Географические информационные системы (ГИС)

 

Схематическое представление  процессов сбора, обработки, анализа  и вывода данных в ГИС

Рис. 3.

 

Следующий  подход  называется  интегрированным. При  этом подходе предусматривается использование  средств  реляционных  СУБД  для  хранения  как  пространственной,  так  и  атрибутивной информации. В этом случае ГИС выступает в качестве надстройки над СУБД.

Третий  подход  называют  объектным.  Плюсы  этого  подхода  в  легкости  описания  сложных  структур  данных  и  взаимоотношений  между  объектами. Объектный  подход  позволяет  выстраивать иерархические цепочки объектов и решать многочисленные задачи моделирования. 

В последнее  время  самое широкое распространение  получил             объектно-реляционный подход, являющийся синтезом первого и третьего подходов.

Следует отметить, что  в ГИС выделяют несколько форм представления объектов:

1. В виде нерегулярной сети точек;
2. В виде регулярной сети точек;
3. В виде изолиний.

Представление в виде нерегулярной сети точек – это  произвольно расположенные точечные объекты, в качестве атрибутов имеющие какое-то значение в данной точке поля. Пример такой формы представления данных показан на рис. 4.

 

Пример формы представления  объектов

в виде нерегулярной сети точек

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.

 

Представление в виде регулярной сети точек – это равномерно расположенные в пространстве  точки достаточной  густоты. Регулярную  сеть  точек можно получать интерполяцией из нерегулярных либо путем проведения измерений по регулярной сети.

Наиболее  распространенной  формой  представления  в  картографии  является  представление изолиниями. Недостатком данного представления является то, что обычно нет никакой информации о поведении  объектов, находящихся между изолиниями. Данный  способ представления  является  не самым удобным для анализа. На рис. 5. приведен пример этой формы представления.

 

Пример формы представления  объектов в виде изолиний

 

Рис. 5.

 

Рассмотрим модели организации  пространственных данных в ГИС.

Самой распространенной моделью организации данных является слоевая модель, рис. 6. Суть модели в том, что осуществляется деление объектов на тематические слои и объекты, принадлежащие одному  слою. Получается  так, что объекты отдельного  слоя  сохраняются  в отдельный файл, имеют свою систему идентификаторов, к которой можно обращаться как к некоторому множеству. Как видно  из  рис. 6,  в отдельные слои  вынесены  индустриальные  районы,  торговые  центры,  автобусные маршруты, дороги, участки учета населения. Часто один тематический слой делится еще и по  горизонтали – по аналогии с отдельными листами карт. Это делается для удобства администрирования БД и во избежание работы с большими файлами данных. 

 

 

 

 

Пример слоевой организации  данных

Рис. 6.

 

В рамках слоевой модели существует две конкретных реализации:        векторно-топологическая и векторно-нетопологическая модели.

Первая реализация –  векторно-топологическая, рис. 7. В этой модели  есть ограничения:  в один лист одного тематического слоя можно поместить объекты не всех геометрических типов одновременно. К примеру, в системе ARC/INFO в одном покрытии можно поместить или только точечные или только линейные, или полигональные объекты, либо их комбинации, исключая случай                “точечные полигональные” и три типа объектов сразу. 

 

Векторно-топологическая модель организации данных

Рис. 7

 

Векторно-нетопологическая модель организации данных – это более гибкая модель, но часто в один слой помещаются только объекты одного геометрического типа. Число слоев при слоевой организации данных может быть весьма большим и зависит от конкретной реализации. При слоевой организации данных удобно манипулировать большими группами объектов, представленных слоями как единым целым. Например, можно включать и выключать слои для визуализации, определять операции, основанные на взаимодействии слоев.

Следует отметить, что  слоевая модель организации данных абсолютно преобладает в растровой модели данных.

Наряду со слоевой  моделью используют объектно-ориентированную  модель. В этой модели используется иерархическая сетка (топографический  классификатор), рис. 8.

 

Пример топографического классификатора

Рис. 8.

 

В  объектно-ориентированной  модели  акцент  делается  на  положение  объектов  в  какой-либо сложной иерархической схеме классификации и на взаимоотношения между объектами. Этот подход менее распространен, чем слоевая модель по причине  трудности организации всей системы взаимосвязей между объектами. 

