GIS STRUKTURY DANYCH RELACJE PRZESTRZENNE.

Transkrypt

1 GIS STRUKTURY DANYCH RELACJE PRZESTRZENNE.

2 STRUKTURY DANYCH. OKREŚLANIE POŁOŻENIA Metody opisu położenia: nazwa geograficzna położenie względne (topologia) współrzędne lokalne współrzędne kartograficzne współrzedne geograficzne Ze względu na jednoznaczność i możliwość obliczeń metrycznych najodpowiedniejsze do zapisu komputerowego są współrzędne kartograficzne.

3 Wyobrażenie struktury danych w systemie GIS: warstwy tworzące MODEL WARSTWOWY rzeczywistości Rzeczywista struktura danych GIS: RELACYJNA (rozproszona) BAZA DANYCH.

4 STRUKTURY DANYCH W Systemach Informacji Przestrzennej obiekty przestrzenne są połączone z przypisanymi im informacjami opisowymi.

5 STRUKTURY DANYCH W Systemach Informacji Przestrzennej obiekty przestrzenne są połączone z przypisanymi im informacjami opisowymi. Obiekt przestrzenny jest to abstrakcja obiektu geograficznego jako zjawiska świata rzeczywistego, Stanowi figurę geometryczną utworzoną przez wyodrębniony zbiór punktów w rozpatrywanej przestrzeni dwuwymiarowej lub trójwymiarowej i opisaną danymi przestrzennymi. W przestrzeni dwuwymiarowej obiekt przestrzenny może być figurą maksymalnie dwuwymiarową, natomiast w przestrzeni trójwymiarowej, maksymalnie trójwymiarową.

6 Podstawowymi stosowanymi figurami są: STRUKTURY DANYCH punkt ( w modelowaniu danych przestrzennych, najprostsza pod względem geometrycznym 0- wymiarowa reprezentacja obiektu przestrzennego; na płaszczyźnie w postaci wektorowej jest to para współrzędnych, w postaci rastrowej punkt identyfikowany jest z komórką rastra, która ten punkt zawiera ) łamana (linia utworzona przez skończoną liczbę uporządkowanych i kolejno połączonych odcinków linii prostych lub krzywych) wielokąt (obszar płaszczyzny ograniczony łamaną zwyczajną zamkniętą łącznie z tą łamaną) wielościan (bryła powstała przez rozcięcie przestrzeni euklidesowej E³ powierzchnią utworzoną przez skończoną liczbę wielokątów) piksel (najmniejszy dwuwymiarowy element obrazu, któremu mogą być przypisane atrybuty, np. kolor lub intensywność) woksel (najmniejszy trójwymiarowy element bryły stosowany w cyfrowym modelowaniu brył )

7 STRUKTURY DANYCH Obiekty przestrzenne mogą być : proste ( obiekt przestrzenny, który nie zawiera innych obiektów przestrzennych) lub złożone ( obiekt przestrzenny, który zawiera inne obiekty przestrzenne);

8 STRUKTURY DANYCH Obiekty przestrzenne mogą być zapisane za pośrednictwem: danych wektorowych ( czyli danych przestrzennych w postaci współrzędnych służących lub do opisu właściwości geometrycznych obiektów przestrzennych ) rastrowych ( danych przestrzennych odniesionych do rastra ).

9 NOWE STRUKTURY W GEOBAZIE

10 STRUKTURY DANYCH Obiekty przestrzenne mogą być : dyskretne ( obiekt przestrzenny, który jest stałoatrybutowy, co oznacza, że każdy z jego lub rozpatrywanych atrybutów opisowych ma wartość ustaloną dotyczącą całego obiektu ) ciągłe ( obiekt przestrzenny o charakterze pola (field), który jest zmiennoatrybutowy, tzn. ma co najmniej jeden uwzględniany atrybut opisowy przybierający wartości zależne od położenia punktu w tym obiekcie );

11 STRUKTURY DANYCH Istnieją dwa zasadnicze sposoby reprezentacji informacji przestrzennej w GIS: rastrowa i wektorowa. W strukturze rastrowej rzeczywistość jest podzielona przez prostokątną siatkę (czy macierz komórek), zorganizowanych jako zbiór kolumn i rzędów. Wartości komórek odzwierciedlają zjawiska geograficzne, np. klasę gleb, nachylenie terenu czy wzniesienie. W strukturze wektorowej obiekty są umieszczone w dwuwymiarowej płaszczyźnie mapy jako punkty, linie (ciągi punktów) i obszary.

