Геомоделирование с помощью ГИС

Геомоделирование с помощью ГИС-пакетов

Программное обеспечение информационных программ

Бурное распространение  геоинформационных технологий привело  к тому, что сегодня на российском рынке действует уже более 150 организаций  и фирм, распространяющих программное  обеспечение ГИС-проектов. Можно  выделить несколько классов программного обеспечения, различающихся по своим  функциональным возможностям и технологическим  этапам обработки геоинформации.

Следует различать системы, распространяемые коммерчески и  заказные разработки, выполненные под  индивидуальные проекты, и не обладающие необходимой универсальностью, поддержкой развития, изданной и популярно написанной документацией и рядом других свойств, характерных для рыночного товара.

Программные обеспечения  делятся на пять основных используемых классов. Первый наиболее функционально  полный класс программного обеспечения - это инструментальные ГИС. Они могут быть предназначены для самых разнообразных задач: для организации ввода информации (как картографической, так и атрибутивной), ее хранения (в том числе и распределенного, поддерживающего сетевую работу), отработки сложных информационных запросов, решения пространственных аналитических задач (коридоры, окружения, сетевые задачи и др.), построения производных карт и схем (оверлейные операции) и, наконец, для подготовки к выводу на твердый носитель оригинал-макетов картографической и схематической продукции. Как правило, инструментальные ГИС поддерживают работу, как с растровыми, так и с векторными изображениями, имеют встроенную базу данных для цифровой основы и атрибутивной информации или поддерживают для хранения атрибутивной информации одну из распространенных баз данных: Paradox, Access, Oracle и др. Наиболее развитые продукты имеют системы “run time”, позволяющие оптимизировать необходимые функциональные возможности под конкретную задачу и удешевить тиражирование созданных с их помощью справочных систем.

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

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

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

Пятый класс, на котором стоит  заострить внимание - это специальные  средства обработки и дешифрирования данных зондирований земли. Сюда относятся  пакеты обработки изображений, снабженные в зависимости от цены различным  математическим аппаратом, позволяющим  проводить операции со сканированными или записанными в цифровой форме  снимками поверхности земли. Это  довольно широкий набор операций, начиная со всех видов коррекций (оптической, геометрической)через географическую привязку снимков вплоть до обработки стереопар с выдачей результата в виде актуализированного топоплана.

Кроме упомянутых классов  существует еще разнообразные программные  средства, манипулирующие с пространственной информацией. Это такие продукты, как средства обработки полевых  геодезических наблюдений (пакеты, предусматривающие взаимодействие с GPS-приемниками, электронными тахометрами, нивелирами и другим автоматизированным геодезическим оборудованием), средства навигации и ПО для решения  еще более узких предметных задач (изыскания, экология, гидрогеология  и пр.). Поскольку настоящий обзор  ориентирован на широкий круг пользователей, дальше речь пойдет лишь о наиболее универсальных классах программ.

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

Геомоделирование

По определению, географическая информационная система (ГИС) — это  система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и  распространение пространственно-координированных данных. ГИС можно рассматривать как модель изучаемого объекта и промежуточное звено между объектом и исследователем. Соответственно ГИС располагает значительным количеством приемов анализа пространственных объектов, с помощью которых исследуют структуру и морфологию явлений с их количественной оценкой. Изучают динамику и развитие явлений, выполняют прогнозные исследования и др. По территориальному охвату различают глобальные, региональные, локальные, или местные ГИС. 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.

Базовым компонентом любой  ГИС являются географические или  пространственные данные, представленные в виде цифровых данных о пространственных объектах и включающие сведения об их местоположении и свойствах, пространственных и непространственных атрибутах. Полное описание пространственных данных складывается из взаимосвязанных описаний топологии, геометрии и атрибутики объектов.

Тематические слои в геоинформационной  системе сопровождаются атрибутивными  базами данных (БД), содержащими необходимую  для исследований информацию: цифровую, описательную, графическую и т.д. Эта информация связывается с  пространственными объектами через  систему идентификаторов. Каждый пространственный объект геоинформационной системы  имеет уникальный внутренний идентификатор, который придается ему при  создании топологии, и внешние пользовательские идентификаторы, которых может быть несколько в зависимости от структуры баз данных и поставленных задач.

Цифровые модели рельефа  и производные от них морфометрические карты могут быть применены в  самых разных направлениях, научных  исследований и областях народного  хозяйства. Изучение подобных характеристик  позволяет обнаружить и уточнить проявление таких природных динамических процессов и явлений, как снежные  лавины, сели, оползни, камнепады, развитие различных форм эрозии. Автоматизированное составление карт углов наклона  представляет широкие возможности  для их использования в географических исследованиях, при планировании, проектировании и других целей.

