Геоинформационные системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 1. Теоретические основы географических и земельно- информационных систем

1.Основные понятия

Геоинформационные системы (ГИС) - это система сбора, обработки, графического представления и анализа пространственно-распределенных данных. Практически в любой сфере деятельности мы встречаемся с информацией такого рода, представленной в виде карт, планов, схем, диаграмм и пр. Это может быть план здания, карта экологического мониторинга территории, атлас земельного кадастра или карта природных ресурсов и т.д. ГИС дает возможность накапливать и анализировать подобную информацию, оперативно находить нужные сведения и отображать их в удобном для использования виде.

Геоинформационные системы - цифровая модель реального пространственного объекта местности в векторной, растровой и других формах.

ГИС это система аппаратно-программных средств и алгоритмических процедур, созданная для цифровой поддержки, пополнения, управления, манипулирования, анализа, математико-картографического моделирования и образного отображения географически координированных данных.

Отличие ГИС от иных информационных систем проявляется в следующем:

обеспечивает взаимосвязь между любыми количественными и качественными характеристиками географических объектов и явлений, представленных в базе данных в виде точек, линий, площадей и равномерных сеток;

содержит алгоритмы анализа пространственно координированных данных.

Геоинформатика - это современная научная дисциплина, которая изучает природные и социально-экономические геосистемы различных иерархических уровней посредством компьютерного моделирования на основе баз данных и баз знаний.

Подобно другим дисциплинам, которые вбирают в себя основы нескольких наук, геоинформатика формируется на стыке географии, информатики, теории информационных систем, картографии и других дисциплин с привлечением системного подхода и новейших достижений в области вычислительной техники

Связь ГИС с научными дисциплинами и технологиями:

1. География

2. Картография

3. Дистанционное зондирование

4. Топография и фотограмметрия

5. Информатика

6. Математика и статистика

Сегодня геоинформатика предстает в виде системы, охватывающей науку, технику и производство. Геоинформатика -это не только научная дисциплина, но и технология (ГИС-технология) сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения пространственно-координированной информации, целью которой является решение задач инвентаризации, оптимизации и управления геосистемами. Как производство геоинформатика включает в себя изготовление программных и аппаратных средств, создание баз данных, систем управления, стандартных и коммерческих ГИС различного целевого назначения и проблемной ориентации.

Взаимосвязи картографии и геоинформатики проявляются в следующих аспектах:

тематические и картографические карты - главный источник пространственно - временной информации;

системы географических и прямоугольных координат служат основой для координатной привязки всей информации, поступающей и хранящейся в ГИС;

карты - основное средство географической интерпретации и организации данных дистанционного зондирования и другой используемой в ГИС информации (статистической, аналитической и т.п.);

картографический анализ - один из наиболее эффективных способов выявления географических закономерностей, связей, зависимостей при формировании баз знаний, входящих в ГИС;

математико-картографическое и компьютерно-картографическое моделирование - главное средство преобразования информации в процессе принятия решений, управления проведения экспертиз, составление прогнозов развития геосистем;

6 картографическое изображение - целесообразная форма представления информации потребителям.

Информационная система ~ это хранилище информации, снабженное процедурами ввода, поиска, размещения и выдачи информации. Наличие таких процедур - главная особенность информационных систем, отличающих их от простых скоплений информационных материалов.

Например, личная библиотека, в которой может ориентироваться только ее владелец, информационной системой не является. В публичных же библиотеках порядок размещения книг всегда строго определенный. Благодаря этому, поиск и выдача книг, а также размещение новых поступлений представляют собой стандартные процедуры, близкие к алгоритмам.

Работа информационных систем заключается в обслуживании двух встречных потоков информации: ввода новой информации и выдачи текущей информации по запросам.

Поскольку главная задача информационной системы - обслуживание клиентов, система должна быть устроена так, чтобы ответ на любой запрос выдавался быстро и был достаточно полным.

Земельно-информационная система - географическая информационная система земельно-ресурсной и земельно-кадастровой специализации.

Отличие ЗИС от других информационных систем обусловлено особенностями их объекта - земли.

2. Функции ГИС

Сбор геоданных (или просто данных): приобретение готовых электронных карт; конвертация из других форматов; непосредственная оцифровка с твердой основы; сканирование с твердой основы с последующей векторизацией; векторизация авиационных и космических снимков; непосредственный ввод координат географического объекта.

Хранение данных. Существует две основных модели хранения геоданных: векторная, которая хранит географические объекты на карте в виде точек, линий и полигонов и растровая, сохраняющая географический объект в виде множества ячеек, которые покрывают всю область его расположения.

Запросы. Существует два основных запроса: идентификация отдельных объектов (определение точного местоположения существующего объекта): где находится и какие атрибуты ему присвоены; идентификация объектов по условию (определение местоположения объекта, который удовлетворяет определённому условию).

