Главная Обратная связь

Дисциплины:






Геоинформационные технологии



Информационная поддержка управлением предупреждением и ликвидацией ЧС связана с обработкой больших массивов пространственно-временных и предметно-ориентированных данных. Современные информационные технологии предоставляют широкие возможности представления и обработки таких данных с помощью электронных карт. Именно такой способ представления данных явился основой для создания географических информационных систем (ГИС).

ГИС-технологию применяют практически во всех сферах человеческой деятельности - будь то анализ глобальных проблем (перенаселение, загрязнение территории, сокращение лесных угодий, природные катастрофы) или решение частных задач (поиск наилучшего маршрута между пунктами, подбор оптимального расположения нового офиса, поиск дома по его адресу, прокладка трубопровода на местности, различные муниципальные задачи). По зарубежным данным, в 1997 году общие продажи программного обеспечения в области геоинформационных технологий превысили 1 млрд. долл. США, а с учётом сопутствующих программных и аппаратных средств рынок ГИС в настоящее время приближается к 10 млрд. долларов.

 

1.2.1 Геоинформационные системы (ГИС). Основные понятия и определения

Географическая информационная система- это информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственно координированных данных.

ГИС - это современная компьютерная технология для представления и анализа объектов и событий реального мира. Геоинформационные технологии объединяют традиционные операции работы с базами данных (например, запрос и статистический анализ) с преимуществами полноценной визуализации и географического анализа, которые предоставляет карта. Это отличает ГИС от других информационных систем и обеспечивает уникальные возможности их применения для решения задач, связанных с анализом явлений и событий окружающего мира, с выделением главных факторов и причин, с планированием стратегических решений и анализом возможных последствий предпринимаемых действий.

Данные о пространственных объектах в ГИС представлены в цифровой форме (векторной, растровой или матричной). Научные, технические, технологические и прикладные аспекты проектирования, создания и использования ГИС изучаются геоинформатикой.

Следует выделить два аспекта рассмотрения понятия ГИС в его современном понимании:

-математические, технологические и инструментальные основы представления и обработки в ЭВМ географических данных (ГИС в узком смысле);

-практические вопросы применения ГИС-технологий в системах организационного управления (ГИС в широком смысле).

Широкое практическое применение ГИС в организационной системе предполагает создание специализированной автоматизированной системы, с соответствующим программным, аппаратным. информационным, нормативно-правовым, кадровым и организационным обеспечением. По территориальному охвату различают глобальные, или планетарные ГИС. субконтинентальные ГИС, национальные ГИС (имеющие статус государственных), региональные ГИС, субрегиональные ГИС, локальные (местные) ГИС.



ГИС различаются также предметной областью применения: городские или муниципальные ГИС, природоохранные ГИС и т.п. Среди них особое наименование получили земельные информационные системы, как наиболее широко распространённые. Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными и прикладными): инвентаризация ресурсов (в том числе земельный кадастр), анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений и т.п.

Интегрированные ГИС (ИГИС, integrated GIS) совмещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) в единой интегрированной среде. Пространственно-временные ГИС оперируют пространственно-временными данными.

Реализация геоинформационных проектов (создание ГИС в широком смысле слова) включает стандартные этапы жизненного цикла автоматизированной системы: предпроектное обследование, в том числе изучение требований пользователя и функциональных возможностей используемых программных средств ГИС, технико-экономическое обоснование, системное проектирование ГИС, разработка ГИС, тестирование системы на небольшом территориальном фрагменте, внедрение ГИС, эксплуатация и сопровождение.

Далее основное внимание будет уделено вопросам устройства ГИС в узком смысле этого слова.

Информационной основой ГИС является цифровая картографическая информация, т.е. картографическая информация, представленная в цифровой форме на носителе данных. Существуют различные способы представления этой информации в ЭВМ (формы, или модели пространственных данных), которые можно разделить на два основных класса: векторные и растровые.

