Лекция 1 Теоретические основы географические и земельные информационные системы

1.Геоинформатика - наука, технология, производство

Геоинформатика - это современная научная дисциплина, которая изучает природные и социально-экономические геосис­темы различных иерархических уровней посредством компью­терного моделирования на основе баз данных и баз знаний.

Подобно экологии, которая вбирает в себя основы не­скольких наук, геоинформатика формируется на стыке геогра­фии, информатики, теории информационных систем, картогра­фии и других дисциплин с привлечением системного подхода и новейших достижений в области вычислительной техники

Связь ГИС с научными дисциплинами и технологиями:

1. География

2. Картография

3. Дистанционное зондирование

4. Топография и фотограмметрия

5. Информатика

6. Математика и статистика

Геоинформатика изучает принципы, технику и технологию получения, накопления, передачи, обработки и представления данных и как средство получения на их основе новой информа­ции и знаний о пространственно-временных явлениях.

Сегодня геоинформатика предстает в виде системы, охва­тывающей науку, технику и производство. Геоинформатика -это не только научная дисциплина, но и технология (ГИС-технология) сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения пространственно-координированной информа­ции, целью которой является решение задач инвентаризации, оптимизации и управления геосистемами. Как производство геоинформатика включает в себя изготовление программных и аппаратных средств, создание баз данных, систем управления, стандартных и коммерческих ГИС различного целевого назна­чения и проблемной ориентации.

Сфера деятельности геоинформатики связана с дистанци­онным зондированием и картографией, а также затрагивает фо­тограмметрию и топографию.

Взаимосвязи картографии и геоинформатики проявляются в следующих аспектах:

1. тематические и картографические карты - главный ис­точник пространственно - временной информации;

2. системы географических и прямоугольных координат служат основой для координатной привязки всей информации, поступающей и хранящейся в ГИС;

3. карты - основное средство географической интерпрета­ции и организации данных дистанционного зондирования и дру­гой используемой в ГИС информации (статистической, аналити­ческой и т.п.);

4. картографический анализ - один из наиболее эффектив­ных способов выявления географических закономерностей, свя­зей, зависимостей при формировании баз знаний, входящих в ГИС;

математико-картографическое и компьютерно-картогра­фическое моделирование - главное средство преобразования информации в процессе принятия решений, управления прове­дения экспертиз, составление прогнозов развития геосистем;

6 картографическое изображение - целесообразная форма представления информации потребителям.

2. Понятие информационной системы

Информационная система ~ это хранилище информации, снабженное процедурами ввода, поиска, размещения и выдачи информации. Наличие таких процедур - главная особенность информационных систем, отличающих их от простых скоплений информационных материалов.

Например, личная библиотека, в которой может ориенти­роваться только ее владелец, информационной системой не яв­ляется. В публичных же библиотеках порядок размещения книг всегда строго определенный. Благодаря этому, поиск и выдача книг, а также размещение новых поступлений представляют со­бой стандартные процедуры, близкие к алгоритмам.

Работа информационных систем заключается в обслужива­нии двух встречных потоков информации: ввода новой инфор­мации и выдачи текущей информации по запросам.

Поскольку главная задача информационной системы - об­служивание клиентов, система должна быть устроена так, чтобы ответ на любой запрос выдавался быстро и был достаточно пол­ным.

3. Геоинформационные системы, их отличие от других информационных систем

Географические Информационные Системы (ГИС) - это система сбора, обработки, графического представления и анали­за пространственно-распределенных данных. Практически в лю­бой сфере деятельности мы встречаемся с информацией такого рода, представленной в виде карт, планов, схем, диаграмм и пр. Это может быть план здания, карта экологического мониторинга территории, атлас земельного кадастра или карта природных ре­сурсов и т.д. ГИС дает возможность накапливать и анализиро вать подобную информацию, оперативно находить нужные све­дения и отображать их в удобном для использования виде.

ГИС это система аппаратно-программных средств и алгоритмических процедур, созданная для цифровой поддержки, пополнения, управления, манипулирования, анализа, математи-ко-картографического моделирования и образного отображе­ния географически координированных данных.

Отличие ГИС от иных информационных систем проявля­ется в следующем:

• обеспечивает взаимосвязь между любыми количествен­ными и качественными характеристиками географических объ­ектов и явлений, представленных в базе данных в виде точек, линий, площадей и равномерных сеток;

• содержит алгоритмы анализа пространственно координи­рованных данных.

4. Технологическая основа ГИС

Технологической основой ГИС, позволяющей реализовать ее функциональные возможности, являются геоинформационные технологии (синоним — ГИС-технологии). В самом общем виде суть геоинформационных технологий составляет ввод, обработ­ка и вывод пространственных данных, а ее ядро составляют опе­рации пространственного анализа (ПА) и геомоделирования (ГМ).

