Введение

Дорожная отрасль является одной из важнейших отраслей экономики любой промышленно развитой страны. Недаром автомобильные дороги называются «кровеносной системой» любого государства. Они играют огромную социально-экономическую роль в жизни современного общества.

Автомобильные дороги являются очень капиталоемкими, но в то же время и очень рентабельными сооружениями. Известно, что каждый рубль, вложенный в автомобильные дороги, в перспективе многократно (3–5) возвращается в различных других отраслях производства за счет снижения транспортных (логистических) издержек, снижения аварийности, повышения подвижности населения. Кроме того, развитие сети автомобильных дорог региона несёт в себе немаловажный социальный эффект в виде обеспеченности населения медицинскими, образовательными, культурно-бытовыми услугами. В настоящее время наличие развитой сети автомобильных дорог является немаловажным фактором развития материального производства и сферы услуг.

Потребительские качества автомобильных дорог:

–безопасность движения,

–уровень загрузки,

–комфортабельность движения,

–удобство движения,

–грузоподъемность,

–информационная доступность.

Уровни потребительского качества проектируемых (реконструируемых) автомобильных дорог должны содержаться в числовом выражении в техническом задании на проектирование строительства, ремонт или реконструкцию дорог.

Одна из особенностей дорожной отрасли по сравнению с другими отраслями производства заключается в том, что её основные сооружения (автомобильные и городские дороги) являются сложными инженерными линейно-протяженными сооружениями с ярко выраженной географической природой. Поэтому основная техническая документация по автомобильным дорогам должна представляться графически на картографической основе или в виде условных схем и чертежей. Всё это предопределяет вид информационных технологий, используемых для управления автомобильными дорогами на различных этапах.

3

Обеспечение эффективной работы системы управления дорожным хозяйством является важнейшей задачей дорожной отрасли. Ее решение в основном базируется на развитии информационных систем. В последние годы проводится целенаправленная работа по совершенствованию этого стратегического направления. В качестве одной из основных задач по формированию и поддержанию системы оперативного управления организаций и предприятий дорожного хозяйства является создание и поддержание единого информационного пространства в целях надежного управления дорожным хозяйством, эффективного контроля за транспортно-эксплуатацион- ными показателями, а также повышение качества обслуживания пользователей автомобильных дорог.

Всоответствии с программным проектом «Информационное обеспечение» на важнейших автомобильных дорогах, в первую очередь входящих в состав международных транспортных коридоров, будет осуществлено создание и развитие отраслевой информационной системы связи и информатизации с использованием технологий, направленных на своевременное обеспечение работников дорожноэксплуатационных организаций и пользователей необходимой информацией о транспортно-эксплуатационном состоянии автомобильных дорог, условиях безопасности движения, метеорологических условиях, наличии и состоянии объектов дорожного сервиса, интенсивности и составе транспортных потоков и т.д.

Она позволяет обеспечить информацией учреждения здравоохранения, охраны правопорядка, противопожарной службы и других, способствует снижению тяжести последствий ДТП за счет сокращения времени спасения и эвакуации пострадавших, оказания им оперативной медицинской помощи. Система предусматривает развитие автоматизированных центров управления производством в организациях, осуществляющих содержание федеральных автомобильных дорог.

Вобласти развития информационных систем в дорожном хозяйстве ведутся работы: по созданию единой информационной системы

вдорожной отрасли, системы поддержки принятия управленческих решений, единой унифицированной базы данных (содержащей полную информацию по диагностике, инвентаризации и паспортизации обследуемых автомобильных дорог и дорожных сооружений на них) с всесторонним анализом и последующей оптимизацией используемых в настоящее время методов и форм для сбора, хранения и пере-

4

работки данных по соответствующим видам работ. Результаты деятельности в данном направлении позволяют исключить параллелизм хранимой информации, а также существенно сократить затраты на сбор и обработку необходимых данных.

Стратегической отраслевой задачей является объединение всех информационных систем в единую отраслевую территориальнораспределительную автоматизированную систему. Одним из основных требований к отраслевым и локальным банкам данных является их совместимость с создаваемой в дорожной отрасли системой комплексного информационно-телекоммуникационного обеспечения, а также возможность перекрестного использования баз данных. Перспективным направлением развития автоматизированных банков дорожных данных является их совместное использование с геоинформационными технологиями, позволяющими определить точное местоположение объектов, их размеры, расстояния и создавать цифровые карты и схемы [3, 5].

Лекция 1. ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

ВДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ. РОЛЬ ГИС

ВЖИЗНЕННОМ ЦИКЛЕ ДОРОГ

1.1. Геоинформационные системы в дорожной отрасли. Жизненный цикл дорог

Геоинформационные системы (ГИС) – это информационная сис-

тема, используемая для сбора, хранения, пополнения, обработки, отображения и анализа данных, а также получения на их основе новой информации и знаний о пространственных объектах и явлениях. Моделируемые в ГИС объекты и явления имеют пространственную привязку, позволяющую использовать их географические (топологические) и семантические свойства для потребителей различного уровня с целью организации предпринимательства.

Среди множества различных видов программных технологий, работающих с графической информацией, в дорожной отрасли наиболее востребованы программные технологии: геоинформационные системы и системы автоматизированного проектирования. Кроме того, для работы с атрибутивной информацией используются техно-

логии баз данных (БД) [3, 5].

