Экзамен по Грузинову / Общая

«УТВЕРЖДАЮ» Зав. кафедрой ВТиАОИ

_____________проф., д.т.н. И.Г. Журкин

СПИСОК ВОПРОСОВ к экзамену по курсу “Геоинформационные системы и технологии (ГИС)”

для ФПКиФ

1.Геоинформационная система.

2.Геосистема.

3.Геосфера. Модель взаимосвязей.

4.Внешние факторы влияния на геосферу

5.Таксономическая иерархия геосистем

6.Инфраструктура ГИС.

7.Кадровое обеспечение ГИС

8.Нормативно-правовое обеспечение ГИС.

9.Аппаратные средства ГИС

10.Программные средства. ГИС-оболочка.

11.ГИС-оболочка. Виды прикладного базового ПО, используемого в ГИС.

12.Геомодель. Структура геомодели

13.Язык геомодели

14.Форма представления геомоделей и основные подходы к геомоделированию

15.Система знаний как элемент информационного обеспечения ГИС

16.Требования к системе классификации

17.Требования к системе кодирования

18.Правила цифрового описания объектов. Определение характера локализации объектов

19.Правила цифрового описания объектов. Представление метрики объектов.

20.Цифровое описание пространственно-логических связей объектов.

21.Метаданные. Требования к описанию массива фотограмметрической информации

22.Метаданные. Требования к описанию массива картографической информации

23.Геоизображение и способы графического отображения геоинформации

24.Практический вопрос по геоинформационному картографированию (по зачётным вопросам).

1.Геоинформационная система.

Геоинформатика включает в себя много наук. Науки о земле, методы обработки информации(география, геодезия-координатное описание, картография, дистанционное зондирование Земли и фотограмметрия(это научно-техническая дисциплина, занимающаяся определением характеристик объектов, таких как форма, размеры, положение в пространстве и т. д. по их изображениям),информатика(база данных координат опорных точек).

Геоинформация-сведения об объекте земного пространства, имеющие координаты описания.

Геоинформационная система (ГИС) — это многофункциональная информационная система, предназначенная для сбора, накопления, обработки(привести к единому виду), хранения, анализа и вывода пространственных данных(явлений земного пространства) и связанной с ними информации о необходимых объектах. При выводе и передачи данных возникает проблема, из-за того что используют разные форматы.

ГИС-это среда геомоделирования.

Термин также используется в более узком смысле — ГИС как инструмент (программный продукт), позволяющий пользователям искать, анализировать и редактировать цифровые карты, а также дополнительную информацию об объектах, например высоту здания, адрес, количество жильцов.

ГИС включают в себя возможности cистем управления базами данных (СУБД), редакторов растровой и векторной графики и аналитических средств и применяются в картографии, геологии, метеорологии, землеустройстве, экологии, муниципальном управлении, транспорте, экономике, обороне и многих других областях.

По территориальному охвату различают глобальные ГИС (global GIS), субконтинентальные ГИС, национальные ГИС, зачастую имеющие статус государственных, региональные ГИС (regional GIS), субрегиональные ГИС и локальные, или местные ГИС (local

GIS).

ГИС различаются предметной областью информационного моделирования, к примеру, городские ГИС, или муниципальные ГИС, МГИС (urban GIS), ГИС недропользователя[2], горногеологические ГИС[3], природоохранные ГИС (environmental GIS) и т. п.; среди них особое наименование, как особо широко распространённые, получили земельные информационные системы. Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными и прикладными), среди них инвентаризация ресурсов (в том числе кадастр), анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений. Интегрированные ГИС, ИГИС (integrated GIS, IGIS) совмещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) в единой интегрированной среде.

Система-совокупность взаимосвязанных элементов, как единое целое взаимодействующее со средой.

Основное назначение ГИС заключается в формировании знаний о Земле, отдельных территориях, местности, а также своевременном доведении необходимых и достаточных пространственных данных до пользователя с целью достижения наибольшей эффективности их работы.

Метрика(системы координат) + Семантика(количественные и качественные характеристики)

2.Геосистема.

