Векторни данни

Преглед

Векрните данни в ГИС позволяват изобразяването на обекти от заобикалящата ни среда. Обект може да бъде всичко около нас. Представете си, че сте на някое високо място. Като се огледате наоколо, виждате дървета, реки, пътища, поля, сгради, селища и т.н. Всяко от тези неща би било “обект”, когато го представяме в ГИС среда.

За да разграничаваме обектите един от друг, ние използваме различни техни атрибути - имена (река Янтра, река Искър), вид (дърво от вид топола, от вид дъб), количество (сграда с 20 живущи, с 5 живущи) и др. Всеки отделен обект може да има един или повече атрибути, които са допълнителна информация, най-често като текст и числа, описваща обекта.

Когато се огледаме наоколо, виждаме основните обекти - пътища, река, къщи, дървета.

Формата на векторния обект се представя чрез неговата геометрия. Векторната геометрия се състои от последователно свързани точки, наречени вертекси. Вертексът описва позицията на дадена точка, като съхранява координатите по осите X, Y и незадължително Z. Възможно е да се запишат и други данни за всеки вертекс, но тази функционалност се ползва далеч по-рядко.

Когато геометрията на обекта съдържа един-единствен вертекс, то геометрия се нарича точка. Когато геометрията се състои от два или повече вертекса, като първият и последният не съвпадат, то става дума за линия. Когато геометрията се състои от четири или повече вертекса, при които първият и последният съвпадат, полученият затворен многоъгълник се нарича полигон.

Точката се описва от X, Y и незадължителна Z координата. Атрибутите на точковия обект съхраняват допълнителна информация за точката, например дали е палмово дърво, уличен стълб, място на светкавица или др.

Линията е поредица от свързани вертекси. Всеки вертекс има X, Y и незадължителни Z координата. Атрибутите съхраняват допълнителна информация дали линията е река, път, маршрут на колело и др.

И полигонът, и линията са поредица от вертекси, но при полигона първият и последният вертекс винаги съвпадат

Ако погледнем отново панорамната снимка от по-рано и въоръжени със знание за начина, по който съхраняваме обекти в ГИС, лесно можем да си представим различните данни в компютъра.

Как бихме представили обектите от пейзажа в ГИС? Реките (в синьо) и пътищата (в зелено) могат да бъдат представени като линии, дърветата като точки (в червено), а къщите като полигони (в бяло).

Още за точковите обекти

Трябва да сме наясно, че изборът на точки за представяне на обекти е приближение на реалността и е изцяло субективно решение на автора на данните. Основните причини да предпочетем например точки пред полигони са мащабът на картата, удобството за работа и видът на обектите. Например на дребномащабна карта (напр. карта на България) селищата ще бъдат представени най-вероятно като точки. Когато обаче представяме в по-едър мащаб (напр. карта на община или град) обхвата на селищата, те най-вероятно ще се изобразят като полигони. Ако ние ръчно трябва да изчертаем обектите, може би ще предпочетем точки, където е възможно, защото изисква в пъти по-малко усилия, отколкото полигоните (един вертекс срещу четири и повече). А и не на последно място, ако показваме местоположението на улични стълбове, просто няма смисъл да ги представяме като полигони.

Както вече коментирахме, точковите обекти имат X, Y и евентуално Z стойност. Стойностите за X и Y ще зависят от координатната система (КС). Ще разгледаме координатните системи много по-подробно в следващите глави, а засега нека просто приемем, че записаните стойности запазват с точност местоположението на дадената точка. Най-разпространеният вариант за това е използването на географска дължина и ширина.

Линиите, които описват географската дължина, се наричат меридиани и преминават по повърхността на Земята от единия до другия полюс. Един от тези меридиани се нарича за главен меридиан и всички точки, които лежат на него имат географска дължина 0 градуса, тези на изток - положителна стойност до 180 градуса, а тези на запад - отрицателна стойност до -180 градуса. Линиите, които описват географската ширина, се наричат паралели и обикалят земното кълбо перпендикулярно на меридианите. Главният паралел се нарича екватор и всички точки на екватора имат географска ширина 0 градуса, тези на север - положителна стойност до 90 градуса на Северния полюс, а тези на юг - отрицателна до -90 градуса на Южния полюс.

