Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
1. Понятие о географической ГИС и ГИС-технологии
Смысловая и содержательная трактовка термина географические информационные системы, или ГИС, сильно зависит от профессиональных интересов дающего определение. Если послушать некоторых, то можно подумать, что решить проблемы вашей организации, равно как и мировые можно только с помощью ГИС. Конечно, ГИС применима для очень большого числа приложений в различных предметных сферах, и с её помощью многие задачи можно решать быстрее и эффективнее. Но всегда следует помнить, что ГИС – это только набор великолепных инструментов, по-разному применяемых специалистами для их решения. Поэтому важно понимать, каким образом можно увеличить эффективность деятельности организации с помощью ГИС.
Точное определение ГИС дать очень сложно, поскольку при работе она может рассматриваться на нескольких уровнях, и для различного применения будет означать разные вещи. Для некоторых ГИС – набор программных инструментов, используемых для ввода, хранения, манипулирования, анализа и отображения географической информации.
Это техническое определение, отражающее историю развития ГИС как объединения средств автоматизации проектирования (CAD) с цифровой картографией и программами баз данных (СУБД). Для других ГИС может быть образом мышления, способом принятия решений в организации, где вся информация соотносится с пространством и хранится централизованно.
Это скорее стратегическое определение. Важно понимать, что ГИС может не оказаться решением ваших проблем и потребует некоторых размышлений для успешного выполнения задач.
ГИС – это система, состоящая из трех компонентов, каждый из которых необходим для успеха: пространственных данных, аппаратно-программных инструментов и проблемы, как объекта решения. Причем проблема служит главным компонентом, заставляющим выбирать и способы передачи, хранения представления, анализа данных, и программные инструментальные средства, и технологии создания той или иной предметно-ориентированной информационной системы.
2. Периодизация в развитии ГИС
История ГИС берет своё начало с конца пятидесятых годов прошлого столетия. За 50 лет пройдено несколько этапов, позволивших создать самостоятельно функционирующую сферу – сферу ГИС- технологий. Основные достижения в геоинформационной картографии были, к сожалению, получены в США, Канаде и Европе, а не в России. Россия и бывший СССР не участвовали в мировом процессе создания и развития геоинформационных технологий вплоть до середины 1980-х годов. Тем не менее, наша страна имеет свой, пусть небольшой, опыт развития ГИС и ГИС-технологий.
В истории развития ГИС выделяют четыре периода:
Новаторский период (поздние 1950е - ранние 1970е гг.)
исследование принципиальных возможностей информационных систем, пограничных областей знаний и технологий, наработка эмпирического опыта, первые крупные проекты и теоретические работы.
Период государственного влияния (ранние 1970е - ранние 1980е гг.)
Развитие крупных геоинформационных проектов, финансируемых государством, формирование государственных институтов в области геоинформатики, снижение роли и влияния отдельных исследователей и небольших групп.
Период коммерциализации (ранние 1980е - настоящее время)
Широкий рынок разнообразных программных средств, развитие настольных инструментальных ГИС, расширение области их применения за счет интеграции с базами атрибутивных данных, создание сетевых приложений, появление значительного числа непрофессиональных пользователей, организация систем, поддерживающие индивидуальные наборы данных на отдельных компьютерах и поддерживающим корпоративные и распределенные базы геоданных.
Период потребления (поздние 1980е - настоящее время)
Повышенная конкурентная борьба среди коммерческих производителей геоинформационных технологий и услуг дает преимущества пользователям ГИС, доступность и “открытость” программных средств позволяет пользователям самим настраивать, адаптировать, использовать и даже модифицировать программы, появление пользовательских “клубов”, телеконференций, территориально разобщенных, но связанных единой тематикой пользовательских групп, возросшая потребность в географических данных, начало формирования геоинформационной инфраструктуры планетарного масштаба.
В конце 60-х Бюро переписи США разработало формат GBF-DIME (Geographic Base File, Dual Independent Map Encoding). В этом формате впервые была реализована схема определения пространственных отношений между объектами, называемая топологией, которая описывает, как линейные объекты на карте взаимосвязаны между собой, какие площадные объекты граничат друг с другом, а какие объекты состоят из соседствующих элементов. Впервые были пронумерованы узловые точки, впервые были присвоены идентификаторы площадям по разные стороны линий. Это было революционное нововведение. Формат GBF-DIME позже трансформировался в TIGER. Важными лицами этого процесса явились математик Джеймс Корбетт (James Corbett), программисты Дональд Кук (Donald Cooke) и Максфилд (Maxfield). Карты в формате GBF-DIME в течение 70х годов были сформированы для всех городов Соединенных Штатов. Эту технологию по сегодняшний день использует множество современных ГИС.
Многие важные идеи, касающиеся ГИС, возникли в стенах Лаборатории компьютерной графики и пространственного анализа Гарварда. Из этой лаборатории вышло несколько ключевых фигур ГИС индустрии: это Говард Фишер (Howard Fisher) – основатель лаборатории и программист Дана Томлин (Dana Tomlin), заложившая основы картографической алгебры, создав знаменитое семейство растровых программных средств Map Analysis Package - MAP, PMAP, aMAP.
Наиболее известными и хорошо зарекомендовавшими себя программными продуктами Гарвардской лаборатории являются:
SYMAP (система многоцелевого картографирования);
CALFORM (программа вывода картографического изображения на плоттер);
SYMVU (просмотр перспективных (трехмерных) изображений);
ODYSSEY (предшественник знаменитого ARC/INFO).
Большое влияние на развитие ГИС-технологий оказали теоретические разработки в области географии и пространственных взаимоотношений, а также в развитие количественных методов в географии в США, Канаде, Франции, Англии, Швеции (работы У.Гаррисона (William Garrison), Т.Хагерстранда (Torsten Hagerstrand), Г.Маккарти (Harold McCarty), Я.Макхарга (Ian McHarg).
В завершении этого краткого экскурса в историю ГИС отметим старейшие компании, основанные в 1969 году, которые являются и по сей день крупнейшими разработчиками ГИС – это ESRI и Intergraph. Эти две компании являются производителями самых популярных в США и в мире геоинформационных систем – так, вдвоем они производят ровно половину ГИС, используемых в США. Начиная с 90-х гг. прошлого столетия, эти фирмы активно осваивают российский рынок ГИС.
3 . Классификация и функции ГИС
ГИС – это интегрированные в единой информационной среде электр.пространственно-ориентированные изображения (карты, схемы, планы и т.п.) и БД (таблицы, паспорта, иллюстрации, расписания и т. п.)
Классификация ГИС
Существует несколько направлений.
Классификация по их проблемной ориентации :
1. Инженерные; 2. Имущественные (ГИС для учета недвижимости), предназначенные для обработки кадастровых данных; 3.ГИС для тематического и статистического картографирования, имеющие целью управление природными ресурсами, составление карт переписям и планирование окружающей среды; 4. Библиографические, содержащие каталогизированную информацию о множестве географических документов;
5. Географические файлы с данными о функциональных и административных границах;
6. Системы обработки изображений и др.
Однако быстрая изменчивость и множественность вариантов решаемых проблем требует введения иных классификаций, учитывающих структуру и архитектуру ГИС.
Разработана и представлена 3 - х компонентная классификация ГИС по след. признакам:
1) характеру проблемно - процессорной модели;
2) структуре модели баз данных;
3) особенностям модели интерфейса.
ГИС относятся к пространственным информ. системам, делится на:
1. тематические ( например социально - экономические)
2. земельные (кадастровые, лесные, инвентаризационные и др.).
Существует разделение по территориальному охвату:
1. общенациональные ГИС 2. региональные ГИС)
По целям:
1. многоцелевые 2. специализированные 3. информационно - справочные
4. инвентаризационные, для нужд планирования, управления)
По тематической ориентации:
1. общегеографические
2. отраслевые, в том числе водных ресурсов
3. использования земель
4. лесопользования
5. туризма
6. рекреации и др.
Классификация ГИС (по признакам): по назначению, по тематике, территориальному охвату, способу организации геоданных.
1) По назначению в зависимости от целевого использования и хар-ра решаемых задач.
2) по проблемной тематической ориентации в зависимости от области применения.
3) по территориальному охвату в зависимости от масштабного ряда цифровых картографических данных, составляющих базу данных ГИС
4) по способу организации геоданных в зависимости от формата ввода, хранения, обработки и представления картографической инфы.
По назначению делят на – многоцелевые, информационно-справочные, мониторинговые и инвентаризационные, исследовательские, принятия решений, учебные, издательские, нового назначения.
По проблемной тематической ориентации делят на – экологические и природопользовательские, соц-экономические, земельно-кадастровые, геологические, инженерных коммуникаций и городского хозяйства, чрезвычайных ситуаций, навигационные, транспортные, торгово-маркетинговые, археологические и др.
По территориальному охвату – глобальные, общенациональные, региональные, локальные, муниципальные.
По способу организации геоданых – векторные, растровые, векторно-растровые, трехмерные.
Функции: получение данных, их ввод в компьютерную (точнее цифровую среду), хранение (в том числе обновление), обработка, вывод, распространение и использование данных, включая принятие решений на их основе.
ФУНКЦИИ ГИС
ГИС характеризуются: наглядность представления семантической информации из БД за счет отображения взаимного простр. расположения данных; увеличение информ.емкости продукта за счет связи пространственно-ориентированных изобр-ий с семантической инф-ей из БД; улучшение структ-ти инф-ии и, как следствие, повышение эфф-ти ее анализа и обработки.
Традиц. набор функций ГИС при работе с картой включает: -показ карты в различных масштабах -выбор набора слоев информации для показа -зависимость внешнего вида объектов от их семантических характеристик -оперативное получение информации об объекте при выборе его курсором мыши -возможность распечатки любых фрагментов карты.
4. Области и сферы применения ГИС
Основные:
Экология и природопользование; Земельный кадастр и землеустройство; Морская, авиационная и автомобильная навигация; Управление городским хозяйством; Региональное планирование; Маркетинг; Демография и исследование трудовых ресурсов; Управление дорожным движением; Оперативное управление и планирование в чрезвычайных ситуациях;Социология и политология
Кроме того, ГИС используются для решения разнородных задач, таких как:
обеспечение комплексного и отраслевого кадастра; поиск и эффективное использование природных ресурсов; территориальное и отраслевое планирование; контроль условий жизни населения, здравоохранение, социальное обслуживание, трудовая занятость; обеспечение деятельности правоохранительных органов и силовых структур; наука и образование; картографирование.
Специалисты, работающие в области ГИС и геоинформационных технологий, занимаются следующим:
накоплением первичных данных; проектированием баз данных; проектированием ГИС; планированием, управлением и администрированием геоинформационных проектов;разработкой и поддержкой ГИС; маркетингом и распространением ГИС-продукции и геоданных; профессиональным геоинформационным образованием и обучением ГИС-технологиям.
Местные администрации
Задачи управления муниципальным хозяйством – одна из крупнейших областей приложений ГИС. В любой сфере деятельности местной администрации (обследование земель, управление землепользованием, замена существующих бумажных записей, управление ресурсами, учёт состояния собственности (недвижимости) и дорожных магистралей) применимы ГИС. Они могут использоваться также на командных пунктах управления центров по мониторингу и в службах быстрого реагирования.
Коммунальное хозяйство
Организации, обес-щие ком.услуги, наиболее активно используют ГИС для построения базы данных об основных средствах (трубопроводы, кабели, насосы, распределительные станции и т.п.), которая является центральной частью в их стратегии информационной технологии. Обычно в этом секторе доминируют ГИС, обеспечивающие моделирование поведения сетей в ответ на различные отклонения от нормы. Наибольшее применение находят системы автоматизации картографирования и управления основными средствами в организации: прокладка кабелей, расположение задвижек, щитов обслуживания и др.
Охрана окружающей среды
Наиболее ранними пользователями ГИС были организации, заинтерес. в охране окр.среды. На простейшем уровне – для исследования состояния окружающей среды (например, расположение и состояние лесов, рек). Более сложные приложения используют аналитические возможности ГИС для моделирования процессов в окр. среде, таких как эрозия почв или разлив рек в случае большого количества осадков, распространение выбросов загрязняющих веществ промышленных предприятий в атмосфере. После сбора исходных картографических данных производится их аналитическая обработка в ГИС.
Здравоохранение
ГИС используют, например, для определения кратчайшего пути от станции скорой помощи до пациента с учетом текущей ситуации на дорогах, а также при анализе эпидемиологических ситуаций: характера распространения различных заболеваний и причин их возникновения.
Транспорт
Планирование и поддержка транспортной инфраструктуры – это очевидная область применения. В наст. время увеличивается интерес к использ. новых технологий, например навигационных, для контроля за движением большегрузных автомобилей. Отображение их места нахождения на цифровой карте на дисплеях в кабине водителя и в центре управления перевозками требует поддержки со стороны ГИС.
Розничная торговля
Крупные западные коммерческие фирмы используют ГИС для выбора места расположения большинства новых супермаркетов за пределами центра города, для хранения социально-экономических деталей обстановки и потенциальных заказчиков в заданной области. Расположение склада и зона обслуживания могут быть разработаны с помощью вычислений времени доставки и моделирования влияния конкурирующих складов. ГИС используют также и для управления поставками.
Финансовые услуги
В секторе финансовыми услуг ГИС используются так же, как и в приложениях для розничной торговли: для определения расположения филиалов банков и зданий обществ; в качестве инструмента для оценки риска вложений средств в недвижимость и страхования, для определения областей высшего/низшего риска. Это требует баз данных о криминальной обстановке, ресурсах территории, характеристиках недвижимости.
5. Виды существования информации
Среди источников данных, широко используемых в геоинформатике, наиболее часто привлекают картографические, статистические и аэрокосмические материалы, поэтому именно они будут предметом рассмотрения в данной главе. Помимо указанных материалов гораздо реже используют данные специально проводимых полевых исследований и съемок, а также литературные (текстовые) источники, что дает нам право охарактеризовать их лишь в самом общем виде. "Тип источника" объединяет генетически однородное множество исходных материалов, каждое из которых сильно различается по комплексу характеристик. К ним принадлежит, например, такой важный признак – в какой цифровой или нецифровой (аналоговой) форме получается, хранится и используется тот или иной тип данных, от чего зависят легкость, стоимость и точность ввода этих данных в цифровую среду ГИС. Использование географических карт как источников исходных данных для формирования тематических структур баз данных удобно и эффективно по ряду причин. Прежде всего, сведения, считанные с карт, имеют четкую территориальную привязку, во-вторых, в них нет пропусков, "белых пятен" в пределах изображаемой территории и, в-третьих, они в любой своей форме возможны для записи на машинные носители информации. Картографические источники отличаются большим разнообразием – кроме общегеографических и топографических карт насчитывают десятки и даже сотни типов различных тематических карт, перечень которых занял бы не одну страницу текста.
Любая ГИС включает компоненты: аппаратная платформа, программное обеспечение, данные(информация), человек-аналитик.
Аппаратная платформа состоит из частей – компьютера (рабочие станции, ноутбуки, карманные порты…), средства хранения данных, устройства ввода инфы (сканер, клавиатура, мышка, плоттер), устройства ввода инфы (плоттер, принтер).
Информация – совокупность знаний о фактических данных и зависимостях между ними.
Информация вычислительной техники – данные, подлежащие вводу в комп, обработанные на нем или выводимые пользователем законы, методы и способы накопления, обработки и передачи инфы с помощью компов и др. технических устройств. Изучаются информатикой, а в приложении к проблематике ГИС – геоинформатикой.
Сердцем ГИС явл. использованные для анализа данные. Устройства ввода позволяют конвертировать существующую географическую инфу в тот формат, кот используется в данной ГИС.
Геоинфа включает в себя важные карты, материалы аэрофотосъемок и дистанционного зондирования, а также адреса, координаты объектов, собранные с помощ систем GPS, спутников или цифровой геоинфы, хранимой в др. форматах.
2 типа информации ГИС – географическая и атрибутивная (непространственная, семантическая, тематическая, описательная, табличная инфа).
Геоинфа представлена данными, описывающими пространственное месторасположение объектов (координаты). Она хранится на магнитных лентах, жестких оптических дисках, служит для визуализации.
Атрибутивная инфа – данные, описывающие качественные (количественные) параметры пространственно соотнесенных объектов.
6. Программное обеспечение для ГИС
Программное обеспечение ГИС – совокупность программ, программных документов, реализующие функциональные возможности ГИС совместно с информационным и другими видами обеспечения. Большинство программных пакетов обладает схожим набором характеристик: послойное картографирование, маркирование, кодирование географической информации, нахождение объектов в заданной области, определение разных величин.
Программное обеспечение различается в цене и функциональности. Выбор программного обеспечения зависит от конкретных прикладных задач.
В настоящее время прослеживается активизация отечественных фирм разработчиков программного обеспечения ГИС и фирм поставщиков коммерческих зарубежных ГИС пакетов. Периодически в печати на сайте ГИС ассоциации публикуются обзоры программного обеспечения ГИС (www.gisa.ru).
Программное обеспечение позволяет вводить, сохранять, анализировать и отображать географическую информацию. Ключевыми компонентами программного обеспечения являются: - средства для ввода и манипулирования географическими данными, - система управления базой данных, - программные средства, обеспечивающие поддержку запросов, географический анализ и визуализацию информации, графический интерфейс пользователя, облегчающий использование программных средств.