В векторной модели информация о пространственных объектах и их элементах кодируется и хранится в виде набора координат X, Y. Местоположение точечного объекта (например, буровой скважины) описывается парой координат (X, Y). Линейные объекты (такие, как дороги, реки или трубопроводы) описываются наборами пар координат (X, Y). Полигональные объекты (типа земельных участков) хранятся в виде замкнутого набора координат. Векторная модель особенно удобна для описания дискретных объектов и меньше подходит для описания непрерывно меняющихся свойств, таких как типы почв или доступность объектов.

Растровая модель удобна для работы с непрерывными свойствами. Растровое изображение представляет собой набор значений для отдельных элементарных составляющих (ячеек), оно подобно отсканированной карте или картинке. Обе модели имеют свои преимущества и недостатки. Современные ГИС могут работать как с векторными, так и с растровыми моделями; разработаны процедуры преобразования этих моделей друг в друга.

Логико-математическое описание в цифровой форме объектов земной поверхности и отношений между ними называется цифровой моделью земной поверхности.

Цифровая модель земной поверхности, сформированная и представленная в ЭВМ в принятых для карт проекциях, разграфке, системе координат и высот, называется цифровой картой. При этом под картой понимается - математически определённое, уменьшенное, обобщённое изображение поверхности Земли, показывающее расположенные или спроецированные на них объекты в принятой системе условных знаков. Карта рассматривается как образно-знаковая модель, обладающая высокой информативностью, пространственно временным подобием относительно оригинала, метричностью и наглядностью.

Цифровые карты входят в состав картографических баз данных, составляют один из важнейших элементов информационного обеспечения ГИС и могут быть результатом функционирования ГИС.

Цифровая карта, представленная на экране монитора, называется электронной картон (в отличие от компьютерных карт, распечатываемых на бумаге или другой твёрдой поверхности средствами графического вывода).

Иногда электронной картой называют цифровую карту, представленную на магнитном носителе (например, на диске CD-ROM), вместе с программными средствами её визуализации (информационное средство в терминах ГОСТ19). Ещё одно, более широкое, толкование: электронная карта - это векторная или растровая карта, сформированная на машинном носителе в принятой проекции, системе координат, условных знаках, предназначенная для отображения, анализа и моделирования, а также решения информационных и расчётных задач по данным о местности и обстановке (ГОСТ Р 50828-95).

Компьютерная карта - карта, полученная из цифровой карты, с помощью устройств графического вывода (графопостроителей, принтеров и др.) на бумаге, пластике, фотоплёнке и иных материалах.

Топографическая цифровая карта - цифровая карта, по содержанию точности соответствующая топографической карте определённого масштаба.

Обзорно-географическая цифровая карта - цифровая карта, по содержанию точности соответствующая обзорной общегеографической карте определённого масштаба.

Номенклатурный лист цифровой карты - цифровая карта, границы территориальной принадлежности которой установлены в соответствии с принятой разграфкой топографических и специальных карт.

Цифровая карта местности - цифровая карта, отвечающая установленным пользователем требованиям по содержанию и точности. Цифровая карта контуров - часть цифровой .карты местности, содержащая информацию о плановом и высотном положении объектов, кроме рельефа. Цифровая карта рельефа - часть цифровой карты местности, содержащей информацию только о рельефе земной поверхности.

Автоматизированная картографическая генерализация - обработка на ЭВМ цифровой картографической информации с целью отбора и обобщения объектов создаваемой цифровой карты в соответствии с её назначением, масштабом, а также особенностями картографируемой территории.

Объект цифровой карты - структурная единица цифровой картографической информации, однозначно характеризующая определённый объект земной поверхности.

Сшивка цифровой картографической информации - обработка на ЭВМ цифровой картографической информации смежных районов с целью её объединения в рамках создаваемых цифровых карт.

Особо следует отметить понятие форматов данных в контексте ГИС. Формат - это общее наименование способа машинной реализации модели пространственных данных (векторный формат, растровый формат и т.п.). Выделяется несколько групп форматов.

Общие форматы и стандарты представления и обработки цифровых изображений:

· для векторной графики: IGES, DXB, DXF, CGM;

· растровой графики: PCX, GIF, JPEG, TIFF;

· записи, обмена и передачи данных дистанционного зондирования: BIF, BIB, BIP, BSQ.

