Классы пространственных объектов. Основные понятия

Классы пространственных объектов - это однородные коллекции похожих объектов, пространственные представления которых являются одинаковыми (например, точки, линии или полигоны). Также одинаков у них и набор столбцов атрибутов. Например, класс линейных пространственных объектов может использоваться для отображения осевых линий дорог. Четыре основных типа классов пространственных данных – это точки, линии, полигоны и аннотации (термин, обозначающий текст на картах).

На рисунке ниже они используются для обозначения четырех наборов данных для одной и той же области:

• Канализационные люки в виде точек
• Коллекторы
• Полигоны участков
• Аннотация названий улиц

На этой схеме вы также можете увидеть возможную необходимость моделирования некоторых дополнительных свойств объектов. Например, линии канализационных труб и местоположения люков составляют сеть коллектора ливневой канализации, т.е. систему, с помощью которой можно моделировать объем стока и потоки. Также следует отметить, как соседние участки используют общие границы. Большинство пользователей стараются поддерживать целостность общих границ объектов в этих наборах данных, используя топологию.

Как упомянуто выше, часто пользователи имеют потребность моделировать такие пространственные отношения и поведения в своих географических наборах данных. В этих случаях, можно расширить основную функциональность классов пространственных данных, добавляя ряд продвинутых элементов базы геоданных, таких как топология, наборы сетевых данных и terrain.

Типы классов пространственных объектов

Векторные объекты (географические объекты с векторной геометрией) разносторонние и являются часто используемыми географическими типами данных, хорошо подходящими для представления объектов с дискретными границами, например улицы, административные границы и земельные участки. Пространственный объект – это объект, который хранит свое географическое представление, представленное обычно в виде точки, линии или полигона, в качестве одного из свойств (полей) в строке. В ArcGIS классы пространственных данных – однотипные совокупности объектов с общим пространственным представлением и набором атрибутов, хранящиеся в таблице базы данных, например, класс линейных объектов, представляющий осевые линии дорог.

Примечание:

При создании класса пространственных объектов вам понадобится задать тип пространственных объектов для класса (точечный, многоточечный, полилинейный или мультипатч).

Как правило, классы пространственных объектов являются тематическими наборами точек, линий или полигонов, но в действительности существует несколько типов классов пространственных объектов. Первые три поддерживаются в базах данных и базах геоданных. Остальные четыре поддерживаются только в базах геоданных.

• Точки являются пространственными объектами, которые слишком малы, чтобы обозначать их линиями или полигонами, а также представляют точечные местоположения (подобные точкам съемки GPS).
• Линии - геометрически отображают расположение таких географических объектов, как осевые линии дорог или ручьи, слишком узких, чтобы их можно было показать полигонами. Линии также используются для представления объектов, имеющих длину и не имеющих площади, например, изолиний и границ.
• Полигоны - набор многосторонних площадных объектов, представляющих форму и местоположение однородных типов пространственных объектов, таких как административные районы, округа, участки земли, типы почвы и зоны землепользования.
• Аннотация - текст карты, в том числе свойства отображения текста. Например, помимо текстовой строки каждой аннотации, там хранятся и другие свойства, такие как точки фигуры для размещения текста, его шрифт и размер в точках, а также другие свойства отображения. Аннотация может также быть связанной с надписываемыми объектами и может содержать подклассы.
• Измерения - особый тип аннотаций, которые отображают длины и расстояния, например, длины сторон контуров зданий или земельных участков либо расстояния между двумя объектами. Размеры чаще всего используются для дизайнерских и инженерных задач в ГИС.

  

• Мультиточки - объекты, состоящие из нескольких точек. Мультиточки часто используются для управления массивами очень больших совокупностей точек, таких как, например, кластеры точек LiDAR, которые могут содержать миллиарды пунктов. Использование одной записи для такой точечной геометрии недопустимо. Объединение таких данных в группы записей объектов-мультиточек предоставляет возможность базе геоданных управлять массивными наборами точек.

  

• Мультипатч - трехмерная геометрия, используемая для отображения внешней поверхности или оболочки объектов, которые занимают определенный объем в трехмерном пространстве. Мультипатчи состоят из плоских 3D колец и треугольников, используемых в различных сочетаниях, для моделирования трехмерной оболочки. Вы можете использовать мультипатчи для показа чего угодно - от таких простых объектов, как сферы и кубы, до таких сложных объектов, как уровневые поверхности и здания.

  

• 3D-объект - 3D-геометрия, предназначенная для углубленной поддержки 3D-формата, например, материалов оболочки элементов, которые занимают определенный объем в трехмерном пространстве. Вы можете использовать 3D-объекты для высокодетального отображения материалов, поддерживающего такие эффекты, как блеск и шероховатость. Вы можете использовать их для простых объектов, таких как сферы и кубы, а также сложных структур, например, изо-поверхностей и строительных материалов. В 3D-объектах используются расширенные связанные таблицы для хранения нескольких компонентов материалов. Эти таблицы вместе с плоскими трехмерными кольцами и треугольниками используются для моделирования трехмерной оболочки.