7. Классификация программных средств геоинформатики
Для структурирования динамично изменяющейся информации используется функциональная и предметная классификации.
Функциональная классификация:
10) Средства разработки ГИС-приложений
11) Средства разработки ГИС-INTERNET-приложений
12) Системы моделирования – комплекс программ для прогноза деформации земной поверхности при подземной разработке месторождений
13) Системы управления распределенными базами географических данных
Предметная классификация:
10)Системы сбора и обработки экологической информации
Представленные сегодня на рынке программные средства (ПС) ГИС можно условно подразделять на несколько категорий:
Инструментальные ГИС – системы с наиболее широкими возможностями, включающими ввод, хранение, сложные запросы, пространственный анализ, вывод твердых копий. Многие крупные инструментальные ГИС сопровождаются ГИС-вьюерами. Они предназначены для просмотра введенной ранее и структурированной по правам доступа информации, позволяя при этом выполнять информационные запросы из сформированых с помощью инструментальных ГИС баз данных. Большинство их позволяет организовать вывод оформленного картографического планшета на твердый носитель.
Векторизаторы растровых картографических изображений. Предназначены для реализации процедур ввода пространственной информации со сканера, включают автоматические или полуавтоматические
средства преобразования растровых изображений в векторную информацию.
Справочные картографические системы. По функциональным возможностям приближены к ГИС-вьюерам, однако предназначены для работы только со встроенной базой данных, имея минимальные средства для ее
обновления или пополнения.
Специализированные средства пространственного моделирования. К этому классу относятся системы, оперирующие с пространственной информацией, но ориентированные в первую очередь на частные задачи типа моделирования процесса распространения загрязнений, геологических явлений, анализа рельефа.
Средства обработки и дешифрирования данных дистанционного зондирования. Этот класс программных средств предназначен для обработки цифровых изображений земной поверхности, полученной с борта самолетов и искусственных спутников.
8. Пространственные характеристики объектов.
Пространственные данные - цифровые данные о пространственныхобьектах, включающие сведения об их местоположениии,свойствах, пространственных и непространственныхатрибутах. Обычно состоят издвух взаимосвязанных частей: позиционной и непозиционной составляющей данных, иначе описания пространственногоположения и тематического содержания данных, тополого-геометрических и атрибутивных данных П.д. Вместе с их семантическим окружением составляют основу информационного обеспечения ГИС , унаследованные от терминологии, принятой и допустимой в системахт ипа САПР. Необходимость учета динамичности, изменчивости данных, их обновления требует, наряду с "пространственностью", учета временных аспектов данных, расширяя понятие П.д. до пространственно-временных данных. Качество П.д. определяется их точностью (безошибочностью), надежностью, достоверностью, полнотой, непротиворечивостью. На множестве П.д. определены различные операции ввода, экспорта, импорта, обмена, предобработки, обработки, анализа, вывода, визуализацииит.п., включаемых в состав функциональныхвоз можностей ГИС.
Пространственные данные или характеристики - сведения, которые характеризуют местоположение объектов в пространстве относительно друг друга и их геометрию. Обычно состоят из двух взаимосвязанных частей: позиционной и непозиционной составляющей данных; иначе описания пространственного положения и тематического содержания данных; тополого-геометрических и атрибутивных данных. Основное требование к таким данным - точность. Пространственные объекты представляют с помощью следующих графических объектов: точки, линии, области и поверхности.
Точечные объекты - это такие объекты, каждый из которых расположен только в одной точке пространства, представленной парой координат X, Y. В зависимости от масштаба картографирования, в качестве таких объектов могут рассматриваться дерево, дом или город.
Линейные объекты, представлены как одномерные, имеющие одну размерность - длину, ширина объекта не выражается в данном масштабе или не существенна. Примеры таких объектов: реки, границы муниципальных округов, горизонтали рельефа.
Области (полигоны) - площадные объекты, представляются набором пар координат (Х, У) или набором объектов типа линия, представляющих собой замкнутый контур. Такими объектами могут быть представлены территории, занимаемые определенным ландшафтом, городом или целым континентом.
Поверхность - при ее описании требуется добавление к площадным объектам значений высоты. Восстановление поверхностей осуществляется с помощью использования математических алгоритмов (интерполяции и аппроксимации) по исходному набору координат X, Y, Z.
Дополнительные непространственные данные об объектах образуют набор атрибутов. Атрибутивные данные - это качественные или количественные характеристики пространственных объектов, выражающиеся, как правило, в алфавитно-цифровом виде. Примеры таких данных: географическое название, видовой состав растительности, характеристики почв и т.п.
Природа пространственных и атрибутивных данных различна, соответственно различны и методы манипулирования (хранения, ввода, редактирования, поиска и анализа) для двух этих составляющих геоинформационной системы. Одна из основных идей, воплощенных в традиционных ГИС - это сохранение связи между пространственными и атрибутивными данными, при раздельном их хранении и, частично, раздельной обработке.
Общее цифровое описание пространственного объекта включает: наименование; указание местоположения; набор свойств; отношения с другими объектами. Наименованием объекта служит его географическое название (если оно есть), его условный код или идентификатор, присваиваемый пользователем или системой.
Однотипные объекты по пространственному и тематическому признакам объединяются в слои цифровой карты, которые рассматриваются как отдельные информационные единицы, при этом существует возможность совмещения всей имеющейся информации
9 Временные характеристики данных.
Временные характеристики фиксируют время исследования объекта и важны для оценки изменений свойств объекта с течением времени. Основное требование к таким данным - актуальность, что означает возможность их использования для обработки, неактуальные данные - это устаревшие данные. Таким образом, актуализацией данных - называют процедуру обновления данных для приведения их в соответствие с изменениями в объективной реальности объектов исследования или среды.
По временной характеристики информация, хранимая и ГНС, обычно подразделяется на:
долгосрочную (десятки лет хранения);
среднесрочную (годы);
годовую и сезонную;
оперативную.
Однако временной аспект данных в ГИС определяется и классом решаемых задач. Например, в большинстве ГИС оперативное и определяется от одной недели до двух-трех недель. В специальных ГИСсистемах (военная разведка, анализ чрезвычайных ситуаций) оперативность может составлять минуты.
10. Тематические характеристики данных
Тематические (существенные) данные отражают тематическое содержание пространственного объекта и представляют тем самым класс негеометрических данных. Таким образом, можно описать различные тематические соподчинения, например, земельной площади: положение, указатель собственников, оценка почвы, кадастр деревьев и т.д. Другие обозначения тематических данных даются через атрибуты и тематические данные. Тематические (существенные) данные обычно не имеют иерархии и их поэтому хорошо переводить в реляционные модели банков данных.
Тематические характеристики описывают разные свойства объекта, включая экономические, статистические, технические и другие свойства, основное требование – полнота.
11. Формы представления данных
Различают две основных формы представления картографических данных в компьютере – растровые изображения (фактически это цифровые фотографии), используемые для представления аэрофотоснимков, бумажных карт и планов, и векторные описания карт. Векторная форма представления карты является основной при создании картографических баз данных и используется для решения задач анализа географического пространства.
Для представления пространственных объектов в ГИС используют пространственные и атрибутивные типы данных.
Пространственные данные – сведения, которые характеризуют местоположение объектов в пространстве относительно друг друга и их геометрию.
Пространственные объекты представляют с помощью следующих графических объектов: точки, линии, области(полигоны) и поверхности.
Точечные объекты – это такие объекты, каждый из которых расположен только в одной точке пространства, представленной парой координат X, Y. В зависимости от масштаба картографирования, в качестве таких объектов могут рассматриваться дерево, дом или город.
Линейные объекты, представлены как одномерные, имеющие одну размерность – длину, ширина объекта не выражается в данном масштабе или не существенна. Примеры таких объектов: реки, границы муниципальных округов, горизонтали рельефа. Линейные формы могут быть простыми непрерывными линиями, как, например, линия разлома на карте. Они могут быть также составными: состоящими из связанных частей (разветвляющиеся полилинии, как, например, река).
Области (полигоны) - площадные объекты, представляются набором пар координат (Х, У) или набором объектов типа линия, представляющих собой замкнутый контур. Такими объектами могут быть представлены территории, занимаемые определенным ландшафтом, городом или целым континентом.
Поверхность - при ее описании требуется добавление к площадным объектам значений высоты. Восстановление поверхностей осуществляется с помощью использования математических алгоритмов (интерполяции и аппроксимации) по исходному набору координат X, Y, Z.
Дополнительные непространственные данные об объектах образуют набор атрибутов.
Атрибутивные данные - это качественные или количественные характеристики пространственных объектов, выражающиеся, как правило, в алфавитно-цифровом виде. Примеры таких данных: географическое название, видовой состав растительности, характеристики почв и т.п.
Природа пространственных и атрибутивных данных различна, соответственно различны и методы манипулирования (хранения, ввода, редактирования, поиска и анализа) для двух этих составляющих геоинформационной системы. Одна из основных идей, воплощенных в традиционных ГИС - это сохранение связи между пространственными и атрибутивными данными, при раздельном их хранении и, частично, раздельной обработке.
Однотипные объекты по пространственному и тематическому признакам объединяются в слои цифровой карты, которые рассматриваются как отдельные информационные единицы, при этом существует возможность совмещения всей имеющейся информации.
Аспект представления моделей разграничивает модели по четырем основным формам представления: аналитические, табличные, графические и графовые.
Аналитическая форма представляет модель в виде формулы, аналитического выражения, совокупности аналитических выражений (уравнений). Графическая форма использует отображение совокупности моделей или данных в виде кривых, графиков, диаграмм. Она применяется при наличии статистических данных и при известном аналитическом описании модели.
Табличная форма дает представление модели или ее характеристик в виде одной или совокупности взаимосвязанных таблиц. Она применяется при описании атрибутов и при сборе стат. инф-ии.
Графовая форма основана на представлении модели в виде графической схемы называемой графом. Она применяется при описании структур моделей данных, процессов обработки или управления и oписании сложных систем. В отличии от произвольно нарисованной схемы графовая модель, как и табличная модель, строится по определенным правилам. Графовая форма позволяет формализованно представлять и использовать при обработке топологические свойства о объектов. В целом формы представления моделей реализуются средствами компьютерной графики и деловой графики
12. Пространственный объект - цифровое представление объекта реальности, иначе цифровая модель объекта местности, содержащая его местоуказание и набор свойств, характеристик, атрибутов или сам этот объект. Выделяют четыре основных типа П.о. : точечные (точки), линейные (линии), площадные или полигональные, контурные (полигоны) и поверхности (рельефы), 0-, 1-, 2- и трехмерные соответственно, а также тела. Точки, линии и полигоны объединяет понятие плоских, или планиметрических объектов поверхности (а также тела) относят к типу трехмерных объектов, или объемных объектов. Совокупности простых пространственных объектов могут объединяться в составной пространственный объект. Полный набор однотипных объектов одного класса в пределах данной территории образует слой (перечисленные элементарные П.о. и/или образующие их элементы иногда называются примитивами, в том числе геометрическими примитивами и топологическими примитивами по аналогии с графическими примитивами в компьютерной (машинной) графике.
Пространственные данные (географические данные, геоданные) — данные о пространственных объектах и их наборах. Пространственные данные составляют основу информационного обеспечения геоинформационных систем. Пространственные данные обычно состоят из двух взаимосвязанных частей: координатных и атрибутивных данных. Установление связи между этими частями называется геокодированием. Координатные данные определяют позиционные характеристики пространственного объекта. Они описывают его местоположение в установленной системе координат. Атрибутивные данные представляют собой совокупность непозиционных характеристик (атрибутов) пространственного объекта. Атрибутивные данные определяют смысловое содержание (семантику) объекта и могут содержать качественные или количественные значения.
13.Базовые типы пространственных объектов и их характеристика
Базовыми типами пространственных объектов, которыми оперируют современные ГИС, обычно считаются (в скобках приведены их синонимы) следующие:
• точка (точечный объект) — 0-мерный объект, характеризуемый плановыми координатами;
• линия (линейный объект, полилиния) — 1-мерный объект, образованный последовательностью не менее двух точек с известными плановыми координатами (линейными сегментами или дугами);
• область (полигон, полигональный объект, контур, контурный объект) — 2-мерный (площадной) объект, внутренняя область, ограниченная замкнутой последовательностью линий и идентифицируемая внутренней точкой (меткой);
• пиксел (пиксель, пэл) — 2-мерный объект, элемент цифрового изображения, наименьшая из его составляющих, получаемая в результате дискретизации изображения (разбиения на далее неделимые элементы растра); элемент дискретизации координатной плоскости в растровой модели (данных) ГИС;
• ячейка (регулярная ячейка) — 2-мерный объект, элемент разбиения земной поверхности линиями регулярной сети;
• поверхность (рельеф) — 2-мерный объект, определяемый не только плановыми координатами, но и аппликатой Z, которая входит в число атрибутов образующих ее объектов; оболочка тела;
• тело — 3-мерный (объемный) объект, описываемый тройкой (триплетом) координат, включающей аппликату Z, и ограниченный поверхностями.
14.Модели пространственных объектов и их типы
На концептуальном уровне все множество моделей пространственных данных можно разделить на три типа: модели дискретных объектов, модели непрерывных полей и модели сетей.
Типами моделей именуют также модели, различающиеся по своему внутреннему устройству. В практике геоинформатики уже достаточно давно определился набор базовых моделей пространственных данных, используемых для описания объектов размерности не более двух (планиметрических объектов):
• растровая модель - цифровое представление пространственных объектов в виде совокупности ячеек растра (пикселов) с присвоенными им значениями класса объекта. Р.м. предполагает позиционирование объектов указанием их положения в соответствующей растру прямоугольной матрице единообразно для всех типов пространственных объектов (точек, линий, полигонов и поверхностей).
• регулярно-ячеистая (матричная) модель — цифровое представление пространственных объектов в виде совокупности ячеек регулярной сети с присвоенными им значениями класса объекта в отличие от совокупности элементов растра (пикселов) в растровой модели (данных).
• квадротомическая модель (квадродерево, дерево квадратов, квадрантное дерево, Q-дерево, 4-дерево) - один из способов представления пространственных объектов в виде иерархической древовидной структуры, основанный на декомпозиции пространства на квадратные участки (квадратные блоки, квадранты), каждый из которых делится рекурсивно на 4 вложенных до достижения некоторого уровня детальности представления (разрешения).
• векторная модель - обобщенный класс моделей пространственных данных, основанных на цифровом представлении точечных, линейных и полигональных пространственных объектов в виде набора координатных пар с описанием только геометрии объектов, что соответствует нетопологической В. м. или геометрии и топологических отношений в виде векторной топологической модели;
• векторная топологическая (линейно-узловая) модель – разновидность векторной модели (данных) точечных, линейных и полигональных пространственных объектов, описывающая не только их геометрию, но и топологические отношения между полигонами, дугами и узлами.
• векторная нетопологическая модель - разновидность векторной модели (данных) для представления линейных и полигональных пространственных объектов с описанием их геометрии в виде набора дуг или совокупности сегментов.
15. Цифровая карта-основа и ее особенности
Характеристика аналого-цифровых преобразований прежде всего требует введения нескольких базовых понятий, таких, как цифровая и электронная карта. Термин «цифровая карта» по своему происхождению — типичная научная метафора. Как явление цифровой среды, цифровая «карта» не является картой, картографическим изображением в традиционном для картографии смысле, поскольку не воспринимаема человеком визуально или тактильно, а будучи визуализирована, перестает быть цифровой. Вполне точно ей соответствует термин «цифровая модель карты», со временем редуцированный до более краткого термина «цифровая карта». Эволюцию термина можно представить в виде цепочки:
цифровая модель карты => цифровая «карта» => цифровая карта.
Цифровые карты (ЦК) общегеографического содержания, в том числе топографические карты и планы, создаются государственными топографо-картографическими и кадастровыми службами и другими ведомствами многих государств, покрывая всю их территорию или отдельные регионы и охватывая большую часть топографического масштабного ряда. Обычно такие работы выполняются в рамках национальных программ внедрения средств автоматизации и цифрового картографирования в соответствующие отрасли и составляют основное содержание и цель автоматизированной картографии в целом. В ряде стран, например в Великобритании, такие программы считаются завершенными.
В отличие от цифровых, электронные карты (ЭК) представляют собой картографические изображения в полном смысле этого слова и будут рассмотрены в 2.3.1.
Собственно процесс аналого-цифрового преобразования данных — это сложная комплексная процедура, состоящая из трех крупных блоков:
• цифрование;
• обеспечение качества оцифрованных материалов и создание цифровых картографических основ;
• интеграция разнородных цифровых материалов.
16. Цифрование исходных картографических материалов.
Под цифрованием будем понимать процесс перевода исходных (аналоговых) картографических материалов в цифровую форму. Так как в данном подразделе не будет рассмотрен процесс создания атрибутивных (семантических) составляющих баз данных, под цифрованием будем понимать лишь перевод графических объектов исходных картографических материалов в цифровую форму.
С помощью дигитайзерного ввода основная масса ЦК создавалась до середины 90-х годов XX в., затем дигитайзеры уступили место цифрованию по растру. В настоящее время при создании ЦК дигитайзеры имеют очень ограниченную область использования.
