CAPITOLUL 2 DATE.MODELE DE DATE

Particularitatea sistemelor informatice geografice fa de celelalte sistem informatice const n caracterul geografic al datelor pe care le manipuleaz.

Sistemele GIS pot conine o mare varietate de date geografice care provin din surse diferite astfel nct este important s se prezinte importana calitii datelor. Astfel, datele reprezint baza pentru orice sistem informatics geografic. Cu ajutorul diferitelor tipuri de date se pot crea modele de date pentru reprezentarea obiectelor geografice sau a suprafeelor.

ntr-un GIS modelele de date geografice sunt folosite pentru a reprezenta obiecte din lumea real (cldiri, drumuri, tipuri de sol, dealuri i vi, etc.). Aceste modele de date sunt folosite de GIS pentru a executa interogri interactive, analize i pentru a genera produse cartografice.

2.1 Date

Odat cu evoluia tehnologic, datele au devenit crmizile constitutive ale orocrui sistem computerizat, fiind culese, stocate, organizate i manipulate astfel nct s serveasc diverselor nevoi contemporane. Data reprezint o descriere simbolic a unui obiect, fenomen sau a unei aciuni. Simbolurile urmeaz o structur bazat pe o sintax prestabilit, nregistrat pe un suport material i care poate fi prelucrat manual, electronic sau combinat

Indiferent de sursele din care provin, datele reprezint cea mai important component a unui GIS, fr de care acesta nu ar poate exista. Pentru a nelege rolul i funciile unei date ntr-un GIS vom defini aceast noiune:

Dat este un semn, un ir de caractere, un numr depus pe un suport, n vederea regsirii lui ulterioare. Datele, n funcie de tipul lor, pot fi caracterizate prin poziie, atribute, relaii spaiale i timp, dup cum vom vedea n paragrafele urmtoare.

Poziia este exprimat de regul prin coordonate spaiale sau adres potal;

Atributul red caracteristici ale entitilor geografice (denumiri, altitudini, diametre, tipuri de soluri etc);

Relaiile spaiale surprind poziia relativ fa de alte entiti, caracteristic important n analize. Relaiile spaiale introduc noiunea cunoscut n GIS sub numele de topologie,

Timpul reprezint momentul n care a fost culeas data

Datele se mpart n dou categorii

date spaiale (reprezentri digitale ale hrilor)

date atribut (date alfanumerice organizate sub form de tabele pe linii i pe coloane asociate cu datele spaiale) acestea fiind nregistrate sub form de fiiere pe suport magnetic.

n cadrul unui sistem, datele pot avea mai multe roluri n funcie de posibilitile de gestiune, analiz i modelare:

Datele constituie materialul pentru modelare i analiz n GIS

Datele sunt elementele de baz n prezentarea rezultatelor

Datele definesc cadrul geografic al bazei de date

Datele sunt eseniale n procesul de furnizare a informaiei

Toate aceste funcii sunt imposibile fr date, fapt care demonstreaz nc odat c acestea reprezint baza fundamental a unui sistem informatic geografic.

Datele reprezint cea mai important component a sistemelor informatice geografice. Datele geografice i datele tabelare asociate pot proveni din sursele interne sau pot fi procurate de la distribuitori specializai. Crearea i meninerea datelor reprezint faza cea mai de durat i mai costisitoare n implementarea unui proiect GIS. De aceea, este foarte important cunoaterea tipurilor de date cu care lucreaz un GIS , cum sunt acestea stocate i cum pot fi achiziionate.

2.1.1 Data geografic i Informaia geografic

Datele geografice reprezint baza modelelor realizate n GIS, tipul i cantitatea datelor de prelucrat sunt factorii care impun att dezvoltarea sistemelor de calcul ct i diversificarea i optimizarea procedurilor de analiz i management.

Data geografic este un tip special de dat: Termenul de geografic se refer la faptul c data are o referin spaial n cadrul unui sistem geografic. Datele gografice difer de alte tipuri de date, acestea putnd fi identificate i localizate prin coordonate.

Datele geografice sunt alctuite din:

Element descriptiv care arata ce sunt datele. Acest element este considerat deobicei ca o dat aspaial.

Element grafic care indic cum arat, unde se gsete i care sunt relaiile spaiale cu alte date.. Acest element poate fi asociat cu o dat spaial.

Trebuie s subliniem diferena ntre dat i informaie deoarece aceste noiuni sunt apropiate i n legtur direct dar reprezint lucruri diferite. Informaia este o dat care aduce un plus de cunoatere i servete la luarea deciziilor. Informaia tebuie s fie: consistent (suficient de cuprinztoare), relevant (s furnizeze cunotinele necesare), exact, oportun (s fie furnizat la timp) i accesibil ca mod de prezentare. Informaia poate fi definit astfel: Informaia este o dat care a primit o anumit semnificaie (Figura 2-1).