5

База данных (БД) – совокупность данных, организованных по определенным правилам, устанавливающим общие принципы и описания, хранения и манипулирования данными. Хранение данных в БД обеспечивает централизованное управление, соблюдение стандартов, безопасность и целостность данных, сокращает избыточность и устраняет противоречивость данных. БД не зависит от прикладных программ. Создание БД и обращение к ней (по запросам) осуществляются с помощью системы управления базами данных (СУБД) [4].

На разных этапах жизненного цикла дороги применяются отдельные информационные системы, но чаще всего в сочетании с другими.

Системы автоматизированного проектирования (САПР) при-

званы автоматизировать различные этапы проектирования автомобильных дорог, имеют богатые средства для работы с чертежами и схемами элементов дорог, а также позволяют работать с топографическими планами в крупном масштабе. Основной целью работы БД на различных его этапах в САПР является создание проектной документации в виде чертежей, таблиц и ведомостей. Кроме того, САПР могут использоваться и на этапе строительства в основном только для документирования результатов исполнительной съемки и их передачи в ГИС и БД.

Геоинформационные системы (ГИС) предназначены для акку-

мулирования большим количеством разномасштабной картографической информации, анализа взаимосвязей объектов в пространстве, управления атрибутными характеристиками объектов на этапах проектирования сети дорог. ГИС помогают проанализировать различные варианты прохождения трасс автомобильных дорог, выступая, в первую очередь, как средство отображения тематических карт и как инструмент пространственного анализа.

При эксплуатации автомобильных дорог на первый план выходит возможность ГИС тесно работать с атрибутивной информацией, хранящейся в базах данных. ГИС позволяет быстро находить объекты на карте и получать детальную информацию по ним. С другой стороны, выполнив некоторый запрос к БД, результат можно очень наглядно представить на карте. Вышеизложенный системный подход к формированию информационной основы для управления автомобильными дорогами на всех стадиях их функционирования удовлетворяет всем современным требованиям дорожной отрасли, со-

6

ответствуя при этом возможностям современных информационных технологий.

Дорожные сети являются сложными объектами, имеющими протяженность не только в пространстве, но и во времени. Выделим основные этапы жизненного цикла дорожных сетей. Существование любой дороги обусловлено необходимостью получения услуг. Эта необходимость ставит задачу по созданию дороги определенного класса, проводятся технико-экономические изыскания. Созданию дороги предшествуют действия по изысканиям и проектированию дороги. После проектирования следует этап физического воплощения проекта – строительство. Как правило, это длительный этап, совмещенный с эксплуатацией уже построенных частей дороги.

Следующим этапом является эксплуатация, то есть процесс обслуживания дороги в соответствии с задачами по ее содержанию. В процессе эксплуатации автомобильной дороги может возникнуть необходимость в ремонте или реконструкции, в зависимости от технического состояния (рис.1.1).

Жизненный цикл автомобильной дороги (сети дорог) как объекта общего пользования состоит из процессов:

1)стратегического планирования развития сети дорог;

2)технико-экономического обоснования строительства;

3)изысканий дорог;

4)землеотвода;

5)торгов;

6)разработки инженерного проекта;

7)разработки проекта производства работ;

8)выполнения строительно-монтажных работ;

9)инженерного сопровождения;

10)оценки уровня качества СМР;

11)составления паспорта дороги;

12)мониторинга дороги в процессе эксплуатации;

13)содержания и ремонта дороги;

14)модернизации (капитальный ремонт дороги);

15)реконструкции дороги или утилизации.

7

(АБДД), который ориентирован на ограниченный круг потребителей – дорожно-эксплуатационные организации.

Использование ГИС при изысканиях и проектировании автомобильных дорог наиболее эффективно по следующим причинам:

–линейному характеру транспортных сооружений;

–полноте и оперативности сбора информации (геологической, гидрологической, гидрогеологической, экологической) и возможности ее повторного использования;

–возможности оперативного решения инженерных задач;

–оперативному внесению исполнительной документации;

–мониторинго–технологическим решениям и их эффективно-

сти;

–мониторингу технического состояния дорог и показателей уровня потребительских качеств;

–прогнозированию профилактических и ремонтных мероприя-

тий;

–оперативной ликвидации дефектных мест на дороге;

–снижению аварийности на дорогах.

Впроцессе проектирования инженер-проектировщик имеет дело

синформационной моделью будущей автомобильной дороги, которая на последнем этапе проектирования (оформление проектной документации) представляется, как правило, в виде совокупности инженерных чертежей и описаний (рис. 1.2) [3, 5].

Рис. 1.2 . 3D-изображение проектируемой автомобильной дороги

9

1.2. Краткий системный анализ дорожной сети

Дорожные сети являются сложными объектами, имеющими протяженность не только в пространстве, но и во времени. Развитие дорожных сетей во времени есть жизненный цикл.

Выделим основные этапы жизненного цикла дорожных сетей. Существование любой дороги обусловлено необходимостью получения услуг. Эта необходимость ставит задачу по созданию дороги определенного класса.

Созданию дороги предшествуют действия по изысканиям и проектированию дороги. После проектирования следует этап физического воплощения проекта – строительство. Как правило, это длительный этап, совмещенный с эксплуатацией уже построенных частей дороги.

Следующим концептуальным этапом является эксплуатация, то есть процесс обслуживания дороги в соответствии с задачами по ее содержанию. В процессе эксплуатации автомобильной дороги может возникнуть необходимость в ремонте или реконструкции, в зависимости от технического состояния.