12 STRUKTURY DANYCH Komórki rastra są opisywane (numer rzędu i kolumny) najczęściej od lewego górnego rogu. Aby raster mógł być jednoznacznie określony w przestrzeni musi mieć określoną wielkość piksela i współrzędne rogu mapy. W mapie rastrowej boki komórki są zgodne z kierunkami osi X i Y układu współrzędnych.

13 STRUKTURY DANYCH Informacje przestrzenne zawarte w mapach są prezentowane graficznie jako zbiory punktów, linii lub obszarów. Punkty określają lokalizację na mapie zjawisk zbyt małych (dla danej skali), aby je opisywać liniowo lub obszarowo. Mogą też reprezentować lokalizację nie mającą powierzchni, np. szczyt góry. Linie opisują kształt obiektów geograficznych zbyt wąskich, aby opisać je powierzchniowo (np., ulice, strumienie) lub mające długość, ale nie powierzchnię, (np. poziomice). Obszary to figury zamknięte reprezentujące kształt i lokalizację homogenicznych obiektów (np. kraje, parcele, typy gleby lub strefy użytkowania ziemi).

14 STRUKTURY DANYCH

15 STRUKTURY DANYCH. MODEL WEKTOROWY TOPOLOGICZNY Edycja bez topologii Edycja z zachowaniem topologii

16 STRUKTURY DANYCH

17 STRUKTURY DANYCH Linia zaczyna się i kończy w węzłach (node). Linia 1, zaczyna się w węźle 2 i biegnie do węzła 1 Punkty linii (vertex) określają jej kształt Węzły i punkty linii są zapisywane jako pary współrzędnych

18 STRUKTURY DANYCH

19 STRUKTURY DANYCH. Poligon (obszar): prosty model shapefile Poligon 2 tworzą linie 1 i 2

20 STRUKTURY DANYCH. Poligony: prosty model shapefile Poligony 2 i 3 są tworzone oddzielnie. Poligon 2 składa się z linii 1 i 2. Poligon 3 składa się z linii3 i 4. Aby model był prawidłowy linie 1 i 4 muszą być identyczne.

21 STRUKTURY DANYCH. Złożony model (z zastosowaniem topologii) coverage Poligony 2 i 3 są tworzone razem. Poligon 2 składa się z linii 1 i 2. Poligon 3 składa się z linii 1 i 3.

22 STRUKTURY DANYCH. Prosty model wektorowy - model "spaghetti" (np. shapefile)

23 TOPOLOGICZNY MODEL DANYCH TOPOLOGIA - procedura jasnego zdefiniowania związków przestrzennych. Różne typy związków przestrzennych są wyrażane jako listy obiektów (np. obszar jest zdefiniowany przez linie składające się na jego granice (obwód). Topologia pozwala na bardziej skuteczne przechowywanie i przetwarzanie danych oraz ułatwia użycie funkcji analitycznych (modelowanie przepływu przez łączące się linie, łączenie przylegających obszarów o tych samych charakterystykach, stwierdzenie przylegania obiektów lub nakładanie (overlaying) zjawisk geograficznych.

24 TOPOLOGICZNY MODEL DANYCH W modelu topologicznym elementarnym stosowane są trzy zapisy powiązań: 1. Topologia węzłów 2. Topologia linii 3. Topologia obszarów Topologia węzłów Kształt linii definiuje ciąg par współrzędnych (x,y) wierzchołków (vertices). Punkty końcowe linii to węzły (node). Każda linia ma dwa węzły: początkowy i końcowy (from-node i to-node). Linie mogą mieć wspólne tylko punkty końcowe. Każdemu węzłowi, który nie jest węzłem izolowanym przyporządkowana jest lista linii powiązanych z tym węzłem..