Figura 2.1 Date i Informaii

Informaia geografic este obinut prin procesarea datelor geografice, iar scopul acesteia este s faciliteze puterea de nelegere a utilizatorului n legtur cu geografia elementelor i resurselor Pmntului, dar i a activitilor asociate cu acestea.

Data geografic este un tip aparte de dat, astfel nct conceptele general aplicabile de organizare i structurare nu pot fi aplicate acesteia n mod direct.

Data geografic are patru componente principale:

poziia exprimat prin coordonate (unde se afl);

atributele exprimate prin valori care caracterizeaz obiectul (ce este);

relaiile spaiale exprimate prin vecinti (care sunt relaiile fa de celelalte entiti reprezentate pe hart);

timpul exprimat prin data la care a fost constatat existena respectivei entiti (de cnd a fost observat).

2.1.2 Data spaial i data descriptiva

ntr-un GIS sunt prelucrate dou tipuri de date: spaiale i descriptive.

Datele spaiale se refer la obiecte ce in de geometrie i topologie. Geometria descrie forma, locaia, i dimensiunea unui obiect spaial n timp ce topologia studiaz relaiile spaiale ntre obiecte cum ar fi suprapunearea, adiacena, incluziunea. n comparaie cu datele descriptive care constituie simple numere sau caractere, datele spaiale sunt mai complexe i necesit operaii speciale.

Datele spaiale sunt structuri complexe compuse cum ar fi punctul, linia, suprafaa sau chiar obiecte 3D. Mai mult, obiectele spaiale pot fi structurate mpreun pentru a forma obiecte i mai complexe. Datorit structurii lor comlexe, dimensiunea seturilor de date spaiale este mult mai mare dect cea a datelor descriptive.De exemplu pentru a reprezenta graniele unei ri pot fi necesare mii de perechi de coordonate.

Dependena spaial sau corelarea spaial este des ntlnit ntr-o mulime de aplicaii geospaiale, caracteristicile ntre obiectele vecine tind s fie similare. Datele spaiale necesit soluii speciale de stocare, de indexare i de interogare. Sistemele de gestiune a bazelor de date tradiionale nu pot fi utilizate n mod direct pentru datele spaiale din cauz faptului c acestea nu suport operaii geometrice i topologice.

Avantajul oferit de GIS fa sistemele de tip CAD (Computet-Aided DeGISn) const n posibilitatea de a interconecta aceste tipuri de date i de a gestiona relaiile spaiale care exist ntre entitile considerate n studiu.

2.1.3 Calitatea datelor

Nu exist date GIS lipsite de erori. Imperfeciunile datelor i efectele n analizele GIS nu au primit foarte mult atenie n trecut. Adevrat valoare a oricarei simulri a realitii depinde de calitatea tuturor datelor pe care aceasta le conine.

n ultimul deceniu specialitii GIS au nceput s recunoasc faptul c erorile i lipsa de precizie i acuratee pot afecta calitatea multor tipuri de proiecte GIS, n sensul c erorile care nu sunt luate n calcul pot denatura rezultatul unei analize ntr-un GIS. nelegerea erorilor inerente n datele dintr-un GIS este un proces critic pentru a asigura calitatea rezultatului oricrei analize ce folosete acel set de date.

Acurateea este fidelitatea cu care entitatea spaial este reprezentat n imaginea lumii reale, cuprinznd poziia (acurateea spaial) i caracteristicile (atributele) sale.

Precizia este independent de acuratee i reprezuit gradul de exactitate folosit pentru nregistrarea poziiei i caracteristicilor entitii spaiale.

Calitatea datelor este direct influenat de incertitudine, cu toate neajunsurile pe care le implic (erori, acuratee, precizie, etc.). La toate acestea se mai adaug completitudinea i consistena datelor.

Organizaia Internaional de Standardizare (ISO) definete calitatea ca fiind totalitatea caracteristicilor unui produs care au capacitatea de a satisface o necesitate afirmat i implicit. n funcie de domeniul de utilizare a datelor se va ine cont de msura n care erorile i alte inconveniente ale setului de date afecteaz luarea deciziilor. Astfel, de multe ori prin calitatea datelor se nelege potrivit pentru utilizare.

ntotdeauna datele obinute difer fat de datele care ar fi trebuit obinute i, n consecin apar diferite tipuri de eroare n timpul proceselor de producie.

2.1.4 Surse de date

La nceputurile GIS cnd datele geografice nu erau att de numeroase, procesul de colectare a datelor era cel mai costisitor din punct de vedere financiar i al timpului necesar. n continuare colectarea datelor rmne un proces foarte important n GIS, necesitnd 15-50% din resursele necesare unui astfel de proiect. Un GIS poate conine o varietate de tipuri de date geografice care provin din diverse surse. Din perspectiva crerii unei baze de date geografice, e convenabil s clasificm datele geografice ca primare i secundare.