Дорожная сеть не существует сама по себе, она является следствием потребностей окружающего мира в транспортных услугах. Для целостного анализа требуется определить ближнюю и дальнюю среду, а также круг лиц, принимающих жизненные решения в дорожной сети.

Ближней средой дорожной сети являются объекты, явно взаимодействующие с сетью: транспорт, обслуживающий персонал, смежные инженерные сети и территориальные объекты, вблизи которых пролегает сеть, например, объекты гидрографии и т.п. (рис. 1.3). Дальней средой инженерной сети являются объекты, неявно или опосредованно взаимодействующие с сетью. Это органы власти той территории, на которой располагается сеть, общество, чьи потребности выполняет сеть и чей уровень жизни она должна поддерживать, природа, которая несет экологическую нагрузку от взаимодействия с сетью и культура, в рамках которой сеть выполняет утилитарную роль и является объектом ее внимания.

В процессе эксплуатации дорог перед системой управления встает целый ряд задач. Рассмотрим основные прикладные задачи, встающие при управлении (рис. 1.4).

Рассмотрим задачи инвентаризации, паспортизации и учета. Данный класс задач является базовым в управлении дорожными сетями. Обобщая различные подходы к инвентаризации, можно выделить

10

следующие характерные черты. Во-первых, целью инвентаризации является точное определение наличия объектов, участков дороги, их уникальная идентификация.

Другой целью инвентаризации является выяснение состояния объектов. Инвентаризация – непрерывный процесс, происходящий при вводе в строй новых объектов и участков, обследовании эксплуатируемых и ликвидации старых. Этот процесс тесно связан с паспортизацией дороги и ее объектов.

Дорожные сети как один из классов инженерных сетей представляют собой пространственные объекты, имеющие, как правило, достаточно крупные масштабы. Рассмотрим виды пространственной информации о дорогах и сферы ее применения:

Рис. 1.3. Дорожная сеть

В процессе эксплуатации дорог перед системой управления встает целый ряд задач. Рассмотрим основные прикладные задачи, возникающие при управлении (рис. 1.4).

Планы расположения дороги и объектов на местности. Данная информация необходима для эксплуатационных бригад, для планирования строительства, согласования целого класса работ, экологического анализа, взаимодействия со смежными землепользователями,

11

анализа близости различных объектов на местности и объектов сетей для проведения различного вида расчетов.

Задачи управления дорожной сетью

Рис. 1.4. Классификация задач управления в дорожной отрасли

Геометрические профили дороги. Планы расположения дороги и объектов основываются на картах и планах территорий, на которых проложена сеть, или иными словами, топооснове, имеющих точность, необходимую для привязки к ней объектов сети. Для решения задачи построения профилей также необходима информация о рельефе местности.

12

Задачи моделирования жизненного цикла дороги можно разделить на три основных вида. Это задачи моделирования технического состояния дороги, объектов и событий во времени, задачи отслеживания характеристик во времени, задачи отслеживания конфигурации сети во времени.

Независимо от территориального уровня предусматривается выполнение следующих основных видов работ по этапам создания ГИСсистемы «Автомобильная дорога».

На первом этапе:

–формирование заказов на выполнение работ по ГИС-системе «Автомобильные дороги»;

–создание информационной службы;

–формирование структуры данных;

–определение уровня и объема информации для конкретных пользователей;

–установка программного обеспечения;

–инвентаризация и первичная обработка имеющейся информации, подлежащей включению в ГИС-систему «Автомобильная дорога»;

–первичное заполнение и пробная эксплуатация основных компонентов ГИС-системы.

На втором этапе:

–развитие и модернизация информационной системы;

–организация регулярного поступления информации;

–заполнение ГИС-системы «Автомобильная дорога» и ее опытная эксплуатация.

На третьем этапе определяются:

–каналы представления информации ГИС-системы «Автомобильная дорога»;

–научно-методическое сопровождение.

Такая постановка и решение проблемы сбора, обработки, хранения, пополнения информации и представление ее потребителям отвечает современному уровню развития техники, совершенствованию потребительских качеств автомобильных дорог и удобству и безопасности движения и, как результат, повышению технического уровня и качества дорог и их соответствию техническим нормативам, снижению аварийности.

Создание ГИС-системы «Автомобильная дорога» позволит решить проблему планирования маршрутов движения автомобилей, возможности провоза тяжелых негабаритных грузов всем заинтересо-

13

ванным лицам, так как существующие атласы автомобильных дорог России дают общее начертание сети и расстояние по перегонам и не содержат сведения:

–о грузоподъемности мостов и искусственных сооружений;

–состоянии покрытия по ровности;

–состоянии дорог по уровню загрузки движением;

–СТО и заправочных пунктах;

–размещении дорожной службы и ГИБДД;

–пунктах весового контроля;

–медицинских учреждениях;

–таможенных службах;

–наличии объектов сервиса и др. [3, 5].

Контрольные вопросы

1.Что такое геоинформационные системы?

2.Что относится к потребительским качествам автомобильных дорог?

3.Из каких процессов состоит жизненный цикл автомобильной дороги?

4.Какие преимущества появляются при использовании ГИС при изысканиях и проектировании автомобильной дороги?

5.Что представляет собой жизненный цикл инвестиционного проекта?

