Геоинформационные системы (ГИС) являются инструментом геоинформационных технологий. ГИС объединяют традиционные работы с базами данных, такие как запрос или статистический анализ, с преимуществом полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые представляет электронная карта. Эти возможности отличают геоинформационные системы от других информационных систем и обеспечивают уникальные возможности для ее применения в широком спектре задач, связанным с анализом и прогнозом явлений и событий окружающего мира.

Таким образом, ГИС можно характеризовать как систему, оперирующую пространственно привязанными данными. Конечно, эта система оперирует также данными непространственного характера (тексты, таблицы), но эти данные обязательно связаны с объектами, имеющими пространственную привязку.

В отличие от других типов инструментов ГИС базируется на информации, привязанной к координатам, принятым в картографии, и позволяет представить ее в графическом виде для интерпретации и принятия решений.

Точное определение ГИС дать затруднительно, поскольку при работе система может рассматриваться на нескольких уровнях, и для различного применения будет иметь разные значения.

Для некоторых ГИС - набор программных инструментов, используемых для ввода, хранения, манипулирования и отображения графической информации. Это является техническим определением, отражающим историю развития ГИС, как объединения средств автоматизации проектирования с цифровой картографией и программами баз данных.

Для других ГИС может быть образом мышления, принятия решений в организации, где вся информация соотносится с пространством и хранится централизованно - это стратегическое определение.

Необходимо подчеркнуть, что ГИС относится к классу интегрированных систем. Интеграция означает, что помимо большого набора типов данных и технологий имеется некоторая концепция и методология, оптимально объединяющая это разнообразие данных и технологий. Поэтому не следует путать применение суммы различных методов и технологий, не имеющих внутренней связи и объединяющей их единой концепцией системы с интеграцией.

Современные тенденции создания интегрированных систем влияют на разные аспекты интеграции - интеграцию данных, технологий и технических средств.

Геоинформационные системы являются сложными системами, поскольку объединяют технические средства, программное обеспечение для хранения, анализа и передачи информации о процессах и явлениях, имеющих пространственную привязку.

Таким образом, ГИС - это программно-аппаратные комплексы, осуществляющие сбор, отображение, обработку, анализ и распространение информации о пространственно распределенных объектах и явлениях на основе электронных карт, связанных с ними баз данных и сопутствующих материалов.

ГИС - это система, состоящая из нескольких подсистем (рис 1).

Каждый из перечисленных компонентов важен и необходим для успеха. Для успешного функционирования системы необходимо соблюдать условие: масштабы решаемых задач должны соответствовать количеству и качеству пространственных данных и возможностям аппаратно-программных средств.

Нельзя решить глобальную задачу, имея минимальное количество данных и слабые аппаратно-программные средства; и, наоборот, не стоит приобретать мощные аппаратные средства и программные продукты под решение мелких задач.

Аппаратное обеспечение ГИС

В качестве одного из определяющих работу системы компонентов рассмотрим компьютерное (аппаратное) обеспечение. Компонента включает непосредственно компьютеры различных типов и периферийные устройства, которые обеспечивают следующие функции:

хранение данных,

ввод информации,

вывод макетов карт,

компьютерные сети и коммуникации для возможности, взаимодействия устройств и пользователей.

В настоящее время ГИС работают на различных типах компьютеров, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров. Выбор конфигурации компьютера напрямую зависит от задач, решаемых организацией с использованием ГИС-технологий. Следует лишь помнить, что применение ГИС-технологий предполагает непременно работу с графикой, поэтому необходимо оснащение компьютера качественной видеокартой и достаточным объемом видеопамяти. С целью повышения качества работ при создании цифровых карт и повышением производительности труда компьютер должен быть обеспечен монитором не менее 17 дюймов с хорошим разрешением экрана. Учитывая работу с большими объемами информации, что характерно для геоинформационных технологий, необходимостью хранения этой информации и обмена ею, компьютер должен быть оснащен устройствами для записи CD-дисков. Все остальные параметры определяются использованием данного компьютера для решения конкретных задач. Для компьютера, используемого в качестве сервера важен объем жесткого диска. При решении задач анализа и моделирования необходим компьютер, обладающий мощным процессором.

Периферийные устройства

К периферийным устройствам геоинформационной системы относятся устройства ввода и вывода информации.

Устройства ввода

К устройствам ввода информации относятся дигитайзеры, сканеры и другая специализированная аппаратура, например навигационные приемники.

