18. Геоинформационные системы и технологии

Potemkin Monkey Jungle Adventure

Game: Perform tasks and rest cool.2 people play!

Play game

18.1. Понятие о геоинформационных системах

Геоинформатика – область знаний, изучающая методы и средства получения, хранения, обработки, передачи и представления пространственно-временной информации, связанной с геопространством.

Геопространство –  физическая оболочка Земли с расположенными на ней объектами естественного и искусственного происхождения.

Пространственно-временная информация называется геоданными. Они делятся на две группы:

– базисные геоданные (координатные геоданные)

– специальные тематические геоданные (атрибутивные геоданные).

Геоданные включают в себя исходную информацию об объектах и явлениях, существующих в геопространстве, характеризующихся наличием пространственных связей между ними.

Геоинформационные системы (ГИС) – это автоматизированные системы, основными функциями которых являются сбор, хранение, интеграция, анализ геоданных и их графическая визуализация в виде карт или схем.

ГИС возникли в 1960–70 гг. на стыке технологий обработки информации в системах управления базами данных и визуализации графических данных в системах автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированного производства карт, управления сетями. Интенсивное использование ГИС началось в середине 90-х гг. ХХ в., когда появились мощные и относительно дешевые персональные компьютеры и более доступное и понятное программное обеспечение.

Первоначально ГИС представляли собой географические информационные системы. В настоящее время ГИС интегрируют с автоматизированными системами инвентаризации, проектирования, навигации, управления и др. Современные ГИС по сути являются информационно-управляющими системами, функциональные возможности которых значительно шире географических информационных систем.

Исходные данные для создания ГИС:

– картографические материалы (топографические и общегеографические карты, карты административно-территориального деления, кадастровые планы и др.). Так как получаемые с карт данные имеют пространственную привязку, они используются в качестве базового слоя ГИС;

– данные дистанционного зондирования (ДДЗ) – материалы фототопографических съемок и других неконтактных съемок, например гидроакустические съемки рельефа морского дна. Материалы таких съемок обеспечивают получение как количественной, так и качественной информации о различных объектах природной среды;

– результаты геодезических измерений на местности, выполняемые с помощью геодезических приборов, спутниковых приемников, трёхмерных сканеров и т.д.;

– данные государственных статистических служб по самым разным отраслям народного хозяйства, а также данные стационарных измерительных постов наблюдений (гидрологические и метеорологические данные, сведения о загрязнении окружающей среды и т.д.);

– атрибутивные данные (временная и описательная информация, содержащая разнообразные сведения об объектах естественного и искусственного происхождения, расположенных на физической поверхности Земли).

Местоположение объектов ГИС определяется координатными геоданными, которые содержат метрическую информацию, представленную совокупностью геометрических элементов: точек, линий, контуров и площадей. Основной формой представления координатных данных являются цифровые модели (ЦМ).

Для визуализации геоданных в ГИС используют графические модели координатных данных, основанные на векторных и растровых моделях.

 

18.2. Классификация геоинформационных систем

ГИС разрабатывают и применяют для решения научных и прикладных задач проектирования инфраструктуры территорий, городского и регионального планирования, рационального использования природных ресурсов, мониторинга экологических ситуаций, а также для принятия оперативных мер в условиях чрезвычайных ситуаций и др. Множество задач, возникающих в жизни, привело к созданию различных ГИС, которые могут классифицироваться по следующим признакам.

По функциональным возможностям ГИС подразделяются:

– на полнофункциональные общего назначения;

– специализированные ГИС, ориентированные на решение конкретной задачи в какой либо предметной области;

– информационно-справочные системы для домашнего и информационно-справочного пользования.

Функциональность ГИС определяется также архитектурным принципом их построения:

– закрытые системы не имеют возможностей расширения, они способны выполнять только тот набор функций, который однозначно определен на момент покупки;

– открытые системы отличаются легкостью приспособления, возможностями расширения, так как могут быть достроены самим пользователем при помощи специального аппарата (встроенных языков программирования).

По пространственному (территориальному) признаку ГИС подразделяются:

– на глобальные (планетарные);;

– общенациональные;

– региональные;

– локальные (в том числе муниципальные).

По проблемно-тематической ориентации:

– общегеографические;

– экологические и природопользовательские;

– отраслевые (водных ресурсов, лесопользования, туризма,  транспорта и т. д.).

По способу организации географических данных:

– векторные;

– растровые;

– векторно-растровые.

18.3. Основные компоненты геоинформационных систем

К основным компонентам ГИС относят: технические (аппаратные) и программные средства, информационное обеспечение.

Технические средства – это комплекс аппаратных средств, применяемых при функционировании ГИС. К ним относятся рабочая станция (персональный компьютер), устройства ввода-вывода информации, устройства обработки и хранения данных, средства телекоммуникации.

Рабочая станция используется для управления работой ГИС и выполнения процессов обработки данных, основанных на вычислительных и логических операциях. Современные ГИС способны оперативно обрабатывать огромные массивы информации и визуализировать результаты.