Геосистема и геоинформационная системы отличаются. Геосистема-это фрагмент реального мира (то, что за окном), а геоинформационная системаэто программно-аппаратные человеко-машинные комплексы(вместе с компьютером, людьми).

Географическая система (геосистема) (др.-греч. γε, - Земля и др.-греч. σύστημα, - целое,

составленное из частей) — фундаментальная категория географии и геоэкологии, обозначающая совокупность компонентов географической оболочки, объединённых потоками энергии и вещества. В целом, это понятие очень близко к понятию экосистемы или геобиоценоза.

Геосистема — относительно целостное территориальное образование, формирующееся в тесной взаимосвязи и взаимодействии природы, населения и хозяйства, целостность которого определяется прямыми, обратными и преобразованными связями, развивающимися между подсистемами геосистемы. Каждая система обладает определенной структурой, которая формируется из элементов, отношений между ними и их связей с внешней средой. Элемент — это

основная единица системы, выполняющая определенную функцию. В зависимости от масштаба («уровня разрешения»), элемент на определенном уровне представляет собой неделимую единицу. При увеличении уровня разрешения исходный элемент утрачивает свою автономность и становится источником элементов новой системы (подсистемы). Такой подход наиболее важен в географии, оперирующей территориальными системами разных масштабов.

Свойства геосистем.

Каждый элемент системы и система в целом характеризуется определенными свойствами. Адекватное познание системы зависит от цели конкретного исследования и определения на этой основе множества наиболее существенных свойств. Исчерпывающе описать систему только через свойства невозможно, в связи с чем важной задачей любого системного исследования является определение ограниченного, конечного множества свойств. Это же относится к отношениям между элементами системы.

Геосистемы обладают огромным количеством свойств. Главными из них являются: а) целостность (наличие единой цели и функции); б) эмерджентность (несводимость свойств системы к сумме свойств отдельных элементов); в) структурность (обусловленность поведения системы ее структурными особенностями); г) автономность (способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, то есть состояние с низкой энтропией); д) взаимосвязанность системы и среды (система формирует и проявляет свои свойства только в процессе взаимодействия с внешней средой); е) иерархичность (соподчиненность элементов системы); ж) управляемость (наличие внешней или внутренней системы управления); з) устойчивость (стремление к сохранению своей структуры, внутренних и внешних связей); и) множественность описаний (в силу сложности систем и неограниченного количества свойств их познание требует построения множества моделей в зависимости от цели исследования); к) территориальность (размещение в пространстве — это главное свойство систем, рассматриваемое географией); л) динамичность (развитие систем во времени); сложность (качественные и количественные различия ее элементов и атрибутов).

4.*Внешние факторы влияния на геосферу

Внешние факторы воздействия, мы не моделируем их самих, мы моделируем их следы. 1) Космос (Солнце-солнечная радиация, излучение, притяжение;

Луна-воздействие на Землю (приливы, отливы);)

2)Недра-изучаем в областях взаимного проникновения атмосферы, литосферы, гидросферы. Смотрим не их самих, а следы воздействия.

3)Человеческий фактор.

3.Геосфера. Модель взаимосвязей.

Геосферы (от греч. гео — Земля, сфера — шар) — географические концентрические оболочки (сплошные или прерывистые), из которых состоит планета Земля.

Выделяются следующие геосферы: атмосфера, гидросфера, литосфера, земная кора, мантия и ядро Земли. Ядро Земли делится на внешнее ядро (жидкое) и центральное — субъядро (твёрдое).

Геосферы условно делятся на базовые или главные (литосфера, атмосфера и гидросфера и другие), а также относительно автономно развивающиеся вторичные геосферы: педосфера, антропосфера (Родоман Б. Б., 1979), социосфера (Ефремов Ю. К., 1961) и ноосфера (Вернадский В. И.). Область обитания организмов, включающая нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть земной коры, называется биосферой.

Геосфера – совокупность географических оболочек планеты Земля (биосфера, литосфера, гидросфера, атмосфера и т.д.).