Дигитайзер - это устройство для ручного цифрования картографической и графической документации в виде множества или последовательности точек, положение которых описывается прямоугольными декартовыми координатами плоскости. Дигитайзер состоит из плоского стола (электронного планшета) и съемника информации. Рабочее поле стола может быть выполнено из прозрачного материала, и иметь подсветку. Комплектуется съемниками двух типов: курсором или пером (stylus, pen stylus) для съема координат. Для качественного ввода карт перо использовать не рекомендуется из-за низкой точности передачи информации, поэтому рассматривать его мы не будем. Дигитайзер имеет собственную систему координат, и при передвижении курсора по планшету координаты перекрестья его нитей передаются в компьютер. Размеры планшета дигитайзера колеблются от А4 до А0 . Курсор - устройство, подобное компьютерной мыши, в отличие от мыши имеет прозрачное окно с перекрестием в центре, которое позволяет оператору позиционировать его более точно на отдельных элементах карты. Окно курсора первых разработок дигитайзеров представляло собой увеличивающую линзу. По мере развития геоинформационных систем, в частности увеличения мощности компьютеров, необходимость в этом отпала. Оцифровка карт, содержащих мелкие детали, осуществляется по отсканированной подложке и существует возможность увеличения масштаба отображения для получения достаточной точности. Количество кнопок на курсоре изменяется от 1 до 17. Кнопки курсора функциональны. Чем больше функций выполняют кнопки дигитайзера, тем реже приходится прибегать к помощи клавиатуры. Это наиболее удобно при больших размерах планшета дигитайзера.

Современные дигитайзеры обеспечивают разрешение около 0,08мм. Достаточным для создания тематических карт является разрешение <0,25мм. Факторы, определяющие выбор дигитайзера, включают стабильность, воспроизводимость, линейность, разрешение и перекос. Стабильность характеризует сохранение значений координат в процессе прогрева аппаратуры. Воспроизводимость - это синоним точности. Хорошим показателем воспроизводимости является расхождение отсчетов при повторном снятии координат в точке не более чем на 0,03мм. Линейность характеризует способность дигитайзера обеспечивать отсчеты в пределах заданного допуска при перемещении курсора на большие расстояния. Для современного дигитайзера допустимой считается нелинейность 0,08мм на расстоянии 1,5м. Разрешение - это способность дигитайзера фиксировать малые смещения. Достаточным считается разрешение 0,03мм, более точное разрешение для ГИС может оказаться избыточным. Перекос является мерой прямоугольности координат дигитайзера. На краевых участках площади дигитайзера снижается точность отсчетов, поэтому рабочая площадь дигитайзеров, как правило, меньше размеров стола.

В эпоху начального развития геоинформационных систем ввод данных осуществлялся в основном при помощи дигитайзеров. С увеличением мощности компьютеров дигитайзерный ввод применяется все реже. В настоящее время большая часть ввода осуществляется по подложке, которая передается в память компьютера в виде растровых изображений. Нужно отметить, что при векторизации растра точность ввода значительно выше, чем при оцифровке дигитайзером, и в основном зависит от качества исходного растра. Растровые изображения получают с помощью сканера.

Сканер (scanner) - это устройство аналого-цифрового преобразования изображения для получения растровых образов графической и текстовой информации. Растровое изображение документа получают путем сканирования в отраженном или проходящем свете с непрозрачного и прозрачного оригинала. Сканер позволяет создавать электронную копию изображения для последующей ее обработки.

Основные характеристики сканеров - оптическое разрешение, скорость сканирования и стабильность. Разрешающая способность сканера влияет на качество исходного материала, его читаемость. Особенно важна эта характеристика для работы полуавтоматических векторизаторов. Если оператор при векторизации в ручном режиме при низком качестве исходного материала может разобраться в ситуации (например, используя оригинал в качестве "справочного материала"), то при векторизации в полуавтоматическом режиме в таком случае требуются очень серьезные коррективы результата работы либо переход в ручной режим. Следует помнить, что увеличение разрешения ведет к росту объема отсканированного материала. Параметры скорости и стабильности сканеров критичны при больших объемах работы по подготовке растров к векторизации.

Классифицировать сканеры можно по следующим параметрам:

по способу подачи исходного материала,

по принципу считывания информации (работающие на свет или отражение),

по глубине цвета (черно-белые, полутоновые, цветные).

По способу сканирования сканеры подразделяются на типы: ручные, роликовые (с протяжкой листа), барабанные и планшетные.

Ручной сканер представляет собой оптическую головку, которую пользователь передвигает по поверхности оригинала вручную. Точность сканирования при этом очень низкая, поэтому применение ручных сканеров в ГИС-технологиях не принято.