При дигитайзерном вводе основной объем работ по вводу цифровых карт выполнялся оператором в ручном режиме, т.е. для ввода объекта оператор наводил курсор на каждую выбранную точку и нажимал специальную кнопку. Существовал также полуавтоматический режим ввода, когда фиксировалась пара координат X, Y через заданный интервал времени или через определенное расстояние. Полуавтоматический режим, возможно, экономит время, но зачастую приводит к существенной потере точности, поэтому далее будет рассмотрен только ручной режим. Точность ввода при цифровании в огромной степени зависит от квалификации оператора. Если при создании традиционных карт пером (рапидографом, гравировальной тележкой или иным ручным инструментом) очень сложно прорисовывать линии и передавать форму объектов, то что говорить о цифровании, где непрерывную кривую надо аппроксимировать отрезками без потери формы. Большое влияние оказывают и индивидуальные качества оператора. Например, если точность обвода линии или цифрования точки при многократном повторении у одного оператора колеблется незначительно (отклонения при цифровании точки находятся в пределах точности дигитайзера), то у разных операторов показатели сильно разнятся (отклонения при цифровании одинаковых точек разными операторами могут достигать 0,3-0,4 мм).
При векторизации растра субъективные факторы влияют меньше чем при дигитайзерном вводе, так как растровая подложка позволяет все время корректировать ввод. Программы векторизации растровых изображений условно можно разделить на три группы: ориентированные на ручную векторизацию, полуавтоматическую и автоматическую.
Алгоритмы автоматической векторизации для ввода картографической информации на данный момент в массовом порядке не используются.
Полуавтоматическая векторизация дает хорошие результаты при цифровании четких контуров на растре хорошего качества, например при использовании расчлененных оригиналов рельефа на пластике.
Лучшие результаты у опытного оператора получаются при ручной векторизации, так как при полуавтоматической векторизации на передачу формы влияет качество растра и при «изрезанных» краях растровой линии начинают появляться изгибы проводимой векторной линии, которые вызваны не общей формой линии, а локальными нарушениями растра. Оператор же в таких и подобных случаях
форму объекта передает более точно, ориентируясь на дополнительные материалы (источник получения растра) и анализируя ситуацию. Нужно отметить, что при векторизации растра качество вводимых данных значительно выше, чем при цифровании дигитайзером и в основном зависит от характеристик исходного растра.
17.Качество цифровых карт и его критерии
Под качеством цифровых карт понимается совокупность свойств цифровых карт, обуславливающих ее пригодность удовлетворять установленные и предложенные потребности в соответствии с ее названием.
Критерии качества цифровых карт:
1) информативность;
2) полнота передачи содержания;
3) корректная внутренняя структура;
4) точность.
Проверка качества цифровых карт при приемке оцифрованного материала – это процесс долгий и трудоемкий. Этапы и составляющие полной проверки качества цифровых карт: в качестве предварительного просмотра цифровых карт пользователь может сделать следующие выводы, например, если массово не выполняется какое-то условие (нет полной замкнутости полигонов), это говорит о принципиальных недостатках технологии и о неспособности фирмы на данном этапе заниматься производством цифровых карт на ГИС, т.к. устранение подобных недостатков требует большого количества времени и условий. Локальные нарушения говорят о потенциальной возможности технологической линии производить качественные цифровые карты. Для выдачи предварительного заключения по качеству цифровой карты с количественными оценками может использоваться даже часть материала. Заказчик цифровой карты должен иметь в виду, что большая часть ошибок проявляется уже на первых этапах создания цифровых карт. Переделка и доводка цифровых карт сложное и трудоемкое занятие. Лучше предоставить эти работы производителю. Качество цифровых карт – это совокупность свойств цифровых карт.
18. Электронные карты
Электронная карта — картографическое изображение, сгенерированное на основе данных цифровых карт и визуализированное на видеомониторе компьютера или видеоэкране др. устройства (например, спутникового навигатора).
Являясь средством оперативного контроля, каждая конкретная электронная карта существует лишь в определённый момент времени, как правило непродолжительный, пока видна на устройстве отображения. В этом их главное отличие от прочих визуальных картографических материалов, визуализируемых на твёрдой подложке (бумага, пластик) средствами графического вывода (например, принтерами).
Это значение лучше всего согласуется с самим словом «электронная», то есть получаемая посредством движения электронов, что и происходит в работающем электронном устройстве.
Электронная карта (ЭК) – цифровая картографическая модель; визуализированная или подготовленная к визуализации на экране средства отображения информации в специальной системе условных знаков, содержание которой соответствует содержанию карты определенного вида и масштаба.[1] При этом, система условных знаков электронной карты включает в себя и специальные шрифты, а классификация электронных карт соответствует общей классификации карт, например: электронная топографическая карта, электронная авиационная карта, электронная геологическая карта, электронная кадастровая карта и другие.
Условные знаки, используемые на электронных картах, имеют свои особенности по сравнению с традиционными бумажными картами или компьютерными картами (карты на твёрдой подложке, подготовленные с помощью компьютерных технологий, например ГИС). Это обусловлено с одно стороны низкой разрешающей способностью современных устройств видеоотображения, по сравнению с технологиями печати на твёрдой подложке, а с другой – более широкими графическими возможностями в области анимации.
Ограничение разрешающей способности видеоэкранов вызывает необходимость упрощать условные знаки (использовать графические образы с меньшим количеством деталей), а отсутствие необходимости иметь статичное изображение карты позволяет применять анимацию (например, мигание) для подсветки отдельных объектов (например, результатов поиска).
Однако, различные источники часто дают различные толкования. В таких толкованиях в понятие «электронные карты» могут ошибочно включать цифровые карты (синонимы: цифровые модели местности, геоинформационные базы данных (БД), пространственные БД, БД ГИС) и, даже, программное обеспечение (ПО), необходимое для работы. ЭК могут также называть компьютерные файлы, содержащие картографическое изображение в растровом, векторном или гибридном (растрово-векторном) формате, визуализируемое на основе данных и правил, содержащихся в файле.
Известно также определение, где определение электронной карты смешивается со значением термина «цифровая карта» (являющейся, фактически, моделью или БД).
19. Цифровое моделирование рельефа местности
В ГИС для более наглядного представления высотных отметок местности выполняется построение цифровой модели рельефа (ЦМР). Основой для ЦМР могут быть топокарта, набор связанных высотных отметок, космический снимок, стереопара, наземная геодезическая съемка. Осн. задача цифровой модели местности (ЦММ) – дать правильное представление о местоположении геообъектов, метрических параметрах и взаимоотношениями между пространственными объектами. ЦММ не ограничены бумажным полем карты. Они будут содержать полные названия и развернутые характеристики объекта. Инф. о территории можно поддерживать в актуальном состоянии обновляя данные ЦММ по материалам космической съемки.
20. Типы цифровых моделей рельефа местности и их особенности
Цифровая модель ситуации. Для создания цифровой модели ситуации в системе CREDO ТОПОПЛАН 1.0 разработан классификатор топографических объектов. Данные классификатора составляют многослойную систему, в которой описываются точечные линейные и площадные топографические объекты. Для редактирования данных в классификаторе с системой поставляется соответствующий редактор.
Объекты всех типов локализации имеют ряд общих свойств. Одним из преимуществ системы является возможность настройки для каждого объекта уникального состава семантических свойств, которые в том числе могут использоваться при формировании условного знака объекта.
Следующим важным преимуществом новой системы является определяемый пользователем масштабный ряд визуализации объекта. Один и тот же объект, в зависимости от настроек классификатора и текущего масштаба съемки, может либо отображаться на плане разными символами, либо не отображаться совсем. Данная возможность позволяет пользователю частично автоматизировать генерализацию топографического плана.
В системе существенно расширены возможности визуализации топографических объектов. К примеру, условные знаки могут содержать регионы с заливкой, подписи семантических свойств, линейные объекты имеют настраиваемые стили отображения начала, середины и конца; для площадных объектов добавлены возможности штриховки и т.д. и т.п.
Для управления визуализацией заданных топографических объектов разработан новый инструмент установки фильтров видимости для отдельных объектов или групп тематических объектов. Тематические фильтры дают возможность управлять видимостью различных объектов, расположенных в одном геометрическом слое, что позволяет достаточно легко получать тематические топографические планы.
Цифровая модель рельефа. В системе CREDO ТОПОПЛАН 1.0 предусмотрено большое число разнообразных методов создания и редактирования цифровой модели рельефа. Основу цифровой модели рельефа составляют точки с координатами XYZ, имеющие статус рельефных. На их основе создается сеть треугольников, описывающих поверхность рельефа. Для поиска характерных точек, например близко расположенных друг к другу, предусмотрен ряд вспомогательных функций.
Для создания и редактирования поверхности также используются структурные линии, при помощи которых моделируются характерные участки, такие как тальвеги и водоразделы, а также другие изломы поверхности. Геометрия структурных линий в плане может включать и криволинейные элементы, что позволяет точнее и удобнее моделировать естественный рельеф либо производить оцифровку горизонталей по растру. Структурная линия может иметь один или два профиля, редактируемых пользователем. Наличие двух вертикальных профилей у структурной линии позволяет моделировать участки с вертикальной поверхностью, такие как подпорные стенки, бордюры и пр.
В системе предусмотрены как стандартные возможности редактирования, такие как переброска ребер треугольников, так и новые возможности пересоздания поверхности вдоль структурной линии, заполнения «пустот» внутри существующей поверхности и пр.
Для управления стилем отображения поверхности в CREDO ТОПОПЛАН 1.0 используется инструмент выделения некоторых групп треугольников, описывающих участки одного стиля отображения. В системе увеличено количество возможных стилей для отображения поверхности рельефа, откосов, проектных поверхностей, различных изолиний.
Пользователю предоставляется удобный инструмент для редактирования групп, переброски части треугольников в другие группы, объединения и разделения групп треугольников. Для каждой группы треугольников может быть установлен свой стиль и настройки шага основных и дополнительных горизонталей, отметка вспомогательной горизонтали, шаг и вид штрихов откоса и т.д.
Кроме того, в системе используется два вида визуализации откосов: поверхность откоса и ситуационные откосы. Инструментарий работы с откосами позволяет не только дать топографическое представление откоса, но и проконтролировать корректность построенной поверхности. Для анализа созданной поверхности разработаны функции просмотра профиля произвольной геометрии в плане, а также градиентов и направлений стока.
Для прорисовки отметок и бергштрихов на горизонталях разработан новый инструмент — маски бергштрихов. Они представляют собой создаваемую пользователем на плане полилинию, в точках пересечения которой с горизонталями прорисовываются бергштрихи или подписываются отметки. Редактирование планового положения маски бергштрихов позволяет легко добиться требуемого качества отображения поверхности рельефа.
Создание чертежей топопланов. В системе CREDO ТОПОПЛАН 1.0 применена принципиально новая идеология выпуска чертежей топографических планов — создание и выпуск чертежной модели.
Чертежная модель создается системой с помощью выбранного пользователем шаблона чертежа или планшета, который соответствующим образом ориентируется на цифровой модели местности. Для создания и редактирования шаблонов чертежей или планшетов вместе с системой поставляется необходимая утилита.
После ориентации и определения дополнительных параметров штампа чертежа или зарамочного оформления планшета система создает новый проект, в котором автоматически появляются предварительно описанные рамки, штампы и другое оформление. В области печати на основе видимых структурных линий, топографических объектов, горизонталей, штрихов откосов, крестов координатной сетки и других объектов ЦММ создаются их двумерные графические представления из текстов, графических масок и регионов.
К примеру, горизонталь в цифровой модели рельефа является виртуальной, то есть не существует, но постоянно рассчитывается, прорисовывается и удаляется из памяти при каждой перерисовке экрана или изменении данных модели. Это позволяет видеть на плане фактическое положение горизонтали при любых изменениях поверхности. В чертежной модели горизонталь является графической маской заданного цвета и толщины, плановая геометрия и свойства которой могут быть отредактированы пользователем.
Созданный таким образом проект содержит чертежную модель фрагмента цифровой модели местности, и обе модели уже не связаны друг с другом, то есть изменения, выполненные в одной модели, не влияют на данные другой модели.
Все графические элементы чертежной модели доступны для редактирования и удаления. Пользователь может доработать чертеж, то есть выполнить дополнительные построения, импортировать текстовые файлы с ведомостями, подписать кресты координатной сетки, вычистить построения под текстовыми строками, провести «косметическое» редактирование горизонталей и т.д. В процессе редактирования чертежной модели проект может быть сохранен в базу объектов и открыт другим пользователем для просмотра.
В системе может быть последовательно создано несколько чертежных моделей в одном или разных масштабах. Для компоновки разных фрагментов топоплана на одном листе предусмотрены возможности интерактивной трансформации координат проекта.
Сформированные чертежи топографических планов выводятся пользователем на бумагу в соответствии с настройками периферийного устройства. В системе поддерживаются удобные настройки для выполнения многостраничной печати. Кроме того, созданные чертежные модели могут быть экспортированы в графические файлы формата DXF для передачи заказчику.
Гибкие возможности организации данных, развитые методы координатной геометрии и интерактивного графического редактирования, высокая скорость и точность построений, широкие возможности работы с семантикой, тесная взаимосвязь с другими системами комплекса CREDO — все эти качественные характеристики делают систему CREDO ТОПОПЛАН 1.0 эффективным инструментом для создания полноценной цифровой модели местности инженерного назначения с целью ее последующего использования при проектировании, строительстве и эксплуатации строительных объектов, а также в кадастровых и геоинформационных системах.
21. Использование цифровых моделей рельефа местности и ее функции
Цифровая модель способна решать разнообразные задачи благодаря развитым функциям цифрового моделирования рельефа, в которую встроены полифонические и инструментальные программные средства ГИС. Обычно функционально обособленные модули обработки цифровых моделей рельефа в составе таких программных продуктов поддерживают группы функций: 1.расчет элементарных морфометрических показателей (углов наклона, экспозиции склонов); 2.оценка формы склонов через кривизну их поперечного и продольного сечения; 3.генерация сети тальвигов, водоразделов, а также других особых точек и линий рельефа, нарушивших его гладкость; 4.построение профилей поперечного сечения рельефа по направлению прямой (ломанной) линии; 5.аналитическая отмывка рельефа; 6.трехмерная визуализация рельефа, формы блок-диаграмм и других объемных каркасных полутоновых (светотеневых) и фотореалистичных (текстурированных) изображений, в том числе, виртуально-реальностных; 7.оценка зон видимости или невидимости заданной точки; 8.построение изолиний по множеству отметок высот; 9.интерполяция значений высот, других трансформаций находной модели.
22. Задачи пространственного анализа
В корпоративных системах для регионального и муниципального управления зачастую приходится решать задачи анализа пространственных данных. При решении этих задач тематические слои карты, создаваемые в стандартных ГИС, используют в качестве начальных условий для модельных расчетов. Приведем несколько примеров:
Пространственная информация о расположении зданий города N позволяет строить тематические карты по произвольной прикладной базе данных, имеющей адресную привязку (улица, номер дома). Это может быть картирование уличной преступности города, социально-экономической ситуации и т.п.
Задача восполнения пространственных данных методами нейроинформатики. На основе карт онкологической заболеваемости по городу, карт распределения вредных, канцерогенных веществ, тяжелых металлов, могут быть выявлены зависимости между ними и построены новые карты заболеваемости/загрязнений тех участков территории, где эта информация отсутствовала.
В задачах комплексной оценки территории используют технологии обработки и совокупного анализа пространственных данных с привлечением методов экономического моделирования, а исходная информация может находиться в различных узлах корпоративной сети регионального управления. Пространственный анализ с использованием ГИС и Internet позволяет эффективно решать различные задачи. Однако эта эффективность проявляется лишь при наличии необходимого программно-аппаратного обеспечения и квалифицированных пользователей, владеющих передовыми технологиями.
23 Формирование и редактирование пространственных данных: Во всех полнофункциональных ГИС есть средства формирования и редактирования пространственных данных. С точки зрения анализа нас интересуют такие средства, в которых при формировании или редактировании одних данных используются другие.
Так, в системе Arc View GIS присутствуют следующие операции ввода/редактирования:
• разбиение полигонов линиями;
• слияние полигонов;
• создание полигона с дыркой, задаваемой вторым полигоном;
• удаление области перекрытия между полигонами (вычитание одного полигона из другого);
• получение пересечения полигонов.
При выполнении указанных операций можно задать способ вычисления значения каждого поля вновь созданных объектов.
Среди функций редактирования данных для систем, не поддерживающих топологические модели данных, есть функции, позволяющие из любых данных создавать топологически корректные структуры, т.е. структуры, не имеющие самопересечений, пустот и перекрытий между полигонами, перехлестов и недоводов для линейных объектов.
Так, при удалении перекрытий в системе MapInfo Professional участок перекрытия будет присоединен к тому полигону, площадь которого больше, и удален из полигонов с меньшей площадью. При удалении пустот между полигонами задается максимальная площадь, которую может иметь удаляемая пустота. Пустотная область присоединяется к тому из соседних с ней полигонов, площадь которого больше.
Для обеспечения топологической корректности информации в MapInfo Professional предусмотрены также операции «Совмещение и генерализация». Три главные функции этой группы операций:
1) совмещение узлов разных объектов;
2) разреживание узлов/генерализация;
3) удаление избыточных полигонов.
