SYSTEMY ANALIZ PRZESTRZENNYCH W GIS -2 -

SYSTEMY ANALIZ PRZESTRZENNYCH W GIS -2 - Dr inż. Jan Blachowski Politechnika Wrocławska Instytut Górnictwa Zakład Geodezji i GIS Pl. Teatralny 2 tel(71) 320 68 73 SYLLABUS Reprezentacja rzeczywistości w GIS Obiekty dyskretne i pola (dane o charakterze ciągłym) Generalizacja Wektorowy model danych przestrzennych Prosty model wektorowy, Topologiczny model wektorowy, Sieciowy model wektorowy, Model obiektowy 2

REPREZENTACJA RZECZYWISTOŚCI CYFROWA REPREZENTACJA RZECZYWISTOŚCI (ŚRODOWISKA) Komputerowa reprezentacja oparta na układzie binarnym (0,1) informacja to kombinacja zer i jedynek 51 01 N, 17 06 W Własności informacji przestrzennej Dane przestrzenne dotyczą: miejsca, czasu i atrybutów 13 marca 2007 roku 17 C Atrybuty dzielimy na: nominalne, porządkowe, interwałowe, ilorazowe i cykliczne Rzeczywistośćjest nieskończenie złożonaa jej reprezentacjaz konieczności uwzględnia ograniczoną liczbę szczegółów Rzeczywistość może być reprezentowana przez obiekty dyskretne i pola 3 MODELE DANYCH PRZESTRZENNYCH Model danych przestrzennych określa sposób reprezentacji obiektów świata rzeczywistego dot. ich położenia w przestrzeni, kształtu oraz relacji przestrzennych między nimi To uporządkowany cyfrowy opis służący do reprezentacji wybranych cech świata rzeczywistego [Longley, 2006] Środowisko przyrodnicze Model konceptualny Model logiczny Model fizyczny 4

MODELE DANYCH PRZESTRZENNYCH Model danych przestrzennych określa sposób reprezentacji obiektów świata rzeczywistego dot. ich położenia w przestrzeni, kształtu oraz relacji przestrzennych między nimi To uporządkowany cyfrowy opis służący do reprezentacji wybranych cech świata rzeczywistego [Longley, 2006] Środowisko przyrodnicze Model konceptualny Model logiczny Model fizyczny Obiekty dyskretne i pola to podstawowe modele konceptualne reprezentacji środowiska przyrodniczego 5 MODELE DANYCH PRZESTRZENNYCH Model danych przestrzennych określa sposób reprezentacji obiektów świata rzeczywistego dot. ich położenia w przestrzeni, kształtu oraz relacji przestrzennych między nimi To uporządkowany cyfrowy opis służący do reprezentacji wybranych cech świata rzeczywistego [Longley, 2006] Środowisko przyrodnicze Model konceptualny Model logiczny Model fizyczny Modele wektorowe i rastrowe to podstawowe modele logiczne reprezentacji rzeczywistości Przyjęty model danych decyduje o typach danych lub obiektów, które mogąbyćuwzględnione w analizach GIS [Longley, 2006] 6

MODELE DANYCH PRZESTRZENNYCH Zakres i forma reprezentowanej informacji przestrzennej (obiekty, zjawiska) zależy od przyjętego modelu. Reprezentacja środowiska za pomocą obiektów dyskretnych lub pól. W modelu rzeczywistości (środowiska) reprezentowanym przez obiekty dyskretne przestrzeń wypełniona jest obiektami o wyraźnie określonych granicach Podział ze względu na kryterium wymiaru w przestrzeni: Obiekty dwuwymiarowe: Obiekty jednowymiarowe: Obiekty bezwymiarowe: powierzchnie (poligony), linie, np. drogi, rzeki, punkty, np. budynki, studnie,..., W rzeczywistości wszystkie obiekty sątrójwymiarowe, ich reprezentacja w mniejszej liczbie wymiarów jest przybliżeniem Obiekty dyskretne rozróżniamy na podstawie ich własności topologicznych i zaliczamy do kategorii: punktowych, liniowych, powierzchniowych. 7 OBIEKTY DYSKRETNE Obiekty proste mogą być: Bezpośrednio określane ciągiem punktów o określonych współrzędnych Budowane hierarchicznie gdzie obiekt o wyższym wymiarze budowany jest z odpowiedniej liczby obiektów o niższym wymiarze Na przykład poligon (element 2D) budowany jest z minimum 3 linii (element 1D) L1 P1 L2 L3 Rys. 7. Przykład hierarchicznej budowy obiektów 8

OBIEKTY DYSKRETNE Obiekty złożone to kombinacje obiektów prostych Nie wszystkie obiekty świata rzeczywistego da się przedstawić za pomocą obiektów prostych obiekt powierzchniowy złożony z kilku rozłącznych obszarów (rys. 8a) obiekt powierzchniowy zawierający w sobie inny obiekt powierzchniowy (rys 8b) A A A Rys. 8a) po lewej, 8b) po prawej A B 9 OBIEKTY DYSKRETNE Z reprezentacją rzeczywistości związane są zagadnienia konfiguracji obiektów wynikające z ich wzajemnych relacji przestrzennych (topologicznych) Konfiguracje to struktury obiektów. Wyróżniamy: drzewa sieci dotyczą obiektów liniowych, przykłady to sieci rzeczne (rys. 9a) dotyczą obiektów liniowych, przykłady to sieci komunikacyjne (rys. 9b) sieci poligonów dotyczą przylegających do siebie obszarów Rys. 9a) po lewej, 9b) po prawej Więcej przy zagadnieniu topologicznego modelu wektorowego 10