Наиболее точными являются планшетные сканеры (рисунок 2). Принцип работы планшетного сканера основан на перемещении лампы и считываемого устройства внутри светопроницаемого корпуса.

Устройство представляет собой матрицу светочувствительных ячеек, каждая из которых накапливает заряд и приобретает потенциал, величина которого пропорциональна энергии поглощенного света. Затем аналого-цифровой преобразователь определяет для каждого потенциала его цифровое значение, диапазон значений зависит от разрешающей способности преобразователя. Оригинал остается неподвижным, что и обеспечивает высокую точность сканирования.

В роликовых сканерах устройство считывания остается неподвижным, а перемещается оригинал. Эти устройства обладают точностью меньшей, чем у планшетных сканеров за счет протяжки оригинала. Преимущества использования роликовых сканеров состоит в том, что ограничение формата оригинала существует только по ширине листа.

Барабанные сканеры имеют барабан, на который крепится сканируемый материал. Сканирование производится при вращении барабана. Сканирующая головка перемещается по направляющей параллельно оси барабана. Барабанные сканеры обладают преимуществами и роликового (ограничение только одного размера оригинала), и планшетного (высокая точность) сканеров. Большим недостатком этого типа сканеров является только их высокая стоимость.

Искажения исходного материала при сканировании неизбежны при использовании любого типа сканера, что в конечном итоге оказывает непосредственное влияние на точность цифровой карты, полученной векторизацией растрового изображения. Например, в роликовых сканерах наблюдается "проскальзывание" материала под роликами, причем эти сканеры могут сканировать только гибкие материалы. При использовании же материалов на жесткой основе (толщиной до 3 мм) существенно снижается точность сканирования, причем величина погрешности не определена. Барабанные сканеры более дорогие, но и более точные. Эффект вибрации при вращении барабана вносит погрешности в растровое изображение, однако вполне обеспечивается разумная точность исходного изображения для последующей векторизации. Наиболее дорогие и точные сканеры - планшетные.

Монохромные сканеры значительно дешевле цветных, и многие задачи (например, ввод городских планшетов) успешно решается с их помощью. Однако существует ряд задач, требующих в качестве растровой подложки цветное растровое изображение.

Выбор типа сканера зависит от задачи, которая поставлена в рамках проекта.

Устройства вывода информации

К периферийным устройствам вывода на бумажные носители являются принтеры и плоттеры (рисунок 3).

Можно выделить три типа принтеров: матричные, струйные и лазерные, а также схожее устройство плоттер, которое нельзя выделить в отдельный класс, так как любой принтер высокого класса можно также отнести к плоттерам.

Матричные принтеры не применимы в ГИС технологиях, в силу своих ограниченных возможностей в качестве печати. Печатающая головка этих устройств содержит вертикальный ряд тонких стержней-иголок. Она движется вдоль строки, а стержни в нужный момент ударяют по бумаге через красящую ленту, чем и обеспечивают формирование нужного изображения.

Рисунок 3. Устройства вывода информации (а- принтер, б- плоттер)

Струйные принтеры относятся к безударным печатающим устройствам, то есть таким, у которых носитель печатаемой информации не касается бумаги. Струйные чернильные принтеры относятся, как правило, к классу последовательных матричных безударных печатающих устройств, которые, в свою очередь, подразделяются на устройства непрерывного и дискретного действия. Последние в своей работе опять же могут использовать либо термическую «пузырьковую» технологию, либо пьезоэффект. У чернильных устройств, как, впрочем, и у ударных матричных принтеров, печатающая головка движется относительно неподвижной бумаги. Сопла (канальные отверстия) на печатающей головке, через которые разбрызгиваются чернила, соответствуют «ударным» иглам. Количество сопел у разных моделей принтеров обычно варьируется от 12 до 256. Поскольку размер каждого сопла существенно меньше диаметра иглы (тоньше человеческого волоса), а количество сопел может быть больше, то получаемое изображение должно быть в этом случае четче (если чернила не расплываются на бумаге). Максимальная разрешающая способность массовых моделей достигает значения 1440 точек на дюйм. Основными параметрами струйных принтеров являются технология печати, разрешение, количество цветов, стоимость эксплуатации и некоторые другие.

В лазерных принтерах используется электрографический принцип создания изображения. Этот процесс, в частности, включает в себя создание рельефа электростатического потенциала в слое полупроводника с его последующей визуализацией. Собственно визуализация осуществляется с помощью частиц сухого порошка -- тонера, наносимого на бумагу. Наиболее важными элементами лазерного принтера являются фотопроводящий цилиндр (печатающий барабан), полупроводниковый лазер и прецизионная оптико-механическая система, перемещающая луч. Недостатком является очень высокая стоимость цветных лазерных принтеров большого формата, какие необходимы в ГИС.