При выполнении этих операций необходимо настроить некоторые параметры: допуски расстояний до конечных и промежуточных узлов в первой функции, расстояния между узлами, величины коллинеарных отклонений (стрела прогиба для трех точек) — во второй, максимальная площадь для 3.
24. Картометрические функции – это операции, позволяющие измерять расстояния, площади, периметры, объемы, заключенные между секущими поверхностями и т.д. Как правило, такие операции являются обязательными внутренними функциями ГИС.
К картометрическим функциям, реализованным в большинстве ГИС, относятся расчеты площадей, длин, периметров, площадей реальных поверхностей, объемов, заключенных между поверхностями. К этой категории можно отнести и функции вычисления вторичных характеристик поверхностей – углов наклона, экспозиций склонов, зон видимости и др. В некоторых системах при определении перечисленных характеристик учитываются свойства картографических проекций, с одной стороны, а также реальный рельеф – с другой. Расстояния между двумя точками на плане или в проекции Гаусса-Крюгера могут быть вычислены по теореме Пифагора. При вычислении того же расстояния между удаленными точками на сфере придется воспользоваться формулами сферической тригонометрии. При использовании карты в любой проекции, включая равновеликие, необходимо вводить поправки за искажение площадей (для равновеликих вычислять масштаб площадей). Масштаб площадей может быть вычислен в результате деления известной площади некоторого участка на поверхности эллипсоида на площадь его проекции на карте. Таким участком может быть сфероидическая трапеция, заключенная между параллелями и меридианами. Площадь на карте зависит от вида проекции и может быть вычислена как площадь полигона, интерполирующего положение параллелей и меридианов в пределах трапеции. Для вычисления объема тела, ограниченного двумя поверхностями, например при оценке объемов земляных работ, и цилиндрической поверхностью, имеющей в качестве образующей заданный полигон в плоскости карты, можно воспользоваться представлением поверхностей в виде TIN или GRID моделей.
При проведении картометрических измерений нужно знать, что:
• процесс вычисления координат объектов различается для разных примитивов: проще всего вычислить координаты точек - (x, y), затем линий – (x1, y1; …; xn, yn), и, наконец, полигонов – (x1, y1; … xn, yn; x1, y1). Для линий иногда приходится вычислять дополнительные характеристики, такие как длина и угол простирания. Для полигонов чаще всего определяют периметр, площадь, размеры;
• форму обычно охарактеризовывают такими параметрами, как факторы формы круга и эллипса. Фактор формы круга показывает насколько полигон близок к кругу, т.е. фигуре, площадь которой ограничена наименьшим периметром. Для круга фактор формы круга равняется 1. С увеличением периметра фигуры при неизменной площади значение фактора формы круга уменьшается до 0. Фактор формы эллипса говорит о близости фигуры к эллипсу (изменение значений этого фактора такое же, как для круга);
• вычисление стереологических параметров необходимо для описания объемной (3d) структуры объектов. Фундаментом для расчета параметров служат значения площади и периметра примитива, полученные с карты. В большинстве случаев, этими параметрами описывают структуры, элементы которых связаны между собой в пространстве.
26 Сбор и систематизация данных
Основа успешного функционирования любой геоинформационной системы – наличие необходимых достоверных исходных данных. Например, для кадастровых систем основными данными служат кадастровые карты и сопровождающая их семантическая информация. Чрезвычайно высокие темпы изменений в сфере земельных отношений, появление значительного числа собственников земельных наделов, арендаторов в сочетании с неудовлетворительным состоянием законодательной базы (например, вопрос о частной собственности на землю до сих пор не имеет окончательного решения) привели к тому, что в настоящее время достоверные данные о фактическом состоянии земельного фонда и сведения о сложившейся ситуации с земельными наделами носят фрагментарный характер, а зачастую отсутствуют (особенно это относится к картографическим данным).
Таким образом, в настоящее время наиболее актуальна задача получения достоверной информации для дальнейшего использования в геоинформационной системе. В качестве такой информации выступают:
Этот этап ГИС- технологии наиболее трудоемок и требует наибольших финансовых затрат.
Для ГИС, используемых в кадастровой технологии, принципиально важно установить перечень видов входных данных, их объем и способ представления. Последний фактор во многом определяет требования к составу аппаратуры, необходимой на следующем этапе подготовки (преобразования) данных.
Этот технологический модуль является входным для геоинформационной технологии, использующей цифровые (компьютерные) методы обработки данных. На его выходе формируется размещенный на машиночитаемых носителях набор цифровых данных, имеющих корректную топологическую и логическую структуру и обладающих требуемой точностью и достоверностью.
При дальнейшем изложении будем рассматривать традиционную организацию данных: раздельное представление графической и аналитической (семантической) информации при наличии связей между графическими объектами и записями в аналитической базе данных. В последнее время появились ГИС, совмещающие позиционные (графические) и непозиционные данные, что представляется достаточно перспективным, однако возможность их практического применения, особенно в производственном режиме, требует проверки.
Подавляющее большинство ГИС оперирует с графическими материалами, представленными в векторном виде, поэтому процесс получения векторных карт наиболее отработан с производственной точки зрения.
Существует, правда, один вопрос, не имеющий однозначного решения: какая технология векторизации предпочтительнее – векторизация по растровой подложке с использованием программных средств автоматизации этого процесса или ручная оцифровка с применением планшетных дигитайзеров, полярных планиметров и т.п.
Первая технология более перспективна и позволяет получать качественные материалы при относительно невысокой квалификации операторов, однако наличие высококвал. персонала и необходимости цифровать специальные карты с высокой тематической нагрузкой делают ручную оцифровку предпочтительнее.
Для очень многих прикладных задач крайне важной представляется проблема соответствия ситуации, изображенной на цифровой карте, фактическому состоянию территории. Это приводит к необходимости динамичного обновления цифровых карт, которое должно осуществляться непрерывно. Отсюда возникает вопрос: а стоит ли вообще цифровать старые карты, которые затем будут обновляться. Ответ на этот вопрос может быть сформулирован скорее всего исходя из экономических соображений.
Для решения задач обновления карт ГИС должна располагать функциями обработки исходных материалов для получения актуальной на данный момент карты. При этом вовсе не обязательно использовать весь возможный набор входной информации. Целесообразно включить в состав ГИС средства обработки данных, поступающих от основных источников информации. Например, при проведении массовых полевых работ с использованием GPS оборудования необходимо наличие в составе программного обеспечения ГИС соответствующих интерфейсных модулей, позволяющих считывать данные и преобразовывать их в формат, пригодный для дальнейшей обработки, а также программ обработки информации, осуществляющих формирование соответствующих графических объектов и размещение их в цифровой карте.
Ввод аналитических данных, необходимых для функционирования прикладных систем, может быть организован в виде самостоятельного технологического процесса либо совмещен с процессом формирования картографических данных.
Принципиальным является наличие классификатора объектов карты и программных средств контроля корректности вводимых данных. При этом система контроля должна быть спроектирована с учетом возможности использования неполных данных, что присуще реальной информации и людям, ее собирающим.
В настоящее время в ГИС, как правило, применяют коммерческие базы данных реляционного типа с достаточно развитыми механизмами управления данными, однако процедура их настройки с учетом требований конкретных систем и необходимостью функционирования совместно с графической базой данных требует наличия в составе программного обеспечения ГИС специального интерфейсного модуля.
С технической точки зрения ввод информации в реляционные таблицы осуществляют, как правило, путем ручного набора с клавиатуры. Реже применяют автоматизированный способ, включающий сканирование исходных бумажных носителей с последующим применением программного обеспечения для распознавания текстов. При включении в состав программного обеспечения модуля конвертации полученного текстового файла во внутренний формат, применяемый в базе данных, можно говорить о создании автоматизированной технологии, схожей по функциям с векторизатором картографической информации.
Если необходимые данные существуют в цифровом виде, например при приеме информации из других автоматизированных систем, возникает чисто техническая задача конвертации, которая решается достаточно просто, если используются стандартные форматы. Более сложной представляется проблема согласования структуры данных, но и она находит свое решение в выборочном занесении информации путем формирования шаблонов, масок или расширения исходной схемы данных. Наиболее серьезные трудности могут возникнуть вследствие несовпадения базовых классификаторов, используемых в различных информационных системах.
В процессе формирования баз данных следует стремиться к обеспечению потокового режима работы, ориентированного на сокращение времени подготовительного этапа, каким, как правило, является этап наполнения баз данных.
Объединение (привязка) графических и семантических данных может осуществляться на этапе формирования каждой из баз данных или быть выделено в самостоятельную операцию. В последнем случае целесообразно совместить ее с проведением контроля введенных данных.
Операция контроля достаточно важна для большинства прикладных систем. Если контроль топологической и метрической корректности графического материала возможно осуществлять программными средствами ГИС (проверка отсутствия пересечений, висящих линий, примыкание полигонов и т.д.), то проблема контроля семантических данных, особенно тех, которые не могут быть описаны словарями (имена собственные, даты оформления документов, порядковые номера и т.п.), остается пока нерешенной.
28. Обработка и анализ данных при эксплуатации ГИС
Главными требованиями к программно-аппаратным средствам ГИС является работа в реальном времени в производственном режиме, вследствие чего допускается применение только коммерческих программных средств, прошедших исчерпывающее тестирование и имеющих соответствующую эксплуатационную поддержку.
В качестве примера рассмотрим кадастровые системы. В практической работе производят непрерывную коррекцию картографических и аналитических данных. Для земельно-кадастровых систем это редактирование границ землевладений и землепользований, внесение изменений в сведения о владельцах, арендаторах и т.д. Отсюда следуют требования к функциональным возможностям редактирования графических объектов и связанных с ними записей в базе данных:
Необходимо сказать несколько слов об организации интерфейса пользователя в ГИС, используемых в производственном режиме. Основным критерием в данном случае должна служить простота работы оператора, что позволит добиться наивысшей производительности и требуемого качества конечного продукта. Поэтому, общее число одновременно доступных пунктов меню (инструментов) не должно превышать 7, а число уровней выпадающих меню – 2-х (желательно сокращение до одного). Сложившийся стиль оформления меню – пиктографическое представление функции, – как правило, не требует перевода, однако наличие подсказок на русском языке обязательно. Необходимо также наличие функций аварийного возврата в основное меню, выполняемое единообразно (например, нажатием клавиши Esc или одной из функциональных клавиш) и не приводящее к потере или искажению данных. Эти требования могут быть выполнены, если программное обеспечение ГИС содержит инструмент формирования производственного набора функций путем выбора и подключения только необходимых для данного технологического этапа.
К необходимым функциям анализа и моделирования могут быть отнесены:
Решение более сложных задач простр. моделирования желательно, но определение конкретных функций, включ. в состав кадастровой системы, целесообразно производить в процессе опытной эксплуатации, анализируя поступающие запросы.
Можно отметить одну задачу – получение инф-ции о пространственном совмещении или соседстве данного объекта с заданным объектом другого типа (например, наличие трасс электрокабеля или трубы водопровода).
29. Описание обменных форматов ГИС
VEC (ГИС IDRISI)
Вариант прямоугольных координат. В формате могут быть описаны
только следующие объекты: точка, дуга (ломаная), полигон.
Структура записи в файле:
ID1 N1
x1 y1
x2 y2
......
xN1 yN1
ID2 N2
x1 y1
x2 y2
......
xK yK
xN2 yN2
......
0 0 – признак конца файла.
Здесь ID – идентификатор объекта,
N – количество точек в контуре.
Аналогичный обменный формат имеет ГИС ARC /INFO.
MOSS (Map Overlay and Statistic System)
Вариант прямоугольных координат.
Ограничения:
1. Не более двух знаков после десятичной точки.
2. Координата X не может быть отрицательной.
В формате могут быть описаны только следующие объекты: точка, дуга (ломаная), полигон. Структура записи в файле:
ID1 M1 N1
x1 y1
x2 y2
......
xN1 yN1
ID2 M2 N2
x1 y1
x2 y2
......
xK yK
xN2 yN2 и т.д. ,
здесь ID – идентификатор объекта,
M – метка,
N – количество точек в контуре.
Всего на эти три элемента отводится 30 символов.
Минус перед координатой x говорит о том, что это остров, т.е. замкнутый контур внутри другого замкнутого контура.
Один файл соответствует одному слою объектов.
ID может быть использован для связи с базами данных, описывающих семантику объектов.
Следует обратить внимание на следующее: формат не содержит паспортной информации, т.е. отсутствуют зафиксированные и передаваемые с файлами сведения о способе цифpования, системе координат, проекции карт и т.д.
GEN (ARC/INFO GENERATE FORMAT – ГИС ARCI/NFO)
В формате могут быть описаны только следующие объекты: точка, дуга (ломаная), полигон. Структура записи в файле для дуг и полигонов:
ID1
x1 y1
x2 y2
......
xN1 yN1
end
ID2
x1 y1
x2 y2
......
xN2 yN2
end
.....
end
end
Здесь ID – идентификатор объекта.
Один файл соответствует одному слою объектов. ID может быть использован для связи с базами данных, описывающих семантику объектов.
Файл с информацией о точках имеет другую структуру:
ID1,x1,y1
ID2,x2,y2
ID3,x3,y3
.....
end
MIF (MapInfo Interchange Format – ГИС MAPINFO)
Данные MapInfo хранятся в двух файлах. Графическая часть информации – в файле с расширением .MIF, а атрибутивная – в файлах с расширением .MID. Это текстовые файлы. MIF-файл имеет две части: заголовок и секцию данных. Заголовок содержит некоторую паспортную информацию, а секция данных – определения графических объектов. Заголовок файла формата MIF имеет следующий вид:
VERSION n
[ DELIMITER "<c>" ]
[ UNIQUE n,n ..]
[ INDEX n,n .. ]
[ COORDSYS ... ]
[ TRANSFORM ...]
COLUMNS n
<имя> < тип >
<имя> < тип >
В квадратные скобки взята информация, которая является необязательной, т.е. может отсутствовать. MIF-файлы могут быть первой или второй версии, или более поздней версии. Начиная со второй версии могутприсутствовать предложения COORDSYS и TRANSFORM.
DELIMITER – разделитель. После этого слова в двойных кавычках указывают символ, который будет использован далее в качестве разделителя. Значение разделителя по умолчанию – символ табуляции, при его использовании строка DELIMITER может быть опущена.
INDEX – индекс. Для столбцов с указанными номерами создаются индексные файлы.
COORDSYS – координатная система. Эта строка задается в том случае, когда необходимо указать, что данные будут хранится не в географических координатах. При ее отсутствии предполагают, что данные записаны в географических координатах (широта и долгота).
При записи данных в географических координатах точки к востоку от Гринвича имеют положительную координату X (долгота), а к западу – отрицательную. Точки в северном полушарии имеют положительную координату Y (широта), а в южном – отрицательную.
COLUMNS.
Значение, указанное после этого параметра, определяет количество столбцов (полей) базы данных. В базе данных возможны следующие типы столбцов:
- char (длина поля);
- integer (4 байта);
- smallint (2 байта);
- decimal (длина поля, число цифр после запятой);
- float;
- data;
- logical.
В MID-файле атрибутивные данные записаны в соответствии с заголовком MIF-файла: i-я строка MID-файла содержит информацию об i-м графическом объекте секции данных MIF-файла.
Секция данных в MIF-файле следует после описанного ранее заголовка и должна начинаться со слова DATA на отдельной строке. В секции данных описывают только простые графические объекты:
- точка;
- отрезок прямой;
- ломаная линия;
- область, ограниченная замкнутой ломаной линией;
- дуга;
- прямоугольник;
- скругленный прямоугольник;
- эллипс;
- текст.
Для описания этих объектов используют следующие конструкции:
точка
POINT x y
[SYMBOL ( вид, цвет, размер)]
отрезок прямой
LINE x1 y1 x2 y2
[PEN (ширина, тип, цвет)]
ломанная
PLINE numpts
x1 y1
x2 y2
[ PEN ( ширина, тип, цвет)]
[ SMOOTH ] - сглажена
область
REGION #pgons
numpts1
x1 y1
x2 y2
numpts2
x1 y1
x2 y2
[ PEN ( ширина, тип, цвет)]
[ BRUSH ( шаблон, основной цвет, цвет фона)]
[ CENTER x y ]
дуга
ARC x1 y1 x2 y2 – противоположные по диагонали углы
описанного прямоугольника,
a b – начальный и конечный углы дуги
[ PEN ( ширина, тип, цвет)]
прямоугольник
RECT x1 y1 x2 y2
[ PEN ( ширина, тип, цвет)]
[ BRUSH ( шаблон, основной цвет, цвет фона)]
скругленный прямоугольник
ROUNDRECT x1 y1 x2 y2
a – степень сглаживания
[ PEN ( ширина, тип, цвет)]
[ BRUSH ( шаблон, основной цвет, цвет фона)]
эллипс
ELLIPSE x1 y1 x2 y2
[ PEN ( шиpина,тип,цвет)]
[ BRUSH ( шаблон,основной цвет, цвет фона)]
текст
TEXT " < стpока текста >"
x1 y1 x2 y2
[ FONT ...]