Как  говорилось  выше, информация  в ГИС хранится  в  географической и  атрибутивной базах данных. Рассмотрим принципы организации информации на примере векторной модели представления пространственных данных.

Любой  графический объект можно представить как семейство  геометрических примитивов с определенными координатами вершин, которые могут исчисляться в любой системе координат. Геометрические примитивы в разных ГИС различаются, но базовыми являются точка, линия, дуга, полигон. Расположение  точечного объекта, например, угольной шахты, можно описать парой координат (x, y). Такие объекты, как река, водопровод, железная дорога описываются набором координат (x₁, y₂; …; x_n, y_n), рис. 9. Площадные объекты типа речных бассейнов, сельхоз угодий или избирательных участков представляются в виде замкнутого набора координат (x₁, y₁; … x_n, y_n; x₁, y₁). Векторная модель наиболее пригодна для описания отдельных объектов и менее всего подходит для отражения непрерывно изменяющихся параметров.

 

Пример использования  векторной модели для описания геообъектов

Рис. 9.

 

Кроме координатной информации об объектах в географической БД может храниться информация о внешнем оформлении этих объектов. Это может быть толщина, цвет и тип линий, тип и цвет штриховки полигонального объекта, толщина, цвет и тип его границ. Каждому геометрическому примитиву сопоставляется атрибутивная информация, описывающая его количественные и качественные характеристики. Она хранится в полях табличных баз данных, которые предназначены для хранения информации  разных  типов:  текстовая,  числовая,  графическая,  видео,  аудио. Семейство геометрических примитивов и его атрибутов (описаний) образует простой объект.

Современные  объектно-ориентированные  ГИС  работают  с  целыми  классами  и  семействами объектов, что позволяет  пользователю получать более полное представление о свойствах этих объектов и присущих им закономерностях.

Взаимосвязь  между  изображением  объекта  и  его  атрибутивной  информацией  возможна  посредством уникальных идентификаторов. Они в явной или неявной форме существуют в любой ГИС.

Во многих ГИС пространственная информация представляется в виде отдельных  прозрачных слоев  с изображениями  географических  объектов. Размещение  объектов на  слоях  зависит  в  каждом отдельном случае от особенностей конкретной ГИС, а также особенностей решаемых задач. В большинстве ГИС информацию на отдельном слое составляют данные из одной таблицы БД. Бывает, что слои образуются из объектов,  составленных из однородных  геометрических примитивов. Это могут быть слои с точечными, линейными или площадными географическими объектами. Иногда слои создаются  по  определенным  тематическим  свойствам  объектов,  например,  слои железнодорожных  линий, слои водоемов, слои природных ископаемых. Практически любая ГИС позволяет пользователю управлять слоями. Основные управляющие функции – это видимость/невидимость слоя, редактируемость, доступность. Кроме всего, пользователь может увеличивать информативность цифровой карты путем  вывода  на  экран  значений  атрибутов  пространственных. Многие ГИС  используют  растровые изображения  в  качестве фундаментального  слоя  для  векторных  слоев,  что также повышает  наглядность изображения.

 

 

 

 

 

3. БАЗОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ ГИС

Любая ГИС включает в  себя следующие компоненты:

1. Аппаратная платформа (hardware);
2. Программное обеспечение (software);
3. Данные (data);
4. Персонал.

Аппаратная платформа  в свою очередь состоит из следующих  частей:

1. Компьютеры (рабочие станции, ноутбуки, карманные ПК),
2. Средства хранения данных (винчестеры, компакт-диски, дискеты, флэш-память),
3. Устройства  ввода  информации (дигитайзеры,  сканеры,  цифровые  камеры  и  фотоаппараты, клавиатуры, компьютерные мыши),
4. Устройства вывода информации (принтеры, плоттеры, проекторы, дисплеи).

«Сердцем» любой ГИС являются используемые для анализа данные. Устройства ввода позволяют конвертировать существующую географическую информацию в тот формат, который используется в данной ГИС. Географическая информация включает в себя бумажные карты, материалы аэрофотосъемок и дистанционного зондирования, адреса, координаты объектов собранные при помощи систем глобального позиционирования GPS (Global Position System), космических спутников или цифровой географической информации, хранимой в других форматах.

