2.3. Структура геоинформационных систем

В литературных источниках встречаются различные модели, определяющие составные части ГИС. С точки зрения информати­ки любую информационную систему можно представить как четырехкомпонентную модель, которая включает:

аппаратное обеспечение (весь комплекс технических средств — процессоры, периферия и др.);

программное обеспечение (методы и средства, обеспечиваю­щие функции хранения, анализа и предоставления данных);

данные (качественные и количественные характеристики ис­следуемого объекта или явления);

пользователей системы.

Более устойчива модель ГИС, в основу которой положен функ­циональный принцип. Основные компоненты (подсистемы) та­кой системы:

подсистема ввода и преобразования данных;

подсистема обработки и анализа данных;

подсистема хранения данных;

база данных (БД);

система управления базой данных (СУБД);

подсистема вывода (визуализации) данных;

подсистема предоставления информации;

пользовательский интерфейс (рис. 2.2).

Каждая из подсистем выполняет определенные функции, и от­сутствие хотя бы одной из них свидетельствует о неполноценнос­ти ГИС-системы.

Ядром каждой информационной системы (и ГИС в том числе) является база данных, под которой понимают поименованную со­вокупность данных, отображающую состояние объекта, его свой­ства и взаимоотношения с другими объектами, а также комплекс технических и программных средств для ведения этих баз данных.

формирование структуры ГИС начинается с формирования баз данных, основанных на территориальной (географической) при­вязке данных, поскольку все ГИС-системы имеют дело только с пространственно-координированными данными. Территориаль­ная упорядоченность сведений важна не только с точки зрения унификации их сбора, но и установления оптимального соот­ветствия размерам исследуемых систем. Наряду с данными, приуроченными к точкам и линиям поточечно фиксируемыми координатами, иногда их привязывают к границам администра­тивно-территориальных образований или природных контуров, например гидрографической сети, элементам рельефа местнос­ти и т. д.

База данных ГИС включает графические и атрибутивные дан­ные, которые могут храниться вместе или отдельно.

Рис. 2.2 Структура географической информационной системы

Подсистема ввода и преобразования данных. Основная функциональная задача этой подсистемы — создание целостного информа­ционного цифрового образа исследуемого объекта или явления на основе преобразования графической информации в цифровой вид и ввода ее в компьютер.

Источниками данных могут быть бумажные и цифровые карты, различные геодезические приборы, аэрофото- и космические снимки (обработанные на специализированных рабочих станци­ях). Такая информация может быть введена с клавиатуры, с помощью сканера или получена из другой компьютерной системы. Как отмечалось ранее, большие потенциальные возможности для сбо­ра данных в ГИС открывает GPS (Global Positioning System)-технология, предназначенная для сбора высокоточной цифровой ин­формации о местности, фактических топографических данных (географических координат и отметки высоты рельефа в данной точке местности), при которой точность измерений достигает не­скольких сантиметров.

Наиболее распространены три способа преобразования графи­ческой информации в цифровую форму: точечный, линейный и сканирование. При точечном способе используют устройства, которые в литературе называют по-разному: кодировочный планшет, цифрователь, кодировщик, дигитайзер (от англ. digit —циф­ра), а сам процесс — дигитализацией (цифрованием). При ручном или линейном способе дигитализации потребитель имеет возмож­ность предварительно отсортировывать информацию, вести обра­ботку разнообразных планов, карт и чертежей без специальной их подготовки.

Сканер и дигитайзер — средства ввода исходной графической (картографической) информации в ЭВМ. Принтер и плоттер обеспечивают вывод информации из ЭВМ, документирование ре­зультатов выполнения процессов в ГИС (изготовление оригина­лов карт).

Одна из проблем — возможность импорта цифровых данных от различных источников в подсистемы сбора и ввода данных. По­этому ГИС должна иметь программные средства разработки ин­терфейсов для ввода данных различных форматов. Создание норм по стандартизации и унификации форматов данных, цифровых моделей местности, картографических документов, интерфейсов имеет решающее значение для успешной реализации подсистемы ввода данных ГИС.