К наиболее важным функциональным возможностям принтеров относятся: быстродействие, поддержка технологии повышения разрешающей способности, наличие масштабируемых шрифтов, объем оперативной памяти и т. п.

Устройство, позволяющее представлять выводимые из компьютера данные в форме рисунка или графика на бумаге, называют обычно графопостроителем, или плоттером (Plotter). Из этого определения, в частности, следует, что в качестве плоттера с успехом может использоваться соответствующий принтер.

Первыми появились и традиционно широко используются перьевые плоттеры. Основной конкурент для них -- струйные плоттеры, использующие более современную технологию печати.

Существующие на сегодня перьевые плоттеры условно можно разделить на три группы:

плоттеры, использующие фрикционный прижим для перемещения бумаги в направлении одной оси и движения пера по другой,

планшетные плоттеры, в которых бумага неподвижна, а перо перемещается по обеим осям,

барабанные (или рулонные плоттеры), работающие примерно так же, как и фрикционные.

Наиболее часто с персональными компьютерами используются первый два типа графопостроителей, которые рассчитаны на форматы бумаги A3 или A4. Тем не менее, существуют планшетные графопостроители даже для формата A0. Барабанные плоттеры обычно применяются для вывода длинных непрерывных графиков, диаграмм и больших чертежей, что характерно обычно для задач, связанных, например, с САПР.

Различные модели плоттеров могут иметь как одно, так и несколько перьев различного цвета (обычно 4-8). Перья бывают трех различных типов: фитильные (заправляемые чернилами), шариковые (аналог шариковой ручки) и с трубчатым пишущим узлом (инкографы). Для заправки последнего типа перьев применяется специальная тушь. Связь с компьютером плоттеры, как правило, осуществляют через последовательный, параллельный или SCSI-интерфейс. Некоторые модели графопостроителей оснащаются встроенным буфером. Перьевые плоттеры мало пригодны для создания карт, которые имею закрашенные области, поэтому их применение в ГИС носит ограниченный характер. В настоящее большее распространение в ГИС технологиях получили струйные плоттеры.

При выборе плоттеров следует обращать внимание на следующие характеристики: размеры носителя и изображения, параметры точности, параметры производительности, память, форматы данных, палитра.

Оптимальный набор аппаратных средств

В зависимости от объема информации, круга задач и перспективы развития системы технический комплекс может включать определенный набор аппаратных средств. Для примера рассмотрен оптимальный набор аппаратных средств, объединенных в локальную сеть, обеспечивающий работу геолого-съемочной партии, территория которой ограничивается двумя листами масштаба 1:200000 (рисунок 4).

Средства 5,6,7,8 находятся в локальной сети, что позволяют использовать их пользователю каждого компьютера.

Лекция 3. Информационное обеспечение ГИС

Данные

Подсистема данных в ГИС является одной из главных компонент. Она в основном и определяет возможность реализации прикладных задач, выбор методов их решения, оптимальный набор программных средств.

Что же следует понимать под термином данные, что отличает информацию от данных, как формулируется понятие знаний в информационных системах? Слово «данные» на латыни «datum», означает факт. Поэтому данные можно характеризовать как совокупность фактов, представленных в некотором формализованном виде, с использованием качественной или количественной шкалы. Условное обозначение данных при формализации должно быть удобным для передачи, хранения, интерпретации и обработки их в автоматизированной системе или вне системы. Данные имеют несколько аспектов представления:

первичные,

фиксированные,

интерпретированные.

При использовании в информационной системе данные, как правило, закодированы и структурированы согласно разработанным правилам.

Информация

Слово «информация» происходит от латинского information, что означает разъяснение, осведомление. Таким образом, информация - это сведения об объектах, и явлениях окружающей среды, их свойствах и состоянии, которые уменьшают имеющуюся степень неопределенности о них, увеличивают полноту знаний. В информатике под термином информация понимают концептуально связанные между собой данные, изменяющие представление об объекте или явлении. Другими словами, информация - это данные, которые используются для уменьшения неопределенности. Данные в этом случае являются атрибутом информации. Они служат сырьем, которое путем переработки можно превратить в информацию и рассматриваются как основа для получения информации. Информация - это смысл, вкладываемый человеком в данные на основании известных правил и соглашений.

