Векторне подання метричних даних. Точкова полігональна структура. DIME-структура.. Структури «дуга-вузол»

4.3. Векторне подання метричних даних

Векторним способом подання просторових даних, або векторною моделлю, називають спосіб формалізації просторових даних, що ґрунтується на використанні набору елементарних графічних об'єктів, або «графічних примітивів».
В основу векторної моделі покладено точку (point) — первинний графічний елемент із координатами (х, у), місце розташування якого відоме з довільно заданою точністю. Дві точки з координатами (х1, у1) і (х2, у2) формують другий графічний примітив, лінію (line) — відрізок прямої, що з'єднує ці точки. Замкнута послідовність ліній відокремлює частину поверхні — полігон (polygon), який є третім з основних елементарних графічних об'єктів, або графічних примітивів, на яких базується векторна модель просторових даних.

4.3.1. Точкова полігональна структура

Сукупність цих трьох елементарних графічних об'єктів — точки, лінії та полігону — цілком достатня для опису форми як лінійних, так і просторових картографічних об'єктів, які в цьому випадку кодуються як сукупність координат точок, що апроксимують форму лінійного об'єкта, наприклад, адміністративного кордону, русла ріки і т.п., або контуру (границі) територіального об'єкта, наприклад, території землекористування населеного пункту, басейну ріки і т.п. У базі даних у цьому випадку зберігається пооб'єктна інформація про координати точок введення (рис. 4.3). У структуру таблиць може бути введена атрибутивна інформація для об'єктів, що цифруються, а також інформація про графічне зображення об'єктів на карті.

Рис. 4.3. Подання картографічних даних з використанням точкової полігональної структури: а) формалізація вихідної карти; б) таблиця координат опорних точок; в) таблиця атрибутів полігонів

Спосіб векторного подання метричних даних з використанням трьох зазначених вище елементарних графічних об'єктів має назву точкової полігональної структури (Point Polygon Structure) векторних даних. Він належить до категорії нетопологічних векторних структур даних, які часто називають «спагеті».
Цей різновид векторних структур просторових даних відповідає початковому періоду розвитку ГІС-технології, хоча деякі сучасні ГІС-пакети використовують цей формат і далі. Прикладом може бути формат MIF/MID — MapInfo Data Interchange Format — відкритий обмінний формат пакета MapInfо, а також шейп-файли (shapefiles) ГІС-пакетів фірми ESRI.
Основний недолік цього способу формалізації просторових даних полягає у відсутності в запису даних топологічної інформації (інформації про взаємне розміщення об'єктів), що вимагає при введенні метричних даних за допомогою дигітайзера проводити повний обхід кожного полігона. Це призводить до подвійного проходу по спільних для двох суміжних полігонів межах, що обумовлює значне збільшення витрат часу на введення, а також появу двох, що не збігаються через неточності позиціонування дигітайзера, спільних границь суміжних просторових об'єктів, які створюють так звані «паразитні» полігони.
Значного поширення в наш час набули топологічні векторні структури, у яких, крім ідентифікаторів об'єктів і координат, кодується також інформація про взаємне розміщення об'єктів.

4.3.2. DIME-структура

Наприкінці 60-х років XX ст. у Бюро перепису США (US Bureau of the Census) при підготовці до чергового перепису населення було розроблено структуру збереження просторової інформації, яку було названо за першими літерами слів Dual Independent Map Encoding (подвійне незалежне кодування карт) DIME-структурою. Вона належить до топологічних векторних структур даних.
Основним елементом DIME-структури є дуга (arc) або сегмент (segment) — послідовність ліній, що починається і закінчується вузловими точками. Під вузловою точкою (node) розуміють точку перетину трьох і більш ліній. Хоча сьогодні як вузлова точка або вузол найчастіше розглядається будь-яка початкова або кінцева точка послідовності ліній, що утворює сегмент, або дугу. Так, зокрема, трактується поняття «вузлова точка» у рамках пакета IDRISI.
Приклад формалізації просторових даних з використанням DIME-структури наведений на рис. 4.4. У таблиці сегментів (в) і полігонів (ділянок) (г) додатково введені атрибутивні дані — довжини сегментів (дуг) і прізвища власників, площі та кадастрові номери ділянок.

Рис. 4.4. Представлення картографічних даних з використанням DIME-структури: а) формалізація вихідної карти (напівжирним шрифтом виділені номери вузлових точок); б) таблиця координат опорних точок, в) таблиця сегментів; г) таблиця полігонів

Введення топологічних характеристик у структуру векторних даних дозволило уникнути основного недоліку точкових полігональних структур — необхідності подвійного обведення спільних меж і пов'язаних з цим похибок. Кожна точка при цьому запам'ятовується тільки один раз у складі якого-небудь сегмента (дуги) і може використовуватися багаторазово — стільки разів, скільки це буде необхідно.

4.3.3. Структури «дуга-вузол»

Подальшим розвитком DIME-структури є векторні топологічні структури типу дуга-вузол (Arc-Node Structure), або лінійно-вузлові структури векторних даних, у яких об'єкт у базі даних структурований ієрархічно, а базовими елементарними графічними об'єктами, крім точки, лінії і полігону є дуга (або сегмент). Опис метричного навантаження карти в базі даних з використанням лінійно-вузлової структури векторних даних, як і в DIME-структурі, складається з трьох наборів даних: 1) таблиці пар координат (х, у) точок введення, що представляють геометрію дуг, 2) таблиці атрибутів дуг і 3) таблиці атрибутів полігонів. Але на відміну від DIME-структури в таблиці атрибутів дуг наводяться тільки початкова (from) і кінцева (to) точки (вузли) кожної дуги. Вказівки на лівий і правий полігони не наводяться. За необхідності в структуру таблиць можуть бути введені атрибути, що характеризують точкові, лінійні або полігональні об'єкти. Це можуть бути, наприклад, характеристики початкових і кінцевих точок введення дуг, назви вулиць (лінійних об'єктів) і їх метричні характеристики, власники земельних ділянок (полігональних об'єктів), їхня площа і унікальні кадастрові номери (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Подання в базі даних фрагмента картографічної інформації, зображеного на рис. 4.4, з використанням структури «сегмент (дуга) - вузол»: а) таблиця координат опорних точок; б) таблиця сегментів; в) таблиця полігонів

Лінійно-вузлові (топологічні) структури векторних даних представлені досить великою кількістю різновидів. Відзначимо модель TIGER (The Topologically Integrated Geographic Encoding and Referencing data format), яку було розроблено в Бюро переписів США для заміни DIME-структури наприкінці 80-х років XX ст., а також DLG-структуру (Digital Line Graph Structure) — стандарт Геологічної служби США (USGS) для пошарового кодування інформації, що міститься на топографічних картах і DLG-Е — Digital Line Graph-Enhanced — розширену версію формату DLG, а також покриття (coverage) – топологічний векторний файл ГІС-пакетів фірми ESRI.