4. Анализ данных. Основные виды анализа геоданных: буферизация (какие участки расположены на таком-то расстояние от такого-то объекта и другие запросы такого типа); наложение (объединяются объекты двух слоев для создания нового слоя, содержащего атрибуты обоих слоев, например, наложение почвы и растительности); сеть (рассматривается, как соединены линейные объекты и каким образом можно по ним передвигаться);

5. Отображение (осуществляется в виде карт графиков и диаграмм);

6. Вывод информации.

3. Способы классификации ГИС

Геоинформационные системы могут быть классифицированы по следующим признакам:

назначению (в зависимости от целевого использования и характера решаемых задач, например: мониторинговые, инвентаризационные, исследовательские, учебные ГИС и др.);

проблемно-тематической ориентации (в зависимости от области применения, например: экологические, природопользовательские, социально-экономические, земельно-кадастровые, геологические, чрезвычайных ситуаций, навигационные и др.);

территориальному охвату (в зависимости от масштаба базы данных, например: глобальные, общенациональные, региональные, локальные, муниципальные);

способу организации географических данных (в зависимости от форматов ввода, хранения, обработки и представления картографической информации).

4. Эволюция ГИС

История ГИС берет своё начало с конца пятидесятых годов прошлого столетия. Основные достижения в ГИС были получены в США, Канаде и Швеции. Россия и бывший СССР не участвовали в мировом процессе создания и развития геоинформационных технологий до середины 1980-х годов. В истории развития геоинформационных систем выделяют четыре периода:

Новаторский период (поздние 1950-е - ранние 1970-е гг.). Исследование принципиальных возможностей, пограничных областей знаний и технологий, наработка эмпирического опыта, первые крупные проекты и теоретические работы.

Период государственных инициатив (начало 1970-х -начало 1980-х гг.). Развитие крупных геоинформационных проектов поддерживаемых государством, формирование государственных институтов в области ГИС, снижение роли и влияния отдельных исследователей и небольших групп. Государственная поддержка ГИС стимулировала развитие экспериментальных работ в области ГИС, основанных на использовании баз данных по уличным сетям: автоматизированные системы навигации; системы вывоза городских отходов и мусора; движение транспортных средств в чрезвычайных ситуациях и т.д.

Период коммерческого развития (ранние 1980-е - настоящее время). Широкий рынок разнообразных программных средств, развитие настольных ГИС, расширение области их применения за счет интеграции с базами непространственных данных, появление сетевых приложений, появление значительного числа непрофессиональных пользователей.

Пользовательский период (поздние 1980-е - настоящее время). Повышенная конкуренция среди коммерческих производителей геоинформационных технологий услуг дает преимущества пользователям ГИС, доступность и "открытость" программных средств позволяет использовать и даже модифициро вать программы, появление пользовательских "клубов", телеконференций, территориально разобщенных, но связанных единой тематикой пользовательских групп, возросшая потребность в геоданных, начало формирования мировой геоинформационной инфраструктуры.

5. Сферы применения ГИС

Мониторинг и охрана природной среды. Комплексный контроль загрязнений, оценка ущерба от природных и антропогенных бедствий, планирование эвакуационных и восстановительных мероприятий.

Поиск и добыча минеральных ресурсов. От разведки до эксплуатации месторождений и рекультивационных мероприятий.

Транспортные, инженерные и коммуникационные сети. Планирование, прокладка и эксплуатация, анализ и оптимизация загрузки.

Городское хозяйство и региональное управление. Практически весь комплекс вопросов - от работы городских служб и ведения кадастров (систем учёта земельных и других видов ресурсов) до перспективного планирования.

Службы безопасности, правопорядка и спасения. Оперативный контроль, диспетчеризация и маршрутизация, анализ и прогноз ситуации.

Военное дело. От ведения разведки, анализа местности, планирования и управления боевыми и учебными операциями до учёта военного хозяйства.

Сфера бизнеса. Анализ пространственного распределения клиентов, партнёров и конкурентов, оптимизация работы службы доставки, взаимодействие с органами государственного управления и землепользования, учёт демографических данных. Системы выборов. Оценка пространственного распределения рейтинга, определение наиболее важных участков для агитации с учётом действий конкурентов.

ГИС даёт высокоэффективный результат также и в следующих отраслях: местное и государственное управление, нефтегазовую отрасль, банковское и страховое дело, телекоммуникации, операции с недвижимостью, сельское хозяйство, лесное и водное хозяйство, геодезия, навигация.

То, что необходимость в ГИС очень велика, показывают общемировые продажи программного обеспечения для создания геоинформационных систем, сумма которых в 1997 году превысила 1 млрд. долларов, а с учётом сопутствующих программных и аппаратных средств достигла почти 10 миллиардов.

Лекция 2. Аппаратные средства и программное обеспечение ГИС

1. Базовые компоненты ГИС

Геоинформационные системы включают в себя пять ключевых составляющих: аппаратные средства, программное обеспечение, данные, исполнители и пользователи.

Аппаратные средства. Аппаратные средства представляют собой: компьютеры (рабочие станции, ноутбуки, карманные ПК); средства хранения данных (винчестеры, компакт-диски, дискеты, флэш-память); устройства ввода информации (дигитайзеры, сканеры, цифровые камеры и фотоаппараты, клавиатуры, компьютерные мыши); устройства вывода информации (принтеры, плоттеры, проекторы, дисплеи).

Программное обеспечение ГИС содержит функции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической информации. Они очень сильно различаются в цене и функциональности. Выбор программного обеспечения зависит от решаемых пользователем задач.

Данные - это данные о пространственном положении и о состоянии объектов. Они собираются и подготавливаются самим пользователем, либо приобретаются у поставщиков. Источники геоданных для ГИС:

• Бумажные карты.

• Данные полевой съемки (геодезические и топографические работы).

• Всевозможные табличные и скалярные данные.

• Данные дистанционного зондирования Земли.

• Современные непрерывные технологии (GPS-трассирование, лазерное сканирование).

Исполнители - это люди, которые работают с программными продуктами и разрабатывают планы их использования при решении реальных задач.

Пользователи ГИС - это технические специалисты, разрабатывающие и поддерживающие систему, и обычные сотрудники (конечные пользователи), которым ГИС помогает решать текущие каждодневные дела и проблемы.

2.Структура ГИС

Структура ГИС, как правило, включает четыре обязательные подсистемы:

Ввода данных, обеспечивающую ввод и/или обработку пространственных данных, полученных с карт, материалов дистанционного зондирования и т.д.;

Хранения и поиска, позволяющие оперативно получать данные для соответствующего анализа, актуализировать и корректировать их;

Обработки и анализа, которая дает возможность оценивать параметры, решать расчетно-аналитические задачи;

4) Представления (выдачи) данных в различном виде (карты, таблицы, изображения, блок-диаграммы, цифровые модели местности и т.д.).

Подсистема ввода информации - это программный или аппаратно-программный блок, отвечающий за получения данных. Например, дигитайзеры, на котором осуществляется оцифровка карт, сканер, считывающий изображение в виде растра, электронные геодезические приборы.

Ввод данных - процедура кодирования данных в компьютерно-читаемую форму и их запись в базу данных GIS.

Ввод данных включает три главных шага:

· Сбор данных

· Их редактирование и очистка

· Геокодирование данных - это генерация геометрических данных на основе табличных значений, представляющих собой почтовые адреса или линейные координаты. Имеются следующие методы: StreetInfo (адресное геокодирование), линейные координаты.

Последние два этапа называются также предобработкой данных.

Типы систем ввода данных:

1. Ввод с помощью клавиатуры

· Главным образом, для атрибутивных данных

· Редко используется для пространственных данных

· Может быть совмещен с ручным цифрованием

2. Координатная геометрия. Координатная геометрия - математические и программные средства, используемые для автоматизации обработки данных геодезических съемок.

· Очень высокий уровень точности, полученной, за счет полевых геодезических измерений

· Очень дорогой

· Используемый для земельного кадастра

3. Цифрование - преобразование аналоговых графических и картографических документов (оригиналов) в форму цифровых записей, соответствующих векторным представлениям пространственных объектов. По методу цифрование различают:

· Цифрование с помощью дигитайзера с ручным обводом

· Цифрование c использованием сканирующих устройств (сканеров) с последующей векторизацией растровых копий оригиналов;

· ручное цифрование манипулятором типа "мышь" по растровой картографической подложке (map background) или полуавтоматическое видеоэкранное цифрование, а также гибридные методы:

- наиболее широко используется при вводе пространственных данных с карт;

- эффективность метода зависит от качества сканируемого материала, программного обеспечения цифрования и умения оператора;

- требует много времени и допускает наличие ошибок

4. Ввод существующих цифровых файлов. В данном случае под цифровыми файлами понимаем наборы данных различных ведомств и организаций.

Приобретение и использование существующих цифровых наборов данных является наиболее эффективным способом заполнения ГИС.

Проблемы цифрования карт:

· Уровень ошибок в базе данных ГИС непосредственно связан с уровнем ошибок исходных карт

· Карты не всегда адекватно отображают информацию и не всегда точно передают данные о местоположении

Информация о качестве данных:

· Дата получения

· Точность позиционирования

· Точность классификации (Классификация - автоматическое разбиение изображений по заданному признаку или совокупности признаков на однородные содержательно интерпретируемые области, т.е. выделение объектов или классов объектов по их яркостным и/или геометрическим свойствам и их последующая обработка или интерпретация различными методами).

