Топологические модели и их использование в ГИС

большое количество графических данных в ГИС со специфическими взаимными связями требует топологического описания объектов и групп объектов, которое зависит от "связанности" (простой или сложной). Оно определяет совокупность топологических моделей.

Напомним, что топологические свойства фигур не изменяются при любых деформациях, производимых без разрывов или соединений. На рис. 4.8 представлены топологически родственные фигуры: прямоуголь­ный четырехугольник, замкнутый контур произвольной формы, окруж­ность, треугольник. Эти объекты (фигуры) имеют одинаковую тополо­гию - одинаковые топологические свойства. Другим примером топо­логически родственных фигур могут служить арифметические знаки сложения "+" и умножения "х".

Рис. 4.8. Топологически родственные фигуры

В геоинформационных системах применение термина топологичес­кий не такое строгое, как в топологии. В ГИС топологическая модель определяется наличием и хранением совокупностей взаимосвязей, та­ких, как соединенность дуг на пересечениях, упорядоченный набор звень­ев (цепей), образующих границу каждого полигона, взаимосвязи смеж­ности между ареалами и т.п.

В общем смысле слово топологический означает, что в модели объек­та хранятся взаимосвязи, которые расширяют использование данных ГИС для различных видов пространственного анализа.

Топологическими характеристиками графические модели ГИС су­щественно отличаются от моделей САПР. Соответственно это различие просматривается в программно-технологическом обеспечении этих си­стем.

Например, вплоть до настоящего времени много разработок ГИС выполняется с использованием средств Автокада, версий от 10 до 13. Однако в нем не предусмотрены ни работа с покрытиями, ни оверлей­ные процедуры, ни обработка топологических данных. Принципиально такие операции в системах CAD (Computer-Aided Desing) возможны, но путем доработки программного обеспечения, что требует достаточно высокой квалификации пользователя и, естественно, ограничивает их круг.

В системах ГИС названные выше процедуры являются встроенны­ми и делают доступным анализ картографической информации широ­кому кругу пользователей без всякой доработки.

Элементы топологии, входящие в описание моделей данных ГИС, в простейшем случае определяются связями между элементами основных типов координатных данных. Например, в логическую структуру ("ло­гическая запись" см. раза. 3) описания данных могут входить указания о том, какие линии входят в район, в каких точках эти линии пересекаются.

Топологические модели позволяют представлять элементы карты и всю карту в целом в виде графов. Площади, линии и точки описываются границами и узлами (дуговая/узловая структура). Каждая граница идет от начального к конечному узлу, и известно, какие площади находятся слева и справа.

Теоретической основой моделей служат алгебраическая топология и теория графов. В соответствии с алгебраической топологией коорди­натные типы данных: площади, линии и точки называются 2-ячейками, 1-ячейками и 0-ячейками соответственно. Карта рассматривается как ориентированный двухмерный ячеечный комплекс.
Двойственность между теорией графов и алгебраической топологи­ей позволяет применять теоретические положения графов, а также то­пологический подход.
Топологическое векторное представление данных отличается от не­топологического наличием возможности получения исчерпывающего списка взаимоотношений между связанными геометрическими прими­тивами без изменения хранимых координат пространственных объектов.Необходимая процедура при работе с топологической моделью -подготовка геометрических данных для построения топологии. Этот процесс не может быть полностью автоматизирован уже на данных сред­ней сложности и реализуется только при дополнительных затратах тру­да (обычно значительных). Таким образом, данные, хранимые в систе­ме, не предусматривающей поддержки топологии, не могут быть надежно преобразованы в топологические данные другой системы чисто автома­тическим алгоритмом.Топологические характеристики должны вычисляться в ходе коли­чественных преобразований моделей объектов ГИС, а затем храниться в базе данных совместно с координатными данными.

^ Основные топологические характеристики моделей ГИС. Топо­логические модели в ГИС задаются совокупностью следующих харак­теристик:

• связанность векторов - контуры, дороги и прочие векторы должны храниться не как независимые наборы точек, а как взаимосвязанные друг с другом объекты;

• связанность и примыкание районов - информация о взаимном рас­положении районов и об узлах пересечения районов (рис. 4.9, в);

• пересечение - информация о типах пересечений позволяет вос­производить мосты и дорожные пересечения (рис. 4.9, а). Так Т-образ-ное пересечение (3 линии) является трехвалентным, а Х-образное (4 линии сходятся в точке пересечения) называют четырехвалентным;

• близость - показатель пространственной близости линейных или ареальных объектов (рис. 4.9, б), оценивается числовым параметром, в данном случае символом S.