Мы рассмотрим биосферу, литосферу, гидросферу, атмосферу с точки зрения агрегатного состояния вещества:

литосфера - преимущественно твёрдая оболочка гидросфера - преимущественно жидкая оболочка атмосфера - преимущественно газообразная оболочка

биосфера – комплексное состояние (твёрдое+жидкое+газообразное)

Литосфера – это земная кора с частью подстилающей её мантии, которая образует слой толщиной порядка 100 км. На поверхности литосферы в результате совокупной деятельности ряда факторов возникает почва.

Основоположник почвоведения русский ученый В.В. Докучаев назвал почвой наружные горизонты горных пород, естественно измененных совместным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов, включая их остатки. Таким образом, почва – это сложнейшая система, стремящаяся к равновесному взаимодействию с окружающей средой.

Гидросфера (от греч. Hydor - вода + Sphaira – шар) - водная оболочка Земли, включающая все воды, находящиеся в жидком, твердом и газообразном состояниях. Гидросфера включает воды океанов, морей, подземные воды и поверхностные воды суши. Некоторое количество воды содержится в атмосфере и в живых организмах.

Атмосфера – это воздушная оболочка Земли, . Она состоит из воздуха – смеси газов, состоящей из 78% азота, 21% кислорода, а также инертных газов, водорода, углекислого газа, паров воды, на которые приходится около 1% объема. в атмосфере Земли выделяют: тропосферу, стратосферу, ионосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу

Биосфера включает в себя флору, фауну, микробы Биосфера (от био... и сфера), оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой в

существенных чертах обусловлены прошлой или современной деятельностью живых организмов. Б. охватывает часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, которые взаимосвязаны сложными биогеохимическими циклами миграции веществ и энергии (по В. И. Вернадскому, — биогенная миграция атомов); начальный момент этих циклов заключён в трансформации солнечной энергии растениями и синтезе биогенных веществ на Земле

Биосфера — оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразованная ими. Биосфера начала формироваться не позднее, чем 3,8 млрд. лет назад, когда на нашей планете стали зарождаться первые организмы. Она проникает во всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы, которые взаимосвязаны сложными биогеохимическими циклами миграции веществ и энергии); начальный момент этих циклов заключён в трансформации солнечной энергии растениями и синтезе биогенных веществ на Земле

Биосфера представляет собой совокупность всех живых организмов. В ней обитает более 3 000 000 видов растений, животных, грибов и бактерий. Человек тоже является частью биосферы.

Все явления и процессы, происходящие во Вселенной, неразрывно связаны между собой. Взаимосвязана с окружающим миром и планета Земля. Беспрерывно на ее поверхность из космоса поступает поток материи в виде космического излучения, солнечной радиации и метеоритного вещества. Земля через верхние слои атмосферы излучает в межпланетное пространство ионизированные газы.

Тесная взаимосвязь существует и между оболочками Земли. Взаимодействие геосфер Земли состоит во взаимном обмене веществом и взаимном влиянии динамики их сред. Так, движение воздушных масс атмосферы влияет на движение воды в гидросфере (образование волн), вызывает разрушение горных пород, на суше. Вещество верхней мантии в огненно-жидком состоянии проникает в земную кору и осуществляет тем самым обмен веществом между мантией и земной корой. Каждая из оболочек Земли в какой-то мере обусловливает существование и жизнедеятельность другой.

Биосфера поставляет в атмосферу, например, кис лор од, гидросфера — водяные пары. Атмосфера, в свою очередь, защищает от палящих лучей Солнца органический мир и гидросферу Земли, удерживает испарившуюся с поверхности влагу и в-виде атмосферных осадков возвращает ее Земле. Водная и воздушная оболочки обусловливают существование органического мира. Формы взаимосвязи и взаимодействия геосфер Земли крайне разнообразны. Взаимообусловленность и взаимодействие оболочек Земли , подтверждают основные положения диалектического материализма о единстве материального мира, о взаимной связи и взаимной обусловленности процессов и явлений в природе, о движении материи и переходе ее из одного состояния в другое.

Элементы атмосферы в литосферу(пыльная буря).

Элементы биосферы в гидросферу(существуют процессы закрепления. Растительность закрепляется на берегах и стабилизирует речную систему)

5.Таксономическая иерархия геосистем.

