Дисциплины «Введение в гис», Картографирование в гис», «Применение гис для изучения окружающей среды», «Географическая визуализация»

Вопрос 1. Понятие об информационных и информационно-поисковых системах, географических информационных системах (ГИС). Место ГИС в системе наук. Классификация ГИС по территориальному охвату, по целям, по тематике. Структура ГИС. История развития ГИС. Основные черты развития ГИС в России.

ГИС – аппаратно-программный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных, интеграцию данных информации и знаний о территории для их эффективного использования при решении научных и прикладных задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением окружающей средой и территориальной организацией общества.

Место ГИС в системе наук

В геоинформатике принято различать три разные направления:

1. Наука

2. Технология

3. Производственная деятельность по научному обоснованию, проектированию, созданию, эксплуатации и использованию географических информационных систем, по разработке геоинформационных технологий, по приложению ГИС для практических или научных целей.

По тесноте связи, уровню взаимодействия, методической и технологической близости и возможностям интеграции ближайшее окружение геоинформатики образуют картография и дистанционное (аэрокосмическое) зондирование.

Характер связи трех наук и технологий, следуя А. М. Берлянту [2001], можно представить в виде четырех моделей не только теоретически возможных, но и реально предлагавшихся в разные периоды их совместного параллельного развития и осознания ими своей роли и места в условиях новых информационных технологий

Геоинформационная индустрия состоит из:

Разработки

Продажи и сопровождения программных средств ГИС

Выполнение ГИС-проектов

Разнообразный сервис по внедрению ГИС технологий

Классификация ГИС по основаниям:

По пространственному охвату

Глобальные (планетарные)

Субконтинентальные

Национальные (государственные)

Межнациональные

Региональные

Субрегиональные

Локальные (местные)

По объекту информационного моделирования

Феномены реальности (лес, земля, вода, население, хозяйство)

Процессы (наводнения, загрязнение окружающих сред, миграционные процессы)

Нематериальные объекты (или идеи)

По предметной области информационного моделирования

Природоохранные ГИС

Земельные информационные системы

Муниципальные ГИС

ГИС для целей предотвращения и локализации последствий чрезвычайных ситуаций

и т. д.

По проблемной ориентации

Инвентаризация (кадастр, паспортизация) объектов и ресурсов

Анализ

Оценка

Мониторинг

Управление и планирование

Поддержка принятия решений

По функциональным возможностям

сбор данных

обработка данных

концептуальные и формальные модели анализа данных

процесс принятия решения

По уровню управления

Федерального назначения

Регионального назначения

Специального назначения (конкретные отрасли народного хозяйства)

Структура ГИС.

ГИС, как и любая система, состоит из совокупности элементов, которые объединены в одно целое в интересах достижения поставленной цели. На основании одного из данных ранее определений ГИС, обобщенная схема компонентов геоинформационной системы представляет собой комплекс программных и аппаратных средств, организованных с их помощью данных, конкретных процедур, технологий и интеллектуальных человеческих ресурсов, обеспечивающих его функционирование.

Компонент Базы данных (БД) обеспечивает ГИС информацией. Поскольку реальный мир - очень сложная система, данные собирают при использовании различных фильтров: абстракции или упрощенной модели Реального мира.

Компонент Программные средства обеспечивает пользователя интерфейсом и программами обработки данных. Кроме того, сюда включаются дополнительные программные средства для дос­тупа в Интернет или углубленного статистического анализа данных, офисные программы, системы обработки данных дистанционного зондирования (ДДЗ), системы управления базами данных (СУБД) и пакеты систем автоматического проектирования (САПР).

Компонент Аппаратура представляет собой не только сами компьютеры, но и периферийные устройства, обеспечивающие хранение данных на внешних носителях, ввод и вывод информации в различной форме, а также оборудование компьютерных сетей и средств коммуникации, позволяющее пользователям взаимодействовать друг с другом и обмениваться информацией.

Компонент Пользователи обеспечивает выбор инструментов ввода и вывода данных, анализа и моделирования.

Компонент Процедуры представляет собой ГИС-операции по выполнению упрощений, формированию запросов, проведению анализа, выводу информации на дисплей и т.п.

Поскольку ГИС является разновидностью информационной системы, обработка информации в ней осуществляется в рамках определенного технологического процесса. Данный процесс состоит из конкретных операций. В свою очередь, операции разбиты на три уровня: сбор и ввод информации - I уровень; управление, хранение, обновление, анализ - II уровень; представление информации — III уровень.

Каждая из этих подсистем выполняет определенные функции, и отсутствие хотя бы одной из них говорит о неполноте данной системы:

подсистема ввода служит для преобразования графической и описательной информации в цифровой вид и ввода ее в компьютер;

подсистемы управления служат для организации хранения и обновления информации с помощью соответствующих баз данных и систем управления ими;

подсистема обработки и анализа предназначена для проведения разнообразных операций, направленных на поиск пространственных закономерностей распределения данных и взаимосвязей между объектами;

подсистемы визуализации и вывода служат для визуализации и вывода изображений на экран монитора или печатающие устройства для получения твердых копий.

История развития ГИС.

Первый период под лозунгом «с бору по сосенке» начался в 60-е г. ХХ в.

1963-1971 гг. – создание Канадской ГИС под руководством Р.Томлинсона. Данная система создавалась для анализа данных инвентаризации земель Канады в области рационализации землепользования.

1976 г. – появились работы шведской школы О.Саломонсона и Т.Германсена. Они концентрировались вокруг ГИС земельно-учетной специализации.

Вторая половина 60-х г. - работы Гарвардской лаборатории машинной графики и пространственного анализа. Созданное здесь программное обеспечение стало классическим в сфере автоматизированного картографирования.

Первый и наиболее известный пакет SYМAP позволял создавать общегеографические карты на алфавитно-цифровых печатающих устройствах. Позднее, к концу 60-х годов, с переходом к работам на графопостроителях, SYMAP трансформировалась в CALFORM. К этому же времени были разработаны программы SYМVU (для трехмерных изображений) и GRID (для работ с растровыми ячейками). Этот набор программ в 70-е годы трансфор­мировался в POLYVRT и далее в ODYSSEY - комплексный пакет, базирующийся на векторных данных.

60-е ­начало 70-х годов

Основная функция ГИС состояла во вводе в машинную среду первичных учетных документов для хранения и регулярного обновления данных, обработки данных и вывод итоговых отчетных табличных документов.

Поставлены и решены задачи, образующие ядро геоинформационных технологий: наложение (оверлей) разноименных слоев, генерация буферных зон, полигонов Тиссена и иные операции манипулирования пространственными данными, включая определение принадлежности точки полигону, операции вычислительной геометрии.

Второй период – 70-е г. Период «застоя»

К середине 70-х г., по данным О.Вастессоном, в Швеции шла разработка и эксплуатация 12 информационных систем.

По данным Д. Тейлор в Канаде развитие ГИС делилось на пять стадий иллюстрирующих «в неакадемических терминах и мерах» степень энтузиазма и надежд разработчиков ГИС: сверх энтузиазм первых экспериментов, не подкрепленный реальными возможностями; разочарование от первых неудач; возросшая активность и новые надежды; второй кризис, связанный с трудностями решения некоторых проблем; движение к завершению после их решения.

Для 70-х г. характерно тесное взаимодействие методов и средств геоинформатики с параллельной и ранее независимой линией развития цифровых методов картографирования и автоматизированной картографией. Начало было положено работами Ж. Бертена по печати компьютерных статистических карт на примитивных печатающих устройствах. Считается, что первая автоматизированная картографическая система была создана в Великобритании в Экспериментальной картографической части Королевского колледжа искусств Д. Бикмором в 1964 г.

В России сформировалось новое направление - математико-картографическое моделирование.

Быстрый прогресс геоинформационных и автоматизированных картографических технологий в США . Геологическая служба США и Бюро переписей создала систему, ориентированную на детальную характеристику уличной сети городов и организацию транспортного движения. Создано несколько компьютерных атласов по материалам переписей.

В 1981 г. опубликован трехтомник «Программное обеспечение обработки пространственных данных» под ред. Д. Марбла

Третий период - 80-е г. «Эпоха зрелости»

Эпоха первых комплексных решений, когда отдельные компьютерные программные пакеты по обработке данных, по подготовке текстов или карт трансформируются в единую увязанную систему, способную помочь человеку в принятии решений. Создаются компьютерные локальные и глобальные сети.

Массовое создание ГИС на платформе персональных компьютеров (причем практически исключительно на IВM РС).

Появление наиболее популярного в мире программного обеспечения ARC/INFO (в настоящее время - ArcInfo) в Институте изучения систем окружающей среды (ESRI, Inc, США). Успешное соединение стандартной реляционной системы управления базами данных(INFO) с программой (ARC) и привело к ее созданию. Ее важнейшей особенностью стала независимость от платформ и операционных систем.

Четвертый период - 90-е г. Эпоха Интернет-ГИС

Появились интеллектуальные системы и технологии мультимедиа.

Большинство карт преобразуется в цифровые модели, а их тематические наборы или слои начинают комплексировать в электронные атласы, изготовляемые по индивидуальному «заказу». Традиционными становятся голографические изображения и карты в области «виртуальной реальности».

Интенсивно велись работы в области моделирования.

Очень многочисленными стали примеры интеграции ГИС и Интернет.

Применение ГИС из стадии экспериментов начинает переходить в сферу практического использования по всему фронту научных, практических и управленческих областей.

Обращение к полномасштабным системам поддержки принятия решений.

ГИС в России.

В России геоинформационные проекты делятся на отраслевые и региональные.

Наиболее распространенны в таких отраслях как:

геология

земельный кадастр

лесная отрасль

экология

муниципальное управление

инженерные коммуникации

силовые структуры и т.д.

Региональные геоинформационные проекты.

Региональные геоинформационные проекты в отличие от отраслевых ориентированы на комплексное изучение территорий. Создание региональных ГИС в России в значительной мере связано с реализацией Программы ГИС Органов государственной власти и Комплексного территориального кадастра природных ресурсов.

Разработка основных положений, связанных с реализацией программы ГИС ОГВ, была поручена Госцентру «Природа» - предприятию Федеральной службы геодезии и картографии. В ряде субъектов РФ созданы и функционируют региональные информационно-аналитические центры, оснащенные современными компьютерными технологиями, включая ГИС-технологии.