Если говорить о программном  обеспечении ГИС, то следует отметить, что большинство программных пакетов обладают схожим набором характеристик, такими как, послойное картографирование, маркирование, кодирование  геоинформации, нахождение объектов в  заданной области, определение разных величин, но очень сильно различаются в цене и функциональности. Выбор программного  обеспечения  зависит  от  конкретных  прикладных  задач,  решаемых  пользователем.  Для  примера приведем список, содержащий названия фирм и ПО, которое они выпускают, табл. 1.

 

Таблица 1

ГИС-Software и компании

Фирма-производитель	Software
1	2
MapInfo	MapInfo Pro
ESRI	ArcView, Arc/INFO
Autodesk GmbH	AutoCAD MAP, AutoCAD Land De- velopment, Autodesk MapGuide R5, AutoCAD Map 2000
Caliper	Maptitude
Integraph	GeoMedia
Tactician	Tactician
Geograph	ГеоГраф ГИС 2.0
КРЕДО-Диалог	CREDO

 

 

Программный продукт ARC/INFO – это одна из первых профессиональных ГИС, ориентированная на работу с пространственной информацией, хранимой в базе данных. В результате её внедрения произошел настоящий переворот в цифровой картографии и в способах работы с пространственной информацией. ARC/INFO состоит из базового комплекта программ и дополнительных модулей, которые могут приобретаться отдельно в дополнение к базовому комплекту. Базовый комплект программного  обеспечения  представляет  собой  полнофункциональную  ГИС  для  работы  в  различных прикладных областях. Он поддерживает весь цикл работ по созданию и использованию ГИС от ввода данных  и  их  редактирования  до  организации  информационных  запросов  анализа  пространственной информации и подготовки чистовой картографической продукции в виде твердых копий.

ARCVIEW GIS –  система,  которая  предназначена  для   отображения,  редактирования,  пространственного  анализа,  поиска  и  управления  геопространственными  данными.  Это  программное средство,  как  и ARCINFO,  разработано  фирмой ESRI. 

Одна  из  привлекательных  особенностей ARCVIEW GIS –  включение  в  пакет  программ подсказчиков (Мастеров). Эти подсказчики облегчают использование множества новых инструментов и полезны как для новичков, так и опытных пользователей. Добавлены инструменты для создания координатных сеток и рамок карты (управление интервалами, типами линий, типом рамок).

Средства  геообработки и  анализа ARCVIEW позволяют проводить  такие сложные пространственные операции с географическими данными как создание буферных зон вокруг картографических объектов, вырезка, слияние, пересечение, объединение тем и присвоение данных по местоположению

К  другим  усовершенствованиям  относятся  расширение  диапазона  поддерживаемых  дат промежутке от 5 млн. 800 тыс. лет до нашей эры до 5 млн. 800 тыс. лет нашей эры, что иногда требуется для геологических, археологических и т.п. приложений), возможность оцифровки карт на дигитайзере в потоковом режиме.

AutoCAD Map 2000 – высокоточное программное  обеспечение для  создания цифровых  карт и  осуществления  геоинформационного  анализа,  включающее  все  функциональные  возможности  базового  продукта AutoCAD. Содержит все необходимые средства и эффективные функции для изготовления картографической основы и обработки географической информации.

Поддерживает любые  графические форматы, осуществляет экспорт данных во все популярные программы  обработки  географической  информации. Обеспечивает  мгновенное  получение  дополнительных данных для геоинформационного проекта через сеть.

AutoCAD Map 2000  предоставляет   разработчикам  более 2  тысяч   глобальных  координатных систем (более 100 из них новые). AutoCAD Map 2000 дает наилучшие инструменты  для быстрого и точного скалывания карт с бумажных носителей. Скалывание карт значительно ускоряет перевод бумажных карт в цифровую форму. Программное обеспечение включает мощные средства для формирования запросов, изменения свойств, пространственного анализа и отличное управление выводом на печать.

Комплекс CREDO предназначен для обработки материалов изысканий, проектирования объектов промышленного, гражданского и транспортного строительства, разведки, добычи и транспортировки нефти и газа, создания и ведения крупномасштабных цифровых планов городов и промышленных предприятий, подготовки данных для землеустройства, решения многих других инженерных задач.

На сегодняшний день основными программными продуктами компании MapInfo являются: