Зацерковний В.І. та ін. ГІС та бази даних

Такими "одновимірними" об’єктами можуть бути автота залізні дороги, річки, кордони, огорожі, лінії електропередач, газо- і нафтопроводи або будь-які інші об’єкти, у яких довжина серед геометричних параметрів істотно більша за інші. Лінійні об’єкти часто називають мережами.

Об’єкти лінійної мережі складаються з вузлів – місць, де лінія закінчується, переривається, та дуг, що з’єднують вузли.

Масштаб, при якому спостерігається цей об’єкт, знову ж таки, обумовлює поріг, при перетинанні якого можна вважати ці об’єкти такими, що не мають ширини (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Лінійні об’єкти

Однак, як відомо, річки, дороги, огорожі мають два виміри при розгляді з близької відстані. Але чим далі ми віддаляємось від них, тим більш тоншими вони стають. Поступово при значному віддалені вони стають такими тонкими, що їх можна представити як лінійні об’єкти. Деякі лінії на карті, наприклад, адміністративні та політичні кордони, взагалі не мають ширини, іншим прикладом можуть слугувати ізолінії (ізогіпси), які використовуються для зображення рельєфу.

Для лінійних об’єктів, на відміну від точкових, можна встановлювати просторовий розмір визначенням їх довжини. Крім того, необхідно знати хоча б дві точки – початкову та кінцеву – для опису місця розташування лінійного об’єкта в просторі. Лінія може бути прямою, що складається з двох точок, – власне об’єкт лінія (line) й полілінією (polyline), яка складається з множини вузлів, що з’єднуються відрізками. Чим складніша лінія, тим більше точок буде потрібно для визначення точного її розташування. Базуючись на обчислювальній геометрії, можна також визначати форми й орієнтацію лінійних об’єктів. При цьому, лінійні об’єкти сприймаються не тільки як сукупність прямолінійних відрізків, а як об’єкти, що мають у своєму складі сегменти ліній другого та вищого порядків.

Вибір об’єктів, поданих у вигляді ліній, залежить від масштабу карти або дослідження, тому лінійні об’єкти розрізняються за шириною, структурою, кольором, комбінацією ліній (рис. 4.11).

171

Рис. 4.11. Типи лінійних об’єктів на карті

Під сегментом (line segment, segment, chord) у ГІС розуміють відрізок прямої лінії, що з’єднує дві точки з відомими координатами; проміжні точки (vertex, pl. vertices), вузли; елемент дуги при векторному поданні просторових об’єктів.

Полігони – площинні об’єкти, які представлені або набором пар координат (x, y), або набором об’єктів типу "лінія", що утворюють замкнутий контур.

Якщо вважати, що всі об’єкти ГІС мають семантичний контекст, який визначає їх як об’єкти реального світу, то замкнені лінійні об’єкти можна поділити на контурні та площинні.

Границя (border, boundary, edge) – лінія, яка розділяє різнойменні

полігони.

Крім зазначення місця розташування полігонів через використання ліній, необхідно також врахувати такі характеристики: форму, орієнтацію та величину площі, яку займає полігон. Площинні об’єкти (рис. 4.12) відображують елементи геопростору, площа яких у даному масштабі є найбільш значимою характеристикою.

Рис. 4.12. Площинні об’єкти (полігони)

172

Прикладом полігонів або двовимірних об’єктів можуть слугувати території, що зайняті подвір’ями, населеним пунктом або континентом.

При визначенні місця розташування полігонів у просторі, їх границя є лінією, яка починається і закінчується в одній і тій же точці, наприклад, лісові масиви, озера, сільськогосподарські угіддя, населенні пункти тощо.

Колір, характер штрихування, позначення ліній контуру при відображенні визначаються типом полігона (типом рослинності) або величиною атрибута – кількістю населення (рис. 4.13).

В

Рис. 4.13. Приклад використання кольорів і штрихувань для показу кількісних відмінностей між полігонами

Площинний об’єкт (полігон) – це двовимірний (площинний) об’єкт, замкнута лінійна фігура, яка обмежує однорідну (квазіоднорідну) територію, наприклад, водоймище, район, будівлю.

