Outdated version of the documentation. Find the latest one here.

Векторные данные

gentlelogo

Цель:

Ознакомиться с моделями векторных данных, используемыми в ГИС.

Основные понятия:

вектор, точка, полилиния, полигон, вершина, геометрия, масштаб, качество данных, символика, источник данных

Обзор

Векторные данные используются для отображения объектов реального мира в ГИС. Объектом является всё, что мы видим вокруг. Представьте себе, что вы стоите на вершине холма. Глядя вниз вы можете видеть дома, дороги, деревья, реки и многое другое (см. рисунок figure_landscape). Каждый из этих элементов может быть представлен в виде объекта в ГИС-приложении. Векторные объекты характеризуются атрибутами, которые состоят из текстовой и числовой информации, описывающей объект.

Figure Landscape 1:

../../_images/landscape.jpg

Глядя на ландшафт, мы можем выделить основные объекты, например дороги, дома и деревья.

Вид векторных объектов определяется их геометрией. Геометрия состоит из одной или нескольких соединённых между собой вершин или узлов. Каждая вершина описывает положение в пространстве с использованием координат X, Y и опционально Z. Геометрии с координатой Z часто называют 2.5D-геометриями, так как они описывают высоту или глубину каждого объекта, но не оба эти измерения.

Когда геометрия объекта состоит из одного узла, это точечный объект (см. рисунок figure_geometry_point). Когда геометрия состоит из двух и более узлов, причем первый и последний узел не совпадают, это линейный объект (см. рисунок figure_geometry_polyline). Если объект образован тремя или более узлами, причем первый и последний узел совпадают, то это полигональный объект (см. рисунок figure_geometry_polygon).

Figure Vector Geometries 1:

../../_images/point_feature.png

Точечный объект описывается координатами X, Y и, опционально, Z. Атрибуты точки описывают её, например, что это дерево или фонарный столб.

Figure Vector Geometries 2:

../../_images/polyline_feature.png

Полилиния это последовательность соединённых узлов. Каждый узел имеет координаты X, Y (и, опционально, Z). Описывают полилинию её атрибуты.

Figure Vector Geometries 3:

../../_images/polygon_feature.png

Полигон, как и полилиния, явялется последовательностью узлов. Однако, в полигоне первый и последний узел всегда совпадают.

Возвращаясь к рисунку ландшафта, показаному выше, вы теперь должны суметь распознать на нем различные типы геометрий, используемых в ГИС (см. рисунок figure_geometry_landscape).

Figure Landscape 2:

../../_images/landscape_geometry.jpg

Объекты ландшафта и их представление в ГИС. Реки (голубые) и дороги (зелёные) представляются линиями, деревья — точками (красными) и дома — полигонами (белыми).

Точечные объекты в деталях

Первое, что необходимо понять, когда речь идет о точечных объектах, что, их использование зависит от масштаба. Рассмотрим это на примере городов. Если у нас есть мелкомасштабная карта (которая охватывает большую область), города лучше обозначать точками. Однако, при увеличении карты и переходе к более крупным масштабам, границы городов лучше отображать как полиногы.

Выбор точек для представления объектов реального мира зависит от используемого масштаба (как далеко вы находитесь от объекта), удобства (создание точечных объектов занимает меньше времени) и типа объектов (некоторые вещи, например телефонные будки, нет смысла хранить в виде полигонов).

Как было показано на рисунке figure_geometry_point, точечный объект имеет координаты X, Y, и опционально Z. Координаты X и Y зависят от используемой системы координат (Coordinate Reference System, CRS). Системы координат будут рассмотрены немного позже. Сейчас для простоты будем считать, что система координат это способ точно указать где именно находится объект на поверхности земли. Одной из наиболее распространенных систем координат является широта-долгота. Линии долготы идут от Северного полюса к Южному. Линии широты идут с Востока на Запад. Вы можете точно описать свое местонахождение, сообщив кому-либо свою долготу (X) и широту (Y). Если сделать такие же измерения для дерева или телефонной будки, а затем отметить их на карте, вы получите точечный объект.

Так как мы знаем, что Земля не плоская, полезно добавлять к точкам и координату Z. Она описывает высоту объекта над уровнем моря.

Полилинии в деталях

Точечный объект это один узел, полилиния же состоит из двух и более узлов. Полилиния это путь, проходящий через каждый узел, как показано на рисунке figure_geometry_polyline. Когда соединяется два узла, создаётся линия. При соединении нескольких таких линий, они образуют «линию линий» или полилинию.

Полилинии используются для отображения линейных объектов, таких как дороги, реки, горизонтали, тропинки, авиамаршруты и т.д. Иногда к полилиниям предъявляются дополнительные требования помимо основных требований к геометрии. Так, горизонтали могут соприкасаться (например, на скалах) но не должны пересекаться. Аналогично полилинии, используемые для хранения дорожной сети, должны быть соединены на перекрестках. В некоторых ГИС-приложениях вы можете задавать такие специальные правила для объектов и ГИС будет следить за тем, чтобы полилинии соответствовали им.

Если узлы изогнутой полилинии находятся на большом расстоянии друг от друга, она может выглядеть зубчатой или неровной в зависимости от масштаба (см. рисунок figure_polyline_jagged). Поэтому важно выполнять оцифровку полилиний с расстоянием между узлами, которое будет достаточным для масштаба, в котором данные будут использоваться.

Figure Polyline 1:

../../_images/jagged_polyline.png

Полилинии на мелких масштабах (1:20000 слева) выглядят сглаженными. При увеличении масштаба (1:500 справа) они становятся ломаными.

Атрибуты полилинии описывают её свойства или характеристики. Например, полилиния дороги может иметь атрибуты, описывающие тип поверхности, количество полос и направления движения и т.д. ГИС могут использовать эти атрибуты для отображения полилинии подходящим цветом или стилем.

Полигоны в деталях

Полигональные объекты это замкнутые области такие как плотины, острова, границы стран и подобные. Как и полилинии, полигональные объекты создаются из ряда узлов, соединенных линией. Однако, так как полигон всегда описывает замкнутую область, первый и последний узел всегда должны совпадать! Полигоны часто имеют общую геометрию — границы, общие для нескольких соседних полигонов. Многие ГИС-приложения могут следить за тем, чтобы границы смежных полигонов совпадали. Более подробно это рассматривается в разделе Топология этого руководства.

Как точки и полилинии, полигоны имеют атрибуты. Атрибуты описывают каждый полигон. Например, плотина может иметь атрибуты со значениями глубины и качества воды.

Векторные данные в слоях

Мы разобрались что из себя представляют векторные данные, теперь посмотрим как они используются в ГИС. Большинство ГИС-приложений группирует векторные объекты в слои. Объекты в слое имеют одинаковый тип геометрии (например, все они являются точками) и общий набор атрибутов (например, название вида растения для слоя деревьев). Допустим, вы записали расположение всех пешеходных дорожек в вашей школе, все они будут храниться на жеском диске компьютера и отображаться в ГИС как один слой. Это очень удобно, т.к. позволяет показать или скрыть объекты этого слоя одним щелчком мыши.

Редактирование векторных данных

ГИС-приложения позволяют создавать и редактировать геометрии объектов слоя — этот процесс называется оцифровка и будет подробно рассмотрен позже. Если слой содержит полигоны (например, здания), ГИС-приложение позволит вам создать новые полигоны в этом слое. Аналогично, если вы захотите изменить форму объекта, приложение разрешить сделать это только в том случае, если измененная геометрия будет оставаться корректной. К примеру, вы не сможете отредактировать линию так, чтобы она состояла только из одного узла — вспомните предыдущий материал: линия должна иметь как миниму два узла.

Создание и редактирование векторных данных является важной функцией ГИС, т.к. это один из основных способов получить необходимые данные. Например, вы занимаетесь мониторингом загрязнений в речке. Вы можете использовать ГИС для оцифровки всех стоков ливневых вод (в виде точечного слоя). Также вы можете оцифровать саму речку (как линейный объект). И, наконец, можно снять показания уровня кислотности (pH) вдоль реки и нанести эти места на карту (тоже в виде точечного слоя).

Помимо создания собственных данных можно использовать существующие свободные векторные данные. Так, вы можете получить данные, используемые на картах масштаба 1:50000 в Управлении геодезии и картографии.

Масштаб и векторные данные

Масштаб является важной характеристикой векторных данных при работе в ГИС. Данные обычно получают либо путем оцифровки существующих карт, либо обработкой данных от устройств системы глобального позиционирования. Карты имеют различные масштабы, поэтому при переносе векторных данных с карты в ГИС (например, путем оцифровки бумажной карты), цифровые данные будут иметь тот же масштаб, что и исходная карта. Этот эффект демонстрируется на рисунках figure_vector_small_scale и figure_vector_large_scale. Выбор неправильного масштаба может стать источником многих проблем. Например, при использованиии векторных данных, показанных на рисунке figure_vector_small_scale, в планировании мероприятий по охране водно-болотных угодий может привести к тому, что важные части болот просто не будут учтены! С другой стороны, если вы создаёте карту региона, использование данных оцифрованных в масштабе1:1000 000 будет разумным и поможет сэкономить время и силы при оцифровке.

Figure Vector Scale 1:

../../_images/small_scale.png

Векторные данные (красные линии), оцифрованные с мелкомасштабной (1:1000000) карты.

Figure Vector Scale 2:

../../_images/large_scale.png

Векторные данные (зелёные линии), оцифрованные с крупномасштабной (1:50000) карты.

Символика

При добавлении векторных слоёв в ГИС они будут отображены базовыми символами со случайной расцветкой. Одно из преимуществе ГИС состоит в том, что вы легко можете создавать персонализованные карты. ГИС позволяет задать цвета, наилучшим образом отвечающие типу объектов (например, можно отображать водные объекты голубым цветом). Кроме того, ГИС позволяет задавать условные знаки. Так, если у вас есть точечный слой с информацией о деревьях, положение каждого дерева можно обозначить значком дерева, вместо стандартного кружка, который используется ГИС при первом открытии слоя (см. рисунки figure_vector_symbology, figure_generic_symbology и figure_custom_symbology).

Figure Vector Symbology 1:

../../_images/symbology_settings.png

В ГИС можно использовать диалог (похожий на приведенный здесь) для настройки отображения вашего слоя.

Figure Vector Symbology 2:

../../_images/symbology_generic.png

Когда слой (например, слой деревьев) загружается первый раз, ГИС отображает его обычным знаком.

Figure Vector Symbology 3:

../../_images/symbology_custom.png

После настройки отображения понять, что слой представляет деревья, намного легче.

Символика это удобный инструмент, делающий карты наглядными и упрощающий работу с ГИС-данными. В следующих главах ((Атрибуты векторных данных) мы более подробно рассмотрим как символика может помочь в понимании ГИС-данных.

Что можно делать в векторными данными в ГИС?

В самом простом случае использовать векторные данные в ГИС можно точно так же, как и обычную топографическую карту. Настоящая сила ГИС проявляется когда нам потребуется получить ответы на вопросы вида: «какие дома попадали в зону затопления на протяжении 100 лет?», «где разместить больницу, чтобы она была доступна наибольшему числу пациентов?», «кто из учащихся проживает в заданном районе?». ГИС является отличным инструментом для получения ответов на подобные вопросы при помощи векторных данных. Обычно процесс получения ответов на такие вопросы называют пространственным анализом. В последующих разделах он будет рассмотрен подробнее.

Проблемы векторных данных

При работе с векторными данными могут возникать некоторые проблемы. Мы уже упоминали о проблемах, связаных с оцифровкой данных в различных масштабах. Кроме того, векторные данные требуют обслуживания и доработки, чтобы быть уверенными в их точности и надежности. Неточные векторные данные могут быть получены при использовании неправильно настроенных инструментов оцифровки; когда люди, выполняющие оцифровку, недостаточно аккуратны; когда на процесс сбора и подготовки данных выделено недостаточно средств и т.д.