Основные составные части геоинформационного рынка:

Рынок пространственных данных (цифровые данные геодезических и навигационных измерений, картографические материалы и данные дистанционного зондирования..

Рынок программно-аппаратного обеспечения (программное обеспечение, средства специализированной периферии ввода-вывода пространственных данных, средства геодезических измерений и спутникового позиционирования) .

Рынок профессиональных трудовых ресурсов (организации и специалисты) .

Рынок программно-аппаратного обеспечения.

Главное в изменении тенденций предложения ПО на рынок за последний период:

Рождение новых классов ПО, связанных с развитием средств телекоммуникаций и компьютерной техники. Прежде всего - это ПО ГИС для Интернет и ГИС для карманных персональных компьютеров.

Разработка лидерами мировых поставок геоинформационного ПО целых линеек модулей расширения, позволяющих полностью автоматизировать весь цикл работы с пространственными данными: от первичного полевого измерения до сложнейших задач моделирования и анализа данных.

Интеграция наиболее развитого геоинформационного ПО с СУБД, связанная с огромным объемом данных, необходимых для хранения и обработки в крупных проектах и объектно-ориентированным подходом.

Аппаратное обеспечение рынка можно условно разделить типы:

геодезическое;

навигационное;

компьютерное;

дистанционного зондирования.

Вопрос2. Технологии ввода данных. Структурирование пространственных данных. Модели пространственных данных. Аналого-цифровое преобразование данных. Понятие о базах данных и их разновидностях. Системы управления БД.

Технология ввода данных.

Специальные периферийные устройства, обеспечивающие ввод графической информации:

Дигитайзеры (цифрователи).

Дигитайзер (digitizer, digitiser, tablet, table digitizer, digi­tizer tablet, digital tablet, graphic tablet), цифрователь, графический планшет, графическое устройство ввода данных, графо-повторитель - устройство для ручного цифрования картогра­фической и графической документации в виде множества или последовательности точек, положение которых описывается прямоугольными декартовыми координатами плоскости.

Конструктивно дигитайзер состоит из плоского стола - план­шета (tablet) форматом А4...А0 и съемника информации {курсора для высокоточного или пера для низкоточного съема координат). В раз­личных моделях съемник информации изготавливается в беспроводном или проводном вариантах.

По принципу определения координат дигитайзеры разделяют­ся на сетчато-проводниковые и акустические. Под рабочей поверхно­стью планшета сетчато-проводниковых дигитайзеров, которые под­разделяются на электростатические и электромагнитные, располо­жена сетка взаимно перпендикулярных проволочных или печатных проводников. Расстояние между соседними проводниками составляет 3...6 мм. В электростатических дигитайзерах регистриру­ется локальное изменение электрического потенциала сетки под кур­сором. В электромагнитных - курсор излучает электромагнитные волны, а сетка служит приемником.

В акустических дигитайзерах координаты съемника информа­ции определяются по интервалам времени между возникновением ис­кры на конце пера (искрового датчика) и моментом принятия звукового сигнала. Звуковые сигналы принимаются чувствительными микрофонами, расположенными по краям планшета. Значения времени задержки сигналов пересчитываются в значения координат определенной точки.

Для оценки возможностей дигитайзеров используются характеристики — разрешение и точность. Разрешение дигитайзера - минимальный шаг (инкремент\С которым считываете информация. Разрешение обычно выражается в количестве точек на дюйм (2,54 см) - dpi (dots per inch) m в количестве линий на дюйм - lpi (lines per inch). Следует различать разрешение как характеристику прибора и как программно задаваемый параметр, который является переменной величиной дигитайзера.

Точность дигитайзера — погрешность в определении коор­динат курсора. Эта величина зависит от типа и конструкции диги­тайзера. На нее влияют неточности при изготовлении регистрирую­щей сетки планшета, способность воспроизводить координаты не­подвижного курсора (повторяемость), устойчивость к разным температурным условиям (стабильность), качество курсора, помехо­защищенность и т.д.

Важными параметрами дигитайзера являются также: общие габариты (outside dimension), размер рабочей области (surface sizes, size of active area), устанавливающей размеры чувствительной части поверхности дигитайзера, и скорость обмена (output rate), отражаю­щая реальную скорость передачи координат дигитайзером.

Сканеры.

Сканер (scanner), сканирующее устройство - уст­ройство аналого-цифрового преобразования изображения для его автоматизированного ввода в компьютер в растро­вом формате путем сканирования в отраженном свете с непрозрачного или в проходящем свете с прозрачного оригинала (цветного и (или) монохромного полутонового и штрихового).

Принцип работы сканера заключается в преобразовании све­тового сигнала в электрический. Световой сигнал создается стаби­лизированной газоразрядной лампой, а преобразование осуществля­ется с помощью оптической системы, создаваемой либо на базе при­бора с зарядовой связью (ПЗС) (синоним Charged Coupled Device -CCD) - фоточувствительного кристалла полупроводника, служаще­го для преобразования воспринимаемого изображения в пикселы, либо на базе линейки фотодиодов (ЛФД) (синоним Contact Image Sensor - CTS), которая располагается непосредственно под оригина­лом. Для получения цветного изображения световой сигнал пропус­кается через многослойный набор светофильтров.