6.Для чего предназначены базы данных?

7.Из каких основных этапов предполагается создание ГИСсистемы «Автомобильная дорога»?

8.Какие преимущества появятся при создании ГИС-системы «Автомобильная дорога»?

Лекция 2. ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ. ПОНЯТИЕ, ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ, ИХ ОБЩАЯ СТРУКТУРА

2. 1. Понятие ГИС

Первые геоинформационные системы появились в 60-х годах прошлого века в Канаде, США и Швеции. Эти системы тогда имели

14

существенные программные и технические ограничения и широко не применялись.

В течение 20 лет, вплоть до 80-х годов, проходило становление геоинформатики как науки, отрабатывались методологические подходы к созданию ГИС, создавался математический аппарат, разрабатывались модели данных и алгоритмы их обработки [3, 5].

Геоинформатика – наука, технология и производственная деятельность по научному обоснованию, проектированию, созданию, эксплуатации и использованию географических информационных систем, по разработке геоинформационных систем, по прикладным аспектам или приложениям ГИС для практических или геонаучных целей. Входит составной частью или предметно и методично пересекается с геоматикой.

Геоматика – это совокупность применений информационных технологий, мультимедиа и средств телекоммуникаций для обработки данных, анализа геосистем, автоматизированного картографирования; также этот термин употребляется как синоним геоинформатики или геоинформационного картографирования [4].

Одновременно в 80-х годах происходит стремительное распространение компьютерной техники и расширение её возможностей. Всё это в итоге приводит к качественному переходу геоинформатики на новый уровень.

Следует заметить, что первоначально термин ГИС расшифровы-

вался как географическая информационная система. Однако сей-

час такой термин считается неверным и его следует применять только для обозначения геоинформационных систем, предназначенных для решения географических задач [3, 5].

В настоящее время геоинформационные технологии проникли практически во все сферы жизни: экология и природопользование; земельный кадастр и землеустройство; морская авиационная и автомобильная навигация; управление городским хозяйством; региональное планирование; маркетинг; демография и исследование трудовых ресурсов; управление дорожным движением; оперативное управление и планирование в чрезвычайных ситуациях; социология и политология.

Кроме того, ГИС используются для решения разнородных задач, таких как: обеспечение комплексного и отраслевого кадастра; поиск и эффективное использование природных ресурсов; территориальное и отраслевое планирование; контроль условий жизни

15

населения, здравоохранения, социальное обслуживание, трудовая занятость; обеспечение деятельности правоохранительных органов и силовых структур; наука и образование; картографирование.

ГИС постоянно находятся в тесной связи со следующими дисциплинами и технологиями: географией, картографией, дистанционным зондированием, информатикой, топографией и фотограмметрией, математикой и статистикой [4].

В настоящее время геоинформационные системы решают самые разные задачи в различных отраслях экономики. Фундаментальной особенностью ГИС, в сравнении их с другими информационными системами, является то, что все моделируемые в ГИС объекты и явления имеют пространственную привязку, позволяющую анализировать их во взаимосвязи с другими пространственноопределенными объектами. Кроме того, ГИС кардинально отличаются от большинства других информационных систем тем, что вся информация в ГИС очень наглядно представляется в виде электронных карт, позволяя человеку извлекать новые знания.

Основным отличием электронных карт в ГИС от бумажных карт является то, что в ГИС карта не является обычной статической картинкой. Каждый условный знак, изображенный в ГИС, соответствует некоторому объекту, который можно проанализировать, в частности, получить исчерпывающую дополнительную (неграфическую) информацию из базы данных. Так, одной из базовых функций ГИС является получение информации по выбранному на карте объекту. Например, указав в ГИС курсором мыши здание на карте города, можно получить детальную информацию о номере дома, этажности, материале стен, степени износа, его владельце.

В целом можно сказать, что в ГИС отображаемое на экране изображение всегда соответствует некоторому набору данных, хранящемуся в базе данных ГИС. При этом всегда можно перейти от условного знака на экране к объекту в базе данных и получить требуемую информацию, а также, найдя по некоторому критерию объект в базе данных, можно быстро найти его на карте.

ГИС характеризуются следующими положительными моментами:

– наглядностью представления семантической информации из БД за счет отображения взаимного пространственного расположения данных;

16

–увеличением информационной емкости продукта за счет связи пространственно-ориентированных изображений с семантической информацией из БД;

–улучшением структурированности информации и, как следствие, повышением эффективности ее анализа и обработки.

Традиционный набор функций геоинформационных систем при работе с картой включает:

–показ карты в различных масштабах не только рельефа и ситуации, но и геологического строения;

–выбор набора слоев информации для показа;

–зависимость внешнего вида объектов от их семантических характеристик;

–оперативное получение информации об объекте при выборе его курсором мыши;

–возможность распечатки любых фрагментов карты. Дополнительные параметры пространственных объектов

обычно называются атрибутами объектов (описательная характеристика объекта). Например, численность населения данного объекта (населенного пункта).

Основные направления развития системы управления дорожным хозяйством России определены программой "Автомобильные дороги". В её программном проекте "Информационное обеспечение" в качестве одной из основных задач по формированию и поддержанию системы оперативного информационного органов управления, организаций и предприятий дорожного хозяйства являются создание и поддержание единого информационного пространства в целях надежного управления дорожным хозяйством, эффективного контроля за деятельностью дорожных организаций и предприятий, а также повышение качества обслуживания пользователей автомобильных дорог.