Подсистемы обработки и анализа ГИС. В их задачи входит вы­полнение процедур обработки данных, манипулирования про­странственными и семантическими данными, осуществляемых при отработке пользовательских запросов. К наиболее важным от­носят операции, обеспечивающие выбор и внесение данных в па­мять машины, а также все аналитические операции, которые происходят при решении задачи: поиск данных в памяти; уста­новление размерности отдельных исследуемых областей; прове­дение логических операций над данными территориальных еди­ниц исследуемого региона; статистические расчеты; специаль­ные математические расчеты в соответствии с требованиями пользователя.

Под техническим обеспечением ГИС понимают комплекс аппа­ратных средств, применяемых при ее функционировании: ЭВМ, устройства ввода-вывода информации, ее хранения и выдачи, [средства телекоммуникаций. Исходя из современного уровня развития средств вычислительной техники, машинной графики и архивного хранения, в состав типового комплекса технических средств ГИС включены:

рабочая станция или профессиональная персональная ЭВМ (ППЭВМ);

видеотерминал (дисплей);

накопители на гибких и жестких магнитных дисках;

накопитель на оптических дисках;

сканер и/или дигитайзер (цифрователь планшетного типа);

принтер/плоттер.

Рабочая станция или ППЭВМ предназначена для управления работой ГИС, а также для выполнения ряда технологических процессов, основанных на вычислительных или логических опе­рациях. Видеотерминал необходим для реализации визуального интерфейса с оператором, используют его при выполнении про­цессов контроля цифровой картографической информации (ЦКИ) и ее интерактивной обработки по запросам. Накопители на жестких и магнитных дисках предназначены для формирова­ния промежуточных массивов ЦКИ в процессах их обработки. Накопители на гибких магнитных дисках предназначены для временного хранения информации, а также для обмена инфор­мацией. Накопитель на оптических дисках является средством архивации, а сами оптические диски — средством архивного хра­нения. Пока это самое надежное и эффективное средство для хранения и распространения картографической информации в цифровой форме.

ГИС должна обладать большим набором средств анализа про­странственных данных, возможностью их расширения и допол­нения, полного или частичного их использования при решении конкретной задачи в рамках ГИС-технологии. Анализ данных позволяет получить новую информацию из существующей базы Данных.

Подсистема вывода (визуализации) данных. Она служит для вы­вода изображений на экран монитора или печатающие устрой­ства, что позволяет выполнять следующие действия: создание ди­аграмм; вывод статистических данных; создание картографичес­кой продукции; совмещение этих результатов в отчетах и т. д.

Первые попытки вывести изображение при помощи ЭВМ на каком-либо автоматическом устройстве были предприняты тогда, когда класс больших ЭВМ стали снабжать быстродействующими алфавитно-цифровыми печатающими устройствами (АЦПУ). Та­кое устройство, как и обычная пишущая машинка, печатало лите­рами букв, поэтому для того, чтобы получить изображение на пе­чатающем устройстве, необходимо закодировать рисунок и для более темных мест на изображении подобрать более темные надписи, для более светлых — светлые надписи или служебные знаки. В результате получались схематические чертежи. Позже для клас­са средних и малых ЭВМ стали выпускать печатающие устройства, в которых буквы и цифры набирались из несколько рядов мелких точек, образуя некоторое подобие матрицы.

В большинстве случаев принтеры используют при выводе ма­лоформатной документации (текстовые документы, небольшие одноцветные чертежи, схемы).

Для вывода широкоформатных чертежей в цвете широко ис­пользуют устройства, получившие название плоттеров (от англ. Blot- наносить на карту). По принципу построения изображения различают векторные (перьевые) и растровые плоттеры. Из-за низкой производительности векторных плоттеров (динамические характеристики которых достигли своего предела) практически все известные фирмы прекратили их производство. Тем не менее этот тип плоттеров не потерял свою актуальность в высокоточном производстве (точностные характеристики выше, чем в растровых плоттерах). Среди растровых технологий (электростатических, ла­зерных, термотехнологий) особо выделяются плоттеры со струй­ной технологией печати. При выводе чертежей, карт, схем повы­шенной сложности, насыщенных цветными элементами, струй­ные плоттеры намного эффективнее растровых.

