X географические информационные системы и бд
Общие сведения о ГИС
Что такое пространственные данные?
Стандартизация в области ДЗЗ и ГИС
Обзор существующих ГИС
Источники пространственных данных
Хранение пространственных данных
Как включить БД в ГИС?
3D-модели
Примеры использования ГИС
Инфраструктура пространственных данных
Выводы
«Бизнес обычно оперирует двумя измерениями: время и деньги, а остальные три — традиционные трехмерные измерения (широта, долгота, высота-глубина). Все в мире имеет географическую привязку, но многие организации еще не оценили это по достоинству в своей деятельности».
Сергей Щербина
Общие сведения о ГИС
Большинство используемых данных, с которыми работают информационные системы, имеют пространственную привязку - географические координаты, т.е. относятся к какому - либо географическому объекту. Это может быть место рождения, проживания, расположения, маршрут движения, наблюдения за фиксированными и движущимися объектами и др. Запросы на такие данные удобнее всего формулировать, указывая интересующий район на карте (страну, город и т.п.) или фильтровать результаты поиска в зависимости от географического района. Например, сервис Google выдает результаты поиска в зависимости от места проживания. Сервис Overture (http://www.overture.com) запустил систему контекстной рекламы в результатах локального или географического поиска.
Появилась возможность получить доступ к сведенной воедино географической информации, включающей в себя покрытие всего земного шара космическими снимками, модель рельефа и собственно векторные слои (карты) в системе координат GPS. Сервисы Google Maps и Google Earths, фактически представляющие собой базовую инфраструктуру геоданных, продемонстрировали потенциал уже завоевавших популярность географических информационных систем (ГИС). Простота ввода и агрегации данных с помощью сервиса Google Earth позволяет видеть в нем прообраз ГИС будущего — простых в использовании, открытых сред.
ГИС обеспечивает сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение геопространственных данных. ГИС содержит данные о пространственных объектах в форме их цифровых представлений (векторных или растровых), включает соответствующий задачам набор функциональных возможностей, в которых реализуются операции геоинформационных технологий, поддерживается программным, аппаратным, информационным, нормативно-правовым, кадровым и организационным обеспечением [4, 6].
Инструменты ГИС позволяют осуществлять операции интерактивно и очень быстро, например, доставлять и выводить изображения на экран монитора, перемещаться по изображению, масштабировать изображение, «на лету» проводить обработку изображений, включая функции улучшения изображений, разбивку по каналам, совмещение изображений разного разрешения, использование фильтров и преобразований, вырезку фрагментов, перепроецирование, сборку мозаик изображений. При этом поддерживаются различные типы изображений, которые можно легко объединить. ГИС:
интегрирует пространственную и любые иные типы информации;
предлагает единую концептуальную, методическую и технологическую основу для организации и представления географических данных;
позволяет рассматривать данные, основанные на признаках географического взаиморасположения объектов (близости/удаленности) в окружающем нас мире;
предлагает новые, более близкие к аналоговым и потому легко воспринимаемые, способы манипулирования и отображения данных (посредством картографических образов).
По территориальному охвату различают [6] глобальные, национальные, региональные и локальные ГИС. В зависимости от предметной области ГИС бывают муниципальные, природоохранные, кадастровые - 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 решений. Интегрированные ГИС совмещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки данных. Полимасштабные или масштабно-независимые ГИС основаны на множественных, или полимасштабных представлениях пространственных объектов, обеспечивая графическое или картографическое воспроизведение данных на любом из избранных уровней масштабного ряда на основе единственного набора данных с наибольшим пространственным разрешением.
Основные определения [9]
Геоинформационная система - это система аппаратно-программных средств и алгоритмических процедур, созданная для цифровой поддержки, пополнения, управления, манипулирования, анализа, математико-картографического моделирования и образного отображения географически координированных данных. ГИС обеспечивает взаимосвязь между любыми количественными и качественными характеристиками географических объектов и явлений, представленных в БД в виде точек, линий, площадей и равномерных сеток; содержит алгоритмы анализа пространственно-координированных данных.
Значение - единица информации, хранящаяся в слое для каждого пикселя или ячейки. Ячейки одной зоны (или района) имеют одинаковое значение.
Карта – это отображение географической информации, содержащее цифровое изображение файла, пригодное для отображения на мониторе компьютера, данными как таковыми она не является. Электронная карта - картографическое изображение, визуализированное с использованием программных и технических средств в заданной проекции, размерности, системе условных знаков на экране компьютера на основе БД. При необходимости электронная карта может быть трансформирована (представлена в другой проекции или масштабе) и дополнена новыми данными (например, текущей информацией).
Картограмма - это карта, показывающая распределение относительных показателей (плотность, интенсивность какого-либо явления, удельные величины и т.п.), по определенным территориальным единицам. Картограмма это один из способов картографического изображения, применяемый для показа относительных статистических данных путем заполнения контуров территориального деления (обычно, административных единиц) цветовыми заливками разного тона, штриховками плотности в соответствии с принятыми интервальными шкалами.
Местоположение - наименьшая единица географического пространства, для которого могут быть приведены какие-либо характеристики или свойства (пиксель, ячейка). Такая частица картографического плана однозначно идентифицируется упорядоченной парой координат - номерами строки и столбца.
Модели объемных тел — расширение векторной объектной модели, где каждая формообразующая точка объекта имеет три пространственных координаты (в «плоской» векторной модели третья координата может быть атрибутом объекта, а не частью геометрического описания). Трехмерный объект может иметь любое число ребер, соединенных произвольно, и граней, на которые могут накладываться растровые текстуры — изображения соответствующих участков объекта реального мира.
Наблюдение (измерение)– это действие, результатом которого является некоторая величина, характеризующая какое-то явление. Наблюдение моделируется как элемент в контексте ИСО 19109. Наблюдение использует некоторую процедуру для получения значений атрибутов экземпляра элемента, которая может осуществляться с помощью датчика или наблюдателя, аналитического метода, моделирования или другого численного процесса.
Пиксель - элемент изображения, который является самым малым неделимым элементом изображения.
Площадной контур (зона) - набор смежных местоположений одинакового свойства. Термин класс (или район) часто используется в отношении всех самостоятельных зон, которые имеют одинаковые свойства. Основными компонентами зоны являются ее значение и местоположения.
Покрытия — специальная разновидность векторной модели данных, где выделяются не изолированные объекты, а области пространства с единым набором характеристик. Элементом модели является однородный полигон (многоугольник), причем обязательным требованием является отсутствие разрывов и перекрытий между полигонами одного покрытия. Функционально покрытие аналогично растру, но во многих случаях обладает меньшей избыточностью. Наиболее популярным видом является сеть нерегулярной триангуляции, составляемая из непрерывной мозаики треугольников. Применяется для записи непрерывных распределений и поверхностей (рельеф, изменения температуры, влажности в виде изолиний). Примерами покрытия является растровое изображение, оверлей полигонов или цифровая модель данных (матрица).
Пространственные данные - цифровая информация о пространственных объектах, включающая сведения об их местоположении и свойствах, пространственных и непространственных атрибутах - обычно состоят из двух взаимосвязанных частей описания пространственного положения и тематического содержания данных. Структура пространственных данных включает широту, долготу и значение объекта (высота земли, глубина моря, границы стран, экономических зон, береговой линии, расположение фирм, пользователей и т.п.). Пространственные данные вместе с их семантическим окружением составляют основу БД. Необходимость учета динамичности, изменчивости данных, их обновления требует, наряду с географией, учета временных аспектов данных, расширяя понятие «пространственные данные» до пространственно-временных данных. Введение временной размерности данных требует создания четырехмерной ГИС.
Удостоверение местоположения пространственного объекта - описание его с помощью набора данных, включающего в себя координаты, идентификатор, наименование (при наличии адреса), топологические отношения с другими пространственными объектами, предоставляемое юридически значимым источником пространственных данных (ГОСТ Р 53339–2009 «Данные пространственные базовые. Общие требования»).
Разрешение - минимальная линейная размерность наименьшей единицы географического пространства, для которой могут быть приведены какие-либо данные. В растровой модели данных наименьшей единицей для большинства систем выступает квадрат или прямоугольник. Такие единицы известны как сетка, ячейка или пиксель. Множество ячеек образует решетку, растр, матрицу. Пространственная сетка может быть как равномерной, так и неравномерной (когда все узлы задаются индивидуально).
Элемент – это объект, представляющий реальное явление, данные о котором собраны, объединены и распространены. Моделирование концептуальных географических элементов представлено в ИСО19101, ИСО19109 и имеет два уровня: уровень экземпляров и уровень типов. На уровне экземпляров географический элемент представлен в виде дискретного явления, которое обусловлено географическими и временными координатами, и может быть отображено с помощью конкретного графического символа. Эти отдельные экземпляры элемента группируются в классы с общими характеристиками – типы элементов. Каталог элементов определяется как каталог, содержащий набор экземпляров элемента для конкретного типа элементов (ИСО19110).
Геоинформационные данные содержат четыре интегрированных компонента:
географическое положение (размещение) пространственных объектов представляется 2-х, 3-х или 4-хмерными координатами в географически соотнесенной системе координат (широта/долгота);
атрибуты - свойство, качественный или количественный признак, характеризующий пространственный объект (но не связанный с его местоуказанием);
пространственные отношения определяют внутренние взаимоотношения между пространственными объектами (например, направление объекта А в отношении объекта В, расстояние между объектами А и В, вложенность объекта А в объект В). Типовые вопросы, на которые способна ответить ГИС: Где находится А? Сколько А расположено в пределах расстояния D от В? Каково значение функции Z в точке X? Как велико по размерам В? Каков результат пересечения А и В? Каков оптимальный маршрут от Х до Y? Что находится в X1, X2,…, Xn?;
временные характеристики представляются в виде сроков измерения данных, они определяют их жизненный цикл, изменение местоположения или свойств пространственных объектов во времени.
Основополагающими элементами базы пространственных данных являются:
реальный объект - явление окружающего мира, представляющее интерес, которое не может быть более подразделено на явления того же самого типа;
объект БД - элемент, в том виде, в каком он представлен в БД (объект БД является "цифровым представлением целого или части реального объекта");
метод цифрового представления явления изменяется исходя из базового масштаба и ряда других факторов.
Каждый тип реального объекта представляется определенными пространственными объектами БД. Пространственные объекты могут быть сгруппированы в слои, также называемые оверлеями, покрытиями или темами. Один слой может представлять одиночный тип объекта или группу концептуально связанных типов.
В директиве INSPIRE [10,11] определены 34 объекта - географические наименования, адреса, дорожные сети, почвенный покров, геология и другие, по которым должны быть подготовлены пространственные данные в соответствии со стандартизированными моделями данных.
Качество пространственных данных определяется их точностью измерений, достоверностью и полнотой. Для пространственных данных выполняются операции ввода, экспорта, импорта, обмена, предобработки, обработки, анализа, вывода, визуализации и т.п.
Картографический материал и средства манипулирования этой информацией, включая топологические отношения, интеграция с атрибутивными данными, разного рода модели и методы статистических и геометрических расчетов, интегрированные в единую среду интерактивными графическими интерфейсами, являются мощным инструментом для решения разнообразных задач. ГИС позволяет проводить:
операции ввода вывода;
преобразование данных;
визуальное исследование растровых и векторных данных;
пространственный правдоподобный вывод;
поисковые операции.
К операциям ввода вывода относятся:
загрузка распределенных данных с использованием XML файла ГИС проекта;
сохранение ГИС проектов и получение данных;
выбор проекции карты, сохранение и вывод на печать;
импорт и экспорт пространственных данных из различных векторных форматов, осуществление привязки к различным проекциям;
организацию связей между картографическими объектами и записями БД;
организацию связей с СУБД для решения задач управления и хранения информации.
Операции преобразования данных включают:
конвертирование данных в различные форматы (SXF, DXF/DBF, MIF/MID, SHP, FLT (ASCII), PTS (ASCII), S57/S52, GEN, DGN, GRD, TIFF, EPS, EMF, JPG, PNG, GIF и т.д.);
оперирование стандартными растровыми форматами и картографическими слоями;
создание и редактирование сопровождающих картографические слои таблиц атрибутивных данных;
выполнение картографических запросов (выбор необходимых слоев, вырезка необходимого района, увеличение изображения - ZOOM и др.);
выполнение многокритериальных запросов, включая SQL;
создание тематических карт, отчетов;
экспорт атрибутивных данных в форматы различных СУБД;
редактирование картографической информации, координатную сетку;
вычисление сеточных полей расстояний до векторных объектов, близости, плотности и т.д.;
вычисление градиента, сглаживание в произвольном скользящем окне, вычисление среднеквадратического отклонения, выделение аномалий и т.д. или с помощью вычисления конструируемых пользователем произвольных функций от нескольких сеточных слоев;
вычисление статистик конструируемых пользователем произвольных функций от атрибутов нескольких векторных слоев.
отображение местоположения на фоне карты, пересчет координат, полученных в системах ГЛОНАСС (ПЗ-90) и НАВСТАР (WGS-84) в систему координат 42 года.
К операциям визуального исследования растровых и векторных данных относятся:
проведение картографического измерения сеточных и векторных слоев;
оценка статистик одного или двух сеточных слоев (мин. макс, среднее, среднеквадратическое отклонение, корреляции и ошибки аппроксимации), построение гистограмм;
строить графики, разрезы сеточных слоев в виде совокупностей единичных точек и/или полигонов с помощью указания объектов на карте и с помощью автоматического выбора прецедентов по сеточному и точечному слою;
проведение комплексного анализа по сходству (функция сходства формируется с помощью функции расстояния до прецедентов или как принадлежность к построенным по прецедентам полуинтервалам);
моделирование освещенности (изученностиь) данными наблюдений;
создание композиций карт из растровых и векторных слоев;
изменение размеров и масштабов закраски, прозрачности, диапазона видимых значений, типа линий и размеров пиктограмм;
поддержка многих картографических проекций, проведение геометрических измерений по карте, расчет площадных, объемных характеристик и другие операции;
создание дополнительных элементов графического оформления (подписи, рамки, легенда), а также вывод высококачественных твердых копий на струйные или лазерные принтеры и плоттеры
построение трехмерных моделей местности, перемещение по ней в реальном масштабе времени;
отбор на карте объектов одного списка, имеющих определенную пространственную связь с объектами другого списка (вхождение, пересечение, примыкание, удаление в пределах заданного расстояния и тому подобное);
построение списков объектов на основе атрибутивных характеристик объектов, отбор по условиям над связанными с объектами записями БД, отбор по условным знакам, по вхождению в заданную область, ручной отбор и т.д.;
поиск минимального маршрута между узлами с учетом значений семантических характеристик ребер сети и нахождение объектов в пределах заданного расстояния от указанного узла (графа удаленности);
создание диаграмм на карте по значениям семантических характеристик или значениям выбранных полей таблиц БД;
поиск и отбор объектов по значениям атрибутивных характеристик, размерам, пространственному положению относительно других объектов;
отображение трехмерных координат, скорости и азимута движения, пройденного расстояния, азимута на заданную точку и других параметров, пройденного пути и выбор маршрутов для дальнейшего движения;
навигация по изображению, скроллинг, откат;
просмотр содержания метаданных визуализируемого набора данных;
масштабирование - может выполняться плавно или пошагово перемещением движка масштабной линейки, заданием численного значения знаменателя масштаба, инструментом «лупа» с неизвестным коэффициентом масштабирования и т.п.
