Reprezentacje danych przestrzennych i SIP

Reprezentacje danych przestrzennych i SIP Wykład prowadzi: Mikołaj Sobczak 1

Systemy Informacji Przestrzennej Geneza SIP Zadania systemu SIP Zastosowania: Handel Demografia Transport Administracja Nieruchomoci Reprezentacje danych przestrzennych i SIP(2) Rozwój technologii komputerowej w ostatnich dziesicioleciach umoliwił powstanie nowych systemów informatycznych, zdolnych do analizowania bardzo duej liczby danych, których analiza metodami tradycyjnymi była niemoliwa. Do takich systemów nale Systemy Informacji Przestrzennej. Systemy te zostały zbudowane w celu gromadzenia, przechowywania, przetwarzania i analizy danych geograficznych, to jest danych zawierajcych dwa typy informacji: informacj przestrzenn - lokalizujc obiekty geograficzne na powierzchni ziemi poprzez współrzdne (x,y,z) i towarzyszce jej dane opisowe. Trudno wyobrazi sobie obecnie sprawnie funkcjonujcy urzd administracji publicznej czy firmy komercyjne, bez informatyzacji zarzdzania, automatyzacji projektowania czy dostpu do baz danych przestrzennych i tekstowych oraz przetwarzania dowolnej informacji w czasie rzeczywistym. Na przykład SIP, umoliwiaj wykorzystanie danych demograficznych i statystycznych, prowadzenie analiz, badanie trendów rozwojowych, wspomaganie działalnoci sektora bankowego i finansowego poprzez dostarczanie aktualnych informacji o zjawiskach zachodzcych na wybranych obszarach. W telekomunikacji, informacje o istniejcych i planowanych zasobach sieci telekomunikacyjnych, a take dane o abonentach usług, maj swoje odniesienia lokalizacyjne w terenie. SIP umoliwia zarzdzanie zasobami, projektowanie rozwoju sieci i analizowanie wszelkich danych potrzebnych do obsługi abonentów usług. 2

Podstawowe czci SIP Na kady system SIP składaj si trzy podstawowe czci: Dane dotyczce lokalizacji (połczone relacjami z atrybutami przestrzennymi-mapa) Dane zwizane z cechami obiektów geograficznych (atrybuty nieprzestrzenne) System komend zarzdzajcy prac systemu Reprezentacje danych przestrzennych i SIP(3) Zarówno w najprostszej, jak i w najbardziej rozbudowanej wersji, SIP pozwala usprawni zarzdzanie informacj przestrzenn i podnosi efektywno działania. Proces zwany geokodowaniem umoliwia lokalizacj rekordów bazy danych według adresu, kodu pocztowego, gminy, województwa. W skład systemu SIP wchodz podsystemy sprztu, obsługi danych i programów pozwalajce na integracj, przetwarzanie oraz prezentacj danych tabelarycznych i graficznych. Najbardziej charakterystyczn cech SIP jako systemu informacyjnego, jest fakt, e dotyczy on cyfrowej reprezentacji obiektów wiata rzeczywistego, bytów realnych, jak: rzeki, lasy, drogi, budynki etc., podczas gdy klasyczne systemy informacyjne bazuj na bytach abstrakcyjnych, np. imiona, numery PESEL czy kont bankowych. komputerowa baza danych w systemach SIP wyrónia si tym, e łczy dane opisowe z obiektami graficznymi na mapach. 3

Moduły SIP Procedury wprowadzania i weryfikacji danych wejciowych, Procedury zarzdzania i przetwarzania w obrbie bazy danych( system zarzdzania baz danych), Procedury transformacji i analizy danych przestrzennych, Procedury wizualizacji i wyprowadzania danych, Procedury komunikacji z uytkownikiem. Reprezentacje danych przestrzennych i SIP(4) System informacji przestrzennej składa si z kilku grup programów (modułów), realizujcych odrbne funkcje. Kada z wymienionych funkcji jest jednakowo wana. Kolejno ich przedstawienia, jak zastosowano powyej nie uwzgldnia hierarchii wanoci, a jedynie pewn chronologi ich wykorzystania w trakcie tworzenia bazy danych i w póniejszym działaniu. 4