[Spacing { 1.0|1.5|2.0}]
[Justify{Left|Center|Right}]
[Angle угол повоpота]
[Label Line {simple|arrow} x y ]
30. Модели данных в ГИС
Выбор метода организации данных в геоинформационной системе, и, в первую очередь, модели данных, т.е. способа цифрового описания пространственных объектов, значительно важнее, чемвыбор ПО. Это обусловлено тем, что модель данных напрямую определяет многие функциональные возможности создаваемой ГИС и применимость тех или иных технологий ввода. От модели зависит как пространственная точность представления визуальной части информации, так и возможность получения качественного картографического материала и организации контроля цифровых карт. От способа организации данных в ГИС очень сильно зависит производительность системы, например, при выполнении запроса к базе данных или рендеринге (визуализации) на экране монитора.
Ошибки в выборе модели данных могут сказаться решающим образом на возможности реализации в ГИС необходимых функций и расширения их списка в будущем, эффективности выполнения проекта с экономической точки зрения. От выбора модели данных напрямую зависит ценность формируемых баз данных географической и атрибутивной информации.
Уровни организации данных можно представить в виде пирамиды, рис.13. Модель данных – это концептуальный уровень организации данных. Рассмотренные в прошлом модуле термины, типа “полигон”, “узел”, “линия”, “дуга”, “идентификатор”, “таблица” как раз относятся к этому уровню, вравной степени, как и понятия “тема” и “слой”.
Более подробное рассмотрение организации данных часто называется структурой данных. В структуре фигурируют математические и программистские термины, такие как “матрица”, “список”, “система ссылок”, “указатель”, “способ сжатия информации”. На следующем по детальности уровне организации данных специалисты имеют дело со структурой файлов данных и их непосредственными форматами. Уровень организации конкретной БД является уникальным для каждого проекта.
31. Организация и обработка информации в ГИС
ГИС, впрочем, как и любая другая информационная система, обладает развитыми средствами обработки и анализа входящих данных с целью дальнейшей их реализации в вещественной форме. На первом этапе производится “коллекционирование” как географической (цифровые карты, изображения), так и атрибутивной информации.
Собранные данные являются наполнением двух баз данных. Первая БД хранит картографические данные, вторая же наполнена информацией описательного характера. На втором этапе система обработки пространственных данных обращается к базам данных для проведения обработки и анализа востребованной информации. При этом весь процесс контролируется системой управления БД (СУБД), с помощью которой можно осуществлять быстрый поиск табличной и статистической информации. Конечно, главным результатом работы ГИС являются разнообразные карты.
Для организации связи между географической и атрибутивной информацией используют четыре подхода взаимодействия. Первый подход – геореляционный или, как его еще называют, гибридный. При таком подходе географические и атрибутивные данные организованы по-разному. Между двумя типами данных связь осуществляется посредством идентификатора объекта. Географическая информация хранится отдельно от атрибутивной в своей БД. Атрибутивная информация организована в таблицы под управлением реляционной СУБД.
Следующий подход называется интегрированным. При этом подходе предусматривается использование средств реляционных СУБД для хранения как пространственной, так и атрибутивной информации. В этом случае ГИС выступает в качестве надстройки над СУБД.
Третий подход называют объектным. Плюсы этого подхода в легкости описания сложных структур данных и взаимоотношений между объектами. Объектный подход позволяет выстраивать иерархические цепочки объектов и решать многочисленные задачи моделирования.
В последнее время самое широкое распространение получил объектно-реляционный подход, являющийся синтезом первого и третьего подходов.
Следует отметить, что в ГИС выделяют несколько форм представления объектов:
Представление в виде нерегулярной сети точек – это произвольно расположенные точечные объекты в качестве атрибутов имеющие какое-то значение в данной точке поля. Представление в виде регулярной сети точек – это равномерно расположенные в пространстве точки достаточной густоты. Регулярную сеть точек можно получать интерполяцией из нерегулярных либо путем проведения измерений по регулярной сети.
Наиболее распространенной формой представления в картографии является представление изолиниями. Недостатком данного представления является то, что обычно нет никакой информации о поведении объектов, находящихся между изолиниями. Данный способ представления является не самым удобным для анализа.
32. Модели организации пространственных данных
Самой распространенной моделью организации данных является слоевая модель, рис.16. Суть модели в том, что осуществляется деление объектов на тематические слои и объекты, принадлежащие одному слою. Получается так, что объекты отдельного слоя сохраняются в отдельный файл, имеют свою систему идентификаторов, к которой можно обращаться как к некоторому множеству. Как вид но из рис.16, в отдельные слои вынесены индустриальные районы, торговые центры, автобусные маршруты, дороги, участки учета населения. Часто один тематический слой делится еще и по горизонтали – по аналогии с отдельными листами карт. Это делается для удобства администрирования БД и во избежание работы с большими файлами данных.
В рамках слоевой модели существует две конкретных реализации: векторно-топологическая и векторно-нетопологическая модели. Об основах этих моделей мы говорили в первом модуле, когда рассматривали ГИС на основе векторной модели представления данных.
Первая реализация – векторно-топологическая. В этой модели есть ограничения: в один лист одного тематического слоя можно поместить объекты не всех геометрических типов одно временно. К примеру, в системе ARC/INFO в одном покрытии можно поместить или только точечные или только линейные, или полигональные объекты, либо их комбинации, исключая случай “точечные + полигональные” и три типа объектов сразу.
Векторно-нетопологическая модель организации данных – это более гибкая модель, но часто в один слой помещаются только объекты одного геометрического типа. Число слоев при слоевой организации данных может быть весьма большим и зависит от конкретной реализации. При слоевой организации данных удобно манипулировать большими группами объектов, представленных слоями как единым целым. Например, можно включать и выключать слои для визуализации, определять операции, основанные на взаимодействии слоев.
Следует отметить, что слоевая модель организации данных абсолютно преобладает в растровой модели данных.
Наряду со слоевой моделью используют объектно-ориентированную модель. В этой модели используется иерархическая сетка (топографический классификатор). В данной модели акцент делается на положение объектов в какой-либо сложной иерархической схеме классификации и на взаимоотношения между объектами. Этот подход менее распространен, чем слоевая модель по причине трудности организации всей системы взаимосвязей между объектами.
33. Принципы организации информации в ГИС
Как говорилось выше, информация в ГИС хранится в географической и атрибутивной базах данных. Рассмотрим принципы организации информации на примере векторной модели представления пространственных данных.
Любой графический объект можно представить как семейство геометрических примитивов с определенными координатами вершин, которые могут исчисляться в любой системе координат. Геометрические примитивы в разных ГИС различаются, но базовыми являются уже известные Вам точка, линия, дуга, полигон. Расположение точечного объекта, например, угольной шахты, можно описать парой координат (x, y). Такие объекты, как река, ЛЭП, водопровод, железная дорога описываются набором координат (x1, y2; …; xn, yn). Площадные объекты типа речных бассейнов, сельхоз угодий или избирательных участков представляются в виде замкнутого набора координат (x1, y1; … xn, yn; x1, y1). Векторная модель наиболее пригодна для описания отдельных объектов и менее всего подходит для отражения непрерывно изменяющихся параметров.
Кроме координатной информации об объектах в географической БД может храниться информация о внешнем оформлении этих объектов. Это может быть толщина, цвет и тип линий, тип и цвет штриховки полигонального объекта, толщина, цвет и тип его границ. Каждому геометрическому примитиву сопоставляется атрибутивная информация, описывающая его количественные и качественные характеристики. Она хранится в полях табличных баз данных, которые предназначены для хранения информации разных типов: текстовая, числовая, графическая, видео, аудио. Семейство геометрических примитивов и его атрибутов (описаний) образует простой объект.
Современные объектно-ориентированные ГИС работают с целыми классами и семействами объектов, что позволяет пользователю получать более полное представление о свойствах этих объектов и присущих им закономерностях.
Взаимосвязь между изображением объекта и его атрибутивной информацией возможна посредством уникальных идентификаторов. Они в явной или неявной форме существуют в любой ГИС.
Во многих ГИС пространственная информация представляется в виде отдельных прозрачных слоев с изображениями географических объектов. Размещение объектов на слоях зависит в каждом отдельном случае от особенностей конкретной ГИС, а также особенностей решаемых задач. В большинстве ГИС информацию на отдельном слое составляют данные из одной таблицы БД. Бывает, что слои образуются из объектов, составленных из однородных геометрических примитивов. Это могут быть слои с точечными, линейными или площадными географическими объектами. Иногда слои создаются по определенным тематическим свойствам объектов, например, слои железнодорожных линий, слои водоемов, слои природных ископаемых. Практически любая ГИС позволяет пользователю управлять слоями. Основные управляющие функции – это видимость/невидимость слоя, редактируемость, доступность. Кроме всего, пользователь может увеличивать информативность цифровой карты путем вывода на экран значений атрибутов пространственных.
34. Ввод информации в ГИС
Ввод данных – это процедура, связанная с кодированием данных в компьютерно-читаемую форму и их записью в базу данных ГИС.
Выделяют три главных этапа ввода данных:
Последние два этапа называются также предварительной обработкой данных. В процессе такой обработки накапливается новый класс данных – метаданные (данные о данных). Метаданные обычно содержат:
Рассмотрим способы ввода данных в ГИС. Первый способ – это ввод информации при помощи клавиатуры. Этот тип ввода, главным образом, используется для атрибутивных данных. Обычно ввод с клавиатуры совмещают с ручной оцифровкой.
Второй способ ввода – ручная оцифровка при помощи дигитайзера. Этот способ наиболее широко используется для ввода пространственных данных с традиционных карт. Эффективность и качество оцифровки зависит от качества программного обеспечения оцифровки и умения оператора.
Данный способ требует больших временных затрат и допускает наличие ошибок.
Следующий способ ввода – сканирование карт, позволяющее получать их цифровое изображение. Современные высокоразрешающие сканеры позволяют сканировать карты с разрешением около 20 микрон (0.02 мм). Полученный цифровой снимок нуждается в обработке и редактировании для улучшения качества. При этом изображение преобразовывают в векторный формат. Сканированные изображения могут непосредственно использоваться для производства карт.
Кроме того, есть еще один способ ввода данных в ГИС – ввод существующих цифровых файлов. Дело в том, что многие ведомства и организации имеют обширные базы данных географической информации. Наборы таких данных должны быть доступны, а получение данных должно осуществляться при помощи сетевых технологий. Приобретение и использование существующих цифровых наборов данных является наиболее эффективным способом заполнения ГИС.
35. Ввод данных в ГИС с растровой моделью данных
Растровая модель является оптимальной для работы с непрерывными свойствами объектов. Растровое изображение – это набор значений для отдельных элементов (растров, ячеек, пикселей).
Отдельный растр характеризуется координатами, глубиной цвета (в цветных растрах), градацией серого цвета (серая шкала), черного или белого цвета (в черно-белых изображениях). В общем случае растровая картина – это обычное фотоизображение, которое получено сканированием традиционной бумажной карты или аэро- и космического фотографированием участка земной поверхности. Растровое изображение можно охарактеризовать разрешением, измеряемым в единицах dpi (dot’s per inch – точек на дюйм) и указывающим, сколько пикселей располагается в одном дюйме изображения. Чем выше разрешение, тем качественнее и информативнее изображение. Но не следует забывать, что с увеличением разрешения увеличивается и файл растрового изображения. В ГИС обычно используются растровые изображения, разрешение которых лежит в диапазоне 200–600 dpi (исключением могут быть только аэро- и космоснимки, разрешение которых может достигать нескольких тысяч dpi).
36. Оцифровка карт
Как бы прецизионно не проводилась оцифровка и сканирование традиционных карт, ошибки неизбежны. Уровень ошибок в базе данных ГИС непосредственно связан с уровнем ошибок исходных карт. Всё дело в том, что карты не всегда адекватно отображают информацию и не всегда точно передают данные о местоположении объектов.
В процессе оцифровки можно выделить следующие ошибки:
-разрывы (два сегмента линии не стыкуются друг с другом);
-подергивания (линия имеет участки “пульсирования”);
-петли (линия местами закручивается);
-пересечения (сегменты линий накладываются друг на друга).
Кроме того, часто встречаются такие ошибки как недовод и перевод.
При дискретной оцифровке карты (т.е. по отдельным областям, которые потом соединяются в единую карту) возникают несовпадения или нестыковки.
37. Анализ информации в ГИС
Любая современная ГИС содержит в себе набор средств для анализа пространственно-атрибутивной информации являются. Используя аналитические функции ГИС можно получить ответы на такие вопросы, как:
Запросы в ГИС можно задавать как простым кликом мышью на объекте, так и с помощью развитых аналитических средств. В группе со средствами стандартного языка структурированных запросов SQL (Structured Query Language) аналитические возможности ГИС дают пользователю мощные и настраиваемые инструменты для обработки и управления информацией.
Выделим основные функции ГИС, связанные с анализом пространственно-атрибутивной информации.
Возможности непространственного (атрибутивного) анализа:
Возможности пространственного анализа:
Аналитические методики картографических данных в ГИС мало чем отличаются от методик анализа информации на традиционных картах. Измерение количественных параметров объектов и их математическая обработка являются общепринятыми. Однако расчеты проводятся настолько быстро, что это позволяет за малые интервалы времени проверять огромное число предположений и гипотез и подбирать наиболее подходящие из них.
Пространственное расположение объектов исследуется при помощи операций анализа размещения, связей и других геопространственных взаимоотношений объектов и их атрибутов. К таким операциям можно отнести буферизацию, анализ близости, оверлейный и сетевой анализ, районирование и др. Комбинируя перечисленные операции можно решать достаточно сложные пространственные задачи.
38. Буферизация
Буферная зона (buffer zone, buffer, corridor) – представляет из себя полигональный слой, образованный путем расчета и построения эквидистант, или эквидистантных линий (equidistant line), равноудаленных относительно множества точечных, линейных или полигональных пространственных объектов. Операция “буферизации” (buffering) применяется, например, для целей выделения трехкилометровой пограничной зоны, 20-метровой полосы отчуждения железнодорожной линии и т.п. Буферная зона полигонального объекта может строиться как вовне, так и внутри полигона. В случае если расстоянию между объектами и эквидистантами ставятся в соответствие значения одного из его атрибутов, говорят о “буферизации со взвешиванием” (weighed buffering).
В современных ГИС буферные зоны создаются автоматически, причем построить их можно вокруг объектов любых типов. Говоря проще, буферные зоны – это могут быть эпидемиологические зоны, зоны техногенных катастроф (розлив нефти, авария на атомной станции), зоны дальнодействия различных радиотехнических устройств и систем и т.д.
Представьте, что у вас есть задача создать область, охватывающую объекты, находящиеся в пределах 500 метров по обе стороны от реки. Процесс создания такой области называется созданием буферной зоны. Сама такая зона называется буфером. Вид буфера определяется его радиусом. Радиусом буфера в нашем случае является величина 500 метров.
Чтобы создать буфер, нужно задать радиус буфера, либо в виде константы, либо в виде колонки таблицы, либо в виде выражения. Затем нужно указать гладкость (число сегментов для буферной окружности). Радиус буфера определяет его размеры. Скажем, чтобы буфер охватывал все объекты, расположенные в пределах 10 километров по обе стороны шоссе, следует задать радиус буфера 10 километров. Если в качестве радиуса используется выражение или данные из некоторой колонки таблицы, то ГИС будет вычислять радиус. Радиус можно задать как постоянную величину (константу), а также использовать значения из некоторой колонки таблицы в качестве значений радиуса. Например, чтобы создать вокруг городов буферные зоны, которые отражали бы численность их населения, можно выбирать значения радиуса буфера из колонки “Население”. Более того, радиус буфера можно задавать в виде выражения. Допустим, нужно создать буферы вокруг городов, отражающие плотность населения. Но в таблице нет колонки, которая содержала бы значение плотности населения. В таком случае надо задать радиус буфера выражением, в котором будет вычисляться плотность населения на основании данных численности населения и площади городов.
Число сегментов для буферной окружности определяет степень скругления (гладкость). Чем больше сегментов используется для прорисовки буферной окружности, тем больше уровень гладкости буферов. Вместе с тем надо помнить, что большая гладкость требует и большего времени на создание буфера. Стандартное значение гладкости – 12 сегментов для полной окружности.
Можно создавать единый буфер вокруг всех выбранных объектов или отдельные буферы вокруг каждого объекта. Осуществить буферизацию для нескольких объектов сразу можно двумя способами. Во-первых, можно создать единый буфер вокруг всех этих объектов. В этом случае следует помнить, что ГИС считает полученный буфер единым объектом типа многоугольник. Если выбрать один из буферных многоугольников, будут выбраны и все остальные. Другим способом является создание отдельных буферов для каждого из объектов.
39. Оверлейные операции
Оверлейная операция, оверлей (overlay) – представляет из себя операцию наложения друг на друга двух или более слоев, результатом которой является графическая композиция (графический оверлей) используемых слоев либо единственный результирующий слой, несущий в себе набор пространственных объектов исходных слоев, топологию этого набора и атрибуты, которые являются производными от значений атрибутов исходных объектов в топологическом оверлее векторной модели представлений пространственных объектов.
К оверлейным относятся операции:
Примером оверлейной операции служит операция топологического оверлея “точка-в-полигон” (point-in-polygon). По существу происходит наложение двух слоев, в результате чего образуется новый слой.
