Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования «Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет

(СибАДИ)»

Р.В. Зотов

ГЕОИНФОРМАТИКА

Учебное пособие

Омск • 2020

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Ю.В. Столбов (СибАДИ); канд. техн. наук, доц. Л.В. Быков (ОмГАУ)

СибАДИРИО ИПК . 644080, г. Омск, ул. 2-я Поселковая 1 © ФГБОУ ВО «СибАДИ», 2020

Работа одобрена редакционно-издательским советом СибАДИ в качестве учебного пособия.

Зотов, Руслан Викторович.

З-88 Геоинформатика [Электронный ресурс] : учебное пособие / Р.В. Зотов. –

Электрон. дан. – Омск : СибАДИ, 2020. – URL: http://bek.sibadi.org/cgibin/irbis64r plus/cgiirbis 64 ft.exe. – Режим доступа: для авторизованных пользователей.

Рассмотрены общие вопросы геоинформатики, функциональные возмож-

ности геоинформационных систем (ГИС) и технологий, организация данных и интерфейс ГИС. В практической части реализована детальная обработка картографических и аэрофотосъёмочных материалов, решение геодезических задач с использованием ГИС MapInfo.

Имеет интерактивное оглавление в виде закладок. Содержит ссылки на

интернет-ресурсы о учающего и демонстрационного характера.

Рекомендуется для студентов всех форм обучения специальностей «Строительство уникальных зданий и сооружений», «Строительство эксплуата- ц я, восстановлен е техн ческое прикрытие автомобильных дорог, мостов и тоннелей», а также для направления подготовки «Геодезия и дистанционное зонд рован е».

Мульт медийное издание (6 МБ)

стемные требован я: Intel, 3,4 GHz; 150 Mb; Windows XP/Vista 7; DOD-ROM; 1 Гб свободного места на жестком диске; программа для чтения

pdf-файлов: Adobe Acrobat Reader; Foxit Reader

Редактор И.Г. Кузнецова Техническая подготовка Н.В. Кенжалинова

Издание первое. Дата подписания к использованию 08.04.2020 Издательско-полиграфический комплекс СибАДИ. 644080, г. Омск, пр. Мира, 5

Ссылки на интернет-источники внутри работы кликабельны

ВВЕДЕНИЕ

Известно [1], что около 80% всех данных, существующих в настоящее время у министерств, ведомств и у частных компаний, можно отнести к типу пространственных данных, образующих значительную

часть национальных информационных ресурсов. Их эффективное ис- СибАДИпользование предполагает наличие организационных структур и инст-

рументов, позволяющих оперировать ими. Такие инструменты − географические информационные системы (ГИС) − известны с середины XX в. Сегодня ГИС реализованы в огромном количестве технологических решений и программных продуктов, объединенных понятием геоинформационные технологии. С их помощью решаются стратегические государственные и глобальные задачи устойчивого развития территорий, охраны окружающей среды и обеспечения национальной безопасности.

В настоящее время во многих вузах страны открыты кафедры со специализациями по геоинформатике; экологам, географам, геологам, почвоведам и студентам других специальностей читается курс «Геоинформатика». Более того, стали появляться не только средние учебные заведения, но даже общеобразовательные школы с геоинформационной специализацией. Поэтому требуются учебники, содержащие фундаментальные знания, а также специализированные учебные пособия с упражнениями, например, в виде ла ораторных работ, практическое изучение которых позволит освоить основной материал курса и получить навыки применения геоинформационных систем для решения практи-

ческ х задач.

Учебное посо е состоит из четырёх глав и приложения. Первая

глава ввод т студента в сферу геоинформатики и начинается с определен я гео нформат ки основных понятий о географических информа- ц онных с стемах. Рассматр вается геоинформатика как наука, техноло- г я про зводство. Изложены функциональные возможности важнейших технологических блоков ГИС. Рассмотрены процессы аналогоцифрового преобразования данных, работа с информацией и базами данных в ГИС. Описаны операции, связанные с анализом пространственновременных данных, а также вывод и документирование результатов обработки данных средствами ГИС. Даётся классификация ГИС по разным основаниям, включая пространственный охват, предметную область информационного моделирования, проблемную ориентацию, их структур- но-функциональные прикладные особенности.