Wprowadzenie i weryfikacja danych przestrzennych Pomiary terenowe, Digitalizacja map, Skanowanie i wektoryzacja istniejcych map, Metody fotogrametrii i teledetekcji, Transfer danych z innych systemów. Reprezentacje danych przestrzennych i SIP(5) Wybór metody wprowadzania danych powinien by uzaleniony od przyszłych potrzeb w zakresie przetwarzania danych. Naley bardzo precyzyjnie zdefiniowa pod wzgldem przestrzennym obiekty, o których informacje bd przechowywane w systemie. Zakres zastosowania wymienionych metod zaley od wielu czynników, w tym od wymaga jakociowych oraz uwarunkowa technicznych i ekonomicznych. Inne metody bd zastosowane do pozyskiwania danych wektorowych a inne do pozyskiwania danych rastrowych. 5

Budowanie obrazu 3D terenu Nowoczesne techniki laserowe LIDAR Moliwo zastosowania na rodkach bezpilotowych Całkowita automatyzacja procesu Reprezentacje danych przestrzennych i SIP(6) Nowoczesna technologia pozwala równie na szybkie i zautomatyzowane tworzenie mapy 3D terenu. Słuy do tego midzy innymi LIDAR. Zasada działania tego urzdzenia jest nastpujca: laser wysyła krótki i dokładnie sparametryzowany impuls wiatła, wiatło ulega dyspersji i innym zjawiskom falowym, zmiany te s obserwowane za pomoc specjalnego teleskopu oraz kamery CCD lub fotoelementu, a nastpnie analizowane przez wydajny mikrokomputer. Poza zastosowaniem do budowy mapy 3D lidar doskonale sprawdza si w w rónorakich badaniach atmosfery. 6

Przetwarzanie danych przestrzennych Modelowanie danych Zapewnienie cigłoci danych przestrzennych Jako danych Wyszukiwanie danych Dostp z poziomu aplikacji Ochrona przed nieuzasadnionym dostpem Reprezentacje danych przestrzennych i SIP(7) Jedn z podstawowych grup funkcjonalnych, we wszystkich systemach informacyjnych, jest zarzdzanie baz danych. Wród funkcji zarzdzania baz danych mona wymieni: definiowanie modelu danych przez okrelenie obiektów, relacji midzy nimi i ich atrybutów, umoliwianie korzystania z bazy danych jako cigłej reprezentacji terenu (np. bez niedogodnego w pracy podziału na arkusze), uwzgldnianie informacji o jakoci danych (dokładno, aktualno, kompletno itp.), funkcje ogólne, wyszukiwanie danych z zastosowaniem warunków przestrzennych, opisowych i mieszanych, dostp do danych za pomoc jzyka programowania i jzyka zapyta, stosowanie ochrony danych przed nieuzasadnionym dostpem lub utrat. 7

Analiza i transformacje danych Analizy dokonywane na danych w formacie rastrowym Analizy dokonywane na danych w formacie rastrowym i wektorowym (mieszanych) Analizy dokonywane na danych w formacie wektorowym Udostpnianie i analizy danych przestrzennych Udostpnianie i analizy danych opisowych - integracja danych przestrzennych i opisowych Reprezentacje danych przestrzennych i SIP(8) Najogólniej kierujc si kryterium rodzaju danych, które s poddawane analizie geograficznej, funkcje analityczne systemów informacji przestrzennej mona ze wzgldu na: - Format danych (rastrowy, wektorowy i rastrowo-wektorowy (mieszany) - Rodzaj danych (przestrzenne, atrybutowe) Obie klasyfikacje nie s rozłczne i wyodrbnione w nich grupy funkcji czciowo si uzupełniaj. 8

Analizy przestrzenne Zapytania generowane przez uytkownika Rodzaje operacji analitycznych Wprowadzanie danych Wizualizacja wyników Reprezentacje danych przestrzennych i SIP(9) Analiza geograficzna ma pomóc w uzyskaniu odpowiedzi na zapytania zadane przez uytkownika. Do najwaniejszych z tych zapyta nale: Co znajduje si na danym obszarze? Gdzie s obiekty o okrelonych atrybutach? Co zmieniło si w okresie od... do...? Od jakich cech przestrzennych zaley wystpowanie danego zjawiska? Co bdzie si działo z danym obiektem (zjawiskiem), jeli...? Główne rodzaje operacji analitycznych pomocne w rozwizywaniu tych problemów mona podzieli na: - nakładanie obiektów przestrzennych - przeklasyfikowanie obiektów - analizy ssiedztwa, odległoci, powiza obiektów przestrzennych midzy sob i z atrybutami nie przestrzennymi Zespół funkcji wizualizacji i wyprowadzania danych obejmuje procedury: - wydruku map i obrazów na monitorach graficznych, ploterach i drukarkach - wykonywanie kopii obrazu wywietlonego na monitorze - ogólne funkcje obrazowania danych - generowanie zestawie i wykresów - okrelenie znaków umownych, kolorów, czcionki Produktem wyjciowym nie zawsze musi by mapa. Moe by nim take tabela z charakterystyk atrybutów opisowych obiektów przestrzennych lub wykres bdcy wynikiem analizy statystycznej danych ilociowych. 9