В сельском хозяйстве такие  карты используют при планировании севооборотов и очередности проведения сельскохозяйственных работ, землеустройстве, определении условий снегонакопления  на полях, оценке развития овражной эрозии. Параметры углов наклона учитывают  при разработке новых моделей  сельскохозяйственной и транспортной техники, проектировании трасс железных и автомобильных дорог, трубопроводов, строительстве промышленных и бытовых  строений, разработке гидромелиоративных систем. При съемке шельфа возникает  также необходимость определения  углов наклона дна для выбора расстояния между съемочными галсами  и высоты сечения рельефа, для  определения скорости изменения  глубин. Зная экспозиции склона можно  уточнять графики проведения сельскохозяйственных работ, определять сроки готовности пахоты к проведению агромероприятий, оценивать влияние различных  погодных условий на рост и созревание растений, состояние лугов, пастбищ. Велико значение этих карт для дорожной службы, где по ним можно прогнозировать возникновение снежных заносов  и других неблагоприятных явлений, затрудняющих работу автомобильного и  железнодорожного транспорта, сделать  расчеты расхода топлива по отдельным  участкам трасс и т.п.

Формализация  процессов пространственного моделирования

При геоинформационном моделировании  реальное явление упрощается и схематизируется  и эта "схема" явления описывается  с помощью специального аппарата. Этот процесс называется формализацией  или формализованным описанием. Такое формализованное описание представление исследуемые элементы явлений и их взаимосвязи. При  моделировании необходимо выделять объект или объекты моделирования  среди множества других, не участвующих  в процессе моделирования. Эта процедура  по аналогии со всеми существующими  графическими редакторами называется активизацией объекта. Будем обозначать активизированный объект символом А, прочие объекты символом О.

При геоинформационном моделировании  могут использовать специальный  объект S, который применяют в  качестве шаблона (маски). Объект, вновь создаваемый или модифицируемый из изменяемого объекта обозначим, символом М. В рамках такой модели обобщенная процедура геоинформационного моделирования описывается на основе отношений между A и S.

A x S -> M

Здесь х - символ отношения ; —> импликация

В ГИС имеются три типа графических векторных объектов: точечные (Pt), линейные(Ln) и площадные (Аr). Изменяемый объект А и S шаблон должны принадлежать к одному типу. Условимся  обозначать совокупность атрибутов  произвольного объекта О символом At(O), совокупность позиционных данных символом Pos(O).

Определим моделирование  пространственно локализованных объектов как класс моделирования пространственно - временных данных, организованных так, что каждый графический объект взаимосвязан с одной или несколькими  таблицами базы данных. Основу такого моделирования как специализированной ГИС - технологии составляют преобразования основанные на: теоретико-множественных  отношениях, законах формальной логики, алгоритмах обработки изображений  и многом другом, что является самостоятельным  научным направлением, не связанным  с географией. Объектами моделирования  являются пространственные графические  объекты и объекты базы данных ГИС, "географичность" которых  определяется их позиционной привязкой  к точкам референц - эллипсоида (а не только к карте). В ходе большинства процедур геоинформационного моделирования эта "географичность" не нарушается и не используется, т.е. не применяется и не влияет на процессы моделирования. Следовательно, говорить о "географическом моделировании" в таких случаях нет оснований. Геоинформационное моделирование включает следующие специальные технологии:

геогруппировку - построение временной динамической графический модели путем объединения совокупностей графических объектов в более крупные объекты;

буферизацию - процедуру построения полигональных объектов по заданным ареальным, линейным и точечным - объектам и параметрам буферизации;

генерализацию - процедуру обобщения графических объектов и изменения их видимости при изменении масштаба и получения соответствующих новых атрибутивных данных;

комбинирование - процедуры композиции или декомпозиции графических объектов на основе отношений между ними;

геокодирование - процедуру координатной привязки данных одной таблицы к данным другой, позиционно определенной таблицы;

обобщение данных - процедуру создания атрибутов новых объектов на основе отношений атрибутов исходных объектов;

Классификация ГИС  пакетов

Обзор настольных ГИС от ESRI

Компания ESRI традиционно  уделяет большое внимание относительно недорогим и, в то же время, весьма эффективным программным продуктам, относящимся к классу настольных (персональных) ГИС. В отличие от профессиональных ГИС пакетов, они  ориентировались, главным образом, на массового пользователя и достаточно просты в работе и обучении. Сфера  применения настольных ГИС очень  разнообразна - от обучения основам  геоинформационных технологий до создания собственных электронных карт и  персональных ГИС. К программным  продуктам этого класса можно  отнести ArcView GIS, PC ARC/INFO, DAK (Data Automation Kit). Каждый из них имеет ряд особенностей, определяющих сферу их использования. Следует отметить, что в ходе развитии своего нового программного обеспечения, известного как семейство ArcGIS, ESRI значительное место уделяет его унификации, стандартизации на основе единой корневой структуры и интерфейса, простоте в использовании и возможности быстрого освоения базовой функциональности конечными пользователями.

ArcView GIS

Самый популярный и распространенный программный продукт ESRI выполнен в  виде стандартного приложения WINDOWS (работает также на платформах UNIX и, в ряде версий, Macintosh). Он легок в освоении и может использоваться в различных  сферах деятельности для визуализации, запроса и анализа любой пространственной информации. ArcView GIS объединяет векторные, растровые, табличные данные в единую аналитическую систему. С помощью  этого программного продукта можно:

·  создать и поддерживать собственную географическую базу данных;

·  использовать данные других организаций, в том числе обращаться к серверным базам данных посредством SQL-запросов;