Sursele de date primare sunt cele colectate special pentru utilizarea ntr-un GIS. Sursele secundare sunt cele colectate iniial pentru alte scopuri i care necesit operaii de aducere la o form potrivit utilizrii n GIS.

Date geografice pot fi obinute, fie n form digital, fie analogica. n funcie de formatul caracteristic datelor digitale putem lua n considerare transformarea acestora i restructurarea nainte de a le folosi.

Datele necesare folosite ntr-un GIS trebuie identificate. Mai nti datele sunt definite, stabilindu-se un raport calitate pre ct mai avantajos. Cutarea datelor definite se relizeaz fie prin intermediul metadatelor, date despre coninut, calitate, condiii i alte caracteristici ale datelor, fie consultnd infrastructurile naionale de date. Sursele posibile, identificate n urma cutrii datelor necesare cu ajutorul metadatelor, sau prin consultarea infrastructurilor naionale de date, se mpart n mai multe categorii dup cum urmeaz.

Harta este un instrument de lucru tradiional pentru utilizatorii de date geografice.

Teledetecia, o alt surs important de date, este "tiina i arta de obinere a informaiei despre un obiect, arie sau fenomen, prin analizarea datelor culese cu ajutorul unui instrument ce nu este n contact direct cu obiectul, aria sau fenomenul studiat".

Aerofotogramele i datele satelitare reprezint surse de date ce treptat vor nlocui hrile n format analog.

Bazele de date spaiale deja existente reprezint o alt surs de date.

Msurtorile n teren reprezint o alt important surs de date. Cele dou categorii prezentate n acest capitol au fost msurtorile topografice convenionale i cele de tip GPS.

Dup ce faza de colectare a datelor se ncheie ncepe faza de stocare i mentenan a datelor. De cele mai multe ori stocarea i mentenana devin operaii complexe i costisitoare datorit volumului mare de date ntr-un GIS i necesitii de a fi disponibile simultan ctre un numr mai mare de utilizatori.

2.1.5 Surse de erori

Utilitatea unui GIS const n abilitatea acestuia de a folosi mai multe tipuri de date legate de aceeai zon geografic pentru a integra seturi de date diferite n cadrul aceluiai sistem. Dar atunci cnd importam un nou set de date n GIS importam i erorile aferente acestora. Prima aciune care trebuie fcut este s contientizm acest fapt i s nelegem limitrile datelor pe care le folosim.

Sursele de eroare n GIS se pot ncadra n trei mari categorii: eroarea uman care apare de regul la introducerea datelor de ctre operator prin digitizare sau vectorizare, eroarea instrumentului de lucru, unde exist erori sistematice care apar datorit trunchierii seturilor de date i erori aleatoare, mai greu de depistat i eroarea de tip GIS. care poate fi eroare de tip software, generat prin aplicarea unor interpolri i/sau algoritmi i eroare hardware, generat de grafic sau afiare necorespunztoare.Unele surse de eroare n GIS sunt foarte evidente n timp ce alte sunt mai greu de indentificat. Softul GIS poate face utilizatorul s cread c datele pe care acesta le folosete sunt precise i de acuratee bun chiar dac acest lucru nu este real.

Eroarea de scara de exemplu este o eroare inerent n cartografie. n funcie de scara folosit vom fi capabili s reprezentm tipuri diferite de date n cantiti diferite i cu o fidelitate diferit.

Vrsta datelor poate fi o alt surs evident de erori. Cnd sursa datelor este prea veche parte din informaii e posibil s se fi modificat. Alte erori sunt generate cnd formatam datele pentru a le procesa. Modificri de scara, transformri din raster n vector, schimbarea sistemului de proiecie etc. toate acestea sunt exemple de posibile surse de eroare.

Alte surse de eroare pot fi mai puin evidente, parte din ele pornind de la procesul iniial de prelevare a datelor. Erorile topologice apar des n timpul procesului de digitizare. Erori ale operatorului se pot rsfrnge asupra datelor digitizate.

Precizia poate fi privita ca definirea gradului de dispersie al variabilelor n jurul valorii medii. Nivelul preciziei n GIS poate fi determinat folosind metoda erorii medii ptratice (RMS - Root Mean Square). care reflect diferenele dintre valorile aproximate de un model i cele reale.

Controlul calitii trebuie privit ca o posibilitate de validare a datelor utilizate. Au fost create o serie de instrumente prin care s se menin un nivel ridicat de calitate a datelor precum: standarde, rapoarte de calitate i metode de detectare a erorilor. Standardul de date este definiia formatului datei care permite transferul ctre i din aplicaii diferite.

Pentru a depista erorile se folosesc mai multe metode printre care: compararea valorilor codificate cu datele surs, "cutarea valorilor imposibile, controlul valorilor extreme, controlul consistenei interne" i altele. Alegerea variantei de testare depinde de tipul, volumul datelor, de nivelul de cuprindere i nelegere a elementelor reale la care se refer datele.