Warstwy tematyczne Podział na warstwy tematyczne Róne modele danych przestrzennych na rónych warstwach Przejrzysto i łatwo analizy Zestawy znaków umownych Róne reprezentacje graficzne Reprezentacje danych przestrzennych i SIP(10) W celu ułatwienia opisu rzeczywistoci zawarto bazy danych dzielona jest na warstwy informacyjne tylko o jednym typie obiektów wiata rzeczywistego lub kilku typach powizanych ze sob tematycznie. Wprowadzenie podziału treci sprawia, e moemy dla kadej z warstw stosowa optymalny dla jej treci model danych przestrzennych. Zgromadzone dane mog by prezentowane w rónej postaci, rónymi zestawami znaków umownych. W wyniku zastosowania do tej samej bazy danych rónych zestawów znaków umownych otrzymujemy róne prezentacje graficzne. 10

Modele danych przestrzennych Definicja i znaczenie modelu danych przestrzennych Dyskretne dane przestrzenne Cigłe dane przestrzenne Znaczenie skali i przeznaczenia Obiekty złoone (kompleksowe) Reprezentacje danych przestrzennych i SIP(11) Model danych przestrzennych okrela sposób reprezentacji obiektów wiata rzeczywistego w aspekcie ich połoenia przestrzennego, kształtu oraz istniejcych midzy nimi relacji przestrzennych. Od przyjtego modelu zaley zakres i forma reprezentowanych informacji przestrzennych, a co za tym idzie równie moliwoci i efektywno ich przetwarzania. Podstaw kadego modelu danych przestrzennych jest wybór podstawowych (okrelonych przestrzennie) elementów geometrycznych wykorzystywanych do obiektów wiata rzeczywistego, czyli do budowania ich numerycznego przestrzennego modelu w systemie. Niektóre elementy przestrzeni geograficznej maj charakter dyskretny, np. dom, drzewo, rzeka, teren powiatu. Inne s cigłe i zmieniaj si w zalenoci od miejsca na powierzchni ziemi, np. temperatura, cinienie, rzeba terenu. Dane dyskretne s reprezentowane przez tzw. obiekty proste: punkty - zapisywane jako pary współrzdnych X,Y linie - uporzdkowane serie par współrzdnych wieloboki - to uporzdkowane serie par współrzdnych X,Y gdzie punkt pocztkowy i kocowy to ten sam punkt. Dane cigłe s reprezentowane przez: sie nieregularnych trójktów opartych na punktach pomiarowych regularna siatka punktów izolinie Podstawowy wpływ na wybór elementu geometrycznego słucego do reprezentacji obiektu wiata rzeczywistego maj skala i przeznaczenie tworzonego opracowania. Tak, wic te same obiekty wiata rzeczywistego (np. budynki) w opracowaniach wielkoskalowych bd obiektami powierzchniowymi, natomiast w opracowaniach małoskalowych obiektami punktowymi Poniewa jednak nie wszystkie, wyodrbniane na potrzeby systemu informacji przestrzennej, obiekty wiata rzeczywistego daj si przedstawi w sensie przestrzennym za pomoc jednego z tak zdefiniowanych obiektów prostych, wprowadza si pojcie obiektu złoonego (kompleksowego) bdcego kombinacj obiektów prostych. Przykładem obiektu złoonego moe by obiekt reprezentujcy budynek, w którym dokonano połczenia obiektu powierzchniowego stanowicego jego obrys z innymi obiektami towarzyszcymi jak np. schodami, tarasami itp. Innymi przykładami obiektów złoonych s: obiekt powierzchniowy złoony z kilku rozłcznych obszarów oraz obiekt powierzchniowy zawierajcy w sobie inny obiekt powierzchniowy, przy czym granice tych obiektów si nie przecinaj. 11