Ввод данных реализуется с помощью разных технических средств и методов: непосредственно с клавиатуры, с помощью дигитайзера или сканера, через внешние компьютерные системы. Пространственные данные могут быть получены с электронных геодезических приборов, с помощью дигитайзера или сканера, либо с использованием фотограмметрических приборов.

Устройства для обработки и хранения данных интегрированы в системном блоке компьютера, включающем в себя центральный процессор, оперативную память, запоминающие устройства (жесткие диски, переносные магнитные и оптические носители информации, карты памяти, флеш-накопители и др.). Устройства вывода данных – монитор, графопостроитель, плоттер, принтер, с помощью которых обеспечивается наглядное представление результатов обработки пространственно-временных данных.

Программные средства – программное обеспечение (ПО) для реализации функциональных возможностей ГИС. Оно подразделяется на базовое и прикладное ПО.

Базовые программные средства включают: операционные системы (ОС), программные среды, сетевое программное обеспечение, системы управления базами данных, а также модули управления средствами ввода и вывода данных, систему визуализации данных и модули для выполнения пространственного анализа.

К прикладному ПО относятся программные средства, предназначенные для решения специализированных задач в конкретной предметной области. Они реализуются в виде отдельных модулей (приложений) и утилит (вспомогательных средств).

Программные средства любой ГИС обязательно включают в себя две основные части – графический редактор и СУБД.

Информационное обеспечение – совокупность массивов информации, систем кодирования и классификации информации. Особенность хранения пространственных данных в ГИС – их разделение на слои. Многослойная организация электронной карты, при наличии гибкого механизма управления слоями, позволяет объединить и отобразить гораздо большее количество информации, чем на обычной карте.

 

18.4. Обработка информации в ГИС

Функции обработки информации в ГИС должны обеспечивать:

– ввод и вывод информации;
– управление графическими и тематическими базами данных, т.е. создание баз данных,  их заполнение, поиск информации, сортировка, редактирование и добавление данных, выдача информации по запросам и ряд других операций;
– визуализацию информации, т. е. наглядное отображение на экране монитора информации, хранящейся в цифровой форме в графических и тематических базах данных, информация может быть выдана на экран как в виде картографического изображения, так и в виде таблиц, графиков, диаграмм и т. п., отображающих результаты выполненного анализа данных;
– работа с картографическим изображением: перемещение его в произвольном направлении, масштабирование; настройка элементов оформления изображения (цвет, тип линий и т. п.); управление окнами на экране; редактирование изображения и т.д.;
– совместный анализ графической и тематической информации, позволяющий выявлять связи и закономерности между объектами и явлениями, динамику развития тех или иных процессов.

Обработку информации в ГИС можно разбить на три уровня:

– на уровне сбора информации – дешифрирование фотоснимков и картографических изображений, обработка данных дистанционного зондирования цифровыми фотограмметрическими системами (ЦФС) для получения координатных данных, преобразование геодезических измерений в координатные данные, группировка атрибутивных данных по классификационным признакам, характеризующим свойства объектов;

– на уровне моделирования – редактирование картографических данных, анализ атрибутивных данных, формирование отчетных форм по запросам пользователей и др.;

– на уровне представления данных – генерализации картографических изображений – отбор и отображение картографических объектов соответственно масштабу, содержанию и тематической направленности, выполняемые посредством процедур классификации и обобщения геоданных.

С помощью ГИС выполняют пространственное моделирование объектов и явлений.

При моделировании в ГИС выделяют следующие виды операций с данными:

– операции преобразования форматов и представлений данных;
– проекционные преобразования;
– геометрический анализ данных;
– оверлейные операции;
– функционально-моделирующие операции.

Операции преобразования форматов и представлений используются как средства обмена данными с другими информационными системами, в том числе и ГИС. Преобразование форматов осуществляется с помощью программ – конверторов.

Графические данные могут иметь растровое или векторное представление, имеющие существенное различие. Векторное представление имеет существенно большие аналитические возможности, чем растровое. Операция преобразования растрового изображения в векторное (векторизация) является одной из основных при обработке графических данных в ГИС. В состав любой ГИС входит специальная программа векторизации – графический редактор.

Для определения положения объектов в пространстве существует множество систем координат (СК). Для изображения поверхности земли на плоскости применяют различные математические модели – картографические проекции. Группа математических процедур ГИС, осуществляющих переход от одной системы координат к другой, пространственной системы координат к картографической проекции, или переход от одной картографической проекции к другой носит название проекционных преобразований.

Программные средства ГИС позволяют выполнять ряд операций геометрического анализа. Для векторных моделей такими операциями являются:

– определение расстояний;
– определение длин кривых;
– определение площадей фигур;
– трансформирование точек объекта.

Особенностью представления геоданных в ГИС является возможность их организации в виде множества слоев. Сущность оверлейных операций состоит в наложении разноименных слоев с генерацией производных объектов и наследованием атрибутов.

В ГИС используются различные аналитические операции:

– расчет и построение буферных зон;
– анализ сетей;
– генерализация;
– цифровое моделирование.

Развитие автоматизированных методов обработки пространственной информации привело к появлению нового направления в моделировании – цифрового моделирования (ЦМ). Основными объектами цифрового моделирования являются:

– цифровая модель рельефа (ЦМР);
– цифровая модель местности (ЦММ);
– цифровая модель объекта (ЦМО).