При цьому можливі ситуації:

1)полігони є ізольованими областями. Іноді вони можуть перекриватись. Досліджувана точка може знаходитися усередині багатьох об’єктів. Досліджувані об’єкти при цьому можуть не повністю покривати досліджувану область, наприклад, лісові пожежі тощо;

2)будь-яка точка, що досліджується, знаходиться усередині одного об’єкта. Об’єкти повністю покривають досліджувану область. Кожна лінія границі розділяє два площинних об’єкта. Площинні об’єкти не перетинаються;

3)будь-який тематичний шар може бути перетворений у шар іншого типу, а це означає, що кожний площинний об’єкт може мати будьяку кількість атрибутів. Площинні об’єкти можуть мати "дірки", які мають набір атрибутів, відмінний від атрибутів основного об’єкта. Прикладом таких дірок можуть слугувати острови на річках, озерах, морях.

173

4.5.2. Геометричні об’єкти високого рівня

Точкові лінійні та просторові об’єкти, розглянуті вище, відносяться до класу простих об’єктів. Існує також клас об’єктів, що мають специфічне навантаження й особливе значення для аналізу (вузли, центроїди та мережі). Деякі автори [15] відносять до них і сукупності точкових об’єктів.

Ці об’єкти утворюються різноманітними засобами: вузли, наприклад, кодуються в процесі цифрування, центроїди та мережі обчислюються на основі геометрії наявних об’єктів. Такі об’єкти називаються об’єктами високого рівня і також поділяються на точкові, лінійні та полігональні.

Точкові об’єкти "високого рівня". Два основних типи об’єктів високого рівня – це центроїди та вузли. До них можна також віднести і сукупність точкових об’єктів.

Центроїд – уявна точка, центр ваги (геометричний центр) фігури або внутрішня точка полігона, отримана осередненням координат усіх точок, що утворюють полігон.

Центроїд, зазвичай, визначається як точка, що міститься в географічному центрі області або полігона і слугує для його ідентифікації, тобто знаходиться в середині полігона. Він виконує функцію точкового об’єкта, до якого в разі потреби можна віднести властивості полігона.

У випадку невипуклого полігона або складеного полігона, який має внутрішні полігони (острови, або анклави), його положення не збігається з центром ваги полігона.

ГІС у своєму арсеналі мають різні алгоритми автоматичного вибору центроїда. Однак, після автоматичного вибору, центроїд може вручну переноситись в іншу внутрішню точку.

При автоматичному створенні топології центроїди можуть також бути призначені з числа (з шару) точкових об’єктів (наприклад, обласний центр може бути призначений як центроїд області на карті України). Центроїди можуть також розміщуватися в центрі розподілу певної характеристики (значення), а не в абсолютному геометричному центрі багатокутника. Існують й інші засоби побудови центроїдів. Наприклад, центроїдом може бути центр ваги геометричної фігури, центр прямокутника, описаного навколо полігона, центр еліпса, найближчого за формою до полігона, тощо. Це визначення може також використовуватися для складних ліній.

Визначення центроїда багато в чому залежить від моделі даних, яка використовується. Так, наприклад, растрові моделі недостатньо пристосовані для визначення центроїда полігона. У багатьох випадках навіть і векторні моделі не мають відповідної функції для його створення.

174

Прості, або географічні, центроїди у векторній моделі обчислюються за правилом чотирикутника, який поділяє багатокутник на декілька чотирикутників, що накладаються один на одний. Центри кожного чотирикутника обчислюються як місце перетину діагоналей, а потім обчислюється їх зважене середнє (рис. 4.14).

Рис. 4.14. Визначення центроїда полігона

Вузли. Вузли – це атрибут топологічної структури тільки векторних систем. Таке поняття не існує взагалі у растрових ГІС. За вузлами здійснюється розрахунок довжин відрізків річкової та дорожньої мережі тощо.

Вузли є тим найважливішим елементом, який безпосередньо відображає взаємозв’язки об’єктів. У цьому випадку точки, зображені на електронній карті, містять інформацію не тільки про місце розташування, але й про топологічну структуру лінійного або полігонального покриття. Саме вони можуть дати відповідь на те, чи перетинаються два транспортних маршрути, чи ні. Вузли кодуються в процесі цифрування і повинні легко відокремлюватися або ідентифікуватися звичайними процедурами пошуку ГІС, які підтримують топологічну структуру даних.