Podstawowe atrybuty Lokalizacja obiektu Atrybuty opisowe, opisane miar: Nominaln Porzdkow Interwałow Proporcjonaln Zmienno dynamika Uwzgldnienie własnoci topologicznych danych Reprezentacje danych przestrzennych i SIP(12) Dane geograficzne, czyli odniesione do powierzchni Ziemi, posiadaj trzy podstawowe atrybuty: a) lokalizacja obiektu (atrybut przestrzenny) charakteryzowana jest poprzez: - odniesienie do dowolnego układu współrzdnych płaskich (x,y) - dodatkowo podanie współrzdnej wysokoci z dla danego obiektu - relacje topologiczne, okrelajce zwizki obiektu z innymi obiektami przestrzennymi b) atrybuty opisowe (atrybut opisowy) mog mie charakter jakociowy lub ilociowy W literaturze podaje si cztery skale pomiaru tych atrybutów: - nominaln, o charakterze jakociowym, która dopuszcza tylko zgodno cechy obiektu z załoon charakterystyk, np. "teren leny", "teren zabudowany", itp. - porzdkow, take jakociow, która wprowadza uporzdkowanie (kolejno) i daje moliwo porównania obiektów o okrelonych cechach, np. gdy cechy obiektu porównuje si z przyjtym opisem: "dobra gleba", "rednia gleba", "słaba gleba" - interwałow, wymagajc danych ilociowych, która umoliwia sumowanie i odejmowanie cech wyraonych za jej pomoc, np. wielkoci temperatury w danym punkcie mierzonej, w rónym czasie - proporcjonaln, take o charakterze ilociowym, dajc moliwo mnoenia i dzielenia wartoci poszczególnych obiektów c) zmienno - dynamik w czasie (atrybut czasowy), brany jest pod uwag przy posiadaniu danych o cechach tych samych obiektów lub lokalizacji obiektów, pochodzcych co najmniej z dwóch momentów czasu. Uwzgldniajc dodatkowo własnoci topologiczne danych oraz stopie złoonoci ich póniejszej analizy, wród obiektów liniowych mona dodatkowo wyróni: - sieci, czyli n obiektów liniowych przecinajcych si wzajemnie, na których przeciciach powstaj tzw. wzły, np. systemy drogowe - drzewa, np. wikszo systemów rzecznych a wród obszarowych: - wyspy, czyli obiekty całkowicie otoczone przez inny obiekt 12

Rastrowy model danych przestrzennych Zastosowania modelu rastrowego Podstawowy element-piksel Obraz złoony z pikseli raster Wielko piksela i rastra Reprezentacje danych przestrzennych i SIP(13) Rastrowy model danych wykorzystywany jest dla gromadzenia i przetwarzania danych pochodzcych ze skanowania istniejcych materiałów mapowych, zdj lotniczych i satelitarnych oraz obiektów teledetekcyjnych. W najprostszej wersji składa si z siatki kwadratów lub prostoktów, której pojedyncze pola (elementy) nazywane s pikselami (ang. pixel - picture element). Niekiedy stosowane te s angielskie okrelenia grid, cell, poligon. Pojedynczy piksel jest najmniejsz jednostk powierzchni, której przypisywane s atrybuty przestrzenne i opisowe. W praktyce piksel przyjmuje bardzo małe rozmiary, np. 0,1 mm x 0,1 mm powierzchni obrazu analogowego. Obraz tworzony przez piksele nazywamy rastrem. Z natury rzeczy raster jest prostoktem, którego wymiary okrelone s w pikselach. W przypadku korzystania z takich ródeł danych, jak obrazy lotnicze i satelitarne dogodne jest przyjcie powierzchni piksela zgodnej z rozdzielczoci przestrzenn urzdzenia teledetekcyjnego rejestrujcego obraz. Dla przykładu, jeli urzdzenie teledetekcyjne rejestruje piksel o minimalnej powierzchni 25m x 25m (w terenie), a mniejsz skal, w jakiej chce si prezentowa dany obraz w formacie rastrowym jest 1:100 000, wtedy wielko piksela powinna wynosi 0,25 mm x 0,25 mm. Oczywicie, naley take bra pod uwag rozdzielczo monitora i jeli zamierza si tworzy wydruki, take urzdze wyjciowych (drukarki, plotera). 13