Форматы ГИС для представления и передачи пространственных данных (векторные, растровые и универсальные) образуют несколько групп:

· векторные форматы распространённых цифровых продуктов: NOTIGEO, SXF, AS/NZS 4270, CCOGIF VPF. DFG, GBF/DIME, TIGER;

· растровые форматы распространённых цифровых продуктов: CFF, DFAD, DE^M, CTG, LUEC. FMIC. DOQ.

· Обменные форматы отдельных программных продуктов - DXF, Generate/ Ungenerate Arc Info (ARCG), ARCE, ERDAS. HFA. MIF, MIF/MID (Maplnfo), ADRG, ADRI;

· Уникальные форматы, не ориентированные на какой-либо продукт, программную систему или область применений - VPF, SDTS (американские), NTF (английский). SAIF (канадский). DIGEST (стандарт НАТО).

Стандарты обмена пространственными данными (вне зависимости от юридическою статуса, страны разработки, распространённости, используемого физического способа обмена) - DFT, DE:M, DEMTS. DIGEST, SDTS, отраслевые стандарты ASDTS, SQL/MM, ATKIS. S57. INTERLIS. EDIFACT, GDF, SOSI, TSSDS.

Преобразование данных из одного формата в другой называется конвертированием форматов.

Структура и функции ГИС

В составе ГИС можно выделить следующие основные компоненты

-аппаратные средства;

-специализированное программное обеспечение;

данные;

-дополнительные прикладные программы, предназначенные для решения специфических задач конкретного пользователя.

 

Рис.1.3 «Структура и функции ГИС»

В настоящее время ГИС работают на различных типах компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров. Как правило, в составе сложных ГИС применяются мощные рабочие станции.

Специализированное программное обеспечение ГИС содержит программные инструменты, обеспечивающие ввод, хранение, анализ и визуализацию географической (пространственной) информации. В сложных геоинформационных программных системах ключевыми компонентами являются: инструменты для ввода и оперирования географической информацией; система управления базой данных; инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации; графический пользовательский интерфейс для лёгкого доступа к инструментам.

Данные о пространственном положении объектов (координатные данные) и связанные с ними данные о свойствах объектов (атрибутные данные) могут собираться и подготавливаться самим пользователем, либо приобретаться у поставщиков на коммерческой или другой основе. В процессе управления пространственными данными ГИС интегрирует пространственные данные с другими типами данных, при этом могут использоваться и обычные СУБД.

Стандартный набор возможностей обработки данных, заложенный в геоинформационную программную систему, может не удовлетворять конечного пользователя. В этом случае в состав ГИС включаются

дополнительные приложения, разрабатываемые как с помощью инструментальных средств ГИС, так и с помощью обычного инструментального программного обеспечения.

ГИС общего назначения, в том числе прочего, обычно выполняет пять основных классов процедур с данными: ввод данных, редактирование, управление, запрос и анализ, визуализацию.

Ввод. Для использования в ГИС данные должны быть преобразованы в подходящий цифровой формат. Процесс преобразования данных с бумажных карт в компьютерные файлы называется оцифровкой. В современных ГИС этот процесс может быть автоматизирован с применением сканерной технологии, что особенно важно при выполнении крупных проектов, либо, при сравнительно небольшом объёме работ, данные можно вводить с помощью дигитайзера. Некоторые ГИС имеют встроенные векторизаторы, автоматизирующие процесс оцифровки растровых изображений. Многие данные уже переведены в форматы, напрямую воспринимаемые ГИС-пакетами.

Манипулирование. Часто для выполнения конкретного проекта имеющиеся данные нужно дополнительно видоизменять в соответствии с требованиями вашей системы. Например, географическая информация может быть в разных масштабах линии улиц имеются в масштабе 1: 100000, границы округов

переписи населения - в масштабе 1:50000, а жилые объекты - в масштабе 1:10000). Для совместной обработки и визуализации все данные удобнее представить в едином масштабе и одинаковой картографической проекции. ГИС-технология предоставляет разные способы манипулирования пространственными данными и выделения данных, нужных для конкретной задачи.