3

Модели пространственных данных − ключевая тема второй главы. Это свод правил, по которым конструируются сложные пространствен-

ные объекты из более простых, или элементарных, иначе − язык цифрового описания пространственных данных. Среди множества моделей (представлений) можно выделить базовые, «канонические», проверенные временем и реализованные в подавляющем большинстве совре-

менных программных средств ГИС: векторные, растровые, регулярно- СибАДИячеистые и квадротомические. Современная практика предлагает мно-

жество вариантов традиционных моделей, ведутся эксперименты с их многомерными расширениями. Завершает главу описание современной геобазы данных, в которой тесно интегрируются геометрия, атрибутика и поведение объектов.

Чтобы начать работу с любой ГИС, необходимо разобраться с организацией интерфейса и принципами организации данных в Г С. Рассмотрению этой темы посвящена третья глава учебного пособия. Описываются общая структура ГИС, послойная организация данных, организация данных и интерфейс различных ГИС. Особое внимание уделяется организации информации ГИС MapInfo Professional, в которой вы-

полняются лабораторные работы, описываемые в четвёртой главе.

В четвёртой главе приводятся сведения об исходных данных и детально описывается выполнение четырёх лабораторных работ. В первой работе усваиваются нео ходимые сведения об интерфейсе программы MapInfo и регистрируется растровая карта по координатам точек координатной сетки. Во второй решаются восемь типовых геодезическ х задач для студентов первого курса с использованием цифровой топограф ческой карты. В третьей практической работе составляется

план участка, выч сляется его площадь и создаётся отчёт. В четвёртой

работе детально оп сывается регистрация растрового аэрофотоснимка

по результатам дент ф кации необходимых контурных точек цифро-

вой карты аэрофотосн мка. Реализуется корректировка материалов

съёмки прежн х лет по материалам навой фотосъёмки с разъяснением ряда нюансов.

Материалы, которые входят составной частью в курс геоинформатики,

посвящённые современным аэро- и космическим съёмкам, лазерной локации, инерциальной и спутниковым навигационным системам, изложены авторомв учебном пособии «Аэрогеодезия» [3]. Учебное пособие в электронном виде размещено на сайте Сибирской государственной автомобильно-дорожной

академии ( , кафедра «Проектирование дорог»), также имеется доста-

точное количествов бумажном виде на кафедре и библиотекеуниверситета.

4

Глава 1. ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

ИТЕХНОЛОГИИ

1.1.Основные понятия и определения геоинформатики

Современное состояние нашего общества характеризуется интенсивным развитием информационных и телекоммуникационных

технологий, проникновением их во все сферы человеческой дея- СибАДИтельности. Формируются новые области знаний, такие как ин-

форматика, геоинформатика, кибернетика и др., определяемые, в

силу своих безграничных приложений как метанауки. Внутри этих областей развиваются многочисленные новые направления практических приложений.

Рассмотрим понятия и определения, наиболее близкие к области знаний геоиформатике транспорта [7], возникающей на стыке геодезии, геоинформатики и навигации.

Уже из слова геоинформатика следует, что она является частью информатики − области знаний, связанной с автоматизированным получением, хранением, обработкой, передачей и представлением информации. В геоинформатике получают и обрабатывают пространст- венно-временную информацию, связанную с Землей и околоземным пространством, изучают, моделируют и прогнозируют процессы и явления, происходящие в геопространстве, т. е. в пространстве, ограниченном, как о ычно говорят, географической (а лучше сказать физической) о олочкой Земли со всеми объектами естественного и искусственного происхождения, на ней расположенными.

Исходя з этого, можно дать следующее краткое синтетическое определен е гео нформат ки.

Гео нформат ка — это область знаний, изучающая методы и средства получен я, хранения, обработки, передачи и представления пространственно-временной информации, связанной с геопространством.