25 TOPOLOGICZNY MODEL DANYCH Topologia obszarów Obszary (polygons) są reprezentowane przez listę linii składających się na ich granice. Każda linia pojawia się w listach definiowanych przez siebie obszarów. Współrzędne wierzchołków linii są składowane tylko raz. Topologia linii Każda linia buduje granice dwóch obszarów. Dzięki określeniu zwrotu linii (from-node > to-node), można przyporządkować jej lewy i prawy obszar (left & right polygon). Pozwala to na określenie, które obszary sąsiadują (przylegają do siebie). Ponieważ wszystkie linie muszą mieć dwa przylegające obszary, określa się obszar zewnętrzny (universe polygon).

26 TOPOLOGICZNY MODEL DANYCH Nevada Utah California Arizona

27 Identyfikacja poligonów Utworzenie tabeli atrybutów poligonów Poly-ID Nazwa Populacja 1 California Nevada Utah Arizona

28 Identyfikacja węzłów Tabela węzłów Node ID X-coord Y-coord

29 Identyfikacja linii (links, arcs)

30 Uproszczenie

31 Tworzenie topologii Link FNode TNode LPoly RPoly

32 Węzły Link FNode TNode LPoly RPoly

33 Węzły Link FNode TNode LPoly RPoly

34 Poligony Link FNode TNode LPoly RPoly

35 Poligony Link FNode TNode LPoly RPoly

36 Identyfikacja punktów Lista linii Link List of points 1 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 etc ID X-coord Y-coord Współrzędne punktów 8 9 (etc)

37 Połączenie danych Poly-ID Name Population 1 California Point-ID X-coord Y-coord Nevada Utah Link FNode TNode LPoly RPoly 4 Arizona Link List of points 1 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 etc Node ID 4 4 X-coord Y-coord 9 (etc)

38 Połączenie danych Poly-ID Name Population 1 California Point-ID X-coord Y-coord Nevada Utah Link FNode TNode LPoly RPoly 4 Arizona Link List of points 1 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 etc Node ID 4 4 X-coord Y-coord 9 (etc)

39 Połączenie danych Poly-ID Name Population 1 California Point-ID X-coord Y-coord Nevada Utah Link FNode TNode LPoly RPoly 4 Arizona Link List of points 1 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 etc Node ID 4 4 X-coord Y-coord 9 (etc)

40 Połączenie danych Poly-ID Name Population 1 California Point-ID X-coord Y-coord Nevada Utah Link FNode TNode LPoly RPoly 4 Arizona Link List of points 1 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 etc Node ID 4 4 X-coord Y-coord 9 (etc)

41 Połączenie danych Poly-ID Name Population 1 California Point-ID X-coord Y-coord Nevada Utah Link FNode TNode LPoly RPoly 4 Arizona Link List of points 1 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 etc Node ID 4 4 X-coord Y-coord 9 (etc)

42 (Poster ArcGIS database topology rules) TOPOLOGICZNY MODEL DANYCH Model topologiczny może obejmować wiele reguł definiujących zasady przestrzennego powiązania obiektów. Określa się, które klasy obiektów podlegają regułom Ustanawia się reguły określające sposób (kiedy i jak) obiekty współdzielą geometrię Topologia rozważana z punktu widzenia zachowań obiektów, pozwalając na istnienie powiązań topologicznych między dyskretnymi typami obiektów zapewnia, że obiekty spełniają kluczowe wymagania geometryczne, adekwatne do znaczenia tych obiektów w geobazie.

43 OPERACJE NA WARSTWACH WEKTOROWYCH BADANIE ZALEŻNOŚCI PRZESTRZENNYCH W skład systemu geometrii ArcGIS wchodzi zbiór operatorów boolowskich (Boolean) sprawdzających zależności przestrzenne między geometrią bazową i porównywaną. Te operatory mogą być stosowane do punktów, wielopunktów, linii, wielolinii i poligonów (obszarów). Geometria bazowa jest obiektem wywołującym operator. Geometria porównywana jest geometrią wyrażaną jako parametr w operatorze. Wynik operatora związku jest zwracany jako wartość Boolean. Nie powstaje przy tym nowa geometria.