POLA Reprezentacja obiektów o charakterze ciągłym powierzchnie charakteryzujące zjawiska fizyczne powierzchnia terenu Jeśli dane zjawisko można opisać przy pomocy funkcji analitycznej z = f(x,y) To możemy określić wartość tego zjawiska w dowolnym punkcie Zazwyczaj zjawisko określane na podstawie zbioru punktów, dla których zostały określone jego wartości Reprezentacja powierzchni za pomocą: Elementów punktowych Elementów liniowych Elementów powierzchniowych Wymagane algorytmy aproksymujące umożliwiające określenie wartości zjawiska w dowolnie wybranym punkcie Otrzymujemy regularne bądź nieregularne modele punktowe, liniowe, powierzchniowe 11 POLA Przykład zjawisk o charakterze ciągłym Zdjęcie satelitarne wyspy Matangi jednej z wysp na południowym Pacyfiku Satelita IKONOS, wykonane w listopadzie 2004 (GeoEye, pod http://www,geoeye.com, 2007) 12

POLA Przykład zjawisk o charakterze ciągłym Obraz regionusantabarbara w Kalifornii (USA) generowany na podstawie danych radarowych SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) z nałożonym modyfikowanym obrazem z satelity LandSat (NASA Earth Observatory, 2007 http://earthobservatory.nasa.gov) 13 POLA Polejest ciągłąreprezentacjąśrodowiska geograficznego, wyrażonąprzez zmienne, których wartości mogą być określone w dowolnym punkcie pola [Longley i inni, 2006] Zmiennena podstawie których wyróżniamy pola mogąmiećcharakter: nominalny, porządkowy, interwałowy, ilorazowy lub cykliczny, Pole wektorowe w każdym punkcie przestrzeni ma dwie zmienne wielkość i kierunek, Pole skalarne reprezentuje tylko jedna zmienna wartość Pola powstają na podstawie: Klasyfikacji wg kategorii np. użytkowanie gruntów, rodzajów utworów geologicznych, podlegają skokowym zmianom na granicach poszczególnych klas, Pomiaru zmienności atrybutów wzdłuż linii np. natężenie ruchu w sieci drogowej, prędkość przepływu wody w sieci rzecznej Przykłady Pole reprezentujące wysokośćnad poziomem morza zmienia sięgwałtowniej w obszarach aktywnych tektonicznie a łagodnej na obszarach ukształtowanych przez procesy eoliczne, Pole przedstawiające gęstośćzaludnienia w każdym punkcie jest określane przez liczbęosób odniesionądo jednostki powierzchni 14

POLA Jak wykonać cyfrową reprezentację pola w systemach geoinformacyjnych? Metody rastrowe 1. Wartości zmiennej w każdym z regularnie rozmieszczonych w przestrzeni punktów Przykład wysokość n.p.m. w CMT (Cyfrowym Modelu Terenu), 2. Wartości zmiennej w każdym z pikseli o regularnych kształtach Przykładwielkośćpromieniowania elektromagnetycznego odbitego od powierzchni Ziemi rejestrowana przez skaner satelity okołoziemskiego, Ad. 1. Regularna siatka punktów Ad. 2. Regularna siatka komórek (pikseli) 15 POLA Jak wykonać cyfrową reprezentację pola w systemach geoinformacyjnych? Metody wektorowe 3. Wartości zmiennej pola w każdym z nieregularnie rozmieszczonych w przestrzeni punktów Przykładtemperatura powietrza lub ciśnienie atmosferyczne rejestrowane w stacjach meteorologicznych, natężenie hałasu w punktach pomiarowych, 4. Wartości zmiennej w każdym z pól o nieregularnych kształtach Przykład kategoria użytkowania gruntów rolnych, rodzaj własności działek ziemskich, Ad. 3. Nieregularna siatka punktów Ad. 4. Poligony reprezentujące pola o nieregularnych kształtach 16

POLA Jak wykonać cyfrową reprezentację pola w systemach geoinformacyjnych? Metody wektorowe 5. Liniowa zmienność cechy wewnątrz sieci trójkątów o różnych wymiarach (powierzchnia TIN) Przykład wysokość nad poziomem morza w powierzchni utworzonej przez nieregularną sieć trójkątów (Triangulated Irregular Network), 6. Wartości izolinii Przykład digitalizacja warstwic Ad. 5. Nieregularna siatka trójkątów (wartość zmienia się liniowo w obrębie trójkątów) Ad. 6. Linie łamane reprezentujące linie jednakowej wartości 17 REPREZENTACJA RZECZYWISTOŚCI Rys. Przykład powierzchnia TIN, NMT 18