Знания - производная информации

Таким образом, в результате умозаключений пользователь получает не исходную информацию, вложенную в карту, а субъективное понимание знаков, которые и будем называть знаниями. Из одной и той же информации в зависимости от целей использования ее и компетентности пользователя можно ожидать получения знаний разного уровня. Используя термин, привычный в геологии, можно дать следующее определение: знания - это интерпретация информации.

Целесообразно выделить три вида знаний:

предметное или фактографическое знание, которое складывается из набора количественных и качественных характеристик различных объектов,

алгоритмическое знание - знание методов, способов, процедур некоторых действий, приводящих к некоторому результату,

концептуальное знание, складывающееся из совокупности основных терминов, применяемых в той или иной сфере деятельности.

Другими словами, база данных может считаться базой знаний, если она содержит данные, способные управлять информационными процессами и используется для получения новых данных.

Переход знаний в информацию происходит в результате отображения их в знаковой системе. Назовем эту информацию производной. Этот вид информации более субъективен, т.к. является умозаключением человека, а не отображает первичную или измеренную сущность процесса. Получаем некоторый циклический процесс, отображенный на рисунке 5.

В качестве примера можно рассмотреть прогноз нефтяных месторождений Республики Татарстан с использованием геоинформационных технологий (рисунок 6). Используя БД по территории Татарстана, получаем информацию о геологическом строении и тектоническом строении территории, размещении известных месторождений. На основе полученной информации и дополнительных знаний, полученных опытным или эмпирическим путем вне рассматриваемой системы или внутри ее, получаем знания о возможном расположении перспективных участков.

Знания можно характеризовать как отражение семантических аспектов в умозаключениях человека или машины.

Рассмотрим проявление различий между данными, информацией и знаниями в технических системах. Вначале появились банки данных, затем информационные системы, позже системы, основанные на знаниях - интеллектуальные системы.

3.1 Особенности организации данных в геоинформационных системах

ГИС, как системы обработки пространственно-временной информации относятся к классу информационных систем. Они имеют общие, присущие всему классу, и индивидуальные, присущие только ГИС, свойства. К особенностям ГИС следует отнести наличие больших объемов информации. Кроме того, они отличаются специфичностью организации и структурирования моделей данных. Следует учесть, что работа в геоинформационных системах имеет некоторые особенности, в частности вся информация является пространственно распределенной

ГИС характеризуются разнообразием графических данных со специфическими их частями и связями. В частности, карта может быть рассмотрена как двухмерная аналоговая модель, отображающая трехмерное пространство (пример-карта рельефа, карта геофизических полей).

Данные реального мира, отображаемые в ГИС, можно рассматривать с учетом трех аспектов:

-пространственного

-временного

-тематического

Пространственный аспект связан с определением местоположения.

Временной - с изменениями объекта или процесса с течением времени, в частности от одного временного среза к другому (пример временных данных - результаты переписи населения).

Тематический - обусловлен выделением одних признаков объекта и исключением из рассмотрения других.

Все измеримые параметры моделей геоинформационных данных подпадают под одну из этих характеристик: место, время, предмет.

Затруднительно исчерпывающим образом описать сразу все три эти характеристики. Поэтому, при построении моделей данных на основе наблюдений явлений реального мира один параметр считают «неизменным», изменения другого задаются и при этом измеряют изменения третьего параметра.

Зафиксировав географическое положение и изменяя время, можно получить временные ряды данных. Зафиксировав время и изменяя географическое положение, получаем данные по профилям. Временной аспект, как правило, включает три фактора - долговременный, средне временный и оперативный. С этим фактором связана характеристика качества информации - актуальность и процедура актуализации данных. Актуализация данных - это процедура обновления данных для приведения их в соответствие с изменениями в объективной реальности объектов исследования или среды. Временной аспект данных в ГИС определяется классом решаемых задач. Оперативность актуализации в некоторых системах может составлять годы (изученность территории различными методами исследований), либо минуты (анализ чрезвычайных ситуаций, военная разведка).

Тематическая информация не ограничена. Именно она создает возможность использования ГИС как универсальной системы для решения разнообразных задач. Мало того, именно тематическая информация является в большинстве случаев основной, в то время как пространственная информация служит связующим звеном для объединения, сопоставления, поиска и интерпретации разнообразной тематической информации.

В ГИС-технологиях для определения места используют один класс данных - пространственные данные (координаты), для определения параметров времени и тематической направленности - другой класс данных - содержательные данные (атрибуты). Метаданные содержат общую характеристику совокупности данных.