Геометрия и координаты пространственных объектов

Классы пространственных объектов содержат как геометрические формы каждого объекта, так и их описательные атрибуты. Геометрию каждого объекта определяет, прежде всего, тип объекта (точка, линия, или полигон). Однако также могут быть определены и дополнительные геометрические свойства. Например, объекты могут быть одночастные и составные, могут иметь 3D вершины, измерения в линейных системах координат (m-значения), а также могут содержать параметрические кривые. Этот раздел дает краткий обзор этих возможностей.

Одночастные и составные линии и полигоны

Линейные и полигональные классы пространственных объектов могут состоять из одной или нескольких частей. Например, одна административная единица может состоять из многих частей (Гавайские острова), но при этом являться одним пространственным объектом – штатом Гавайи.

Вершины, сегменты, высоты и измерения

Геометрия объектов составлена, прежде всего, из координатных вершин. Сегменты в линиях и полигонах охватывают вершины. Сегменты могут быть представлены прямыми линиями или параметрическими кривыми. Вершины в объектах могут также включать z-значения для представления высотных отметок и m-значения для представления измерений вдоль линейных объектов.

Типы сегментов линейных и полигональных объектов

Линии и полигоны задаются двумя ключевыми элементами: упорядоченным списком вершин, которые определяют форму линии или полигона и типами сегментов линии, используемых между каждой парой вершин. Каждая линия и полигон - это упорядоченный набор вершин, которые можно соединить, образуя геометрическую форму. Другой способ изображения каждой линии и полигона – упорядоченная последовательность соединенных сегментов, где каждый сегмент имеет тип: прямая линия, дуга окружности, эллиптическая дуга, или параметрическая кривая.

Тип сегмента по умолчанию – прямая линия между двумя вершинами. Однако когда вам нужно определить кривые или параметрические фигуры, вы имеете в своем распоряжении три дополнительных типа сегментов: дуги окружностей, эллиптические дуги и параметрические кривые, которые могут быть определены. Эти фигуры часто используются для представления искусственных объектов, как например границы земельных участков или линии шоссе.

Вертикальные измерения с использованием z-значений

Координаты объектов могут включать X, Y или X, Y и Z вершины. Z-значения обычно используются для представления высот, но они могут представлять и другие измерения, такие как, например, годовое количество осадков или мера загрязнения воздушной среды.

Объекты могут иметь x,y координаты и, выборочно, добавленные значения z-высот.

Линейные измерения с использованием m-значений

Вершины линейных объектов могут также содержать m-значения. Некоторые приложения ГИС используют систему линейных измерений для интерполяции расстояний вдоль линейных объектов, например, дорог, ручьев и трубопроводов. Вы можете присвоить m-значение каждой вершине объекта. Типичным примером применения является система километровых столбиков на автомагистралях, используемая транспортными департаментами для регистрации состояния дорожного покрытия, ограничений скорости, мест ДТП и других происшествий на автомагистралях. Наиболее используемые меры измерения – расстояние на километровом столбе от установленного положения, например линия округа, и расстояние от опорного маркера.

Вершины для измерений могут иметь вид x,y,m или x,y,z,m.

Поддержка таких типов данных часто называется системой линейных координат. Процесс нахождения координат событий в этих системах измерений также называют динамической сегментацией.

Координаты линейных измерений формируют блоки для построения этих систем. В реализации системы линейных координат в ArcGIS термин «маршрут» относится к любому линейному объекту, например, улице города, шоссе, реке или трубе, у которого есть уникальный идентификатор и общую систему измерения вдоль каждого линейного объекта. Набор маршрутов с общей системой измерения может быть построен на классе линейных объектов.

Допуски объектов

Точность местоположений и поддержка рабочей среды управления данных с высоким разрешением очень важны при управлении ГИС данными. Основное требование – это возможность хранить информацию о координатах с достаточной точностью. Точность координат характеризует количество десятичных знаков, используемых для записи информации о местоположении. Это определяет разрешение, при котором собираются и управляются пространственные данные.

Так как базы геоданных и базы данных могут записывать координаты с высокой точностью, пользователи могут создавать наборы данных с высоким уровнем точности, и с большим разрешением, поскольку инструменты захвата данных и сенсоры постоянно совершенствуются (ввод геодезических и инженерных данных, захват данных COGO, повышенное разрешение изображений, данные лидара, чертежи строений из САПР и т.д.).

ArcGIS хранит координаты в виде целых чисел и может работать с местоположениями с высокой точностью. В различных операциях ArcGIS, координаты объекта обрабатываются и управляются с использованием некоторых ключевых геометрических свойств. Эти свойства определяются при создании каждого класса пространственных объектов или набора классов объектов.