2.2 Modele de date

Un model de date este o construcie matematic ce e format din dou pri. O notaie pentru descrierea datei i un set de operaii folosit pentru manipularea datei. Un model de date este o metod de organizare a unei colecii de fapte referitoare la un sistem n curs de cercetare.

Modelele de date furnizeaz o metod de percepere a lumii nconjurtoare sau o metode de organizare a fenomenlor care ne intereseaz. Modelele pot fi percepute ca un limbaj abstract, o colecie de cuvinte nsoite de un set de reguli gramaticale cu ajutorul crora putem descrie un subiect.

n contextul unui GIS, un model de date este o construcie matematic pentru reprezentarea obiectelor geografice sau a suprafeelor ca date. De exemplu modelul de date vector reprezint geografia printr-o colecie de puncte, linii i poligoane. Modelul de date raster reprezint geografia ca o matrice de celule care rein valori numerice).

ntr-un GIS modelele de date geografice sunt folosite pentru a reprezenta obiecte din lumea real (cldiri, drumuri, tipuri de sol, dealuri i vi, etc.). Aceste modele de date sunt folosite de GIS pentru a executa interogri interactive, analize i pentru a genera produse cartografice. Mai multe tipuri de date poi fi folosite pentru modelare. Softurile de tip GIS de pe piaa sunt creat pentru a servi nevoilor diverselor categorii de utilizatori din diverese domenii de activitate.

n multe domenii modelele vector, raster i cele de suprafa sunt folosite mpreun pentru a furniza soluii sofisticate de vizualizare i analiz.

n concluzie soluiile software de tip GIS de pe piaa trebuie s suporte o mare varietate de modele de date pentru a satiface aceste cerine att de diferite.

Model Conceptual

Model date

Structura de date

Structura de fiier

Figura 2.2 Model de date

2.2.1 Modelul de date raster

La inceputul anilor 1970, studenii i cercettorii de la Harvard foloseau un limbaj de programare numit FORTRAN. Acesta era folosit pentru reprezentarea suprafeelor terestre i a fenomenelor de pe acestea. O form fundamental de reprezentare n FORTRAN era matricea. Experimentnd, studenii au nceput s reprezinte caracteristicile unor suprafee n spaiul 2D i aa a luat natere modelul raster.

Figura 2.3 Model de date raster

Datele raster constau din linii sau coloane de celule, n care fiecare celul conine o singur valoare. Celulele sunt aranjate n linii i coloane unde linia reprezint ax x a unui sistem cartezian de coordonate iar axa y este reprezentat de coloan. Fiecare celul are o poziie unic funcie de rnd i coloan.

Celula este, aadar unitatea elementar de reprezentare pentru o structura raster.

Un raster poate avea i valori reale. Ca exemple putem da un raster DEM provenit din conversia TIN, un raster provenit dintr-un proces de interpolare, sau dintr-un alt proces de prelucrare (cum ar fi harta pantelor). Este, aadar posibil ca toate valorile s fie diferite, astfel c tabelul de attribute nu mai are sens.

Figura 2.4 Structura modelului Raster (Fazal, 2008)

n figura 2.4 se poate observa structura modelului raster. Modelul raster reprezint realitatea prin suprafee de selecie aranjate dup un anumit tipar. n cazul structurii raster, informaia geografic este stocat sub form de matrice uniform, imaginea afiata fiind codificat pe baza unei reele de celule. Pentru un layer dat, cu ct numrul de celule este mai mare, cu att cantitatea de informaii spaiale crete. Realitatea este reprodus cu ajutorul unor celule uniforme i regulate care de obicei au form dreptunghiular sau ptratica dar pot fi i triungiulare sau hexagonale (Figura 2.5).

Figura 2.5 Celule in modelul raster (Srghiu, Svulescu, & Bugnariu, 2000)

Caracteristica principal a unui raster de orice natur este rezoluia. Rezoluia reprezentrii este dat de dimensiunea i numrul de celule necesare reprezentrii suprafeei respective. Cu ct numrul de celule este mai mare iar dimensiunea lor mai mic cu att rezoluia este mai mare iar gradul de detaliere din cadrul modelului este mai ridicat, totui o rezoluie mai bun nseamn i un spaiu de sctocare necesar mai mare. Dimensiuni des utilizate sunt 10 x 10 metri, 100 x 100 metri, 1 x 1 kilometrii, 10 x 10 kilometrii.. Dimensiunea aleas pentru o celul necesar unui studiu depinde de rezoluia datelor care necesit cea mai amnunit analiz. Celula trebuie s fie destul de mic nct s prezinte gradul de detaliere necesar dar suficient de mare nct s nu depeasc spaiul de stocare disponibil i s nu ngreuneze procesele de analiza ulterioare.

