Геоинформационные системы в лесном хозяйстве. Учебное пособие

2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЭЛЕМЕНТЫ ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

2.1. ПРОЦЕДУРЫ, ВЫПОЛНЯЕМЫЕ СРЕДСТВАМИ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

ГИС общего назначения, в числе прочего, обычно выполняет пять процедур с данными: ввод, манипулирование, управление, запрос и анализ, визуализацию.

Ввод. Для использования в ГИС данные должны быть преобразованы в подходящий цифровой формат. Процесс преобразования данных с бумажных карт в компьютерные файлы называется оцифровкой. В современных ГИС этот процесс может быть автоматизирован с применением сканерной технологии, что особенно важно при выполнении крупных проектов, либо, при сравнительно небольшом объеме работ, данные можно вводить с помощью дигитайзера. Некоторые ГИС имеют встроенные векторизаторы, автоматизирующие процесс оцифровки растровых изображений. Многие данные уже переведены в форматы, напрямую воспринимаемые ГИС-пакетами.

Манипулирование. Часто для выполнения конкретного проекта имеющиеся данные нужно дополнительно видоизменить в соответствии с требованиями вашей системы. Например, географическая информация может быть в разных масштабах (осевые линии улиц имеются в масштабе 1:100 000, границы округов переписи населения – в масштабе 1:50 000, а жилые объекты – в масштабе 1:10 000). Для совместной обработки и визуализации все данные удобнее представить в едином масштабе и одинаковой картографической проекции. ГИС-технология предоставляет разные способы манипулирования пространственными данными и выделения данных, нужных для конкретной задачи.

Управление. ГИС-данные требуют заботливого управления для того чтобы извлекать из них полезную информацию. Управление данными включает в себя создание стандартных методов ввода, обновления и извлечения данных. К управлению данными также относится возможность файлового хранения и контроль за доступом пользователя к файлам для чтения, редактирования и архивации.

ГИС позволяют вам интегрировать данные, которые были собраны в различное время, с различным масштабом и использованием разных методов сбора данных. Источниками данных могут служить

21

как карты на бумажной основе или кальке, так и рукописные данные, цифровые файлы, или информация, хранимая в человеческой памяти. Без ГИС интеграция данных в различных форматах, полученных в разное время и с различным масштабом, займёт очень много времени и финансов.

В небольших проектах географическая информация может храниться в виде обычных файлов. Но при увеличении объема информации и росте числа пользователей для хранения, структурирования

иуправления данными эффективнее применять системы управления базами данных (СУБД), специальные компьютерные средства для работы с интегрированными наборами данных (базами данных). В ГИС наиболее удобно использовать реляционную структуру, при которой данные хранятся в табличной форме. При этом для связывания таблиц применяются общие поля. Этот простой подход достаточно гибок

ишироко используется во многих как ГИС-приложениях, так и не ГИС-приложениях.

Запрос и анализ.

Анализ данных позволяет вам получить новую информацию из существующей базы данных. Анализируемые данные включают в себя:

–пространственно перекрывающиеся объекты;

–запрос на получение информации с определёнными свойствами;

–классификацию, объединение и удаление объектов и многое

другое.

Например, специалисту, работающему с ГИС, необходимо знать, какие дома построены на почве определённого типа. Для ответа на этот запрос потребуется использовать два вида данных: типы почв

иместоположение домов для определённого участка территории. ГИС использует данные из двух информационных слоёв и объе-

диняет их, позволяя получить новый источник информации. Связью между двумя слоями данных служит географическое положение (широта и долгота) для каждой точки. Данный пример является крайне простым случаем и поэтому такую работу несложно выполнить, просто взглянув на территорию застройки домов в районе с определённым типом почвы. Однако, если вы работаете с очень большими площадями с неоднородными участками, выполнение такой работы с помощью визуального контроля человека станет крайне затруднительным.

При наличии ГИС и географической информации вы сможете получать ответы как на простые вопросы (таксационная характеристика выдела, на каком расстоянии друг от друга расположены объек-

22

ты, где расположен данный выдел, лесокультурная площадь?), так и на более сложные, требующие дополнительного анализа запросы (где необходимо закладывать лесные культуры в первую очередь, где наиболее высокая вероятность возникновения пожара, вспышки энтомовредителей?). Запросы можно задавать как простым щелчком мышью на определенном объекте, так и посредством развитых аналитических средств. С помощью ГИС можно выявлять и задавать шаблоны для поиска, проигрывать сценарии по типу: «что будет, если…». Современные ГИС имеют множество мощных инструментов для анализа, среди них наиболее значимы два: анализ близости и анализ наложения. Для проведения анализа близости объектов относительно друг друга в ГИС применяется процесс, называемый буферизацией. Он помогает ответить на вопросы типа: «Каков запас древесины по породам в пределах 100 м от этого водоема? Сколько особей косули обитает не далее 3 км от данного солончака?» Процесс наложения включает интеграцию данных, расположенных в разных тематических слоях. В простейшем случае, это операция отображения, но при ряде аналитических операций данные из разных слоев объединяются физически. Наложение, или пространственное объединение, позволяет, например, интегрировать данные о почвах, растительности, запасе древесины и других продуктах леса со ставками арендной платы.