Природные геосистемы имеют иерархическую структуру. Это означает, что все геосистемы состоят из нескольких элементов, и каждая геосистема входит в качестве структурного элемента в более крупные. Основы моделирования систем, математического моделирования.

Существуют три категории геосистем (по пространственным размерам): планетарные (сотни млн. км2) – ландшафтная оболочка в целом, материки и океаны,

пояса, зоны; региональные – физико-географические страны, области провинции, районы; локальные – (от нескольких м2 до нескольких тысяч м2) местности, урочища, подурочища, фации.

Каждому из указанных геосистемных таксонов свойственны определенные круговороты вещества и энергии определенного масштаба – большой геологический, биогеохимический, биологический

Ландшафтная оболочка подчиняется закону иерархической организации слагающих ее частей. В ее структуре участвуют природные геосистемы различных пространственно-временных масштабов. От самых крупных и долговечных образований, таких как океаны и материки, до маленьких и очень изменчивых. Они объединяются в многоступенчатую систему таксонов, именуемую иерархией природных геосистем. Из признания факта соподчиненности разноранговых геосистем происходит методологическое правило триады, согласно которому каждая природная геосистема должна изучаться не только сам по себе, но и обязательно как распадающаяся на подчиненные структурные элементы и одновременно как часть вышестоящего природного единства.

Предложено несколько вариантов таксономической классификации природных геосистем.

Таксономическая иерархия геосистем – иерархия пространственной вложенности Терминология:

Геосистема – совокупность объектов и явлений земного пространства, взаимосвязанных между собой и как единое целое взаимодействующих с окружающей средой.

Геомер – любой однородный участок земного пространства, представляющий собой единое целое (ещё не геосистема).

Геохора - любой разнородный участок земного пространства, представляющий собой единое целое (уже геосистема).

Геосфера – совокупность географических оболочек планеты Земля (биосфера, литосфера, гидросфера, атмосфера и т.д.).

Таксономическая иерархия геосистем формируется в соответствии с внешними и внутренними ключевыми факторами воздействия на геосистему.

иерархия геосистем от планетарного к локальному масштабу:

Физико-географический пояс(распространение солнечное радиации: экваториальный, тропический и т.д.)

Субконтинент(взаимодействие масс с влажностью) Фации-однородный участок первичного уровня.

6.Инфраструктура ГИС Вопросы собственности, вопросы статуса, вопросы обеспечения состоит инфр ГИС

Инфраструктура ГИС – организационное обеспечение ГИС

Геомодель (снимки, карты и т.д)-информационное ядро.

Инфраструктура ГИС

1.Нормативно-правовое обеспечение(вопрос №8)

2.Кадры(вопрос № 7)

3.Собственность

4.Схема финансирования

Собственность:

Интеллектуальная собственность(существуют права представителей ГИС, необходимо

уважать те права, которые мы заимствуем)

(алгоритмы, методики, ПО, технологии – секреты производства; информация (карты, ДДЗ, БД, знания)

Если мы заявляем в виде патентов, то они сохраняются на уровне интеллектуальной собственности.

Недвижимость

(офис, стационарные и нестационарные площадки)

Движимое имущество

Техника и оборудование, включая экспедиционное (датчики и транспорт, снаряжение) Схема финансирования (оценивает способность предприятия):

размер

сроки структура финансирования прозрачность

7.Кадровое обеспечение ГИС.

Кадровое обеспечение ГИС – важнейший элемент инфраструктуры ГИС (организационное обеспечение).

Кадры:

1. ГИС –специалисты:

а) специалисты по тематике ГИС (геоморфологи, зоологи, биогеографы, геологи, гидрологи, гидрогеологи, ботаники, почвоведы, ландшафтоведы, геохимики, геофизики, изыскатели, экологи, строители, политологи, военные специалисты, маркетологи, вирусологи … )

Они понимают содержание территории.

б) специалисты по технологии (картографы, геодезисты, фотограмметристы, геоинформатики … )

Они разбираются в проекциях, в различных системах, то есть они понимают процесс. 2. Техперсонал (сисадмин, электроник, уборщица, водитель, космонавт, штурман, кладовщик,

материально ответственный, охранник)

3. Управление - руководство ГИС-проектом Они необходимы чтобы обеспечить полноценную работу ГИС.

