Методичка

Вопросы для самопроверки:

59. Для каких целей служат операции переструктуризации данных?

60. Предложите примеры картометрических операций при проведении экологических исследований.

61. В каких геоэкологических и социоэкологических исследованиях может быть полезно использование оверлейных операций?

62. Придумайте примеры применения сетевого анализа при: экологической оценке водосборного бассейна; при социоэкологических исследованиях (на Ваш выбор).

63. Приведите примеры применения утилит работы с полями баз данных при проведении экологической оценки территории.

64. Формы представления трехмерных объектов.

65. Модели топографических поверхностей.

66. В каких случаях, на Ваш взгляд, при проведении экологических исследований необходимо проведение операций с трехмерными объектами?

67. Приведите примеры анализа растровых изображений при проведении экологических исследований.

Литература:

Кошкарев А.В., Тикунов В.С. Геоинформатика. С.63-87.

Коновалова Н.В., Капралов Е.Г. Введение в ГИС. С. 83-93.

7. Блок моделирования ГИС.

Во-первых, в ГИС применяется картографическое моделирование: семантическая информация должна быть наиболее адекватно визуализирована. Речь идет о выборе наиболее действенных картографических средств для представления экологической информации. Здесь мы переходим к моделированию состояния объектов. Объекты (водоемы, водотоки), природные экосистемы, агросистемы, населенные пункты и т.д. характеризуются значительным перечнем своих характеристик - атрибутов, которым в семантической базе данных ГИС соответствуют отдельные поля, а каждому объекту в базе данных отводится отдельная строка - запись. Экологическое состояние объекта (или уровень трофности, комфортности проживания и т.п.) зависит от всей совокупности характеристик объекта. Поэтому для адекватного определения экологического состояния применяются методы теории многокритериального оценивания, теории нечетких множеств и т.д. Эти методы могут входить в ГИС в качестве отдельного модельного блока.

Важная роль в диагностике и прогнозировании состояния геосистем принадлежит имитационным моделям функционирования экологических систем. Метод проб и ошибок, при котором объект рассматривается как "черный ящик", не применим к геосистемам, потому что это подразумевает длительные поиски оптимального режима функционирования экосистемы с многочисленными разнообразными входами, а также вследствие уникальности каждой природной геосистемы, которая не может подвергаться риску необратимых изменений. Кроме того, имитационное моделирование геосистем может вызываться необходимостью познания их связей и функций, не доступных во всех своих деталях прямым наблюдениям. Необходимость подобных исследований определяется чрезвычайно сложным характером взаимодействия антропогенных воздействий с естественным ходом развития экосистемы, т.к. она имеет траекторию естественного развития и область внутригодовой и межгодовой изменчивости. Из-за этого одни натурные наблюдения не в состоянии вскрыть сложные механизмы функционирования геосистемы в условиях антропогенного пресса и ее отклика на них. Образно говоря, перед исследователем постоянно стоит "проблема заключившего пари с хозяином Эзопа". (Согласно легенде сей почтенный муж в пьяном виде поспорил на все свое состояние, что сможет выпить море. Протрезвев, он обратился за помощью к своему рабу, древнегреческому баснописцу Эзопу. Тот ему посоветовал сказать: "Я готов выпить море, но только без воды рек, в него впадающих". Противник в споре, разумеется, не смог отделить морскую воду от речной.) Имитационная модель как раз и выступает в роли разделителя процессов.

На основании только результатов имитационного моделирования можно определять экологически обоснованные нормы антропогенного воздействия на конкретные природные объекты.

Применение геоинформационных технологий предполагает многовариантность моделирования. Многовариантность может проявляться на всех стадиях моделирования - на этапе его информационного обеспечения, его переработки и отображения результатов моделирования. Имитационные модели функционирования экосистем могут физически входить в состав ГИС в качестве отдельного программного блока, а могут и являться внешними по отношению к ГИС, обеспечивая ГИС наборами правил для экспертной системы (экологически обоснованные ПДК и т.п.). Блок моделирования ГИС может содержать проблемно-ориентированные библиотеки программ, реализующих практически все разновидности моделирования, применяющегося в науках о Земле.

Вопросы для самопроверки:

68. Применяемые в ГИС типы моделирования. Обоснуйте необходимость имитационного моделирования процессов в экосистемах.

Литература:

Кошкарев А.В., Тикунов В.С. Геоинформатика. С. 89-96.

8. Обзор применяемых для создания ГИС программных средств.

