Классы пространственных объектов. Основные понятия

Классы пространственных объектов – однородные совокупности однотипных объектов, каждый из которых имеет одинаковое пространственное представление, в виде точек, линий, или полигонов, и общего набора атрибутивных полей, например, линейный класс пространственных данных для представления осевых линий дорог. Четыре основных типа классов пространственных данных – это точки, линии, полигоны и аннотации (названия для подписей на картах).

На рисунке ниже они представлены четырьмя наборами данных, относящимися к одной области: (1) - местоположения крышек люков в виде точек, (2) - линейные канализационные трубы, (3) - полигональные земельные участки и (4) - аннотации названий улиц.

На этой схеме, вы, возможно, также отметили потенциальное требование моделировать некоторые расширенные свойства объектов. Например, линии канализационных труб и местоположения люков составляют сеть коллектора ливневой канализации, т.е. систему, с помощью которой можно моделировать объём 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, наборы данных terrain и локаторы адресов.

Вы можете узнать больше о применении усовершенствованного поведения в базах геоданных в разделе Расширение классов пространственных объектов.

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:

Создавая класс пространственных объектов, необходимо задать типа объектов для определения типа класса пространственных объектов (точка, линия, полигон и т.д.).

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

• Точки: пространственные объекты, которые слишком малы, чтобы обозначать их линиями или полигонами, а также точечные местоположения (точки GPS).
• Линии:отображают форму и местоположение географических объектов, слишком узких для отображения в виде полигонов (центральные линии улиц, ручьи). Линии также используются для представления объектов, имеющих длину и не имеющих площади, таких как изолинии и границы.
• 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.
• Аннотации: подпись на карте, содержащая параметры отображения текста. Например, помимо текстовой строки каждой аннотации, там хранятся и другие свойства – например точки фигуры для размещения текста, его шрифт и точечный размер, а также другие свойства отображения. Аннотация может также быть связанной с надписываемыми объектами и может содержать подклассы.
• Объекты-размеры: специальный тип аннотации, показывающий специфические длины или расстояния, например, для указания длины стороны здания, участка земли или расстояния между двумя объектами. Размеры чаще всего используются для дизайнерских и инженерных задач в ГИС.
• Мультиточки: пространственные объекты, состоящие из более чем одной точки. Мультиточки часто используются для управления массивами очень больших совокупностей точек, таких как, например кластеры точек LiDAR, которые могут содержать буквально миллиарды пунктов. Использование одной записи для такой точечной геометрии недопустимо. Объединение таких данных в группы мультиточечных записей предоставляет возможность базе геоданных управлять массивными наборами точек.
• Мультипатчи: 3D-геометрия, используемая для представления внешней поверхности, или оболочки, объектов, которые занимают дискретную область или объем в трехмерном пространстве. Мультипатчи охватывают плоские 3D окружности и треугольники, используемые в комбинации для моделирования трехмерной оболочки. Мультипатчи могут использоваться для представления всего, начиная от простых объектов, например сфер и кубов, до сложных объектов, например изо-поверхностей зданий.

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, классы объекты могут быть одночастные и составные, могут иметь 3D вершины, линейные меры измерения (m-значения), а также могут содержать параметрически заданные кривые. Этот раздел даёт 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 параметрически заданными 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 могут восприниматься как упорядоченный набор вершин, которые могут соединяться для формирования геометрической фигуры. Другой способ изображения каждой линии и полигона – упорядоченная последовательность соединенных сегментов, где каждый сегмент имеет тип: прямая линия, окружная дуга, эллиптическая дуга, или кривая Безье.

Тип сегмента по умолчанию – прямая линия между двумя вершинами. Однако, когда вам нужно определить кривые или параметрические фигуры, вы имеете в своём распоряжении три дополнительных типа сегментов: дуги окружностей, эллиптические дуги, и кривые Безье, 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 ГИС приложения используют систему линейных измерений для интерполяции расстояний вдоль линейных объектов, таких как дороги, потоки (рек, ручьёв) и трубопроводы. Вы можете присвоить m-значение каждой вершине объекта. Обычно используемый пример – система измерения километровых столбов на шоссе, используемая отделами перевозки для регистрации состояний дорожного покрытия, пределов скорости, местоположений несчастных случаев, и других инцидентов вдоль шоссе. 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. Обработку нахождения координат событий в этих системах измерений также называют динамической сегментацией.

Координаты линейных измерений формируют блоки для построения этих систем. В реализации линейной привязки в ArcGIS, термин маршрут обозначает любой линейный объект, например улицу города, шоссе, реку или трубу, имеющие уникальный идентификатор и общую систему измерения вдоль каждого линейного объекта. Совокупность маршрутов с общей системой измерения может быть построена на основе линейного класса пространственных объектов как показано ниже:

Для получения дополнительной информации см. Обзор системы линейных координат.