Складність виникає тільки тоді, коли вузол помилково закодовано як звичайну формоутворюючу точку. Це ще одна ілюстрація важливості ретельної організації даних [15].

Сукупність точкових об’єктів. Сукупність точкових об’єктів як елементів аналізу часто набуває самостійного значення. Велика щільність точок, яку б подію вони не відображали, завжди відрізняє утворювану ними область від навколишніх, що містять меншу кількість точок. Наприклад, на деяких площах сільськогосподарських угідь може бути виявлена значно більша кількість бур’янів або чагарників, що робить їх відмінними від інших. Залишається тільки визначити причину відмінностей: порушення рівноваги, дефіцит пестицидів або властивості місцевого ґрунту або особливостей його обробки тощо.

Інші характеристики розподілу точкових об’єктів, такі, як рівномірність або випадковість, також можуть використовуватися для визначення

175

площ як специфічних співтовариств або площ, що мають загальні закономірності розподілів (рис. 4.15).

Рис. 4.15. Сукупність, утворена на основі щільності точкових об’єктів

Такий засіб визначення площ не вкладено безпосередньо в інструментарій більшості ГІС, але шляхи його реалізації є як у растрових, так і у векторних системах.

Лінійні об’єкти "високого рівня". Деякі типи ліній мають особли-

ве значення і тому, мабуть, виправдовують свою назву об’єктів високого рівня. До таких типів можна віднести, наприклад, такі лінійні утворення, як кордони (межі), маршрути та мережі.

Перший тип виникає у топологічних структурах під час встановлення відношень між атрибутами ліній і полігонів, які до них прилягають. Ці лінії називаються кордонами або межами (залежно від державного статусу територій, які вони розділяють), при перетинанні яких припускається значна зміна одного або багатьох атрибутів місцевості. Іншими словами, важливість лінійних об’єктів високого рівня зумовлена функцією поділу властивостей територій, що до них прилягають.

Прикладом лінійних об’єктів "високого рівня", може слугувати державний кордон між Білоруссю й Україною на карті адміністративнотериторіального устрою (рис. 4.16).

Лінія "високого призначення" – кордон, дає можливість відносити всі галузі та райони, що розташовані північніше від неї, до Білорусі, а розташовані південніше – до України.

Якщо ця лінія не має зазначених атрибутів, як це відбувається в нетопологічних системах, то доводиться вживати спеціальні заходи для поділу об’єктів за принципом приналежності до держави (створювати окремі полігональні об’єкти в межах країни та проводити вибір у межах площі замість того, щоб просто користуватися лінією кордону).

176

Лінії можуть також ставати об’єктами "високого рівня", коли вони пов’язані одна з одною певними відношеннями. В таких випадках це не просто зображення лінійних об’єктів або меж між полігонами, а особливі структури, які разом із вузлами утворюють маршрути (routs) і мережі

(network).

Рис. 4.16. Карта адміністративно-територіального устрою України

Мережі – набір сполучених лінійних об’єктів, уздовж яких можливе прямування від одного вузла до іншого.

Мережі дозволяють моделювати різні потоки: прямування автомобілів і поїздів, транспортування вантажів, перекачування нафти, газу, води, і навіть міграції тварин міграційними коридорами. У всіх цих випадках потрібно виконувати аналітичні операції з об’єктами мереж. Тому лінії повинні мати спеціальні атрибути, необхідні для аналізу потоків, наприклад, обмеження швидкості.

Растрові ГІС не підходять для роботи з мережами, бо у них немає засобів явного визначення мереж [15].

Мережі або їх частини бувають:

•прямолінійні, як автомагістраль (рис. 4.17 а);

•деревоподібні, як річкова мережа (рис. 4.17 б);

•контури, як комбінація вулиць (рис. 4.17 в).

177

а)

б)

в)

Рис. 4.17. Види мереж:

а – прямолінійні; б – деревоподібні; в – контури

Мережі можуть мати або не мати фіксований напрямок, тобто бути спрямованими чи неспрямованими. Наприклад, річки за нормальних обставин, мають тільки один напрям течії – униз по схилу. Аналогічно, на вулицях з одностороннім рухом дозволено просування тільки в одному з напрямків. У випадку, якщо один відрізок мережі перетинається з іншим, можлива зміна напрямку руху або заборона повороту в одному чи декількох напрямках. У неспрямованих мережах потік може рухатися у будь-якому напрямку [24]. Оскільки мережі можуть моделювати напрямок потоку, можливість переходу з відрізку на відрізок, опір руху чи його заборону, дозволену швидкість тощо, то всі ці параметри потрібно закодувати в таблиці властивостей мережі.