Следующие геометрические свойства помогают определить координатное разрешение и обрабатываемый допуск, используемые в различных процессах пространственной обработки и геометрических операциях.

• Разрешение x,y: точность записи координат в классе пространственных объектов.
• Допуск x,y: кластерный допуск, используемый для пространственных объектов с совпадающей геометрией. Используется в топологии, при наложении пространственных объектов и прочих подобных операциях
• Допуск z и разрешение z: свойства допуска и разрешения для вертикальных измерений координат в трехмерных наборах данных (например, в измерениях высот)
• Допуск m и разрешение m: свойства допуска и разрешения для измерений вдоль линейных пространственных объектов, используется в наборах данных с системами линейных координат (например, расстояния вдоль дорог в метрах).

X,y-разрешение

X,y разрешение класса пространственных данных или набора классов пространственных данных – числовая точность представления данных, используемая для хранения значений x,y координат. Точность очень важна для аккуратного представления пространственных объектов, анализа и картирования.

X,y разрешение определяет число десятичных знаков или значащих разрядов, используемых для хранения координат объектов (и x, и y). Разрешение можно сравнить с очень мелкой ячейкой сетки, к которой привязаны все координаты. Значения координат хранятся и обрабатываются в ArcGIS как целые числа. Соответственно, иногда эта сетка грида называется целочисленной сеткой или координатной сеткой

Разрешение определяет расстояние между ячейками в координатной сетке, которой соответствуют все координаты. X,y разрешение выражается в единицах данных (зависят от координатной системы), например в футах, метрах UTM или метрах проекции Альберса.

По умолчанию разрешение x,y в классах объектов составляет 0.0001 м или эквивалент этого значения в единицах системы координат набора данных. Например, если класс пространственных объектов использует футы (проекция State Plane), значение по умолчанию составит 0.0003281 фута (0.003937 дюйма). Если координаты даны в градусах широты-долготы, разрешение x,y будет 0,000000001 градуса.

На рисунке ниже показан общий вид координатной сетки, где все значения координат замыкаются на эту сетку грида. Сетка покрывает экстент каждого набора данных. Мелкий размер этих ячеек (расстояние между линиями сетки) определяется x,y разрешением, которое достаточно мало.

Если необходимо, вы можете заменить значение x,y разрешения по умолчанию и установить другое для каждого класса пространственных объектов или набора классов объектов. Установка меньшего значения x,y разрешения может потенциально увеличить объем хранимых данных и время обработки наборов данных, по сравнению с большими значениями x,y разрешения.

X, Y допуск

Когда вы создаете класс пространственных объектов, необходимо задать допуск x,y. Допуск x,y используется, чтобы установить минимальное расстояние между координатами при таких операциях кластеризации, как проверка топологии, создание буферных зон или наложение полигонов, а также при некоторых операциях редактирования.

Х,y допуск влияет на операции обработки объекта, так как определяет минимальное расстояние, разделяющее все координаты объекта (узлы и вершины) в течение тех действий. По определению, он также задает расстояние, на которое координата может перемещаться по оси x или y (или по обеим осям) в процессе операций кластеризации.

X,y допуск – чрезвычайно маленькое расстояние (типовое значение составляет 0,001 метра в единицах земли). Он используется для исправления неточностей пересечения положения координат в ходе кластерных операций. При обработке классов с использованием геометрических операций пространственных объектов, координаты, для которых - расстояние по x и расстояние по y находятся в пределах одинакового допуска x, y, считаются совпадающими (другими словами, имеют одно и то же расположение x, y). Таким образом, сгруппированные координаты перемещаются в общее место.

Обычно, менее точная координата перемещается к расположению более точной координаты, или новое положение считается как среднее взвешенное расстояние между координатами в кластере. В этих случаях средневзвешенное расстояние основывается на рангах точности кластеризованных координат.

Более подробная информация о задании рангов точности для классов объектов находится в разделе Топология в ArcGIS.

Процесс кластеризации работает путем перемещения по карте и идентификации кластеров координат, попадающих в пределы допуска x,y друг от друга. ArcGIS использует этот алгоритм для обнаружения, приведения в порядок, и управления общей геометрией объектов. Это означает, что координаты совпадают (и замкнуты на одно и то же общие местоположение). Это основа многих принципов работы и операций ГИС.

Максимальное расстояние, на которое координата может переместиться в новое место во время таких операций, равно квадратному корню из двукратного допуска x, y. Алгоритм кластеризации является итеративным, поэтому в некоторых случаях координаты могут сдвигаться больше, чем на это расстояние.

X,y допуск по умолчанию равен 0,001 метрам или эквивалентному расстоянию в единицах измерения реального мира набора данных (т.е., 0,001 метра на земле). Например, если у вас система координат в футах, допуск x,y по умолчанию будет 0,003281 фута (0,03937 дюйма).