Reprezentacja rastra i szacowanie rozmiaru Reprezentacja za pomoc macierzy Macierze dwu- i trój- wymiarowe Wpływ atrybutów opisowych Warto atrybutu przekłada si na kolor Szacowanie wielkoci zasobu pamici Czarno-biały Kolorowy Reprezentacje danych przestrzennych i SIP(14) Raster moe by reprezentowany przez dwuwymiarow macierz (tablica), której wskaniki x i y okrelaj połoeniem danego piksela w stosunku do wybranego układu współrzdnych (axy). Kolejne wymiary tej macierzy tworz atrybuty opisowe z kreujce macierz trój- lub wielowymiarow (axyz). Wyjtkowym przypadkiem jest sytuacja, gdy atrybut z oznacza wysoko (terenu), czyli jest atrybutem przestrzennym. Mamy wtedy do czynienia z trójwymiarowym modelem powierzchni terenowej. Zasób pamici potrzebny do zapisu całej tablicy rastra zaley od dopuszczalnych wartoci atrybutu piksela. Najczciej warto atrybutu przekłada si na kolor, jakim dany piksel bdzie rysowany podczas prezentacji graficznej. Zakładajc, e do zapisu atrybutu piksela wykorzystamy jeden bit (dwa stany wartoci: zero lub jeden) w obrazach monochromatycznych (czarno-białych) w jednym bajcie pamici zapisujemy kolory omiu kolejnych pikseli. W rastrach, w których wyrónia si wicej kolorów trzeba przeznaczy odpowiednio wicej pamici dla przechowywania wartoci atrybutu piksela. Wielko pamici potrzebnej do zapisu rastra moemy okreli na podstawie nastpujcego wzoru: N=H*W*(B/8) N- wielko rastra wyraona w bajtach H - wysoko rastra w pikselach W - szeroko rastra w pikselach B - liczba bitów do zapisu jednego piksela 14

Powstanie obrazu rastrowego Bezporednie zobrazowanie rzeczywistoci Zasady przypisywania atrybutów opisowych Wymaga duych zasobów (pami) Reprezentacje danych przestrzennych i SIP(15) Obraz rastrowy powstaje jako bezporednie zobrazowanie rzeczywistoci np. w wyniku wykonania zdj lotniczych lub satelitarnych gdzie kademu pikselowi obrazu przyporzdkowany jest odpowiedni fragment terenu. Atrybuty opisowe przypisuje si danemu rastrowi, stosujc jedn z poniej wymienionych zasad: - raster jest w wikszej ni połowa czci pokryty przez dane zjawisko (obiekt) - dowolna cz rastra pokryta jest przez dane zjawisko (obiekt) - zjawisko zlokalizowane jest w geometrycznym centrum rastra - raster przecity jest przez granic danego obiektu lub zjawiska (lub obiekt liniowy przecina raster) Zazwyczaj stosowana jest pierwsza i ostatnia z wymienionych zasad. Istotne jest, e jednoznaczne zidentyfikowanie lokalizacji i atrybutów opisowych w rastrowym modelu danych wymaga przypisania kademu rastrowi co najmniej trzech atrybutów (x,y,z), co przy zazwyczaj duych obszarach prezentowanych na obrazach rastrowych wymaga zastosowania komputerów o duej pamici. 15

Model wektorowy Podstawowy format cyfrowej reprezentacji danych Sposób zapisu Wane jest uporzdkowanie punktów Reprezentacje danych przestrzennych i SIP(16) Model wektorowy jest podstawowym formatem cyfrowego kodowania danych przestrzennych, nie uwzgldniajcym jednak relacji topologicznych midzy obiektami. W modelu tym połoenie punktów koduje si par współrzdnych, a połoenie linii lub obiektu powierzchniowego cigiem par współrzdnych Obiekty przedstawione na rysunku mona opisa w nastpujcy sposób: a) A(W1) b) B(W1,W2,...,Wn) c) C(W1, W2,...,Wn,W1) Tworz one odpowiednio kodowan list, która jest przetwarzana przez programy komputerowe do postaci rysunku na monitorze lub urzdzeniu zewntrznym. Istotne jest uporzdkowanie punktów okrelajcych kształt obiektu. Majc bowiem jedynie grup punktów bez informacji o ich uporzdkowaniu nie jest si w stanie jednoznacznie okreli kształtu obiektu. 16