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 записывает координаты как целые числа и может хранить местоположения с очень 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 по x,y: точность, с которой записываются координаты 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 с наборах данных с системами линейных координат (например, расстояния вдоль дорог в метрах).

Разрешение x,y

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. Решетка 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 объём 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. В процессе данного определения, также определяется расстояние, на которое координата может перемещаться по оси x или y (или по обеим осям) в течение 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 пространственных объектов с помощью геометрических операций, те координаты, расстояние по х и у между которыми оказываются в пределах этого допуска x,y, считаются совпадающими (т.е. с одинаковым местоположением 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 взвешенное среднее 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 считаются совпадающими (и замыкаются к общему местоположению координат). Это основа многих принципов работы и операций ГИС. Примеры находятся в разделе Обзор топологии в ArcGIS.

Максимальное расстояние, на которое координата может переместиться в новое положение в ходе таких операций - квадратный корень, умноженный на двойной x,y допуск. Кластерный алгоритм итеративен, таким образом, в некоторых случаях, возможно, что положения координат сместятся более, 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 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. Взамен этому, он предназначен для объединения работы линии и границ в течение топологических операций. Это означает объединение координат, которые попадают в пределы очень маленьких расстояний друг от друга. Поскольку координаты могут передвигаться как по оси x, так и по оси y, равно как и x,y допуск, много потенциальных проблем могут быть решены обработкой наборов данных командами, использующими x,y допуск. 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. Вы можете сохранить передвижение координат, используя X,Y допуск, ниже данных значений. Помните, что стандартное значение x,y допуска в данном случае составит 0,0003281 футов, что будет являться весьма подходящим значением по умолчанию для x,y допуска: фактически, лучше использовать значения x,y допуска по умолчанию во всех случаях, не считая исключительных.
• В топологии вы можете установить разряд координат каждого класса пространственных объектов. Вам захочется установить координатный разряд ваших самых точных объектов (например, полученные при топосъёмке пространственные объекты) равному 1 и менее точных объектов равному 2, 3, и так далее, в нисходящей последовательности разрядов точности. Это приведёт к тому, что другие координаты объекта с высшим разрядом точности (и поэтому, с низшей координатной точностью), будут привязаны к более точным объектам с низшим разрядом.

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, определенной для класса 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 (точка, линия или полигон), с однотипными атрибутами и одинаковой пространственной привязкой. Классы пространственных объектов, хранящиеся в базах геоданных могут быть расширены для решения необходимых задач. Здесь приведены некоторые примеры того, как можно расширить функциональность классов пространственных данных, используя базу геоданных.

Работа с классами пространственных объектов в базе геоданных

Использовать	Задача
Набор пространственных данных	Содержит совокупность пространственно связанных классов объектов, или используется для построения топологии, сетей, наборов кадастровых данных и наборов данных terrain.
Подтипы	Управлять набором атрибутивных подклассов пространственных объектов в одном классе пространственных объектов. Обычно применяется к таблицам классов пространственных объектов для управления поведением подтипов тех же типов объектов.
Атрибутивные домены	Установить список допустимых значений или диапазон допустимых значений для атрибутивных полей. Использовать домены для вспомогательного обеспечения целостности атрибутивных значений. Домены часто используются для классификации данных (класс дорог, коды зон, классификаторы использования земель).
Классы отношений	Построить отношения между двумя таблицами с использованием общего ключа. Найти связанные записи во вторичной таблице, основываясь на записях, выбранных в основной таблице, и т.д.
Топология (Topology)	Моделировать способ совместного использования геометрии. Например, соседние округа имеют общую границу. Также, полигоны округов располагаются внутри стран, которые их полностью содержат.
Набор сетевых данных	Моделировать транспортную связность и поток. Необходимо установить Расширение ArcGIS Network Analyst для ArcGIS for Desktop.
Геометрические сети	Моделировать сети коммуникаций и трассировку.
Набор данных Terrain	Моделировать нерегулярные триангуляционные сети (TIN) и управлять большими коллекциями точек lidar и sonar. Необходимо установить Дополнительный модуль ArcGIS 3D Analyst для ArcGIS for Desktop.
Локатор адресов	Геокодировать адреса.
Набор данных участков	Для интеграции и поддержания геодезической информации для подразделений и планов земельных участков как части непрерывного набора данных модели cadastral в базе геоданных. Также, для постепенного повышения точности набора данных участков при вводе новых планов и описаний.
Системы линейных координат	Разместить события вдоль линейных объектов с измерениями.
Картографические представления	Управлять многократно использующимися картографическими представлениями и продвинутыми картографическими правилами рисования.
Версионность	Управлять рядом ключевых технологических процессов ГИС управления данными, например длинными транзакциями на обновление данных, историческими архивами и многопользовательским редактированием. Требуется использование баз геоданных ArcSDE.

Работа с классами пространственных объектов в базе геоданных