В соответствии с программным проектом "Информационное обеспечение" на важнейших федеральных автомобильных дорогах, в первую очередь, входящих в состав международных транспортных коридоров, будет осуществлено создание и развитие отраслевой системы связи и информатизации с использованием современных технологий, направленной на своевременное обеспечение пользователей (водителей, руководителей организаций и т.д.) необходимой информацией о транспортно-эксплуатационном состоянии автомобильных дорог, условиях безопасности движения, метеорологических условиях, наличии и состоянии объектов дорожного сервиса, интенсивности и соста-

17

ве движения транспортных потоков и т.д. Она позволяет обеспечить определенную связь с учреждениями здравоохранения, охраны правопорядка, противопожарной службы и других, будет способствовать снижению тяжести последствий ДТП за счет сокращения времени спасения и эвакуации пострадавших, оказания им оперативной медицинской помощи. Система предусматривает развитие автоматизированных центров управления производством в организациях, осуществляющих содержание федеральных автомобильных дорог [5].

2.2. Функциональные возможности ГИС

Классическая схема функций ГИС, предложенная «патриархом» геоинформатики канадцем Р.Томлинсом, приведена на рис. 2.1. Соответственно этим обобщенным функциям ГИС выделяют и подсистемы ГИС: подсистемы сбора, обработки, анализа и т.д. [3, 5].

Рис. 2.1. Функции геоинформационной системы

К подсистеме сбора информации относятся: 1) цифровые карты; цифровое фото- и видеоизображение; входящие пространственные данные; входящие атрибутивные данные. На их основе формируются базы данных географической информации и атрибутивной информации.

Вподсистемах обработки и анализа формируется система обработки пространственных данных и производится управление базой данных.

Вподсистеме отображения на основе обработки пространственных данных формируются следующие карты: составные, проекционные, интерпретационные, многослойные на основе. На основе системы управления базой данных формируются табличная и статическая информация (площадь, расстояния, общая база данных) [4].

Эта схема отражает функции ГИС с точки зрения общих целей ГИС и технологического процесса обработки и анализа пространст-

18

венных данных, однако для обычного пользователя работа в ГИС выглядит несколько иначе [3, 5].

Специалисты, работающие в области ГИС и геоинформационных технологий, занимаются следующим: накоплением первичных данных; проектированием баз данных; проектированием ГИС; планированием, управлением и администрированием геоинформационных проектов; разработкой и поддержкой ГИС; маркетингом и распространением ГИС-продукции и геоданных; профессиональным геоинформационным образованием и обучением ГИС-технологиям [4].

2.3. Общая структура ГИС

С точки зрения обычного пользователя, геоинформационная система – это программа для персонального компьютера, позволяющая с помощью оконного интерфейса просматривать электронные карты и базы данных (БД) и анализировать пространственные данные, лежащие в основе карты [3, 5]. Любая ГИС включает в себя следующие компоненты: 1) аппаратная платформа; 2) программное обеспечение; 3) данные; 4) человек-аналитик.

Аппаратная платформа в свою очередь состоит из следующих частей:

–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, дисплеи). Если говорить о программном обеспечении ГИС, то следует отме-

тить, что большинство программных пакетов обладают схожим набором характеристик, такими как послойное картографирование, маркирование, кодирование геоинформации, нахождение объектов в заданной области, определение разных величин, различаются в цене и фукциональности. Выбор программного обеспечения зависит от конкретных прикладных задач, решаемых пользователем (таблица).

В установленной ГИС затраты на оборудование и ПО составляют лишь малую часть от затрат на приобретение и обработку данных. Обычно поставщики географических и атрибутивных данных предоставляют информацию о формате данных, дате их получения, их источников, качестве и анализируемости.

19

ГИС нацелены на совместную обработку информации двух типов:

1)географическая (пространственная, картографическая);

2)атрибутивная (непространственная, семантическая, тематическая, описательная, табличная).

Современные геоинформационные системы

Семантическая информация – это информация, содержащаяся в высказывании и передаваемая через значение единиц речи. Не всегда совпадает с его смыслом. Семантическая информация получает различную интерпретацию в зависимости от ситуации, контекста. Общеизвестно, что смысл любого слова естественного языка определяется контекстом. Это закономерное следствие того, что большинство слов применяется по отношению не к отдельной вещи, а к группе или классу вещей. Если бы от языка потребовалось соблюдение принципа "одно слово – одна вещь", то пользоваться таким языком было бы невозможно.

Географическая информация в ГИС представлена данными, описывающими пространственное местоположение объектов (координаты, элементы графического оформления). Данные находятся в цифровой форме на магнитных лентах, «жестких» дисках и служат для визуализации картины в той или иной модели данных.

Атрибутивная информация в ГИС – это данные, описывающие качественные или количественные параметры пространственно соответственных объектов.

Так, например, жилая постройка на дисплее может быть представлена в виде полигона (графическая составляющая), а в атрибутивной базе данных будет содержаться информация об ее площади, почто-

20

вом адресе, количестве этажей, материале стен, типе фундамента, годе постройки и т.д. (рис. 2.2) [4].

Рис. 2.2. Отображение в ГИС

Характеристика интерфейса: табличный и графический интерфейс соответствует стандарту WINDOWS. Все операции выполняются в интерактивном режиме работы с динамической визуализацией хода выполнения и результатов выполняемых операций.

