3. Векторные данные¶

	Цель:	Ознакомиться с моделями векторных данных, используемыми в ГИС.
	Основные понятия:	вектор, точка, полилиния, полигон, вершина, геометрия, масштаб, качество данных, символика, источник данных

3.1. Обзор¶

Vector data provide a way to represent real world features within the GIS environment. A feature is anything you can see on the landscape. Imagine you are standing on the top of a hill. Looking down you can see houses, roads, trees, rivers, and so on (see figure_vector_landscape). Each one of these things would be a feature when we represent them in a GIS Application. Vector features have attributes, which consist of text or numerical information that describe the features.

Рис. 3.1 Глядя на ландшафт, мы можем выделить основные объекты, например дороги, дома и деревья.¶

A vector feature has its shape represented using geometry. The geometry is made up of one or more interconnected vertices. A vertex describes a position in space using an X, Y and optionally Z axis. Geometries which have vertices with a Z axis are often referred to as 2.5D since they describe height or depth at each vertex, but not both.

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).

Рис. 3.2 Точечный объект описывается координатами X, Y и, опционально, Z. Атрибуты точки описывают её, например, что это дерево или фонарный столб.¶

Рис. 3.3 Полилиния это последовательность соединённых узлов. Каждый узел имеет координаты X, Y (и, опционально, Z). Описывают полилинию её атрибуты.¶

Рис. 3.4 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).

Рис. 3.5 Объекты ландшафта и их представление в ГИС. Реки (голубые) и дороги (зелёные) представляются линиями, деревья — точками (красными) и дома — полигонами (белыми).¶

3.2. 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.

3.3. 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.

Рис. 3.6 Полилинии на мелких масштабах (1:20000 слева) выглядят сглаженными. При увеличении масштаба (1:500 справа) они становятся ломаными.¶

The attributes of a polyline describe its properties or characteristics. For example a road polyline may have attributes that describe whether it is surfaced with gravel or tar, how many lanes it has, whether it is a one way street, and so on. The GIS can use these attributes to symbolise the polyline feature with a suitable colour or line style.

3.4. 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.

3.5. Векторные данные в слоях¶

Now that we have described what vector data is, let’s look at how vector data is managed and used in a GIS environment. Most GIS applications group vector features into layers. Features in a layer have the same geometry type (e.g. they will all be points) and the same kinds of attributes (e.g. information about what species a tree is for a trees layer). For example if you have recorded the positions of all the footpaths in your school, they will usually be stored together on the computer hard disk and shown in the GIS as a single layer. This is convenient because it allows you to hide or show all of the features for that layer in your GIS application with a single mouse click.

3.6. 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.

3.7. 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.

Рис. 3.7 Векторные данные (красные линии), оцифрованные с мелкомасштабной (1:1000000) карты.¶

Рис. 3.8 Векторные данные (зелёные линии), оцифрованные с крупномасштабной (1:50000) карты.¶

3.8. 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).

Рис. 3.9 В ГИС можно использовать диалог (похожий на приведенный здесь) для настройки отображения вашего слоя.¶

Рис. 3.10 Когда слой (например, слой деревьев) загружается первый раз, ГИС отображает его обычным знаком.¶

Рис. 3.11 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.

3.9. 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.

3.10. 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).

Рис. 3.12 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).¶

Overshoots can occur when a line feature such as a road does not meet another road exactly at an intersection. Undershoots can occur when a line feature (e.g. a river) does not exactly meet another feature to which it should be connected. Figure figure_vector_shoots demonstrates what undershoots and overshoots look like.

Рис. 3.13 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.

3.11. 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.

Рис. 3.14 Эта диаграмма показывает, как ГИС-приложение работает с векторными данными.¶

3.12. 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.

Рис. 3.15 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.

3.13. Стоит учесть¶

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

3.14. Дополнительная литература¶

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

3.15. Что дальше?¶

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