С формальной позиции информатики любое пространство можно представить бесконечным множеством точек, каждая из которых фиксирована по координатам, и для каждой из этих точек задан ряд атрибутов - качественных и количественных параметров (геологических, геохимических, геофизических и т.п.), соответствующих структуре, свойствам, состоянию и истории развития этого пространства или его локального фрагмента. Подобное определение является исчерпывающим, но неприемлемым в смысле ограниченности вычислительных ресурсов, которыми мы реально располагаем. Кроме того, удобнее использовать некоторые элементарные множества точек, к которым применимы формальные преобразования в вычислительных процедурах.

Пространственные данные

В геоинформационных системах существует два основных метода представления географического пространства.

Растровые данные

Первый метод использует квантование, или разбиение пространства на множество элементов (ячеек), каждый из которых представляет малую, но вполне определенную часть земной поверхности. При этом каждой ячейке растровой модели соответствует одинаковый по размерам, но разный по характеристике (цвет, плотность и т.п.) участок поверхности объекта. В ячейке модели содержится одно значение, усредняющее характеристику участка поверхностного объекта. В теории обработки изображений этот процесс называется пикселизацией. В растровой модели в качестве атомарного элемента используется пиксел (ячейка) - двухмерный элемент. Чаще всего в геоинформационных системах ячейка имеет форму квадрата (grid), или прямоугольника, реже используются треугольники и шестиугольники. Квадрат - самая удобная модель, так как позволяет относительно просто проводить обработку больших массивов. Треугольные мозаики служат хорошей основой для создания выпуклых (сферических) поверхностей.

Растровые структуры данных не обеспечивают точной информации о местоположении, поскольку в этом случае географическое пространство поделено на дискретные ячейки конечного размера. Точечный объект в этом случае вместо точных координат имеет лишь адрес ячейки, которой принадлежит искомая точка. Кроме того, происходит изменение мерности, так как объект, не имеющий измерений длины (точка) или ширины (линия) изображаются с помощью ячеек, имеющих эти измерения. Так, например линия в этом случае изображается в виде цепочки соединенных объектов. Растровая структура данных отображает линейные и площадные объекты ступенчатым образом, искажая его размеры и местоположение.

Растровые модели данных имеют основные характеристики: разрешение, значение, положение.

Разрешение - это минимальный линейный размер наименьшего участка пространства (поверхности), отображаемый одним пикселом. Чем меньше размер пиксела, тем точнее изображение пространства. Следует отметить, что увеличение точности изображения в этом случае ведет за собой увеличение объема хранимой информации, так как каждая ячейка храниться как отдельная числовая величина. Повышение точности требует большого объема памяти и временных затрат на обработку информации.

Значение - элемент информации, хранящийся в элементарной ячейке. В зависимости от особенностей ГИС и решаемых задач используют различные типы (шкалы) для описания свойств ячейки - качественные или количественные.

Положение обычно задается упорядоченной парой координат (номер строки и номер столбца), которые однозначно определяют положение каждого элемента отображаемого пространства в растре. Точность привязки элемента растра определяют, обычно, как половину линейного размера ячейки.

К недостаткам растрового представления следует отнести проблему низкой пространственной точности, что уменьшает достоверность измерения площадей и расстояний и необходимость больших объемов памяти для хранения и оперирования данными.

Достоинства растрового представления пространства в том, что они относительно легко понимаются как метод преставления непрерывного пространства. Растровые данные могут использоваться как подложка для векторизации карты или атрибут пространственного объекта (получают путем сканирования аналоговых карт или снимков). Кроме того, они служат источником для дешифрирования объектов, для сеточного представления поверхностей и моделирования пространственных процессов. Такой вид растрового изображения будем в дальнейшем называть матричным.

Матричные данные

Матричные данные получают путем преобразования данных из векторной формы представления по одному из тематических свойств или в результате обработки других матричных слоев. В случае преобразования в матричную форму количественных данных (карт изолиний или результатов измерений в отдельных точках) выполняется интерполяция в регулярную сеть центральных точек элементарных ячеек; для качественных данных выполняется кодирование по списку возможных значений в каждом основании классификации. Цифровые аэро- и космоснимки также являются матричными слоями. В отличие от растровых данных, полученных путем сканирования, когда каждой ячейке растра соответствует определенный цвет, в матричных данных каждой ячейке указывается принадлежность к определенному объекту (классу объектов) или значение характеристики территории. Таким образом, атрибутивная информация к матричным данным содержится непосредственно в коде ячейки. Шаг дискретизации данных - размер элементарной ячейки - задается пользователем и одинаков для всех матричных слоев одной БД. По типам шкал описания матричные слои разделяются на количественные в шкалах отношений и качественные в шкалах порядковых и номинальных. В зависимости от вида данных матричный слой может храниться с различной детальностью: 4 байта на точку; 2 байта/точку; 1 байт/точку; 1 бит/точку.