SYLLABUS Reprezentacja rzeczywistości w GIS Obiekty dyskretne i dane o charakterze ciągłym Generalizacja Wektorowy model danych przestrzennych Prosty model wektorowy, Topologiczny model wektorowy, Sieciowy model wektorowy, Model obiektowy 19 GENERALIZACJA (WPROWADZENIE) Geograficzna baza danych nie stanowi idealnego opisu świata. Zawartośćgeobazyjest dobierana ze względu na ograniczenia zapisu komputerowego Sposób wyboru obiektów, które sąprzedstawiane w formie kartograficznej sąokreślone w instrukcjach opracowywania map. Wkartografii Generalizacjato proces zmniejszania szczegółowości mapy podczas prac redakcyjnych związanych ze zmniejszaniem skali mapy. O generalizacji decyduje, oprócz skali, także przeznaczenie mapy Celem generalizacji jest dostosowanie mapy do danych potrzeb, zwiększenie jej czytelności 20

GENERALIZACJA Rodzaje generalizacji: Ilościowa(pominięcie mniej istotnych elementów mapy): generalizacja formy(odległości, uproszczenie kształtu; np. pominięcie niektórych zakrętów drogi, rzeki, uproszczenie przebiegu granicy), Generalizacja obiektów (liniowych, powierzchniowych) polega na upraszczaniu kształtu przez zmniejszanie liczby punktów w ich reprezentacji graficznej generalizacja treści(zmniejszenie ilości znaków na mapie; np. pominięcie niektórych miast, rzek, mniej ważnych dróg) Jakościowa(uogólnienie pojęćprzedstawianych na mapie): symbolizacja(np. na mapie w dużej skali miejscowości oznaczone będązasięgiem zabudowy, w mniejszej skali sygnaturąkoła lub kwadratu) grupowanie(np. połączenie lasów liściastych, iglastych i mieszanych w jednąkategorię), zmiana ujęcia zjawiska 21 GENERALIZACJA Metody generalizacji (Longley i inni, 2006): UPROSZCZENIE Usunięcie wybranych wierzchołków wieloboku spowoduje uproszczenie jego kształtu WYGŁADZENIE Zastąpienie ostrych i złożonych kształtów przez wygładzone AGREGACJA Zastąpienie dużej liczby znaków szczegółowych mniejsząliczbąnowych znaków ŁĄCZENIE Zastąpienie kilku obiektów przez pojedynczy obiekt powierzchniowy 22

GENERALIZACJA Metody generalizacji (Longley i inni, 2006): UPROSZCZENIE Usunięcie wybranych wierzchołków wieloboku spowoduje uproszczenie jego kształtu WYGŁADZENIE Zastąpienie ostrych i złożonych kształtów przez wygładzone AGREGACJA Zastąpienie dużej liczby znaków szczegółowych mniejsząliczbąnowych znaków ŁĄCZENIE Zastąpienie kilku obiektów przez pojedynczy obiekt powierzchniowy 23 GENERALIZACJA Metody generalizacji (Longley i inni, 2006): UPROSZCZENIE Usunięcie wybranych wierzchołków wieloboku spowoduje uproszczenie jego kształtu WYGŁADZENIE Zastąpienie ostrych i złożonych kształtów przez wygładzone AGREGACJA Zastąpienie dużej liczby znaków szczegółowych mniejsząliczbąnowych znaków ŁĄCZENIE Zastąpienie kilku obiektów przez pojedynczy obiekt powierzchniowy 24

GENERALIZACJA Metody generalizacji (Longley i inni, 2006): SCALANIE Zastąpienie kilku obiektów liniowych jednym obiektem DEKOMPOZYCJA Zamiana obiektu powierzchniowego na obiekt punktowy WYBÓR OBIEKTÓW Eliminacja wybranych elementów ze zbioru przy zachowaniu ogólnych prawidłowości rozkładu zjawiska WZMOCNIENIE Zmiana wielkości i kształtu symboli 25 GENERALIZACJA Metody generalizacji (Longley i inni, 2006): SCALANIE Zastąpienie kilku obiektów liniowych jednym obiektem DEKOMPOZYCJA Zamiana obiektu powierzchniowego na obiekt punktowy WYBÓR OBIEKTÓW Eliminacja wybranych elementów ze zbioru przy zachowaniu ogólnych prawidłowości rozkładu zjawiska WZMOCNIENIE Zmiana wielkości i kształtu symboli 26

GENERALIZACJA Metody generalizacji (Longley i inni, 2006): PRZEMIESZCZENIE Przemieszczenie obiektów z ich rzeczywistego położenia w celu zachowania czytelności i relacji przestrzennych (McMaster, Shea, 1992 W: Longley i inni 2006) 27 PODSUMOWANIE Model danych przestrzennych to uporządkowany cyfrowy opis wybranych cech świata rzeczywistego, który określa sposób reprezentacji obiektów świata rzeczywistego dot. ich położenia w przestrzeni, kształtu oraz relacji przestrzennych między tymi obiektami Rzeczywistość reprezentowana za pomocą obiektów dyskretnych lub pól. Obiekty dyskretne wypełniają przestrzeń obiektami o wyraźnie określonych granicach (punkty, linie, poligony). Pole jest ciągłą reprezentacją środowiska geograficznego, wyrażoną przez zmienne, których wartości mogą być określone w dowolnym punkcie pola. Generalizacja to proces zmniejszania szczegółowości mapy podczas prac redakcyjnych związanych ze zmniejszaniem skali mapy, rodzaje: ilościowa - pominięcie mniej istotnych elementów mapy (treści, formy) jakościowa - uogólnienie pojęć przedstawianych na mapie (symbolizacja, grupowanie)