8.Нормативно-правовое обеспечение ГИС.

Нормативно-правовое обеспечение ГИС – неотъемлемая часть организационного обеспечения ГИС (инфраструктуры)

Законодательное обеспечение

В Конституция РФ описано что относится к области федерального ведения.

Конституция РФ Статья 71 «В ведении Российской Федерации находятся:… р) метеорологическая служба,

стандарты, эталоны, метрическая система и исчисление времени; геодезия и картография; наименования географических объектов; официальный статистический и бухгалтерский учет;

Отвечает за вопросы геодезии, картографии и наименования географических объектов; Федеральная служба государственной регистрации, кадастра и картографии

Федеральный закон от 26 декабря 1995 г. N 209-ФЗ О геодезии и картографии:

«К геодезическим и картографическим работам федерального назначения относятся:

создание и ведение географических информационных систем федерального и регионального назначения» Из этого вытекает государственный надзор, лицензирование, сертификация.

Имеет также важное значение все другие законодательные акты, связанные с хозяйственной, финансовой деятельностью, использованию труда работников, информации (в т.ч. секретной) и т.д.

Нормативно-техническое обеспечение:

Международные стандарты (ISO)

Междугосударственные (СНГ-содружество независимых государств) и государственные стандарты (ГОСТ, ГОСТ Р)

Отраслевые стандарты ОСТ (процессы и виды картографической деятельности в качестве примера)

Пример: инструкция трансформирования ортоснмка в фотомод. Стандарты предприятия Основные положения Руководства Инструкции Методические указания

Редакционно-технические указания (РТУ)

Пример: можно разработать классификатор.

9.Аппаратные средства ГИС.

Эффективная работа современных пакетов ГИС и разрабатываемых на их базе приложений возможна только при наличии мощной технической поддержки. Технические средства ГИС должны обеспечивать возможность хранения больших массивов данных, качественно выводить картографическую и другую информацию на монитор или бумагу, вводить данные из различных источников, быстро производить поиск, сортировку и обработку информации. Для проведения этих операций в программных оболочках ГИС предусмотрена возможность подключения и настройки различных аппаратных платформ и периферийных устройств.

Компьютеры.

Большинство программных пакетов ГИС из предлагающихся к свободной продаже или попадающих в специальные обзоры, например, ориентировано на работу на базе IBMсовместимых персональных компьютеров под управлением операционных систем MS-DOS или WINDOWS. Некоторые оболочки ГИС могут настраиваться на несколько аппаратных платформ - IBM PC, APPLE, SUN, DEC и др. Наиболее мощные продукты для создания разветвленных многопрофильных приложений ГИС ориентированы на работу под управлением операционных систем UNIX и WINDOWS NT на рабочих станциях или близким к ним по техническим характеристикам ПК. Ряд фирм-производителей программного обеспечения, выпускает для своих продуктов специальные рабочие станции и периферию (INTERGRAPH).

От технических характеристик аппаратной платформы зависит, какая оболочка ГИС и как эффективно может выполнить поставленную задачу. Для одной из наиболее частых операций ГИС - поиску и выборке из базы данных информации по заданным параметрам, - необходимы высокая производительность центрального процессора и скорость обмена с накопителями информации. Аналогичные характеристики при наличии монитора высокого разрешения с большим объемом видеопамяти необходимы для построения трехмерных изображений и сложных полноцветных карт. Функции пространственного моделирования и анализа требуют больших объемов оперативной памяти и т. д. К числу технических параметров ПК, заявленных в документации даже относительно нетребовательных ГИС, относятся: объем оперативной памяти не менее 4 Мб., объем свободного места на магнитных носителях не менее 20-60 Мб., монитор SVGA с видеопамятью не менее 1 Мб, минимально возможный процессор - i386. Однако при разработке разветвленных многоуровенных баз данных регионального уровня, предусматривающих ввод данных дистанционного зондирования и подключение различных прикладных моделей обработки

