Принципы построения структуры геоинформационных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Чтобы говорить о принципах построения структуры ГИС, мы должны сначала рассмотреть, что непосредственно собой представляет ГИС, а именно: Геоинформационные системы. Геоинформационные системы -- системы, предназначенные для сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных данных и связанной с ними информации о представленных в ГИС объектах. Другими словами, это инструменты, позволяющие пользователям искать, анализировать и редактировать цифровые карты, а также дополнительную информацию об объектах, например высоту здания, адрес, количество жильцов.

ГИС включают в себя возможности СУБД, редакторов растровой и векторной графики и аналитических средств и применяются в картографии, геологии, метеорологии, землеустройстве, экологии, муниципальном управлении, транспорте, экономике, обороне.

По территориальному охвату различают глобальные ГИС (global GIS), субконтинентальные ГИС, национальные ГИС, зачастую имеющие статус государственных, региональные ГИС (regional GIS), субрегиональные ГИС и локальные, или местные ГИС (local GIS).

ГИС различаются предметной областью информационного моделирования, к примеру, городские ГИС, или муниципальные ГИС, МГИС (urban GIS), природоохранные ГИС (environmental GIS) и т. п.; среди них особое наименование, как особо широко распространённые, получили земельные информационные системы. Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными и прикладными), среди них инвентаризация ресурсов (в том числе кадастр), анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений. Интегрированные ГИС, ИГИС (integrated GIS, IGIS) совмещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) в единой интегрированной среде.

Полимасштабные, или масштабно-независимые ГИС (multiscale GIS) основаны на множественных, или полимасштабных представлениях пространственных объектов (multiple representation, multiscale representation), обеспечивая графическое или картографическое воспроизведение данных на любом из избранных уровней масштабного ряда на основе единственного набора данных с наибольшим пространственным разрешением. Пространственно-временные ГИС (spatio-temporal GIS) оперируют пространственно-временными данными. Реализация геоинформационных проектов (GIS project), создание ГИС в широком смысле слова, включает этапы: предпроектных исследований (feasibility study), в том числе изучение требований пользователя (user requirements) и функциональных возможностей используемых программных средств ГИС, технико-экономическое обоснование, оценку соотношения «затраты/прибыль» (costs/benefits); системное проектирование ГИС (GIS designing), включая стадию пилот - проекта (pilot - project), разработку ГИС (GIS development); её тестирование на небольшом территориальном фрагменте, или тестовом участке (test area), прототипирование, или создание опытного образца, или прототипа (prototype); внедрение ГИС (GIS implementation); эксплуатацию и использование. Научные, технические, технологические и прикладные аспекты проектирования, создания и использования ГИС изучаются геоинформатикой.



1 Структура ГИС

Структура ГИС состоит из нескольких частей, которые должны выполняться последовательно и взаимосвязано. Первая часть - это непосредственно пространственные данные, которые делятся на позиционные (географические) и непозиционные (атрибутивные). 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. Вторая - это аппаратное обеспечение (ЭВМ, сети, накопители, сканер, дигитайзеры и т. д.). Третья часть - программное обеспечение (ПО) и четвертая часть - технологии (методы, порядок действий и т. д.). О второй - четвертой частях структуры я напишу далее в работе.

2 Аппаратные средства геоинформатики

Технические компоненты геоинформационной системы могут различаться в зависимости от ее назначения, однако основными являются следующие: компьютер (универсальный центральный процессор), связанный с дисковой операционной системой; дигитайзер, сканер или другое устройство для перевода данных в цифровую форму и ввода их в компьютер; плоттер или другое средство визуализации результатов обработки данных; универсальный дисплей (терминал) для контроля и управления работой компьютера и периферийных устройств. Все технические средства в системе должны быть взаимосвязаны технически и программно. Обзор естественно начать со средств вычислительной техники.

Развитие аппаратных средств, программного обеспечения и видов использования компьютера происходило скачками. Новые подходы иногда координально отличались от используемых на предыдущих этапах. Таким образом, поколение ЭВМ определяется элементной базой, архитектурой, вычислительными возможностями и возможностями по взаимодействию с пользователями. Принято выделять пять поколений ЭВМ.

Первое поколение ЭВМ - ряд вычислительных машин, проектирование которых началось между 1940 и 1955 гг. в этих машинах использовались электронные лампы в качестве элементной базы, а также запоминающие устройства (ЗУ) на линиях задержки, ЗУ вращающегося типа и электростатические ЗУ. В большинстве машин первого поколения была реализована концепция хранимой программы, а для ввода/вывода использовалась перфорируемая бумажная лента, перфокарты, позже магнитная лента и печатающие устройства, которые первоначально печатали только цифры. Программы для таких машин писались в машинных командах, программист сам работал на таких компьютерах. Несмотря на ограниченные возможности этих машин, они позволили выполнять сложнейшие расчеты необходимые для прогнозирования погоды, решения задач атомной энергетики, космонавтики и ряда других научных проблем. Наиболее известные экспериментальные проекты машин первого поколения - Manchester Mark I, ENIAC и др.

Самыми первыми серийными машинами стали Ferranti Mark I, UNIVAC I, LEO I, а также БЭСМ 1, Минск1, Урал1, Урал2, Урал4, М1, М3, БЭСМ2, Стрела и др. Быстродействие их не превышало 23 тыс. операций в секунду, емкость оперативной памяти 2048 машинных слов (длина слова 48 разрядов). В 1958 г. появилась машина М20 с памятью 4096 слов и быстродействием около 20 тыс. операций в секунду.