SYLLABUS Reprezentacja rzeczywistości w GIS Obiekty dyskretne i dane o charakterze ciągłym Generalizacja Wektorowy model danych przestrzennych Prosty model wektorowy, Topologiczny model wektorowy, Sieciowy model wektorowy, Model obiektowy 29 MODEL WEKTOROWY Przykład danych wektorowych Rys. 1. Wektorowy model danych przestrzennych Mapa sieci elektrycznej Punkty, linie i poligony wykorzystane do reprezentacji budynków, ulic i elementów sieci elektrycznej Mapa używana przez Departament GISCoServ ElectricwCorinth,Texas, USA dostarcza zespołom elektryków i inżynierów logicznej i jednolitej informacji. Standardowa symbolizacja danych pozwala na lepsząkomunikacjęw przedsiębiorstwie i między zespołami, np. identyfikacja fazy linii i urządzeń [Michael Walden, 2006] Vector Data Model, http://www.gis.com/implementing_gis/data/vector.html30

PROSTY MODEL WEKTOROWY Podstawowe cechy Prostota obrazowanie obiektów terenowych przez ciąg punktów, Redundancja - współrzędne punktów wspólnych, należących do dwóch lub więcej obiektów muszą być zapisywane w każdym z nich, Związki przestrzenne miedzy obiektami wykrywane metodami geometrii analitycznej P2 P1 P3 P8 A A(P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8) Rys. 2. Opis obiektu prostego w prostym modelu wektorowym P4 P7 P5 P6 31 PROSTY MODEL WEKTOROWY Podstawowe cechy Prostota obrazowanie obiektów terenowych przez ciąg punktów, Redundancja - współrzędne punktów wspólnych, należących do dwóch lub więcej obiektów musza być zapisywane w każdym z nich, Związki przestrzenne miedzy obiektami wykrywane metodami geometrii analitycznej Jak opisaćobiekt złożony w prostym modelu wektorowym? A(P?) Rys. 3. Przykład obiektu złożonego w modelu wektorowym 32

PROSTY MODEL WEKTOROWY Podstawowe cechy Prostota obrazowanie obiektów terenowych przez ciąg punktów, Redundancja - współrzędne punktów wspólnych, należących do dwóch lub więcej obiektów musza być zapisywane w każdym z nich, Związki przestrzenne miedzy obiektami wykrywane metodami geometrii analitycznej P2 P1 P3 P9 P8 P13 P10 Rys. 4. Przykład opisu obiektu złożonego w prostym modelu wektorowym P4 P12 P7 P11 A(P1, P2, P3, P9, P10, P11, P12, 13, P9, P3, P4, P5, P6, P7, P8,P1) P5 P6 33 REGUŁY TOPOLOGICZNE W ujęciu matematycznym topologia opisuje właściwości danego obiektu, które pozostają niezmienne po jego deformacjach liniowych Topologia w systemach informacji geograficznej W systemach informacji geograficznej oznacza relacje topologiczne między poszczególnymi obiektami, Określa zestaw reguł dotyczących klas obiektów, które w sposób jednoznaczny opisują związki przestrzenne między obiektami, Pozwala na reprezentacje wspólnych elementów geometrii, np. poprzez określenie relacji topologicznych między ulicami (linie), blokami (powierzchnie), obwodami spisowymi (powierzchnie) Rys. 5. Przykład topologicznego modelu wektorowego [Gaździcki, 2007] 34

REGUŁY TOPOLOGICZNE W topologicznym modelu wektorowym obiekty przestrzenne współdzielą geometrię może być ona opisana związkami między węzłami (nodes), krawędziami (edges) i powierzchniami (faces) Podstawowe cechy: Linie łącząsięze sobąw punktach (nodes) i tworząsiećpołączeń, Zbiór linii określa granice i obszary zamknięte,które posiadają powierzchnię, Poligony sąsiadujące ze sobą mają wspólne granice Reguły topologiczne w GIS służą do zarządzania wspólnymi granicami między obiektami oraz definiowaniu reguł integralności W GIS dane przestrzenne (wektorowe) mogą być przechowywane w postaci topologicznej lub obiektowej, Forma obiektowa jest czytelniejsza i jest obecnie częściej stosowana, W obiektowym formacie przechowywania danych topologia tworzona jest na bieżąco w czasie pracy 35 REGUŁY TOPOLOGICZNE Reguły topologiczne są niezbędne w analizach GIS, Przykłady to: Znajdowanie najkrótszej drogi (np. serwisy internetowe wyszukujące najkrótsze bądź najszybszej trasy przejazdu między dwoma miejscowościami), Obliczanie powierzchni łącznej pól, działek, obrębów, itp., Wyszukiwanie gmin graniczących z danym powiatem czy terenów przemysłowych sąsiadujących z obszarami mieszkalnymi, Jakie inne przykłady możesz podać? [GIS by ESRI, 2002] 36

REGUŁY TOPOLOGICZNE Cechy danych przestrzennych tworzonych i przechowywanych bez reguł topologicznych: Nie ma relacji między obiektami, Linie nie łącząsięw węzłach, Przecięcia linii nie muszą posiadać węzłów, Sąsiednie poligony nie przylegają do siebie bądź nakładają się na siebie Rys. 6. Przykład danych wektorowych bez zachowania reguł topologicznych 37 TOPOLOGICZNY MODEL WEKTOROWY Informacja geometryczna definiuje: Położenie obiektu, Kształt obiektu, Powiązania między obiektami Rodzaje elementów topologicznych: Dwuwymiarowe poligony (obszary), Jednowymiarowe linie, Zerowymiarowe- węzły Jak sprawdzamy integralność topologiczną danych? Spójność, Przecięcia linii, Duplikaty linii, Nakładanie się poligonów 38