Управление. В небольших проектах географическая информация может храниться в виде обычных файлов. Но при увеличении объёма информации и росте числа пользователей для хранения, структурирования и управления данными эффективнее применять системы управления базами данных (СУБД). В ГИС наиболее удобно использовать реляционную структуру, при которой данные хранятся в табличной форме. При этом для связывания таблиц применяются общие поля. Этот простой подход достаточно гибок и широко используется во многих ГИС-приложениях.

Запрос и анализ. При наличии ГИС и географической информации сможете получать ответы как на простые вопросы (На каком расстоянии друг от друга расположены данные объекты?), так и на более сложные запросы, требующие дополнительного анализа (Сможет ли пройти гусеничная техника через данный лесной массив?). Запросы можно задавать как простым щелчком мышью на определённом объекте, так и посредством специальных аналитических средств. С помощью ГИС можно задавать шаблоны для поиска, проигрывать сценарии по типу Что будет, если...". Современные ГИС имеют множество мощных инструментов для анализа, среди них наиболее значимы два: анализ близости и анализ наложения. Для проведения анализа близости объектов относительно друг друга в ГИС применяется процесс, называемый буферизацией. Он помогает ответить на вопросы типа: «Сколько домов находится в пределах 100 м от этого водоёма?» Процесс наложения включает интеграцию данных, расположенных в разных тематических слоях. Наложение, или пространственное объединение, позволяет, например интегрировать данные о почвах, уклоне, растительности.

Визуализация. Для многих типов пространственных операций конечным результатом является представление данных в виде карты или графика. Карта - это очень эффективный и информативный способ хранения, представления и передачи географической (имеющей пространственную привязку) информации. С помощью ГИС карта может быть легко дополнена отчётными документами, трёхмерными изображениями, графиками, таблицами, диаграммами, фотографиями и другими средствами, например, мультимедийными.

 

Особенности организации данных в ГИС

Отображаемые в ГИС данные реального мира можно рассматривать с учётом трёх аспектов: пространственного, временного и тематического. Пространственный аспект связан с определением местоположения объекта, временной - с изменениями объекта или процесса с течением времени, тематический - с выделением и описанием характерных признаков объекта. Как правило, для определения места используют один класс данных - координаты, для определения параметров времени и тематической направленности - другой класс данных - атрибуты.

 

Координатные данные

Геометрически содержащаяся на карте информация может быть определена как совокупность наборов точек, линий, контуров и площадей, которые имеют метрические значения, отражающие трёхмерную реальность. Эта информация образует класс координатных данных. В ГИС включают следующие основные типы координатных данных:

-точка(узел,вершина);

-незамкнутая линия;

-замкнутая линия (контур);

-полигон (ареал, район) - группа примыкающих друг замкнутых участков.

В некоторых системах в описание основных типов моделей включают понятие «пространственная сеть», которая является развитием типа данных «район». Контуры и линии часто объединяют общим термином «линейные объекты».

Таким образом, в разных ГИС число основных типов координатных моделей меняется от трёх до пяти. Эти понятия носят концептуальный характер. На практике для построения моделей реальных объектов используют большее число составных типов (точки, отрезки, вершины, дуги, узлы, покрытия, слои и т.п.). Хранятся координатные данные в виде таблиц координат.

Реальные объекты могут иметь связи, которые важны для пространственного анализа данных. Например, связь типа «содержится в» позволяет соотносить объекты с их окружением, связь «пересекает» между двумя линиями важна для анализа маршрутов в сетях.

Выделяются три основных типа взаимосвязей между пространственными объектами. Первый тип - взаимосвязи для построения сложных объектов из простых элементов (например, между полигоном и упорядоченным набором определяющих его линий). При этом используются процедуры агрегирования и обобщения данных. 15

Второй тип - взаимосвязи, вычисляемые по координатам объектов. Например, координаты точки и данные о границах полигонов позволяют найти полигон, содержащий данную точку (взаимосвязь типа «содержится в»). Связи этого типа в неявном виде определяются атрибутивными данными.