Классические ГИС профессионального уровня. К этому типу широко известные ГИС фирм INTERGRAPH, ESRI и др. Это мощные системы, первоначально созданные для рабочих станций и сетевого использования. Рабочая станция - высокопроизводительный компьтер с RISC(Redused Instruction Set Computer) процессором и мощным графическим ускорителем. Как правило, работает под управлением операционной системы UNIX. Такие системы поддерживают многочисленные приложения. Онм включают блоки цифрования картографического материала в различных режимах, работают с большим количеством внешних устройств, имеют многооконный режим, допускают настройку меню, позволяют встраивать пользовательские программы на языках высокого уровня.

Программные продукты фирмы INTERGRAPH (США). Всего около 250 программных продуктов фирмы предназначены для работы с использованием ГИС-технологий в различных приложениях. Они предоставляют возможность работы в многопользовательском режиме и режиме клиент-сервер. Их преимуществами являются: модульная архитектура, поддержка промышленных СУБД различных фирм, наличие языка программирования высокого уровня, возможность хранения очень больших объемов структуированной информации, работа с растровыми изображениями, работа с различными картографическими проекциями, преобразования из проекции в проекцию, прстроение и анализ 3-х мерных моделей территорий, работа с распределенными базами данных, развитая система создания карт. Области применения: ведение земельного кадастра, управление землей и недвижимостью, комплексная оценка и управление урбанизированными территориями, управление транспортными потоками, планирование и оптимизация перевозок, управление природными ресурсами (лесными, водными, недрами), экологический мониторинг, оценка и прогнозирование состояния окружающей среды, высококачественная картография (как топографическая, так и тематическая), управление инженерными коммуникациями. Основу программных ГИС-продуктов составляет семейство модулей MGE. Ядро системы - программа MicroStation. MGE модули являются надстройкой над этой программой. MicroStation имеет встроенные языки UCM и MDL, причем первый - макроязык пользовательских команд, а второй - Си-подобный язык программирования. Управление окружающей средой осуществляется при помощи следующих модулей: MGE Environmental Manager (ERMAMGR) - представление данных и вероятностный пространственный анализ, MGE Environmental AT123D (ERMAAT) - моделирование распространения загрязнения, MGE Environmental Modflow (ERMAMF) - моделирование и анализ миграции грунтовых вод, MGE Environmental Site Database (ERMASDB) - создание и управление схемой базы данных и пользовательским интерфейсом, MGE Voxel Analyst (MGVA) - визуализация и анализ трехмерных данных, ERMA Data Manager (ERMA-DM) - создание и ведение экологической базы данных, генерирование отчетов и тематических карт, ERMA Groundwater Modeller (ERMA-GWM) - моделирование и анализ потоков и распространения загрязнений в грунтовых водах. Включает три системы моделирования методом конечных элементов: MODFLOW, MODPATH, M3D.

Имеется ряд модулей обработки снимков и цифровой фотограмметрии, работы с пространственными сетевыми объектами, векторизации. Векторные графические данные хранятся в форматах программы MicroStation (dgn-файлах). Этот формат является открытым. Программное обеспечение позволяет использовать многих типов электронных тахеометров и GPS приемников. Система позволяет читать файлы в форматах DWG и DXF. Имеется конвертор данных между системами Intergraph и MapInfo. Модуль MGE ASCII Loader обеспечивает импорт и экспорт файлов в ASCII формате. Через модуль RIS осуществляется прямой доступ к базам данных тематической информации ORACLE, INGRES, SYBASE, INFORMIX, MS SQL SERVER и др. Система позволяет работать с растровыми данными всех распространенных форматов. Собственное программное обеспечение может быть создано на языках Си, Fortran, Pascal, Ada, а также с помощью средств графического ядра системы Microstation - макроязыка пользовательских команд UCM и языка программирования MDL.

Разработки Института исследований систем окружающей среды (ESRI, US). ARC/INFO - универсальная, поддерживающая все основные платформы система. Она является основой семейства программных продуктов фирмы ESRI. Система ARC/INFO существует в двух видах: для UNIX и Windows NT и PC ARC/INFO (для работы на персональном компьютере). По своим функциональным возможностям PC ARC/INFO является сужением системы ARC/INFO. В свою очередь DAK является подмножеством функций системы PC ARC/INFO. Он позволяет вводить и редактировать новую информацию, создавать топологию, выполнять преобразования из проекции в проекцию. Программный продукт ArcCAD интегрирует в себе возможности технологий САПР и ГИС в едином программном продукте. ArcView представляет собой ГИС “настольного типа”. ArcView и ARC/INFO могут взаимодействовать в сети и на функциональном уровне. Каждая из этих систем может обрабатывать команды, посланные из другой системы. MapObjects - набор инструметальных средств для разработчиков картографических и ГИС приложений. SDE обеспечивает работу с крупными распределенными базами пространственных данных.