TOPOLOGICZNY MODEL WEKTOROWY Testowanie spójności Wszystkie elementy sieci są połączone, Elementy sieci mająpunkty wspólne (węzły) o tych samych współrzędnych w miejscach połączeń, Przykład sieci kanalizacyjna Testowanie przecięcia linii Przecinające się linie mają węzły w miejscach przecięć, Przykład drogi przecinają się w miejscach skrzyżowań, Przykład przecinające się drogi mogą nie mieć połączenia (wiadukt nad autostradą), nie mają punktów wspólnych Testowanie duplikowania linii Istnieją linie i/lub poligony, które pokrywają się, Przykład gdy dane pozyskiwane są z różnych źródeł Testowanie nakładania się poligonów Sąsiadujące ze sobą poligony częściowo pokrywają się, Przykład analizy dot. własności lub użytkowania struktury gruntów rolnych 39 TOPOLOGICZNY MODEL WEKTOROWY Rys. 7. Przykład: Drogi nie mają połączenia -Testowanie przecięcia linii [www.viamichelin.com] Rys. 8. Przykład: Granice administracyjne -Testowanie nakładania się poligonów 40

TOPOLOGICZNY MODEL WEKTOROWY Budowanie topologii w ramach jednej warstwy wektorowej 41 TOPOLOGICZNY MODEL WEKTOROWY Budowanie topologii w ramach wielu warstw wektorowych 42

TOPOLOGICZNY MODEL WEKTOROWY Budowanie topologii w ramach wielu warstw wektorowych 43 TOPOLOGICZNY MODEL WEKTOROWY Budowanie topologii w ramach wielu warstw wektorowych Zmiana granic miasta na prawach powiatu (warstwa gr_powiat) spowoduje jednoczesną zmianę granic powiatów z nim sąsiadujących oraz gmin w ich granicach (warstwagr_gmina) 44

TOPOLOGICZNY MODEL WEKTOROWY W jaki sposób relacje topologiczne przypisujemy do elementów 1. Pojedyncze obiekty z wieloraką reprezentacją geometryczną, 2. Wiele obiektów o różnych cechach geometrycznych połączonych do edycji, analiz i reprezentacji Edycja wspólnych i współdzielonych linii i poligonów tak jakby były pojedynczymi obiektami, Edycja, np. przesunięcie jednego obiektu, powoduje automatyczne przesunięcie powiązanych z nim logicznie obiektów, Łatwość wprowadzania do baz danych Przypadek (1) relacje przechowywane wraz z cechami geometrii elementu, Przypadek (2) budowane interaktywnie gdy zachodzi taka potrzeba Przypadek szczególny georelacyjny topologiczny model wektorowy, w którym własności geometryczne i relacje topologiczne przechowywane są w plikach natomiast dane nieprzestrzenne (atrybuty) w tabelach systemu zarządzania relacyjną bazą danych. Oprogramowanie GIS jest odpowiedzialne za utrzymanie połączeń między informacją o geometrii, topologii i atrybutach [Longley i inni, 2006] 45 SYLLABUS Reprezentacja rzeczywistości w GIS Obiekty dyskretne i dane o charakterze ciągłym Generalizacja Wektorowy model danych przestrzennych Prosty model wektorowy, Topologiczny model wektorowy, Sieciowy model wektorowy, Model obiektowy 46

SIECIOWY MODEL WEKTOROWY Odmiana wektorowego modelu topologicznego Podstawowe odmiany modeli sieciowych to: 1. Sieć dendryczna(promienista), 2. Sieć pętlowa Sieć dendryczna Zawsze określony jest kierunek przepływu, Przykłady: sieć drenażu, sieć rzeczna Jakie znasz przykłady? Sieć pętlowa Posiada liczne punkty przecięcia, Przykłady: sieć wodociągowa, sieć elektryczna 47 SIECIOWY MODEL WEKTOROWY Rys. 10. Sieć gazowa [Hunter GIS, 2006 http://www.hunter-gis.com] Rys. 11. Sieć ulic [www.viamichelin.com] 48

SIECIOWY MODEL WEKTOROWY Klamath Basin Rangeland Trust Builds a Surface Water,Groundwater,and Vegetation Monitoring Network With GIS Rys. 12. Sieć rzeczna [Mills, 2003 @ www.esri.com] 49 SIECIOWY MODEL WEKTOROWY Charakterystyka modeli sieciowych w GIS Model składa sięz punktów (skrzyżowania ulic, zawory wody, przełączniki elektryczne, itp.) oraz linii (ulice, linie przesyłowe, przewody, itp.), Relacje topologiczne określają w jaki sposób linie łączą się ze sobą w węzłach, Określony kierunek przepływu przez sieć gdzie, Przepływ może następowaćze źródła do ujścia (np. siećkanalizacyjna) lub w obu kierunkach (sieć przesyłowa gazu), Prędkość przepływu modelowana jako oporność na liniach i w złączeniach (w węzłach) Przykłady zastosowań modeli sieciowych: Energetyczne sieci przesyłowe i obliczenia spadków napięcia, Sieci drogowe i planowanie tras przejazdu pojazdów służb ratowniczych, optymalizacja tras przejazdu kurierów, śledzenie pojazdów, badanie wpływu zamknięcia odcinków ulic na ruch drogowy, Sieci rzeczne i wykrywanie źródeł zanieczyszczeń, Sieci wodociągowe i ograniczanie skutków awarii dla odbiorców wody 50

