- мые при обработке запросов пользователя. (Например, операции наложения графических объектов, средства анализа сетевых структур или выделения объ- ектов по заданным признакам).
Для каждого ГИС-пакета характерен свой набор средств пространственного анализа, обеспечивающий решение специфических задач пользователя, в тоже время можно выделить ряд основных функций, свойственных практически каж- дому ГИС-пакету. Это, прежде всего, организация выбора и объединения объек- тов в соответствии с заданными условиями, реализация операций вычислитель- ной геометрии, анализ наложений, построение буферных зон, сетевой анализ.

40
7
.2 Основные функции пространственного анализа данных
Выбор объектов по запросу: самой простой формой запроса является по- лучение характеристик объекта указанного курсором на экране и обратная опе- рация, когда изображаются объекты с заданными атрибутами. Более сложные запросы позволяют выбирать объекты по нескольким признакам, например по признаку удаленности одних объектов от других, совпадающие объекты, но расположенные в разных слоях и т. д.
Для выбора данных в соответствии с определенными условиями использу- ются SQL- запросы. Для выполнения запросов разной сложности реализованы возможности использования при составлении запросов математических и стати- стических функций, а также географических операторов, позволяющих выби- рать объекты на основании их взаимного расположения в пространстве (напри- мер, находится ли анализируемый объект внутри другого объекта или пересека- ется с ним).
Обобщение данных может проводиться по равенству значений определен- ного атрибута, в частности для зонирования территории. Еще один способ группировки – объединение объектов одного тематического слоя в соответствии с их размещением внутри полигональных объектов других тематических слоев.
Геометрические функции: к ним относят расчеты геометрических характе- ристик объектов или их взаимного положения в пространстве, при этом исполь- зуются формулы аналитической геометрии на плоскости и в пространстве. Так для площадных объектов вычисляются занимаемые ими площади или периметры границ, для линейных - длины, а также расстояния между объектами и т.д.
Оверлейные операции (топологическое наложение слоев) являются од- нимииз самых распространенных и эффективных средств. В результате нало- жения двух тематических слоев образуется другой дополнительный слой в виде графической композиции исходных слоев. Учитывая, что анализируемые объек- ты могут относиться к разным типам (точка, линия, полигон), возможны разные формы анализа: точка на точку, точка на полигон и т.д. Наиболее часто анали- зируется совмещение полигонов.
Построение буферных зон. Одним из средств анализа близости объектов является построение буферных зон. Буферные зоны – это районы (полигоны), граница которых отстоит на заданном расстоянии от границы исходного объекта.
Границы таких зон вычисляются на основе анализа соответствующих атрибутив- ных характеристик. При этом ширина буферной зоны может быть как постоян- ной, так и переменной. Например, буферная зона вокруг источника электромаг- нитного излучения, будет иметь форму круга, а зона загрязнения от дымовой трубы завода с учетом розы ветров будет иметь форму близкую к эллипсу.
Сетевой анализ позволяет пользователю проанализировать простран- ственные сети связных линейных объектов (дороги, ЛЭП и т. д.). Обычно сете- вой анализ служит для задач определения ближайшего, наиболее выгодного пу-