Основные возможности. ARC/INFO использует векторно-топологическую структуру пространственных данных и полностью включает возможности реляционной базы данных. Макроязык AML позволяет создавать пользовательские приложения. ARC/INFO может работать в локальной сети. Возможно одновременное редактирование карт несколькими пользователями. При работе с тематическими данными можно использовать внешние СУБД Oracle, Ingres, Informix, DB2, SQL/400 и т.д. Обеспечивается прямой доступ к базам данных dBASE, INFO, ASCII с разделителями, а также Oracle, Ingres, Informix, SYBASE. ARC/INFO обладает богатым набором функций пространственного анализа.

Области применения: ведение земельного кадастра, управление землей и недвижимостью; комплексная оценка и управление территориями; управление на транспорте, планирование и оптимизация перевозок; управление природными ресурсами (лесными, водными, недропользование); экологический мониторинг, оценка и прогнозирование состояния окружающей среды; маркетинговые исследования; планирование инвестиций; высококачественная картография как топографическая, так и тематическая.

Структура. ARC/INFO состоит из базового комплекта программ и модулей расширения. Базовый комплект - это полнофункциональная ГИС для работы с пространственной информацией. Он поддерживает все операции по созданию и использованию геоинформационной системы, т.е. ввод информации, ее редактирование, организацию пространственных запросов и анализ информации, а также создание качественной картографической продукции. В базовом комплекте расположена также подсистема DATA CONVERSION, которая обеспечивает преобразование данных из проекции в проекцию. Модули расширения включают: ARC/INFO TIN - модуль моделирования поверхностей для анализа и отобржения непрерывных пространственных явлений (рельеф, уровень электромагнитного поля и т.д.). Основа модели - нерегулярная триангуляционная сеть (TIN); ARC/INFO COGO - модуль интегрирования данных геодезических измерений и вычислений в ГИС (обработка теодолитных ходов, прямые и обратные задачи, прямые и обратные засечки и т.д.); ARC/INFO GRID - модуль анализа растровых данных. Он применяется в области гидрологического и геологического анализа, многомерного статистического анализа пространственных данных. В нем сосредоточены функции растрового моделирования. Они включают выделение водосборов и дренажной сети, определение порядков водотоков и решение задач фильтрации, расчеты извилистости и кривизны склонов, анализ видимости, определение оптимальных путей. Модуль содержит функции многомерного статистического анализа, дискриминантного и кластерного анализа. Эти функции позволяют выполнять комплексную оценку территории; ARC/INFO NETWORK - модуль для работы с сетями топологически связанных объектов (энергетические сети, трубопроводы и т.п.). Он содержит также функции геокодирования, т.е. привязки адресных или других географически соотнесенных с их пространственным положением данных. В этом модуле реализованы функции поиска оптимальных маршрутов, оценки поглощения ресурсов в сети, районирования с использованием элементов сети в качестве границ районов, выбора частных сетей из более крупной сети в соотыетствии заданными критериями, объединения нескольких сетей в одну сеть, решения задачи транспортной доступности с учетом параметров сетей; ARCSCAN - модуль ввода картографических данных со сканеров.

Векторные графические данные используются в форматах программных продуктов ESRI (покрытия ARC/INFO и шейпфайлы ArcView). Система поддерживает также многие стандарты обмена данными и работу с растровыми графическими данными в форматах ERDAS и TIFF. Модули IMAGE INTEGRATOR и GRID поддерживают ряд дополнительных растровых форматов. Поддерживается топологическая модель данных. Наряду с ней система работает еще с несколькими моделями данных. Это сети нерегулярных треугольников (TIN), а также модель обобщенных площадных объектов, называемых регионами, что дает возможность работы с перекрывающимися полигонами без построения топологии. Графические примитивы можно добавлять, перемещать, удалять. Модуль ARCEDIT позволяет осуществлять прямое редактирование регионов и полигонов, автоматическое и интерактивное построение топологии, редактирование групп объектов за одну операцию.

Вопрос для самопроверки:

69. Какая из перечисленных ГИС профессионального уровня наиболее подходит для решения экологических задач Вашего региона (или разработок, в которых Вы принимаете участие)? Обоснуйте свой выбор.

Литература:

Кошкарев А.В., Тикунов В.С. Геоинформатика. С.134-155.

