Реферат / Литература для реферата / Все вместе / Волкова В.Н., Козлов В.Н. Системный анализ и принятие решений Словарь-справочник

г

(Геоинформационные системы (ГИС) - специальные программные комплексы, предназначенные для решения задачи управления недвижимостью с помощью компью­ тера.

Геоинформационные системы обеспечивают повышение эффективности государст­ венного и муниципального управления.

ГИС имеют следующие характеристики:

•в состав ГИС входит база данных (и не одна), причем полная технология обра­ ботки информации в ГИС значительно шире, чем просто работа с базой данных;

•ГИС рассчитана не просто на обработку данных, а на проведение экспертных оценок во многих ситуациях. Другими словами, ГИС должна включать в свой состав экспертную систему (одну или несколько), а этого только на уровне базы данных дос­ тигнуть невозможно, так как экспертная система является более общей по отношению к базе данных;

•данные, которые обрабатывает и хранит ГИС, имеют не только пространствен­ ную, но и временную характеристику, что важно в первую очередь для географических данных. Процент чисто географических данных в таких системах незначителен, техноло­ гии обработки данных имеют мало общего с традиционной обработкой географических данных и, наконец, географические данные служат лишь базой для решения большого числа прикладных задач, цели которых далеки от географии. Поэтому современные гео­ информационные системы не являются чисто географическими.

Геоинформационные данные и ГИС\ В настоящее время существуют различные концепции геоинформатики и применения геоинформационных систем в управлении государствами, регионами, экономическим потенциалом некоторых стран.

В связи с этим в декабре 1996 г. было принято постановление Правительства России «ГИС как органы государственной власти (ОГВ)». В США правительственными органами используется следующее определение геоинформации: «Ггопространственные данные означают информацию, которая идентифицирует географи­ ческое местоположение и свойства естественных или искусственно созданных объектов, а также их границ на земле. Эта информация может быть получена (помимо иных путей) с помощью дистанционного зондирова­ ния, картографирования и различных видов съемок» (У. Клинтон. Распоряжение от 11.04.1994 «Координация в области производства и обеспечения доступа к данным: национальная инфраструктура пространственных данных»).

В рамках ГИС создаются электронные кадастры - аналоги Государственного зе­ мельного кадастра учета, оценки земель и регистрации прав на землю, регулирования земельных отношений и сведений о правовом, хозяйственно-экономическом, экологиче­ ском и природном состоянии городских земель и недвижимости (рис. 1).

Как видно из приведенной схемы, электронный земельный кадастр обеспечивает ре­ шение следующих задач:

• в сфере управления инвестиционными проектами - планирование земельного участка под конкретный инвестиционный проект и одновременная оценка вариантов проекта с помощью разработанного экономико-математического инструментария;

61

• в области управления земельными ресурсами - предоставление полной и достоверной информации для планирования и управления земельными ресурсами города, межведомственное взаимодействие при формировании объектов недвижимости, контроль состояния и использования городских земель и земельных участков;

• в области правовых отношений - регистрация прав на землю и сделок с ними и, как следствие, помощь в защите интересов инвесторов-землепользователей и города в целом;

3Земли Земли Права Земли

вграницахгорода,на землюгорода,

фбольшогоземельныеина ееотдельные

югородаучасткицелевоземельные

Ч

Рис. 1

• в сфере экономики - поступление земельных платежей в городской бюджет, проведение кадастровой (экономической) оценки городских земель, информационная и правовая поддержка рыночного оборота земли, а в перспективе - создание фондового рынка земельных ценных бумаг;

62

• в сфере общеинформационных услуг - предоставление правительству города, его структурам, судам, банкам, другим юридическим и физическим лицам достоверной кадаст­ ровой информации, информационная поддержка других городских реестров и кадастров.

Геоинформационная система городского хозяйства относится к низшему (муници­ пальному) уровню относительно используемых масштабов территориальных данных (1:10000 и более крупных). Вместе с тем это самые популярные ГИС, поскольку для их реализации требуются минимальные информационные и технические ресурсы.

Все координатные данные в ГИС должны входить в единую систему координат. Для позиционирования объектов в этой координатной системе должны быть определены идентификаторы местоположения, которые задают характеристики карты по всей юрисдикции, например: коды объектов, акты переписи населения, номера домов и т. д.

фируемой геосистеме.

Многие решения, которые принимаются с помощью ГИС, индивидуальны в каждой конкретной ситуации и поэтому трудно форма­

лизуемы. Карта в отличие от снимка не является копией местности; это изображение ре­ альности, образно говоря, пропущенное через голову и руки картографа. На снимке пред­ ставлены только факты, а на карте - еще и научные понятия, обобщения, логические абст­ ракции.