Третий тип - «интеллектуальный». Взаимосвязи этого типа нельзя вычислить по координатам, они должны получать дополнительное описание при вводе данных. Например, пересечение двух автодорог (линий) можно вычислить, но нельзя сказать, находится ли в этом месте развязка автодорог. Учёт таких связей должен выполняться при координировании данных в подсистемах семантического моделирования.

Атрибутное описание

Одних координатных данных недостаточно для описания картографической или сложной графической информации. Кроме метрической информации, картографические объекты обладают некоторой присвоенной им описательной информацией (названия городов, рек и т.п.). Входящие в состав этой информации характеристики объектов (тематические и временные) называют атрибутами. Совокупность возможных атрибутов определяет класс атрибутных моделей ГИС.

Объекты описываются с помощью таблиц атрибутов. Каждому объекту соответствует строка таблицы, каждому тематическому признаку - столбец. Каждая клетка таблицы отражает значение определённого признака для определённого объекта. Атрибутами могут быть строки символов (названия), числа (код объекта, статистическая информация) или графические признаки (цвет, рисунок).

Временная характеристика может отражаться несколькими способами:

-путём указания временного периода существования объектов;

-путём соотнесения данных с определёнными моментами времени;

-путём указания скорости движения объекта.

В зависимости от способа представления временной характеристики она может размещаться в одной таблице или в нескольких таблицах атрибутов данного объекта для различных временных этапов.

Векторные и растровые модели

В ГИС применяются два основных подкласса моделей представления пространственных данных - векторные и растровые (ячеистые, мозаичные). Возможен класс гибридных моделей, содержащих характеристики как векторов, так и мозаик. Существуют процедуры преобразования разных моделей друг в друга.

При построении векторных моделей объекты создаются путём соединения точек линиями (отрезками прямых, дугами окружностей и др.). Один из наиболее распространённых способов получения векторных моделей - векторизация сканированных (растровых) изображений. Она заключается в выделении отдельных объектов на сканированном изображении и преобразовании их в векторную форму. Для векторизации необходимо высокое качество растровых образов (отчётливые линии и контуры). Процесс сканирования требует незначительных затрат труда, но необходимость последующей векторизации увеличивает расходы практически до уровня ручного шифрования.

Векторные модели отображают непрерывные объекты или явления с помощью дискретных наборов данных, что обеспечивает произвольный доступ к данным. В векторной форме проще осуществляются операции с линейными точечными объектами (например, анализ сети - разработка маршрута движения, замена условных обозначений).

Разновидностью векторных моделей являются топологические модели. В общем смысле слово «топологический» означает, что в модели объекта хранятся взаимосвязи, которые позволяют использовать ГИС для пространственного анализа. Необходимая процедура при работе с топологической моделью - подготовка геометрических данных для построения топологии. Этот процесс не может быть полностью автоматизирован.

Векторная модель даёт информацию о том, где расположен тот или иной объект. Растровая модель указывает, что расположено в той или иной точке пространства. В растровой модели объект отображается в пространственные ячейки, образующие регулярную сеть. Каждой ячейке растровой модели соответствует одинаковый по размерам, но разный по характеристикам (цвет, плотность) участок поверхности объекта. В ячейке содержится одно значение, усредняющее характеристику участка поверхности объекта. В теории обработки изображений эта процедура называется пикселизацией.

Растровые модели делятся на:

-регулярные (квадрат, треугольник, шестиугольник);

-нерегулярные (сети TIN, полигоны Тиссена, диаграммы Вороного);

-вложенные мозаики (квадратомические деревья и т.п.).

Оверлейные структуры

Цифровая карта может быть организована как множество слоев (покрытий или карт-подложек). Слои в ГИС являются типом цифровых картографических моделей, которые построены на основе объединения (типизации) пространственных объектов, имеющих общие свойства или функциональные признаки. Такими свойствами могут быть: принадлежность к одному типу пространственных объектов (здания, коммуникации, реки, и т.п.), отображение на карте одним цветом и т.п. Слои могут быть как векторными, так и растровыми. Совокупность слоев образует интегрированную основу графической части ГИС (рис.2.3.).

Рис 1.4 «Интегрированная основа ГИС»

 





sdamzavas.net - 2019 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...