Figura 2.6 Efectul dimensiunii celulei raster asupra reprezentarii (Shekhar & Xiong, 2007)

Cu ct o suprafa este mai omogen din punct de vedere topografic i al acoperirii terenului cu detalii cu att dimensiunea unei celule poate fi mai mare fr ca acurateea reprezentrii s fie afectat. Dac celul are dimensiune mai mic dect datele introduse nu vom obine date cu acuratee mai bun. Deobicei rasterul rezultant va fi de aceiai rezoluie sau de rezoluie apropiat cu datele iniiale.

La alegerea dimensiunii celulei trebuie avute n vedere urmtoarele aspecte:

Rezoluia datelor introduse

Dimensiunea bazei de date rezlutante i disponibilitatea spaiului de stocare

Timpul de rspuns dorit

Aplicaiile i anlizele care vor fi realizate

Principala problem legat de modelul raster este necesitatea unui spaiu de stocare mare, n rezolvarea acestei probleme au fost aduse metode de compresie a datelor astfel ca pentru aceiai reprezentare spaiul de stocare ocupat devine mai mic.

n cazul sistemului raster simplu, calculatorul nu poate face distincie ntre linia care reprezint un ru, punctele reprezentnd copaci i suprafaa reprezentnd cldirile. Aceasta se datoreaz faptului c tehnologia raster utilizeaz codul binar pentru stocarea informaiei asupra imaginii.

Celulele coninnd o entitate vor fi nregistrate ca avnd valoarea 1, iar cele libere valoarea 0. Astfel imaginea este perceput ca o serie de valori 1 i 0 i nu sub forma unor informaii difereniate pe categorii de entiti. Pentru a diferenia informaia utiliznd rasterul simplu este necesar ca aceasta s fie introdus n straturi separate pentru fiecare clas, fapt ce necesit un spaiu de stocare foarte mare.

n figura 2.7 se observa c pentru a reprezenta toate cele 3 categorii de elemente din lumea real au fost necesare grile raster necesitnd un spaiu de stocare de 90 bii.

Figura 2.7 Spatiul de stocare raster

n funcie de rezoluia rasterului i implicit de dimensiunea celulei, ntr-o singur celul e posibil s avem mai multe elemente, dar unei celule i se poate atribui o singur valoare, astfel c, pentru a determina ce element e pstrat n celula respectiv se aplic o regul de acoperire. Celula ia valoare acelui element care ocupa cea mai mare parte a ei.

Se folosesc dou regului de dup care putem stabili ocuparea unei celule:

Regula jumtii : dac n cadrul unei celule este ocupat o suprafa mai mare de 50% din suprafaa sa total atunci elementrul este prezent n celul.

Regula prezenei sau absenei : dac o entitate este prezent ntr-o celul, chiar i numai parial, atunci ea se consider prezent n celula respectiv pe care o ocup n totalitate.

Pentru eliminarea inconvenientului principal al structurii datelor rasterului simplu i anume cantitatea mare de informaie ce trebuie stocat, se introduce sistemul raster complex care implic atribuirea de etichete codate celulelor grilei, acestea comunicnd calculatorului pe lng starea de ocupare a celulei i caracterul (Figura 2.8).

Figura 2.8 Sistem raster complex

Pentru a comprima i mai mult informaia a fost introdus codificarea n linie ( run lenght encoding). Este una dintre cele mai simple tehnici de reducere a datelor asociate unei imagini raster. Aceasta reduce informaia pentru fiecare linie a matricei raster, prin stocarea unei singure valori pentru un numr de celule ce formeaz un grup de un anumit tip (n loc s stocheze o valoare pentru fiecare celul).

Figura 2.9 Codificare in linie i modelul raster

n acest caz cu ct este mai lung secven de valori identice consecutive cu att compresia este mai mare.

Avantajele acestui model sunt:

structur de date simpl;

suprapunerea i combinarea straturilor este mai uor de realizat;

simplitatea, care este legat de posibilitatea de efectuare a analizei spaiale;

faciliteaz realizarea simulrilor deoarece fiecare entitate spaial are aceeai mrime i form ;

reprezentarea grafic se face fr prelucrri suplimentare;

similitudinea sa cu datele de teledetecie.

Dezavantajele acestui model sunt:

este un mare consumator de memorie, trebuie pstrate valori pentru fiecare celul;

nu este util pentru reprezentri ale elementelor de tip liniar (exemplu: ci ferate), sau la o rezoluie mare o cas nu mai poate fi reprezentat;

calitatea prezentrii datelor grafice este inferioar.