Второе поколение ЭВМ -- вычислительные машины, сконструированные примерно после 1955 г. Характеризуются использованием в них как электронных ламп, так и транзисторов (первое сообщение о которых появилось в 1948 г.). Их оперативная память была построена на магнитных сердечниках. В это время стал расширяться диапазон применяемого оборудования ввода/вывода, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами и первые виды оперативно доступной памяти (магнитные барабаны и первые магнитные диски). Применение транзисторов в качестве основного элемента в ЭВМ привело к уменьшению размеров компьютеров в сотни раз и к повышению их надежности. В вычислительных машинах второго поколения были реализованы первые варианты автоматического программирования, которые привели к появлению языков программирования, таких, как FAST, Fortran, и др., и трансляторов с них. К машинам этого класса относятся отечественные Урал 14, Урал 16, Минск22, Минск32, БЭСМЗ, БЭСМ4, М220, М222, БЭСМ6, МИР2, Наири и др. Быстродействие БЭСМ4, М220, М222 порядка 2030 тыс. операций в секунду, а оперативная память соответственно 8194, 16 384 и 32 768 слов. У БЭСМ6 быстродействие около миллиона операций в секунду и память от 32 Кслов до 128 Кслов (в большинстве машин два сегмента по 32 Кслова каждый). Программисты постепенно отделяются от компьютеров. Все общение с машиной происходит через операторов, которые выполняют набивку программ и их запуск на отладку и выполнение. Запуск программ осуществляется в пакетном режиме. Это позволяет полнее загрузить дорогостоящую технику, но существенно замедляет отладку отдельных программ.

Третье поколение ЭВМ -- машины, создаваемые примерно после 1960 г. Достижения в электронике, развитие интегральных схем обеспечили возможность создания архитектуры, удовлетворяющей требованиям как решаемых задач, так и работающих на ней программистов. Частью вычислительных машин стали следящие за всем операционные системы. Появилась возможность мультипрограммирования, многие задачи управления памятью, устройствами ввода/ вывода и другими ресурсами стала брать на себя операционная система. Наиболее типичными представителями этих машин в СССР были все ЕС-ЭВМ: ЕС1010 (быстродействие до 10 тыс. операций в секунду, объем оперативной памяти от 8 до 64 Кб), ЕС 1020, ЕС1030, ЕС1040, ЕС1050 (500 тыс. операций в секунду, от 256 до 1024 Кб), ЕС1060 (1,0 -- 1,3 млн операций в секунду, от 2048 до 8 192 Кб), ЕС 1066 (более 2 млн операций в секунду, 8 192 Кб) и др. Кроме них: «Электроника 60», «Электроника 100/125», «Электроника 79», СМЗ, СМ4 и др. При работе с этими машинами начинают использоваться терминалы, подсоединенные к компьютерам. Работа происходит в многопользовательском режиме. Это позволяет и в достаточной мере загрузить компьютер и обеспечить оперативность в работе пользователей.

Четвертое поколение ЭВМ -- обобщенное название ЭВМ, разработанных после 1970 г. Наиболее важной чертой этого поколения являются учет при проектировании эффективного использования языков высокого уровня и упрощение процесса программирования для конечного пользователя.

В машинах этого поколения широко используются большие и сверхбольшие интегральные схемы в качестве элементной базы, а также быстродействующая энергозависимая память. Появление все более разнообразных интегральных схем привело к быстрому уменьшению стоимости аппаратных средств. В то же время стоимость программного обеспечения возросла. Появилось множество ЭВМ, ориентированных на специальные применения -- связь, автоматическое управление, решение военных задач. Ранее для решения таких задач использовались универсальные ЭВМ со специализированным ПО. Примером может служить многопроцессорный вычислительный комплекс «Эльбрус». Эльбрус 1КБ имел быстродействие до 5,5 млн операций с плавающей точкой в с, а объем оперативной памяти до 64 Мб. У «Эльбрус 2» производительность до 120 млн операций в с, емкость оперативной памяти до 144 Мб "ли 16 М слов (слово 72 разряда), максимальная пропускная способность каналов ввода/вывода 120 Мб/с.

До четвертого поколения развитие вычислительной техники было направлено в сторону обеспечения интересов организаций и профессиональных пользователей. Появление персонального компьютера в корне изменило ситуацию. Возникло направление развития, ориентированное на удовлетворение запросов массового пользователя. Это привлекло на рынок большое число фирм и существенно ускорило развитие как аппаратных средств, так и программного обеспечения. На данном этапе развивается различная техника. Персональные компьютеры снова становятся компьютерами индивидуального пользования. Техника в этом случае применяется недостаточно эффективно, но ее низкая стоимость оправдывает такой вариант ее загрузки. Стремительно растет число пользовательских программ, обеспечивающих работу с текстом, базами данных, изображениями, подготовку издательских макетов, общение людей с использованием электронной почты, Интернет и т.д. Мощными становятся средства написания и отладки программ, которые позволяют разрабатывать различные программы не профессиональным программистам, а специалистам-предметникам.

Пятое поколение ЭВМ-- класс машин, появившихся в 1990-х годах. Основной их упор -- интеллектуальность. В это время появляются первые экспертные системы, системы распознавания текста, системы классификации как с учителем, так и без учителя, системы распознавания голоса, машинного перевода и др. Естественно, что работа всех перечисленных и многих других систем была бы невозможна без существенного изменения возможностей аппаратного обеспечения, значительного увеличения- быстродействия, роста оперативной и долговременной памяти. С компьютерами или связанными с ними устройствами общаются практически все. Компьютерные элементы используются в телефонах, электронных записных книжках, автомобильных и ручных навигационных системах, системах охраны и защиты и т.д.

2.1 Классификация портативных компьютеров

Общепринятым является деление портативных компьютеров на четыре основных класса: «Замена настольным ПК», «Все-в-одном», «Тонкие и легкие ноутбуки (субноутбуки)» и «Мини-ноутбуки».