Коновалова Н.В., Капралов Е.Г. Введение в ГИС. С. 101-122..

9. ArcView - ГИС “настольного типа”.

Структура. ArcView - базовое ядро. Совместно с базовым ядром поставляются стандартные подсистемы: Avenue - макроязык разработки приложений; CAD Reader - модуль, обеспечивающий прямое чтение форматов Microstation и AutoCAD: DGN, DWG, DXF; JFIF - модуль для работы с растровыми изображениями данного формата; IMAGINE - модуль, обеспечивающий возможность использования растрового формата ERDAS; Digitizer - обеспечивает ввод информации с дигитайзера; Database Themes - позволяет просматривать и делать выборки данных из внешней (возможно удаленной) базы данных;

Network Analyst - анализ пространственных сетей; Spatial Analyst - широкий набор средств пространственного моделирования на растровой модели данных, посторения изолиний, интерполяции и т.д.

Используемые данные: 1) Графические. Покрытия ARC/INFO, векторные графические данные в открытом нетопологическом формате shape file; имеется конвертор из формата MIF системы MapInfo в формат “shape file”; растровые графические данные в форматах ERDAS, BSQ, TIFF, BIL, BIP, Sun RS, RLS;

2) Тематические (семантические). Прямой доступ к базам данных dBASE, INFO, ASCII с разделителями и непрямой доступ к сетевым базам данных ORACLE, INGRES, SYBASE, INFORMIX. К объектам карты можно привязывать графики, растровые и векторные изображения, видео и аудиоинформацию.

Географический анализ: построение буферных зон, анализ точек в полигоне,

анализ линий в полигоне, анализ полигона по отношению к полигону, анализ взаимного расположения слоев (оверлей); поддерживается адресное геокодирование; анализ растрово-векторной информации на основе регулярных grid-моделей и пространственных сетей.

Картографическая визуализация. Послойная настройка визуализации с определением типов штриховки, типов прорисовки границ и цветов. Имеются функции визуализации тематической информации значками переменного размера, картодиаграммами, полями плотности. Предусмотрены возможности классификации и шкалирования информации, приведение ее к нормализованному виду. Имеется расширенный набор символов и шрифтов. Графические примитивы в формате shape file можно добавлять, перемещать, удалять. Возможно добавление отдельных промежуточных точек.

ArcView создан на основе языка Avenue. Как сам язык, так и среда программирования на этом языке поставляются стандартно в составе базового модуля. Avenue - это объектно-ориентированный язык написания макрокоманд, специально ориентированный на работу с пространственными данными.

В ArcView осуществляется работа с видами, таблицами, диаграммами, макетами и программами, хранящимися или перечисленными в одном файле, называемом проект. Одновременно можно работать только с одним проектом. Проект представляет собой файл, который ArcView создает для того, чтобы хранить любые комбинации взаимосвязанных компонентов ArcView - виды, таблицы, диаграммы, макеты и программы. Проект включает в себя также ссылки на файлы простанственной и табличной информации. Файлы проектов имеют расширение .apr. При открытии или закрытии проекта открываются (закрываются) все компоненты проекта. Размер и позиция всех открытых окон в проекте сохраняются вместе с проектом: они появляются каждый раз при открытии проекта именно в том виде, в котором их сохранили. Вид - это интерактивная карта, которая позволяет визуализировать, исследовать и анализировать географические данные. Вид характеризует используемые данные и способ их отображения, но не включает сами файлы данных, а ссылается на них. В одном проекте может быть много различных видов. Разные виды могут включать одни и те же данные. Вид является набором тем. Тема - набор географических объектов в виде, т.е. слой, например, тема городов, тема рек, тема дорог и т.д. Тема представляет один из следующих источников географических данных: 1) пространственные данные, такие, как покрытия ARC/INFO или шейпфайлы ArcView. Большинство покрытий включает несколько различных классов объектов, каждый раз только один из классов может быть включен в тему. Шейпфайл может представлять точечные, линейные и полигонные объекты. Можно редактировать объекты темы, которые представлены в формате шейпфайлов; 2) Снимки, например космические; 3) Табличные данные, включающие точечные события с координатами X,Y или файлы пользователей, которые можно геокодировать в ArcView. Данные могут быть на локальном диске или к ним необходимо обращаться по сети. Тема указывает на географические данные, которые она представляет. Но она не хранит сами данные. Темы в виде перечислены в содержании таблицы. Каждая тема имеет собственную легенду, которая присутствует в таблице оглавления. Таблицы являются динамическими, поскльку отражают текущее состояние данных, на которых базируются. Если данные изменяются, то таблица будет автоматически отражать это изменение. Таблицы могут быть отредактированы в ArcView и быть записаны в файлы источников данных. Диаграмма - это графическое представление табличных данных. Если редактируется таблица, то немедленно изменится визуализирующая ее диаграмма. Одни и те же табличные данные могут быть изображены не более чем в одной диаграмме. Имеется шесть типов диаграмм: площадные, ленточные и столбчатые, линейные, круговые, точечные. Макет - это карта, позволяющая отображать виды, таблицы, импортированную графику.