Złoone obiekty powierzchniowe Obiekt złoony- morze z wyspami Modelowanie obiektu złoonego Reprezentacje danych przestrzennych i SIP(17) Przy okrelaniu kształtu obiektu jednym cigiem punktów, pewne problemy pojawiaj si przy opisie obiektu powierzchniowego złoonego, czyli takiego, który zawiera w sobie inne obiekty powierzchniowe. Klasycznym przykładem takiej sytuacji jest przypadek akwenu morskiego z wyspami. Opisujc obiekt A przedstawiony na rysunku naley uwzgldni wyłczenie z niego obszaru B i C. Najprostszym najczciej stosowanym sposobem opisu tego rodzaju obiektów powierzchniowych jest dodanie fikcyjnych połcze midzy obrysem zewntrznym obiektu A i obrysami zewntrznymi obiektów B i C. Dodatkowe połczenia umoliwi opisanie obiektu A jednym cigiem wzłów. Np. przy opisie obiektu powierzchniowego złoonego A (szary obszar) przedstawionego na rysunku dodano fikcyjnie połczenie midzy wzłem 1-9 (pokazane jako linia przerywana). Okrelenie cigu wzłów rozpoczto od wzła 1 i posuwano si po granicy obszaru w ten sposób, aby opisywany obszar znajdował si po prawej stronie. W drugim kroku dochodzi si do wzła z fikcyjnym połczeniem i wchodzi na obszar zewntrzny obszaru B (wzeł 9). Dalej przesuwa si po granicy tak, aby definiowany obszar znajdował si po prawej stronie. Po dojciu do wzła 9 nastpuje powrót dodanym połczeniem na granic zewntrzn obiektu A i przejcie przez wzły 3,4,5. Koczy si na punkcie 1, gdzie nastpiło rozpoczcie przetwarzania. Obiekt A mona opisa w nastpujcy sposób: A(W1,W2,W6,W7,W8,W9,W6,W2,W3,W4,W5,W1). 17

Wady i zalety modelu wektorowego Zalety Prostota Łatwo modelowania Powszechne wykorzystanie Wady Trudno w znalezieniu punktów wspólnych dla rónych obiektów Trudno w okreleniu zwizków przestrzennych midzy obiektami Reprezentacje danych przestrzennych i SIP(18) Główn zalet tego modelu jest jego prostota i bezporednie obrazowanie obiektów terenowych przez przypisany cig punktów. Wykorzystywany jest powszechnie w programach graficznych typu CAD (komputerowego wspomagania projektowania). Model ten cechuje si jednak licznymi wadami, z których najwaniejsze to: - trudnoci w zapewnieniu identycznoci współrzdnych punktów wspólnych obiektów ssiadujcych lub nakładajcych si, gdy współrzdne kadego obiektu musz by wprowadzane niezalenie - zwizki przestrzenne midzy obiektami, łatwo obserwowane na mapie analogowej, w tym modelu mog by wykrywane tylko złoonymi narzdziami geometrii analitycznej 18

Topologiczny model wektorowy Kodowanie współrzdnych Wzajemne, wzgldne rozmieszczenie obiektów Wystpujce elementy Reprezentacje danych przestrzennych i SIP(19) Topologiczny model wektorowy, oprócz kodowania współrzdnych kartezjaskich, jak w modelu wektorowym, zawiera take topologi wyraajc wzajemne wzgldne rozmieszczenie punktów, linii i wieloboków. Scharakteryzowano typowe i najczciej wystpujce w SIP elementy modelu wektorowego: 1. punkt kontrolny - para współrzdnych (x,y), wica map cyfrow z map analogow, a co za tym idzie z powierzchni Ziemi; stanowi go najczciej wzły siatki kilometrowej, punkty sieci geodezyjnej, czy pary współrzdnych geograficznych (topologicznie jest to wzeł) 2. oznaczenie punkt przecicia siatki kartograficznej z ramk mapy czsto wykorzystywany jako punkt kontrolny (topologicznie jest to wzeł) 3. punkt pomiarowy - wykorzystywany przy tworzeniu mapy cyfrowej za pomoc digitizera do sprawdzania, czy mapa nie jest przesunita (topologicznie jest to wzeł) 4. punkt - obiekt geograficzny okrelony par współrzdnych (x,y) lub współrzdnymi (x,y,z), np. studnia, słup, wie na mapach w małej skali (topologicznie jest to wzeł) 5. linia - obiekt geograficzny opisany zbiorem par współrzdnych (droga, rzeka, linia kolejowa) - posiada identyfikator i moe by opisana wieloma atrybutami z (topologicznie jest to wzeł) 6. obszar, poligon -obiekt geograficzny (powierzchniowy) opisany przez zbiór par współrzdnych, posiadajcych identyfikator, topologicznie zbudowany z łacucha wzłów i krawdzi; mog by mu przypisane etykiety 7. wzeł - obiekt topologiczny posiadajcy lokalizacj geograficzn, lokalizujcy miejsca przecicia i łczenia linii (krawdzi) lub ich przecicia z brzegiem arkusza mapy; posiada identyfikator 8. krawd - obiekt topologiczny łczcy dwa wzły, okrelony zbiorem par współrzdnych (moe nim by np. linia); posiada identyfikator 9. wyspa - obiekt geograficzny otoczony całkowicie przez inny obiekt, nie posiadajcy adnych krawdzi łczcych go z innymi obszarami; mona jej przypisywa identyfikator i etykiety 10. atrybut - cz informacji o obiekcie geograficznym dodana do jego współrzdnych; obiekt moe mie wiele atrybutów 11. identyfikator - atrybut kluczowy - numer wewntrzny obiektu geograficznego, zapisywany automatycznie, unikatowy dla kadego obiektu 12. etykieta - jeden z atrybutów istotny z punktu widzenia uytkownika, najczciej nazwa obiektu geograficznego; etykieta moe by identyfikatorem. 19

Elementy topologiczne i relacje Rodzaje elementów topologicznych Relacje midzy obiekatami Hierarchia elementów Definicja kierunku linii Reprezentacje danych przestrzennych i SIP(20) W modelu tym wyodrbnia si trzy rodzaje elementów topologicznych: - zerowymiarowe - punkty (wzły) - jednowymiarowe - linie (krawdzie) - dwuwymiarowe - obszary dla których mona zapisa wszystki wzajemne relacje. Elementy klasy wyszej budowane s zawsze z elementów klasy niszej. Punkty (wzły) połczone w sposób uporzdkowany tworz odcinki linii, te za z kolei mog okrela jednostki powierzchniowe. Tak wic cała płaszczyzna podzielona jest krawdziami K1,K2,...,Km na obszary P1,P2,...,Pn oraz obszar P0 bdcy obszarem zewntrznym w stosunku do pozostałych obszarów. Krawdzie maj okrelone swoje kierunki i łcz punkty W1,W2,...,Wq zwane punktami wzłowymi lub wzłami. W modelu topologicznym definiowany jest kierunek linii Ki. Zmiana kierunku oznaczana jako -Ki, powoduje konieczno zmiany definicji obszarów połoonych po jej lewej Pl i prawej stronie Pp. Kierunki linii granicznych okrelone s przez podanie dla kadej z nich wzła pocztkowego (Wp) oraz wzła kocowego (Wk). Poszczególne linie łczce wzły mog by liniami prostymi (prostoliniowy model wektorowy) lub zawiera w sobie dodatkowe punkty porednie okrelajce kształt danej linii (krzywoliniowy model wektorowy). Relacje midzy elementami topologicznymi mog by zapisane w trzech równowanych postaciach. Posta zapisu zaley od tego, któremu elementowi (zero-, jedno-, czy dwuwymiarowemu) przypisuje si zalenoci topologiczne z elementami pozostałymi. 20

Reprezentacja złoonej struktury sieciowej Reprezentacje danych przestrzennych i SIP(21) Zalenoci topologiczne w powyszej strukturze mona opisa tabelk. Zaprezentowany powyej sposób opisu przestrzennego obiektów, przy uyciu topologicznego modelu wektorowego jest sposobem ogólnym, okrelajcym relacje midzy wzłami, krawdziami oraz obszarami. W modelu topologicznym nie wystpuje redundancja danych geometrycznych, gdy zapisywane s one tylko jeden raz. Opisane relacje topologiczne, pozwalaj w prosty sposób okreli np.: - linie i punkty wzłowe tworzce granice danego obszaru - linie rozpoczynajce si lub koczce w danym punkcie wzłowym - obszary graniczce z obszarem danym co w modelu wektorowym (nie zawierajcym informacji topologicznej) wymaga duego nakładu oblicze. 21

Reprezentacje danych przestrzennych Rozwizanie hybrydowe Zasada Wystpujce problemy Binary Large Objects - problem z interpretacj Oracle Spatial Data Option Udoskonalenia w stosunku do modelu tradycyjnego Zwikszenie funkcjonalnoci jzyka SQL Reprezentacje danych przestrzennych i SIP(22) Jak pokazano systemy informacji geograficznej słu do przechowywania i przetwarzania danych przestrzennych. Podstawowym kryterium jest lokalizacja. Systemy SIP s zdolne do przyjmowania danych z rónych ródeł, w rónych formatach i zbieranych w rónym czasie. Model relacyjny dla powyszych zastosowa okazał si niewystarczajcy. Zaproponowano nastpujce podejcia: 1) rozwizanie hybrydowe - dane przestrzenne pamitane s w osobnych plikach, a pozostałe w tradycyjnych systemach baz danych. Wady takiego podejcia s nastpujce: - trudno jest zachowa integralno pomidzy bazami przestrzennymi i atrybutowymi (dopisywanie, usuwanie, modyfikacja) - wystpuje dua zaleno od struktur danych - nie mona stosowa wszelkich technik SZBD (zrównoleglenie, przenaszalno itp.) 2) BLOB (ang. Binary Large Objects) - obiekty te nie mog by interpretowane wewntrz bazy danych 3) Oracle Spatial Data Option (1995) - rozszerzenie Oracle o moliwoci zarzdzania przestrzenn baz danych. W produkcie tym zwikszono funkcjonalno tradycyjnego systemu bazodanowego o nastpujce udoskonalenia: - dodano nowy typ danych, zaistniała moliwo przechowywania danych przestrzennych i atrybutowych w jednej bazie - rozszerzono funkcjonalno jzyka SQL - dostarczono metodologi operowania na danych przestrzennych - opracowano mechanizmy zarzdzania duymi wolumenami danych 22