Первый класс -- «Замена настольным ПК». Для компьютеров этого класса характерно наличие всего, что есть у хорошего ПК. Они имеют быстрые процессоры с кэш-памятью первого и второго уровня, большие экраны (до 15 дюймов), большие жесткие диски (40 -- 60 Гб), большую оперативную память (128 -- 512 Мб), множество отсеков для периферийных устройств (CD или DVD привод, модем, сетевая карта). Эти компьютеры оснащены полноразмерной клавиатурой и удобным устройством позиционирования, но допускают и подключение привычной мыши. Кроме того, они позволяют подключить хороший внешний монитор с разрешением до 1600x1200 при 64 млн цветов, в них встроена звуковая карта и колонки. Такие компьютеры имеют существенные возможности для подключения различных внешних устройств через многочисленные порты (USB, последовательный, параллельный, инфракрасный, TV out порт и др.) Эти компьютеры имеют значительные (для портативных устройств) размеры (33x27x56 см) и массу около 4 кг.

Многие пользователи используют ноутбуки высокого класса вместо настольных ПК. И хотя размеры и масса этих машин великоваты для мобильных устройств, обеспечивающих связь из любого места, они будут хорошим решением для специалистов, которые работают в офисе и желают иметь одну машину с вычислительной мощностью настольного ПК, при необходимости пригодную для транспортировки.

Второй класс -- «Все-в-одном». Компьютеры этого класса имеют несколько меньшие размеры и возможности, а следовательно, и более скромную цену. У них довольно большие экраны (13--14 дюймов), относительно мощные процессоры (обычно Pentium 4 или Celeron около 2 ГГц), значительный объем оперативной памяти (128--256 Мб) и жестких дисков (40 -- 60 Гб), CD- или DVD-ROM.

Масса и размер таких компьютеров остаются довольно большими (масса более 3 кг, толщина около 40 мм). Можно сказать, что они имеют удачное сочетание функциональных характеристик, доступной цены, мобильности и производительности.

Третий класс -- топкие и легкие ноутбуки {субноутбуки). Легкие модели с малой толщиной корпуса предназначены специально для часто выезжающих в командировки. Ноутбуки данного класса, как правило, имеют массу от 1,4 до 2,3 кг вместе с батареей и толщину всего от 25 до 38 мм. Но при наличии тонкого корпуса эти машины имеют очень хорошие характеристики. Они обычно оснащаются мощными процессорами и жесткими дисками большой емкости, имеют многочисленные порты, встроенные модемы и иногда встроенные адаптеры Ethernet. Обычно для таких машин жесткий диск -- единственный встроенный накопитель, в то время как накопители гибких дисков, CD-ROM и DVD являются внешними устройствами.

Четвертый класс -- мини-ноутбуки. В отличие от КПК мини-ноутбуки работают с Windows и стандартными настольными программами, а не с их облегченными версиями. Обычно они оснащаются встроенным модемом, обеспечивающим удобную связь. Как и в предыдущем классе, единственным встроенным накопителем является жесткий диск. Несомненным их достоинством являются небольшая стоимость и габариты. Обычно масса таких компьютеров не превышает 1,5 кг.

Машины этого класса достойны внимания пользователей, которым для работы с текстами и электронной почтой нужен относительно недорогой ПК массой менее 1,5 кг, умещающийся в портфеле.

2.2 Рабочие станции

При больших объемах работ и информации используются рабочие станции. Наиболее известны для специалистов в области ТИС рабочие станции фирм SUN, INTERGRAPH, IBM, Hewlett Packard, Silicon Graphics, DEC. Наилучшим образом рабочую станцию можно охарактеризовать тремя словами: мощность, скорость и безопасность. Поскольку для большинства ТИС оперирование огромными базами данных, в которых постоянно происходят поиск, сортировка, обновление, быстрая работа с графикой высокого качества, является необходимым требованием, то именно в ГИС-технологии рабочие станции получили достаточно широкое распространение.

Базовые технические средства рабочих станций, так же как и у ПК, определяются основными структурными компонентами: процессором, видеосистемой, системным интерфейсом.

Микропроцессоры, использующиеся в рабочих станциях, ранее, как правило, имели так называемую RISC (Reduced Instruction Set Computers) архитектуру, обеспечивающую высокое быстродействие. Операционные системы UNIX, MVS и VMS, которые применялись в рабочих станциях, обеспечивали работу в многозадачном и многопользовательском режимах. Функцией многозадачной системы является планирование процесса работы большого числа задач, выполняющихся одновременно. Все задачи ведут борьбу за системные ресурсы, а операционная система устанавливает приоритеты так, что большинство критических программ (или их фрагментов) получают более свободный доступ к центральному процессору или процессорам, тогда как задачи с более низким приоритетным уровнем ждут своей очереди.

В настоящее время все основные компоненты PC и рабочих станций строятся во многом на одной и той же элементной базе. Это относится и к процессорам, и к оперативной памяти, и к жестким дискам, и к устройствам ввода-вывода информации. Однако полного слияния двух указанных классов ЭВМ не происходит, поскольку рабочие станции в основном остаются компьютерами для профессионалов и, следовательно, требуют повышенной производительности и надежности в работе. Для того чтобы, понять, за счет чего удается добиться таких свойств, достаточно посмотреть параметры некоторых предлагаемых на рынке в начале 2002 г. рабочих станций. 3 апреля 2001 г. компания IBM объявила о новой рабочей станции NetVista A60. Она построена на основе процессоров Pentium 4 с тактовой частотой 1,3 или 1,5 ГГц и наборов микросхем Intel 850. Покупатели могут выбирать варианты с жестким диском 15 или 45 Гбайт, а также видеоплату nVIDIA TNT 2 М64 или ATI Radeon С 32 Мб памяти. Станция поставляется с предустановленной системой Windows 2000 .
Анализ информации в Интернет показывает, что производство рабочих станций сокращается всеми без исключения поставщиками. Увеличивается производство серверов всех уровней. Именно они в связке с ПК заменяют рабочие станции.

В конце марта 2001 г. в московском демоцентре HewlettPackard были представлены новые модели стоечных серверов Nevserver LPlOOOr и LP2000r.

Модель LP2000r допускает установку двух процессоров с тактовой частотой 866, 933 или 1000 МГц, шести дисков (с возможностью их горячей замены). В материнскую плату производства HP интегрирован сдвоенный сетевой интерфейс (10/100) и контроллер Ultral60 SCSI.