Значение по умолчанию для x,y допуска – стандартное x,y разрешение, увеличенное в 10 раз, и это значение рекомендуется использовать в большинстве случаев. У вас есть опция, чтобы установить для менее точных данных большее значение допуска, или для высокоточных данных – меньшее.

Важно отметить, что X,Y допуск не предназначен для генерализации геометрических форм. Напротив, он предназначен для того, чтобы линии и границы в процессе топологических операций обрабатывались как единое целое. Это означает объединение координат, которые попадают в пределы очень маленьких расстояний друг от друга. Поскольку координаты могут перемещаться по осям x и y на величину допуска x, y, вы можете решить массу возможных проблем, обрабатывая наборы данных посредством команд, использующих допуск x, y. Сюда относится перемещение при очень небольших несовпадениях, автоматическое удаление двойных сегментов и уточнение координат вдоль линий границ.

Ниже приведены некоторые полезные замечания:

• В целом, вы можете использовать x,y допуск, равный x,y разрешению, увеличенному в 10 раз, и ожидать хороших результатов.
• Чтобы координаты далеко не перемещались, поставьте маленький допуск x,y. Однако, слишком маленький x,y допуск (равный утроенному значению x,y разрешения), может должным образом не объединить работу линии совпадающих границ и координат.
• И наоборот, если допуск слишком велик, координаты пространственных объектов могут "схлопнуться". Это может повлиять на точность отображения границ пространственных объектов.
• Значение вашего x,y допуска не должно приближаться к значению разрешения ваших данных на карте. Например, на карте масштаба 1:12 000 один дюйм равен 1 000 футов, а 1/50 дюйма равняется 20 футам. Сохраняйте перемещения координат, используя допуск x,y, не превышающий эти значения. Помните, что допуск x,y в этом случае составляет 0,0003281 фута, что является вполне подходящим значением допуска x,y по умолчанию. И это значение допуска x, y по умолчанию можно использовать во всех случаях, кроме самых экстремальных.
• В топологии вы можете установить координатный ранг каждого класса пространственных объектов. Задайте ранг координат для ваших наиболее точных объектов (например, исследуемых объектов) равным 1, а для менее точных объектов - 2, 3 и т. д. в порядке понижения уровня точности. Это заставляет координаты других объектов с более высоким порядковым номером ранга (и, следовательно, с более низкой точностью координат) передвигаться в соответствии с координатами более точных объектов с более низким порядковым номером ранга.

Хранение класса объектов

Каждый класс пространственных объектов хранится в отдельной таблице. Столбец shape в каждой строке используется для хранения геометрии или формы каждого объекта.

В таблице класса пространственных объектов:

• Каждый класс пространственных данных является таблицей.
• Индивидуальные объекты представлены в виде записей.
• Атрибуты пространственных объектов записываются в столбцы.
• Столбец shape содержит геометрию каждого объекта (точка, линия, полигон и т.д.).
• Поле Object ID содержит уникальный идентификатор для каждого объекта.

При создании класса линейных объектов в базе геоданных в класс пространственных объектов автоматически добавляется дополнительное поле для записи значений длины линии. При создании класса полигональных объектов в базе геоданных в класс пространственных объектов автоматически добавляется два дополнительных поля для записи значений длины (периметра) и площади всех полигональных объектов. Единицы измерения для этих значений зависят от пространственной привязки, заданной классу пространственных объектов. Имена этих полей варьируются в зависимости от базы данных и используемого пространственного типа. Эти поля являются обязательными и не могут быть изменены.

Расширение классов пространственных объектов

Каждый класс пространственных объектов - это собрание географических объектов с одинаковым типом геометрии, с однотипными атрибутами и одинаковой пространственной привязкой. Вы можете расширить возможности хранящихся в базах геоданных классов объектов, добавив поведение или целостность данных. Ниже показано, как можно расширить классы пространственных объектов с помощью базы геоданных и для чего это нужно.

Работа с классами пространственных объектов в базе геоданных

Опция	Описание
Подтипы	Вы можете использовать подтипы для управления набором подклассов объектов в одном классе пространственных объектов. Обычно применяется к таблицам классов пространственных объектов для управления поведением подтипов тех же типов объектов.
Атрибутивные домены	Вы можете воспользоваться атрибутивными доменами для задания списка или диапазона допустимых значений для столбцов атрибутов. Использовать домены для вспомогательного обеспечения целостности атрибутивных значений. Домены часто используются для классификации данных (класс дорог, коды зон, классификаторы использования земель).
Версионность	Вы можете использовать управление версиями для работы с рядом ключевых рабочих процессов управления данными ГИС. Например, для поддержки длинных транзакций обновления, исторических архивов и многопользовательского редактирования.