2.2.2 Modelul de date vector

Raionamentul care st la baza modelului vector e bazat pe presupunerea c lumea real poate fi abstractizat prin elemente clar definite unde fiecare obiect este compus din puncte, linii i poligoane. Fiecare element de tip punct este reprezentat ca o pereche singular de coordonate. Linia i poligonul sunt reprezentate printr-o list ordonat de puncte . Reprezentarea digital a informaiei spaiale ntr-un model vector se bazeaz pe puncte de coordonate.,

Figura 2.10 Modelul de date vecor (dup Albrecht,2007)

(Sursa: http://www.geography.hunter.cuny.edu/image001.gif)

Exist cteva excepii cum ar fi reprezentarea drumurilor sau a limitelor de proprietate, unde liniile sau parte din acestea pot fi descrise de funcii matematice, ca cele ale cercului sau parabolei, n acest scop GIS incluznd ecuaii parametrice.

Din punct de vedere matematic un vector este o linie dreapt definit prin valoare numeric i sens. Deci, o linie drepta ntre dou puncte de coordonate pe un plan digital este un vector. ntr-un model vector, punctele, liniile i poligoanele sunt uniti omogene purttoare de informaie. Aceste trei tipuri de obiecte pot fi reprezentate grafic folosind coordonate, ns aceste obiecte pot purta i atribute. Fiecrei entiti de tip vector i sunt asociate atribute. Spre deosebire de modelul de date raster, care asociaz atribute unei reele de celule.

Figura 2.11 Elementele modelului vector

Punctul este caracterizat printr-o pereche de coordonate (X1,Y1). De asemene punctul poate deveni:

Nod cazul n care acesta este un nceput su sfrit de segment

Vertex locul geometric n care o linie frnt i schimba direcia

Punctul reprezint unitatea elementar n geometrie sau n captarea fotogrametric. Punctul nu trebuie confundat cu celula din reprezentarea raster, deoarece el nu are nici suprafa nici dimensiune.El reprezint o poziionare n spaiu cu 2 sau 3 dimensiuni.

Linia sau polilinia este caracterizat prin secvena de perechi de coordonate (X1,Y1),(X2,Y2)...(Xn,Yn). Linia este o succesiune de puncte legate, ea nu are grosime, ci are doar lungime. Prin polilinie nelegem o succesiune de segmente.

Poligonul Caracterizat printr-o succesiune de linii care formeaz un preimetru i definesc o suprafa. Suprafeele sunt reprezentate prin poligoane adic polilinii nchise. Unui poligon i este ataat n mod obligatoriu un nod izolat, numit centroid. Acest nod privilegiat permite construirea suprafeelor n jurul lui, pn la limitele formate de arcele ntlnite.

Pentru a nelege modelele de tip vector mai nti trebuie s definim un termen des ntlnit n sfera modeleleor de acest tip i anume topologia. Topologia reprezint un concept matematic a crui origine este legat de principiile de adiacent i conectivitate. Ea arat modul n care entitile geografice sunt legate ntre ele. Structurile de date topologice sunt denumite i structuri inteligente deoarece pe baza lor, relaiile spaiale ntre entitile geografice se obin cu uurin.

Figura 2.12 Reprezentarea grafic i tabelar a poligoanelor

Modelel de date vector pot fi categorizate n mai multe subtipuri:

Modelul Spaghetti

Modelul Reea

Modelul Topologic

Modelul Spaghetti. Cea mai simpl structur a datelor vectoriale pentru reprezentarea unei imagini spaiale este un set de coordonate x i y. Acest model e reprezentat de o colecie de puncte i linii ntre care nu exista o conexiune real. Nu avem relaii topologice astfel ca datele reprezentate nu respecta relaiile de adiacenta sau de conectivitate ceea ce se traduce n erori la reproducerea elementelor. Dei modelele de tip Spaghetti pot oferi cteva avantaje comparativ cu celelalte modele de date, cum ar fi simplicitatea, uurin n editare i viteza de randare, dezavantajele nu pot fi ignorate. Dezavantajele acestui model includ redudanta datelor stocate i imposibilitatea realizrii de interogri eficiente.

Modelul Reea. Modelele reea sunt folosite pentru modelarea cailor rutiere a cursurilor de ap i a reelelor edilitare. Modelele reea sunt practic o colecie unidimensional de puncte i linii ntre care avem relaii topologice.

Modelul Topologic. Termenul de topologie a fost mprumutat din matematic. Topologia studiaz poziia relativ a obiectelor independente de forma lor exacta, de lozalizarea lor geografic i de mrimea lor. Acest model asigur calitatea datelor i permite unui GIS s reprezinte ntr-un mod mai realistic entitile geografice. Topologia permite controlul relaiilor geometrice intre entiti i meninerea integritii geometrice a acestora chiar i sub influena transformrii spaiale.

Pentru c o entitate geografic de tip punct s poat fi amplasat corect din punctde vedere topologic, trebuie ca acesta s se raporteze la un reper sau s aib o referin geografic.