Матричные данные могут быть произвольным образом квантованы (разбиты на градации) и совмещены с векторными. Кроме того, многие функции, особенно связанные с операциями с поверхностями и наложением (overlay) легко выполняются на этом типе структур данных.

Векторные данные

Второй метод представления пространственных данных, называемый векторным, позволяет задавать точные пространственные координаты явным образом. Здесь подразумевается, что географическое пространство является непрерывным, а не квантованным на дискретные ячейки. Данные, встречающиеся на карте, представляют собой связанные объекты. Каждый объект может быть описан одним или несколькими геометрическими примитивами и атрибутами. К геометрическим примитивам относятся, прежде всего, точки, линии и площади. В векторной модели информация о точках, линиях и полигонах кодируется и хранится в виде набора координат X,Y. Местоположение точки (точечного объекта), например, буровой скважины, описывается парой координат (X,Y). Линейные объекты, такие как дороги, реки или трубопроводы, сохраняются как наборы координат X,Y. Полигональные объекты, типа речных водосборов, земельных участков или областей обслуживания, хранятся в виде замкнутого набора координат.

Таким образом, мы приходим к необходимости оперирования на низшем уровне основными объектами пространства:

точка (узлы, вершины),

линия незамкнутая,

контур (замкнутая линия),

полигон (ареал, район) - группы примыкающих друг к другу замкнутых участков.

Контуры и линии часто объединяют общим термином - линейные объекты.

Основные типы координатных данных для векторной модели определяются через базовый элемент - линию (дугу). Понятие дуги является фундаментальным для векторной модели. В векторной модели точка - это линия нулевой длины, линия - дуга конечной длины. Площадь (полигон) - это единичная область, ограниченная (находящаяся внутри) замкнутой дугой или упорядоченным набором связных дуг, которые образуют замкнутый контур. В геоинформационных системах выделяются три класса представления объектов: точечные, линейные и полигональные (площадные).

Точечные объекты. Простейший тип пространственного объекта задают точечные данные, к которым относятся на только точки, но и все точечные условные знаки. Выбор объектов, представляемых в виде точек, зависит от масштаба карты или исследования. Например, на крупномасштабной карте точками показываются отдельные строения, а на мелкомасштабной - города.

Особенность точечных объектов состоит в том, что они хранятся и в виде графических файлов, как другие пространственные объекты, и в виде таблиц, как атрибуты. Последнее обусловлено тем, что координаты каждой точки описывают как дополнительных атрибута. В силу этого информацию о наборе точек можно представить в виде развернутой таблицы, содержащей помимо координат наборы атрибутов (идентификационные номера, тематические характеристики). В такой таблице каждая строка соответствует точке - в ней собрана вся информация о данной точке. Примером может служить каталог скважин, когда в одной таблице описано пространственное расположение устьев скважин и их свойства.

Линейные объекты. Объект, локализованный в виде линии, чья ширина не выражается в масштабе карты-источника (дорога, река, дайка линейная). Может представлять некий условный объект - границу. Линейные объекты как и точечные имеют свои атрибуты

Полигональные объекты Объект, имеющий площадь, выраженную в масштабе карты-источника. Определяется замкнутым контуром и его внутренней областью.

Векторная модель особенно удобна для описания дискретных объектов и меньше подходит для описания непрерывно меняющихся свойств, таких как типы почв или доступность объектов.

В реальных ГИС имеют дело не с абстрактными линиями и точками, а с объектами, содержащими линии и площади, занимающие пространственное положение, а также со сложными взаимосвязями между ними. Геометрические данные составляют основу векторной модели, кроме того, в ее состав входят атрибуты и связи. Остановимся на связях векторных моделей.

Топологическая и объектная модели

Для представления пространственно-распределенных данных в цифровом виде используются два основных вида векторных геометрических моделей: бесструктурная (объектная) и топологическая.

Топология определяет наличие связей между пространственными объектами и ее тип. Векторные данные могут содержать информацию о топологии объектов или не содержать. При векторной нетопологической (бесструктурной) форме представления объект отвечает на вопрос «где находится объект?», а при топологической «где находится объект и какие связи с другими объектами он имеет?». Определение топологии осуществляется либо непосредственно на стадии сбора метрической информации, либо после сбора не основе дополнительного анализа и ввода этой информации.