· Полнота

· Метод, использованный для получения и кодирования данных

2)Подсистема хранения информации представлена базой данных (БД), куда поступает вся оцифрованная информация. Это упорядоченный массив цифровой информации по какой-либо теме (например, базы данных по рельефу, по растительности).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2 Обязательные компоненты ГИС

Подсистема обработки информации состоит из самого компьютера, системы управления и программного обеспечения. Разнообразные специализированные программы позволяют строить карты, совмещать их друг с другом, визуализировать и выводить на печать. Программные комплексы способны проводить анализ территории, дешифрировать снимки, классифицировать картографируемые объекты, моделировать процессы, оценивать альтернативные варианты и выбирать оптимальный путь решения. Большая часть подсистем обработки информации работает в диалоговом (интерактивном режиме), в ходе которого идет непосредственный двусторонний обмен информацией между картографом и компьютером.

Подсистема вывода (выдачи) информации - комплекс устройств для визуализации обработанной информации в картографической форме. Это экраны (дисплеи), печатающие устройства (принтеры) различной конструкции, чертежные автоматы (плоттеры) и др. С их помощью быстро выводят результаты картографирования и варианты решений в той форме, которая удобна пользователю. Это могут быть не только карты, но и тексты, графики, трехмерные модели, таблицы, однако если речь идет о пространственной информации, то чаще всего она дается в картографической форме.

В состав картографических ГИС производственного назначения включают еще и подсистему издания карт. Если тираж карт небольшой, что обычно при выполнении научных исследований, то используют настольные картографические издательские системы.

ГИС, ориентированные на работу с аэрокосмической информацией, включают специализированную подсистему обработки изображений. В этом случае программное обеспечение позволяет выполнять различные операции со снимками: проводить их коррекцию, преобразование, улучшение, автоматическое распознавание и дешифрирование.

Особую подсистему в высокоразвитых ГИС может составлять база знаний, т.е. совокупность формализованных знаний, логических правил и программных средств для решения задач определенного типа (например, для проведения границ или районирования территории). Базы знаний помогают ставить диагноз состояния геосистем, предлагать варианты решения проблемных ситуаций, давать прогноз развития.

3. Программное обеспечение ГИС

На рынке программных продуктов предлагаются различные ГИС, отличающиеся по функциональным возможностям, требованиям к аппаратным ресурсам и другим характеристикам. Одна из широко распространенных в России ГИС - MapInfo Professional, разработанная фирмой MapInfo Corporation (США). В наших исследованиях особое внимание уделяется также одной из самых распространенных в мире и России ГИС - ArcView GIS, разработанной фирмой ESRI (США).

Геоинформационные технологии - технологическая основа создания географических информационных систем, позволяющая реализовать их функциональные возможности.

Программные обеспечения ГИС делятся на пять основных используемых классов.

Первый наиболее функционально полный класс программного обеспечения - это инструментальные ГИС. Они могут быть предназначены для самых разнообразных задач: для организации ввода информации (как картографической, так и атрибутивной), ее хранения (в том числе и распределенного, поддерживающего сетевую работу), отработки сложных информационных запросов, решения пространственных аналитических задач (коридоры, окружения, сетевые задачи и др.), построения производных карт и схем (оверлейные операции), для подготовки к выводу на твердый носитель оригинал-макетов картографической и схематической продукции.

Как правило, инструментальные ГИС поддерживают работу как с растровыми, так и с векторными изображениями, имеют встроенную базу данных для цифровой основы и атрибутивной информации или поддерживают для хранения атрибутивной информации одну из распространенных баз данных: Paradox, Access, Oracle и др. Наиболее развитые продукты имеют системы run time, позволяющие оптимизировать необходимые функциональные возможности под конкретную задачу и удешевить тиражирование созданных с их помощью справочных систем.

Второй важный класс - ГИС-вьюверы (просмотрщики), то есть программные продукты, обеспечивающие пользование созданными с помощью инструментальных ГИС базами данных. ГИС-вьюверы предоставляют пользователю (если предоставляют вообще) крайне ограниченные возможности пополнения баз данных. Во все ГИС-вьюверы включается инструментарий запросов к базам данных, которые выполняют операции позицирования и суммирования картографических изображений. Вьюверы всегда входят составной частью в средние и крупные проекты, позволяя сэкономить затраты на создание части рабочих мест, не наделенных правами пополнения базы данных.

Третий класс - это справочные картографические системы (СКС).

Они сочетают в себе хранение и большинство возможных видов визуализации пространственно-распределенной информации, содержат механизмы запросов по картографической и атрибутивной информации, но при этом существенно ограничивают возможности пользователя по дополнению встроенных баз данных. Их обновление (актуализация) носит цикличный характер и производится поставщиком СКС за дополнительную плату.

Четвертый класс программного обеспечения - средства пространственного моделирования. Их задача - моделировать пространственное распределение различных параметров (рельефа, зон экологического загрязнения, участков затопления при строительстве плотин и др.). Они опираются на средства работы с матричными данными и снабжаются развитыми средствами визуализации. Типичным является наличие инструментария, позволяющего проводить самые разнообразные вычисления над пространственными данными (сложение, умножение, вычисление производных и другие операции).