Операция наложения двух полигональных слоев (polygon-on-polygon) методом вырезания применяется для вырезания части одного слоя, используя для этого другой слой в качестве формы.
Эта операция создает новый слой посредством наложения объектов двух слоев. Один из этих слоев должен быть полигонального типа и он используется для определения области отсечения. В полученном слое сохраняют только те объекты исходного слоя, которые попадают в область вырезания.
Объектами исходного слоя могут быть любые объекты (полигоны, линии или точки). Объекты нового слоя будут одного типа с объектами исходного слоя. В итоге получают объективную атрибутивную таблицу для нового слоя, которая содержит поля, аналогичные имеющимся полям в атрибутивной таблице исходного слоя.
Помимо операций топологического оверлея существуют операции логического или булевского оверлея. Все операции (всего их четыре) основаны на элементарных логических функциях – логические И, ИЛИ, НЕ и исключающее ИЛИ.
40. Переклассификация
Переклассификация – это аналитическая операция, направленная на преобразование слоя карты по заданному условию. К примеру, на карте нанесены сельхоз угодья с разными типами почв. В данном случае операция переклассификации позволяет объединить однородные почвенные зоны в единую область без акцента на растущие на них сельхоз культуры. В этом случае условием переклассификации является принадлежность к одному типу почвы.
Выделяют несколько основных переклассификационных условий. Одно из первых – это отсечение объектов, пространственное положение которых не соответствует заданной позиции.
Следующее переклассификационное условие – значение какой-либо величины (высота над уровнем моря, зональная температура, количество осадков), отображаемой на карте. Например, на карте нужно изменить футы на метры.
Переклассификация часто производится по размеру объектов. Например, на слое карты необходимо убрать объекты, площадь которых ниже либо выше заданного значения.нет
Переклассификация используется для разбиения класса объектов на индивидуальные объекты, так как с ними удобнее работать.
41. Картометрические функции
Картометрические функции – это операции, позволяющие измерять расстояния, площади, периметры, объемы, заключенные между секущими поверхностями и т.д. Как правило, такие операции являются обязательными внутренними функциями ГИС.
Картометрические измерения тесно связаны с морфометрическими (morphometry) измерениями, суть которых заключается в вычислении морфометрических показателей (morphometric indexes, morphometric parametrs), т.е. показателей формы и структуры явлений (извилистости, расчленения, плотности и мн. др.) на основе картометрических определений. Измерения и исчисления по тематическим картам иногда выделяют в особый раздел – тематическую картометрию и морфометрию (thematic cartometry and morphometry).
Процесс вычисления картометрических и морфометрических функций состоит в определении координат, направлений, дистанций, периметров, размеров, площадей, форм объектов, а также параметров дистанционной съемки, полученных по стереопаре (стереологические параметры). При проведении картометрических измерений нужно знать, что:
форму обычно охарактеризовывают такими параметрами, как факторы формы круга и эллипса. Фактор формы круга показывает насколько полигон близок к кругу, т.е. фигуре, площадь которой ограничена наименьшим периметром. Для круга фактор формы круга равняется 1. С увеличением периметра фигуры при неизменной площади значение фактора формы круга уменьшается до 0. Фактор формы эллипса говорит о близости фигуры к эллипсу (изменение значений этого фактора такое же, как для круга); вычисление стереологических параметров необходимо для описания объемной (3d) структуры объектов. Фундаментом для расчета параметров служат значения площади и периметра примитива, полученные с карты. В большинстве случаев, этими параметрами описывают структуры, элементы которых связаны между собой в пространстве.
42. Районирование
Процесс районирования (зонирования) состоит в объединении объектов на карте в большие регионы или территории для обобщения данных по этим территориям. Районирование используется в самых различных задачах, таких, как создание и анализ территорий сбыта, избирательных округов, территорий, обслуживаемых подразделениями аварийной службы, маршрутов доставки, анализ распределения ресурсов и т.д. ГИС создает тематическую карту методом индивидуальных значений, в которой тематической переменной является название территории. На этой карте цветами обозначены различные территории – районы, рис. 33. Специальное окно обычно показывает данные о районах в табличной форме. Кроме того ГИС позволяет динамически отслеживать изменения в данных по районам при переносе объектов из одного района в другой. Районирование чаще всего используется для оптимизации территориального планирования и решения задач иногда называемых “балансировкой (выравниванием) территорий”.
При районировании не создается новых географических объектов на карте, а также не вносится никаких постоянных изменений в стили существующих объектов. Районирование представляет собой инструмент динамической группировки существующих объектов и анализа соответствующих данных. Однако пользователь ГИС может зафиксировать изменения в объектах, сохранив в виде отдельной таблицы результаты районирования. Районирование можно осуществить для любой таблицы, содержащей графические объекты типа область, линия или точка. Различные районы изображаются различными штриховками, типами линий или символов. Число районов для каждой таблицы обычно не может превышать 300.
Районирование особенно полезно при большом разбросе значений данных, когда необходимо оценить различные сценарии разделения. Районирование можно применять для создания новых территориальных единиц или для перепланирования существующего деления.
43. Сетевой анализ
Сетевой анализ направлен на решение задач по определению ближайшего, наиболее выгодного сетевого (это может быть транспортная сеть, сеть телекоммуникаций и т.д.) маршрута, установлению уровней нагрузки на сеть, определению зон влияния на объекты сети других объектов.
Сетевой анализ часто используют в процессе принятия решений по транспортным задачам, по проектированию и эксплуатации разнообразных сетей инженерных коммуникаций и т.д.
Сетевой анализ нацелен на обработку данных линейных объектов, которые имеют разветвленную (древовидную) структуру. Он может быть использован, например, при анализе геологических данных по интенсивности спектральных линий.
Для решения более сложных исследовательских задач используется моделирование распределения пространственных и атрибутивных параметров графических объектов методом регулярной ячейки. Этот метод представляет из себя набор пространственных операций, в процессе выполнения которых территория разбивается на регулярные ячейки строго установленного размера и вычисляются статистические значения пространственных или атрибутивных данных объектов в этих ячейках.
Регулярная ячейка представляет из себя двухмерный пространственный объект, элемент разбиения земной поверхности линиями регулярной сети, то есть регулярно-ячеистого представления пространственных объектов, в отличие от пикселя (как элемента растрового представления), образуемого разбиением линиями растра изображения (а не земной поверхности).
44. Другие аналитические операции
Анализ видимости-невидимости – это одна из операций по обработке цифровых моделей рельефа, которая обеспечивает оценку поверхности с точки зрения видимости или невидимости отдельных его частей путем выделения зон и построения карт видимости-невидимости с некоторой точки обзора или множества точек, заданных их положением в пространстве (источников или приемников излучений).
Пространственный анализ видимости-невидимости основан на оценке взаимной видимости двух точек. Анализ видимости-невидимости применяется для оценки влияния рельефа (в особенности горного) или рельефности городской застройки на величину зоны устойчивого радиоприема (радиовидимости) при проектировании радио- и телевещательных станций, радиорелейных сетей и систем мобильной радиосвязи.
Анализ близости – представляет собой пространственно-аналитическую операцию, основанную на поиске двух ближайших точек среди заданного их множества (поиск кратчайшего расстояния) и используемую в различных алгоритмах пространственного анализа. При обработке геологической информации это может быть локализация ближайших точек в геохимических аномалиях с заданными параметрами.
Современные полнофункциональные ГИС обладают развитыми средствами генерации различных выходных форм. Помимо стандартных генераторов отчетов, которые применяются в обычных СУБД, в ГИС встроены средства издания компьютерных карт различного назначения. Следует отметить, что их печать производится на основе фундаментальных требований, которые предъявляются к традиционным бумажным картам, произведенным на обычном типографском оборудовании. Заданный масштаб изображения в процессе печати контролируется высокоточными средствами. Полнофункциональные ГИС предоставляют возможность создания широкого диапазона легенд карт, различных вставок и отчетов.
Печатая карты, можно столкнуться с такой проблемой, как корректная цветопередача изображения. Ошибки в цветопередаче объясняются отличиями моделей описания цветовых палитр изображения на экране монитора и используемых в принтерах (плоттерах). Эту проблему можно решить, используя дополнительное специализированное программное обеспечение.
Модель – это есть математический или визуальный способ описания объектов, процессов или явлений, которые не могут наблюдаться непосредственно. Модели нам нужны для создания упрощенных представлений окружающей нас действительности. Как говорилось в предыдущем модуле, в ГИС это делается путем представления реальности в виде набора слоев карты и связей между ними,
Для создания пространственной модели, адекватной окружающему миру, используют средства пространственного анализа. Пространственное моделирование – это процесс анализа характеристик различных слоев для каждого местоположения, применяемый для решения пространственных задач. Обычно ГИС наносит на выбранные слои сеть с прямоугольными ячейками, которая называется гридом (от англ. grid – решетка, сеть). Каждая ячейка представляет определенное местоположение и имеет определенное значение для каждого слоя карты. Ячейки для разных слоев накладываются друг на друга, описывая каждое местоположение различными атрибутами.
Большинство пространственных моделей включают в себя поиск оптимального местоположения. Это, например, модели выбора участков или модели пригодности. Их целью является определение наиболее подходящего места для выращивания гибридной сельскохозяйственной культуры, бурения нефтяной скважины, строительства детского садика. Несмотря на значительные различия в шкалах и требованиях к данным, способы решения подобных задач похожи.
Допустим, нам необходимо выбрать оптимальное место для строительства нового магазина. Для решения этой задачи нужно создать модель пригодности. При таком типе модели характеристики оцениваются по их пригодности, а затем комбинируются для создания комплексной карты пригодности для каждого местоположения, учитывающей все переменные величины.
Процесс решения подобной задачи разбивается на четыре этапа:
1. Формулировка задачи
2. Разбиение задачи на составные части
3. Присвоение объектам значений пригодности
4. Решение задачи
Первый этап – формулировка – начинается с представления цели исследования, которую нужно достичь. То есть пользователь должен представлять карту, которую хочет получить.
Как уже отмечалось, наша задача – нахождение оптимального места для строительства магазина. Предположим, что мы владеем несколькими близлежащими маленькими магазинами, которые в основном рассчитаны на людей с высокими доходами. Мы продаем им высококачественные продукты питания и бытовые товары. Наш бизнес является доходным и необходимо найти районы города для организации новых магазинов. В результате мы должны получить карту, показывающую территории, ранжированные по степени пригодности возможных вариантов для размещения нового магазина. Она называется картой ранжированной пригодности, так как показывает диапазон значений, отражающих степень пригодности каждого района. Такой тип карты и процесс её создания применимы почти во всех областях пространственного анализа и ГИС.
Когда задача сформулирована, нужно разделить её на более мелкие части, чтобы узнать, какие данные и шаги потребуются для её решения. Эти шаги представляют промежуточные задачи, которые мы будем решать, чтобы определить пригодность каждого местоположения.
Основным условием при определении задач по этапам является то, чтобы они основывались на том, что можно измерить. Так каким же образом определить лучшее место для размещения магазина? Во-первых, магазину нужны покупатели, имеющие желание купить наш продукт. Во-вторых, для покупателей важно расстояние до магазина. Поэтому нам нужно знать следующее:
– Где находятся потенциальные покупатели?
– Достаточно ли их там?
– Далеко ли они находятся от уже существующих магазинов?
Вот три основных вопроса, которые формируют в данном случае три слоя или три темы карты.
Чтобы создать карту потенциальных покупателей, необходимо определить несколько параметров, характеризующих жителей, желающих приобрести наши товары. Это делается путем опроса. Исходя из набора данных о местоположении магазинов и их характерных особенностях, нужно выбрать преуспевающие магазины, нанести на карту районы их торгового обслуживания, совместив с демографическими данными, чтобы убедиться, что все потенциальные покупатели по данным опроса и те, кто живет вблизи магазинов – одни и те же люди. Затем, зная демографическую ситуацию, наносим на карту районы их проживания.
Когда станет известно, каких покупателей следует искать, необходимо составить карту. Лучше всего создать карту процентного соотношения потенциальных покупателей. Данные образа жизни представлены по районам переписи в виде статистической выборки и не выражают общее число всех жителей этой области. Картографирование доли потенциальных покупателей позволяет провести сравнение районов с различной плотностью выборки. Создание карты процентного соотношения – это простая табличная операция, где суммируется число жителей по каждой из нужных категорий, которое затем делится на общее число жителей в выборке и умножается на 100.
Чтобы определить, достаточно ли покупателей, необходимо создать карту численности населения в пределах районов торгового обслуживания магазина. Карта плотности населения создается при помощи функции расчета плотности из набора точечных данных.
Такой подход помогает определить данные, необходимые для количественного описания каждого объекта.
После того, как каждый объект обрел свой слой карты, необходимо скомбинировать объекты, чтобы создать единую ранжированную карту потенциальных районов торгового обслуживания. Для этого нужен способ сравнения значений одного класса с другим. Это решается путем присвоения числовых значений классам каждого слоя или темы.
Каждый объект ранжируется в зависимости от того, насколько он пригоден в качестве места для нового магазина. Присвоим каждому объекту значение по шкале от 1 до 10, где 10 соответствует наилучшему варианту. В результате этого процесса получим шкалу пригодности.
Существует также класс “нет данных” или “непригоден”, используемый, чтобы исключить районы, которые не будут рассматриваться. Так как все измерения будут представлены по одной числовой шкале, они будут иметь равную значимость при определении наиболее пригодных мест. Изначально модель создается именно таким образом, но затем, при проверке альтернативных сценариев, к слоям или измерениям будут применяться весовые коэффициенты для дальнейшего изучения данных и их взаимосвязей. На этапе присвоения объектам шкал пригодности более детально определяются также средства и шаги, требующиеся для измерения объектов и присвоения шкал.
Чтобы обеспечить достаточное количество покупателей для нового магазина, нужно использовать карту плотности населения. Практически любая настольная ГИС позволяет создать карту, показывающую число жителей внутри заданного радиуса.
Последним шагом в моделировании является объединение карт пригодности потенциальных покупателей, карты населения и карты расстояний, чтобы получить единую меру “лучших территорий для нового магазина”. Это делается сведением всех трех карт вместе и делением на три.
45. Понятие дистанционного зондирования
Эффективную работу современных ГИС трудно представить без спутниковых методов исследования территорий нашей планеты. Дистанционное спутниковое зондирование нашло широко применение в геоинформационных технологиях как в связи с быстрым развитием и совершенствованием космической техники, так и со свертыванием авиационных и наземных методов мониторинга.
Дистанционное зондирование (ДЗ) – научное направление, основанное на сборе информации о поверхности Земли без фактического контактирования с ней. Процесс получения данных о поверхности включает в себя зондирование и запись информации об отраженной или испускаемой объектами энергии с целью последующей обработки, анализа и практического использования.
1. Наличие источника энергии или освещения (A) – это первое требование дистанционного зондирования, т.е. должен иметься источник энергии, который освещает либо подпитывает энергией электромагнитного поля объекты, представляющие интерес для исследования.
2. Излучение и атмосфера (B) – излучение, распространяющееся от источника до объекта,часть пути проходит сквозь атмосферу Земли. Это взаимодействие необходимо учитывать, так как характеристики атмосферы оказывают влияние на параметры энергетических излучений.
3. Взаимодействие с объектом исследования (C) – характер взаимодействия падающего на объект излучения сильно зависит от параметров, как объекта, так и излучения.
4. Регистрация энергии сенсором (D) – излучение, испускаемая объектом исследования, попадает на удаленный высокочувствительный сенсор, и затем полученная информация записывается на носитель.
5. Передача, прием и обработка информации (E) – информация, собранная чувствительным сенсором передается в цифровом виде на принимающую станцию, где данные трансформируются в изображение.
6. Интерпретация и анализ (F) – обработанное изображение интерпретируется визуально либо с помощью ЭВМ, после чего из него извлекается информация относительно исследуемого объекта.
7. Применение полученной информации (G) – процесс дистанционного зондирования достигает завершения, когда мы получаем нужную информацию относительно объекта наблюдения для лучшего понимания его характеристик и поведения, т.е. когда решена какая-то практическая задача.
Выделяют следующие области применения спутникового дистанционного зондирования (СДЗ): -получение информации о состоянии окружающей среды и землепользовании;
Средства СДЗ позволяют получать сведения о состоянии атмосферы не только в локальном, но и в глобальном масштабе. Данные зондирования поступают в виде изображений, как правило, в цифровой форме. Дальнейшая обработка осуществляется компьютером. Поэтому проблематика СДЗ тесно связана с задачами цифровой обработки изображений.
Для наблюдения нашей планеты из космоса используют дистанционные методы, при которых исследователь имеет возможность на расстоянии получать информацию об изучаемом объекте. Дистанционные методы зондирования, как правило, являются косвенными, то есть с их помощью измеряют не интересующие наблюдателя параметры, а некоторые связанные с ними величины.
К числу особенностей дистанционных методов относится влияние среды (атмосферы), через которую проходит сигнал со спутника. Например, наличие облачности, закрывающей объекты, делает их невидимыми в оптическом диапазоне. Но даже и при отсутствии облачности атмосфера ослабляет излучение от объектов. Поэтому спутниковым системам приходится работать в так называемых окнах прозрачности, учитывая, что в них имеет место поглощение и рассеяние газами и аэрозолем.
