2620

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»

Р.В. Зотов

ГЕОИНФОРМАТИКА

Учебное пособие

Омск

СибАДИ

2013

1

УДК 528.48 УДК 91(075.8) ББК 26.12

З-88

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф., заслуженный работник геодезии и картографии РФ

Ю.В. Столбов (СибАДИ);

канд. техн. наук Л.В. Быков (ОмГАУ)

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

Зотов Р. В.

З-88 Геоинформатика : учебное пособие / Р.В. Зотов. – Омск :

СибАДИ, 2013. – 154 с., ил.

Учебное пособие рекомендуется для студентов специальностей 270205 «Строительство мостов и тоннелей» и 270201«Автомобильные дороги и аэродромы», изучающих «Инженерную геодезию и геоинформатику», «Основы аэрогеодезии», а также для других специальностей, изучающих «Геоинформатику».

Ил. 92. Библиогр. 11 назв. Прил. Компакт-диск 1.

© ФГБОУ ВПО «СибАДИ», 2013

ПРЕДИСЛОВИЕ

Теоретическая часть учебного пособия составлена по материалам учебников для студентов высших учебных заведений: «Геоинформатика» [1], 2010 г. под редакцией профессора В.С. Тикунова; «Инженерная геодезия и геоинформатика» [5], 2012 г под редакцией С.И. Матвеева; «Геоинформационные системы в дорожной отрасли» [2], 2005 г.

Практическая часть разработана автором на основе учебной цифровой топографической карты, составленной УРПЦ «Уралгеоинформ» в формате MapInfo 5, сканированных учебных аэрофотоснимков масштаба 1:12 000 и растровой учебной топографической карты.

Практическая часть состоит из четырёх лабораторных работ: Лабораторная работа № 1. Ознакомление с интерфейсом программы MapInfo. Регистрация растровой карты.

Лабораторная работа № 2. Решение восьми учебных задач с использованием цифровой карты и программ. Для шести задач программы составлены в «Уралгеоинформ», две автором.

Лабораторная работа № 3. Составление топографического плана участка. Создание отчёта.

Лабораторная работа № 4. Регистрация растрового аэрофотоснимка по цифровой карте. Корректировка карты по новому снимку.

В учебный комплект, кроме учебного пособия, входит компактдиск. Компакт-диск содержит необходимые для выполнения лабораторных работ исходные данные: учебная топографическая карта в векторной и растровой формах; учебные растровые аэрофотоснимки; комплекс программ для решения задач по цифровой топографической карте. Здесь же даны результирующие отчёты работ № 3 и № 4 в виде рабочих наборов в формате MapInfo 5.

3

ВВЕДЕНИЕ

Известно [1], что около 80 % всех данных, производимых в настоящее время министерствами, ведомствами и частными компаниями, можно отнести к типу пространственных данных, образующих таким образом значительную часть национальных информационных ресурсов. Их эффективное использование предполагает наличие организационных структур и инструментов, позволяющих оперировать ими. Такие инструменты — географическиеинформационные системы (ГИС)— известны с середины XX в. Сегодня ГИС реализованы в огромном количестве технологических решений и программных продуктах, объединенных понятием геоинформационных технологий. 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 толькосредние учебные заведения, но и даже общеобразовательные школы с геоинформационной специализацией. Поэтому требуются учебники, содержащие фундаментальные знания, а также специализированные учебные пособия с упражнениями, например, в виде лабораторных работ, практическое изучение которых позволит освоить основной материал курса и получить навыки применения геоинформационных систем для решения практических задач.

Учебное пособие состоит из четырёх глав и приложения. Первая глава вводит студента в сферу геоинформатики и начинается с определения геоинформатики и основных понятий о географических информационных системах. Рассматривается геоинформатика как наука, технология и производство. 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 и прикладные особенности.

Модели пространственных данных ключевая тема второй главы.

4

Это свод правил, по которым конструируются сложные пространственные 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 современных программных средств ГИС: векторные, растровые, регулярноячеистые и квадротомические. Современная практика предлагает множество 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 ГИС. Рассмотрению этой темы посвящена третья глава учебного пособия. Описывается общая структура ГИС, послойная организация данных, организация данных и интерфейс различных ГИС. Особое внимание уделяется организации информации ГИС MapInfo Professional, в которой выполняются 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 необходимые сведения об интерфейсе программы MapInfo и регистрируется растровая карта по координатам точек координатной сетки. Во второй решаются восемь типовых геодезических задач для студентов первого курса с использованием цифровой топографической карты. В третьей практической работе составляется план участка, вычисляется его площадь и создаётся отчёт. В четвёртой работе детально описывается регистрация растрового аэрофотоснимка по результатам идентификации необходимых контурных точек цифровой карты и аэрофотоснимка. Реализуется корректировка материалов съёмки прежних 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 автором в учебном пособии «АЭРОГЕОДЕЗИЯ»[3]. Учебное пособие в электронном виде размещено на сайте Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ, кафедра «Геодезия»). А также имеется достаточное количество в бумажном виде на кафедре и библиотеке академии.