Пятый класс - это специальные средства обработки и дешифрирования данных зондирований Земли. Сюда относятся пакеты обработки изображений, снабженные в зависимости от цены различным математическим аппаратом, позволяющим проводить операции со сканированными или записанными в цифровой форме снимками поверхности Земли. Это довольно широкий набор операций, начиная со всех видов коррекций (оптической, геометрической) через географическую привязку снимков вплоть до обработки стереопар с выдачей результата в виде актуализированного топоплана. Кроме упомянутых классов существует еще разнообразные программные средства, манипулирующие с пространственной информацией. Это такие продукты, как средства обработки полевых геодезических наблюдений (пакеты, предусматривающие взаимодействие с GPS-приемниками, электронными тахометрами, нивелирами и другим автоматизированным геодезическим оборудованием), средства навигации и программного обеспечения для решения еще более узких предметных задач (изыскания, экологии, гидрогеологии и пр.).

Возможны и другие принципы классификации программного обеспечения: по сферам применения, по стоимости, поддержке определенным типом (или типами) операционных систем, по вычислительным платформам (ПК, рабочие Unix-станции).

Если до середины 90-х годов основной рост рынка был связан лишь с крупными проектами федерального уровня, то сегодня главный потенциал перемещается в сторону массового рынка. Это мировая тенденция: по данным исследовательской фирмы Daratech (США), мировой рынок ГИС для персональных компьютеров в настоящий момент в 121,5 раза опережает общий рост рынка ГИС-решений.

Массовость рынка и возникающая конкуренция приводят к тому, что потребителю за ту же или меньшую цену предлагается все более качественный товар. Для ведущих поставщиков инструментальных ГИС стала уже правилом поставка вместе с системой и цифровой картографической основы того региона, где распространяется товар. Два-три года назад функции автоматизированной векторизации и справочных систем можно было реализовать только с помощью развитых и дорогостоящих инструментальных ГИС (Arc/Info, Intergraph).

Сегодня даже пакеты, обслуживающие какой-либо технологический этап, например, векторизаторы, можно приобрести как в полном, так и в сокращенном наборе модулей, библиотек символов.

Такие продукты, как GeoDraw/GeoGraph, Sinteks/Tri, GeoCAD, EasyTrace обладают не только значительным количеством пользователей, но и имеют уже все атрибуты рыночного оформления и поддержки. В российской геоинформатике есть некая критичная цифра работающих инсталляций - пятьдесят. Как только вы ее достигли, дальше есть только два пути - или резко вверх, наращивая число своих пользователей, либо - уход с рынка из-за невозможности обеспечить необходимую поддержку и развитие своему продукту. Все упомянутые программы обслуживают нижний ценовой уровень. Другими словами, в них найдено оптимальное соотношение между ценой и напором функциональных возможностей именно для российского рынка.

Лекция 3. Информация в ГИС

1. Виды информации в ГИС

Геопространственные данные представляют собой информацию, которая описывает географическое местоположение и свойства естественных или искусственно созданных объектов и их границ на Земле. Любая ГИС работает с 2 основными типами информации: пространственной и атрибутивной.

Пространственная информация в ГИС находится в цифровой форме и служит для визуализации изображения в той или мной модели данных.

Атрибутивная информация в ГИС - это данные, описывающие качественные или количественные параметры пространственно соотнесенных объектов. Например, жилая постройка на дисплее может быть представлена в виде полигона, а атрибутивная информация будет содержать сведения об ее площади, почтовом адресе, количестве этажей, материале стен и т.д.

Метаданные (дословно - «данные о данных»). Это сведения о местонахождении данных, их качестве, составе, содержании, происхождении (способах и условиях получения), формах представления, условиях доступа, приобретения и использования, авторских правах и т.п.

2. Особенности организации данных в ГИС

ГИС использует разнообразные данные об объектах, характеристиках земной поверхности, информацию о формах и связях между объектами, различные описательные сведения.

Для того чтобы полностью отобразить геообъекты реального мира и все их свойства, понадобилась бы бесконечно большая база данных. Поэтому, используя приемы генерализации и абстракции, необходимо свести множество данных к конечному объему, легко поддающемуся анализу и управлению. Это достигается применением моделей, сохраняющих основные свойства объектов исследования и не содержащих второстепенных свойств. Поэтому первым этапом разработки ГИС или технологии ее применения является обоснование выбора моделей данных для создания информационной основы ГИС.

Выбор метода организации данных в геоинформационной системе, и, в первую очередь, модели данных, т.е. способа цифрового описания пространственных объектов, 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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Уровни организации данных

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.

ГИС, впрочем, как и любая другая информационная система, обладает развитыми средствами обработки и анализа входящих данных с целью дальнейшей их реализации в вещественной форме.

Рис.2 Схематическое представление процессов сбора, обработки, анализа и вывода данных в ГИС

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.

3. Подходы организации связи между данными

Для организации связи между географической и атрибутивной информацией используют четыре подхода взаимодействия:

1) 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. Как видно из рис. 3., географическая информация хранится отдельно от атрибутивной в своей БД. Атрибутивная информация организована в таблицы под управлением реляционной СУБД.

