15) Аппаратные средства гис

Задачи ГИС резко выделяются из других проблем, решаемых с помощью современной вычислительной техники. Для успешного использования всех преимуществ компьютерного проектирования и моделирования необходимо специализированное аппаратное обеспечение. В настоящее время ГИС работают на различных типах компью­терных платформ - от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров. Для ввода географической информации в ГИС необходимы периферийные устройства ввода -дигитайзеры, сканеры, устройства ввода данных и позиционирования курсора (клавиатура, мышь) и специализированная геодезическая аппаратура. Для вывода географической информации из ГИС необходимы периферийные устройства вывода, к которым относятся принтеры, плоттеры и некоторая другая специализированная аппаратура. Для хранения и архивирования информации необходимы устройства хранения информации (магнитооптические диски, сменные ZIP-диски, перезаписываемые оптические диски, стриммеры для резервного копирования данных). Базовые технические характеристики компьютеров, используемых в ГИС, в целом определяются основными структурными компонентами: ¦ микропроцессором, который управляет работой компьютера и выполняет все вычисления. В настоящее время наибольшее распространение получили процессоры Pentium Intel, AMD, Cyrix. Быстродействие компьютера зависит от частоты используемого процессора - 1000, 1600 МГц и т. д.; ¦ оперативной памятью, в которой располагаются программы, выполняемые компьютером в момент их работы и используемые ими данные. От объема оперативной памяти сильно зависит быстродействие ГИС; ¦ контроллеры, которые управляют работой различных устройств компьютера (монитор, накопитель на магнитных и оптических дисках и т. д.) и периферии (мышь, принтер, плоттер, сканер и т. д.). На сегодняшний день для комфортной работы с программным ГИС-обеспечением можно рекомендовать следующую конфигурацию персонального компьютера - Pentium IV (процессор) / 512 MB (емкость оперативной памяти / 40 GB (емкость жесткого диска) / 64 MB (емкость видеопамяти) / 17'' SVGA (размер диагонали цветного монитора). Рабочая станция - это гораздо более мощный компьютер, отличи­тельной особенностью которого является возможность подключения большого количества менее мощных персональных компьютеров. Поскольку функционирование большинства ГИС связано с манипулированием графикой высокого качества, что требует огромных ресурсов по объему памяти и скорости работы, то рабочие станции в ГИС-технологиях получили наибольшее распространение. Базовые технические характеристики рабочих станций также определяются основными структурными компонентами: процессором, видеосистемой, системным интерфейсом. В настоящее время пользователи ГИС располагают рабочими станциями на базе разнообразных архитектур (RISC, SPARC, MIPS, PowerPC, Pentium Pro и т. д.) различных производителей (SUN, Silicon Graphics, Digital, Hewlett-Packard, IBM и др.). По способу объединения технических средств можно выделить: автономные рабочие станции; многотерминальные ЭВМ; одноранговые локальные сети; локальные сети с выделенным сервером; гетерогенные сети со сложной структурой. По используемым техническим средствам и периферийному оборудованию ГИС можно выделить: ¦ ГИС минимальной конфигурации - монитор 15 дюймов, устройства ввода данных и позиционирования курсора (клавиатура, мышь), устройства вывода информации (матричный, струйный или лазерный (светодиодный) принтеры формата А4; карандашный, перьевой или струйный плоттер формата А1), устройства хранения информации (стриммер для резервного ко­пирования данных). ¦ Технически развитые ГИС - один или несколько мониторов от 17 дюймов и выше, устройства ввода данных и позиционирования курсора (клавиатура, мышь); дигитайзер (цифровой планшет) формата А0; сканер формата А1-А0; устройства вывода информации (струйный или лазерный принтер формата А3-А4); один или несколько плоттеров формата А1-А0 (перьевой рулонный, струйный, лазерный); устройства хранения информации (магнитооптические диски, сменные ZIP-диски, перезаписываемые оптические диски). В настоящее время на рынке представлен широкий ассортимент аппаратного обеспечения ГИС, такого, как мощные графические рабочие станции отечественного и зарубежного производства; серверы для управления корпоративными данными; графические планшеты (дигитайзеры); профессиональные широкоформатные плоттеры и сканеры; инженерные широкоформатные копировальные устройства.