Figura 2.13 Modele de date vector

2.2.3 Modelul TIN

Modelul reelei de triangulaie neregulate (TIN) a fost conceput la nceputul anilor '70. Modelul TIN vine n completarea rasterelor. Acesta reprezint o metod de construire a unei suprafee pornind de la un set de puncte de poziie i altitudine cunoscute. Punctele cunoscute sunt conectate prin linii, formnd o serie de triunghiuri. Fiecare triunghi este definit prin trei muchii, iar fiecare muchie este limitat de dou intersecii. n contextul unui MDE (model digiat la elevaiilor), interseciile reprezint caracteristici ale terenului. Deoarece valoarea n fiecare punct este cunoscut, iar distana poate fi calculat, o ecuaie liniar simpl poate fi utilizat pentru interpolarea unei valori n interiorul limitelor unui model.

Figura 2.14 Modelul TIN

( http://www.scisoftware.com/products/gms_details/gms_details.html#TIN )

O reea de triangulaie este cu att mai corect cu ct triunghiurile ce o compun sunt mai puin aplatizate. Se calculeaz diferenele de cot ntre toate perechile de puncte i se sorteaz ncepnd cu cele mai mici. Se conecteaz perechile cele mai apropiate. Se conecteaz n continuare perechea cu diferene de cot mai mari, cu condiia ca liniile rezultante s nu intersecteze liniile anterioare. Inconvenientul metodei este dat de triunghiuri aplatizate rezultate.

Triunghiurile Delaunay. Trei puncte formeaz colurile unui triunghi Delaunay numai cnd cercul circumscris nu conine alte puncte. Singura problem este aceea c nu pot fi formate triunghiuri mai mari, neputndu-se astfel crea o reea de triangulaie ierarhic.

Stocarea reelelor de triangulaie. Acestea pot fi stocate fie triunghi cu triunghi ca serie de poligoane cu atribute asociate, fie ca o serie de puncte i vecintile lor. n primul caz, se atribuie un numr de referin pentru fiecare triunghi, mpreuna cu coordonatele (x, y, z) ale fiecrei intersecii i sunt reinute numerele de referin ale triunghiurilor adiacente. n al doilea caz, se atribuie un numr de identificare fiecrei intersecii, asociat cu coordonatele sale (x, y, z). Acestea sunt stocate mpreun cu punctele (interseciile) vecine, parcurse n sens trigonometric sau orar.

Principalul avantaj al unui model bazat pe o reea neregulat de triangulaie este eficiena stocrii, fiind necesar un numr minim de puncte pentru reproducerea suprafeei. n plus, fiind vorba de triunghiuri ale cror coordonate ale vrfurilor sunt cunoscute, calculele sunt foarte simple.

Figura 2.15 Un element al structurii TIN: un triunghi n spaiul tridimensional

Triunghiurile mari sunt folosite pentru o variaie mic a altitudinii, iar cele mici n caz contrar. Acest lucru i confer un avantaj n operaiile analizei spaiale precum i a volumului pe disc. Structura topologic cuprinde poligoane i noduri.Triunghiurile se caracterizeaz prin: numr triunghi, laturi i vrfuri.

Structura TIN permite:

calculul pantei i a orientrii fiecrei fee;

expunerea la lumina solar;

vizibilitatea dintr-un anumit punct i posibilitatea de a modifica poziia acestuia;

curbe de nivel a cror noduri se situeaz la intersecia dintre fee i un plan orizontal de altitudine dat;

profile liniare - de-a lungul axei OX i neliniare - de-a lungul unui itinerar (vezi operaiile analizei spaiale);

vizualizare n 3D foarte realist.

Figura 2.16 O structur TIN reprezentat n plan

Figura 2.17 Un peisaj real modelat printr-o strucur TIN

2.3 Modele de date 3D

Datele geospaiale pot fi reprezentate precis n trei contexte dimensionale euclidiene distincte: 2D definim locaia msurnd valori pe axele XY; 2.5 D definim locaia n spaiul 2D la care adugm un atribut dimensional la locaia XY; 3D difinim locaia msurnd pe axele XY i Z. Toate obiectele din lumea real au 3 dimensiuni, ns majoritatea metodelor de reprezentare folosesc elemente ca punctul, linia i poligonul pentru a le reprezenta. Dei aceste elemente sunt suficiente pentru reprezentrile 2d cnd vine vorba de a treia dimensiune acestea se dovedesc a fi nesatisfctoare.

Modelele pot fi create n mod automat sau manual. Procesul de modelare manual de pregtire a datelor geometrice pentru grafica 3D pe calculator este similar cu artele plastice, cum ar fi sculptura. Recent, noi concepte de modelare 3D au nceput s apar. O nou tehnologie ndeprtata ns de tehnicile tradiionale ncepe s apar, cum ar fi modelarea curve control, care accentueaz modelarea micrii unui obiect 3D n loc de modelarea tradiionale a formei statice.