Пространственный анализ - это группа функций, обеспе­чивающих анализ размещения, связей и иных пространственных отношений географических объектов. Например: анализ зон ви­димости-невидимости (артиллеристы), анализ соседства, анализ сетей, анализ цифровой модели рельефа и др.

Геомоделирование - это исследование каких-либо про­странственных явлений, процессов, объектов или отдельных их свойств путем построения и изучения их модели. Наиболее яр­кий пример - построение цифровой модели рельефа.

5. Эволюция ГИС и сфера их применения 2.1 Исторические периоды развития ГИС

История ГИС берет своё начало с конца пятидесятых годов прошлого столетия. Основные достижения в ГИС были получе­ны в США, Канаде и Швеции. Россия и бывший СССР не участ­вовали в мировом процессе создания и развития геоинформаци­онных технологий до середины 1980-х годов. В истории разви­тия геоинформационных систем выделяют четыре периода:

1. Новаторский период (поздние 1950-е - ранние 1970-е гг.). Исследование принципиальных возможностей, пограничных областей знаний и технологий, наработка эмпирического опыта, первые крупные проекты и теоретические работы.

2. Период государственных инициатив (начало 1970-х -начало 1980-х гг.). Развитие крупных геоинформационных про­ектов поддерживаемых государством, формирование государст­венных институтов в области ГИС, снижение роли и влияния от­дельных исследователей и небольших групп. Государственная поддержка ГИС стимулировала развитие экспериментальных работ в области ГИС, основанных на использовании баз данных по уличным сетям: автоматизированные системы навигации; системы вывоза городских отходов и мусора; движение транс­портных средств в чрезвычайных ситуациях и т.д.

3. Период коммерческого развития (ранние 1980-е - на­стоящее время). Широкий рынок разнообразных программных средств, развитие настольных ГИС, расширение области их применения за счет интеграции с базами непространственных данных, появление сетевых приложений, появление значитель­ного числа непрофессиональных пользователей.

Пользовательский период (поздние 1980-е - настоящее время). Повышенная конкуренция среди коммерческих произво­дителей геоинформационных технологий услуг дает преимуще­ства пользователям ГИС, доступность и "открытость" про­граммных средств позволяет использовать и даже модифициро вать программы, появление пользовательских "клубов", теле­конференций, территориально разобщенных, но связанных еди­ной тематикой пользовательских групп, возросшая потребность в геоданных, начало формирования мировой геоинформацион­ной инфраструктуры.

6. Сферы применения ГИС

Мониторинг и охрана природной среды. Комплексный кон­троль загрязнений, оценка ущерба от природных и антропоген­ных бедствий, планирование эвакуационных и восстановитель­ных мероприятий.

Поиск и добыча минеральных ресурсов. От разведки до эксплуатации месторождений и рекультивационных мероприя­тий.

Транспортные, инженерные и коммуникационные сети. Планирование, прокладка и эксплуатация, анализ и оптимизация загрузки.

Городское хозяйство и региональное управление. Практи­чески весь комплекс вопросов - от работы городских служб и ведения кадастров (систем учёта земельных и других видов ре­сурсов) до перспективного планирования.

Службы безопасности, правопорядка и спасения. Опера­тивный контроль, диспетчеризация и маршрутизация, анализ и прогноз ситуации.

Военное дело. От ведения разведки, анализа местности, планирования и управления боевыми и учебными операциями до учёта военного хозяйства.

Сфера бизнеса. Анализ пространственного распределения клиентов, партнёров и конкурентов, оптимизация работы служ­бы доставки, взаимодействие с органами государственного управления и землепользования, учёт демографических данных. Системы выборов. Оценка пространственного распределе­ния рейтинга, определение наиболее важных участков для аги­тации с учётом действий конкурентов.

ГИС даёт высокоэффективный результат также и в сле­дующих отраслях: местное и государственное управление, неф­тегазовую отрасль, банковское и страховое дело, телекоммуни­кации, операции с недвижимостью, сельское хозяйство, лесное и водное хозяйство, геодезия, навигация.

То, что необходимость в ГИС очень велика, показывают общемировые продажи программного обеспечения для создания геоинформационных систем, сумма которых в 1997 году превы­сила 1 млрд. долларов, а с учётом сопутствующих программных и аппаратных средств достигла почти 10 миллиардов.

Лекция 2 Классификация, функции и структура ГИС

1. Способы классификации ГИС

Геоинформационные системы могут быть классифициро­ваны по следующим признакам:

• назначению (в зависимости от целевого использования и характера решаемых задач, например: мониторинговые, инвен­таризационные, исследовательские, учебные ГИС и др.);

• проблемно-тематической ориентации (в зависимости от области применения, например: экологические, природопользовательские, социально-экономические, земельно-кадастровые, геологические, чрезвычайных ситуаций, навигационные и др.);

• территориальному охвату (в зависимости от масштаба базы данных, например: глобальные, общенациональные, регио­нальные, локальные, муниципальные);

• способу организации географических данных (в зависи­мости от форматов ввода, хранения, обработки и представления картографической информации).