Дистанционные методы делятся на активные и пассивные. При использовании активных методов спутник посылает на Землю сигнал собственного источника энергии (лазера, радиолокационного передатчика), регистрирует его отражение. Пассивные методы подразумевают регистрацию отраженной от поверхности объектов солнечной энергии либо теплового излучения Земли.
При дистанционном зондировании Земли из космоса используются оптический диапазон электромагнитных волн и микроволновый участок радиодиапазона. Оптический диапазон включает в себя ультрафиолетовый (УФ) участок спектра; видимый участок – синюю (B), зеленую (G) и красную (R) полосы; инфракрасный участок (ИК) – ближний (БИК), средний и тепловой.
При пассивных методах зондирования в оптическом диапазоне источниками электромагнитной энергии являются разогретые до достаточно высокой температуры твердые, жидкие, газообраные тела.
Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) – получение информации о поверхности Земли и объектах на ней, атмосфере, океане, верхнем слое земной коры бесконтактными методами, при которых регистрирующий прибор удален от объекта исследований на значительное расстояние. Общей физической основой дистанционного зондирования является функциональная зависимость между зарегистрированными параметрами собственного или отраженного излучения объекта и его биогеофизическими характеристиками и пространственным положением.
В современном облике дистанционного зондирования выделяются два взаимосвязанных направления – естественно−научное (дистанционные исследования) и инженерно−техническое (дистанционные методы. Понимание сущности дистанционного зондирования неоднозначно. Аэрокосмическая школа Московского университета им. М.В.Ломоносова в качестве предмета дистанционного зондирования как научной дисциплины рассматривает пространственно−временные свойства и отношения природных и социально−экономических объектов, проявляющиеся прямо или косвенно в собственном или отраженном излучении, дистанционно регистрируемом из космоса или с воздуха в виде двумерного изображения – снимка. Эта существенная часть дистанционного зондирования названа аэрокосмическим зондированием (АКЗ), что подчеркивает его преемственность с традиционными аэрометодами. Метод аэрокосмического зондирования основан на использовании снимков, которые, как свидетельствует практика, представляют наибольшие возможности для комплексного изучения земной поверхности.
Во всех странах действенным стимулом развития аэрокосмического зондирования служат запросы военных ведомств. С внедрением космических методов и современных цифровых технологий аэрокосмическое зондирование приобретает все более важное экономическое значение и становится обязательным элементом высшего образования в природоведческих вузах, превращается в мощное средство изучения Земли от локальных исследований отдельных компонентов до глобального изучения планеты в целом. Поэтому при изложении различных аспектов аэрокосмического зондирования целесообразно рассматривать его как метод исследований, результативно применяемый во всех науках о Земле, и, прежде всего в географии.
46. Оптические методы дистанционного зондирования
Первые изображения Земли из космоса были получены с помощью фотокамеры. Отснятые материалы спускаются на Землю и проявляются. Анализ снимков, как правило, проводится визуально с помощью проекционной аппаратуры, которая позволяет также получать цветные фотоотпечатки. Метод обеспечивает высокую геометрическую точность изображения; можно увеличить снимки без заметного ухудшения качества.
Однако он мало оперативен, поскольку изображение представлено в виде фотографий, а не в цифровой форме, и эффективен в видимом и ближнем ИК-диапазонах.
Этих недостатков лишены сканерные методы. Сканер с цилиндрической разверткой в принципе представляет собой маятник, закрепленный в одной точке и колеблющийся поперек направления движения. При движении аппарата над Землей с выхода фотоприемного устройства снимается сигнал, пропорциональный освещенности в видимом или ближнем ИК-диапазоне того участка земной поверхности, на который в данный момент направлена ось объектива. На практике сканер неподвижен, а качается (вращается) зеркало, отражение от которого через объектив попадает в фотоприемное устройство. Сканерная информация в цифровой форме передается со спутника в реальном времени или в записи на бортовой магнитофон; на Земле она обрабатывается на ЭВМ.
Линейный сканер содержит расположенные в линию неподвижные фоточувствительные элементы, число которых колеблется от 190 до 1000. Такая линия называется линейкой приборов с зарядовой связью (ПЗС). На линейку через объектив фокусируется изображение земной поверхности, все элементы находятся в фокальной плоскости. Линейка, ориентированная поперек направления движения спутника, перемещается вместе с ним, последовательно “считывая” сигнал, пропорциональный освещенности различных участков поверхности и облаков. Линейные сканеры на ПЗС работают в видимом и ближнем ИК-диапазонах.
Снимки в световом диапазоне делятся на фотографические и сканерные, которые в свою очередь подразделяются на полученные оптико−механическим сканированием (ОМ−сканерные) и оптико−электронным с использованием линейных приемников излучения на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС−сканерные). На таких снимках отображаются оптические характеристики объектов – их яркость, спектральная яркость. Применяя многозональный принцип съемки, получают в этом диапазоне многозональные снимки, а при большом числе съемочных зон – гиперспектральные, использование которых основано на спектральной отражательной способности объектов съемки, их спектральной яркости.
Проводя съемку с использованием приемников теплового излучения – тепловую съемку, – получают тепловые инфракрасные снимки. Съемку в радиодиапазоне ведут, применяя как пассивные, так и активные методы, и в зависимости от этого снимки делятся на микроволновые радиометрические, получаемые при регистрации собственного излучения исследуемых объектов, и радиолокационные снимки, получаемые при регистрации отраженного радиоизлучения, посылаемого с носителя – радиолокационной съемке.
47. Радиотехнические методы ДЗ
В общих чертах принцип активной радиолокации состоит в следующем. На спутнике устанавливается передатчик, посылающий с помощью антенны в направлении Земли импульсы с высокочастотным заполнением, рис. 43. После этого наступает пауза, в течение которой производится прием отраженных сигналов. Если импульс отражается от некоторого объекта М, расположенного на расстоянии L от спутника, то отраженный сигнал вернется назад через интервал времени ∆t=2L/c, где c – скорость света, множитель 2 учитывает, что сигнал проходит путь L дважды: от радиолокатора до объекта и от объекта до радиолокатора. Чем дальше объект от радиолокатора, тем больше ∆t. Интенсивность отраженных сигналов зависит от дальности и различна для разных объектов, так как они отличаются размерами и электрофизическими характеристиками. Измеряя ∆t, можно найти расстояние до объекта. Таким образом, средствами радиолокационной техники автоматически осуществляется сканирование по дальности, так как сигналы от разных объектов приходят в разное.
1.Радиозонды.
Анализ физических свойств атмосферы определенного района, измеряемых в метрологии, имеет также большое значение для авиации, сельского хозяйства и других отраслей народного хозяйства.
Кроме глобальных измерений состояния атмосферы, описанных выше, радиофизические дистанционные методы все шире применяются для региональных атмосферных измерений. Сейчас наиболее широко применяют для исследования атмосферы шары−радиозонды, на борту которых размещены приборы, измеряющие температуру, давление и влажность воздуха. Показания этих приборов автоматически передает на Землю специальный радиопередатчик. Местоположение шаров и вектор скорости их движения, определяемые при помощи радиолокаторов, позволяют судить о скорости и направлении ветра на разных высотах. К сожалению, измерения при помощи радиозондов оказываются весьма громоздкими и медленными: для слежения только за одним таким шаром и получения информации о параметрах атмосферы вдоль его траектории требуется несколько часов. Необходимо еще дополнительное время для обобщения информации, поступающей от многих радиозондов.
2.Метеорадиотелескопы.
Чтобы добиться наилучшего результата, для метеорологических прогнозов желательно знать параметры вдоль всей толщи исследуемой поверхности в течение очень короткого времени, порядка нескольких минут. Такие измерения осуществляются путём направленного дистанционного измерения и анализа радиотеплового излучения различных слоев атмосферы на разных длинах волн − примерно от 1 мм до 2 см.. Так как слои атмосферы, находящиеся на разных высотах, дают наиболее интенсивное радиотепловое излучение на разных длинах волн, анализ излучения позволяет сразу получить информацию о физических параметрах атмосферы на разных высотах, вдоль всей толщи атмосферы и над определенными участками.
Так называемые наземные метеорадиотелескопы, реализующие описанную выше методику, позволяют практически мгновенно дистанционно измерять распределение температуры и влажности атмосферы по высоте вдоль всей толщи атмосферы. В будущем метеорадиотелескопы несомненно найдут широкое применение в метеорологии.
3.Радиолокаторы.
В отличие от метеорадиотелескопов радиолокаторы, быстро обнаруживающие атмосферные осадки, облака , ураганы, области повышенных градиентов температуры и давления, грозовые разряды уже сейчас довольно широко применяются в метеорологии. Радиолокаторы позволяют оперативно следить за перемещениями облаков, гроз, ураганов, получая ценную информацию о структуре, форме, размерах и физических свойствах объектов.
Радиолокаторы разных типов, устанавливаемые на самолетах, кораблях, поездах, автомобилях позволяют частично решать многие проблемы.
Чтобы предотвращать столкновение со встречными транспортными средствами, сейчас начинают устанавливать радиолокаторы на поездах и автомобилях.
Для обеспечения безопасного вождения движущихся объектов по заданной траектории в сложных метеорологических условиях, иногда при полном отсутствии видимости, применяя активные радиофизические методы удалось создать для надежного и безопасного движения самолетов и судов сложные радионавигационные системы, использующие направленное излучение радиоволн, модулированных определенным образом, которое принимается − специальными радиоприемниками, устанавливаемыми на самолетах и кораблях. Такие системы позволяют осуществлять автоматическое управление полетом самолета или движением корабля без участия человека, особенно в сложных условиях. Они обеспечивают, например, автоматизированную посадку самолетов на палубу корабля, безопасное вождение и лоцманскую проводку судов в гаванях и фарватерах.
Радиолокаторы, устанавливаемые на самолетах (самолётные), позволяют автоматически предотвращать столкновения с внешними объектами. Они быстро обнаруживают различные препятствия (горы, скалы, мачты, маяки и т. д.), другие самолеты и их местоположение. Специальные радиолокаторы, называемые радиовысотомерами (радиоальтиметрами) применяют для определения высоты полета самолета над земной поверхностью. Посылая в направлении подстилающей поверхности зондирующую волну, они принимают отраженную от нее волну и, измеряя время, прошедшее от момента излучения зондирующей волны до момента приема отраженной волны, определяют высоту полета летательного аппарата. Радиовысотомеры имеют важное значение в авиации. Они позволяют непрерывно определять даже очень малые высоты, что делает возможным приземление самолетов ночью и в тумане при “слепой” посадке.
Радиолокаторы, установленные на судах, обнаруживают скалы, айсберги, острова, другие суда, автоматически определяют расстояние до них и обеспечивают безопасное вождение кораблей ночью, в тумане.
48. Прием информации со спутников
Станции для приема информации со спутников на Земле (называемые земными) содержат антенну с опорно-поворотным устройством (ОПУ), радиоприемное устройство и средства обработки, хранения и отображения информации.
Наиболее употребительные зеркальные антенны с параболическим рефлектором наводятся ОПУ на спутник по командам компьютера, в который заложены орбитальные данные. В фокусе антенны установлен облучатель, сигнал с которого усиливается малошумящим усилителем (МШУ). Далее сигнал по кабелю поступает на приемник, цифровой сигнал с выхода которого обрабатывается на компьютере. Обработанные изображения помещаются в базу данных.
50 Растровое и векторное представление информации
Пространственные данные в ГИС представляются в двух основных формах - векторной и растровой. Векторная модель данных основывается на представлении карты в виде точек, линий и плоских замкнутых фигур. Растровая модель данных основывается на представлении карты с помощью регулярной сетки одинаковых по форме и площади элементов. Растровая модель данных это набор одинаковых по величине, но по разному окрашенных, квадратиков. В векторной модели данных озеро изображается окрашенным многоугольником, который в ARC\INFO называется полигоном (polygon), а речка ломаной линией, которая называется дугой (arc). Начало и конец этой ломаной линии называются узлами (node).
Растровая модель предполагает разбиение пространства в координатной плоскости, с вмещающими ее пространственными объектами на аналогичные с пикселем дискретные элементы, упорядоченные в виде прямоугольной матрицы.
Преимущества растр. модели:
Отдельные растры характеризуются координатами, глубиной цвета (в цветных красках), градацией серого цвета (серая шкала), черного или белого цвета. В общем случае растровая картина это та, которая получена сканированием традиционной бумажной карты или аэро- и космического орографирования участка зем. пов. Растр. изображение можно охарактеризовать разрешением, кот. измеряется в dpi (набор точек на дюйм), указыв-х сколько пикселей располагается в 1 дюйме изображения. Чем выше разрешение, тем качественнее и информативнее изображение, но не следует забывать что с увеличением разрешения увеличивается и файл растрового изображения. В ГИС обычно использ. растровые изображения, разрешение которых лежит в диапозоне от 200 до 600 dpi. Исключ. м.б. только аэро и космоснимки, разрешение может достигать неск. 1000 dpi. Растровая модель пригодна для цифрового представления не тольуо пространственных объектов ГИС, но и изображений.
Векторная мод. данных. Преимущества вект. мод.:
При построении векторных моделей об. создаются путем соединения точек прямыми линиями, дугами, полилиниями. Площадные объекты в вект. мод. задаются наборами линий. Гис работающие с геомоделями получили название векторных ГИС. Вектор. мод. отображают все типы координ. мод..
Векторные мод. делятся на 2 группы: а)векторные топологические; б) векторные нетопологические.
53. Этапы разработки программной оболочки ГИС
Разработка программной оболочки ГИС состоит из шести этапов:
1. Анализ требований, предъявляемых к ГИС 2. Определение спецификаций
3. Проектирование системы 4. Кодирование 5. Тестирование 6. Эксплуатация и обслуживание
1) производится анализ требований, предъявляемых к разрабатываемой системе, которые сосредоточены в интерфейсе между этой системой и пользователями, которые будут её эксплуатировать. В анализ включаются такие вопросы, как время обработки информации, стоимость обработки, вероятность ошибки и др. Необходимо определить основные понятия, объекты и процедуры обработки информации, которые будут лежать в основе ГИС. При этом разработчикам приходится учитывать множество факторов – достоинства и недостатки концепций уже существующих систем, постоянно изменяющиеся требования со стороны прикладных задач, изменения в информационных технологиях и многое другое.
2) На этапе определения спецификаций осуществляется точное описание функций системы, задается структура входных и выходных данных, решается комплекс вопросов, имеющих отношение к структуре файлов, организации доступа к данным, обновлению и удалению последних. Спецификации выполняют только те функции, которые система должна выполнять, не указывая, каким образом это достигается.
3) На этапе проектирования разрабатываются алгоритмы, задаваемые спецификациями, и формируется общая структура информационной системы. Разрабатываемую систему разбивают на небольшие части таким образом, чтобы ответственность за реализацию каждой такой части можно было возложить либо на одного разработчика, либо на группу исполнителей. При этом для каждого определенного таким образом модуля системы должны быть сформулированы предъявляемые к нему требования: реализуемые функции, размеры модулей, время выполнения и другие.
4) Следующий этап – кодирование. При его реализации используются алгоритмические языки высокого уровня, методы структурного и объектно-ориентированного программирования.
5) Этап тестирования – один из самых дорогостоящих этапов. Затраты на тестирование составляют половину всех расходов на создание системы. Плохо спланированное тестирование часто приводит к увеличению сроков и срыву графика работ. В процессе тестирования используются данные, характерные для системы в рабочем состоянии. План проведения испытаний должен быть составлен заранее, а большую часть тестовых данных следует определить на этапе проектирования системы.
Тестирование подразделяется на три стадии: • автономное; • комплексное;
• системное.
При автономном тестировании каждый модуль проверяется с помощью данных, подготавливаемых программистами. При этом программная среда модуля имитируется с помощью программы управления тестированием, содержащей фиктивные программы вместо реальных подпрограмм (так называемые “заглушки”), к которым имеются обращения из данного модуля.
В процессе комплексного тестирования производится совместная проверка групп программных компонентов.
Системное или оценочное тестирование – это завершающая стадия проверки системы, то есть испытание системы в целом с помощью независимых тестов.
54 Особенности проектирования ГИС
По сути, геоинформационные системы представляют собой системы управления базами данных (СУБД). Но есть одно важное отличие – в ГИС совместно с атрибутивными данными обрабатывается и пространственная (географическая) информация. Поэтому при проектировании ГИС специалисты используют те же самые методики и техники, что и при разработке обычных СУБД.
Любая БД содержит информацию об определенной предметной области. Предметной областью называется определенная сфера реального мира, которая представляет интерес для изучения.
Первый этап проектирования любой информационной системы – это формализация задачи, т.е. на этом этапе строят инфологическую модель предметной области. Создание оптимальной инфологической модели включает в себя исследование информационных потоков, характерных для данной предметной области, установление объектов предметной области и описание связей, существующих между ними. Инфологическая модель создается в любом случае, независимо от программно-аппаратной базы, на которой будет строиться информационная система.
Инфологическую модель используют в качестве фундамента для строительства датологической модели БД, которая отображает логические связи между элементами данных независимо от их содержания и среды хранения. На данном этапе необходимо учитывать различные ограничения, которые накладываются ПО на структуру и функциональные особенности.
