Принципы функционирования ГИС

Территория рекламы

Лекция 2. Принципы функционирования ГИС

1. Функциональные задачи, решаемые в ГИС

2. Системы сбора геопространственных данных

3. Системы представления картографических данных в ГИС

1. Функциональные задачи, решаемые в ГИС

ГИС общего назначения обычно выполняет следующие процедуры над данными: ввод и переработка, запись и хранение, запрос и управление, тематическая обработка и анализ, интерпретация и отображение.

Для использования в ГИС данные должны быть преобразованы в подходящий цифровой формат. Процесс преобразования данных с бумажных карт в компьютерные файлы называется оцифровкой. В современных ГИС этот процесс может быть автоматизирован с применением сканерной технологии, что особенно важно при выполнении крупных проектов, либо при небольшом объеме работ данные можно вводить с помощью дигитайзера. Отдельные данные поступают в ГИС уже в форматах, напрямую воспринимаемых ГИС-пакетами.

Часто для выполнения конкретного проекта имеющиеся данные нужно дополнительно видоизменить в соответствии с требованиями системы. Например, геопространственная информация может представляться в разных масштабах (осевые линии улиц - в масштабе 1 : 100 000, границы округов переписи населения - в масштабе 1 : 50 000, а жилые объекты - в масштабе 1 : 10 000). Для совместной обработки и визуализации все данные удобнее представить в едином масштабе, поэтому ГИС-технология предоставляет разные способы манипулирования пространственными данными, востребуемыми для конкретной задачи.

В небольших проектах геоинформация может храниться в виде обычных файлов, при увеличении объема информации и числа пользователей для хранения, структурирования и управления данными эффективнее применять системы управления базами данных (СУБД) и специальные компьютерные средства для работы с интегрированными наборами данных (базами данных). В ГИС наиболее удобно использовать реляционную структуру, при которой данные хранятся в табличной форме. При этом для связывания таблиц применяются общие поля. Этот простой подход достаточно гибок и широко используется во многих, в том числе и ГИС приложениях.

При наличии ГИС и соответствующих данных можно получать ответы на простые вопросы (Кто владелец данного земельного участка? На каком расстоянии друг от друга расположены эти объекты? Где расположена промзона) и более сложные, требующие дополнительного анализа запросы (Где есть места для строительства нового дома? Как повлияет на движение транспорта строительство новой дороги?). Запросы могут задаваться как простым щелчком мышью на определенном объекте, так и посредством развитых аналитических средств. С помощью ГИС можно выявлять и задавать шаблоны для поиска, проигрывать сценарии по типу «что будет, если...». Современные ГИС имеют множество мощных инструментов для анализа, среди них выделены такие значимые как: анализ близости и анализ наложения. Для проведения анализа близости объектов относительно друг друга в ГИС применяется процесс, называемый буферизацией, Он помогает ответить на вопросы типа: Сколько домов находится в радиусе 100 м от этого водоема? Сколько жителей обслуживает поликлиника в заданном микрорайоне. Процесс наложения включает интеграцию данных, расположенных в разных тематических слоях. В простейшем случае это операция отображения, но при ряде аналитических операций данные из разных слоев объединяются физически. Наложение, или пространственное объединение, позволяет, например, интегрировать данные о составе почв, близости и характеристики дорожной сети, растительности и землевладении со ставками земельного налога,

Для многих видов манипуляций и обработки пространственных данных конечным результатом является их представление в виде карты или графика. Карта - это эффективный и информативный способ хранения, представления и передачи геопространственной информации. Раньше карты создавались только на твердой (бумажной) основе на несколько десятилетий. ГИС предоставляет новые инструменты, существенно расширяющие и развивающие искусство и науку отображения геоданных. С ее помощью визуализация самих карт может быть легко дополнена отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками и таблицами, фотографиями и другими средствами, например мультимедийными.