 Преобразование исходных материалов в цифровую векторную форму (цифрование, или векторизация) выполняется двумя основными методами:

– цифрованием на дигитайзере;
– сканированием исходных аналоговых материалов с последующим цифрованием по растровой подложке.

Дигитайзер – это устройство для цифрования, состоящее из электронного планшета и указателя.

На планшете укрепляется подлежащая цифрованию бумажная карта или фотоснимок (смещение карты во время оцифровки недопустимо). Указатель представляет собой кнопочное устройство, перемещаемое по планшету. Количество кнопок на нем зависит от типа дигитайзера и может колебаться от одной до семнадцати.

Работа с дигитайзером может выполняться в двух режимах: дискретном и непрерывном.

При работе в дискретном режиме оператор вручную обводит контуры объектов, совмещая перекрестие нитей дигитайзера с характерными точками цифруемого объекта и нажимая в этот момент соответствующую кнопку, что приводит к передаче координат точек в компьютер. На экране монитора возникают изображения обведенных объектов.

При работе в непрерывном режиме нажатия кнопки не требуется: координаты точек регистрируются автоматически либо с постоянным шагом, либо с постоянным интервалом по времени обводки. Недостатком такого режима является избыточное количество точек, характеризующих положение объекта, поэтому предпочтительней работа в дискретном режиме, хотя она и требует нажатия кнопок.

Планшет дигитайзера имеет свою систему координат, отличную от системы координат карты, поэтому должно быть установлено соответствие между двумя системами для возможности перевода координат из одной системы в другую: дигитайзер должен передавать в компьютер координаты карты. Для пересчета координат в начале работы должны быть заданы контрольные точки, координаты которых известны и в той и в другой системе координат. Минимальное количество таких точек – две, но большее количество точек повышает точность оцифровки.

При цифровании картографических объектов рекомендуется придерживаться определенных правил, соблюдение которых позволяет сообщить некоторую дополнительную информацию об объектах. Например, фиксированное направление обхода некоторых линейных объектов: река обводится от истока к устью.

Цифрование по растровой подложке имеет большее распространение, т. к. обеспечивает более высокую точность и производительность.

Перед цифрованием изображение сканируется. Для сохранения необходимой точности картографических изображений разрешение сканера должно быть не менее 600 точек на дюйм. Результатом сканирования является файл растрового формата (GIF,TIF,PCX).

Открыв этот файл в ГИС, получают изображение исходного картографического материала на экране монитора. Первым этапом обработки полученного изображения является его коррекция, которая выполняется, как и при работе с дигитайзером, по контрольным точкам (точкам с известными координатами). После коррекции растрового изображения приступают к его оцифровке (векторизации – создании векторных объектов). Применяются три технологии оцифровки: оцифровка вручную, автоматическая и полуавтоматическая (интерактивная).

Оцифровка вручную состоит в обводе контуров объектов на экране при помощи мыши с фиксированием (нажатием кнопки мыши) координат характерных точек контуров.

Автоматическая оцифровка выполняется при помощи программ, называемых векторизаторами. Работа этих программ состоит в распознавании образов: они могут идентифицировать и выделять из растра отдельные точечные, линейные и площадные объекты, сравнивая изображения с заложенными в эти программы образцами условных знаков.

Полуавтоматическая, или интерактивная оцифровка ведется с применением программ, которые автоматически распознают объекты на сравнительно простых растровых изображениях и обращаются за помощью к оператору, когда не могут выполнить векторизацию автоматически.

Выбор того или иного способа зависит от  сложности растрового изображения, объема работ и т. д. Полностью автоматическая возможна только для сравнительно простых чертежей. Сложные части изображения векторизуют вручную, а для оставшихся (простых) частей применяют автоматический или полуавтоматический способ.

В процессе векторизации любым методом (и на дигитайзере и по растровой подложке) используются многие функции ГИС для работы с графическими объектами: совмещение узлов объектов, проверка замыкания линий, поиск разрывов, удаление части объекта, соединение объектов, перенос объектов со слоя на слой и т. п.

Большинство ГИС позволяют выполнять пространственный анализ, т.е. оценивать связи между объектами по их пространственному положению. К числу наиболее распространенных функций пространственного анализа относятся функции проверки:

– лежит ли объект А полностью внутри объекта В;
– лежит ли объект А частично внутри объекта В;
– содержит ли объект А весь объект В;
– содержит ли объект А часть объекта В;
– пересекаются ли объекты А и В.

С использованием перечисленных функций производятся выборки объектов, попадающих в заданную область. Заданной областью может быть замкнутый контур, созданный разными способами. Широко распространенным в ГИС способом анализа пространственной близости объектов к какому-то заданному объекту (или к нескольким заданным) является создание так называемых буферных зон вокруг объектов, близость к которым анализируется.

Буферной зоной называют область, границы которой находятся на некотором заданном расстоянии от объекта. Например, буферной зоной точечного объекта является круг заданного радиуса, центр которого совпадает с точечным объектом.