По конструктивным особенностям различают планшетные (flatbed scanner), барабанные (drum scanner), роликовые (рулонные, протяжные - sheet-feed scanner), ручные (handheld scanner), проекци­онные и ЗD-сканеры.

Планшетный сканер представляет собой устройство формата А4...А1, в котором сканируемый материал неподвижно размещается на стеклянной поверхности, под которой перемещается подвижная ка­ретка с излучающей газоразрядной лампой и оптической системой.

В барабанных сканерах сканируемое изображение на гибкой основе закрепляется на вращающемся с постоянной скоростью ба­рабане, а оптическая система либо неподвижна, либо перемещается на прецизионной винтовой паре вдоль барабана и в один момент времени сканирует один пиксел изображения.

В роликовых {рулонных или протяжных) сканерах скани­руемый материал протягивается с помощью привода через ролики над неподвижной оптической системой.

Ручной сканер является, по сути, оптической системой планшетного сканера, которую по поверхности оригинала перемещает сам пользователь.

Проекционный сканер работает по принципу цифрового фо­тоаппарата.

ЗD-сканер представляет собой лазер, перемещающийся в вертикальной плоскости и сканирующий плавно вращающийся пространственный объект.

Сканеры характеризуются следующими основными показа­телями: Л разрешающей способностью, Л глубиной цвета, Л диа­пазоном оптических плотностей.

Разрешающая способность, или разрешение сканера (scanner resolution), представляет собой совокупность параметров, характеризующих максимальную точность или степень детальности (минимальный размер деталей изображения) представления ориги­нала в цифровом виде. Разрешение сканера измеряется в пикселах на дюйм (pixels per inch - ppi). Наиболее точно с технической точки зрения разрешающую способность сканера следует измерять в вы­борках на единицу длины оригинала (samples per inch - spi), что бо­лее точно описывает физическую сущность процесса сканирования.

Различают оптическое разрешение, представляющее собой плотность элементов в ПЗС-линейке; механическое разрешение - точность позиционирования каретки с ПЗС-линейкой и интерполя­ционное разрешение - разрешение изображения, полученное в ре­зультате 16-кратного программного увеличения изображения от­сканированного оригинала.

Глубина цвета, или разрядность (size of bit representation), бытность означает, сколько двоичных разрядов (битов) использу­ется сканером для кодирования информации о цвете каждого пик­села изображения.

Структурирование пространственных данных

Пространственные данные (spatial data), геопространственные данные (geographic(al) data, geospatial data, georeferenced data), географические данные, геоданные - цифровые данные о пространственных объектах, включающие сведения об их местоположении, форме и свойствах и пред­ставленные в координатно-временной системе .

Согласно данному определению, структура пространствен­ных данных может быть представлена как совокупность двух взаимосвязанных частей: позиционных, или координатных, данных (spatial data, locational data) и непозиционных, или атрибутивных, данных (aspatial data).

Позиционные (координатные) данные представляют собой ха­рактеристики пространственного объекта, описывающие его место­положение и определяющие геометрические свойства (форму и раз­меры). При этом описание местоположения осуществляется в уста­новленной системе привязки или системе координат в виде последовательности наборов координат точек.

Непозиционные (атрибутивные) данные состоят из набора имен и значений атрибутов пространственного объекта. В ГИС и цифровой картографии атрибутивные данные именуют семантикой. Полное опи­сание атрибутивных данных складывается из взаимосвязанных описа­ний топологических свойств, геометрии, графической атрибутики объ­ектов и семантики, отражающей содержательную часть объекта.

Необходимость учета динамичности, изменчивости данных, их обновления требует, наряду с пространственностью, учета вре­менных аспектов данных (data temporality), что приводит к расши­рению понятия пространственных данных до пространственно-временных данных (spatiotemporal data, spatiotemporal data).

Для обеспечения эффективной работы ГИС к пространст­венным данным предъявляются определенные требования: точ­ность, актуальность, полнота. Точность пространственных данных имеет три аспекта. Пер­вый из них — позиционная точность, с помощью которой оценивается близость к истинным результатам позиционирования объекта в про­странстве. Временная точность отражает близость фиксируемого времени существования объекта к фактическому. Третий аспект - атрибутивная точность представляет собой близость фактических значений атрибутов к истинным значениям.

Постоянное изменение условий существования пространствен­ных объектов приводит к изменению их свойств. В этой связи возника­ет вопрос о возможности применения данных, полученных в конкрет­ный момент времени. Другими словами, речь идет об актуальности пространственных данных (современности, существенности для на­стоящего момента). Неактуальные данные — это устаревшие данные.

В ряде случаев, для решения практических задач, необходимо принимать во внимание степень достаточности сведений, т.е. полноту пространственных данных. Когда данных достаточно, нет необходимо­сти проводить их дополнительный сбор.

Основными источниками пространственных данных в ГИС яв­ляются цифровые топографические и тематические карты, данные дис­танционного зондирования Земли, данные систем спутникового пози­ционирования GPS и ГЛОНАСС. Для крупномасштабных приложений используются геодезические данные, получаемые с помощью цифро­вой (электронной) аппаратуры и приборов для геодезических измере­ний. Кроме того, в ГИС используются данные земельного, градострои­тельного, водного и иных государственных кадастров, а также данные органов государственной статистики и т.п.