изменение параметров визуализации, заданных по умолчанию (цвет заливки, стили линейных графических элементов и т.п.), расчет расстояний по заданной ломаной линии, подсчет площадей полигона, снятие высотной отметки точки или построение вертикального высотного профиля.
К операциям пространственного правдоподобного вывода относится оценивание функций:
сходства к выборке прецедентов;
принадлежности к двум классам;
непараметрической регрессии;
предпочтения и нахождение логического выражения, объясняющего решающее правило.
Поиск пространственных данных производится по значениям атрибутов; пространству. Поиск по значениям атрибутов это аналог традиционного механизма поиска в реляционных БД. Задача этой схемы поиска состоит в нахождении объекта или группы объектов по заданным, значениям характеристик искомых объектов. Задача пространственного поиска состоит в нахождении объекта или группы объектов, пространственно-временные координаты которых включают (не включают) некоторое множество заданных пространственно-временных точек.
Поиск пространственных данных по метаданным образует ядро группы функций поиска. Согласно Директиве INSPIRE [10, 11] геопортал должен обеспечивать поиск пространственных данных по ключевым словам, классификаторам данных и геоинформационных услуг (геосервисов), названиям уполномоченных органов, критериям качества и достоверности данных, географическому положению, в соответствии с условиями доступа и использования данных, а также по правилам реализации. Почти все геопорталы обеспечивают возможность простого (быстрого) поиска, обычно по географическому названию и/или ключевому слову из перечня тем, заданных пользователем или выбираемых им из выпадающего списка или тезауруса. Расширенный поиск, включающий возможности простого поиска, позволяет искать данные по их пространственно-временным характеристикам. Временной интервал (охват), в котором локализованы данные, может быть задан периодом времени или глубиной ретроспективы. Поиск по пространственному охвату (экстенту) реализуется, помимо указания географического названия, путем задания числовых значений географических координат углов ограничивающего прямоугольника или по ограничивающей рамке в окне поиска по картографическому изображению.
Тематические функции включают:
поддержку многослойных матричных карт (в основе лежат геофизические данные), матриц рельефа и матриц качественных характеристик местности со своими легендами;
построение ортофотопланов по материалам космической съемки центральной проекции, панорамным и щелевым снимкам, аэрофотосъемке;
построение регулярных и нерегулярных матриц высот по векторным картам или набору точечных измерений;
формирование изолиний по нерегулярным измерениям;
поддержку атласа карт - быстрый переход между перекрывающимися картами разных масштабов, систем координат и проекций;
поддержку стандартных систем классификации и кодирования карт, интерактивная настройка библиотек условных знаков и программирование новых примитивов;
построение и анализ поверхностей для таких свойств местности как высота рельефа, концентрация загрязнения, количество осадков, уровень радиации, удалённость от заданного объекта и другие;
создание модели зон затопления, используя измерения глубин и данные о рельефе местности;
построение дорожной сети, решение транспортных задач.
Сервисы выполняют:
разработку ГИС-приложений для решения специальных задач с применением языков Делфи, С в персональном варианте и java, PHP и других в серверном вариантах;
построение мозаики из любого числа векторных, растровых и матричных карт;
обработку данных топографо-геодезических изысканий в камеральных условиях, нанесения результатов вычислений на электронную карту и формирования отчетных документов по метрическим и атрибутивным данным;
интерактивное проектирование информационных систем на основе встроенного конструктора форм, отчетов, SQL –запросов, анализа данных и построение графиков, диаграмм, тематическое картографирование, геокодирование;
расчеты на плоскости и в пространстве с учетом искажений проекций, кривизны Земли, трехмерных координат, матриц высот и качественных характеристик;
настройку пользовательских форм, создание графиков, диаграмм, обработка связанных БД, печать отчетов, возможности формирования макросов и запросов, организацию связи объектов карты с пользовательскими формами;
автоматическую расстановку заполняющих знаков и подписей, оформление точек примыкания и пересечения объектов, формирование зарамочного оформления и легенды, размещение OLE-объектов; конвертирование в графические форматы и цветоделение.
В ГИС широко применяются вычислительные алгоритмы (линейные преобразования, нормализация, интерполяция и экстраполяция, статистические функции, приближение методом наименьших квадратов, анализ данных с помощью преобразований Фурье и т.п.).
