871

УДК 681.3

Евдокимова, С.А. Компьютерное моделирование в геоинформационных системах [Текст] : методические указания к изучению дисциплины и выполнению контрольной работы для студентов заочного обучения специальности 250201 – Лесное хозяйство / С. А. Евдокимова ; Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО "ВГЛТА". – Воронеж, 2009. – 16 с.

Печатается по решению учебно-методического совета ВГЛТА (протокол № 8 от 11 июня 2009 г.)

Рецензент начальник отделения ФГУП НИИЭТ, канд. техн. наук В.П. Крюков

4

экономические геосистемы посредством компьютерного моделирования на основе баз данных и баз знаний.

Геоинформатика, как и другие науки о Земле, направлена на изучение процессов и явлений, происходящих в геосистемах, но пользуется для этого своими средствами и методами. Главными из них являются компьютерное моделирование и геоинформационное картографирование. Основные цели геоинформатики как науки – это управление геосистемами: инвентаризация, оценка, прогнозирование, оптимизация и т.п.

Впростейшем варианте геоинформационные системы представляют собой сочетание обычных баз данных (атрибутивной информации) с электронными картами (или другими картографическими произведениями), то есть мощными графическими средствами. ГИС объединяют традиционные операции при работе с базами данных – запрос и статистический анализ – с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эта особенность дает уникальные возможности для применения ГИС в решении широкого спектра задач, связанных с анализом явлений и событий, прогнозированием их вероятных последствий, планированием стратегических решений.

ВГИС преодолеваются основные недостатки обычных карт – их статичность и ограниченная емкость как носителя информации. ГИС обеспечивает управление визуализацией информации. Появляется возможность выводить (на экран, на твердую копию) только те объекты или их множества, которые интересуют нас в данный момент. Фактически осуществляется переход от сложных комплексных карт к серии взаимоувязанных частных карт. При этом улучшается структурированность информации, а следовательно, повышается эффективность ее обработки и анализа.

Кглавным функциям ГИС относятся:

−ввод, обработка, поиск, оценка и осмысление пространственных данных, представляемых в цифровой форме;

−определение состава и тематического содержания пространственной информации, необходимой для решения поставленной задачи, в сочетании с вопросами определения системы координат, в которой создается основа базы данных, структуры и модели данных, методов и средств цифрования и хранения данных, оценки их точности и достоверности;

−анализ пространственных данных: анализ взаимосвязей процессов и явлений в природе средствами преобразования и совмещения в пространстве информации разного типа (оверлея), генерализация картографических,

5

аэрокосмических и статистических данных, интерактивное дешифрование снимков;

−представление пространственных данных (электронные карты и атласы, преобразованные снимки, таблицы, анимационные модели и т.п.);

−создание выходной продукции на основе выполненного анализа данных и средств компьютерной графики.

Составляющими геоинформационных систем являются: аппаратные средства, программное обеспечение и данные. Программное обеспечение ГИС содержит функции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации.

Структура данных геоинформационных систем представляется как набор информационных слоев. Информационный слой – это совокупность однотипных пространственных объектов, относящихся к одному типу или классу объектов в пределах некоторой территории и в системе координат, общих для набора слоев. Например, базовый слой содержит данные о рельефе, затем следуют слои гидрографии, дорожной сети, населенных пунктов, почв, растительного покрова, распространения загрязняющих веществ и т.д. Условно эти слои можно рассматривать в виде "этажерки", на каждой полочке которой хранится карта или цифровая информация по определенной теме.

Многослойная электронная карта в ГИС позволяет не только хранить большой объем пространственной информации, но и проводить селекцию данных, анализировать слои по отдельности или совместно в разных комбинациях, выполнять их взаимное наложение (оверлей), осуществлять визуализацию и повышать эффективность интерактивной обработки.

Все данные в ГИС подразделяют на две взаимосвязанные составляющие –

позиционные и атрибутивные (семантические) данные.

Позиционная информация описывает положение объектов (или их пространственную форму) в координатах двух- и трехмерного пространства –

географических (ϕ, λ) или декартовых (x, y, z).

Основой визуального представления позиционных данных в геоинформационных системах является графическая среда, в которой объекты нумеруются и каждому объекту присваивается уникальный номер или идентификатор. Для графического представления объектов в ГИС используются векторные и растровые модели изображения.

Векторная модель – это цифровое представление пространственных объектов с помощью координат, описывающих геометрию объекта и его пространственное размещение.

6

Растровая модель – это цифровое представление пространственных объектов и их непрерывных изменений в виде совокупности ячеек заданного размера (пикселей).

Качественные и количественные характеристики объектов, их семантика относятся к непозиционной информации, называемой атрибутивной, и представляются в текстовом или числовом виде.

Атрибут – это свойство, качественный или количественный признак, характеризующий пространственный объект (но не связанный с его указанием) и ассоциированный с его уникальным номером. Например, дорога может иметь название и относиться к определенному классу – грунтовая, шоссе; горизонталь описываться высотой и т.д.

Атрибуты, соответствующие тематической форме данных и определяющие различные признаки объектов, хранятся в таблицах. Каждому объекту соответствует строка таблицы, каждому тематическому признаку – столбец таблицы. Каждая клетка таблицы отражает значение определенного признака для данного объекта.

Для упорядочения, хранения и манипулирования атрибутивными данными используются средства систем управления базами данных, как правило, реляционного типа.

Объекты в БД объединяют в группы по типам – они имеют одинаковую форму хранения и представления, например дороги, реки, высоты. Тем самым обеспечивается основа для формирования общих атрибутов типов.

Применение атрибутов позволяет осуществлять анализ объектов базы данных с использованием стандартных форм запросов и разного рода фильтров, а также выражений математической логики.

Таким образом, совокупность взаимосвязанных пространственных и семантических данных в ГИС образуют картографические базы данных какойлибо территории.

Главной составной частью картографических баз данных являются электронные карты, для работы с которыми в геоинформационных системах используются специальные средства и методы пространственного анализа.

Основными направлениями компьютерного моделирования в ГИС являются следующие программно-технологические операции:

−операции преобразования форматов и представлений данных (векторно-растровое и растрово-векторное);

−проекционные преобразования (переход от одной картографической проекции к другой);

7

−геометрический анализ (определение расстояний, длин ломаных линий, координат центроидов, поиск точек пересечений линий, определение принадлежности точки замкнутому контуру и т.д.);

−оверлейные операции (наложение друг на друга двух и более разноименных слоев с генерацией производных объектов, возникающих при их геометрическом наслоении, и наследованием атрибутов);

−функционально-моделирующие операции (построение буферных зон, цифровое моделирование рельефа, анализ сетей и т.д.).

2.ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Вгосударственном стандарте высшего профессионального образования по специальности "Лесное хозяйство" по многим дисциплинам предусмотрено изучение и использование компьютерных программ, методов, технологий. В целом они относятся к классу геоинформационных систем.

Цель изучения дисциплины "Компьютерное моделирование в ГИС" состоит в профессиональной ориентации студентов на применение в практической деятельности методов и средств современных геоинформационных систем с широким использованием инструментов и возможностей компьютерной графики.

Для достижения поставленной цели при изучении дисциплины ставятся и решаются следующие задачи:

−изучить общие вопросы по организации состава, назначению и характеристикам ГИС;

−познакомиться с внешними устройствами, предназначенными для ввода/вывода информации в геоинформационные системы;

−изучить форматы представления информации в ГИС;

−освоить приемы использования компьютерной графики при выполнении схем и рисунков лесохозяйственных объектов;

−овладеть навыками решения основных географических задач в геоинформационной системе MapInfo.

3. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

В результате освоения курса "Компьютерное моделирование в геоинформационных системах" студент должен знать:

−назначение и структуру организации геоинформационных систем;

−типы данных, используемых в ГИС;

8

−возможности и основные характеристики устройств ввода/вывода графической информации;

−состав и назначение программного обеспечения ГИС по созданию и обработке графической информации;

−основные операции компьютерного моделирования, выполняемые в геоинформационных системах;

−принципы подготовки и автоматизированной обработки информации в табличном и графическом режимах в ГИС.

Студент должен уметь создавать простейшие графические изображения, редактировать их и решать прикладные географические задачи в геоинформационной системе MapInfo.