Визуализация. Для многих типов пространственных операций конечным результатом является представление данных в виде карты или графика. Карта – это очень эффективный и информативный способ хранения, представления и передачи географической (имеющей пространственную привязку) информации. Раньше карты создавались на столетия. ГИС предоставляет новые удивительные инструменты, расширяющие и развивающие искусство и научные основы картографии. С ее помощью визуализация самих карт может быть легко дополнена отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками, таблицами, диаграммами, фотографиями и другими средствами, например, мультимедийными.

2.2. ТИПЫ ДАННЫХ

ГИС может работать с двумя существенно отличающимися типами данных – векторными и растровыми. В векторной модели информация о точках, линиях и полигонах кодируется и хранится в виде набора координат X, Y. Местоположение точки (точечного объекта), например буровой скважины, описывается парой координат (X, Y).

23

Линейные объекты, такие как дороги, реки или трубопроводы, сохраняются как наборы координат X, Y. Полигональные объекты, типа речных водосборов, земельных участков или областей обслуживания, хранятся в виде замкнутого набора координат. Векторная модель особенно удобна для описания дискретных объектов и меньше подходит для описания непрерывно меняющихся свойств, таких как типы почв или доступность объектов. Растровая модель оптимальна для работы с непрерывными свойствами. Растровое изображение представляет собой набор значений для отдельных элементарных составляющих (ячеек), оно подобно отсканированной карте или картинке. Обе модели имеют свои преимущества и недостатки. Современные ГИС могут работать как с векторными, так и с растровыми моделями. В качестве источников данных, широко используемых в ГИС, наиболее часто привлекают картографические и аэрокосмические материалы, данные специально проводимых полевых исследований (в нашем случае – данные лесоинвентаризации).

Тип источника объединяет генетически однородное множество исходных материалов, каждый из которых может сильно различаться по комплексу характеристик. Тот или иной тип данных может храниться в цифровой или нецифровой (аналоговой) форме.

Использование топографических карт как источников исходных данных для формирования тематических структур баз данных удобно

иэффективно потому, что сведения, считанные с карт, имеют четкую территориальную привязку и они в любой своей форме возможны для записи на электронном носителе информации.

Очень часто в качестве источника пространственных данных в геоинформационных системах служат материалы дистанционного зондирования – в основном данные космической и аэрофотосъемки (кроме этих методов, в ГИС используются данные разнообразных измерительных систем, таких как фототеодолитная съемка, сейсморазведка, магниторазведка, гидроакустическая съемка).

Для успешного функционирования любой геоинформационной системы необходима систематизация исходных данных и их преобразование. Преобразование данных осуществляется путем использования технологического модуля, позволяющего преобразовывать полученную информацию в машиночитаемый набор цифровых данных.

Существует два главных типа данных в ГИС: картографический

иописательный.

Картографические данные – это картографическая информация, хранящаяся в цифровой форме. Это географические объекты, описываемые на карте.

24

Большую часть объектов карты можно классифицировать на точки, линии и площади.

Точка представляет собой объект, для которого требуется только одно географическое местоположение (например, широта/долгота). Примером характеристик точек могут служить места расположения кордонов, реперов и т. д.

Линия состоит из серии связанных друг с другом точек. Она имеет только длину без ширины. Примером характеристики линейного объекта может служить дорога, просека, трубопровод и т. д.

Полигон – это площадь, ограниченная замкнутой линией. Полигон расположен на плоскости и соответственно имеет 2 размера: длину и ширину. В качестве образца характеристики полигона можно привести площади с определённым типом почвы, участки проданного леса под вырубку, землю, выведенную из землепользования, и т. д.

Второй тип данных, используемый в ГИС, не является графическим. Это описательная информация, которая хранится в базе данных об объектах (точка, линия, площадь), расположенных на карте.

Описательная информация называется атрибутом. Атрибут, являющийся общим для всех характеристик, это географическое местоположение, которому может быть дано имя атрибута МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ. Другие атрибуты зависят от типа характеристики объекта и от того, какое именно свойство объекта наиболее важно для отдельно выбранной цели или задачи. Каждый атрибут имеет набор возможных значений, относящихся к нему. Для примера, дороги имеют свои собственные названия для данной территории. Поэтому все дороги имеют атрибут ИМЯ-ДОРОГИ, а ВОСТОЧНАЯ является значением к этому атрибуту для определённой дороги.