2) Интегрированный подход - предусматривается использование средств реляционных СУБД для хранения как пространственной, так и атрибутивной информации. В этом случае ГИС выступает в качестве надстройки над СУБД.

3) 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.

4) В последнее время самое широкое распространение получил объектно-реляционный подход, являющийся синтезом первого и третьего подходов.

4. Формы представления объектов в ГИС

В ГИС выделяют несколько форм представления объектов:

· В виде нерегулярной сети точек;

· В виде регулярной сети точек;

· В виде изолиний.

Представление в виде нерегулярной сети точек - это произвольно расположенные точечные объекты, в качестве атрибутов имеющие какое-то значение в данной точке поля.

Рис. 3. Пример формы представления объектов в виде нерегулярной сети точек

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. На рис. 5. приведен пример этой формы представления.

Рис. 4. Пример формы представления объектов в виде изолиний

5. Модели организации пространственных данных в ГИС

Самой распространенной моделью организации данных является слоевая модель (называемая оверлеями, покрытиями или темами), рис. 5. 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 видно из рис., 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.

Рис. 5. Пример слоевой организации данных

В рамках слоевой модели существует две конкретных реализации: векторно-топологическая и векторно-нетопологическая модели.

Первая реализация - векторно-топологическая, рис. 6. В этой модели есть ограничения: в один лист одного тематического слоя можно поместить объекты не всех геометрических типов одновременно. 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.

Рис. 6. Векторно-топологическая модель организации данных

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), рис. 8.



Рис. 7. Пример топографического классификатора

В объектно-ориентированной 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.

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 точка, линия, дуга, полигон. Расположение точечного объекта, например, угольной шахты, можно описать парой координат (x, y). Такие объекты, как река, водопровод, железная дорога описываются набором координат (x1, y2; …; xn, yn), рис. 8. 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.



Рис. 8.Пример использования векторной модели для описания геообъектов

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.

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. Многие ГИС используют растровые изображения в качестве фундаментального слоя для векторных слоев, что также повышает наглядность изображения.

Лекция 4. Технологии создания и использования карт средствами ГИС

1. ГИС-технология создания карт средствами карт

Построение карты средствами ГИС может быть реализовано тремя путями:

1. Создание новой карты на основе информации, которая вводится оператором,

2. Создание новой карты на основе существующей векторной карты путем ее модификации или обновления,

3. Создание новой карты на основе трассировки растровых изображений, которые могут представлять собой сканированные снимки или карты.

Создание новой карты на основе информации вводимой оператором с клавиатуры наименее производительно и на практике не применяется. Технологически этот процесс совпадает с процессом редактирования карт и будет рассмотрен в разделе, посвященному графическому редактированию.

В наиболее общем виде ГИС-технология создания карт следующая:

1. Подготовка исходных материалов и ввод данных заключается, в подготовке исходной цифровой основы будущей карты посредством цифрования картографических материалов и осуществляется:

а) с накопителей электронных тахеометров;

б) приемников GPS;

в) систем обработки изображений;

г) дигитализацией (цифрованием) материалов обследований, авторских или составительских оригиналов, а также имеющихся планово-картографических материалов;

д) сканированием исходных материалов и трансформированием полученного растрового изображения;

В MapInfo растровые изображения используются только для просмотра; вносить изменения в само изображение нельзя. К нему нельзя "привязать" никаких данных, в отличие от векторных карт. Обычно они используются как подложки для векторных карт, т.к. степень детализации растрового изображения гораздо выше, чем у векторных карт. Система читает такие растровые форматы, как TIFF, JPEC и др.

Поскольку MapInfo не общается непосредственно со сканерами, а читает уже подготовленные другими программами файлы изображений, необходимо сформировать растровое изображение при помощи планшетного сканера и имеющегося программного обеспечения. Для этого необходимо поместить картографический источник на стекло сканера и запустить процесс сканирования. Полученное растровое изображение необходимо сохранить со своим уникальным именем.

Полученное растровое изображение необходимо зарегистрировать с целью дальнейшей векторизации растра в выбранной картографической проекции и системе координат.

Перед сканированием необходимо по возможности устранить физические дефекты карты: разгладить складки, аккуратно подклеить (если на карте имеются разрывы). Необходимо помнить что, чем меньше дефектов на карте, тем точнее можно произвести привязку и векторизацию.

Для удовлетворительного качества изображения следует установить разрешение не менее 300 точек на дюйм. Для получения качественного изображения и для получения растровых изображений аэро- и космических снимков следует сканировать с разрешением 600-800 dpi. Для хранения растра рекомендуется использовать форматы GIF и Jpeg (с минимальной компрессией), для векторизации их следует перевести в форматы TIFF или BMP т.к. они гораздо быстрее обрабатываются компьютером. Если вы сканировали в 24 - или 32 - битном режиме (цветном) и сохранили как TIFF, то можно в 3 раза уменьшить объем растра (превратив его в 8 - битное) сохранив в формате GIF, а потом перевести обратно в TIFF.