К настоящему времени сложились определенные стереотипы, как должна выглядеть ГИС. Это привело к тому, что многие современные ГИС очень похожи друг на друга. Поэтому, научившись работать с одной из них, зачастую достаточно просто пользоваться и другими ГИС. Большинство современных ГИС работает на персональных компьютерах под управлением операционной системы

Microsoft Windows [3, 5].

Контрольные вопросы

1.Когда и в каких странах появились первые ГИС?

2.Какие основные отличия электронных карт ГИС от бумажных

карт?

3.Что включает в себя традиционный набор функций ГИС при работе с картой?

4.Что называют атрибутами объектов?

5.Какие основные функциональные возможности ГИС?

6.Какие существуют современные геоинформационные системы?

21

Лекция 3. МОДЕЛИ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДАННЫХ

3.1. Организация данных в ГИС

В основе геоинформационных систем лежит концепция послой-

ной организации пространственных данных, когда однотипные данные на земной поверхности группируются в слои (иногда называемые темами). Совокупность всех слоев в ГИС образует карту.

Деление объектов на слои производится так, чтобы в одном слое:

а) объекты были одной природы происхождения (дороги, реки, здания);

б) объекты желательно имели одинаковую топологическую структуру и размерность (их можно описать точками, линиями или полигонами).

В то же время чрезмерно большое количество слоев нежелательно. Например, нет смысла создавать отдельные слои для автомобилей разных марок, лучше сделать один слой с автомобилями, при этом каждому объекту, описывающему автомобиль, следует сопоставить код марки автомобиля.

На рис. 3.1 представлен пример городской застройки, на которой изображены жилые дома, фабрики, заправки, склады, различные автомобили, лесопарковая зона, река, улица, мост, тоннель. Для геоинформационной системы создаются 5 основных слоев:

1. Слой автомобилей. Каждый автомобиль должен представляться в виде точки и дополнительно описываться параметрами цвета и марки.

2.Слой автомобильных дорог. В зависимости от решаемых задач автомобильные дороги могут быть представлены в виде осевых линий либо в виде многоугольников, точно описывающих проезжую часть. В некоторых случаях имеет смысл иметь два отдельных слоя для осевых линий дорог и для проезжих частей.

3. Слой деревьев. Деревья можно представить в ГИС в виде точечных объектов, для каждого из которых заданы атрибуты типа дерева, высоты, диаметра. Альтернативно крупные лесопарковые массивы могут быть описаны в виде многоугольников, окаймляющих сплошные зоны насаждений. Для каждого такого массива деревьев в атрибутах следует указать плотность посадки, среднюю высоту деревьев.

22

4.Слой зданий. Здания представляются в виде многоугольников, описывающих контур здания на уровне земли. Для зданий в атрибутах следует указать тип здания (жилое, промышленное, коммерческое), адрес, высоту, количество этажей и др.

Рис. 3.1. Общая схема деления пространственных данных ГИС на отдельные

слои – наборы однотипных данных

5.Слой рек. Реки на карте города обычно представляются в виде многоугольников. На других более мелких картах (картах области или всей страны) реки часто моделируют с помощью ломаных.

Деление данных на слои позволяет работать в ГИС только с теми данными, которые необходимы для решения поставленных задач. В самом простом случае можно «выключить» те слои, которые нам не нужны, и увидеть на карте оставшиеся [3, 5].

23

3.2. Классификация моделей

В основе геоинформационных систем лежат различные модели данных, являющиеся отражением реальных сущностей на местности, отношений между ними и других дополнительных знаний, имеющих пространственную привязку. Каждая модель данных ГИС включает в себя различные отдельные пространственные объекты, связанные между собой дополнительными топологическими отношениями.

Пространственный объект (цифровая модель объекта местности)

– цифровое представление некоторого объекта в реальности, вклю-

чающее координатную привязку (описание геометрии) и набор атрибу-

тов (текстовых и числовых характеристик). В современных ГИС обычно используются следующие базовые типы пространственных объектов

(рис.3.2).

Рис. 3.2. Базовые типы пространственных объектов

Векторные объекты – используются в нетопологической и топологической моделях данных, к ним относятся:

1)точки – 0-мерные (точечные) объекты, характеризуемые координатами на плоскости или в пространстве;

2)мультиточки – 0-мерные (точечные) объекты, состоящие из не-

24

скольких (не менее одной) точек. Этот тип объектов является обобщением типа «точки»;

3)линии (полилинии, полиполилинии) – 1-мерные (линейные) объ-

екты, состоящие из последовательности (не менее двух) точек, соединённых между собой отрезками (сегментами, дугами). Заметим, что не все последовательные точки могут соединяться между собой отрезками,

апотому объекты данного типа могут иметь разрывы, т.е. быть топологически несвязанными. Топологически связанные линии обычно назы-

вают полилиниями, а несвязанные – полиполилиниями;

4)полигоны (области, регионы) – 2-мерные (площадные) объекты,

состоящие из нескольких (не менее одного) контуров, заданных в виде последовательности замкнутых линий и частей плоскости внутри контуров. Вышеприведенные типы векторных фигур называют простыми;

5)сложные фигуры (фигуры оформления, объекты САПР – из систем автоматизированного проектирования) – разнообразные 0-, 1-, 2- и 3-мерные фигуры, используемые в ГИС для оформления. При этом на практике применяются прямоугольники, эллипсы, дуги эллипса, сплайны, внедренные изображения (в виде растров и метафайлов),

OLE-объекты (объекты для вставки на карту произвольных графических изображений по технологии OLE операционной системы Windows), различные текстовые надписи, указатели, размерные линии, а

также специальные объекты для оформления карт в ГИС (масштабные линейки, стрелки направления на север, легенды карты, фрагменты других карт) [3, 5].