Функции технологической схемы ввода, обработки и вывода данных в ГИС:

1. Ввод и редактирование данных.

Сюда входит аналого-цифровое преобразование данных, в том числе методы и технологии цифрования картографических источников с помощью цифрователей (дигитайзеров) с ручным обводом или путем сканирования аналоговых оригиналов с последующей векторизацией, а также импорт готовых цифровых данных, контроль ошибок цифрования, топологической и геометрической корректности и общая оценка качества получаемой цифровой модели.

2. Поддержка моделей пространственных данных.

Полученная цифровая модель может существовать, храниться и обрабатываться в рамках определенных моделей (представлений); к ним относят растровую, векторную, квадротомическую и иные двух- и трех­мерные модели данных, которым соответствуют некоторые форматы данных.

3. Хранение данных.

Проектирование и ведение БД атрибутивной информации ГИС, поддержка функций систем управления базами данных, включая ввод, хранение, манипулирование, обработку запросов, поиск, выборку, сортировку, обновление, сохранение целостности, защиту данных и создание базы метаданных в рамках основных моделей организации данных БД: иерархической, сетевой и реляционной, реализация геореляционного и объектно-ориентированного подходов к БД ГИС.

4. Преобразование систем координат и трансформация картографических nроекций. Наиболее распространенные задачи - переход от условных декартовых прямоугольных координат источника в географические координаты, пересчет координат пространственных объектов из одной картографической проекции в другую, эластичные преобразования растровых изображений по сети опорных точек.

5. Растрово-векторные операции.

Обслуживают возможности совместного использования двух моделей пространственных данных - растровой и векторной, экспорт и импорт в среду других программных продуктов, ввод или вывод данных. Автоматическое или полуавтоматическое преобразование (конвертирование) растрового представления пространственных объектов в векторное (векторизация), векторного в растровое (растеризацuя) и графическое совмещение растровых и векторных слоев данных.

6. Измерительные операции и операции аналитической (координатной) геометрии.

Вычисление длин отрезков прямых и кривых линий, площадей, периметров, объемов, характеристик форм объектов и т. п., автоматизация обработки данных геодезических измерений.

7. Полигональные операции.

Включают определение принадлежности точки полигону, линии полигона, наложение полигонов (топологический оверлей), уничтожение границ и слияние полигонов, индикацию и удаление паразитных полигонов.

8. Пространственно-аналитические операции (операции пространственного анализа).

Одна из базовых функциональных групп ГИС, включающая анализ близости (окрестности), расчет и анализ зон видимocти/нeвидимocти, анализ сетей (сетевой анализ), расчет и построение буферных зон (буферизация).

9. Пространственное моделирование (геомоделирование).

Построение и использование моделей пространственных объектов, их взаимосвязей и динамики процессов (математико-статистический анализ пространственных размещений и временных рядов, межслойный корреляционный анализ взаимосвязей разнотипных объектов и т. п.) средствами встроенных функций пространственного моделирования или путем создания интерфейса с моделями вне среды ГИС.

10. Цифровое моделирование рельефа и анализ поверхностей.

Создание и обработка цифровых моделей рельефа, расчет производных морфометрических характеристик (углов наклона, экспозиции и формы склонов), построение трехмерных изображений местности, профилей поперечного сечения, вычисление объемов, генерация линий сети тальвегов и водоразделов и иных особых точек и линий рельефа, интерполяция высот, построение изолиний по множеству значений высот, автоматизация аналитической отмывки рельефа, цифровое ортотрансформирование изображений, моделирование трехмерных объектов.

11. Вывод данных.

Генерация отчетов, документирование результатов в текстовой, графической (в том числе картографической), табличной формах с использованием различных графических периферийных устройств (принтеров, графопостроителей и т. п.), экспорт данных.

Модели пространственных данных:

Объектом информационного моделирования в ГИС является пространственный объект. Он может быть определен как цифровое представление (модель) объекта реальности (местности), содержащее его местоуказание и набор свойств (характеристик, атрибутов), или сам этот объект.

Некоторое множество цифровых данных о пространственных объектах образует пространственные данные. Они состоят из двух взаимосвязанных частей: позиционной (тополого-геометрической) и непозиционной (атрибутивной) составляющих, которые образуют описание пространственного положения и тематического содержания данных.

Набор базовых моделей пространственных данных, используемых для описания объектов размерности не более двух:

растровая модель;

регулярно-ячеистая (матричная) модель;

квадротомическая модель (квадродерево, дерево квадратов, квадрантное дерево, Q-дерево, 4-дерево);

векторная модель: векторная топологическая модель; векторная нетопологическая модель.

Растровая модель данных. Модель данных, именуемая растровой, имеет аналогии в компьютерной графике, где растр - прямоугольная решетка - разбивает изображение на составные однородные далее неделимые части, называемые пикселами (элемент изображения), каждому из которых поставлен в соответствие некоторый код, обычно идентифицирующий цвет в той или иной системе цветов (цветовой модели).

Регулярно-ячеистая модель данных: Единицей данных при их описании служит элемент «разбиения» территории - регулярная пространственная ячейка (территориальная ячейка) правильной геометрической формы.