2. формирование и редактирование слоев создаваемой карты и таблиц к ним, а также формирование базы данных;

Формирование слоев включает в себя векторизацию карты. Под векторизацией понимается перевод растрового формата графических данных в векторный. В Mapinfo векторизация происходит в ручном режиме. Вам предстоит поверх растровых объектов нанести аналогичные векторные. Векторизация линий производится ломаной линией (полилинией), площадных объектов (озера, леса, болота т.е. таких у которых ширина выражается в масштабе) многоугольником (полигоном), символьных объектов (символами / simbol), текста - нанесением поверх растрового текста аналогичного по шрифту, размеру и т.д. - векторного.

3 . ввод табличных и текстовых данных с характеристиками объектов (атрибутов). Информация об объекте заносится в список (таблицу).



4. разработка знаковой системы (легенды карты); при создании тематической карты одним из шагов является создание легенды карты. ГИС позволяют выбрать цвет столбцов; расположение столбцов- горизонтальное и вертикальное; размеры - высоту (высота равна заданному максимальному значению, ширину, можно также установить ориентацию графика относительно центра объекта и др. параметры.

5. совмещение слоев, формирование картографического изображения тематической карты и его редактирование;

После векторизации объектов (т.е. создали графическую БД) и занесли атрибутивную информацию об объектах в Список (создали тематическую БД) можно приступить к созданию тематических карт с помощью модуля анализа. Алгоритм построения тематических карт в Mapinfo во многом схож с построением графиков в электронных таблицах Excel, т.е. выполняется пошагово.



В окне выбрать Тип карты и Вид. Нажмите Далее>). Создать Тематическую Карту - Шаг 2 из 3 в котором выбирается Таблица и Поля по которым будет создаваться карта.

6. Компоновка карты и формирование макета печати;

7. Вывод карты на печать. Для вывода на печать карт, таблиц и графиков используется Окно отчета, в котором вы можете указать размеры и положение страницы, масштаб карты, произвести компоновку карты, вставив легенду, графики и обрамив ее рамкой и т.п.



2. Понятия о базах данных. Графическая и атрибутивная базы данных

Основным ядром каждой информационной системы (и ГИС в том числе), является база данных (БД). Под базой данных понимается поименованная совокупность данных, отображающая состояние объекта, его свойства и взаимоотношения с другими объектами, а также комплекс технических и программных средств для ведения этих баз данных.

В самом общем смысле база данных (БД) - это набор записей и файлов, организованных специальным образом. В базе данных любой ГИС можно хранить, например, фамилии и адреса друзей или клиентов (текстовая информация) и карту города с нанесенными домами (графическая информация), координаты, значения площадей, другие количественные характеристики (метрическая информация).

Базы данных делятся на иерархические, сетевые и реляционные.

1) Иерархические базы данных устанавливают строгую подчиненность между записями.

Для хранения данных, имеющих такую структуру, была разработана иерархическая модель данных, которую иллюстрирует рис. Входящие в состав такой модели записи образуют древовидную структуру - каждая из них связана с одной записью, находящейся на более высоком уровне иерархии. Доступ к любой из записей осуществляется путем прохода по строго определенной цепочке узлов дерева с последующим просмотром соответствующих этим узлам записей. Для достаточно простых задач иерархическая система эффективна, но она практически непригодна для использования в сложных системах с оперативной обработкой запросов и распределенной архитектурой. Иерархическая организация трудно модифицируема и поэтому не может обеспечить быстродействие, необходимое для работы в условиях одновременного модифицирования файлов несколькими прикладными системами.

2) Сетевые базы данных это база данных, в которой одна запись может участвовать в нескольких отношениях предок-потомок. Фактически база данных представляет собой не дерево, а произвольный граф. Все данные считаются потенциально взаимосвязанными (рис).

Использовались в том случае, если структура данных оказывалась сложнее, чем обычная иерархия, т.е. простота структуры иерархической базы данных становилась её недостатком. Как сетевые, так и иерархические базы данных были очень жесткими. Наборы отношений и структуру записей приходилось задавать заранее.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок - Иерархическая база данных

Изменение структуры базы данных обычно означало перестройку всей базы данных, а для получения ответа на запрос приходилось писать специальную программу поиска данных. Реализация пользовательских запросов часто затягивалась на недели и месяцы, к моменту появления программы информация, которую она предоставляла, часто оказывалась бесполезной.

3)Реляционная модель была попыткой упростить структуру БД. Реляционной считается такая база данных, в которой все данные представлены в виде простых таблиц, разбитых на строки и столбцы, и все операции над базой данных сводятся к манипуляциям с таблицами.

Особенности реляционной базы данных можно сформулировать следующим образом:

1) Данные хранятся в таблицах, состоящих из столбцов ("атрибутов") и строк ("записей", "кортежей").