Каждому индивидуальному объекту сопоставляется свой уникальный указатель, называемый идентификатором (ID). Идентификатор – это формальный номер, приписываемый пространственному объекту слоя. ID может присваиваться автоматически или назначаться пользователем и служит для связи позиционной части пространственных данных.

Точки в реальном мире представляют собой населенные пункты, небольшие водоемы и горные вершины, здания или несколько объектов, расположение которых описывается единственной точкой.

Линиями и дугами являются существующие объекты, которые можно рассматривать как линии. Это может быть дорога, река, линия электропередач или подземные коммуникации.

Полигонами обычно обозначаются регионы (области, районы), типы почв, избирательные округа, земельные участки или контуры зданий.

Объемные фигуры задействованы при обозначении каких-либо количественных мер объектов (объем водоема, объем добываемого газа, соб-

25

ранный урожай) либо представляют собой объекты (здания) на трехмерных картах (3d-карты) [4].

При выполнении операций пространственного анализа (построение оверлеев, буферных зон, анализ близости) с использованием сложных фигур вначале выполняется их преобразование к простым типам.

Ячеистые элементы (элементы растровых, регулярных и нерегулярных моделей):

1.Пиксели – 2-мерные (площадные) объекты, являющиеся элементами регулярной прямоугольной решетки в растровой модели данных.

2.Ячейки – 2-мерные (площадные) объекты, являющиеся элементами регулярного разбиения в модели регулярной сети.

3.Треугольники – 2-мерные (площадные) объекты, являющиеся элементами разбиения поверхности на треугольники в нерегулярной мо-

дели триангуляции.

Модель данных – способ описания однотипных пространственных объектов, включающий способ описания отдельных объектов, топологических отношений между ними, а также дополнительных знаний о всей совокупности объектов в модели. Все множество моделей пространственных данных делится на две большие группы (см.

рис. 3.3).

Рис. 3.3. Модели пространственных данных

Векторные модели предназначены для описания совокупностей отдельных объектов, например, границ рек, озер, контуров зданий, осей дорог и инженерных коммуникаций. В векторных моделях ка-

26

ждый объект задается некоторым набором координат на плоскости или в пространстве, а также совокупностью атрибутов [3, 5].

Преимущества векторных моделей:

1.Хорошее визуальное представление географических ландшафтов.

2.Топология местности может быть описана, включая телекоммуникации, линии электропередач, газо- и нефтетрубопроводы, канализационную систему.

3.Превосходная графика, методы которой детально моделируют реальные объекты.

4.Отсутствие растеризации (зернистости) графических объектов

при масштабировании зоны просмотра [4].

В векторных нетопологических моделях все объекты являются полностью независимыми друг от друга и могут произвольно размещаться в пространстве.

Векторные топологические модели состоят из собственно описа-

ния отдельных объектов, а также из описаний топологии - отношений отдельных объектов между собой. Наиболее распространенными топологическими моделями являются линейно-узловая модель (покры-

тие) и транспортная сеть.

Ячеистые модели описывают непрерывные поля данных, такие как фотоснимки местности, поля загрязнений окружающей среды, высотных отметок (рельеф). В ячеистых моделях некоторый участок территории неразрывно разбивается на одинаковые (прямоугольники в растровой или треугольники в регулярной модели) или различные фрагменты (треугольники в нерегулярной триангуляционной модели), каждый из которых описывается своим набором атрибутов.

В геоинформационных системах все данные организуются в логические группы (тематические), называемые слоями, которые, в свою очередь, группируются в карты.

Слой карты (тема) – совокупность однотипных пространственных объектов, определенных в одной модели данных на общей территории и в общей системе координат.

Карта в ГИС – совокупность различных слоев, определенных на общей территории и в общей системе координат.

Цифровая модель местности (ЦММ) – математическая модель местности, состоящая из множества наборов пространственных данных, описывающих различные виды сущностей и знаний о земле.

27

ЦММ соответствует объектному составу топографических карт и планов и включает в себя описание формы рельефа земли, природных и антропогенных объектов и сооружений.

Цифровая карта – математическая модель графического изображения бумажных карт, общепринятых в картографии. В некотором смысле цифровая карта является упрощенным представлением ЦММ, включающей в себя только те данные по объектам местности, которые непосредственно отображаются на карте.

Цифровая модель рельефа (ЦМР) – часть цифровой модели мест-

ности, описывающая форму земной поверхности. ЦМР в геоинформационных системах моделируется с помощью ячеистых моделей данных, называемых обычно DEM (регулярная сеть высот) и TIN (нерегулярная триангуляционная сеть).

Вгеоинформационных системах ЦММ цифровые карты и ЦМР являются частью соответствующих карт и представляются в виде совокупности слоев.

Ввекторных нетопологических моделях все объекты произволь-

но и независимо размещены в пространстве. Термин «нетопологическая» в противовес «топологической» подчеркивает, что различные фигуры в пределах набора данных никак между собой не связаны и не влияют друг на друга.