SIECIOWY MODEL WEKTOROWY Rys. 13. Przykład zastosowania modeli sieciowych planowanie trasy przejazdu 51 SIECIOWY MODEL WEKTOROWY Rys. 14a. Przykład zastosowania modeli sieciowych planowanie trasy przejazdu Trasa Świdnica Oborniki Śl., kryterium najszybsza [www,viamichelin.com] 52

SIECIOWY MODEL WEKTOROWY Rys. 14b. Przykład zastosowania modeli sieciowych planowanie trasy przejazdu Trasa Świdnica Oborniki Śl., kryterium najkrósza [www,viamichelin.com] 53 SIECIOWY MODEL WEKTOROWY Rys. 14c. Przykład zastosowania modeli sieciowych planowanie trasy przejazdu Trasa Świdnica Oborniki Śl., kryterium rowerem [www,viamichelin.com] 54

PODSUMOWANIE Topologia w GIS określa zestaw regułdotyczących klas obiektów, które w sposób jednoznaczny opisują związki przestrzenne między obiektami Podstawowe cechy topologicznego modelu wektorowego: linie łącząsięze sobąw punktach, zbiór linii określa granice i obszary zamknięte, poligony sąsiadujące ze sobą mają wspólne granice Odmiany sieciowego modelu wektorowego to siecidendryczne(np. siećrzeczna) i sieci pętlowe (np. sieć wodociągowa) W modelu obiektowym reguły topologiczne budowane są na bieżąco (w razie potrzeby) SYLLABUS Reprezentacja rzeczywistości w GIS Obiekty dyskretne i dane o charakterze ciągłym Generalizacja Wektorowy model danych przestrzennych Prosty model wektorowy, Topologiczny model wektorowy, Sieciowy model wektorowy, Model obiektowy 56

MODEL OBIEKTOWY WPROWADZENIE Zorientowane obiektowo (object-oriented) podejście do projektowania baz danych geograficznych Zgrupowanie w obiekt wszystkich danych opisujących jednostkę oraz operacji, które są dla niej właściwe możliwość zdefiniowania struktury obiektów, możliwość zdefiniowania operacji, które mogą być im przypisane OBIEKT = STAN + ZACHOWANIE Tożsamość obiektów jest unikalna, Tożsamość obiektów nie ulega zmianie, Obiekty złożone składają się z kilku innych obiektów, Obiekt może należeć do nadrzędnej klasy obiektów Dziedziczy własności klasy nadrzędnej STAN zbiór wartości atrybutów obiektów (właściwości, które opisują jego stan) ZACHOWANIE metody operacji wykonywanych na obiekcie (metod, które opisują jego zachowanie) 57 MODEL OBIEKTOWY W modelu obiektowym rzeczywistość reprezentowana przez zbiór obiektów i ich wzajemnych relacji Zbiór obiektów to klasa obiektów, Wiele cech obiektów jest definiowane na poziomie klasy Model obiektowy dotyczy zbiorów obiektów i ich wzajemnych relacji. Nie ma tu rozdzielenia stanu elementów (cech określających czym są) od ich zachowań(metody określające sposób ich funkcjonowania) Przykład W relacyjnej bazie danych HOTEL ma atrybuty takie jak: numer ID,Nazwa, Adres, Liczba pokojów, standard W modelu obiektowym Atrybuty stają się stanem (właściwościami), Hotel staje się klasą obiektów, Przechowywane sątakże zachowaniaobiektu czyli operacje, które mogąna nim wykonywane (np. zmiana standardu, zmiana liczby pokojów, zamknięcie poza sezonem) 58

MODEL OBIEKTOWY ZAKWATEROWANIE ZAKWATEROWANIE TURYSTYCZNE ZAKWATEROWANIE MIESZKANIOWE PENSJONAT HOTEL APARTAMENT DOM MIESZKANIE Hierarchia obiektów - klasy nadrzędne i klasy podrzędne, np. Hotel należy do klasy budynków, składa się z restauracji, ogrodu, basenu, kortu tenisowego,... Obiekty w klasie mają takie same własności stany i zachowania Budynki charakteryzują się rozmiarem, kształtem, lokalizacją, Budynki mogą być budowane, burzone, rysowane na mapie Obiekty w klasie Hotel dziedziczą własności obiektów klasy nadrzędnej Budynki 59 MODEL OBIEKTOWY W modelu obiektowym: Każdy obiekt jest zestawem cech geometrycznych, właściwości i metod, Obiekty przestrzenne tego samego rodzaju są przechowywane w klasach obiektów, Obiekty w ramach jednej klasy charakteryzuje ten sam typ wzajemnych relacji, Klasa obiektu może być przechowywana w tabeli bazy danych (rys. poniżej) Rys. Kolumna z informacją o klasie obiektu [ArcGIS] 60