Любая географическая информация содержит сведения о пространственном положении, будь то привязка к географическим или другим координатам или ссылки на адрес, почтовый индекс, избирательный округ или округ переписи населения, идентификатор земельного или лесного участка, название дороги и т. п.

При использовании подобных ссылок для автоматического определения местоположения или местоположений объекта (объектов) применяется процедура, называемая геокодированием. С ее помощью можно быстро определить и посмотреть на карте, где находится интересующий вас объект или явление, такие как дом, в котором проживает ваш знакомый или находится нужная вам организация; где произошло землетрясение или наводнение, по какому маршруту проще и быстрее добраться до нужного вам пункта или дома.

25

2.3. ИСТОЧНИКИ ДАННЫХ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В ЛЕСНОМ ХОЗЯЙСТВЕ

В качестве источников данных для формирования ГИС служат: − картографические материалы (топографические и общегео-

графические карты, карты административно-территориального деления, кадастровые планы и др.). Сведения, получаемые с карт, имеют территориальную привязку, поэтому их удобно использовать в качестве базового слоя ГИС. Если нет цифровых карт на исследуемую территорию, тогда графические оригиналы карт преобразуются

вцифровой вид;

−данные дистанционного зондирования (ДДЗ) все шире используются для формирования баз данных ГИС. К ДДЗ, прежде всего, относят материалы, получаемые с космических носителей. Для дистанционного зондирования применяют разнообразные технологии получения изображений и передачи их на Землю, носители съемочной аппаратуры (космические аппараты и спутники) размещают на разных орбитах, оснащают разной аппаратурой. Благодаря этому получают снимки, отличающиеся разным уровнем обзорности и детальности отображения объектов природной среды в разных диапазонах спектра (видимый и ближний инфракрасный, тепловой инфракрасный и радиодиапазон). Все это обуславливает широкий спектр экологических задач, решаемых с применением ДДЗ. К методам дистанционного зондирования относятся и аэро- и наземные съемки, и другие неконтактные методы, например гидроакустические съемки рельефа морского дна. Материалы таких съемок обеспечивают получение как количественной, так и качественной информации о различных объектах природной среды;

−результаты полевых обследований территорий включают геодезические измерения природных объектов, выполняемые нивелирами, теодолитами, электронными тахеометрами, GPS-приемниками, а также результаты обследования территорий с применением геоботанических и других методов, например, исследования по перемещению животных, анализ почв и др.;

−статистические данные содержат данные государственных статистических служб по самым разным отраслям народного хозяйства, а также данные стационарных измерительных постов наблюдений (гидрологические и метеорологические данные, сведения о загрязнении окружающей среды и т. д.);

26

− литературные данные (справочные издания, книги, монографии и статьи, содержащие разнообразные сведения по отдельным типам географических объектов).

В ГИС редко используется только один вид данных, чаще всего это сочетание разнообразных данных на какую-либо территорию.

2.4. ТИПЫ СТРУКТУРЫ БАЗ ДАННЫХ

Совокупность цифровых данных о пространственных объектах образует множество пространственных данных и составляет содержание баз данных.

База данных (БД) – совокупность данных организованных по определенным правилам, устанавливающим общие принципы описания, хранения и манипулирования данными.

Создание БД и обращение к ней (по запросам) осуществляется с помощью системы управления базами данных (СУБД).

Логическая структура элементов базы данных определяется выбранной моделью БД.

Наиболее распространенными моделями БД являются иерархические, сетевые, реляционные и объектно-ориентированные.

Иерархические модели представляют древовидную структуру, в этом случае каждая запись связана только с одной записью, находящейся на более высоком уровне.

Такая система хорошо иллюстрируется системой классификации растений и животных.

Примером может также служить структура хранения информации на дисках ПК. Главное понятие такой модели – это уровень. Количество уровней и их состав зависит от принятой при создании БД классификации. Доступ к любой из этих записей осуществляется путем прохода по строго определенной цепочке узлов. При такой структуре легко осуществлять поиск нужных данных, но если изначально описание неполное, или не предусмотрен какой либо критерий поиска, то он становится невозможным. Для достаточно простых задач такая система эффективна, но она практически непригодна для использования в сложных системах с оперативной обработкой запросов.