С това бързо и непълно въведение в географските координатни системи можем да се досетим, че при наличие на стойности за географската дължина (X) и ширина (Y), е възможно да определим с абсолютна точност позицията на всяка една точка на земната повърхност. Така само с две числа може да отбележим къде се намира дадено дърво, уличен стълб или самите ние.

Въпреки набиращото популярност движение, Земята не е плоска и в някои ситуации може да съхраним и стойността на измерената надморска височина (Z).

Още за линейните обекти

Ако точката се състои от само един вертекс, то линията има два или повече вертекса. Линията е непрекъснатата следа, оставена при последователното свързване на вертексите. Когато два вертекса се свържат, се получава сегмент, когато много сегменти се, свържат се получава линия.

Линиите се използват за съхранение на геометрията на линейни обекти, а такива са реки, пътища, следи от преминаване, граници, хоризонтали на релефа и т. н. Понякога следваме специални правила освен дефиницията за линия. Например ако имаме карта на хоризонталите на релефа, то хоризонталите може да се допират (напр. много стръмен склон), но никога не могат да се пресичат. Подобно при карта на пътищата всеки пътен участък трябва да започне и свърши на кръстовище. В някои ГИС програми тези правила могат да се зададат като допълнително ограничение и програмата сама ще съблюдава за спазването им.

Ако линията прави завой, но има прекалено големи разстояния между съседните вертекси, тя ще изглежда много ъгловата при по-едри мащаби. Затова е важно при създаването на нов линеен обект да слагаме достатъчно вертекси при завоите според нуждите на мащаба.

Линиите при дребен мащаб (1:20 000 вляво) изглеждат плавни и извити. При приближаване в едър мащаб обаче (1:500 вдясно) линиите могат да приемат много ъгловат вид.

Атрибутите на линейните обекти описват свойствата му. Така за слой с пътища може да имаме атрибут за пътната настилка - павета или асфалт, или пък за броя ленти в посока, или пък дали е еднопосочка и т.н. Благодарение на тези атрибути може да визуализираме слоя с подхощят цвят и дебелина на линията.

Още за полигонните обекти

Полигоните са затворени площи като язовири, острови, общински граници и др. Както линиите, така и полигоните се създават от поредица от вертекси, които са свързани в непрекъсната линия. Разликата е там, че първият и последният вертекс при полигоните са на едно и също място, за да може фигурата да се затвори. Често полигоните имат споделена геометрия - границата със съседния полигон съвпада. Например при два полигона за държавите Румъния и България и двата полигона ще имат поредица от вертекси, които напълно ще съвпадат по протежение на общата държавна граница. В следващите глави ще разгледаме този случай в подробности.

Също като точките и линиите, така и полигонните обекти имат атрибути. Атрибутите описват всеки полигон, например името на държавата, дълбочината на язовира, вида на гората и др.

Векторни слоеве

След като си обяснихме какво са векторните данни, нека разгледаме тяхното приложение в ГИС. Повечето ГИС приложения групират векторните обекти в слоеве. Всички обекти в един слой имат една и съща геометрия (т.е. винаги са или само точки, или само линии, или само полигони) и имат еднакъв брой и имена на атрибутите (напр. всички обекти имат атрибута вид на дървото, ако става дума за слой с дървета. Ако е събрана информация за дърветата в града (точкови обекти), всички те ще се заредят като един слой в ГИС. Това е удобно, защото може да настроим визуализацията на всички обекти едновременно, да ги показваме и скриваме и общо взето да работим с тях като една логическа група.

Редакция на векторни данни

ГИС програмите позволяват създаването на нови и редакцията на съществуващи обекти и техните геометрии. Този процес се нарича цифроване, който ще разгледаме в подробности в следващите глави. Ако слоят за редакция съдържа полигони, ГИС програмата ще ни позволи да създаваме само полигони за този слой, независимо дали става дума за нови обекти или редакция на вече съществуващи. Така в случай със слой от линии, ГИС програмата няма да ни позволи някоя линия да има само един вертекс, предвид че условието е да са поне два или нагоре.