Подсистема предоставления информации. Она предназначена для оперативного предоставления данных по запросам пользова­телей ГИС. Проблема выбора языка запросов в последние годы — одна из самых актуальных. В данной подсистеме также определя­ются условия и режимы предоставления информации по запросам пользователей, осуществляется защита от несанкционированного доступа.

Пользовательский интерфейс. Он должен отвечать требованиям физического и психологического комфорта пользователя, быть эффективным, быстродействующим, обладать возможностями адаптации для конкретного пользователя, сочетать возможности интерактивного ввода, текстовых и графических меню. Пользова­тельский интерфейс должен обеспечить многооконное отображе­ние графических данных с возможностью открытия неограничен­ного числа окон, связывать с окнами как различные изображения, так и фрагменты одного и того же изображения, представленные в разных масштабах. Эффективность и быстродействие пользова­тельского интерфейса должны обеспечиваться за счет максималь­ного использования возможностей, предоставляемых аппаратным обеспечением (пространственное и цветовое разрешение графи­ческих адаптеров, графические сопроцессоры) и системным про­граммным обеспечением (многооконные графические среды, ин­тегрированные оболочки программирования). Пользовательский интерфейс должен иметь доступ к встроенной и развитой системе помощи.

Подсистема хранения данных. Она служит для организации хра­нения и обновления баз данных с помощью систем управления ими.

Для работы с файлами баз данных необходима система управ­ления базой данных — один из основных компонентов ГИС, в значительной степени определяющий эффективность работы ГИС. СУБД ГИС осуществляет автоматический поиск в базе данных информации, необходимой для обработки пользовательских запросов. Возможности СУБД, а также структура базы данных и объем содержащейся в ней информации фактически определяют уровень сложности пользовательских запросов, которые система может обработать.

Различная природа пространственных (графических) и атрибу­тивных данных определяет проблему управления этими данными. В современных ГИС решения ее различны, при этом каждый из подходов имеет свои достоинства и недостатки.

Большинство современных ГИС имеет две отдельные СУБД для графических и семантических (атрибутивных) данных. СУБД семантических данных должна иметь интерфейс с СУБД графи­ческих (картографических) данных, которая должна обеспечить: хранение и манипулирование точечными, линейными и площад­ными графическими объектами; многоуровневое (послойное) представление графических данных; произвольную выборку и отображение любых фрагментов графических изображений. Такой подход имеет ряд недостатков: необходимость назначения тополо­гических связей между графическими объектами и их семантичес­кими описаниями; недостаточную гибкость табличной организа­ции семантических данных; неспособность распознавать иерархи­ческие отношения классов объектов. Кроме того, СУБД простран­ственных и атрибутивных данных целиком совмещена, это затрудняет манипулирование атрибутивными данными, посколь­ку их структура нереляционная. Указанные недостатки можно ус­транить, применив объектно-ориентированный подход при про­ектировании базы данных ГИС.

При выборе СУБД руководствуются следующими требовани­ями:

возможность оперировать данными разного типа;

наличие языка запросов высокого уровня;

хранение данных в одном из стандартных форматов или нали­чие конвектора для соответствующих преобразований;

наличие возможностей работы в сетях;

наличие возможности обработки больших объемов информа­ции;

наличие системы разграничения доступа к информации;

наличие системы разграничений по функциям обработки ин­формации;

наличие системы защиты данных от потерь из-за технических сбоев.

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте определение географических информационных сетей (ГИС) 2 Что является предметом ГИС? 3. Перечислите основных потребителей геоинформации. 4. Перечислите основные функции ГИС. 5. Что представляет собой ГИС в научном, техническом и производственном аспектах? 6 Какие типы данных составляют базу данных? 7. В чем заключается значение ГИС? 8. Перечислите ос­новные принципы функционирования ГИС. 9. Дайте характеристику основных этапов развития ГИС. 10 Какова классификация ГИС? 11. Перечислите основные компоненты ГИС.