Компания Silicon Graphics готовит к выпуску новые модели семейства компьютеров Origin 3000, которые будут построены на базе 64-разрядного микропроцессора Intel Itanium и операционной системы Linux. Сейчас в компьютеры Origin 3000 устанавливаются процессоры компании MIPS Technologies, а в качестве операционной системы используется Irix, собственная разработка SGI. В одном сервере планируется размещать 64 и более процессоров.

Compaq начинает поставки нового сервера ProLiant DL590/64 на базе 64-разрядного процессора Itanium. Сервер ProLiant DL590/ 64 может содержать до четырех 800 МГц процессоров Itanium и до 64 Гб стандартной оперативной памяти ЕСС SDRAM. Сервер выполнен на чипсете Intel 82460GX

2.3 Тенденции развития аппаратного обеспечения

В развитии аппаратного обеспечения можно отметить несколько тенденций.

Закончилось господство фирмы Intel в выпуске процессоров для ПК, значительную конкуренцию в этой области составляет в настоящее время фирма AMD. Конкурентная борьба привела к существенному снижению стоимости и ускорению выпуска новых более совершенных моделей процессоров. В конце 2001 г. и начале 2002 г. были продемонстрированы элементы технологий и микросхем, которые позволят к 2010 г. увеличить быстродействие процессоров до 20 МГц, при этом уменьшить тепловыделение и не увеличить размеры.

Начался выпуск 64-разрядных процессоров, поддерживающих совместимость с 32-разрядными процессорами х8б. Это привело к переходу на процессоры х86 ряда фирм, выпускавших ранее рабочие станции на базе RISC-процессоров SGI, Hewlett Packard и даже SUN.

Начался выпуск новых типов памяти, позволяющих использовать на полную мощность быстродействие процессоров. Все та же конкурентная борьба привела к падению цен на оперативную память SDRAM до такого уровня, что ее производство стало невыгодным. Поэтому некоторые производители перешли на производство новых видов памяти.

Благодаря использованию при покрытии пластин жесткого диска антиферромагнетиков фирме IBM уже удалось в 1,5 раза увеличить плотность записи. Однако пока получены только первые результаты. Дальнейшее использование этой технологии позволит в недалеком будущем перейти к выпуску жестких дисков объемом 400 Гб и выше.

Внедрение DVD дисков и их модификаций позволило достичь емкости одного диска в 50 Гб.

Начался массовый переход на производство плоских мониторов. Появились предпосылки создания гибких мониторов и компьютеров, встроенных в плоские мониторы.

Значительно возросли возможности карманных персональных компьютеров. Они стали цветными, возросла мощность используемых процессоров. В КПК стали использоваться открытые операционные системы, что привело к значительному росту числа программ, написанных для КПК. Дальнейшее сближение мобильных телефонов, приемников GPS, КПК значительно влияет на разработки в этой области. Ожидается, что в скором времени процессоры КПК достигнут скорости 1 ГГц, значительно возрастет память и все это произойдет без увеличения энергоемкости устройств.

Нанотехнологические разработки Intel и IBM показывают, что имеются возможности создания логических элементов микросхем путем манипулирования отдельными атомами. Эти технологии позволят достичь плотности в 1 млрд транзисторов на микросхему и тактовой частоты 20 ГГц.

Новая технология построения дисплеев на органических светодиодах (от англ. OLED, organic light emitting diodes), т.е органических светоизлучающих материалах, сделает их производство более дешевым, а сами мониторы не такими энергоемкими, как ЖК-мониторы. Особенно это важно для таких портативных устройств, как КПК.

Существенно возрастут в недалеком будущем скорости шин
как внутренней, так и ввода/вывода. Например, компания Intel
разработала спецификацию на шину ввода/вывода третьего поколения под кодовым названием Arapahoe, скорость передачи данных по которой может в 10 раз превосходить соответствующий показатель наиболее быстрой шины настоящего времени --PCIX. Последняя выполняет параллельную передачу данных по 64 линиям, достигая максимальной скорости I Гб/с. Шина Arapahoe использует от 1 до 32 каналов, причем каждый из них состоит из пары проводников и достигает производительности более 200 Мб/с, перенося данные между ЦП и платами расширения или интегрированными компонентами.

Устройства управления компьютером -- клавиатура и мышь --
станут беспроводными. Мышь окончательно лишится механической части и станет оптической. Технические средства так разнообразны и столь быстро совершенствуются, что уже к моменту выхода учебного пособия в печать без сомнения претерпят изменения и поэтому они рассматриваются именно для характеристики классов приборов, используемых в геоинформатике.

геоинформатика программное обеспечение



3 Программное обеспечение. Общая классификация

Компьютерные программы представляют собой последовательность команд, выполняемых процессором, для реализации какой либо цели, например, построения картографического изображения. Все программы принято разделять на системные, инструментарии программирования и прикладные. В последние годы широкое развитие получил еще один специфический класс программ -- вредоносные.

Для управления работой компьютера используется особый тип системных программ, называемых операционными системами:

Операционная система обеспечивает функционирование и взаимосвязь всех компонентов компьютера, а также предоставляет пользователю доступ к его аппаратным возможностям.

В структуру операционной системы входят следующие модули:

1) базовый модуль, управляющий файловой системой;

2) командный процессор, расшифровывающий и выполняющий команды;

3) драйверы периферийных устройств;

4) модули, обеспечивающие графический интерфейс.

На начальном этапе развития персональных компьютеров основной операционной системой была MS-DOS (Microsoft Disk-Operation System). Она была разработана в начале 80-х годов XX в. для работы на компьютерах IBM PC/XT, созданных на базе процессора 8086 фирмы Intel. MS-DOS была наиболее распространенной операционной системой с интерфейсом командной строки, которая устанавливалась на компьютерах, созданных на базе процессоров 80286, 80386, 80486 и Pentium. Последней была версия MS-DOS 6.22.