Среди векторных нетопологических моделей выделяют два ос-

новных подвида: шейп-модель и САПР-модель.

Шейп-модель

В шейп-модели допустимы 4 вида данных: точки, линии, полигоны и мультиточки. При этом в пределах одного слоя карты, представленного в виде шейп-модели, допускаются объекты только одного вида. Соответствующие слои карты при этом называются

точечными, линейными, полигональными (площадными) и мультиточечными.

Данные в шейп-модели могут быть определены на плоскости, и тогда они характеризуются двумя координатами (х,у), а также в 3- мерном (координаты (х,у,г) или (х,у,т) и 4-мерном (координаты (x,y,z,m) пространстве. Координата т обычно используется в качестве так называемой «меры» для линий, когда значение меры описывает расстояние от некоторого начала (пикетажное расстояние). Для других типов шейп-данных (точек, полигонов и мультиточек) мера обычно не используется.

28

1.Точки в шейп-модели являются 0-мерными объектами, описываемыми набором соответствующих координат на плоскости или в пространстве. Точки используются для представления на карте таких объектов, как города на карте мира, колодцы, пожарные гидранты на плане города, высотные отметки рельефа.

2.Мультиточки в шейп-модели также являются 0-мерными объектами и состоят из ненулевого набора несоединённых точек. Этот тип объектов является обобщением типа «точки». Мультиточки используются на практике достаточно редко.

3.Линии в шейп-модели являются 1-мерными (линейными) объектами и определяются как последовательности соединённых отрезками точек. При этом выделяют 3 вида линий: спагетти,струны и кольца.

Спагетти могут самопересекаться, тогда как струны и кольца не могут (рис. 3.4). Все линейные объекты имеют некоторое значение длины, но всегда нулевую площадь. Спагетти должны состоять, по крайней мере, из одного отрезка, соединяющего две несовпадающие точки. Спагетти обычно используются при экспорте данных из некоторого источника линейных данных, где топологическая корректность данных не гарантируется.

Рис. 3.4. Пример данных типа «спагетти»

Струны также должны состоять из одного отрезка, соединяющего две несовпадающие точки. При вводе и редактировании струн производится проверка на то, чтобы не было самопересечений отрезков струны, а также последовательных коллинеарных отрезков. На рис. 3.5 приведены примеры допустимой и недопустимой струн.

Рис. 3.5. Пример данных типа «струна» (слева – допустимые, справа – нет)

29

Кольца должны иметь совпадающие начальную и конечную точки. При вводе и редактировании колец производится проверка на отсутствие самопересечений отрезков кольца, а также последовательных коллинеарных отрезков. На рис. 3.6 приведены примеры допустимого и недопустимого колец.

Рис. 3.6. Пример данных типа«кольцо» (слева – допустимые, справа – нет)

4.Полигоны в шейп-модели являются 2-мерными (площадными) объектами и определяются несколькими (не менее одного) контурами, заданными в виде последовательности замкнутых непересекающихся линий (рис. 3.7). Один из этих контуров должен быть внешним, а остальные – внутренними. Внутренние контуры при этом должны задаваться в порядке обхода контура по часовой стрелке, а внешние – против. Для каждой фигуры в шейп-модели данных может храниться некоторое число дополнительных числовых или текстовых параметров (атрибутов), описывающих различные характеристики моделируемых объектов.

Рис. 3.7. Пример данных типа «полигон»

30

САПР-модели

САПР-модель (модель данных, типичная для систем автоматизированного проектирования) используется в геоинформационных системах, как правило, для графического оформления карт и создания сложных чертежей. При этом в пределах одного слоя карты, представленного в САПР-модели, допускаются объекты различных типов: простые (точки, мультиточки, линии, полигоны) и сложные (прямоугольники, дуги, эллипсы, сплайны, растры, метафайлы, OLE-объекты, надписи, указатели, размерные линии и элементы оформления карт).

САПР-модель используется для создания на картографической основе сложных графических изображений, например схем инженерных сетей.

Векторная топологическая модель данных содержит 3 основных типа объектов: узлы, дуги и регионы. Каждый из этих объектов имеет уникальный идентификатор, с помощью которого устанавливаются взаимные связи между объектами.

Слой карты, представленный в виде топологической модели данных, называется покрытием. Этот термин происходит из-за того, что взаимное наложение дуг и регионов в модели покрытия не допускается, а вся совокупность регионов в модели вместе с универсальным регионом «покрывает» всю плоскость (рис. 3.8).

Узлы являются обычными точечными объектами, характеризуемыми координатами на плоскости (х,у).

Дуги являются линейными объектами – ломаными, соединяющими пару узлов покрытия и проходящими через последовательность промежуточных точек. Кроме того, дуги характеризуются ссылками на два смежных (слева и справа) региона. Между собой дуги одного покрытия пересекаться не могут.

Регионы (области, полигоны) являются площадными объектами. Они характеризуются набором контуров, каждый из которых, в свою очередь, описывается последовательностью дуг покрытия. Между собой регионы одного покрытия пересекаться не могут. Регионы бывают нескольких основных видов:

1. Простой регион – регион, содержащий только один контур.

2. Составной регион – регион, содержащий более одного контура. При этом составные регионы могут состоять из топологически несвязанных частей и иметь дырки.

31