1.3.2 Аппаратные средства гис.

Технология создания ГИС продукции включает в себя этапы ввода информации, обработки, редактирования и вывода. Таким образом ГИС можно разбить на три подсистемы: ввод, редактирование, вывод.

Подсистемы ввода, редактирования и вывода в свою очередь включают в себя обеспечивающие подсистемы техническую, программную, математическую, информационную и лингвистическую.

Методы, обеспечивающие функционирование ГИС, можно сгруппировать по видам обеспечения.

Техническое обеспечение ГИС представляет собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, предназначенных для обработки данных, подготовки и ввода данных, отображения и документирования, архивирования данных и передачи их по сетям.

Настоящий момент времени характеризуется бурным развитием вычислительной техники и программных средств. Сегодня в мире производится огромное количество различных видов ЭВМ, которые отличаются друг от друга производительностью, емкостью оперативной памяти, разрядностью обрабатываемых машинных слов, архитектурой, назначением и т.д.

В зависимости от производительности принято различать следующие классы ЭВМ: микро-ЭВМ, мини-ЭВМ, супермини-ЭВМ, средней производительности, высокой производительности, супер-ЭВМ, персональные ЭВМ и графические станции.

Микро- и мини-ЭВМ можно использовать для проведения несложных расчетов. Супермини-ЭВМ, средней производительности и высокой производительности используются для создания автоматизированных рабочих мест картографа и для различных подсистем ГИС. Супер-ЭВМ используются в области обработки изображений, в задачах большой вычислительной сложности, в качестве серверов для создания сетей. Персональные ЭВМ используются для формирования настольных ГИС. Для создания крупных геоинформационных систем используются станции.

Для работы с картами необходимо использовать различные устройства ввода и вывода. К устройствам ввода относятся: мышь, планшет, устройства ввода графической информации, позволяющие вводить точки и линии полуавтоматическим способом, сканеры.

Устройствами вывода могут быть мониторы, принтеры, графопостроители, телевизоры вместе с устройствами сопряжения с ПК, проекционные системы отображения интеллектуально-копировальные аппараты. Основными показателями монитора является размер экрана и размер зерна. Промышленность в настоящее время выпускает мониторы с размером экрана 14,15,17,20 и 21 дюйм по диагонали. Размер зерна может иметь значение от 0.39 до 0.25 мм.

Существует три основных вида принтеров: матричные, струйные и лазерные. Изображение на матричных принтерах состоит из точек, которые образуются на бумаге в результате удара стержня по бумаге через красящую ленту. В струйных принтерах изображение формируется микрокаплями специальных чернил, выдуваемых на бумагу при помощи сопел. В лазерных принтерах изображение переносится на бумагу со специального барабана, к которому электрически притягиваются частички краски.

Для построения широкоформатных карт формата А1 и АО используются плоттеры. Плоттеры наносят изображение на ватман, кальку или пленку при помощи пера или резца. Размер изображения может достигать до трех метров.

Для проведения конференций применяются телевизоры с большим экраном, достигающим до трех метров по диагонали, с устройствами сопряжения и проекционные системы отображения. Для сопряжения телевизора с компьютером применяются TV-конвекторы, видеобластеры, монтажное оборудование.

В проекционных системах отображения используются различная технология. TFT-технология предполагает использование «активной матрицы», которая отличается высококачественной передачей цвета. DMP/DLP-технология основана на использовании тысяч электронно-управляемых микроскопических зеркал на полупроводниковой микросхеме, что обеспечивает отсутствие пиксельной структуры, равномерность и яркость изображения. Полисиликоновая технология основана на использовании трех матриц, соответствующих трем компонентам света: красный, зеленый, синий.

Интеллектуально-копировальные аппараты используются для создания настольных издательских систем.