Вопрос для самопроверки:

70. Подходит ли, на Ваш взгляд ArcView для решения экологических задач? Обоснуйте ответ.

10. Организация конкретной ГИС средствами ArcView.

Чтобы создать свою ГИС, нацеленную на решение определенных задач, необходимо включить в данный проект необходимые данные и, если необходимо, программы, настроить размеры всех окон, легенды, т. е. обозначения объектов (типы штриховок или заливок для площадных объектов, толщины и вид линий для линейных, символы для точечных). В Вид могут импортироваться как векторные, так и растровые данные.

Источником векторных тем (слоев) могут служить шейпфайлы ArcView или покрытия ARC/INFO. При этом в ArcView не могут использоваться топологические взаимосвязи между объектами покрытий. Невозможно также редактировать покрытия, для этого их необходимо конвертировать в шейпфайлы ArcView.

Растровые данные могут импортироваться практически всех распространенных современных форматов. Растровые слои могут использоваться в качестве подложки для векторизации на экране. Наиболее применяемые растровые изображения – это спутниковые снимки или отсканированные тематические карты (ландшафтные, биогеографические, карты землеустройства и т.д.). Все растровые файлы по отношению к географической привязке подразделяются на два класса: а) файлы, в которых содержится привязка (например, файлы форматов ERDAS – фирмы, специализирующейся на обработке космических снимков); б) файлы, не имеющие привязки, например, изображения, полученные при помощи сканера. В последнем случае для правильного размещения растровой темы необходимо создать специальный текстовой файл, называемый «мировым» (в англоязычной терминологии – world file), в котором описываются параметры географической привязки изображения.

Импортируемая семантическая информация может быть представлена в различных форматах баз данных. Применяемый для хранения формат - dBASE. Довольно частая в экологических исследованиях задача – визуализировать результаты измерений параметров в различных точках. В этом случае и позиционная, и семантическая информация может содержаться в одном файле формата dBASE, INFO или текстовом файле, имеющем структуру строк и столбцов. В любом случае двух полях (столбцах) должны храниться сведения о координатах точек, а в других – семантические характеристики точек. Темы (слои), источником которых служат файлы этих типов называются “темами событий”.

Естественно, часто необходимо провести интерполяцию данных, полученных для отдельных точек. В этом нам поможет модуль расширения ArcView Spatial Analyst. Этот модуль не входит в программный пакет ArcView, он должен приобретаться отдельно и подключаться к этому пакету. С его помощью можно строить изолинии и создавать грид-темы – растровые слои, построенные по векторным данным. Грид-тема – это прямоугольная матрица, состоящая из отдельных квадратных ячеек. Каждая ячейка имеет на плоскости данной проекции одинаковые размеры и одно значение проинтерполированной характеристики. Грид-темы хороши для представления непрерывных полей (например, давления, уровня загрязнения воздуха, шума, напряженности электромагнитного поля и т.д.) и необходимы для получения значений поля в точках с определенными координатами.

Ряд модулей входит в программный пакет ArcView. Для того, чтобы иметь возможность пользоваться ими, необходимо лишь подключить их в опции «Модули» (“Extensions”). Модуль Cad Reader необходим для чтения и конвертации данных форматов САПР – систем автоматизированного проектирования, Database Themes – для работы с распределенными по компьютерной сети базами данных, Digitizer – для работы с дигитайзером (дигитализации), IMAGINE Image Support и JPEG Image Support – для работы с растровыми данными, Dialog Designer – для разработки собственных интерфейсов пользователя – экранов с кнопками, надписями, меню и т. д., облегчающих диалог с компьютером.

Программный пакет ArcView имеет Avenue - встроенный язык создания ГИС-приложений, т.е. программ, которые могут запускаться исключительно из самого пакета ArcView. Этот язык является объектно-ориентированным – в нем объекты и действия над ними составляют единые конструкции. В программный пакет входит также набор примеров программ на Avenue, которые пользователь имеет возможность применять и редактировать.