MODEL OBIEKTOWY W modelu obiektowym relacje przestrzenne oparte sąna operatorach, np.: nakładanie, przyleganie, stykanie, zawieranie. Decydują one o wzajemnych relacjach między obiektami Rys. 16. Przykład testu na zawieranie obiektów Relacje ogólne wykorzystywane do budowania innych typów relacji między obiektami Przykład: powiązanie latarni w modelu oświetlenia miasta z informacją o rodzaju latarni Relacje topologiczne włączone do definicji klasy obiektów, np. topologiczny model sieciowy, na podst. [Longley i inni, 2006] 61 MODEL OBIEKTOWY W modelu obiektowym możliwe jest zdefiniowanie kilku typów regułdotyczących relacji między obiektami Najczęściej stosowane są reguły: (a) atrybutów, (b) połączeń, (c) relacji i (d) geograficzne (a) Reguły atrybutów Używane do zdefiniowania możliwych do wprowadzenia wartości atrybutów, np. reguła zakresu, reguła kodowanej cechy Przykład reguły zakresu to dopuszczalna prędkość na drogach, np. między 20 a 130 km/h Przykład reguły kodowanej cechy to kategorie danych np. rodzaj przeznaczenia budynku (mieszkalny, użyteczności publicznej,...), stan obiektu (istniejący, projektowany) (b) Reguły połączeń Używane do zdefiniowania możliwych kombinacji elementów, tworzone na podstawie geometrii, topologii i właściwości obiektów Przykład stacje transformatorowe w połączeniach linii energetycznych o różnych napięciach 62

MODEL OBIEKTOWY W modelu obiektowym możliwe jest zdefiniowanie kilku typów regułdotyczących relacji między obiektami Najczęściej stosowane są reguły: (a) atrybutów, (b) połączeń, (c) relacji i (d) geograficzne (d) Reguły geograficzne Powierzchnia Podatek Właściciel Właściwości geometrii 10 000 2 500 Matt Kowalski Wskaźnik proporcjonal ny do powierzchni Powielenie Powierzchnia Podatek Właściciel 4 500 1 125 Matt Kowalski Powierzchnia Podatek Właściciel 5 500 1 375 Jay Key Powierzchnia działki dzielona proporcjonalnie do wielkości dwóch nowych działek, Kod użytkowania ziemi przypisany do obu działek, Nazwisko właściciela pozostaje przy niesprzedanej działce, do działki sprzedanej wprowadza się nazwisko nowego właściciela, Podatek od nieruchomości naliczany jest proporcjonalnie do powierzchni Rys. Przykład regułstosowanych podczas dzielenia działek [Longleyi inni, 2006] 63 MODEL OBIEKTOWY Cechy charakterystyczne modelu obiektowego Kapsułkowanie złączenie opisów stanu i zachowania każdego obiektu Dziedziczenie możliwośćwykorzystania części lub wszystkich charakterystyk obiektu w innym obiekcie Polimorfizm realizacja operacji takich jak rysowanie, usuwanie, tworzenie dla każdego obiektu 64

MODEL OBIEKTOWY Cechy charakterystyczne modelu obiektowego Kapsułkowanie złączenie opisów stanu i zachowania każdego obiektu Dziedziczenie możliwośćwykorzystania części lub wszystkich charakterystyk obiektu w innym obiekcie Polimorfizm realizacja operacji takich jak rysowanie, usuwanie, tworzenie dla każdego obiektu Kapsułkowanie: każdy obiekt zawiera jednocześnie opis swojego stanu i zachowania. Stan dotyczy właściwości lub atrybutów, zachowanie dotyczy metod lub operacji, które mogą być zastosowane do obiektu Przykład: dla gruntów rolnych stan to rodzaj upraw,phgleby, zachowanie to możliwośćdzielenia lub łączenia 65 MODEL OBIEKTOWY Cechy charakterystyczne modelu obiektowego Kapsułkowanie złączenie opisów stanu i zachowania każdego obiektu Dziedziczenie możliwośćwykorzystania części lub wszystkich charakterystyk obiektu w innym obiekcie Polimorfizm realizacja operacji takich jak rysowanie, usuwanie, tworzenie dla każdego obiektu Kapsułkowanie: każdy obiekt zawiera jednocześnie opis swojego stanu i zachowania. Stan dotyczy właściwości lub atrybutów, zachowanie dotyczy metod lub operacji, które mogą być zastosowane do obiektu Przykład: dla gruntów rolnych stan to rodzaj upraw,phgleby, zachowanie to możliwośćdzielenia lub łączenia Dziedziczenie: zdolnośćdo wielokrotnego wykorzystywania jednej lub wszystkich właściwości obiektu w odniesieniu do innego obiektu. Umożliwia tworzenie i rozszerzanie modeli GIS dzięki wykorzystaniu istniejących klas obiektów. Nowe klasy obiektów można budowaćna podstawie części jednej lub więcej istniejących klas obiektów oraz dodawanie do nich nowych unikatowych właściwości i metod. 66