Математическое обеспечение ГИС объединяет в себе математические модели формирования цифровых карт, в первую очередь формирование математической основы карты. Сюда относятся также инвариантные элементы, применяемые в различных автоматизированных системах. Это методы построения функциональных моделей, методы численного решения алгебраических и дифференциальных уравнений, поиска минимумов и максимумов и т.д. К области математического обеспечения можно также отнести математические модели распознавания и генерализации картографической информации.

Программное обеспечение ГИС объединяет совокупность программ, выполняющих функции ГИС. Программное обеспечение (ПО) делится на общесистемное, базовое и прикладное. Общесистемное ПО предназначено для организации функционирования технических средств. В ПК и станциях — это операционные системы MS-DOS и UNIX, операционные оболочки Norton Commander, WINDOWS и PC TOOLS. К базовому ПО относят программы, обеспечивающие правильное функционирование прикладных программ.

Основным базовым обеспечением для ГИС является программное обеспечение машинной графики. В прикладном ПО реализуется математическое обеспечение для непосредственного обеспечения функций ГИС. Сюда относятся пакеты прикладных программ обработки аэрофотоснимков, расчетов трехмерных объектов, прокладка коммуникаций и т.д.

Информационное обеспечение ГИС объединяет геоинформационные и тематические данные и включает в себя базы данных, экспертные системы и базы правил. Совокупность программных средств, обеспечивающих функционирование базы данных, называется системой управления базой данных(СУБД). СУБД бывают реляционного, иерархического и сетевого типа. В ГИС чаще всего используются реляционные базы данных DIBASE и SQL, хотя иерархические базы данных использовать предпочтительней. Для эффективного поиска информации об картографических объектах необходима их структурирование. Для этого разработана Единая система кодов и классификации картографической информации (ЕСККИ). Формы описания этой системы различны (текстовый, табличный и т.д.).

Лингвистическое обеспечение ГИС представлено совокупностью языков, используемых в ГИС для описания КИ, процесса и средств формирования цифровых и электронных карт, при помощи которой происходит общение в человеко-машинных системах. Языки, используемые в ГИС, подразбиваются на языки программирования и языки проектирования. Последние разбиваются на входные, выходные, внутренние, сопровождения, промежуточные. В качестве входных языков проектирования в ГИС применяются специально сформированная, адаптированная для ввода система МОКУЗ. Внутримашинный язык цифровой карты может быть представлен в одной из форм, удобной для работы ЭВМ. Такими формами являются формальные грамматики, структуры, иерархические деревья, графы, сети, польская инверсная запись и т.д. Для описания КИ мы выбрали способ создания формальных грамматик с правилами описания в виде БНФ. В качестве выходного языка мы разработали библиотеку МОКУЗ в растровой и векторной форме.

1.3.3 ГИС-оболочка. Виды прикладного базового ПО, используемого в ГИС.

ГИС оболочка, обеспечивает ввод и отображение пространственной информации, пространственные запросы, имеет связь с тематическими данными по объектам культурного наследия и нормативными документами через единый идентификатор. Обеспечивает возможность работы с семантической информацией.

Архив долгосрочного хранения – набор данных в электронном виде, хранимых на различных устройствах массовой памяти на сменных носителях. Долгосрочный архив включает в себя всю имеющуюся информацию по ОКН в полном объеме.

Оперативный электронный архив, представляющий собой информационно-поисковую систему содержит базу данных по документальным фондам и их краткое описание, позволяет проводить поиск данных об объектах охраны, получать ссылки на соответствующие носители из электронной библиотеки, выводить и распечатывать учетные паспорта и карточки.

Подсистема документооборота Министерства культуры по функциональным возможностям соответствует системе документооборота.

ГИС оболочка объединяет все составные части и выполняет функцию интеграции модулей. Архитектура системы показана ниже.

Классификация обеспечивающих подсистем ГИС.