Студент должен иметь навыки в использовании полученных знаний при решении практических задач по обработке графической информации, требующих применения вычислительной техники.

4. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Дисциплина " Компьютерное моделирование в ГИС" включает 4 раздела, содержание каждого из которых подробно рассмотрено ниже.

Раздел 1. ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ: ПОНЯТИЕ, СВОЙСТВА И НАЗНАЧЕНИЕ

Геоинформатика как наука. Взаимодействие геоинформатики и картографии.

Понятие о геоинформационных системах, их назначение и структура. История развития геоинформационных систем лесного хозяйства. Состав и архитектура комплекса технических средств ГИС. Устройства

графического ввода/вывода и отображения графических объектов. Классификация программного обеспечения геоинформационных систем:

инструментальные ГИС, ГИС-вьюверы, векторизаторы, справочнокартографические системы, специализированные средства пространственного моделирования, средства обработки и дешифрования данных зондирования земли.

Раздел 2. МЕТОДЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ КАРТОГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В ГИС

Семантическая и позиционная составляющие данных в ГИС. Слоевое представление пространственной информации в ГИС.

Растровая, векторная и векторно-топологическая модель. Операции преобразования форматов графической информации в ГИС.

9

Векторная графика: базовые графические примитивы компьютерной графики, принципы формирования сложных элементов, редактирование элементов изображения, двухмерные преобразования и системы координат.

Системы координат на земной поверхности. Классификация картографических проекций.

Раздел 3. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ КАРТОГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В ГИС

Классические задачи геометрического анализа в ГИС: определение расстояний, длин ломаных линий, координат центроидов полигонов, расчет площадей векторных объектов, определение принадлежности точки внутренней области полигона, поиск точек пересечения линий.

Оверлейные операции в ГИС: объединение, разбиение, удаление перекрытия и внешней части объектов.

Раздел 4. ФУНКЦИОНАЛЬНО-МОДЕЛИРУЮЩИЕ ОПЕРАЦИИ В ГИС Расчет и построение буферных зон. Анализ линейных сетей на основе

построения полигонов Вороного.

Цифровые модели местности: основные понятия и характеристики, методы построения.

5. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Теоретические принципы моделирования и анализа данных в ГИС студенты дополняют практическими навыками при работе с геоинформационной системой MapInfo на лабораторных занятиях. В таблице 1 приведен перечень лабораторных работ.

10

6. ФОРМЫ И МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Учебный процесс по дисциплине для студентов заочного обучения организуется следующим образом:

1.Изложение преподавателем на установочных лекциях, согласно рабочей программе по дисциплине, тех разделов дисциплины, которые выносятся на самостоятельное изучение и предшествуют выполнению контрольной работы.

2.Самостоятельный анализ студентами материала установочных лекций, самостоятельная проработка методических указаний к изучению дисциплины

ивыполнению контрольной работы, выяснение у ведущего преподавателя непонятных вопросов, возникших в процессе ознакомления с указанными материалами.

3.Ознакомление с заданиями на выполнение контрольной работы, уточнение постановки задач.

4.Самостоятельное выполнение и своевременная (до начала учебной сессии) сдача материалов контрольной работы.

5.Анализ замечаний ведущего преподавателя по материалам контрольной работы.

6.Проработка теоретического материала по рекомендованной литературе, отнесенного к самостоятельному изучению, формирование перечня вопросов для выяснения у ведущего преподавателя в период следующей сессии.

7.Самостоятельное изучение методических указаний к выполнению лабораторных работ и формирование в рабочей тетради по дисциплине планов выполнения лабораторных работ.

8.Выполнение аудиторных лабораторных работ в соответствии с выработанными планами, составление письменного отчета по выполненным работам и отчет перед преподавателем, курирующим выполнение лабораторных работ.

9.Конспектирование в рабочей тетради по дисциплине и анализ лекционного материала, излагаемого на аудиторных занятиях учебной сессии.

10.Подготовка к зачету и зачетный контроль знаний по вопросам, отнесенным к зачету.

7. КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Контрольная работа по дисциплине «Компьютерное моделирование в ГИС» включает в себя исследование по поставленному вопросу и знакомство с основными инструментами и принципами работы в ГИС MapInfo.