Квадротомическая модель данных: В основе лежит разбиение территории или изображения на вложенные друг в друга пикселы или регулярные ячейки с образованием иерархической древовидной структуры.

Векторные модели данных: Используются для цифрового представления точечных, линейных и площадных объектов с помощью устройств ввода векторного типа - дигитайзеров (цифрователей).

Типы:

векторные топологические;

векторные нетопологические.

Аналого-цифровое преобразование данных:

Цифровые карты-основы (ЦКО) могут готовиться в разных форматах, в которых реализованы различные модели данных: векторная, растровая.

ЦКО в векторном формате - создают по технологии цифрования с помощью дигитайзера с ручным обводом или сканированием оригиналов с последующей векторизацией, используя программные средства - векторизаторы.

Растровая ЦКО - создается сканированием топокарт.

Процесс аналога-цифрового преобразования данных состоит из трех крупных блоков:

цифрование;

обеспечение качества оцифрованных материалов;

интеграция разнородных цифровых материалов.

Цифрование – перевод исходных картографических материалов на твердой основе (бумага, пластик и т.д.) в цифровую форму.

Перевод осуществляется двумя способами:

путем векторизации растра;

дигитайзерным вводом.

Интеграция разнородных цифровых материалов для создания единой картографической основы:

Единая цифровая картографическая основа (ЕКО) – это комплексная система цифровых картографических материалов, согласованных по территориальному охвату, содержанию, формату, масштабам, системам условных знаков, классификаторам.

Основой для интеграции данных должна служить базовая карта или система карт.

После выполнения необходимых действий в соответствии с технологией использования разнородных картографических материалов, формируется «первичная» ЕКО, представляющая собой набор разнородных цифровых картографических данных, оптимальным и корректным образом приведенных к единой системе координат.

ЕКО, как и исходные картографические материалы, использующиеся для ее создания, должна отвечать определенным требованиям:

исходные картографические материалы должны быть оптимальным и корректным образом приведены к единой системе координат - создана «первичная» ЕКО;

должно быть произведено составление «первичной» ЕКО и создание результирующей ЕКО. Основной задачей составления является согласование элементов содержания ЕКО.

Понятие о базах данных и их разновидностях.

Совокупность цифровых данных о пространственных объектах образует множество пространственных данных и составляет содержание баз географических данных, определяет принципы построения информационного обеспечения ГИС.

Выявление географических объектов и явлений и последующий выбор представления данных о них являются составной частью процесса, именуемого проектированием базы данных (БД).

Проектирование базы данных

Концептуальный уровень включает: описание и определение рассматриваемых объектов; установление способа представления географических объектов в базе данных; выбор базовых типов пространственных объектов - точки, линии, ячейки растра; решение вопроса о способе представления размерности и взаимосвязей реального мира в БД. Определяется содержание базы данных, определяемое сутью явления, характером его пространственного распространения и задачами, для которых создается БД.

Логический уровень включает разработку логической структуры элементов базы данных в соответствии с СУБД, используемой в программном обеспечении. Наиболее распространенными логическими структурами - моделями БД и их СУБД - являются иерархическая, сетевая, реляционная.

В иерархической модели (рис. а) записи данных образуют древовидную структуру, при этом каждая запись связана только с одной записью, находящейся на более высоком уровне. Доступ к любой записи осуществляется по строго определенным «веткам» и узлам такого дерева. Иерархические модели хорошо подходят для задач с явно выраженной иерархически соподчиненной структурой информации и запросов. Они обладают низким быстродействием, трудно модифицируемы, но эффективны с точки зрения организации машинной памяти.

В сетевых моделях (рис. б) каждая запись в каждом из узлов сети может быть связана с несколькими другими узлами; кроме данных записи содержат в себе указатели, определяющие местоположение других записей, связанных с ними. Такие модели очень трудно редактировать, например удалять записи, так как вместе с данными нужно редактировать и указатели. Подобные модели хорошо работают в случае решения сетевых, коммуникационных задач.

В иерархической и сетевой моделях для поиска конкретной записи необходимо вначале определить путь доступа к записи, а затем просмотреть все записи, находящиеся на этом пути.

Реляционные СУБД свободны от всех ограничений, связанных с организацией хранения данных и спецификой запоминающих устройств. Эти модели имеют табличную структуру (рис. в): строки таблицы соответствуют одной записи сведений об объекте, а столбцы поля - содержат однотипные характеристики всех объектов. Всевозможные способы индексации данных существенно сокращают время поиска и запроса к данным.

Физический уровень.

На этом уровне определяются объемы хранимой в БД информации и необходимые объемы памяти компьютера, рассматриваются вопросы о структурировании файлов на диске или других носителях информации для обеспечения программного доступа к ним, представления данных в памяти компьютера.

Системы управления базами данных в ГИС:

Отличают два пути использования СУБД в ГИС:

1) выполнение ГИС-процедур полностью через СУБД, тогда доступ ко всем данным осуществляется только через СУБД и все данные должны удовлетворять требованиям, заложенным при ее разработке;

2) некоторые данные доступны через СУБД, поскольку они вполне соответствуют модели, а к некоторым данным доступ прямой, так как они не удовлетворяют требованиям модели СУБД.

Функции СУБД:

управление данными во внешней памяти;

управление буферами оперативной памяти;

операции над БД;

обеспечение надежности хранения данных в БД;

поддержка языка управления БД.

Основные преимущества реляционных баз данных:

нет необходимости хранить атрибуты с пространственными данными, но они всегда могут содержаться где-нибудь в системе или поставляться, например, по сети;

атрибуты могут быть изменены или удалены без изменения пространственной БД;

коммерческие реляционные СУБД стандартны и могут управляться стандартными запросами;

хранение атрибутивных данных в реляционных БД не противоречит основным принципам слоев в ГИС;

атрибуты могут быть привязаны к пространственным единицам и представлены разными способами.

Объектно-ориентированные структуры БД

Ее применение направлено на снижение объемов хранимой информации и времени последовательного поиска в БД. Они применяются, когда появляется необходимость управления сложными реальными объектами другим способом, чем простыми точками, линиями и полигонами.

В объектно-ориентированных БД требуется, чтобы географические данные были определены как совокупности элементов. При этом они характеризуются серией атрибутов и параметров поведения, которые определяют их пространственные, графические, временные, текстовые, численные размерности. Примерами таких элементов могут служить участок железной дороги и связанное с ним здание вокзала, участок трубопровода с серией ответвлений разного диаметра и т. п.

Вопрос3. Особенности использования геоинформационных технологий в экологических исследованиях. Основы составления карт. Основные методы построения геоэкологических карт. Применение геоинформационных технологий в научных и учебно-научных экологических исследованиях.

Особенности использования геоинформационных технологий в экологических исследованиях. Основы составления карт

Использование нового информационного подхода, базирующегося на новых информационных технологиях, позволяет не только количественно описать процессы, происходящие в сложных экосистемах, но и, смоделировав механизмы этих процессов, научно обосновать методы оценки состояния различных компонентов окружающей среды.

К числу наиболее актуальных задач в данной области относится в первую очередь задача создания нового и адаптации существующего в других областях знания программного обеспечения, позволяющего обрабатывать огромные потоки информации, оценивать реальное состояние экосистем и на этой базе рассчитывать оптимальные варианты допустимого антропогенного воздействия на окружающую среду в целях рационального природопользования.

Экологические исследования включают в себя оценку состояния окружающей среды в целом и ее отдельных компонентов. При такой оценке необходимо рассматривать содержание различных веществ. Одним из наиболее распространенных способов представления такой информации являются изолинейные карты. С появлением моделирующих программ и цифровых моделей рельефа создание таких карт упростилось. Вначале создается база данных: вводятся координаты точек опробования, скважин, а затем к ним привязывается информация по загрязнению компонентов различными веществами. Моделирующие программы по ним с использованием различных алгоритмов строят цифровые модели «рельефа» загрязнения. Полученные в результате геополя используются для изучения характера загрязнения.

Для отображения характера загрязнения можно использовать различные картографические способы изображения.

Наиболее простой, но менее наглядный метод – это значковый способ.

Карты, полученные такими методами, правильно отображают картину загрязнения, т.е. не искажают географическую действительность. С другой стороны, они являются только лишь констатационными - на них хорошо видны точки с максимальными и минимальными концентрациями, но по ним довольно сложно оценить характер распространения явления.

Более наглядно площадное распространение можно отобразить с помощью изолинейных карт.

Основные методы построения геоэкологических карт.

Легенды экологических карт отличаются большой сложностью и включают значительную часть арсенала изобразительных средств тематической картографии.

Значками изображаются источники, а также иногда объемы и структура техногенных и антропогенных воздействий (города, предприятия), а также не выражающиеся в масштабе карты уникальные природные объекты.

Линейными знаками показываются элементы географической основы, имеющие значение для характеристики экологической обстановки: гидросеть (в том числе с характеристикой качества воды), коммуникации (в том числе с характеристикой напряженности использования и/или воздействия на среду).

Качественным фоном может передаваться как характеристика ландшафтов и природопользования, так и оценки экологической обстановки. При этом на комплексных экологических картах часто используют одновременно две системы качественного фона: окраску и штриховые обозначения. Дополнительно, для характеристики состава экологических проблем, используются относящиеся к ландшафтным и/или административно-территориальным выделам сложные буквенные индексы.

Изолинии применяются для количественной характеристики состояния среды (уровни загрязнения атмосферного воздуха, значения СПАН).

Ареалами традиционно обозначают территории распространения охраняемых видов, особо охраняемые природные территории, а также поддающиеся оконтуриванию области распространения отдельных видов загрязнения (запыленность снежного покрова, выпадение кислотных осадков).

Техногенная нагрузка на ландшафты или территории административно-территориальных образований количественно характеризуется с помощью картограмм и картодиаграмм.

Картограммами обычно передаются объемы выбросов, сбросов, твердых отходов, пестицидов на единицу площади (либо в расчете на численность населения, величину стока).

Картодиаграммами - абсолютные характеристики воздействий в пределах территориальных единиц.

Применение геоинформационных технологий в научных и учебно-научных экологических исследованиях (на примере оценки экологического риска загрязнения подземным вод).

При составлении карт риска загрязнения подземных вод обычно принимаются во внимание такие параметры, как защищенность водоносного горизонта с учетом особенностей залегания водоносного комплекса; мощности, фильтрационных и миграционных характеристик перекрывающего слоя, условий расположения источников загрязнения и др.