44 OPERACJE NA WARSTWACH WEKTOROWYCH BADANIE ZALEŻNOŚCI PRZESTRZENNYCH Equals równe, jednakowe S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S Czy geometria bazowa i porównywana są sobie równe (są jednakowe)? Ażeby geometria bazowa i porównywana były sobie równe, wszystkie tworzące ją punkty musza mieć identyczne wartości współrzędnych. Porównywane geometrie muszą mieć te same wymiary.

45 OPERACJE NA WARSTWACH WEKTOROWYCH BADANIE ZALEŻNOŚCI PRZESTRZENNYCH Contains Zawiera S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S Czy geometria bazowa zawiera geometrię porównywaną? Ażeby geometria bazowa zawierała geometrię porównywaną, to geometria porównywana musi być jej podzbiorem. Geometria porównywana nie może zawierać geometrii wyższego wymiaru niż geometria bazowa.

46 OPERACJE NA WARSTWACH WEKTOROWYCH BADANIE ZALEŻNOŚCI PRZESTRZENNYCH Within Wewnątrz, w granicach S S S S S S S S S S S Czy geometria bazowa jest wewnątrz geometrii porównywanej? Ażeby geometria bazowa była wewnątrz geometrii porównywanej, musi być jej podzbiorem. Geometria nie może być wewnątrz geometrii niższego wymiaru. S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S

47 OPERACJE NA WARSTWACH WEKTOROWYCH BADANIE ZALEŻNOŚCI PRZESTRZENNYCH Crosses Przechodzi przez, krzyżuje, przecina S S S S S S S S S S S S S S S S S S Czy geometria bazowa przechodzi przez geometrię porównywaną? Ażeby geometria bazowa przechodziła przez geometrię porównywaną, one muszą się przecinać w geometrii o niższym wymiarze niż najwyższy wymiar.

48 OPERACJE NA WARSTWACH WEKTOROWYCH BADANIE ZALEŻNOŚCI PRZESTRZENNYCH Disjoint Rozłączne S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S Czy geometria bazowa i geometria porównywana są rozłączne? Geometria bazowa i geometria porównywana są rozłączne jeśli nie mają wspólnych punktów

49 OPERACJE NA WARSTWACH WEKTOROWYCH BADANIE ZALEŻNOŚCI PRZESTRZENNYCH Overlaps Zachodzi S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S Czy geometria bazowa zachodzi na geometrię porównywaną? Geometria bazowa zachodzi na geometrię porównywaną jeśli ich przecięcie jest geometrią tego samego wymiaru. Relacja zachodzenia wymaga, aby obie geometrie były tego samego wymiaru.

50 OPERACJE NA WARSTWACH WEKTOROWYCH BADANIE ZALEŻNOŚCI PRZESTRZENNYCH Touches Dotyka S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S SS S S S Czy geometria bazowa dotyka geometrii porównywanej? Dwie geometrie dotykają się, gdy tylko ich granice przecinają się.

51 OPERACJE NA WARSTWACH WEKTOROWYCH STOSOWANIE OPERATORÓW TOPOLOGICZNYCH System dostarcza zbiór operatorów, które zwracają geometrie bazujące na logicznych porównaniach między zbiorami punktów w jednej lub więcej geometriach. Operatory te wspomagają edycję obiektów geograficznych, które zachodzą na siebie. W literaturze GIS są one określane czasem jako przestrzenne operatory topologiczne.

52 OPERACJE NA WARSTWACH WEKTOROWYCH STOSOWANIE OPERATORÓW TOPOLOGICZNYCH CLIP Dla zadanej geometrii i obwiedni, operator przycinania zwraca nową geometrię, zawierającą zbiór tych punktów wejściowej geometrii, które są wewnątrz lub na granicy obwiedni.

53 OPERACJE NA WARSTWACH WEKTOROWYCH STOSOWANIE OPERATORÓW TOPOLOGICZNYCH CONVEX HULL Dla danej geometrii wejściowej, operator convex hull zwraca geometrię stanowiącą wszystkie punkty będące wewnątrz wszystkich odcinków wyznaczonych przez wszystkie pary punktów wejściowej geometrii. Convex hull jest najmniejszym obszarem (polygonem) obejmującym inną geometrię bez żadnych obszarów wklęsłości.