При этом под обработкой следует понимать как преобразование пространственно-временных данных (или геоданных [1]), так и моделирование, прогнозирование, поддержку принятия решений, технологии искусственного интеллекта и др.

Геоданные принято разделять (см., например, [9, 6]) на две большие группы: базисные геоданные (координатные геоданные) и специальные тематические геоданные (атрибутивные геоданные). Геоданные являются исходной информацией для геоинформатики ,

5

в частности, для получения геоинформации как совокупности сведений об объектах и явлениях, существующих в геопространстве, характеризующихся наличием пространственных отношений между ними [4, 6].

Геоинформация представляет собой формализованные геоданные в виде совокупности информационных моделей, предназначен-

ных для использования в различных автоматизированных информационных системах: системах автоматизированного проектирования (САПР), геоинформационных системах (ГИС, навигационных системах (НС) и др.

СибАДИПод данными будем понимать совокупность фактов и сведений, представленных в каком-либо формализованном виде (в ко личественном или качественном выражении) для их использования в науке или других сферах человеческой деятельности. Происхождение слова данные связывают с латинским термином datum, обозначающим именно факты, но более точно в понятие данные включаются и не имеющиеся в реальности идеи, представления или гипотезы. Применительно к характеризуемой нами сфере данные можно рассматривать не только как совокупности фактов, сведений, гипотез т. д. (из которых может быть

Геоинформационная система (ГИС) − автоматизированная информационная система, предназначенная для обработки про- странственно-временных данных на основе интеграции данных,

технологий и методов представления информации.

Системные уровни ГИС − уровни, определяющие системную структуру полной ГИС. Обобщенная ГИС [8] содержит три сис-

темных уровня следующего содержания:

—системный уровень сбора, первичной обработки и унифика-

ции (т. е. приведение к единообразию) собранной информации;

—системный уровень моделирования, хранения и обновления

информации (содержит внутреннюю БД);

—системный уровень представления.

Кратко [1] ГИС определялись как информационные системы,

обеспечивающие с ор, хранение, о работку, отображение и распространен е пространственно-координированных данных, а также получен е на х основе новой информации и знаний.

6

получена информация и выведены определенные заключения и определены новые знания), но, прежде всего, как их упорядоченные наборы, преобразованные в специфическую форму, удобную для компьютерной обработки.

В практическое понимание информации в основном включаются «процессы обмена разнообразными сведениями между людьми, челове-

ком и автоматом − актуальная информация, процессы взаимодействия объектов неживой природы − потенциальная информация, степень сложности, организованности, упорядоченности той или иной системы» [1]. Такое понимание основывается на существовании в науке нескольких парадигм, которые с разных сторон стараются объяснить факты и явления информационного порядка.

СибАДИвается знан ем, этот ряд полностью будет, вероятно, выглядеть сле-

Необходимо отметить, что количество концепций и парадигм довольно велико. Тем не менее складывается парадоксальная ситуация − разработаны количественные методы вычисления информации, имеется множество определений понятия информация, но при этом существующие теории не дают адекватного, качественного понимания ее смысловой сущности, когда производят расчет количества информации. Иными словами, количественная сторона проблемы относительно раз-

вита, но не обеспечена качественным пониманием объекта вычисления.

Проанализировав и о о щив существующие определения информации [1], В.С. Тикунов приводит следующий вывод-

определение: информация − все, что может быть сообщено. При этом основное различие внутри этого понятия состоит не в информации

ж вой ( неж вой) пр роды и человека, а в существующей (наличест-

дующим образом: информация −знание−мысль (гипотеза).

Знания в философском их понимании −отражение семантических аспектов окружающей действительности в мозгу человека или даже в технической системе. Отметим также историческую последовательность привлечения данных, информации и знаний в геоинформатике. Так, вначале появились банки данных, позднее оформились географические информационные системы , наконец, возникли системы, основанные на знаниях, −интеллектуальные системы.