Программное обеспечение ГИС можно разбить на следующие категории:

• инструментальные ГИС — системы с наиболее широкими возможностями, включающие ввод, хранение, сложные запросы, пространственный анализ, вывод твердых копий;

• ГИС-вьюеры предназначены для просмотра введенной ранее и структурированной информации;

• векторизаторы растровых картографических изображений предназначены для реализации процедур ввода пространственной информации со сканера, включают полуавтоматические средства преобразования растровых изображений в векторную информацию;

• специализированные средства пространственного моделирования включают системы, оперирующие с пространственной трехмерной информацией;

• средства обработки и дешифрирования данных дистанционного зондирования предназначены для обработки цифровых изображений земной поверхности, полученных методами аэрофото- и космической съемки.

Инструментальные ГИС делятся на универсальные и специализированные, профессиональные и настольные.

К универсальным профессиональным ГИС относят наиболее крупные инструментально-программные комплексы, которые включают специальные графические станции, мощные устройства ввода и вывода, большой набор программных модулей для различных приложений. К таким ГИС традиционно относят InterGraph, Arclnfo.

Следующей группой ГИС являются универсальные настольные ГИС. Эти ГИС обычно работают на персональных компьютерах фирмы IBM, состоят из графического редактора, базы данных, средств для программирования приложений. К таким ГИС относятся; Maplnfo, Wingis, GeoDraw. Если сравнивать первые два пакета то первый больше ориентирован на мелкомасштабные карты (он имеет большое количество географических проекций), а второй — на крупномасштабные карты (имеет средства точного позиционирования).

Специализированные ГИС ориентируются на создание только одной группы карт. Так специализированной кадастровой ГИС является система CADdy. ГИС «Панорама» специализируется на работе с топографическими картами среднего масштаба.

В Российской Федерации для создания электронных карт и геоинформационных систем используются следующие инструментально-программные комплексы: система ПАНОРАМА, разработанная в 29 НИИ Министерства обороны РФ, система РАСТР, системы INTEGRAPH, ARCINFO, WINGIS, MAPINFO, AVTOCAD, MICRO-STATION, FREEHAND и др.

Система ПАНОРАМА предназначена для решения на базе IBM-совместимых ПК следующих задач:

• создание, отображение и редактирование ЭК по исходным картографическим материалам;

• сшивка различных (до 255) номенклатурных листов, содержащих до 255 слоев, до 65535 видов объектов и до 65535 видов характеристик объектов;

• представление картографической информации при помощи библиотеки условных картографических знаков;

• нанесение оперативной обстановки пользователем на карте ее сохранение, отображение и редактирование;

• выполнение расчетных операций.

Для решения задач анализа видеоданных авторами системы РАСТР предложен комбинаторно-геометрический подход. При этом весь сложный комплекс задач, связанный с анализом видеоданных, рассматривается с единой точки зрения построения иерархии взаимосвязанных математических моделей описания, представления (структур данных) и принятия решений, нижний уровень которой обрабатывает информацию со сканирующего устройства ввода, а верхний уровень соответствует описанию в терминах пользователя.

В системе РАСТР были использованы математические модели нижних уровней иерархии для описания изображений, в которых изображения представляются в виде совокупности линий, контуров и точек.

В системе WINGIS оцифровываются любые графические объекты, обеспечивается построение сложных изображений, изображение связываются с базой данных и выводятся по запросам на экран дисплея или на графопостроитель (принтер). В совокупности программные средства поддержки многооконного интерфейса, обработки векторной и растровой информации, ее отображения позволяют создавать цифровые и электронные карты.

Геоинформационная система WINGIS объединяет в себе базу данных и графический редактор. База данных основана на реляционной системе управления базами данных SQL. Структура данных представляет собой набор таблиц, состоящих из строк и столбцов. В системе реализованы механизмы получения данных из других реляционных баз данных (например, DBASE III). Данные могут был получены путем подсоединения к локальной или глобальной сети.

Оцифровка графических объектов возможна полуавтоматическим способом при помощи цифрователя, а также по сосканированому изображению, которое используется в качестве подложки.