Если ваши векторные данные низкого качества, это часто заметно при просмотре данных в ГИС. Например, «щели» могут возникать в случае, если ребра двух соседних полигонов не соприкасаются (см. figure_vector_slivers).

Figure Vector Issues 1:

../../_images/vector_slivers.png

Щели возникают, когда вершины двух полигонов на общих границах не совпадают. На мелких масштабах (например, 1 слева) вы можете не заметить ошибок. На крупных масштабах щели выглядят как белые полосы между полигонами (2 справа).

Перехлест возникает когда линейный объект, такой как дорога, не оканчивается точно в месте пересечения с другой дорогой. Недовод возникает когда линейный объект (например, река) не соприкасается с другим объектом, к которому он должен быть присоединен. Рисунок figure_vector_overshoots демонстрирует перехлесты и недоводы.

Figure Vector Issues 2:

../../_images/vector_overshoots.png

Недоводы (1) возникают при оцифровке линий, которые должны быть соединены, но не смотря на это не соприкасаются. Перехлесты (2) возникают когда линия пересекает другую линию, с которой она должна была быть соединена.

Чтобы подобные ошибки не возникали, важно выполнять оцифровку данных очень внимательно и аккуратно. В разделе, посвященном топологии, мы рассмотрим некоторые из этих ошибок более подробно.

Что мы узнали?

Подведём итоги:

  • Векторные данные использутся для отображения объектов реального мира в ГИС.

  • Векторные объекты имеют геометрию одного из типов: точка, линия или полигон.

  • Каждый объект имеет атрибуты, описывающие его.

  • Геометрия объекта состоит из набора узлов.

  • Точечная геометрия состоит из одного узла (X, Y и, необязательно, Z).

  • Линейная геометрия состоит из двух и более узлов, формирующих линию.

  • Полональная геометрия состоит как минимум из четырёх узлов, описывающих замкнутую область. Первый и последний узел всегда одинаковы.

  • Выбор того или иного типа геомерии зависит от масштаба, удобства и целей использования данных в ГИС.

  • Большинство ГИС-приложений не позволяют хранить различные типы геометрий в одном слое.

  • Оцифровка это процесс создания цифровых векторных данных, путем их рисования в ГИС.

  • Векторные данные могут иметь проблемы с качеством, такие как перехлесты, недоводы и щели, о которых необходимо помнить.

  • Векторые данные могут использоваться для пространственного анализа в ГИС, например, для поиска ближашей больницы или школы.

Концепция векторных данных показана на рисунке figure_vector_summary.

Figure Vector Summary 1:

../../_images/vector_summary.png

Эта диаграмма показывает, как ГИС-приложение работает с векторными данными.

Попробуйте сами!

Вот некоторые идеи для заданий:

  • Используя топографическую карту района (похожий на рисунок figure_sample_map), проверьте, что учащиеся могут идентифицировать различные типы векторных данных.

  • Подумайте, как вы будете создавать векторные объекты, соответвствующие объектам школьного двора, в ГИС. Создайте таблицу различных объектов, расположенных вокруг школы и попросите учащихся определить какой тип геометрии лучше всего использовать для этих объектов в ГИС. В качестве примера используйте таблицу table_vector_1.

Figure Sample Map 1:

../../_images/sample_map.png

Можете ли вы идентифицировать два точечных и один полигональный объект на этой карте?

Реальный объект

Подходящий тип геометрии

Флагшток

 

Футбольное поле

 

Тропинки вокруг школы

 

Места расположения кранов

 

И т.д.

 

Table Vector 1: Создайте аналогичную таблицу (оставив поле с типом геометрии пустым) и попросите учащихся определить подходящий тип геометрии.

Стоит учесть

Если у вас нет компьютера, можно использовать топографическую карту и прозрачную пленку, чтобы рассказать о векторных данных.

Дополнительная литература

Подробную информацию о работе с векторными данными в QGIS можно найти в Руководстве пользователя QGIS.

Что дальше?

В следующем разделе мы познакомимся с атрибутивными данными и узнаем как использовать их для описания векторных объектов.