Създаването и редакцията на векторни данни е сред най-важните функционалности на ГИС, защото позволява създаването на собствен набор от данни. Ако например изследваме замърсяването на водни потоци, най-вероятно ще се наложи да отбележим с точки всички отходни канали, които се вливат в реката. Може да се наложи да изчертаем и реката при липса на този слой. Ако вземаме проби по течението на реката, може да добавим и такъв точков слой с всички места, на които сме взели проба, а като атрибути - какви показатели сме отчели в пробата (стойности на киселинност, наличие на ценни метали и прочие).

Създаването на собствени данни е полезно, но е непосилна задача, ако за всеки необходим слой го правим сами. За щастие има огромни масиви от данни, които са свободнодостъпни за ползване, например данните от OpenStreetMap. В повечето държави по света има специални институции, които се грижат за свободното споделяне на географска информация с обществото. За съжаление в България тази информация усърдно се крие от институциите и публично достъпните официални данни са изключително малко.

Симвология

Когато добавим нов векторен слой в ГИС програма, обектите от слоя ще бъдат визуализирани по някакъв начин - със случайни цветове и прости символи. Едно от мощните преимущества на ГИС е възможността да променяме начина на изобразяване много лесно. За целта в ГИС имаме контрол над цветовете, символите, сенките, етикетите и като цяло почти всичко, което ще ни помогне да изобразим един обект, и това се нарича симвология. Например ако изобразяваме реки или езера, ще използваме син цвят, ако изобразяваме дървета - зелен цвят и символ с дърво, вместо просто кръгчета. По този начин нашата карта е много по-четима дори и без да се сверява в легендата.

В ГИС програмите има специален панел, в който се контролира външният вид на обектите.

Когато отворим векторен слой за пръв път, ГИС програмата ще зададе някакъв общ външен вид, за да обозначи обектите на картата.

След като направим необходимите настройки, е много по-лесно да разпознаем, че точките всъщност представляват дървета.

Символогията е изключително мощна функционалност, с която картите успяват да покажат своето предназначение и смисъл по достъпен начин. В следващата глава ще разгледаме в подробности как символогията може да спомогне за по-лесното осмисляне на векторните данни.

Какво можем да постигнем с векторни данни в ГИС

Най-простото приложение на векторните данни в ГИС е същото, както и върху топографската карта - визуализация на местоположението, размера и вида на обектите. Истинската сила на ГИС е когато започнем да отговаряме на въпроси от заобикалящия ни свят:

• Кои къщи се намират на не повече от 100 метра от река и са в риск от наводнение?
• Къде да разположим новата болница, за да бъде бързо и лесно достъпна до най-голям брой хора?
• Кои граждани живеят в определен район?
• Къде са огнищата на сезонния грип?
• Кои са условията, които карат пчелите от пчелин А да дават повече мед от пчелин Б?

Отговорите на тези и подобни въпроси се получават след автоматизирана обработка на векторни данни в ГИС програми. Този процес се нарича пространствен анализ. В следващите глави ще се запознаем по-подробно с някои видове пространствен анализ в ГИС.

Мащаб и векторни данни

Mного проблеми могат да изникнат от несъобразен мащаб. Например при картиране на обхвата на един резерват в дребен мащаб границите са обобщени и не всяка чупка на геометрията е отразена във векторния слой. При по-едромащабна карта, да кажем 1:10 000, от изключителна важност ще бъде кои точно имоти попадат в обхвата на резервата и кои не. Затова трябва предварително да имаме представа в какъв мащаб ще използваме векторните данни, за да заложим колко подробни или генерализирани (обобщени) да бъдат те.

Векторни данни (червено), които са създадени в дребен мащаб.

Векторни данни (зелено), които са създадени в едър мащаб.