На следующем этапе создается физическая модель базы данных, которая связывает датологическую модель с конкретной средой хранения. Это очень важный этап, поскольку на нем ведется разработка элементов пользовательского интерфейса, решаются вопросы целостности данных и надежности системы, распределяются права доступа и выбираются средства и методы защиты от нелегального доступа.
Проектируя географические информационные системы, помимо вышесказанного необходимо выполнить следующие действия:
• выработать требования, касаемые исходного картографического материала (нужный масштаб, проекция, система координат);
определить размерность географических данных, с которыми придется работать (двумерные 2D и/или трехмерные 3D), а также установить модель представления пространственных данных (векторная и/или растровая);
• спроектировать послойный состав пространственной информации ГИС;
• установить наличие цифровых карт интересующих территорий.
Работая над созданием ГИС, нельзя забывать о вопросах финансирования проекта. ГИС-проекты обычно очень длительны, поэтому проблемы в финансировании могут привести к закрытию работ. Рекомендуется иметь несколько источников финансирования плюс ко всему нужно предусмотреть вариант самофинансирования проекта.
55. Программные средства разработки ГИС
Рассмотрим некоторые вопросы этапа кодирования программного обеспечения. Сначала дадим два важных определения.
Программа (program, routine) – последовательность команд и данных к ним, которые предназначены для управления конкретными компонентами системы обработки данных в целях реализации определенного алгоритма.
Программное обеспечение (ПО, software) – совокупность программ системы и программных документов, необходимых при эксплуатации этих программ. Различают системное и прикладное программное обеспечение.
Системное ПО (system software) включает программы, необходимые для согласования работы всего вычислительного комплекса при решении различных задач, а также при разработке новых программ.
Прикладное ПО (application software) разрабатывается и используется для решения конкретных задач пользователей ЭВМ.
ПО ГИС (GIS software) поддерживает тот или иной набор функциональных возможностей ГИС и включает специализированные программные средства, такие как:
• универсальные полнофункциональные ГИС (full GIS);
• инструментальные ГИС (GIS software tools);
• картографические визуализаторы (map viewer);
• картографические браузеры (map browser);
• средства настольного картографирования (desktop mapping);
• информационно-справочные системы (help-desk system).
Кроме того, существуют специальные программные средства, обслуживающие отдельные функциональные группы:
• конвертирование форматов;
• оцифровку;
• векторизацию;
• создание и обработку цифровых моделей рельефа;
• взаимодействие с системами спутникового позиционирования.
Комплект поставки программного обеспечения ГИС может включать отдельные функциональные модули, приобретаемые и используемые в наборе, обеспечивающем решение задач.
В комплексе с ПО ГИС используются такие программные продукты как:
• настольные издательские пакеты (Adobe Page Maker, Quark Xpress, Adobe InDesign);
• пакеты статистического анализа (Statistica);
• системы управления базами данных (MS Access, Oracle, DBase);
• системы автоматизированного проектирования (AutoCAD);
• электронные таблицы (MS Excel);
• средства цифровой обработки изображений (Adobe Photoshop).
ПО для разработки ГИС можно разделить на три группы:
1. Системы с широкими возможностями, включающими ввод данных, хранение, сложные запросы,пространственный анализ, вывод данных. Такие системы имеют собственные языки программирования, которые позволяют расширять данную систему функциями пользователей (ArcInfo). Разработку такой системы можно сравнить с разработкой обычных программ под конкретную операционную систему. Только в данном случае в роли операционной системы будет выступать инструментальная ГИС, а в роли программы – новые функции разработчиков, которыми эта ГИС будет дополнена.
2. Программные компоненты или библиотеки, которые содержат в себе ряд полезных функций (MapObjects, GeoConstructor). Используя эти функции и ПО из третьей группы, разработчики могут создать новую систему, которая будет функционировать в операционной системе, под которуюона разрабатывалась.
3. Среды разработки ПО на различных языках программирования (Visual C++, Visual Basic, Delphi). Используя их, разработчик может часть работы в новой системе переложить на программные компоненты и библиотеки из второй группы, а может создать абсолютно новую систему без привлечения дополнительных вспомогательных средств.
56. Приложения ГИС-технологий
Программные продукты ESRI
ARC/INFO, ведущий программный продукт ESRI – высокоуровневая ГИС-система с полным набором средств геообработки, включая сбор данных (растровый и векторный формат), их интеграцию, хранение, автоматическую обработку, редактирование, создание и поддержку топологии, пространственный анализ, работу с регулярной и нерегулярной моделями, связь с SQL DBMS, прямое взаимодействие с SDE, визуализацию и создание твердых копий любой картографической информации. Работает на UNIX рабочих станциях и на PC c Windows NT. PC ARC/INFO – полнофункциональная ГИС для работы на ПС с MS DOS и под Windows. Включает средства ввода (оцифровка на дигитайзере), обработки с построением топологии, редактирования, анализа данных, их географической трансформации, связи с dBASE III/IV, создания и распечатки твердых копий картографических материалов. В состав системы входит ряд модулей.
ArcCAD – продукт, расширяющий возможности AutoCAD до работы с моделью данных ARC/INFO. Это полнофункциональная ГИС, действующая в среде AutoCAD (версии 12, 13). Возможности примерно соответствуют PC ARC/INFO. Работает на PC c MS DOS и под Windows.
ArcView – наиболее быстро развивающийся, простой в обучении и работе продукт, предоставляющий конечному пользователю средства выбора и просмотра наборов разнообразных геоданных, их редактирования, создания макетов карт с легендами, графиками и диаграммами, связывания объектов карты с атрибутивной информацией в режиме hot links, адресного геокодирования, использования растровых изображений, распечатки картографических материалов. Напрямую работает с базами данных ARC/INFO, ArcCAD, PC ARC/INFO, SDE, базами dBASE III и dBASE IV, имеет доступ к SQL DBMS (Oracle, Ingres, Sybase, Informix), читает файлы форматов DXF, DWG, IMG, DGN. Включает функции вызова удаленных процедур RPC, связи с другими приложениями через стандартные протоколы DDE for Windows и Apple Events for Macintosh, динамической линковки библиотек DLL, возможность подключения Visual Basic. Создан ряд приложений к ArcView для инженерных изысканий, взаимодействия с GPS системами и т.д. Текущая версия 3.0 имеет масштабируемую архитектуру. В ее составе базовое ядро с добавленными (по сравнению с версией 2.1) функцией цифрования на дигитайзере и внутренними модулями расширения и два внешних модуля расширения с развитыми средствами геоанализа: Spatial Analyst (работа с регулярной моделью рельефа, растровое моделирование) и Network Analyst (решение задач анализа пространственных сетей, например дорог, нефтепроводов и т.п.). Внешние модули работают под Windows 95/NT и под UNIX.
Data Automation Kit (DAK) обеспечивает средства цифрования, полномасштабного редактирования, создания и поддержки топологии, вывода карт в заданной проекции. Может конвертировать покрытия, созданные в ARC/INFO на рабочей станции, и файлы shapefile пакета ArcView в покрытия PC ARC/INFO. Применяется самостоятельно или в связке с ArcView for Windows.
Spatial Database Engine (SDE) – это не просто новый программный продукт, а новая технология управления большими базами пространственных данных, включающими информацию по сотням тысяч или миллионам объектов, например земельных участков. Работать с ней можно как в среде ГИС, так и в других информационных технологиях в режиме клиент-сервер в пределах локальной или глобальной сети. В SDE можно выделить две основных составляющих: высокоскоростной пространственный сервер, использующий технологию реляционных баз данных и отвечающий за поиск и пересылку данных, и программный прикладной интерфейс API со средствами пространственного запроса (клиент). Работать с базой (проводить запросы, выборку по критериям, пространственный анализ) одновременно могут много (до нескольких сотен) клиентов, в том числе и не пользователи ГИС. В качестве базы данных можно использовать стандартные DBMS, но их средства применяются пользователем или разработчиком не напрямую, а на уровне интерфейса SDE, что значительно упрощает работу. В дальнейшем планируется объединить SDE с модулем расширения ArcStorm системы ARC/INFO.
MapObjects – это инструментальное средство программиста-разработчика, включающее управляющие элементы OLE Control и набор программных OLE-объектов. Позволяет добавить в существующие или новые приложения, а также в коммерческие продукты, многие средства картографирования и технологии ГИС. MapObjects основан на стандарте OLE 2, поддерживает многие популярные среды программирования, может напрямую использовать файлы shapefile, слои SDE, снимки с координатной привязкой в разных форматах, взаимодействует с другими базами данных через драйверы Microsoft ODBC, позволяет использовать возможности сети Internet. MapObjects работает на PC с Windows 95/NT, имеет 32-разрядную архитектуру.
Digital Chart of the World (DCW) – это цифровая карта мира (суши) в формате ARC/INFO. Исходный масштаб 1:1 000 000, объем данных 1,7 Гигабайт, носитель - четыре диска CD-ROM с книгой описания данных. Карта разбита на 2094 листа размером 5 на 5 градусов. Число тематических слоев на лист: от 3 до 27 (для России в среднем 17 слоев). Существуют версии DCW для UNIX рабочих станций и для PC. Для просмотра и работы с Картой можно использовать любые ГИС ESRI.
The ArcData Publishing Program – это программа поддержки и распространения по всему миру коммерческих цифровых баз геоданных, картографических материалов и изображений, подготовленных с помощью программных продуктов ESRI или переведенных в форматы, читаемые этими продуктами.
ARC NETWORK предназначен для моделирования и анализа топологически связанных объектов в виде пространственных сетей, оценки и управления ресурсами, распределенными по сетям, и процессами в таких сетях. Используется для поиска оптимальных маршрутов движения транспортных средств, для анализа и планирования транспортных нагрузок, развития и содержания дорожной сети, городского планирования, операций с недвижимостью, оптимизации перевозок или почтовых отправлений и др.
ARC TIN предназначен для моделирования в среде ARC/INFO топографических поверхностей, например рельефа местности, или физических поверхностей, таких как плотность населения, электромагнитные поля, уровень шума. Модель TIN (нерегулярная триангуляционная сеть) – удобный и эффективный способ представления поверхностей в трехмерном пространстве в виде триангуляционной сети или регулярной матрицы точек. По построенным поверхностям можно выполнять разнообразные операции: вычислять объемы между поверхностями, проектировать на них векторные карты ARC/INFO и растровые карты модуля GRID, аэрофото- и космоснимки.
ARC GRID добавляет возможности растрового моделирования в модель данных ARC/INFO и превращает ее в интегрированную векторно-растровую ГИС. Имеет мощный набор средств управления и анализа непрерывно распределенными числовыми и качественными признаками, представляемыми в виде регулярных моделей, моделирования ложных процессов. Особенно эффективен для гидрологического и гидрогеологического моделирования, геологического прогнозирования, планирования землепользования, маркетинговых исследований, многомерного статистического анализа пространственных данных, оптимизации выбора трассы с использованием стоимостной поверхности.
ARC COGO осуществляет поддержку координатной геометрии (набора средств и функций для работы с геодезическими данными), ее интеграцию с ARC/INFO. На входе можно использовать данные первичной геодезии (полевых журналов), в том числе с электронных тахеометров, и данные GPS (глобальной спутниковой системы привязки). Кроме того, для ввода можно использовать ASCII файлы, файлы САПР по более чем 20 форматам, включая DXF, IGES, IGDS. Атрибутивные данные можно хранить и во внешних базах данных типа Oracle, Informix, Ingres, Sybase. Имеются средства подготовки табличных форм отчетности, включая настройку под ваши требования. COGO широко используется для создания и управления земельными кадастрами, оценки собственности и операций с недвижимостью, создания базовых карт для кадастров, службами содержания коммунальных сетей, для инженерно-строительных целей, контроля и управления инфраструктурой муниципалитетов, городов, областей и целых стран.
ArcPress – это программный растеризатор, система, преобразующая векторную, растровую, или смешанную векторно-растровую графику в формат растрового устройства вывода, растр заданного разрешения и размера. Он обеспечивает быструю высококачественную распечатку карт и изображений на растровых устройствах вывода, таких как струйные и электростатические плоттеры. В качестве входных он может использовать как графические метафайлы в стандартах ESRI, так и файлы других систем в форматах CGM, PostScript (Level 1, Level 2). На выходе ArcPress могут быть получены растровые форматы не только для направления прямо на устройство вывода, но и многие форматы, применяемые для обмена (TIFF, PBM, PCX BW, BMP, BIT). ArcPress выполняет программную растеризацию прямо на рабочей станции, используя мощные ресурсы ее памяти и скорость счета. Существуют версии для UNIX рабочих станций и для Windows NT.
ArcStorm – это новая, разработанная для ARC/INFO (UNIX-версии) технология управления и взаимодействия с геоданными, содержащая эффективные средства оперирования объектами покрытий в пространственных базах данных. С его помощью можно работать не только с целым покрытием, но и с отдельными объектами как с элементами, блокировать пространственные объекты, извлекать и закреплять наборы элементов. К ним относят дуги, узлы, полигоны, надписи, точки, трассы, участки, районы, а также строку в таблице базы данных или запись в информационном файле. ArcStorm сохраняет историю базы данных, позволяет реконструировать ее состояние в прошлом. Блокирование объекта(тов) сохраняется до подтверждения завершения транзакции (редактирования). Поддерживается работа в режиме клиент/сервер, взаимодействие с реляционными базами данных. Для прямого запроса и просмотра данных в базе можно использовать средства ARC/INFO и ArcView 2.
ArcScan предназначен для ввода картографических данных со сканеров. Включает средства создания векторной базы данных путем сканирования растровых изображений, предварительной обработки растровых изображений, растрово-векторный редактор, интерактивный конвертор из растровой формы в векторную, вывод растровых изображений на периферийные устройства и в форматные файлы.
59. Назначение, основные функции и информационные блоки баз данных: «Земельные ресурсы», «Водные ресурсы»
Земельные ресурсы
Для обеспечения рационального использования и охраны земель, защиты прав собственников земли, землепользователей и арендаторов и создания объективной основы для установления цены на землю, земельного налога, арендной платы в Республике Беларусь ведется Государственный земельный кадастр.
Материалы земельного кадастра широко применяются при решении многих вопросов. Земельный кадастр Беларуси включает следующую документацию:1. государственные земельно-кадастровые книги; 2. кадастровые карты (планы); 3. кадастровые дела; 4. электронные базы данных регистров (реестров) государственного земельного кадастра; 5. каталоги геодезических координат границ земельных участков; 6. книги учета выданных документов; 7. статистические отчеты; 8. аналитические обзоры; 9. другие документы, содержащие сведения о состоянии и использовании земельных ресурсов.База данных Реестра АТЕ и ТЕ содержит следующие сведения об административно-территориальных и территориальных единицах: код СОАТО, наименование, категорию, административно-территориальное расположение, подчинённость, площадь, административный центр, границы, реквизиты документов, на основании которых произведена регистрация, дата регистрации.Доступ к базе данных Реестра АТЕ и ТЕ обеспечивается через сайт nca.by, специальное программное обеспечение дистанционного доступа NKA_UATE, WEB-сервисы НКА.
Пользователи Реестра АТЕ и ТЕ
Министерство внутренних дел Республики Беларусь,Министерство по налогам и сборам Республики Беларусь,Министерство юстиции Республики Беларусь, Министерство статистики и анализа Республики Беларусь
Министерство природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Беларусь, Департамент по ликвидации последствий катастрофы на Чернобыльской АЭС,Государственная инспекция охраны животного и растительного мира при Президенте Республики Беларусь,GFK GeoMarketing GmbH, Германия
Водные ресурсы.
-Государственный водный кадастр - данные о режиме и ресурсах поверхностных вод
Содержит: Базы данных наблюдений за состоянием поверхностных вод по гидрохимическим показателям в Республике Беларусь
База данных по химическому составу атмосферных осадков и снежного покрова в Республике Беларусь
-Государственный водный кадастр - раздел "Использование вод" - база данных государственной статотчетности водопользователей
Содержит данные: о заборе воды из водных объектов и получения воды от других водопользователей; об использовании воды, включая использование на различные нужды; о передаче воды другим потребителям, потерь при транспортировке; об отведении воды в водные объекты и за пределы водных объектов (поля фильтрации, накопители и др.); о лимитах забора (получения) и отведения воды; о расходах в системах оборотного о повторного водоснабжения; о сбросе загрязняющих веществ в составе сточных вод. Источником формирования БД является отчет об использовании воды, форма 2-ос (вода), утвержденная Постановлением Минстата
-Государственный водный кадастр - раздел "Использование вод" - база данных разрешений на специальное водопользование
-Государственный водный кадастр - раздел "Использование вод" - база данных разрешений на специальное водопользование
-Государственный водный кадастр - подземные воды Республики Беларусь- база данных "Подземные воды Республики Беларусь"Включает данные о ресурсах и эксплуатационных запасах подземных вод по областям, речным и артезианским бассейнам и водохозяйственным участкам; учетные карточки водозаборов; данные об отборе подземных вод на действующих водозаборах с утвержденными запасами; паспорта месторождений подземных вод; паспорта эксплуатационных и наблюдательных скважин; данные об уровнях и качестве подземных вод в естественных и нарушенных гидрогеологических условиях; разрезы и схемы гидрогеологических постов; карты-схемы водозаборов.