Научные дисциплины, благодаря которым стало возможным появление и развитие ГИС, включают геодезию, географию, дистанционное зондирование земли, информатику, картографию, математику, статистику, теорию управления, топографию, фотограмметрию. Основными областям использования ГИС являются:
экология и природопользование;
земельный кадастр и землеустройство;
управление городским хозяйством;
региональное планирование;
демография и исследование трудовых ресурсов;
управление дорожным движением;
оперативное управление и планирование в чрезвычайных ситуациях;
социология и политология.
Специалисты, работающие в области ГИС и геоинформационных технологий, проводят накопление первичных данных, занимаются проектированием БД и ГИС, планированием, управлением и администрированием геоинформационных проектов, поддержкой ГИС, маркетингом и распространением ГИС-продукции и геоданных, профессиональным геоинформационным образованием и обучением ГИС-технологиям.
Что такое пространственные данные?
Пространственные данные идентифицирует географическое местоположение и свойства естественных или искусственно созданных объектов, а также их границ на земле. Эта информация может быть получена с помощью, дистанционного зондирования, картографирования и различных видов съемок. Пространственные данные содержат четыре интегрированных компонента: местоположение, свойства и характеристики, пространственные отношения, время. ГИС обеспечивает взаимосвязь между любыми количественными и качественными характеристиками географических объектов и явлений, представленных в БД в виде точек, линий, полигонов и равномерных сеток.
Географическое положение (размещение) пространственных объектов представляется 2-х (широта, долгота), 3-х (широта, долгота, высота или глубина) или 4-хмерными (широта, долгота, высота или глубина, время) координатами в географически системе координат. Наиболее универсальными и употребительными способами цифрового описания пространственных объектов являются:
векторное представление (точки, линии, полигоны);
векторно-топологическое представление;
векторно-нетопологическое или модель "спагетти";
растровое представление (ячейки, сетки);
регулярно-ячеистое представление;
квадродерево (квадротомическое представление).
К менее распространенной или применяемой для представления пространственных объектов определенного типа относится гиперграфовая модель и ее многомерные расширения. Существуют способы и технологии перехода от одних способов представления пространственных данных к другим (например, растрово-векторное преобразование и обратно).
Растровая модель данных - цифровое представление пространственных объектов в виде совокупности ячеек растра (пикселей) с присвоенными им значениями класса объекта. Растровая модель предполагает позиционирование объектов указанием их положения в соответствующей растру прямоугольной матрице единообразно для всех типов пространственных объектов (точек, линий, полигонов и поверхностей). Она разбивает всю изучаемую территорию на элементы регулярной сетки или ячейки. Каждая ячейка содержит только одно значение и является пространственно заполненной, поскольку каждое местоположение на изучаемой территории соответствует ячейке растра, иными совами - растровая модель оперирует элементарными местоположениями. Элементом модели является пиксель — точечный элемент изображения, адресуемый номером строки и столбца в матрице значений растра. В каждой точке возможно несколько независимых измерений, каждое из которых называется каналом растра. Растровая модель применяется для записи аэрокосмических снимков, фотографий, карт непрерывных распределений и поверхностей (рельеф, температура, лед на космических снимках и т.д.). Преимуществами растровой модели является простая структура данных, возможность осуществлять эффективные оверлейные операции, работать со снимками.
Векторная модель данных имеет векторно-нетопологическое представление данных - цифровое представление точечных, линейных и полигональных пространственных объектов в виде набора координатных пар с описанием только геометрии объектов. Векторная (объектная) используется для представления объектов реального мира в виде отдельных информационных сущностей, содержащих координаты, форму, размер, количественные и качественные характеристики представляемых объектов реального мира. Элемент модели — пространственный объект, представляемый набором точек или отрезков (векторов) и набором атрибутов (описательных характеристик). Применяется для создания цифровых карт, подобных по структуре бумажным топографическим картам. Преимуществами векторной модели являются компактная структура, простая топология, качественная графика.
Векторно-топологическое представление (линейно-узловое представление) - разновидность векторного представления линейных и полигональных пространственных объектов, описывающего не только их геометрию, но и топологические отношения между полигонами, дугами и узлами. Векторная модель данных основана на векторах (направленных отрезках прямых). Базовым примитивом является точка. Объекты создаются путем соединения точек прямыми линиями или дугами. Площади определяются набором линий. Представляет собой объектно-ориентированную систему. Типами векторных объектов, основанных на определении пространственных размеров, являются:
безразмерные типы объектов (точка, узел - топологический переход или конечная точка, также может определять местоположение);
одномерные типы объектов (линия, линейный сегмент - прямая линия между двумя точками, строка - последовательность линейных сегментов, дуга - геометрическое место точек, которые формируют кривую определенную математической функцией, связь - соединение между двумя узлами, направленная связь - связь с одним определенным направлением, цепочка - направленная последовательность непересекающихся линейных сегментов или дуг с узлами на их концах, кольцо - последовательность непересекающихся цепочек, строк, связей или замкнутых дуг);
двумерные типы объектов (область - ограниченный непрерывный объект, который может включать или не включать в себя собственную границу, внутренняя область - область, которая не включает собственную границу, полигон (контур) - 2-мерный (площадной) объект, внутренняя область, образованная замкнутой последовательностью дуг в векторно-топологических представлениях или сегментов в модели "спагетти".