В системе WINGIS предусмотрены специальные функции над объектами: поиск в окрестностях полигонов и внутри заданного радиуса, автоматическое создание параллельных полилиний, разделение сложных графических объектов на простые линии и точки, объединение векторных полигонов, автоматическое создание сеток, автоматическая математическая привязка после оцифровки и т.д.

Анализ системы WINGIS позволяет сделать вывод, что она является оптимальной при создании небольших настольных ГИС. Эффективные функции работы с растровыми изображениями, которые имеются в системе, позволяют ее использовать для обработки аэрофотоснимков и больших растровых изображений.

Система Maplnfо является настольной картографической системой, то есть не требует никаких дополнительных технических средств кроме стандартного компьютера фирмы IBM. Реляционная база данных текстовой информации совместима с базами данных SQL, DBASE, Exel, Lotus. Графическая база данных допускает обмен информацией через формат DXF.

Система поддерживает концепцию слоев. С каждым слоем в MAPINFO связана табличка в реляционной базе данных. Система имеет механизм перевода данных в различные системы координат, позволяет вычислять расстояния, площади, строить графики, гистограммы, производить выборку данных по комплексному запросу.

Система ARC/INFO используется во многих областях геоинформатики, в том числе: управление землями и строительство, районирование, планирование водных бассейнов и водоснабжения, топография, изучение почвенных карт, управление налогооблажением территорий, лесное хозяйство, анализ преступности по районам, демографический анализ территорий.

ARC/INFO — система, позволяющая работать с любыми видами информации, имеющей пространственный аспект, т.е. «привязку» к территории. С помощью ARC/INFO можно легко получить в цифровой форме карту, схему, видеоизображение или рисунок, ввести табличные, статистические и другие тематические данные. ARC/INFO позволяет работать с серией карт, накладывать одну карту на другую и проводить их сопряженный анализ, создавать «твердые» копии необходимых карт, схем и других графических материалов.

Средство системы ARC/INFO ОВЕРЛЕЙ предоставляет возможность анализировать и манипулировать географической информацией, включающей пересечение полигонов, линий и точек в пересекающихся полигонах, и другую топологическую информацию. Полигон средства ОВЕРЛЕЙ вычисляется путем слияния полигонов из двух различных числовых слоев и составляет новый числовой слой.

Средство ОВЕРЛЕЙ предоставляет возможность объединения и пересечения полигонов, а также выполняет операцию наложения с любым набором слоев числовых полигонов.

MicroStation/J был разработан специально для профессиональных инженеров работающих над проектами самого различного содержания и назначения — от механических конструкций до архитектуры и ГИС.

Microstation/J поддерживает коллективную работу над проектом через локальные сети и Интернет на всех этапах цикла разработки, от создания общей схемы проекта до оформления технической документации на готовое изделие либо план. Включает средства для высокопроизводительной 2D и 3D графики, моделирования физических свойств механических узлов, фотореалистичного рендеринга и анимации. Пакет включает Java Virtual Machine, что позволяет использовать дополнительные возможности программирования на Java для создания таких компонентов как ProjectBank, Engineering Component Modeling, project servers and transaction management.

Для создания топографических карт используется система CADdy. В базовый пакет системы входит графический редактор, функции создания библиотек условных знаков и шрифтов, СУБД, работающая в формате DBF. CADdy имеет средства прямого преобразования геодезических измерений, в том числе с использованием электронных геодезических приборов. База данных поддерживает импорт из форматов DXF, IGES, SICAD и др.

Пакет GeoDraw центра геоинформационных технологий Института Географии РАН создан для цифрования и редактирования карт и планов. Пакет имеет около 40 распространенных в РФ картографических проекций и позволяет цифрование карт по подложке (растрового изображения сосканированного с карты при помощи сканера), ввод картографических объектов, редактирование введенного изображения, создание реляционных баз данных тематической информации. Пакет осуществляет экспорт и импорт цифровых карт в форматы ARC/INFO, MAPINFO, AutoCAD и др.