2. Базовые компоненты ГИС

Геоинформационные системы включают в себя пять клю­чевых составляющих: аппаратные средства, программное обес­печение, данные, исполнители и пользователи.

Аппаратные средства. Аппаратные средства представляют собой: компьютеры (рабочие станции, ноутбуки, карманные ПК); средства хранения данных (винчестеры, компакт-диски, дискеты, флэш-память); устройства ввода информации (дигитай­зеры, сканеры, цифровые камеры и фотоаппараты, клавиатуры, компьютерные мыши); устройства вывода информации (принте­ры, плоттеры, проекторы, дисплеи).

Программное обеспечение ГИС содержит функции и инст­рументы, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической информации. Они очень сильно различаются в цене и функциональности. Выбор программного обеспечения за­висит от решаемых пользователем задач.

Данные - это данные о пространственном положении и о состоянии объектов. Они собираются и подготавливаются самим пользователем, либо приобретаются у поставщиков.

Исполнители - это люди, которые работают с программ­ными продуктами и разрабатывают планы их использования при решении реальных задач.

Пользователи ГИС - это технические специалисты, разра­батывающие и поддерживающие систему, и обычные сотрудни­ки (конечные пользователи), которым ГИС помогает решать те­кущие каждодневные дела и проблемы.

3. Функции ГИС

1. Сбор геоданных (или просто данных): приобретение го­товых электронных карт; конвертация из других форматов; не­посредственная оцифровка с твердой основы; сканирование с твердой основы с последующей векторизацией; векторизация авиационных и космических снимков; непосредственный ввод координат географического объекта.

2. Хранение данных. Существует две основных модели хранения геоданных: векторная, которая хранит географические объекты на карте в виде точек, линий и полигонов и растровая, сохраняющая географический объект в виде множества ячеек, которые покрывают всю область его расположения.

3. Запросы. Существует два основных запроса: идентифи­кация отдельных объектов (определение точного местоположе­ния существующего объекта): где находится и какие атрибуты ему присвоены; идентификация объектов по условию (определе­ние местоположения объекта, который удовлетворяет опреде­лённому условию).

4. Анализ данных. Основные виды анализа геоданных: бу­феризация (какие участки расположены на таком-то расстояние от такого-то объекта и другие запросы такого типа); наложение (объединяются объекты двух слоев для создания нового слоя, содержащего атрибуты обоих слоев, например, наложение поч­вы и растительности); сеть (рассматривается, как соединены ли­нейные объекты и каким образом можно по ним передвигаться);

5. Отображение (осуществляется в виде карт графиков и диаграмм);

6. Вывод информации.

4.Структура ГИС

Структура ГИС, как правило, включает четыре обязатель­ные подсистемы:

1. Ввода данных, обеспечивающую ввод и/или обработку пространственных данных, полученных с карт, материалов дис­танционного зондирования и т.д.;

2. Хранения и поиска, позволяющие оперативно получать данные для соответствующего анализа, актуализировать и кор­ректировать их;

3. Обработки и анализа, которая дает возможность оцени­вать параметры, решать расчетно-аналитические задачи;

4) Представления (выдачи) данных в различном виде (карты, таблицы, изображения, блок-диаграммы, цифровые модели местности и т.д.).

Подсистема ввода информации - это программный или аппаратно-программный блок, отвечающий за получения дан­ных. Например, дигитайзеры, на котором осуществляется оциф­ровка карт, сканер, считывающий изображение в виде растра, электронные геодезические приборы.

Информация может быть введена с клавиатуры, получена по сети. Ее источником может быть аэрофото- и космические снимки, вводимые и обрабатываемые на рабочих станциях приема спутниковых данных.

Подсистема хранения информации представлена базой данных (БД), куда поступает вся оцифрованная информация. Это упорядоченный массив цифровой информации по какой-либо теме (например, базы данных по рельефу, по растительности).

Рисунок 2 Обязательные компоненты ГИС

Подсистема обработки информации состоит из самого компьютера, системы управления и программного обеспечения. Разнообразные специализированные программы позволяют строить карты, совмещать их друг с другом, визуализировать и выводить на печать. Программные комплексы способны прово­дить анализ территории, дешифрировать снимки, классифициро­вать картографируемые объекты, моделировать процессы, оце­нивать альтернативные варианты и выбирать оптимальный путь решения. Большая часть подсистем обработки информации ра­ботает в диалоговом (интерактивном режиме), в ходе которого идет непосредственный двусторонний обмен информацией меж­ду картографом и компьютером.