2) На пересечении каждого столбца и строчки стоит в точности одно значение.

3) У каждого столбца есть своё имя, которое служит его названием, и все значения в одном столбце имеют один тип.

4) Запросы к базе данных возвращают результат в виде таблиц, которые тоже могут выступать как объект запросов.

5) Строки в реляционной базе данных неупорядочены - упорядочивание производится в момент формирования ответа на запрос.

Более наглядно структуру таблицы иллюстрирует рис.5.5.2 , на котором изображена таблица РАЙОНЫ.

Каждая горизонтальная строка этой таблицы представляет отдельную физическую сущность - один административный район. Она же представлена на карте отдельным графическим объектом.

Все N строк таблицы вместе представляют все N районов одной области. Все данные, содержащиеся в конкретной строке таблицы, относятся к району, который описывается этой строкой.

Все значения, содержащиеся в одном и том же столбце, являются данными одного типа. Например, в столбце Районный центр содержатся только слова, в столбце Площадь содержатся десятичные числа, а в столбце ID содержатся целые числа, представляющие коды объектов, установленные пользователем. Связь между таблицами осуществляется по полям.

Каждая таблица имеет собственный, заранее определенный набор поименованных столбцов (полей). Поля таблицы обычно соответствуют атрибутам объектов, которые необходимо хранить в базе. Количество строк (записей) в таблице не ограничено и каждая запись несет информацию о каком-либо объекте.

На сегодняшний день реляционные базы данных являются наиболее популярной структурой для хранения данных, поскольку сочетают в себе наглядность представления данных с относительной простотой манипулирования ими.

Общепринятым стандартом языка работы с реляционными базами данных является язык SQL. К числу наиболее известных СУБД реляционного типа относятся dBase, Clipper, FoxBASE, Paradox, ORACLE, Microsoft Access.

В реляционных БД содержатся два типа данных: графические и атрибутивные (или семантические).

В графической базе данных хранится так называемая графическая или метрическая основа карты в цифровом виде. Кроме метрической информации объекты должны обладать временной и описательной информацией.

Атрибутивная база данных содержит в себе определенную смысловую нагрузку карты и дополнительные сведения, которые относятся к пространственным данным, но не могут быть прямо нанесены на карту- это описание территории или информация, описывающая качественные характеристики объектов (атрибуты). Таблица, содержащая атрибуты объектов, называется таблицей атрибутов, например при сборе характеристик по городу можно указать численность жителей, число театров и концертных залов, протяженность автодорог и линий связи; по району - его общая площадь и число землепользователей; по сотруднику предприятия - имя, фамилия, отчество, пол, возраст, стаж работы, размер заработной платы и т. д. И для хранения всей этой информации применяют атрибутные таблицы.

Каждая строка таблицы соответствует одному объекту; каждый столбец - тематическому признаку; ячейка, находящаяся на пересечении строки и столбца, отражает значение определенного признака выбранного объекта. Важным атрибутом являются временные характеристики.

В ГИС обычно встроены не только средства отображения базы данных, но и специальные программы- так называемые системы управления базами данных (СУБД).

С использованием СУБД осуществляется поиск, сортировка, добавление и исправление информации в базах данных. Этот модуль позволяет создать новую атрибутивную таблицу, заполнить ее и привязать к карте.

Не следует понимать, что графические объекты живут сами по себе, а атрибутика - сама по себе. Напротив, интеграция достигает порой той степени, когда графический объект физически хранится как одно из полей атрибутивной таблицы, несколько же других полей реально в таблице базы данных не существуют, а отображают автоматически отслеживаемые географические параметры объекта (длину, периметр, площадь.)

Атрибутивные базы данных не только помогают по-разному отобразить объекты с различными свойствами. При выполнении пространственных запросов атрибутика помогает более точно идентифицировать объект - в самом простом случае мы можем указать объект на карте и получить о нем подробную информацию (номер, имя, размер и т.д.) Можно, разумеется, организовывать выбор объектов на карте посредством запросов к атрибутивной таблице, так как мы знаем, что выделение объектов связано с выделением их атрибутивных записей.

Все объекты и примитивы должны иметь свой номер или идентификатор, при помощи которого можно поставить в соответствие к графической информации атрибутивную (рис.5.5.3).

Использование идентификаторов открывает широкие возможности для просмотра и анализа картографического изображения. Пользователь может указать на объект, например курсором, и система определит его идентификатор, по которому найдет относящиеся к объекту одну или несколько баз данных и, наоборот, по информации в базе определит графический объект.

Однако набор записей (иногда несколько сот тысяч), содержащий графическую (метрическую) и атрибутивную информацию о каком-либо объекте хоть и очень похож, однако еще очень далек от того образа реального мира, который мы называем картой. Пока можно говорить только о том, что множество цифровых данных о пространственных объектах образует цифровую модель объекта местности, содержащую сведения о его местоположении (координаты) и набор свойств и характеристик (атрибутов).