В России в начале XXI в. при работе с персональными компьютерами в основном используется семейство операционных систем Microsoft Windows (Windows 3.1, Windows 3.11, Windows 95, 9Щ 2000, NT, XP). В настоящее время около 90% персональных компьютеров реализованы на платформе Winlntel, т.е. в них установилены Intel-совместимый процессор (Pentium, AMD) и опеpaционная система Windows. К основным достоинствам современных операционных систем (Windows 95 и выше) следует отнести:

1) графический интерфейс;

2) технологию «подключи и работай» (Plug-and-Play);

3) многозадачность.

Графический интерфейс построен на базе использования окон, выплываюших и контекстно зависимых меню, пиктограмм, панелей инструментов других графических элементов. Он ориентирован на преимущественное использование в работе манипулятора мышь или аналогичных по функциям устройств (мини-дигитайзеров и др.) Важным элементом графического интерфейса является механизм Drag-and-Drop. Типичным примером, иллюстрирующим этот механизм, является удаление файла переносом его в корзину с помощью мыши.

Технология «подключи и работай» позволяет без больших проблем подключить к компьютеру новое устройство (например, сканер или накопитель большой емкости). Windows при запуске проверит систему на наличие новых устройств и сама установит необходимый драйвер и выделит ресурсы.

Многозадачность предоставляет пользователю возможность загрузить в оперативную память сразу несколько приложений (например, текстовый редактор, электронные таблицы, ГИС и др.). Переход от работы в одном приложении к работе в другом происходит посредством перехода от одного открытого «окна» Windows к другому.

В последние годы конкуренцию Windows составляет относительно новая, открытая, бесплатно распространяемая операционная система Tinux. Слово Linux на самом деле обозначает ядро "операционной системы, которое точнее называется GNU/Linux. Ядро операционной системы -- это код, который загружает программы, управляет памятью и ресурсами, обеспечивает работу приложений и работу с файлами. Разработка ядра Linux началась в 1991 г. и была плодом усилий Линуса Торвалдса, студента Университета в Хельсинки. Слово Linux представляет собой комбинацию имени автора и слова Min -- названия одного из клонов Unix.

На высокопроизводительных компьютерах, к которым относятся рабочие станции, сервера и майнфреймы, широко распространена операционная система UNIX. Начало разработок этой системы относится к 1969 г., и к настоящему времени известно более 20 ее версий.

Кроме операционных систем, к системным программам можно отнести программы:

1) создания копий (в том числе архивных) используемой ин- I формации;

2) проверки работоспособности устройств компьютера;

выдачи справочной информации о компьютере и др.

Инструментарий программирования -- другая разновидность программных средств. Эта группа включает:

- интегрированные среды;

- трансляторы и интерпретаторы;

- библиотеки стандартных подпрограмм; в отладчики;

- компоновщики;

- другие сервисные средства.

Инструментарии позволяют переводить программы, написанные на компьютерных языках высокого уровня (начиная с Алгола, Фортрана, Бейсика и заканчивая современными языками типа Си++, Джава, Visual C++, Delfi, Visual Basic и др.), в машинные коды конкретного компьютера.

Создавались и специализированные инструментарии программирования для ГИС. Наиболее известные из них -- Avenue для Arc View GIS и MapBasic для Maplnfo Professional.

В последнее время активно развивается другое направление обеспечения инструментариями программирования пользователей и разработчиков ГИС -- создание ActivX библиотек, которые позволяют формировать приложения к ГИС на языках высокого уровня с использованием тех элементов (объектов и функций), на базе которых созданы соответствующие ГИС.

Для геоинформатики, естественно, наибольший интерес представляет третья группа программных средств -- прикладные программы, к которым относят текстовые редакторы (Microsoft Word, WordPerfect, Тех и др.), электронные таблицы (Lotus 1-- 2--3, Excel, Quattro Pro), системы управления базами данных (Oracle, DB2, MS SQL Server, Paradox, Access и др.), пакеты статистической обработки данных (SAS, STATISTICA, SPSS, Statgraphics и др.), графические пакеты (CorelDraw, Adobe Photoshop, Autodesk 3D Studio, FreeHande, PowerPoint и др.), системы электронного документооборота (Дело, LanDocs,

Documentum и др.), обучающие программы (Метод Шехтера -- иностранный как родной, История России -- мультимедийная обучающая программа, Система скорочтения и др.) и др. Электронные редакторы с развитыми издательскими возможностями трансформировались в издательские системы (Page Maker, QuarkXPress, FrameMaker, InDesign и др.).

По мере развития ПО происходит постепенное появление программных продуктов, расширяющих возможности основных продуктов каждой группы или решающих близкие вспомогательные задачи. Так, группа текстовые редакторы включает также программы и утилиты: просмотра текста, преобразования кодировок, конвертации текста в другие форматы, специализированного редактирования (HTML-текстов, программ на языках программирования высокого уровня, гипертекстов и др.), редактирования кроссвордов и сканвордов, проверки орфографии, распознавания текста по растровым изображениям, машинного перевода и др.

Очень интенсивно развивается в последнее время класс вредоносного ПО. Защита от него требует значительных затрат и усилий и регулярного проведения профилактических мероприятий. Основными для нашего рассмотрения все же- являются собственно геоинформационные пакеты.

3.1 Геоинформационное программное обеспечение

Функциональные особенности программных средств (ПС) географических информационных систем определяются их ориентацией на обработку и анализ атрибутивной информации. Это программы сбора, ввода в машинную среду, обработки (манипулирования, анализа, моделирования, визуализации) и представления пространственно-координированных данных в форме различных (табличных, графических, картографических) выходных документов.

Структурно ПС ГИС включают базовые программные средства, модули приложения и вспомогательные средства (утилиты), обеспечивающие решение всей совокупности перечисленных задач.

Наряду с этим имеются и облегченные программные продукты, предназначенные для просмотра информации в картографическом виде и решения простейших геоинформационных задач.

