Vektorové a rastrové modely, geometrie a topologie (4.díl)
Pro praktické uživatelé mapových děl v počítači je rozeznání rastrových a vektorových objektů každodenní samozřejmostí. Při snaze pořídit mapová díla, od libovolného poskytovatele, padne při jednání záhy otázka, jestli jsou mapy rastrové nebo vektorové.
Jaký je vlastně mezi rastrovým a vektorovým modelem rozdíl? Který model dat je pro náš GIS výhodnější? Jaké jsou další možnosti využití? Jsou vynaložené finanční prostředky úměrné našim požadavkům?
Odpověď na tyto otázky najdeme v teorii těchto dvou protikladných typů modelování prostorových objektů a podložíme je i praktickými příklady.
Vektorové modelování
Dříve, než začneme modelovat jakýkoliv prostor, musíme stanovit jeho referenční systém. Ten, jak jsme uvedli v minulé kapitole, je v České a Slovenské republice definován systémem JTSK, nebo pro systém GPS WGS-84.
Objekty, nacházející se ve vybraném systému mají svoji geometrii a topologii. Z obecných znalostí víme, že geometrie objektu je dána jeho tvarem a topologie jeho polohou vůči jinému objektu.
Geometrie a topologie základních objektů
Z hlediska geometrie rozeznáváme dva typy objektů :
- Bod – ve vektorovém modelu je elementárním prvkem, definován vektorem souřadnic.
- Linie – je definována jako přímá linie nebo křivka mezi dvěma body. V GIS se zakřivení popisuje mezilehlými body a to z důvodu složitých matematických operací, které ve svém důsledku nemají pro GIS žádný význam.
Tyto dva prvky můžeme z topologického hlediska popsat jako:
- Uzel – bezrozměrný objekt – může splňovat úlohu buď jako samostatný bodový objekt nebo jako počáteční, koncový nebo mezilehlý bod hran.
- Hrana – jednorozměrný objekt, kde se protínají dva plošné objekty. Může také plnit úlohu samostatného liniového objektu. Zakřivené hrany se nazývají oblouky.
Vycházíme z toho, že uvedené dva prvky nám stačí k tomu, abychom mohli definovat i složitější objekty. Pro úplnost musíme ještě dodat, že u hran může být definován i jejich směr. Ten je důležitý proto, abychom mohli určit polohu příslušných ploch nebo směr, kterým sousedící hrany tvoří řetěz.
Řetěz je skupina hran, které splňují tři pravidla. Každá hrana se vyskytuje v řetězci jenom jednou. Dva uzly řetězce se vyskytují pouze na jedné hraně řetězce – počáteční a koncový bod řetězce. Ostatní uzly se vyskytují na dvou hranách řetězce. Jestliže je řetězec uzavřený a nesplňuje pravidlo o existenci počátečního a koncového bodu, vzniká objekt, který z topologického hlediska nazýváme polygon a z geometrického hlediska plocha.
Modelování tématické domény
Databázi ve vektorovém modelování lze organizovat dvěma základními způsoby – ve vrstvách a dle objektů. V čem spočívají jejich hlavní rozdíly?
Modelování ve vrstvách je založeno na tom, že skupina objektů je popsána dle typu objektů a jeho atributů v samostatné vrstvě. Objekty v jedné vrstvě jsou stejného geometrického tvaru (bod, linie, plocha) a mají stejnou tématickou třídu (dopravní značky, elektrické vedení, budovy). Zobrazení a pořadí vykreslování vrstev lze v digitálním prostředí jednoduše uživatelsky určovat. Vyhledávání dle atributů je poměrně rychlé. Předpokladem je, že všechny vrstvy mají shodný souřadnicový systém a měřítko.
Modelování v objektech je značně volnější, protože každý objekt má vlastní geometrii, topologii i tématické atributy. Objekty se sdružují do tříd, jejichž definování je z hlediska správce dat, pružnější a efektivnější.
Rastrové modelování
Rastrové objekty často nazýváme mozaikami nebo obrazy. Nositelem prostorové informace je buňka nebo také pixel. Tvar buňky je buď pravidelný nebo nepravidelný, v závislosti na tom, jak je definované dělení prostoru. U pravidelných je celý prostor složen s buněk, které mají vždy stejný tvar (trojúhelník, čtverec, šestiúhelník) a velikost.