Варто зазначити, що всі сучасні професійні векторні ГІС або їх додатки дозволяють введення таких атрибутів і відповідне моделювання.

Відсутність можливості такого моделювання істотно обмежує діапазон виконуваних аналітичних функцій такої ГІС, тому при придбанні ГІС необхідно це враховувати.

Сукупність лінійних об’єктів "високого рівня". Подібно точко-

вим, лінійні об’єкти "високого рівня" також можуть утворювати сукупності. Наприклад, можна об’єднати площі з високою щільністю дорожньої мережі або території з невеликою кількістю огорож.

Можна також визначати сукупність за ознакою подібної просторової протяжності лінійних об’єктів або за такими характеристикам розподілу об’єктів, як регулярність або випадковість. Більшість ГІС не мають спеціальних алгоритмів для реалізації зазначених функцій.

Для їх застосування доводиться використовувати додаткові спеціальні програми, засоби розширення або модифікувати ГІС за допомогою внутрішньої макромови [24].

178

Рис. 4.18. Карта ґрунтів Чернігівської області

Полігональні об’єкти "високого рівня". Як точки і лінії, полігони також можуть бути об’єктами "високого рівня". Самі полігони можуть використовуватися для визначення регіонів – ділянок земної поверхні, які мають визначену єдність географічних характеристик. Наприклад, політичні регіони визначаються національними кордонами, етнічні – походженням населення, біогеографічні – схожістю рис організмів. У ГІС виділення цих регіонів може ґрунтуватися на атрибутах, які визначають кожний полігон або набір полігонів. Наприклад, можна визначити регіон, відібравши всі полігони, у яких головним рослинним компонентом є ліс. Це дасть можливість виділити "лісовий регіон", або визначити регіони з однаковими типами ґрунтів (рис. 4.18).

Перед пошуком регіонів треба заздалегідь визначитись, які саме регіони потрібні користувачу, і як вони повинні визначатися. Створення регіонів – справа складна, тому існує велика ймовірність, що вибір наявних полігонів або ділянок растру не буде достатнім для їх визначення.

179

Найчастіше доводиться об’єднувати набори атрибутів з декількох різних покриттів. Можливість визначення регіонів на основі великої розмаїтості характеристик є однією з "найкорисніших" функцій ГІС. У деяких випадках регіони можуть створюватись як полігони, що містять не просто однакові атрибути, а й схожі комбінації різних атрибутів [15].

Регіони відрізняються не тільки атрибутами, але й своєю конфігурацією в просторі. Розрізнюють три основних види регіонів (рис. 4.19) [15]:

•суцільні;

•фрагментовані;

•перфоровані.

а		б		в

Рис. 4.19. Види регіонів:

а – суцільний; б – фрагментований; в – перфорований

Суцільний регіон утворює одну область. При цьому атрибути полігонів, що дозволяють його створити, можуть бути як однаковими (гомогенний регіон), так і різними (гетерогенний регіон).

Фрагментований регіон (гомогенний або гетерогенний) складається

здвох або більше полігональних фігур, розділених ділянками, які не відносяться до цього регіону. Наприклад, лісовий регіон може виглядати як певна множина розкиданих по карті полігонів, що мають при цьому єдиний набір дерев визначеного типу. Для фрагментованих регіонів немає обмежень щодо відстані між полігонами, які їх утворюють, за умови збереження подібності атрибутів.

Перфорований регіон, на відміну від фрагментованого, не складається

зокремих полігонів, а виключає деякі з них. Тобто такий регіон є суцільною областю, з якої виключені внутрішні полігони, так звані отвори або острови. Цікаво, що між перфорованими та фрагментованими регіонами можна легко встановити зв’язок. Завдяки цьому полігони, розташовані всередині перфорованого регіону, можна об’єднати в єдиний регіон, але вже фрагментований, за ознакою подібності, а інколи й неподібності атрибутів.

Усі розглянуті об’єкти (як прості, так і високого порядку) ГІС повинні розпізнавати автоматично. Кожен з них повинен мати можливість

180