Базовые программные средства позволяют осуществить связь пространственной и атрибутивной информации, отображение пространственной и атрибутивной информации, организацию запросов для выбора или поиска необходимых пространственных ооъектов, редактирование атрибутивной информации и т. п. Базовые программные средства могут быть универсальными и специализированными.

Модули приложения работают вместе с базовыми средствами и позволяют решать специализированные задачи. Так, модуль ArcGIS Spatial Analyst работает на базе ArcGIS и обеспечивает решение следующих задач с растровыми поверхностями.

Картографирование расстояний в различных метриках. Относящиеся к этому классу функции делятся на две группы -- вычисляющие евклидовы расстояния и вычисляющие расстояния в других метриках, задаваемых как функции атрибутивных характеристик, например в стоимости перемещения. К первой группе относятся функции: расстояние по прямой линии, измеряющее евклидовы расстояния от каждой ячейки до ближайшей точки заданного класса; присвоение по прямой линии, присваивающее каждой ячейке значение параметра ближайшей к ней точке заданного класса; направление по прямой линии, вычисляющее направление до ближайшей точки заданного класса. Аналогичные функции входят во вторую группу: взвешенные расстояния, взвешенные присвоения и взвешенные направления. Обычно растровые наборы данных, полученные в результате выполнения этих функций, используются для вычисления минимального по стоимости (или кратчайшего) пути.

Картографирование полей плотности. Вычисление плотности распределения полезно, когда необходимо показать концентрацию точечных или линейных объектов. Например, имея данные по населению городов какого-либо региона, вы можете вычислить распределение населения по этому региону.

Интерполяция растра. Интерполяция позволяет вычислить значения во всех ячейках растра по имеющимся в ограниченном числе исходным точкам. Может использоваться для восстановления величин в любой точке поля по ограниченному числу точек съемки, например, рельефа, количества осадков, концентраций химических веществ, уровней шума и т.д. Предлагаемыми в модуле Spatial Analyst методами интерполяции являются методы: вычисления массового среднего с массами, обратно-пропорциональными расстояниям; Кригинга и Сплайна, которые основаны на разных предположениях о процессах, формирующих поля. Выбор метода зависит от оцениваемого явления и расположения исходных данных.

Анализ поверхности. В Spatial Analyst включены функции построения изолиний, а также вторичных характеристик полей: уклона, экспозиции склонов, отмывки рельефа (используется для реалистичного отображения рельефа, а также для анализа освещенности местности при различном положении источника света). Еще одна функция из этой группы -- расчет видимости -- определяет, какие участки поверхности видны из заданных точек наблюдения.

Функции статистики. Дают возможность вычислять такие характеристики, как максимум, минимум, среднее, медиана, диапазон, среднеквадратичное отклонение, сумма и многообразие и др. Функции статистики позволяют оценивать как статистические закономерности в пределах одного слоя, так и по данным нескольких слоев.

Переклассификация -- функция, выполняющая замену значений ячеек другими значениями, что может быть использовано для группировки значений ячеек, например для объединения точек, принадлежащих разным классам, в один обобщенный класс.

Калькулятор растров -- мощный инструмент для вычислений, поддерживающий многочисленные операторы и функции, аргументами и результатами которых являются растры. Он позволяет производить поэлементное сложение и вычитание растров, их сравнение, а также множество подобных операций.

Конвертация. С помощью этой функции Spatial Analyst позволяет конвертировать векторные данные в растр.

Вспомогательные средства (утилиты) используются для выполнения необходимых операций без использования более дорогих базовых средств. Вспомогательные программные средства зачастую являются более производительными за счет их меньшей универсальности. Практически всегда вспомогательные средства обладают более низким соотношением цена/производительность. К вспомогательным средствам можно отнести конвертеры, векторизаторы, растеризаторы и др.

Если попытаться описать множество функций, реализованных в наиболее употребимых ГИС, модулях приложений и утилитах, то можно выделить следующие группы основных функций:

1) Сканирование и первичная обработка растровых изображений.

2) Трансформация и привязка растровых изображений к системе координат (преобразования плоскости).

3) Преобразование растровых изображений в заданные картографические проекции.

4) Цветоделение растровых изображений.

5) Векторизация растровых изображений.

6) Преобразование векторных данных в заданные картографические проекции.

7) Преобразования векторных данных в заданные системы координат.

8) Конвертации данных в заданные форматы и из заданных форматов.

9) Анализ и редактирование топологии.

10) Ввод и предварительная обработка данных геодезических измерений.

11) Ввод и предварительная обработка данных дистанционного зондирования.

12) Визуализация векторных данных.

13) Визуализация растровых данных.

14) Настройка визуализации данных (выбор значков, штриховок, рисунков заполнения, стилей рисования линий, выбор отображаемых слоев или классов объектов, настройка диапазонов масштабов, в пределах которых отображается слой или класс объектов и др.).

15) Изменение масштаба визуализации (зуммирования), смещения изображений (скроллинг).

16) Создание и редактирование структуры информации и самой информации в базах данных.

17) Организация запросов на отбор объектов по атрибутивной и пространственной информации.

18) Выполнение теоретико-множественных операций с полигонами и планарными разбиениями (создание нового планарного разбиения на базе двух или более исходных), определение общей части полигона, внешней части одного полигона по отношению к другому и т.д.

19) Построение картографического отображения информации (методы картограмм, картодиаграмм, локализованных диаграмм, значков, точечный, знаков движения, изолиний и др.). Задания параметров методов, выбор и расчет шкал, задания значений графических переменных визуализации.

20) Обработка растровой информации: операции с одним растром; сглаживание фильтром, построение буферных зон, вычисление значений на растре (кратчайшее расстояние от заданного множества точек); операции с несколькими растрами; поэлементное сравнение (больше, меньше, равно), поэлементные математические операции (сложение, вычитание и др.); определение взаимосвязи (вычисления коэффициентов корреляции); кластеризация; переклассификация.