Стандартизация в области ДЗЗ и ГИС
Органами стандартизации в области создания ГИС являются:
Международная организация по стандартизации (ISO), главными стандартами ISO является серия 19100 (27 действующих стандартов), разработанная Техническим комитетом 211 (ISO/TC211) "Географическая информация / Геоматика";
Открытый консорциум по геоинформационным технологиям - Open GIS Consortium Inc.- OGC, (http://www.opengeospatial.org), основными стандартами OGC являются картографические сервисы (WMS, WFS, др.);
Международный комитет по ДЗЗ CEOS (Committee on Earth Observation Satellites) - CEOS ICF, 2002; CEOS WGD 1989;
Международное общество по дистанционному зондированию и фотограмметрии ISPRS (International Society for Photogrammetry and Remote Sensing) - ISPRS-ITS;
В России - Федеральная служба по техническому регулированию (Ростехрегулирование) комитеты ТК 394 «Географическая информация/Геоматика» как аналог комитета ISO/TC 211 «Geographic information/Geomatics» (функционирует на базе Госгисцентра в области цифрового картографирования и создания ГИС), ТК 22 «Информационные технологии» (НИИ «Восход») и ТК 404 «Геодезия и картография» (ЦНИИГАиК), подкомитет 51 "Геоинформационные технологии" Технического комитета 22 "Информационные технологии" (29 НИИ Министерства обороны РФ).
Перечень стандартов включает:
ISO 19101-2 Reference model - Part 2: Imagery (модель стандартизации для изображений);
ISO 19105 Conformance and testing. ГОСТ Р ИСО 19105-2003 "Географическая информация. Соответствие и тестирование";
ISO 19107 Spatial schema - принципы компьютерного представления географической информации (пространственные характеристики объектов);
ISO 19108 Temporal schema (временные характеристики объектов);
ISO 19111 Spatial referencing by coordinates (пространственная привязка посредством координат);
ISO 19112 Spatial referencing by geographic identifiers (пространственная привязка посредством географических идентификаторов);
ISO 19113 Quality principles. ГОСТ Р ИСО 19113-2003 "Географическая информация. Принципы оценки качества";
ISO 19114 Quality evaluation procedures (процедуры оценки качества);
ISO 19115-2 - Metadata - Part 2: Extensions for imagery and gridded data (дополнительные метаданные для изображений и растров);
ISO 19115-3 - Metadata - Part 3: Raster classes and elements;
ISO 19121 - Imagery and gridded data (изображения и растр);
ISO 19122 Qualification and Certification of Personnel (квалификация и сертификация персонала в области геоинформатики).
ISO 19123 Schema for coverage geometry and functions - базовый стандарт (схема для геометрии и функций покрытий);
ISO 19129 Imagery, gridded and coverage data framework;
ISO 19130 Sensor and data models for imagery and gridded data (модели данных для изображений и растровых данных);
ISO 19136 Geography Markup Language (GML) — словарь XML, определенный OGC для описания географических данных;
ISO 19138 Data quality measures (меры качества данных);
ISO 19139 Metadata - XML schema implementation - запись метаданных с помощью XML;
FGDC-STD-012-2002 Content Standard for Digital Geospatial Metadata: Extensions for Remote Sensing Meta-data;
HDF-EOS (Hierarchical Data Format - Earth Observing System) - формат пространственных данных;
ГОСТ Р 50828 95 "Пространственные данные, цифровые и электронные карты. Общие требования";
ГОСТ Р 51353-99 "Геоинформационное картографирование. Метаданные электронных карт. Состав и содержание";
ГОСТ Р 51605 2000 "Карты цифровые топографические. Общие требования";
ГОСТ Р 51606-2000 "Карты цифровые топографические. Система классификации и кодирования цифровой картографической информации. Общие требования";
ГОСТ Р 51607-2000 "Карты цифровые топографические. Правила цифрового описания картографической информации. Общие требования";
ГОСТ Р 51608-2000 "Карты цифровые топографические. Требования к качеству";
ГОСТ Р 51833-2001 "Фотограмметрия. Термины и определения";
ГОСТ Р 52055-2003 "Геоинформационное картографирование. Пространственные модели местности. Общие требования";
ГОСТ Р 52155-2003 "Географические информационные системы федеральные, региональные, муниципальные. Общие технические требования";
ГОСТ Р 52293-2004 "Геоинформационное картографирование. Система электронных карт. Карты электронные топографические. Общие требования";
ГОСТ Р 52438-2005 Географические информационные системы. Термины и определения;
ГОСТ Р 52439-2005 Модели местности цифровые. Каталог объектов местности. Требования к составу;
ГОСТ Р 52440-2005 Модели местности цифровые. Общие требования;
ГОСТ Р 52571-2006 Географические информационные системы. Совместимость пространственных данных. Общие требования;
ГОСТ Р 52572-2006 Географические информационные системы. Координатная основа. Общие требования;
ГОСТ Р 52573-2006 Географическая информация. Метаданные.