16) Использование в современных исследованиях средств мультимедиа дает новые возможности для представления и анализа географической информации. Становится возможным демонстрировать картографические изображения не только статически, но и динамически - в форме анимации.

Картографические анимации - это последовательная форма представления изменяющихся изображений в определенный интервал времени. Перспективным направлением их использования может стать создание серий исторических карт-анимаций различной тематики.

Представлена методика создания новых видов картографических произведений - компьютерных анимаций и способов их географического анализа. Интерактивное моделирование и визуализация анимационных последовательностей выполненены по сериям цифровых моделей. Предложена классификация динамических геоизображений по их размерности, способам визуализации, особенностям графического воспроизведения, скорости демонстрации и другим параметрам. Исследованы возможности картометрической и морфометрической обработки анимаций и создания производных динамических изображений. Приведены примеры использования картографических анимаций длоя изучения ледников, распределения снежного покрова, изменения температурных полей в океане. Отмечена роль анимаций в развитии виртуального картографирования.

Виртуальное картографирование

в последние несколько лет в компьютерной картографии начало формироваться новое направление - виртуальное моделирование и картографирование. Английское слово “virtual” означает фактический, действительный, в смысле, близком к слову “реальный”. В науке и технике, философии и логике этот термин имеет и другие смысловые оттенки - возможный, потенциальный; не существующий, но способный возникнуть при определенных условиях; временный, или непродолжительно существующий; не реальный, но практически неотличимый от реального.

В технической практике виртуальная реальность рассматривается как искусственный мир, созданный компьютером, в который человек может погружаться и с которым может взаимодействовать. Для этого созданы особые шлемы-дисплеи, позволяющие видеть эту “параллельную реальность” стереоскопически и даже фиксировать состояние и реакции наблюдателя. Разработаны различные тренажеры и манипуляторы (например, специальные перчатки), с помощью которых можно “брать в руки” искусственно созданные объекты и управлять их положением, передавая на монитор импульсы от движения рук и пальцев.

В современной компьютерной картографии виртуальная реальность предстает как некое искусственное построение, модель реального или абстрактного объекта или ситуации, которая существует в программно управляемой среде. С ними можно взаимодействовать - управлять ими, решать какие-то задачи и принимать решения - с помощью определенных программ. Всякое геоизображение предстает в графической образной форме, имеет проекцию, масштаб и обладает генерализованностью [1]. Сам процесс создания таких изображений называют виртуальным моделированием (иногда как синоним употребляют термин “виртуальное картографирование”).

Визуализация виртуальной реальности опирается прежде всего на применение эффектов трехмерности и анимации. Именно они создают иллюзию присутствия и перемещения в объемном пространстве. При этом реализуются четыре главных свойства:

- сочетание в одном геоизображении свойств карты, перспективного снимка, блок-диаграммы и анимации;

- возможность программного управления этим синтезированным геоизображением;

- интерактивное взаимодействие с самим геоизображением и окружающей его виртуальной средой;

- уменьшение свойств знаковости и условности геоизображения, придание ему реалистических черт.

17) Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) — наблюдение поверхности Земли авиационными и космическими средствами, оснащёнными различными видами съемочной аппаратуры. Рабочий диапазон длин волн, принимаемых съёмочной аппаратурой, составляет от долей микрометра (видимое оптическое излучение) до метров (радиоволны). Методы зондирования могут быть пассивные, то есть использовать естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на поверхности Земли, обусловленное солнечной активностью, и активные — использующие вынужденное излучение объектов, инициированное искусственным источником направленного действия. Данные ДЗЗ, полученные с космического аппарата (КА), характеризуются большой степенью зависимости от прозрачности атмосферы. Поэтому на КА используется многоканальное оборудование пассивного и активного типов, регистрирующие электромагнитное излучение в различных диапазонах.