21) Анализ информации в сетевом (графовом) представлении (поиск кратчайшего пути, поиск оптимального пути с учетом стоимости и ограничений движения и др.).

22) Геокодирование (точки по координатам, объекты по адресу, точки по пикетажу на линейных объектах).

23) Вывод карт на печать, в том числе:

а) с разрезкой на листы для печати на принтере меньшего
формата, чем печатаемая карта;

б) с цветоделением для вывода пленок, предназначенных для
тиражирования информации.

Это далеко не полный перечень. Он не включает специализированных функций моделирования, например экологических расчетов (разбавление стоков в открытых водоемах, распространение загрязнений с подземными водами или в воздушной среде) или расчетов в области мониторинга ЧС (прогноз паводковых явлений, прогноз схода снежных лавин, прогноз распространения пожаров и др.).

Множество специализированных приложений (модулей расширений) может быть очень велико.

Система MGE фирмы Intergraph имела несколько десятков таких модулей, среди которых:

1) генерализация карт при конвертировании в более мелкий масштаб;

2) создание и обновление геологических карт;

3) моделирование и анализ миграции грунтовых вод;

4) визуализация и анализ трехмерных данных и др.

Большинство упомянутых модулей являются предметно-ориентированными, создавались для анализа специфических явлений и процессов и не предназначены для решения универсальных задач пространственного анализа.

3.2 Полнофункциональные ГИС

В настоящее время на российском рынке функционируют около двадцати ГИС, которые можно отнести к разряду полнофункциональных. Среди них -- системы западного производства (Maplnfo Professional, WinGIS, ArcGIS ArcEditor, ArcGIS Arclnfo, ArcGIS ArcView, ArcView GIS, Autodesk Map, GeoMedia Professional, MicroStation/J, Manifold System Professional), отечественные разработки (GeoGraph, ГрафИн, «Горизонт», «ИнГео», ПАРК, GeoLink, GK32, Zulu, WinPlan).

Следует выделить несколько свойств, характерных в большей или меньшей степени практически для всех полнофункциональных ГИС.

Естественно, что все системы работают на платформе Windows. Только некоторые из них имеют версии, работающие под управлением других операционных систем («Горизонт» -- MS DOS, Unix, Linux, MC ВС, Free BSD, Solaris, ИНТРОС; ПАРК - MS DOS; ArcGIS и Arclnfo-Solaris, Digital Unix, A1X и др.; ArcView GIS - Unix).

Вес системы поддерживают обмен пространственной информацией (экспорт и импорт) со многими ГИС и САПР через основные обменные форматы: SHP, E00, GEN (ESRI), VEC (1DR1S1), M1F (Maplnfo Corp.), DWG, DXF (Autodesk), WMF (Microsoft), UGN (Bentley). Только некоторые, в основном отечественные, системы поддерживают российские обменные форматы -- Fl M (Рос-^КаРтография), SXF (Военно-топографическая служба). Данные системы обеспечивают работу с растровой информацией, поддерживая при этом все основные форматы (TIFF, JPEG, ⁽ДС BMP, WMF, PCX). Некоторые системы поддерживают не сколько десятков растровых форматов, например их перечень для системы Autodesk Map выглядит следующим образом: BMP, CALSI, FLIC, G3, G4, GIF, GeoSPOT, GeoTIFF, IG4, IGS, JFIF, JPEG, PCX, PICT, PNG, PSD, PhotoCD, RLC1, RLC2, TARGA, TIFF, ECW и MrSID. В этом списке следует обратить внимание на GeoSPOT, GeoTIFF и MrSID. Первые два формата позволяют передавать информацию о привязке растра к реальным географическим координатам, а последний обладает уникальными возможностями сжатия информации. Еще более однородными являются возможности по работе с атрибутивной информацией. Большинство систем обеспечивают работу со всеми основными СУБД через драйверы ODBC, BDE. Первой в ряду поддерживаемых или используемых СУБД стоит Oracle.

В преобладающем большинстве случаев современные полно-, функциональные ГИС позволяют расширять свои возможности.' Основным способом расширения возможностей является программирование на языках высокого уровня (MS Visual Basic, MS Visual C++, Borland Delphi, Borland C++Builder) с подключением DLL-и OCX-библиотек (ActiveX). Естественно, имеются и исключения. Так, основное средство расширения возможностей системы Maplnfo Professional -- язык MapBasic, а системы ArcView GIS -- Avenue. Наиболее распространенными зарубежными системами в России по разным причинам являются ArcView GIS, Maplnfo Professional, MicroStation/J, WinGIS, Autodesk Map. Аналогичный перечень отечественных систем возглавляют Гео-Граф, Панорама (Карта 2000), ПАРК, GeoLink.

Далее приведены некоторые характеристики упомянутых программных продуктов, где указаны основные характеристики упомянутых ранее полнофункциональных ГИС.

GeoGraph

GeoGraph является одним из программных продуктов ГИС, разработанных Центром геоинформационных исследований Института географии РАН. Он предназначен для конечных пользователей ГИС и дает возможность создавать электронные тематические атласы и композиции карт на основе слоев цифровых карт и связанных с ними таблиц атрибутивных данных. В GeoGraph удачно сочетаются средства управления картографическими композициями и анализа графических и атрибутивных данных. GeoGraph работает под управлением операционных систем Microsoft Windows 3.1, Windows 3.1 1 for Workgroups. Windows 95, Windows NT версий 3.51 и 4.0 на PC AT совместимых компыотеров (80386 и выше) с графическим адаптером VGA/SVGA и соответствующим цветным монитором.