Программное обеспечение ГИС и соответствующие базы данных создаются специа­ лизированными организациями. В числе их можно отметить следующие программные продукты:

•геоинформационные системы Института исследования систем окружающей сре­ ды ESRI (США), такие как ArcView, Arclnfo и специализированные пакеты прикладных программ;

•геоинформационные технологии WinGIS (Австрия). Имеются теоретические ос­ новы и специальное программное обеспечение;

63

• моделирующая система Pilgrim-5 (и имитационные модели, создаваемые в опе­ рационной среде этой системы) имеет собственные ГИС-средства и, кроме того, позво­ ляют работать с различными базами данных, используя стандартные ODBC-интерфейсы.

Обсуждение соответствующих возможностей следует ниже.

С рассмотрением конкретной работы с различными ГИС можно познакомиться в [1].

Отображение геоинформации в ГИС. При оценке крупномасштабных геопроцес­ сов программное обеспечение ГИС должно учитывать1, что поверхность Земли - это эллипсоид. Географические координаты точек на поверхности Земли - это широта и долгота, которые измеряются в градусах °, минутах ' и секундах ". Причем 1 минута в 60 раз меньше градуса (1°=60'), а 1 секунда в 60 раз меньше минуты (Г=60и).

Расстояние между двумя пунктами на поверхности Земли определяется по формулам сферической тригонометрии. Рассмотрим сферический треугольник РАВ на сфере с центром в О. Вершина Р - полюс Земли. Введем следующие обозначения: ф| - географи­ ческая широта точки А (угол); ф2 - географическая широта точки В; - географическая долгота точки А; Х\ - географическая долгота точки В.

Необходимо найти /дв - длину дуги АВ.

Рассмотрим угол АОВ, который обозначим у. Одна из основных формул сфериче­

Радиус Земли Rx для широты ф* вычисляются по эллипсоиду Красовского:

7Л71

(2)

где 1\ = 6378245,000 м - большая полуось эллипсоида Земли; z2 = 6356863,019 м - малая полуось.

Функция double geoway(latY, IOILY, latX, IonГ) служит для определения расстояния между точками А"и Г по их географическим координатам. Она использует формулы Кра­ совского (1) и (2).

Взаимное расположение точек на поверхности Земли в средних широтах, характерных для России, стран Европы и США, рекомендуется изображать на плоскости (в частности, на экране монитора) в виде нормальной конической проекции. При отображении земного эллипсоида используется промежуточная поверхность земного шара с радиусом R .

Пример 1. Допустим, что необходимо подготовить экран монитора для отображения точек, находящихся на территории России (включая Калининградскую область), Бело­ руссии, Украины, Литвы и Латвии. Этот участок ограничен координатами:

Перейдем к радианной системе измерения углов.

Пересчет географических координат, измеряемых в градусах, минутах и секундах, в радианы не представляется сложной задачей. Отображаемую поверхность необходимо так расположить на плоскости, чтобы середина региона соответствовала центру той час­ ти экрана, на которой строится поверхность. Меридианы изображаются прямыми, исхо­

1 Ниже приводятся примеры, рассмотренные подробно в учебном пособии [1] и реализованные в ГИС-среде системы имитационного моделирования Pilgrim.

64

дящими из одной точки - проекции Северного полюса, которая находится за пределами экрана. Параллели - это дуги окружностей с радиусами, исходящими из полюса.

На рис. 3 показано расположение региона, максимально вписанное в отведенные прямоугольные границы экрана с размерами дстах - по горизонтали иутлх- по вертикали.

Все точки, имеющие координаты ф и X, должны попасть на экран с прямоугольными координатами х и у. Обычно при планировании места для отображения на экране выдер­ живают соотношение

З^тах 3

но могут быть и другие.

Рассмотрим угол конической развертки на экране ф = | Х2 - Xj |. Нетрудно заметить, что радиус окружности, касающейся нижней границы прямоугольника и соответствую­ щей южной граничной параллели региона, определяется как

Работа с прямоугольными координатами на экране монитора должна следовать пра­ вилам компьютерной графики:

• левый верхний угол прямоугольника имеет координаты х = 0 иу = 0;

•единица измерения - 1 пиксел.

Поэтому, если имеется точка А с координатами ср (широта) и X (долгота), причем ср х <ср<(р2 и Хх <X< Х2, а угол конической развертки на экране монитора изменяется на отрезке от -0,5*F до +0,5VF, то справедливы следующие соотношения для координат этой точки х н у . Радиус окружности /, соответствующей параллели на широте (р, опреде­ ляется из следующего выражения

/ = / l - ( / l - / 2 ) - ^ L

ф2-ф,

Координата JCна экране монитора вычисляется по формуле x = /sin(- 095ц+(Х-Х\))+ 0,5*max .

Координата^ на экране монитора определяется как

У~Уm a x c°s(—0,5ф+ (X— .

Для дополнительных расчетов в рассматриваемом регионе необходимо знать радиус Земли. Он усредняется по диапазону широт ср х- ср2:

Я = 1(Л, + Л2),

где R\ - радиус Земли на широте фь R2 - радиус на широте ср2.

При изображении взаимного расположения точек на экране монитора возникает не­ обходимость в корректировке масштабов, т.е. требуется сделать масштабы равновели­ кими. Дело в том, что, если последовать расчетным формулам, приведенным выше, масштаб по параллели, проходящей через центр региона, может существенно отличаться от масштаба в направлении меридиана. Поэтому необходимо определить масштабы:

♦т/,; - по средней параллели в восточном направлении;

•mN - по меридиану в северном направлении.

Сначала найдем 1М - расстояние между восточной и западной точками, имеющими координаты

Ф1 +Ф2 9Л.1 Ф1+Ф2 9Л.]

например, с помощью функции Pilgrim geoway.

Соответствующий масштаб (км / пиксел) определяется из отношения

ф .2 -A.il

тЕ=-

h1М

Далее определим расстояние по меридиану между северной и южной границами ре­ гиона: /дг=/| - / 2. Масштаб в северном направлении равен отношению

/г|ф2-ф,|

%

IN

Введем в рассмотрение отношение масштабов

к- * - .

тN

66

Корректировка линейных масштабов осуществляется по следующему правилу: 1) если кт> 1, то угол =|X}- X 2| нужно увеличить, умножив на кт;

2) если кт< 1, то угол 0 =|ф i - ф21следует увеличить, умножив на кт;

3)если кт= 1, то масштабы установлены правильно и корректировка не требуется (но такой случай нереален).

После корректировки границы региона несколько расширяются, поэтому нужно за­ ново рассчитать /1 и /2 , так как от них зависят х н у - прямоугольные координаты точек на экране.

Вернемся к примеру 1. После программирования всех манипуляций получается небольшая программа (например, в среде Visual C++). Функциональное окно на экране выводит нормальную коническую проекцию региона.

Практическое применение ГИС: решение задачи коммивояжера. Существует классическая задача исследования операций, которая в различных модификациях реша­ ется для оптимизации процессов в логистике, при сплошном обследовании населенных пунктов в каком-либо регионе в связи с экономическими, экологическими или медицин­ скими проблемами, а также в зонах чрезвычайных ситуаций. Она получила название «задачи коммивояжера».

Рассмотрим две практические разновидности этой задачи, решение которых невоз­ можно без применения ГИС.

Пример 2. Постановка задачи коммивояжера с привязкой к дорожной сети. В регио­ не с развитой сетью дорог имеется:

•множество М населенных пунктов;

•множество N перекрестков (развилок) вне населенных пунктов;

•множество К участков дорог.

Участком дороги назовем дорогу от пункта А до пункта Б, причем пункт - это насе­ ленный пункт или перекресток.

Необходимо составить такой маршрут посещения населенных пунктов, чтобы длина маршрута, включая суммарные повторные пробеги по участкам дорог, была минималь­ ной.

В данной постановке учитывается то обстоятельство, что из-за конечных возможно­ стей дорожной сети все-таки возможны повторные посещения населенных пунктов и возвраты к перекресткам (развилкам) дорог. Однако не существует метода, который сразу мог бы привести к оптимальному маршруту при такой постановке: любой метод, включая алгоритмы динамического программирования, дает тупиковые псевдооптимальные решения, из которых методом перебора нужно отыскать наилучший. Причем нет гарантии, что найден весь набор решений, среди которых есть и оптимальное.

Поэтому, если есть компьютер большой мощности и время для ожидания результата (оно может быть довольно большим), то на компьютере реализуется алгоритм полного «тупого» перебора вариантов.

Но «тупой перебор» не имеет универсального алгоритма. Поэтому необходимо написать довольно слож­ ную расчетную программу, учитывающую правила движения по данному региону.

Пример 3. Постановка задачи коммивояжера для выполнения вертолетных работ. В регионе имеется множество М населенных пунктов. Необходимо составить такой алго­ ритм посещения этих пунктов, который удовлетворял бы следующим требованиям:

•каждый пункт необходимо посетить только один раз;

•длина маршрута должна быть минимальной;

•при определении отрезков маршрута учитывается, что поверхность Землиэллипсоид;

• на маршруте могут работать один или два вертолета (если два - то они движутся навстречу друг другу).

Существует «алгоритм двух вертолетов», который подходит для практического ис­ пользования как для действий с привязкой к дорожной сети, так и вертолетных работ, а по качеству решений может уступить только «тупому» перебору, так как в этом случае нет гарантии того, что среди набора псевдооптимальных решений имеется расписание движения по оптимальному маршруту.

Введем два определения и сформулируем одну теорему (без доказательства). Рас­ смотрим рис. 4.

Рис. 4. Пример отображения информации на экране: составление оптимального маршрута коммивояжера с двумя корректируемыми участками (1 - неоп­

тимальный участок; 2 - петля)

Предположим, что нужно составить полетное расписание для вертолета, который вылетает из Санкт-Петербурга в Москву, причем он должен пролететь по кратчайшему маршруту над одиннадцатью промежуточными населенными пунктами. Траектория маршрута показана на рисунке.

Определение 1. Под корректировкой понимается такое исправление маршрута следо­ вания, которое приводит к его сокращению без исключения каких-либо населенных пунк­ тов из маршрутного расписания. Корректировка выполняется на основании графической траектории движения, изображенной на карте, и опыта руководителя движения.

68

На рис. 4 пунктирным контуром 1 выделен неоптимальный участок, где установлен следующий порядок движения (полета):

Рига-»Вильнюс->Балтийск->Минск.

Корректировка, проведенная экипажем, заключается в изменении порядка посеще­ ния (пролета). Оптимальным будет (это заметно на рисунке):

Рига—> Балтийск—^Вильнюс—> Минск.

Определение 2. Петлей называется траектория движения по маршруту, имеющая замкнутый контур из ломаных линий, причем один угол такого контура находится вне перекрестка или населенного пункта.

На рис. 4 пунктирным контуром 2 выделен участок, имеющий характерную петлю. Точка А (угол Пинск->А->Хойники на пересечении траекторий Минск->Хойники и Пинск->Новозыбков) действительно находится за пределами населенных пунктов, через которые проходит маршрут.

Теорема (без доказательства). Независимо от метода, с помощью которого определяется минимальный маршрут коммивояжера, необходимым условием оптимизации пути является отсутствие петель в траектории.

Исходя из этой теоремы участок маршрута внутри контура 2 не оптимален. На нем установлен порядок:

Минск->Хойники—>Киев—>Пинск—>Новозыбков.

После корректировки порядок изменится, а длина траектории уменьшится:

Минск—>Пинск—>Киев—>Хойники—>Новозыбков.

В результате двух выполненных корректировок из исходного (псевдооптимального) полетного расписания получено расписание полета по оптимальному маршруту, в форме, представленной в таблице.

Оптимальное полетное расписание

А.А. Емельянов.

Литература: 1. Емельянов А.А., Власова Е.А., Дума Р.В. Имитационное моделирование экономиче­ ских процессов / Под ред. А.А. Е ме льян ова .-М .: Финансы и статистика, 2002. - 368 с. 2. Изучение ГИС. Методология ARC/INFO. - Институт исследования систем окружающей среды ESRI (Калифорния, США): Пер. с англ. - М.: DATA+, 1995. - 640 с. 3. Майкл Н. ДеМерс. Географические информационные системы: Осно­ вы / Пер. с англ. - М.: DATA+, 1999. - 492 с. 4. Основы ГИС: теория и практика / А.И. Мартыненко, Ю.Л.Бугаевский., С.Н. Шибалов. 5. WinGIS: руководство пользователя/Фадеев В.А. - М.: Геоинформационные технологии, 1995. - 232 с. 6. Скогорева Р.Н. Геодезия с основами геоинформатики. - М.: Высшая школа, 1999. - 205 с. 7. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. - М.: Финансы и стати­ стика, 1998. - 288 с.

(Гибкие производственные системы (ГПС) - термин, получивший широкое распространение в конце 80-х гг. XX в., когда было осознано, что повышения эффектив­ ности производства и управления нельзя достигнуть лишь за счет повышения уровня автоматизации отдельных операций, и была предложена концепция интенсификации производства. В этот период большинство предприятий начинали внедрять гибкую авто­ матизированную технологию (ГАТ) производства и управления.

69