Географические информационные системы (ГИС) используют различные методы для хранения, обработки и представления пространственных данных. Информация в ГИС хранится в виде геопространственных данных, которые могут быть разных типов: растровых, векторных и табличных. Чтобы лучше понять, как это работает, рассмотрим подробнее, как именно хранится информация в ГИС и какие структуры данных для этого используются.
1. Типы данных в ГИС
ГИС работает с двумя основными типами данных:
а) Векторные данные
Векторные данные представляют собой геометрические объекты, которые описываются с помощью точек, линий и полигонов. Они хорошо подходят для хранения информации о четких, дискретных объектах, таких как здания, дороги, реки и границы.
Точка (Point) — это единственная координата на плоскости (x, y), например, местоположение фонтана.
Линия (Line) — последовательность точек, соединенных между собой, например, дороги или реки.
Полигон (Polygon) — замкнутая линия, которая определяет область на поверхности, например, контуры городов, земельных участков или водоемов.
Векторные данные хранятся в виде:
Координат точек
Списков вершин для линий
Перечня координат для полигонов (с указанием последовательности точек, которые образуют контур)
Векторные данные в ГИС могут быть представлены в различных форматах, таких как:
Shapefile (.shp, .shx, .dbf) — один из самых распространенных форматов для хранения векторных данных.
GeoJSON — формат, основанный на JSON, используется для обмена данными между веб-приложениями.
KML (Keyhole Markup Language) — формат, используемый в основном для отображения географических данных в Google Earth и Google Maps.
GML (Geography Markup Language) — XML-формат, стандарт для обмена географической информацией.
б) Растровые данные
Растровые данные состоят из сетки (или пикселей), где каждый пиксель имеет определенную величину или категорию. Это идеальный формат для представления изображений, например, спутниковых снимков или данных с высотных моделей местности.
Растровые данные в ГИС часто используются для представления:
Спутниковых снимков
Моделей высот (DEM, Digital Elevation Model)
Температурных карт, карты растительности и другие данные, где информация имеет значение на каждой точке сетки.
Растровые данные могут храниться в следующих форматах:
TIFF (.tif, .tiff) — популярный формат для хранения растровых изображений, поддерживающий как однослойные, так и многослойные данные.
JPEG, PNG — форматы изображений, которые могут использоваться для хранения спутниковых снимков или картографических данных.
GRID (ArcInfo Grid) — специальный формат для хранения растровых данных в ArcGIS.
в) Табличные данные
Кроме пространственных данных, ГИС также работает с атрибутивными данными, которые представляют собой характеристики географических объектов. Например, для объекта «дерево» может быть атрибут «возраст», «высота», «вид». Эти данные обычно хранятся в виде таблиц, где каждому объекту в пространственном слое соответствуют строки, а атрибутам — столбцы.
Таблицы могут храниться в различных форматах:
DBF (Database File) — используется совместно с Shapefile.
SQL-базы данных — такие как PostgreSQL с расширением PostGIS, MySQL, Oracle, которые предоставляют мощные возможности для хранения и обработки атрибутивных данных.
Excel — для простых данных и обмена информацией.
2. Структуры данных для хранения в ГИС
Информация в ГИС может храниться в различных типах структур данных. Давайте рассмотрим основные из них.
а) Базы данных
ГИС активно использует базы данных для хранения и управления данными. Это могут быть реляционные базы данных (например, PostgreSQL с расширением PostGIS), которые позволяют хранить как пространственные, так и атрибутивные данные. Пространственные данные в этих базах могут храниться в специализированных типах данных, таких как:
Geometry — для хранения геометрических объектов (точки, линии, полигоны).
Raster — для хранения растровых данных.
Geography — для хранения географических объектов, которые могут учитывать кривизну Земли.
В реляционных базах данных данные хранятся в таблицах, где каждая строка представляет объект (например, участок земли), а столбцы содержат атрибуты (например, площадь, тип земли, кадастровый номер и т.д.). Пространственные данные обычно индексаируются с использованием пространственных индексов (например, R-деревья или QuadTree).
б) Файлы
ГИС может использовать и файловые системы для хранения данных. Например, данные в форматах Shapefile или GeoJSON могут храниться в отдельных файлах. Важно, что Shapefile состоит из нескольких файлов, каждый из которых хранит отдельную часть данных (геометрия, индексы, атрибуты и т. д.).
в) Модели данных
Для структурирования информации ГИС используют различные модели данных. Например:
Модель топологии — используется для хранения и управления пространственными отношениями между объектами. Включает в себя такие элементы, как узлы, дуги, полигоны и их связи.
Модель сетей — используется для хранения данных о дорогах, реках и других сетях. Включает в себя такие элементы, как соединения, узлы и ветви.
Модель времени — для работы с временными данными (например, изменение уровня воды в реке или движение объектов).
3. Пространственные индексы
Для ускорения поиска и обработки географических данных ГИС используют пространственные индексы. Пространственные индексы позволяют эффективно искать объекты в географическом пространстве. Примеры пространственных индексов:
R-дерево — для индексации векторных данных.
QuadTree — для растровых данных.
Grids — для быстрого поиска объектов в больших пространствах.
4. Система координат и проекции
ГИС также работает с различными системами координат и проекциями для представления географической информации на плоскости. Основные системы координат:
Географические координаты (широта и долгота) — используемые для глобальных данных.
Проекции (например, UTM) — позволяют отображать данные на плоскости с минимальными искажениями для конкретных регионов.
5. Методы хранения и управления данными
Многослойная структура — ГИС обычно организуют данные в виде слоев, где каждый слой может содержать информацию о различных аспектах пространства (например, слой для дорог, слой для рек, слой для населенных пунктов и т. д.).
Версионность данных — некоторые ГИС-платформы позволяют отслеживать изменения данных во времени, создавая различные версии объектов и их атрибутов.
Заключение
Хранение информации в ГИС — это комплексный процесс, который включает в себя различные форматы данных, структуры хранения, методы индексации и проекции. Векторные и растровые данные представляют собой основные типы информации, которые обрабатываются и хранятся в ГИС, при этом важнейшую роль играют базы данных для управления атрибутивной информацией и пространственными объектами.