MODEL OBIEKTOWY Cechy charakterystyczne modelu obiektowego Kapsułkowanie złączenie opisów stanu i zachowania każdego obiektu Dziedziczenie możliwośćwykorzystania części lub wszystkich charakterystyk obiektu w innym obiekcie Polimorfizm realizacja operacji takich jak rysowanie, usuwanie, tworzenie dla każdego obiektu Kapsułkowanie: każdy obiekt zawiera jednocześnie opis swojego stanu i zachowania. Stan dotyczy właściwości lub atrybutów, zachowanie dotyczy metod lub operacji, które mogą być zastosowane do obiektu Przykład: dla gruntów rolnych stan to rodzaj upraw,phgleby, zachowanie to możliwośćdzielenia lub łączenia Dziedziczenie: zdolnośćdo wielokrotnego wykorzystywania jednej lub wszystkich właściwości obiektu w odniesieniu do innego obiektu. Umożliwia tworzenie i rozszerzanie modeli GIS dzięki wykorzystaniu istniejących klas obiektów. Nowe klasy obiektów można budowaćna podstawie części jednej lub więcej istniejących klas obiektów oraz dodawanie do nich nowych unikatowych właściwości i metod. Polimorfizm: przypisanie obiektom sposobów tworzenia, usuwania czy rysowania 67 MODEL OBIEKTOWY Studium przypadku obiektowy model danych przestrzennych Schemat systemu zaopatrzenia w wodę elementy sieci wodociągowej, obiekty topograficzne (tło) Rys. 19 Przykład modelu obiektowego sieci wodociągowej [Longley i inni, 2006] Zadanie modeli przestrzennych to reprezentacja podstawowych właściwości środowiska w formie cyfrowej w celu zarządzania, analizy i prezentacji Typy obiektów w sieci wodociągowej magistrala, przyłącza, złącza i pompa odpowiadająca za przepływ wody, zawory, hydranty i wodomierze Obiekty topograficzne domy, ulice, budynki (nie biorą udziału w analizach) Model służy do zarządzanie siecią, analiza działania sieci na podst. [Longley i inni, 2006] 68

MODEL OBIEKTOWY Studium przypadku obiektowy model danych przestrzennych Obiekty sieci wodociągowej uwzględnione są w modelu jako elementy sieci, Zdefiniowane relacje przestrzenne Rys. 19 Przykład modelu obiektowego sieci wodociągowej [Longley i inni, 2006] Zadanie modeli przestrzennych to reprezentacja podstawowych właściwości środowiska w formie cyfrowej w celu zarządzania, analizy i prezentacji Reguły topologiczne takie jak: połączenia sieci, kierunki przepływu, opór przepływu Analizy (sieciowe), np. wykrywanie elementów uszkodzonych, prognozowanie przepływu na podst. [Longley i inni, 2006] 69 MODEL OBIEKTOWY Studium przypadku obiektowy model danych przestrzennych Rys. 20 Model obiektowy Schemat systemu zaopatrzenia w wodę[longley i inni, 2006] Schemat modelu obiektowego sieci wodociągowej wykorzystujący UML (Unified Modelling Language) Ramki oznaczają klasy obiektów, Linie określają sposoby dziedziczenia przez klasy części właściwości klas znajdujących się wyżej w hierarchii modelu 70

MODEL OBIEKTOWY Problemy Trudnośćw reprezentowaniu świata jako ograniczonych przestrzennie obiektów Domniemanie niepewności reprezentacji wielu koncepcji przestrzennych, Obiekty przestrzenne modelowane w bazach danych są produktem interpretacji i uogólnień, W fazie rozwoju brak standardu modelu danych, brak precyzyjnie zdefiniowanych podstaw teoretycznych, brak standardowego języka zapytań Zalety Nie rozróżnia między danymi przestrzennymi i atrybutowymi Wydaje się bardziej odpowiedni dla danych GIS i operacji graficznych 71 PODSUMOWANIE Model danych zorientowany obiektowo składa sięze stanu (własności) i zachowań(możliwych operacji) przypisanych jednostce, Cechy mogą być definiowane na poziomie klasy obiektów, Model obiektowy charakteryzuje występowanie klas nadrzędnych i podrzędnych oraz hierarchiczność i dziedziczenie cech, Cechy charakterystyczne to: kapsułkowanie, dziedziczenie i polimorfizm, Rodzaje regułokreślających związki między obiektami to: atrybutów, geograficzne, połączeńi relacji

PYTANIA SPRAWDZAJĄCE Modelowanie rzeczywistości (środowiska przyrodniczego)(obiekty dyskretne i pola)? Rodzaje obiektów dyskretnych? Metody reprezentacji rzeczywistości poprzez pola? Rodzaje generalizacji danych(ilościowa, jakościowa)? Metody generalizacji danych(uproszczenie, wygładzenie, agregacja, łączenie, scalenie, dekompozycja, wybór, wzmocnienie, przemieszczenie)? Wektorowe modele danych przestrzennych(prosty, topologiczny, sieciowy)? Topologia w GIS, reguły topologiczne? Obiektowy model danych przestrzennych? Charakterystyka i przykłady modelu danych zorientowanego obiektowo? Relacje i reguły w obiektowym modelu danych? Cechy, ograniczenia i zalety danych zorientowanych obiektowo? Przykład modelu obiektowego sieć wodociągowa? SYLLABUS Przeczytaj wpaul Longley,Michael Goodchild,David Maguire,David Rhind, GIS Teoria i praktyka. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2006 rozdziały: Metody reprezentacji środowiska przyrodniczego, str. 65 86 Modele danych przestrzennych, str. 183-205