7

Возвращаясь непосредственно к геоинформационным системам, важно подчеркнуть их способность хранить и обрабатывать пространственные данные, что и отличает ГИС от иных информационных систем.

Первоначально ГИС представляли собой географические информационные системы. В настоящее время функциональные возможности ГИС значительно шире информационных географических

систем. Они способны интегрироваться с любыми автоматизиро- СибАДИванными системами: инвентаризации, проектирования, навигации и

управления, приобретают уровень информационно-управляющих систем. Естественно, что в этих условиях их не относят к географическим, а называют просто геоинформационными.

Считается, что основу геоинформатики составляют геоин-

формационные системы и геоинформационные технологии (Г Т).

ГИТ определяется [9,6] как разновидность информационных технологий, связанных со сбором, обработкой, хранением, представлением и передачей геоданных и геоинформации с использо-

ванием не только ГИС, но и других автоматизированных систем.

Во многих работах, в том числе и нормативных и справочных ГИТ по существу сводятся к ГИС технологиям, т. е. к технологиям ,

связанным с применением ГИС, что не соответствует действительности. На самом деле из определения геоинформатики следует, что все автоматизированные технологии сбора и обработки геоданных являются геоинформационными. Понятно, что практически все координатные геоданные создаются технологиями наземной геодезии (электронная тахеометр я, спутниковые определения, лазерная ло-

кац я наземного аз рован я и др.) и технологиями дистанционного

зонд рован я. Все эти технологии являются автоматизированными и потому, безусловно, входят в состав ГИТ. В Европе для этих техноло-

г й определена новая область знаний − геоматика, включающая и теорет ческ е аспекты. В нашей стране акцента на геоматику пока не сделано, поскольку большая часть понятий геоматики совпадает с понятиями геоинформационных технологий. Результатами ГИТ являются координатные геоданные и геоинформация, на основе кото-

рых формируются геоинформационные модели (ГИМ) в виде цифро-

вых (координатных) моделей местности, рельефа, объектов и др. В своей совокупности, геоданные, геоинформация и геоинформацион-

ные модели образуют т. н. геоинформационное пространство (ГИП)

[6], являющееся моделью реального геопространства предназна-

ченного для использования в автоматизированных системах инвен-

8

таризации, проектирования, навигации и управления, в том числе в ГИС. Рассмотрим основную схему информационного процесса по созданию геоинформационного пространства в виде цифровых (ко-

ординатных) моделей геопространства как основного результата деятельности геодезистов и геоинформатиков (рис. 1).

СибАДИРис. 1. Схема информационного процесса по формированию Г П

Окружающее нас физическое пространство представлено находящимися в непрерывном движении физическими телами и физическими полями с возникающим между ними обменом энергии и переходом ее из одной формы в другую. В результате в пространстве возникает информационное поле сигналов, условно изображенное на первом и втором этапах информационного процесса. При наличии средств регистрации сигналов (объект 3) и методов их обработки на этапах 4 − 5 получают первичные данные. Эти данные (например, результаты полевых измерений) могут быть обработаны более совершенными методами на стадии камеральных работ (этапы 6 − 7) с извлечением более детальной информации, сформированы в файловые структуры и сохранены на магнитных носителях (этапы 8 и 9). При на- л ч соответствующего аппаратного и программного обеспечения на эт х этапах может форм роваться и геоинформационное пространство в в де ц фровых моделей местности. Это формирование осуществляется, напр мер, в современных электронных тахеометрах, уже начиная с четвертого этапа, на цифровых фотограмметрических станциях (этапы 6 −7) т. д.

формированная на этапах камеральных работ геоинформация

или уже готовое геоинформационное пространство передается далее на компьютер с установленным на нем программным обеспечением, необходимым для конкретного пользователя, автоматизированной информационной системой типов ГИС, САПР др. (этапы 10 −11).

На самом деле информационный процесс на этом не завершается. После процесса проектирования в САПР, например, геоинформационное пространство дополняется цифровой моделью проекта сооружения (ЦМПС), по которой создаётся проект производства гео-

9