Рекомендации OGS являются стандартами «де факто». OGS разрабатывает стандарты в следующих направлениях:
Web Processing Service (WPS) – веб-службы геообработки;
Web 3D Service (Web3D) – веб-службы трехмерной визуализации;
Imagery Metadata (IMGM) – стандартное XML-кодирование метаданных изображений;
Geospatial Portal Reference Architecture (Portal Architecture) – стандартная архитектура геоинформационных порталов;
Geolinking Service (GLS) – географическое связывание, позволяющее в реальном времени отображать на картах WMS данные из непространственных БД, содержащих ссылки на географические объекты;
GML in JPEG 2000 for Geographic Imagery (GMLJPEG) – встраивание информации на GML в файлы формата JPEG 2000;
GML это словарь XML данных для инфраструктуры GeoWeb, дающий устройствам, подключенным к Интернет, доступ к географической информации. GML имеет набор примитивов, который используется для создания схем, этот набор включает в себя свойства, геометрию, систему ссылок на координаты, время, динамические особенности, слои, единицы измерения, правила описания стилей карты.
OGC работает над следующими направлениями развития картографических сервисов [http://www.opengeospatial.org/standards/requests/74]:
обнаружение, отслеживание и создание закладок движущихся объектов на видео с помощью Sensor Web Enablement (SWE) и других стандартов OGC;
использование наблюдений за поверхностью Земли;
поддержка синхронизации и обновления геопространственных данных по иерархической инфраструктуре пространственных данных;
использование KML (Google);
предоставление, фильтрация и обновление аэронавигационной информации;
использование покрытий для прогнозов погоды и радиолокационных данных;
управление единицами измерений.
Язык KML является дополнением GML. GML лишь описывает географические данные, в то время как KML отвечает за их отображение, поэтому KML может нести в себе GML данные. Свойства отображения GML можно настроить и без KML.
ОАО "НИИ точных приборов" разработало "Профиль метаданных Единого банка географических данных (ЕБГД) на основе стандартов ISO 19115, ISO 19115-2 и ISO 19139". Он предназначен для описания данных ДЗЗ и других пространственных данных. Профиль метаданных ЕБГД применяется при организации хранения метаданных, а также при реализации протоколов обмена метаданными между центрами Единой территориально-распределенной информационной системы дистанционного зондирования земли (ЕТРИС ДЗЗ) и информационными системами других организаций, рис.1. Профиль метаданных ЕБГД позволяет описывать (каталогизировать) такие пространственные данные, как космические и авиационные снимки, электронные карты в различных формах представления, цифровые модели рельефа и матрицы высот, текстовые документы, цифровые и аналоговые видеоматериалы и т.д. Также состав профиля может быть расширен аспектами, отсутствующими в стандарте, но необходимыми для его применения [http://www.niitp.ru/component/content/article/41-ebgd, 1-3].
Рисунок 1 - Модель метаданных ЕБГД
FGDC (США) разработал стандарт Spatial Data Transfer Standard (SDTS), включающий профиль растровых данных. Стандарт SDTS утвержден FGDC как официальный формат обмена пространственными данными. Этот стандарт специфицирует не только типы пространственных объектов, их структуру и отношения, но и значения отдельных атрибутов. Такая подробная спецификация обеспечивает возможность прямого обмена данными при их однозначной интерпретации.
Обменные форматы должны ориентироваться не на скорость чтения/записи, а на полноту всестороннего описания пространственных явлений и объектов. Обменных форматов должно быть два, один для данных в векторном представлении и другой для данных в растровом представлении.
Примером спецификации для обмена векторными данными является формат Shape-файла фирмы ESRI. Это спецификация формата для хранения простых пространственных объектов. Благодаря открытости и простоте эта спецификация приобрела широкую популярность и часто используется для обмена пространственными данными в векторном представлении. Двоичный формат записи обеспечивает быстродействие работы с данными, благодаря чему он используется как внутренний формат в некоторых продуктах. Shape-файл не играет роль основного обменного формата, поскольку он не поддерживает многие концепции организации пространственных данных, например, топологию.
Для растровых данных стандартом обмена де-факто стал формат GeoTIFF. Этот формат позволяет хранить данные любого типа (целочисленные, с плавающей точкой) с любым числом каналов. GeoTIFF основан на спецификации Tagged Image File Format (TIFF), разработанной консорциумом ведущих производителей аппаратного и программного обеспечения для получения и работы с изображениями. Спецификация GeoTIFF добавляет к базовому формату TIFF теги географической привязки изображения. В спецификации TIFF выделены следующие классы изображений: — бинарные — Class B, черно-белые графические элементы; — в градациях серого — Class G, черно-белые фотоснимки; — индексные — Class P, цветные графические элементы; — полноцветные — Class R, цветные фотоснимки; — факсимильные — Class F, факсы; — цветоделенные — Class S, полиграфические данные; — цветоразностные — Class Y, видеоэлементы. Для ДДЗ используются классы G (панхроматические снимки) и R (многозональные снимки). Заметным ограничением формата является предельный размер файла изображения 4 Гбайт, отсутствие поддержки атрибутов и стандартных метаданных. Преимущества формата в гибкости, возможности непосредственного использования в программных пакетах (без импорта), интеграции со средствами обработки изображений негеографического назначения.