Helikalny typ danych przestrzennych Podstawowe cechy standardu Tworzenie danych przestrzennych w formacie HHCODE Reprezentacje danych przestrzennych i SIP(23) Oracle opracował nowy typ danych HHCODE (ang. Helical Hyperspatial Code) - jako jednostk organizacji danych wielowymiarowych Podstawowe cechy standardu HHCODE to: - kodowanie i kompresja zdefiniowanych wymiarów w jedn kolumn w tablicy - pojedyncza warto reprezentuje n wymiarów - nie ma problemów ze zwikszeniem iloci wymiarów - w celu "wydobycia" danych na temat poszczególnych wymiarów naley uy specjalnych funkcji, o które rozszerzono SQL - znakomicie poprawia si efektywno wykonywania zapyta (przeszukiwanie tylko jednej kolumny) Tworzenie danych przestrzennych, uywajc HHCODE, dokonuje si poprzez rekursywn dekompozycj przestrzeni W podejciu tym wyrónia si nastpujce kroki: 1. okrela si poziom dekompozycji interesujcego obszaru - im wikszy poziom dekompozycji tym wicej kwadrantów. Poziom 0 to cały region, poziom 1 reprezentuje pierwszy poziom dekompozycji 2. kolejne poziomy uzyskujemy przez dodanie kolejnej cyfry (liczba poziomów to rezolucja danych) Uwagi: - wszystkie obiekty lece w danym regionie posiadaj t sam warto HHCODE - zwikszajc liczb poziomów odwzorowuje si coraz mniejsze powierzchnie - wystpuje bardzo dua łatwo generalizacji, z danych szczegółowych wyodrbnia si region, dokonujc agregacji w kolumnie HHCODE 23

Wpływ liczby wymiarów Zapis danych HHCODE w zalenoci od liczby wymiarów Reprezentacje danych przestrzennych i SIP(24) Uywajc typu HHCODE, róne typy danych przestrzennych zapisuje si w jednej kolumnie Dla przykładu: - Dane typu punkt- lokalizacj okrela si za pomoc pojedynczej wartoci znajdujcej si w jednej kolumnie. Rozmiar punktu zaley od obszaru i poziomu rezolucji - regiony (boisko, plac), które pamitane s zwykle jako wielokt bdcy zbiorem punktów, uywajc HHCODE tworzy si agregujc punkty na odpowiednim poziomie rezolucji - prosto tworzy si te elementy trójwymiarowe, dla n=3. Przy pierwszej dekompozycji tworzy si osiem podprzestrzeni, a kada podprzestrze tworzy szecian o wymiarach malejcych wraz ze wzrostem poziomu rezolucji - w sposób naturalny tworzy si te obiekty n-wymiarowe, np. opis pogody 24

Udostpnianie danych przestrzennych Dedykowane oprogramowanie Własna aplikacja Dostp przez WWW Urzdzenia przenone Reprezentacje danych przestrzennych i SIP(25) Dostp do danych przestrzennych moe odbywa si na wiele sposobów: Dedykowane oprogramowanie dostarczone wraz z danymi przestrzennymi Własna aplikacj, korzystajc z danych przestrzennych (ODBC, JDBC, Web Services) Dostp przez stron WWW za pomoc aplikacji internetowej, pobierajcej dane przestrzenne i wizualizujce je (moliwe proste analizy, wyszukiwanie najkrótszych cieek itp.) Urzdzenie przenone z lokalnie zapisan map (pliki binarne lub baza danych) lub pobierajce dane poprzez bezprzewodowe łcze wprost z serwera 25

Dzikuj za uwag Reprezentacje danych przestrzennych i SIP(26) 26