Modele 3D reprezint un obiect 3D printr-o colecie de puncte n spaiul 3D, conectate prin diverse

entiti geometrice, cum ar fi triunghiuri, linii, suprafee curbe, etc Fiind o colecie de date (puncte i alte informaii), modele 3D pot fi create manual , algoritmic (modelare procedurale), sau scanat.

2.3.1 Modelul de date 3D Voxel

Un voxel reprezint o valoare pe o gril n spaiu tridimensional. Voxelul este considerat un geamantan pentru "volum" i "pixel" n cazul n care pixelul este o combinaie de "imagine" i "element". Ca i n cazul pixelilor ntr-un bitmap, voxelii nii nu au de obicei poziia lor (coordonatele lor) codificat n mod explicit, mpreun cu valorile lor. n schimb, poziia unui voxel se deduce cu ajutorul poziiei sale n raport cu ali voxeli (de exemplu, poziia sa n structura de date care face o singur imagine volumetric).

Spre deosebire de pixeli i voxeli, punctele i poligoanele sunt adesea reprezentate n mod explicit de coordonatele nodurilor lor. O consecin direct a acestei diferene este aceea c poligoanele sunt capabile s reprezinte mai eficient structurile 3D simple, cu o mulime de spaiu gol sau omogen umplut, n timp ce voxelii sunt buni la reprezentarea spaiilor eantion regulat, care sunt umplute non-omogen.

Voxelii sunt utilizai n mod frecvent n vizualizarea i analiza datelor medicale si stiintifice. Unele afiaje volumetrice folosesc voxeli pentru a descrie rezolvarea lor. De exemplu, un ecran ar putea fi n msur s prezinte 512 512 512 voxeli.

Figura 2.18 Reprezentare voxeli

Figura 2.19 Reprezentare reea de voxeli

2.3.2 Model de date 3D TIN

Acest model este practic o dezvoltare a modelului 2D TIN. Uneori este denumit TEN (abreviere de la Tetrahedral Network, n traducere reea de tetraedre). Un obiect este descris de tetraedre legate dar care nu se intersecteaz. Similar modelului 2D TIN, TEN prezint avantaje n procesele de manipulare, afiare i analiz. Un TEN este compus din tetraedre care conin patru verteci, ase muchii i patru fete. Reprezentarea poate fi generat folosind aceleai tehnici ca n cazul TIN. Dac construim o reea 2D TIN aceasta va putea fi dezvoltat n 3D TEN.

Figura 2.20 3D TEN (Abdul-Rahman & Morakot, 2007)

Avantajul acestui model este c reprezint cea mai simpl structura de date ce poate fi redus la punct, linie, poligon i volum. n cadrul unui TEN informaia topologic este procesat rapid i la fel i vizualizarea.

2.4 Topologia obiectelor spatiale

n GIS , pe lng datele geometrice i atribut, topologia are un rol vital n sistemul de informaii spaiale. Topologia este utilizat pentru a determina relaia ntre obiecte n spaiu. De exemplu, n cazul unui obiect punct, am putea avea nevoie s tim relaia cu obiectele vecine (care ar putea fi puncte, linii, suprafee, sau obiecte solide). Acelai lucru este valabil pentru linii, zone, i obiecte solide. n studiul acestei probleme se folosesc termenii complex i simplex pentru descrierea relaiilor topologice de obiecte plane.

n cazul 2D, structuri de tip TIN pot fi considerate ca fiind complexe simpliciale ntr-un plan euclidian. Aici, 0-simplex este setul unui singur punct n planul euclidian. A 1-simplex este un segment de linie dreapt. A 2 -simplex este un set de puncte de pe grania i n interiorul unui triunghi ale crui noduri nu sunt coliniare. Aceste simpliciale sunt bine reprezentate n modelul de reprezentare faete, unde un nod TIN este topologic echivalent cu 0-simplex, marginea unei TIN este topologic echivalent cu 1-simplex, i o zon de TIN (suprafa) este topologic echivalent cu 2-simplex. Din moment ce aceast teorie complex simplicial este aplicabil n n-dimensiuni, atunci am putea reprezenta, de asemenea, primitivele din reprezentarea TEN folosind acelai principiu. Deci un 3-simplex este un volum care este reprezentat de un tetraedru.

Figura 2.21 Topologia Simplex (Abdul-Rahman & Morakot, 2007)

Simplicialele sunt pietrele de temelie ale unei structuri mai mari, simpliciale complexe. Complexele sunt construite din simpliciale. Dac ne amintim reprezentarea TIN un complex simplicial poate fi format (adic un complex bidimensional). Acest concept de complex simplicial constituie un cadru solid pentru analiza topologia a unei diversiti de puncte i muchii ntr-un plan i este viabil pentru reprezentarea TIN de obiecte spaiale.

Figura 2.22 Simplicial complex (Abdul-Rahman & Morakot, 2007)