Често срещани проблеми при векторните данни

Векторните данни страдат от някои добре известни проблеми. Вече коментирахме проблемите при цифроване на данни в различни мащаби. Векторните данни като цяло са трудоемки за събиране и поддръжка. Неточни данни могат да са в резултат на неточни или недобре настроени инструменти (напр. GPS), невнимание на оператора, времеви или финансови ограничения на проекта и т. н.

Качеството на векторните данни лесно може да се провери с бърз преглед в ГИС. Например разминаванията между полигони са често срещан проблем, когато два полигона не споделят перфектно общата си граница.

Разминаванията се случват, когато вертексите на два полигона не съвпадат напълно по общата им граница. При разглеждане в дребен мащаб този проблем може да остане незабелязан (вляво), но при едър мащаб разминаването е очевидно с ясно видима празна ивица между полигоните.

Недостигането се получава, когато линеен обект (напр. река) не достигне до логическата си крайна точка (напр. устието за река). Задминаването се случва, когато линеен обект (напр. път) не достига до друг линеен обект в точката на кръстовището.

Недостигането (1) се получава, когато цифрованата линия е по-къса от необходимото и не достига линията, до която трябва да се допре. Задминаването (2) пък се получава, когато цифрованата линия е по-дълга от необходимото и пресича линията, до която трябва да се допре.

Много е важно да извършим цифроването внимателно и с точност, за да не допускаме такива грешки. Те ще развалят данните ни и съответно възможността да извършим качествен пространствен анализ. В специално отделената глава на тема топология ще разгледаме тези и други грешки в по-големи подробности.

Какво научихме?

• Векторните данни се използват да пресъздадат обекти от реалния живот в ГИС.
• Векторните обекти имат геометрия, която е или точка, или линия, или полигон.
• Всеки векторен обект се описва чрез своите атрибути.
• Геометрията се състои от вертекси.
• За всеки вертекс записваме неговите X и Y координати. По желание може да се добави и Z стойност.
• Точките се състоят от един-единствен вертекс (Х, Y и при желание Z).
• Линиите се състоят от два или повече вертекса, свързани в определен ред.
• Полигоните се състоят от поне четири вертекса, свързани в определен ред, като първият и последният винаги съвпадат.
• Изборът каква геометрия да предпочетем за данните зависи от мащаба, удобството и вида на описваните обекти.
• Повечето ГИС програми и формати не позволяват повече от един вид геометрия за даден слой.
• Цифроването е процесът на изчертаване на геометрията на нови обекти в ГИС.
• Векторните данни могат да съдържат грешки като недостигане, задминаване и разминаване, за които трябва да внимаваме.
• Векторите се използват за пространствен анализ в ГИС програмите, например за откриване на най-близката болница до дадено училище.
• Генерализацията е метод в ГИС за намаляване на подробността на данните.

graph TD subgraph Обект subgraph Точка point_geom[Геометрия] point_attr[Атрибути] end subgraph Линия line_geom[Геометрия] line_gattr[Атрибути] end subgraph Полигон poly_geom[Геометрия] poly_gattr[Атрибути] end end point_geom--се състои от точно един-->vertex line_geom--се състои от поне два вертекса-->vertex poly_geom--се състои от поне четири вертекса,<br>като първият и последният винаги съвпадат-->vertex vertex[Вертекс] x[x дължина] y[y ширина] z[z незадължителна надморска височина] vertex-->x vertex-->y vertex-->z

Диаграмата показва как векторните данни се използват в ГИС среда.

Практика!

Ето някои идеи за упражнения:

• Опитайте се да откриете различни примери за векторни данни на топографски картен лист.

Потърсете векторни обекти на картата, описани с точки, линии или полигони.

• Помислете как районът около сградата, в която се намирате може да бъде описан като векторни обекти. Изберете няколко категории обекти и създайте таблица за всяка една от тях, където всеки ред е отделен обект, а всяка колона - някой от неговите атрибути. Определете вида на геометрията за всяка категория обекти, както и най-важните атрибути, които ги описват.

Обект от истинския свят	Подходяща геометрия
Пейки в парка
Пешеходни пътеки
Площади в града
Пътека в гората
Следа на охльов
Футбулно игрище