Проекты Яндекса используют для обмена географическими данными формат YMapsML. основанный на XML. Данные в формате YMapsML могут быть обработаны программными средствами, работающими с GML третьей версии. Для получения данных в формате GML можно использовать сервис экспорта Яндекс (YMapsML).
Компания Google предложила использовать новый графический формат - WebP (.webp), позволяющий сжимать изображения более эффективно по сравнению с наиболее популярным на сегодняшний день форматом JPEG. WebP использует кодирование с предсказанием. В процессе обработки компьютер берет данные с соседних блоков пикселей изображения для того, чтобы рассчитать (спрогнозировать) значения для следующих блоков. Затем выполняется кодирование разницы между реальными и рассчитанными значениями. Данная разница, как правило, содержит большое число нулей и легко поддается компрессии. Формат WebP способен обеспечить 40-процентную экономию по сравнению с форматом JPEG.
Для обмена пространственными данными можно использовать формат GeoRSS. Пример готового документа GeoRSS представлен ниже:
<feed xmlns="http://www.w3.org/2005/Atom"
xmlns:georss="http://www.georss.org/georss">
<title>scribble</title>
<id>http://example.com/atom</id>
<author><name>Christopher Schmidt</name></author>
<entry>
<id>http://example.com/19.atom</id>
<link href="http://example.com/19.html"/>
<title>Feature #19</title>
<content type="html">Some content.</content>
<georss:line>
23.1811523438 -159.609375
22.5 -161.564941406
20.654296875 -160.422363281
18.4350585938 -156.247558594
18.3471679688 -154.731445312
19.951171875 -153.588867188
21.8188476562 -155.983886719
23.02734375 -158.994140625
23.0932617188 -159.631347656
</georss:line>
</entry>
</feed>
RSS, включенный в GML c привязкой ко времени, представляется с.о.:
<item>
<title>FLIGHT 1003</title>
<link>http://flightdata/...</link>
<description>FLIGHT 1003 to BOS</description>
<guid isPermaLink="false">dl1003</guid>
<pubDate>Wed, 06 Jun 2007 18:53:36 GMT</pubDate>
<gml:TimePeriod>
<gml:relatedTime>
<gml:TimePeriod gml:id="time-0A05000263007CS.0.0.TKF">
<gml:beginPosition>2006-06-16T07:45:00.000Z</gml:beginPosition>
<gml:endPosition>2006-06-16T07:45:00.000Z</gml:endPosition>
</gml:TimePeriod>
</gml:relatedTime>
<gml:relatedTime>
<gml:TimePeriod gml:id="time-0A05000263007CS.0.1.ORB">
<gml:beginPosition>2006-06-16T08:00:00.000Z</gml:beginPosition>
<gml:endPosition>2006-06-16T09:00:00.000Z</gml:endPosition>
</gml:TimePeriod>
</gml:relatedTime>
<gml:relatedTime>
<gml:TimePeriod gml:id="time-0A05000263007CS.0.2.LND">
<gml:beginPosition>2006-06-16T09:13:00.000Z</gml:beginPosition>
<gml:endPosition>2006-06-16T09:13:00.000Z</gml:endPosition>
</gml:TimePeriod>
</gml:relatedTime>
<gml:beginPosition>2006-06-16T07:45:00.000Z</gml:beginPosition>
<gml:endPosition>2006-06-16T09:13:00.000Z</gml:endPosition>
</gml:TimePeriod>
<georss:where>
<gml:LineString>
<gml:pointProperty>
<gml:Point gml:id="point-0A05000263007CS.0.0.TKF">
<gml:pos srsName="WGS84(DD)">36.235 -115.03333333333333</gml:pos>
</gml:Point>
</gml:pointProperty>
<gml:pointProperty>
<gml:Point gml:id="point-0A05000263007CS.0.1.ORB">
<gml:pos srsName="WGS84(DD)">37.65356495497155 -114.5048399056895</gml:pos>
</gml:Point>
</gml:pointProperty>
<gml:pointProperty>
<gml:Point gml:id="point-0A05000263007CS.0.2.LND">
<gml:pos srsName="WGS84(DD)">36.235 -115.03333333333333</gml:pos>
</gml:Point>
</gml:pointProperty>
</gml:LineString>
</georss:where>
</item>
Обзор существующих ГИС
В зависимости от области применения и возможностей применяемых технических средств ГИС ориентированы преимущественно на обработку растровой и векторной картографической информации. В настоящее время на рынке насчитывается порядка полусотни ГИС разной степени состояния разработки. Наиболее развитые ГИС на сегодняшний день – это продукты ArcView,ArcGISфирмы ESRI,GeoHTML, MapInfo и др. Базовые полнофункциональные ГИС предъявляют высокие требования к вычислительной технике, на которой они должны быть установлены. Как правило, это рабочие станции с ОС UNIX типа Sun, Solaris.Схема работы ГИС с БД выглядит следующим образом (рис.2). Список бесплатных ГИС включает GRASS GIS, Mapserver, GMT.