Топологические характеристики линейных объектов могут быть представлены визуально с помощью связанных графов. Граф сохраняет структуру модели со всеми узлами и пересечениями. Он напоминает карту с искаженным масштабом. Примером такого графа может служить схема метрополитена. Разница между картой метро и схемой метро по­казывает разницу между картой и графом.

Узлы графа, описывающего картографическую модель, соответству­ют пересечениям дорог, местам смыкания дорог с мостами и т.п. Ребра такого графа описывают участки дорог и соединяющие их объекты. В отличие от классической сетевой модели в данной модели длина ребер может не нести информативной нагрузки.

Рис. 4.9. Основные топологические свойства моделей ГИС: a – пересечение; б – близость; в - связанность Топологические характеристики ареальных объектов могут быть представлены с помощью графов покрытия и смежности. Граф покры­тия топологически гомоморфен контурной карте соответствующих районов. Ребра такого графа описывают границы между районами, а его узлы (вершины) представляют точки смыкания районов. Степень вер­шины такого графа - это число районов, которые в ней смыкаются. Граф смежности это как бы вывернутый наизнанку граф покрытия. В нем рай­оны изображаются узлами (вершинами), а пара смыкающихся районов - ребрами. На основе такого графа ГИС может выдать ответ на вопрос, является ли проходимой рассматриваемая территория, разделенная на проходимые или непроходимые участки.

Топологические характеристики сопровождаются позиционной и описательной информацией. Вершина графа покрытия может быть дополнена координатными точками, в которых смыкаются соответствую­щие районы, а ребрам приписывают левосторонние и правосторонние идентификаторы.

После введения точечных объектов при построении линейных и площадных объектов необходимо "создать" топологию. Эти процессы включают вычисление и кодирование связей между точками, линиями и ареалами.

Пересечения и связи имеют векторное представление. Топологичес­кие характеристики заносятся при кодировании данных в виде дополни­тельных атрибутов. Этот процесс осуществляется автоматически во мно­гих ГИС в ходе дигитализации (картографических или фотограмметри­ческих) данных,

Объекты связаны множеством отношений между собой. Это опре­деляет эффективность применения реляционных моделей и баз данных, в основе которых используется понятие отношения. В свою оче­редь, отношения задают множества связей. Простейшие примеры таких связей: "ближайший к...", "пересекает", "соединен с...".

Каждому объекту можно присвоить признак, который представляет собой идентификатор ближайшего к нему объекта того же класса; таким образом кодируются связи между парами объектов.

В ГИС часто кодируются два особых типа связей: связи в сетях и связи между полигонами.

Топологические сети состоят из объектов двух типов: линий (звенья, грани, ребра, дуги) и узлов (вершины, пересечения, соединения).

Простейший способ кодирования связей между звеньями и узлами зак­лючается в присвоении каждому звену двух дополнительных атрибутов -идентификаторов узлов на каждом конце (входной узел и выходной узел).

В этом случае при кодировании геометрических данных будут иметь место два типа записей:

1) координаты дуг: (х1,y1), (х2,у2),..., (хn,yn);

2) атрибуты дуг; входной узел, выходной узел, длина, описательные характеристики.

Такая структура позволяет, перемещаясь от звена к звену, опреде­лять те из них, у которых перекрываются номера узлов.

Более сложная, но и более совершенная структура имеет список всех звеньев для каждого узла. Это может быть выполнено добавлением к первым двум записи третьего типа;

3) узел: (х, у), смежные дуги (со знаком "+" для входного угла и со знаком "-" - для выходного).

Чтобы избежать неудобств, связанных с хранением неодинакового количества идентификаторов дуг, используют два отдельных файла:

1) простой упорядоченный список, в котором файл узлов сжат до ряда идентификаторов дуг;

2) таблицу, в которой для каждого узла хранится информация о по­ложении первой дуги списка.

Используемое в настоящее время математическое обеспечение ГИС почти исключительно основано на топологических моделях, дающих хорошее формализованное представление о пространственных соотно­шениях между основными объектами карты. Однако, если требуется установить более сложные соотношения, например включение или по­рядок, нужны дополнительные средства.