Основные возможности GeoGraph следующие:

Загрузка в композицию карты одновременно множества слоев различных форматов (GeoDraw для DOS; GeoDraw для Windows;
SXF; F1M; расширенный спектр форматов растровых изображений -- более 30; слои в международном формате для навигационных цифровых карт DX-90; в формате косметического слоя, создаваемого в среде GeoGraph 1.5, и др.). Создание непосредственно в GeoGraph пространственных объектов (точечных, линейных, полигональных) в виде косметических слоев с привязкой к ним таблиц атрибутивных данных (включая копирование в косметический слой выбранных объектов из слоев других форматов), что обеспечивает решение различных задач (например, формирование слоя оперативной обстановки и его передачу в режиме удаленного доступа и др.). Создание и связывание со слоями цифровых карт множества таблиц, форм для вывода информации об объектах, запросов, макросов, тем, селекции и графиков. Связывание со слоями цифровых карт таблиц Paradox.DB и dBase.DBF всех версий, а также всех типов баз данных, для которых существуют драйверы ODBC. Подсистема управления атрибутивными данными, включая подсоединение таблиц, редактирование, выборку, сортировку, запросы по Образцу (QBE), SQL, вычисления в таблицах значений полей по простым формулам. Поиск информации, выборки объектов по карте или базе данных с отображением результатов поиска и выборки. Электронное тематическое картографирование (классификация объектов, выбор существующих и создание новых графических переменных для классов, отображение тематических карт). Широкие возможности для проектирования заливок, штриховок, точечных условных знаков и работы с линиями произвольной толщины. Быстрый логический оверлей слоев с созданием таблиц отчетов по результатам оверлея. Измерения площадей, расстояний по карте с учетом картографической проекции, получение текущей информации о географических координатах. Возможность размещать на макете печати композицию карты, легенды, растровых изображений и произвольных текстов, а также форм, графиков, таблиц, что позволяет оформлять твердые копии карт в соответствии с установленными требованиями. Многостраничный вывод твердых копий композиций карт большого размера на устройства меньшего размети; (с автоматической разбивкой на листы). Поддержка большого набора DDE-функций, что позволяет управлять системой GeoGraph из приложений, поддерживающих протокол DDE.

MapInfo Professional

Программа разработана фирмой MapInfo Corp. (США). Номер текущей Windows-версии 7.5. Система входит в число самых распространенных в России. Пакет Maplnfo специально спроектирован дли обработки и анализа информации, имеющей адресную или пространственную привязку. Наличие большого числа Утилит существенно расширяет функциональные возможности системы.

В MapInfo Professional реализованы: Связь с удаленными базами данных OracleS.O.x, DB2, Informix. Поддержка работы с базой данных OracleSi, в которой пространственные данные могут храниться наравне с обычными данными. Совместимость с Windows 95, 98, 2000 и NT 4.O. Интеграция карт MapInfo в приложения Windows (Excel, Access, Word). Усовершенствованный интерфейс, включающий: отображение расстояния при рисовании объектов; отображение координат в градусах, минутах, секундах; сохранение настроек печати, например ориентации бумажного листа, в рабочем наборе; кнопку отмена выбора; вычисления длин и площадей на плоскости и с учетом сфероидичности земли. Построение буферных зон вокруг любого объекта или группы объектов (точек, линий, полилиний, полигонов). 27 картографических проекций. В каждой версии добавляются новые проекции. В Maplnfo Professional 5.5 это поликоническая проекция, распространенная в Бразилии и Индии. В Maplnfo Professional 6.5 азимутальная равноплощадная Ламберта (эта проекция теперь поддерживает все начальные широты), проекция Кассини--Солднера, эллипсоидальная версия проекции Касси-ни--Солднера. Создание тематических карт: методами картограмм, картодиаграмм, значков, точечным методом, методами изолиний, отмывки рельефа и др. При создании карт методом картограмм могут быть выбраны различные способы шкалирования: равных интервалов, равного количества точек, естественных групп, ми- | нимума, по квантилям. Настройка шкал может быть выполнена вручную. При создании карт методом картодиаграмм и локализованных диаграмм могут быть использованы данные из нескольких таблиц. Трехмерная визуализация поверхностей и картографических объектов (точек, линий, полилиний и полигонов). Функции настройки вида поверхности: выбор угла наклона, масштаба, способа отрисовки (отмывка, «сеточная модель», рендеринг), настройка цвета и палитры, свойств отображения -- коэффициентов рассеивания, отражения и прозрачности, определение точки фокуса, точки наблюдения и угла для отображения поверхности в перспективе. Сохранение поверхности в форматах: TAB (растр в формате TIFF и таблица привязки Maplnfo), VRML 2.0, STL(TIN). Приложение «Поверхность» -- для работы с трехмерными поверхностями, построения изолиний и триангуляции Делоне. Модуль деловой графики, который позволяет создавать графики следующих типов: Площадные, Столбчатые, Линейные, Точечные, Круговые диаграммы, ЗD-графики, Пузырьковые, Колонки, Гистограммы и Поверхности. При построении графиков можно как использовать стандартные шаблоны, так и создавать свои собственные. Анимационный слой, обеспечивающий быструю перерисовку при частых изменениях на слое (полезна для систем слежения за движущимися объектами). Функции редактирования карт: изменение формы объектов, совмещение при редактировании, перемещение, выбор нескольких узлов для удаления, копирование объектов, создание полилинии из области, создание области из полилинии, сглаживание,
возвращение таблицы в исходное состояние, удаление только
объектов карты. Расширенный язык запросов SQL: запросы основываются на выражениях, осуществляют объединение, отображают доступные поля, позволяют делать подзапросы, объединения из нескольких таблиц и географические объединения. Операторы запросов как стандартные, так и географические: содержит в; содержит полностью; внутри; полностью внутри; пересечение/объединение. При создании запросов можно использовать функции: день, месяц, год, текущая дата и день недели. Нахождение синуса, косинуса, арккосинуса, суммы, среднего, минимума, максимума, абсолютного значения, экспоненты и округления. Вычисление площади, периметра, длины и определение координат центроида. Строковые функции. Функции конвертации. Результат может быть сохранен как отдельная таблица и как отдельная база данных.

4 Инфраструктура пространственных данных