U nepravidelných je prostor složen z buněk různého tvaru a velikosti. Nejpoužívanější je pravidelná čtvercová mřížka a to z důvodu lepší kompatibility se souřadnicovými systémy, s obecnými datovými strukturami i s hardwarovými prostředky, zejména se scannery a tiskárnami.
Zjednodušeně můžeme rastrem nazvat systém pravoúhlých čar, které se protínají a vytvářejí tak ohraničení pro jednotlivé buňky. K tomu, abychom měli definovaný rastr musíme ještě stanovit počátek souřadnicového systému a velikost krokové vzdálenosti na ose X a Y, která definuje velikost stran buňky.
Tématika rastrového modelování zná, tak jako u vektorového modelování, vrstvový i objektový způsob organizování dat. V praxi se vzhledem k tomu, že rastrový model byl vytvořen v oblasti digitálního zpracování obrazu, využívá převážně vrstvový přístup.
Co je vlastně výhodnější – vektor anebo rastr?
Každé modelování má své výhody i nevýhody. Dobré systémy umí pracovat s oběma modely a umí, alespoň do určité míry, pracovat s konverzí dat z jedné formy do druhé. Když si shrneme výhody a nevýhody obou modelů, můžeme konstatovat, že ve vektorovém modelu dosahujeme vysokou přesnost, přesné kreslení, kompaktní strukturu, malý objem dat a vhodnost pro modelování jednotlivých objektů. Nevýhodou jsou komplikované datové struktury, pracnost při přesném kreslení, které obsahuje množství bodů. Je zapotřebí specializovaných softwarů a náročnější jsou i požadavky na hardware.
V rastrovém modelu se za hlavní výhody považuje právě jednoduchá struktura dat, nenáročné softwarové vybavení, výkon analytických operací a simulací. Za negativum lze považovat velký objem dat, nízkou kvalitu vizuálních a tiskových výstupů, zejména v menších měřítkách a nepřesnost výpočtů všech veličin.
Nelze jednoznačně říct, co je obecně výhodnější. Vše záleží na tom, co od dat očekáváme, jaký je náš cíl.
Jestli bude naším úkolem vypracovat přesnou technickou mapu, kde bude sledovaným parametrem vzdálenost inženýrských sítí od hrany objektu nebo silnice, tak je výhodnější použít vektorový model.
V případě, že bude našim úkolem mít přehled o funkčních plochách územního plánu, bude pro tento účel dostatečný rastrový model. V samotných vizualizačních projektech se často setkáváme s kombinací obou modelů.
Klasickým příkladem v našich podmínkách je použití rastrové ort ortofotomapy a nad ní v další samostatné vrstvě vektorové katastrální mapy.
Při rozhodování o tom, který model budeme používat, hraje nemalou roli i finanční faktor.
Vektorové modely jsou vzhledem k pracnosti pořízení, několikrát dražší a proto je vždy na místě zanalyzovat, jestli jejich využití bude mít širší význam, zejména, jestli bude buď podkladem pro tvorbu dalších vrstev, nebo jestli bude využíván pro analytické úlohy.
Použití vhodného modelu patří mezi zásadní rozhodnutí, od kterého se odvíjí mnoho dalších aspektů, od výběru softwaru, přes rozsah řešených úloh, výběru databáze, až ke kvalitě personálu a jeho výchově. Všechny tyto údaje by měla obsahovat úvodní studie, zpracovaná před tím, než vůbec začnete cokoliv v geografických informačních systémech pořizovat. Ušetříte si tím, kromě mnohých problémů, i nemalé, zbytečně vynaložené, finanční náklady.
V příštím díle se budeme věnovat databázovým systémům.
Díly seriálu:
Když se řekne GIS… (1. díl)
Hardware a software pro GIS (2. díl)Geografické objekty a jejich modelování (3. díl)
Vektorové a rastrové modely, geometrie a topologie (4.díl)
Odpovědět na příspěvek