Аппаратура ДЗЗ первых КА, запущенных в 1960-70-х гг. была трассового типа — проекция области измерений на поверхность Земли представляла собой линию. Позднее появилась и широко распространилась аппаратура ДЗЗ панорамного типа — сканеры, проекция области измерений на поверхность Земли которых представляет собой полосу.Космические аппараты дистанционного зондирования Земли используются для изучения природных ресурсов Земли и решения задач метеорологии. КА для исследования природных ресурсов оснащаются в основном оптической или радиолокационной аппаратурой. Преимущества последней заключаются в том, что она позволяет наблюдать поверхность Земли в любое время суток, независимо от состояния атмосферы.

18) Дешифрирование изображений — основная задача при использовании снимков для исследований геосистем. Оно включает распознавание объектов (выявление объектов на снимке) и отнесение их к некоторому типу; измерение — определение размеров, расстояний между объектами, количества объектов на единицу площади и т. п.  Географическое дешифрирование основывается обычно на систематическом обследовании объектов, на изображении в сочетании с разнообразными дополнительными данными.

Дешифровочными признаками пространственных объектов служат тон, цвет, размер, форма, текстура, рисунок, тень, местоположение, связь с другими элементами. При автоматизированном дешифрировании учитывают обычно лишь несколько признаков: тон, цвет, размер, подразделяя их при этом на яркостные, геометрические и комплексные.  Яркостные признаки являются основными и в большинстве случаев единственными. При обработке многозональных снимков они наиболее удобны, так как каждая точка просматриваемого изображения получает многомерную числовую характеристику — набор спектральных признаков. Известно, что разные природные объекты обладают специфическими спектральными характеристиками, связанными с их отражательной способностью. Однако эти признаки не вполне надежны. Яркость искажается при фотообработке, зависит от освещенности объекта, т.е. высоты Солнца, времени суток и года, состояния атмосферы, угла поля зрения съемочной системы, рельефа местности и т. п. Это ведет к неоднозначному соответствию объекта и его яркостных признаков, что в конечном счете снижает достоверность дешифрирования. Кроме того, спектральные признаки разных объектов могут частично совпадать и перекрываться.  Геометрические признаки — это форма (линейная, плоская, объемная), размер, топологические свойства объектов (например, связность, число промежутков). Геометрические признаки используют значительно реже яркостных, так как их довольно трудно формализовать.  Комплексные признаки — это специфическое сочетание яркостных и геометрических признаков, определяющее структуру (текстуру) изображенных на снимке объектов. Они наиболее эффективны и устойчивы, хотя и трудно формализуемы. Косвенно их используют в алгоритмах классификации с обучением, осуществляемой по эталонам (тестовым участкам).  К дополнительным источникам данных относятся карты, фенологические справочники, информация о деятельности человека на исследуемой территории. Такая информация может содержаться в различных слоях БД ГИС. Специалисты используют все эти элементы, а также свои навыки и знания в смежных областях.

19) Геоинформационный анализ данных и моделирование Геоинформационный анализ данных и моделирование – относительно молодая область научных исследований, охватывающая широкий круг вопросов создания и использования географических информационных систем, данных дистанционного зондирования (ДДЗ), связанных с ними математических методов и алгоритмов, вычислительных технологий.

Сфера приложений исследований по данному направлению в последние годы стала очень широкой. В частности, геоинформационные технологии и методы стали одним из основных инструментов при проведении экологических исследований, в оценке и мониторинге состояния природной среды и ресурсов, в многочисленных других областях науки и практики. Можно привести массу примеров задач, в которых необходимо строить пространственные запросы и выборки данных, искать оптимальное местоположение объектов на карте, моделировать перемещение или динамику распространения того или иного процесса, определять взаимосвязи и корреляции пространственных распределений:

Современное профессиональное программное обеспечение ГИС – это, как правило, технологическая платформа, в составе которой представлен целый набор компонентов: серверные решения для хранения данных и доступа к ним, клиентское программное обеспечение с аналитическими модулями, средства макропрограммирования для разработчиков, и проч. В качестве примера можно привести семейства программных продуктов лидеров рынка – компаний ESRI, MapInfo, Autodesk. Каждая из них имеет не менее десятка прикладных систем, ориентированных на разные аспекты решения задач, среди которых имеются в том числе и готовые алгоритмы для решения перечисленных в предыдущем абзаце примеров.