информации, необходимо ориентироваться на аппаратные платформы с максимально возможными в настоящее время характеристиками. Мировая практика развития ГИС технологий предусматривает даже для средних по информационному насыщению проектов использование вычислительных средств класса рабочих станций. По данным Института исследований систем окружающей среды (ERSI, США), среди наиболее крупных проектов, выполненных в мире, 96% занимают проекты, при реализации которых использовались рабочие станции и только 4% выполнены на персональных компьютерах. В Украине из-за высокой стоимости

рабочих станций ситуация прямо противоположная. На конец 1996 г. наиболее мощные из предлагавшихся к продаже на территории Украины персональные компьютеры имели следующую конфигурацию:

—процессор Pentium с тактовой частотой 166 -200МГц;

—оперативная память 16-32 Мб;

—объем жесткого диска (HDD) - 1 - 2,5 Гб;

—монитор SVGA от 15"-17" до 20" , видеопамять 1-2 Мб. Для крупных проектов необходимо использование рабочих станций

В RISC-процессорами, подключенных к мощным накопителям данных объемом порядка 10-20 Гб, объединенных в локальные сети и подключенных к глобальной информационной сети типа INTERNET. Станции, ориентированные на работу с ГИС-приложениями, выпускает ряд известных фирм: DEC, HEWLETT PACKARD, SUN, SILICON и др.

Устройства ввода пространственной информации

Устройства ввода пространственной информации делятся на два основных класса:

—ручного ввода информации;

—автоматического и полуавтоматического ввода информации. Кроме клавиатур и графических устройств указания (мышь, трекбол), к числу устройств с ручным вводом относятся различные виды дигитайзеров (Digitizer, Tablet, планшет, сколка), предназначенные для считывания с рабочего поля точечных координат с их последующим преобразованием в системные координаты ГИС. Различные модели дигитайзеров могут иметь размеры рабочего поля от 12" Х 12" до 32"Х при точности ввода до 0.05 мм (у большинства моделей до 0.1 мм). В последнее время к устройствам этого типа можно отнести некоторые рабочие станции GPS (системы спутникового определения координат), которые позволяют определять пространственные координаты в поле непосредственно на объекте с их последующим сохранением и переносом в базу данных на стационарном или переносном компьютере.

К устройствам автоматического и полуавтоматического ввода пространственной информации относятся сканеры (scanner), считывающие с заданным разрешением (обычно до 300 точек на дюйм, в лучших моделях до 8000 тчк/дюйм) все поле карты или аэрокосмоснимка и преобразовывающие его в графический растровый файл. Однако для последующего выделения пространственных объектов из общего поля цифрового изображения и их идентификации в базе данных ГИС необходимо использование специальных программных продуктов - векторизаторов при участии и контроле опытного оператора. Сканеры имеют различные размеры рабочего поля (от 12" Х 12" до 32" на несколько метров для рулонных моделей).

Устройства вывода и представления информации

Управление ГИС и представление информации в различном виде производится прежде всего при помощи монитора. Некоторые системы могут использовать два монитора, например МОЕ, ARC/INFO, ILVIS, для раздельного вывода текстовой и графической информации.

Производители пакетов ГИС предусматривают возможность использование различных моделей мониторов с различной разрешающей способностью, но для украинского рынка доступными в настоящий момент являются мониторы стандарта SVGA с рабочим разрешением 600х800 и 780х1024 пикселя при поддержке видеопамяти от 512 Кб до 2 Мб.

По способу формирования изображения на бумаге или другом "твердом" носителе устройства вывода делятся на несколько типов.

1. Матричные принтеры переносят изображение на бумагу при помощи ударов иголок знакогенерирующей головки по ленте с красителем. Технические характеристики некоторых моделей (разрешение матрицы знакогенератора 24х24 точки или 48х24 точки) позволяют выводить на бумагу относительно качественно и очень недорого черно-белую графику и текст.

2. Струйные (чернильные) принтеры формируют изображение на бумаге или пленке методом "выстреливания" капелек черных или цветных чернил в указанные позиции. Разрешение устройств этого типа у большинства моделей составляет 300 - 600 тчк/дюйм, у лучших моделей до