54 OPERACJE NA WARSTWACH WEKTOROWYCH STOSOWANIE OPERATORÓW TOPOLOGICZNYCH CUT Przycięcie, obcięcie Dla danej geometrii i krzywej cięcia, operator cięcia podzieli geometrię na prawą i lewą część, względem kierunku krzywej cięcia. Punkty i wielopunkty nie mogą być dzielone. Wielolinie i obszary muszą przecinać krzywą cięcia, aby mogły być podzielone. Tylko dwie geometrie są tworzone przez operator cięcia, ale mogą się one składać z licznych części.

55 OPERACJE NA WARSTWACH WEKTOROWYCH STOSOWANIE OPERATORÓW TOPOLOGICZNYCH DIFFERENCE Różnica S S S S S S Operator różnicy zwraca geometrie, która zawiera te punkty, które są w geometrii bazowej po odjęciu punktów należących do geometrii porównywanej.

56 OPERACJE NA WARSTWACH WEKTOROWYCH STOSOWANIE OPERATORÓW TOPOLOGICZNYCH SYMMETRIC DIFFERENCE S S S S S S Operator symetrycznej różnicy porównuje geometrię bazową z inną geometrią tego samego wymiaru i zwraca te punkty które są w geometrii bazowej lub w geometrii porównywanej, z wykluczeniem tych, które są zarówno w geometrii bazowej jak i porównywanej.

57 OPERACJE NA WARSTWACH WEKTOROWYCH STOSOWANIE OPERATORÓW TOPOLOGICZNYCH INTERSECT Przecięcie S S S S S S Operator przecięcia porównuje geometrię bazową z inną geometrią tego samego wymiaru i zwraca te punkty które są zarówno w geometrii bazowej jak i porównywanej.

58 OPERACJE NA WARSTWACH WEKTOROWYCH STOSOWANIE OPERATORÓW TOPOLOGICZNYCH UNION Suma S S S S S S Operator sumy porównuje geometrię bazową z inną geometrią tego samego wymiaru i zwraca te punkty które są w geometrii bazowej lub w geometrii porównywanej.

59 OPERACJE NA WARSTWACH WEKTOROWYCH OVERLAY Intersect (przecięcie, część wspólna) nałożenie topologiczne dwóch zborów przestrzennych zachowujące informacje w zasięgu przestrzennym obu (tj. części wspólnej) wejściowych zbiorów danych.

60 OPERACJE NA WARSTWACH WEKTOROWYCH OVERLAY Union (jedność, związek, suma) nałożenie topologiczne dwóch zbiorów danych przestrzennych zachowujące obiekty w zasięgu przestrzennym obu zbiorów wejściowych (tj. jednej lub drugiej warstwy).

61 OPERACJE NA WARSTWACH WEKTOROWYCH OVERLAY Identity (tożsamość, przynależność) nałożenie topologiczne warstwy A z warstwą obszarów B w którym wszystkie dane wejściowe (A) są zachowane w warstwie wyjściowej, ale obiekty warstwy A zostają podzielone przez nałożenie na obszary B i przyjmują odpowiednio ich atrybuty.

62 OPERACJE NA WARSTWACH WEKTOROWYCH OVERLAY Identity (tożsamość, przynależność) nałożenie topologiczne warstwy A z warstwą obszarów B w którym wszystkie dane wejściowe (A) są zachowane w warstwie wyjściowej, ale obiekty warstwy A zostają podzielone przez nałożenie na obszary B i przyjmują odpowiednio ich atrybuty.

63 OPERACJE NA WARSTWACH WEKTOROWYCH BUFFER Dla danej geometrii i dystansu buforu, operator buforu zwraca obszar (polygon) zawierający wszystkie punkty, których odległość od geometrii jest mniejsza lub równa dystansowi buforu.

64 BUFOROWANIE: Tworzenie buforów dla wszystkich obiektów warstwy

65 BUFOROWANIE: Tworzenie buforów dla wybranych obiektów warstwy

66 BUFOROWANIE: Tworzenia buforów o zasięgu zdefiniowanym w atrybutach obiektów