В объектной (бесструктурной) модели объекты делятся на точечные, линейные и площадные, представляемые в виде последовательности координат контура. Такая модель, по сути, переводит «один в один» графическое изображение карты и кажется наиболее естественной и логичной в основном потому, что карта реализуется как умозрительная модель. Каждый примитив отображается одной логической записью, как строки переменной длины пар координат (X,Y). В этой модели соседние области должны иметь разные цепочки для общих сторон. Т.е. не существует областей, для которых какая-либо цепочка записей была бы общей.

Структура данных

Объект	Номер	Положение
Точка	5	Одна пара координат (x,y)
Линия	16	Набор пар координат (x,y)

Страница:

•  1 
•  2 
•  3 

курс лекций "Изучение основ геоинформатики" скачать

Подобные документы

• Устройства ввода и отображения текстовой и графической информации (мониторы, сканеры, графопостроители)

  Изучение видов и функций периферийных устройств, с помощью которых компьютер обменивается информацией с внешним миром. Классификация устройств ввода-вывода информации. Приборы местоуказания (манипуляторы), сканеры, мониторы, принтеры, микрофоны, наушники.
  
  контрольная работа [359,1 K], добавлен 10.03.2011
  

• Устройства ввода информации

  Изучение устройств ввода информации как приборов, осуществляющих перевод языка человека на машинный язык для занесения информации в компьютер. Функциональные возможности устройств ввода: клавиатура, мышь, джойстик, сканер, камера и графический планшет.
  
  презентация [2,7 M], добавлен 02.05.2011
  

• Организация ввода-вывода

  Использование программой функции ввода-вывода данных для реализации дружественного интерфейса с пользователем. Функции консоли и особенности их применения для обеспечения аккуратного ввода информации и упорядоченного вывода. Обзор стандартных функций.
  
  лабораторная работа [40,4 K], добавлен 06.07.2009
  

• Устройства ввода информации в персональный компьютер

  Характеристика разновидностей устройств ввода информации: клавиатуры, сканера, графического планшета, средств речевого ввода, мыши, джойстика, светового пера. Исследование принципов ввода информации с бумажных носителей, разрешающей способности матрицы.
  
  курсовая работа [78,7 K], добавлен 07.11.2011
  

• Программы ввода текстовой и графической информации

  Назначение, классификация и экономическая целесообразность использования устройств ввода текстовой и графической информации. Обзор и сравнительный анализ программ распознавания образов Acrobat Reader и ASDee. Охрана труда при работе на компьютере.
  
  дипломная работа [4,3 M], добавлен 23.07.2010
  

• Выполнение ввода и вывода информации с носителей. Работа с клавиатурой

  Устройства и основные типы устройств ввода и вывода информации: манипуляторы, сканеры, микрофоны, печатающие устройства, видеокамера, вебкамера, плата видеозахвата. Клавиатура, ее основные части; служебные, функциональные клавиши, цифровая клавиатура.
  
  реферат [487,5 K], добавлен 18.12.2009
  

• Устройства ввода информации

  Назначение и применение основных устройств ввода информации в компьютер. Клавиатура, манипулятор "мышь" и трэкбол, графические планшеты, сканеры, джойстик и трэкпойнт, микрофон и цифровые камеры, звуковая карта. Разновидности устройств ввода информации.
  
  реферат [13,2 K], добавлен 27.03.2010
  

• Автоматизация процесса оцифровки, обработки графической информации и цифровых данных

  Изучение существующих методов и программного обеспечения для извлечения числовых данных из графической информации. Программное обеспечение "graphtrace", его структура и методы обработки данных. Использование этой системы для данных различного типа.
  
  дипломная работа [3,9 M], добавлен 06.03.2013
  

• Форма представление данных в памяти персонального компьютера (числа, символы, графика, звук)

  Описание устройств ввода графической, звуковой информации, их назначение, классификация, конструкция, характеристики. Графические планшеты, сканнеры. Анализ способов представления и кодирования информации. Программные средства для архивации данных.
  
  контрольная работа [31,2 K], добавлен 22.11.2013
  

• Знакомство с компьютером

  Структурная схема компьютера. Основные характеристики процессора - устройства, предназначенного для обработки информации и управления процессом обработки. Способы хранения информации. Описание, назначение и принципы работы устройств ввода и вывода данных.
  
  презентация [862,1 K], добавлен 20.07.2011
  

Другие документы, подобные "Изучение основ геоинформатики"

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам