18. Геоинформационные системы и технологии

18. Геоинформационные системы и технологии

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).

Hungry Weevils

Game: Perform tasks and rest cool.5 people play!

Play game
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

Hungry Weevils

Game: Perform tasks and rest cool.5 people play!

Play game
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.

Hungry Weevils

Game: Perform tasks and rest cool.5 people play!

Play game
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.

Hungry Weevils

Game: Perform tasks and rest cool.5 people play!

Play game
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:

Hungry Weevils

Game: Perform tasks and rest cool.5 people play!

Play game
– 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.

Hungry Weevils

Game: Perform tasks and rest cool.5 people play!

Play game
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.

Hungry Weevils

Game: Perform tasks and rest cool.5 people play!

Play game
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.

Hungry Weevils

Game: Perform tasks and rest cool.5 people play!

Play game
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.

 

 

avatar

Что бы оставить комментарий войдите


Комментарии (0)






Инженерные изыскания. Геология. Геодезия.