Подсистема вывода (выдачи) информации - комплекс уст­ройств для визуализации обработанной информации в картогра­фической форме. Это экраны (дисплеи), печатающие устройст­ва (принтеры) различной конструкции, чертежные автоматы (плоттеры) и др. С их помощью быстро выводят результаты картографирования и варианты решений в той форме, которая удобна пользователю. Это могут быть не только карты, но и тек­сты, графики, трехмерные модели, таблицы, однако если речь идет о пространственной информации, то чаще всего она дается в картографической форме.

В состав картографических ГИС производственного назна­чения включают еще и подсистему издания карт. Если тираж карт небольшой, что обычно при выполнении научных исследо­ваний, то используют настольные картографические издатель­ские системы.

ГИС, ориентированные на работу с аэрокосмической ин­формацией, включают специализированную подсистему обра­ботки изображений. В этом случае программное обеспечение позволяет выполнять различные операции со снимками: прово­дить их коррекцию, преобразование, улучшение, автоматическое распознавание и дешифрирование.

Особую подсистему в высокоразвитых ГИС может состав­лять база знаний, т.е. совокупность формализованных знаний, логических правил и программных средств для решения задач определенного типа (например, для проведения границ или рай­онирования территории). Базы знаний помогают ставить диагноз состояния геосистем, предлагать варианты решения проблемных ситуаций, давать прогноз развития.

Лекция 3. Базовые структуры данных в ГИС

План:

1. Особенности организации данных в ГИС

2. Подходы организации связи между данными

3. Формы представления объектов в ГИС

4. Модели организации пространственных данных в ГИС

1. Особенности организации данных в гис

ГИС использует разнообразные данные об объектах, характеристиках земной поверхности, информацию о формах и связях между объектами, различные описательные сведения. 

Для того чтобы полностью отобразить геообъекты реального мира и все их свойства, понадобилась бы бесконечно большая база данных. Поэтому, используя приемы генерализации и абстракции, необходимо свести множество данных к конечному объему, легко поддающемуся анализу и управлению. Это достигается применением моделей, сохраняющих основные свойства объектов исследования и не содержащих второстепенных свойств. Поэтому первым этапом разработки ГИС или технологии ее применения является обоснование выбора моделей данных для создания информационной основы ГИС. 

Выбор метода организации данных в геоинформационной системе, и, в первую очередь, модели данных, т.е. способа цифрового описания пространственных объектов, определяет многие функциональные возможности создаваемой ГИС и применимость тех или иных технологий ввода. От модели зависит как пространственная точность представления визуальной части информации, так и возможность получения качественного картографического материала и организации контроля цифровых карт. От способа организации данных в ГИС очень сильно зависит производительность системы, например, при выполнении запроса к базе данных или рендеринге (визуализации) на экране монитора. 

Рис. 1. Уровни организации данных

Более подробное рассмотрение организации данных часто называется структурой данных. В структуре фигурируют математические и программистские термины, такие как “матрица”, “список”, “система ссылок”, “указатель”, “способ сжатия информации”. На следующем по детальности уровне организации данных специалисты имеют дело со структурой файлов данных и их непосредственными форматами. Уровень организации конкретной БД является уникальным для каждого проекта. 

ГИС, впрочем, как и любая другая информационная система, обладает развитыми средствами обработки и анализа входящих данных с целью дальнейшей их реализации в вещественной форме.

Рис.2 Схематическое представление процессов сбора, обработки, анализа и вывода данных в ГИС

На первом этапе производится “коллекционирование” как географической (цифровые карты, изображения), так и атрибутивной информации. Собранные данные являются наполнением двух баз данных. Первая БД хранит картографические данные, вторая же наполнена информацией описательного характера. 

На втором этапе система обработки пространственных данных обращается к базам данных для проведения обработки и анализа востребованной информации. При этом весь процесс контролируется системой управления БД (СУБД), с помощью которой можно осуществлять быстрый поиск табличной и статистической информации. Конечно, главным результатом работы ГИС являются разнообразные карты.

2. Подходы организации связи между данными

Для организации связи между географической и атрибутивной информацией используют четыре подхода взаимодействия:

1. Первый подход – геореляционный или, как его еще называют, гибридный. При таком подходе географические и атрибутивные данные организованы по-разному. Между двумя типами данных связь осуществляется посредством идентификатора объекта. Как видно из рис. 3., географическая информация хранится отдельно от атрибутивной в своей БД. Атрибутивная информация организована в таблицы под управлением реляционной СУБД. 

2. Интегрированный подход - предусматривается использование средств реляционных СУБД для хранения как пространственной, так и атрибутивной информации. В этом случае ГИС выступает в качестве надстройки над СУБД. 

3. 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. 

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