Сетевые модели были призваны устранить некоторые из недостатков иерархических моделей. В сетевой модели каждая запись в каждом узле сети может быть связана с несколькими другими узлами. Записи, входящие в состав сетевой структуры, содержат в себе указатели, определяющие местоположение других записей, связанных

27

с ними. Такая модель позволяет ускорить доступ к данным, но изменение структуры базы требует значительных усилий и времени.

Реляционные модели собирают данные в унифицированные таблицы. Таблице присваивается уникальное имя внутри БД. Каждый столбец – это поле, имеющее имя, соответствующее содержащемуся в нем атрибуту. Каждая строка в таблице соответствует записи в файле. Одно и тоже поле может присутствовать в нескольких таблицах. Так как строки в таблице не упорядочены, то определяется один или несколько столбцов, значения которых однозначно идентифицируют каждую строку. Такой столбец называется первичным ключом. Взаимосвязь таблиц поддерживается внешними ключами. Манипулирование данными осуществляется при помощи операций, порождающих таблицы. Пользователь может легко заносить в базу новые данные, комбинировать таблицы, выбирая отдельные поля и записи, и формировать новые таблицы для отображения на экране.

Объектно-ориентированные модели применяют, если геометрия определенного объекта способна охватывать несколько слоев. Атрибуты таких объектов могут наследоваться, для их обработки применяют специфические методы.

Для обработки данных, размещенных в таблицах необходимы дополнительные сведения о данных, их называют метаданными.

Метаданные – данные о данных: каталоги, справочники, реестры и иные формы описания наборов цифровых данных.

2.5. ТИПЫ СТРУКТУРЫ КАРТОГРАФИЧЕСКИХ ДАННЫХ

Существует два типа структуры данных: топология и слои. Топология применяется для выделения пространственной связи между объектами. Топология обеспечивает связь между точками, линиями и полигонами и обычно не изменяется оператором. Слои же применяют для того, чтобы структурировать данные.

Топологическая информация описывает как объекты расположены друг относительно друга в пространстве и обычно не изменяется оператором.

Когда вы пытаетесь описать месторасположение какого-либо объекта, вы обычно говорите, что это находится левее или следует за или находится на таком-то расстоянии от чего-то ещё. Такое описание не совсем подходит для ГИС. ГИС требуют точно определить топологию для того, чтобы выполнять пространственный анализ.

28

Топология описывает пространственную связь объектов, определяя свойства объектов. Она включает в себя информацию, какие условные знаки соответствуют определённым объектам, как точки соединены друг с другом и какие точки и линии образуют полигоны. Эта информация хранится внутри ГИС. Топологическая информация позволяет человеку, использующему ГИС, извлекать информацию, например о том, какое перекрытие имеют определённые полигоны, находится ли линия внутри полигона и определять, насколько один объект расположен близко к другому.

Большинство ГИС позволяют разделять информацию на карте в логические категории, называемые картографическими слоями. Слои обычно содержат информацию только об одном типе объектов, подобно типу почвы участков, или о небольшой группе связанных объектов, например, коммунальные транспортные магистрали (телефонные, электрические и газовые линии).

Данные логично разделяют на слои карты так, чтобы ими можно было манипулировать и анализировать в пространстве либо по отдельности, либо совместно с другими слоями. Для получения более значимых аналитических результатов слои в ГИС должны быть связаны друг с другом через общую систему координат базы данных.

Слои подразделяются на векторные и растровые.

Векторные слои – совокупность простых геометрических объектов (точка, линия, полигон), представляющих объекты на местности. Векторные слои хранят топологию, т. е. информацию о взаимном расположении объектов.

Растровые слои – это сплошные изображения, служащие фоном для векторных слоев.

Слои можно использовать для создания композитных карт, совмещая их на дисплее компьютера, подобно тому как используют слайды на прозрачной основе при показе на проекторе. При анализе новых перекрытий создаются математически комбинированные перекрытия уже существующих. Новые комбинации можно использовать для создания альтернативных сценариев. Логически разделённые данные по слоям облегчают управление и использование базы данных и её производных.

Легенда карты. Управление множеством перекрывающихся на карте объектов осуществляется с помощью легенды. Легенда несет в себе информацию о том, каким цветом и каким заполнителем будут обозначены в разных слоях полигоны, каким типом линий будут

29

проведены линейные объекты, какими значками показаны точечные объекты и т. п. В легенде также отражена зависимость между внешним видом объекта и связанными с ним количественными и качественными параметрами (площадь, древесная порода и т. п.).

Контрольные вопросы и задания

1.Какие процедуры выполняются средствами ГИС?

2.Перечислите типы данных в ГИС.

3.Охарактеризуйте источники данных для создания ГИС в лесном хозяйстве.

4.Назовите типы структур баз данных.

5.Какие типы структуры картографических данных вы знаете?

30