5

Глава 1. ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

ИТЕХНОЛОГИИ

1.1Основные понятия и определения геоинформатики

Современное состояние нашего общества характеризуется интенсивным развитием информационных и телекоммуникационных технологий, проникновением их во все сферы человеческой деятельности. 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 пространственно-временную информацию, связанную с Землей и околоземным пространством, изучают, моделируют и прогнозируют процессы и явления, происходящие в геопространстве, т. е. в пространстве ограниченном, как обычно говорят географической (а лучше сказать физической) оболочкой Земли со всеми объектами естественного и искусственного происхождения на ней расположенными.

Исходя из этого, можно дать следующее краткое синтетическое определение геоинформатики.

Геоинформатика — это область знаний, изучающая методы и средства получения, 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 геодан-

6

ные). Геоданные являются исходной информацией для геоинформатики и 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, предназначенных для использования в различных автоматизированных информа-

ционных системах: системах автоматизированного проектирования (САПР), геоинформационных системах (ГИС,. навигационных системах (НС) и др.

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

системных уровня следующего содержания:

—системный уровень сбора и первичной обработки и уни-

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

—системный уровень моделирования, хранения и обнов-

ления информации (содержит внутреннюю БД);

—системный уровень представления.

Кратко [1] ГИС определялись как информационные системы,

обеспечивающие сбор, хранение, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных, а также получение на их основе новой информации и знаний.

Прежде всего, обратимся к базовым категориям — данным, информации и знаниям, — которые были использованы при определении ГИС. Термины «данные», «информация» и «знания» стали общеупотребительными, постоянно встречаясь в газетах, теле- и радиопередачах.

Под данными будем понимать совокупность фактов и сведений, представленных в каком-либо формализованном виде (в количественном 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

7

имеющиеся в реальности идеи, представления или гипотезы. Применительно к характеризуемой нами сфере «данные» можно рассматривать не только как совокупности фактов, сведений, гипотез и т. д. (из которых может быть 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, человеком 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 явленияинформационногопорядка.

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 развита, но не обеспечена качественным пониманием объекта вычисления.

Проанализировав и обобщив существующие определения информации [1], приводится следующий вывод-определение: информация — все, что может быть сообщено. При этом основное различие внутри этого понятия состоит не в информации живой (и неживой) природы и человека, а в существующей (наличествующей) и передаваемой информации. Существующая информация — сведения, которые можно сообщить о каком-то объекте(явлении).

Перейдем теперь к понятию «знание». Определений «знания» так же много, как и определений информации. Знания — это интерпретация информации. Однако интерпретация в известном смысле не ограничивается знанием, и этот ряд полностью будет, вероятно, выглядеть сле-

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 последова-

8

тельность привлечения данных, информации и знаний в геоинформатике. Так, вначале появились банки данных, позднее оформились географические информационные системы и, наконец, возникли системы, основанные на знаниях, — интеллектуальные системы.

Возвращаясь непосредственно к геоинформационным системам,

важно подчеркнуть их способность хранить и обрабатывать про-

странственные данные, что и отличает ГИС от иных информационныхсистем.

Первоначально ГИС представляли собой географические информационные системы. В настоящее время функциональные возможности ГИС значительно шире информационных географических систем. Они способны интегрироваться с любыми автоматизиро-

ванными 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 (ГИТ).

ГИТ определяется [9,6] как разновидность информацион-

ных технологий, связанных со сбором обработкой, хранением, представлением и передачей геоданных и геоинформации с использованием не только ГИС, но и других автоматизированных систем. Во многих работах, в том числе и нормативных и справочных ГИТ сводят по существу к ГИС технологиям, т. е. к технологиям связанным с применением ГИС, что не соответствует действитель-

ности. 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 тахеометрия, спутниковые определения, лазерная локация наземного базирования и др.) и технологиями дистанционного зондирования. Все эти технологии являются автоматизированными и потому, безусловно, входят в состав ГИТ. В Ев-

ропе для этих технологий определена новая область знаний — геоматика, включающая конечно и теоретические аспекты. В нашей стране акцента на геоматику пока не сделано, поскольку большая часть понятий геоматики совпадает с понятиями геоинформаци-

онных технологий. Результатами ГИТ являются координатные геоданные и геоинформация, на основе которых формируются гео-

9

информационные модели (ГИМ) в виде цифровых (координатных) моделей местности, рельефа, объектов и др. В своей совокупности, геоданные, геоинформация и геоинформационные модели образуют т. н. геоинформационное пространство (ГИП) [6], являющееся мо-

делью реального геопространства и предназначенного для использования в автоматизированных системах инвентаризации, проектирования, навигации и управления, в том числе в ГИС. Рассмотрим основ-

ную схему информационного процесса по созданию геоинформационного пространства в виде цифровых (координатных)

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

Рис. 1. Схема информационного процесса по формированию ГИП

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 изображенном 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 наличии соответствующего аппаратного и программного обеспечения на этих этапах может формироваться и геоинформационное пространство в виде цифровых моделей местности. Это формирование осуществляется, например, в современных электронных тахеометрах уже начиная с четвертого этапа, на цифровых фотограмметрических станциях (этапы б —7) и т. д. Сформированная на этапах камеральных работ

геоинформация, или уже готовое геоинформационное пространство

передается далее на компьютер с установленным на нем программным обеспечением, необходимой для конкретного пользователя, автоматизированной информационной системы типа ГИС, САПР и др. (этапы

10