Методика районирования территории по степени экологического риска загрязнения подземных вод базируется на применении бассейнового подхода, который в настоящее время находит все большее развитие не только в науках физико-географического цикла, но и в исследованиях, связанных с проблемами природопользования и экологии. Водосборный бассейн имеет достаточно хорошо выраженную внешнюю границу и речную сеть, что позволяет проводить наряду с гидрологическими морфологические, топологические и другие исследования.

Предлагаемая методика оценки экологического риска загрязнения подземных вод сводится к следующему:

• исследование проводится по бассейновому принципу (с учетом морфометрических характеристик);

• определяется природно-обусловленная защищенность подземных водоносных горизонтов (на основе литологических характеристик);

• выявляются особенности экзогенных процессов;

—исследуются особенности землепользования и демографической нагрузки;

• количественно определяются техногенные воздействия и гидродинамические изменения в эксплуатируемых водоносных горизонтах;

• проводится аналитическая обработка информации по каждому из изучаемых параметров с последующим включением картографической информации в геоинформационную систему;

• составляется интегрированная карта оценки экологического риска загрязнения подземных вод и проводится ее предметный анализ для прогнозирования.

Особенность методики заключается в том, что карта существующего и потенциального риска может быть создана только путем синтеза, т.е. сопряженного анализа ряда основных ранжированных параметров, получивших отражение в отдельных информационных слоях.

При использовании электронной карты водосборных бассейнов получают такие морфометрические характеристики бассейнов, как площадь, длина всех водотоков, длина основного водотока рассчитана густота речной сети.

Все бассейны разбивают по группам в зависимости от морфометрических характеристик.

Показатели объединяются в базу данных, на основе которой создается геоинформационный слой в ГИС.

Вопрос 4. ГИС-продукты: настольные, серверные, встраиваемые, мобильные. Краткий обзор программных средств, используемых в России. Коммерческие пакеты программ (ArcView, ArcGIS, EASYTRACE, SPATIAL ANALYST, 3D ANALYST, ENVI, IDL и др.).

Настольные ГИС-продукты (ArcView, ArcMap, MapInfo и многие другие) - устанавливаются на отдельные персональные компьютеры конечным пользователям. Работать за настольным ГИС-приложением может одновременно только один пользователь, в отличие от серверных ГИС-продуктов.

Серверные ГИС-приложения (ArcGIS Server) предназначены для одновременного обслуживания многих пользователей, работающих по сети. Позволяют эффективно координировать усилия по работе над сложными ГИС-проектами, используются для хранения, обработки, передачи данных и разграничения доступа к ним, т.е. обслуживают географические базы данных. Внедрение серверных ГИС-продуктов позволяет не тратить средства на приобретение множества настольных ГИС-приложений, что выгодно для крупных организаций.

Встраиваемые ГИС-продукты (ArcGIS Engine) предназначены для расширения возможностей различных настольных приложений (например, Microsoft Word и Excel) в области ГИС, а также для создания узкоспециализированных приложений, выполняющих небольшой набор часто повторяемых действий.

Мобильные ГИС-продукты (пакет ArcPad) устанавливаются на различные мобильные устройства с поддержкой GPS для сбора и просмотра географической информации в полевых условиях.

В России наибольшее распространение получили несколько систем настольной картографии - MapInfo Professional, ArcGIS, ENVI, ERDAS IMAGINE. За долгое время пребывания на рынке они «научились» решать самый широкий спектр задач в различных сферах деятельности, в том числе: создание, обмен, управление, анализ и публикация географической информации.

MapInfo Professional - мощная программа для цифрового картографирования и географического анализа, управления базами географических данных.

ArcView - один из трех настольных продуктов ArcGIS. В состав ArcView 9 входит три приложения: ArcMap, ArcCatalog и ArcToolbox для ArcView. Это набор мощных инструментов для картографирования, создания отчетов и картографического анализа.

Spatial Analyst - модуль ArcGIS, предназначенный для анализа растровых и векторных данных. Среди его функций - определение расстояний по карте, вычисление плотности размещения объектов, интерполяция растра (например, создание карты высот по отдельным данным точкам с высотами), анализ поверхности (вычисление уклона, экспозиции, видимости и т.д.), калькулятор растров и другие.

3D Analyst - модуль ArcGIS, позволяющий получать и анализировать трёхмерные карты.

Easy Trace - первоначально был продвинутой системой для векторизации растров, в том числе отсканированных изношенных карт. К настоящему времени возможности Easy Trace расширились до полного цикла подготовки географической информации, в котором полноценные компьютерные географические карты получают из отсканированных изображений или спутниковых снимков.

ENVI (Environment for Visualizing Images - среда для отображения снимков) является наиболее совершенным и в то же время очень простым в управлении программным обеспечением для работы с данными дистанционного зондирования, обработки и дешифрирования спутниковых снимков.

IDL - среда разработки программ для решения множества научных задач, в том числе для сложных вычислений, обработки, анализа и визуализации пространственных данных.

ERDAS IMAGINE. Программный продукт, имеющий простой и удобный интерфейс и широкий набор инструментов, был создан специально для обработки данных дистанционного зондирования и интеграции полученных результатов в ГИС.