Геоинформационные системы и технологии тесно связаны с рядом других типов информационных систем. Основное отличие ГИС заключается в способности манипулировать и проводить анализ пространственных данных. Хотя и не существует единой общепринятой классификации информационных систем, приведенное ниже краткий анализпозволил отделить ГИС от других близких по назначению систем: автоматизированных картографических систем, систем автоматизированного проектирования САПР (САБ), систем управления базами данных (СУБД) и дистанционного зондирования.

Системы автоматизированного картографирования используют картографическое представление для организации взаимодействия пользователя с данными. В таких системах все основано на картах, карта является и источником информации, и базой данных, и средством отображения. Большинство систем автоматизированного картографирования имеет по отношению к ГИС ограниченные возможности управления данными, пространственного анализа, манипулирования данными и визуализации.

Основное предназначение САПР - выполнение проектных работ с применением компьютерной техники. САПР позволяет создавать конструкторскую и технологическую документацию на отдельные изделия, здания и сооружения. САПР реализуется в виде комплекса прикладных программ, обеспечивающих проектирование, черчение, трехмерное моделирование плоских или объемных деталей. Некоторые системы САПР расширены до поддержки картографического представления данных, но, как правило, имеющиеся в них утилиты не позволяют эффективно управлять и производить анализ больших баз пространственных данных.

Дистанционное зондирование - это научно-техническое направление для проведения наблюдений земной поверхности с использованием съемных систем, установленных на борту летательных аппаратов. Собранные данные в результате фотограмметрической обработки и дешифрирования могут быть использованы для создания и обновления карт. Однако из-за отсутствия мощных средств управления и анализа графических данных системы ДЗ вряд ли можно отнести к современным ГИС.

Системы управления базами данных предназначены для хранения и управления всеми типами данных, включая и географические (пространственные) данные. СУБД направлены на решение подобных задач, поэтому во многие ГИС встроена поддержка СУБД. Однако эти системы не имеют сходных с ГИС инструментов для графического анализа, визуализации и других видов интерпретации пространственных данных.

Способность ГИС проводить поиск в базах данных и осуществлять пространственные запросы помогает сократить время получения ответов на запросы клиентов; выявлять территории, подходящие для требуемых мероприятий; устанавливать взаимосвязи между различными объектами местности и явлениями природы и т. д. Например, риелторы могут использовать ГИС для поиска (домов на определенной территории, трехкомнатные и 10-метровые кухни) и выдачи более подробного описания для этих строений, введением дополнительных параметров, таких как получение списка всех домов, находящихся на заданном расстоянии от лесопаркового массива или места работы.

Таким образом одно из основных достоинств ГИС - предоставление возможностей на единой информационной платформе и при использовании разнородных геопространственных данных получения решения комплекса отдельных задач, назначение которых описаны в разделе 1.2 и представлены на схеме 1. Комплексность решения этих задач и есть следствие эффективности ГИС, вытекающей из ее интеллектуальной интегрированности, картографической и трехмерной визуализации, наличия удобного графического интерфейса.

Эти качества ГИС способствуют улучшению управления как любой организации в целом, так и ее отдельных подразделений на принципе объединения имеющихся у нее экологических, социальных и технологических ресурсов.

ГИС, как и другие информационные технологии, подтверждает известное утверждение о том, что лучшая информированность помогает принять лучшее решение. Однако ГИС - это не инструмент для выдачи окончательного решения, а только средство, помогающее ускорить и повысить эффективность процедуры принятия решений, обеспечивающее ответы на запросы и функции анализа пространственных данных, представления результатов анализа в наглядном и удобном для восприятия виде.

Требуемая для принятия решений информация может быть представлена в виде электронного картографического изображения с дополнительными текстовыми пояснениями, графиками и диаграммами, а также и в виде ЗО-моделей. Наличие доступной для восприятия и обобщения информации позволяет абоненту сосредоточить свои усилия на поиске решения, не тратя значительного времени на сбор и осмысление доступных разнородных данных. Можно достаточно быстро рассмотреть несколько вариантов решения и выбрать наиболее эффективный.

Картам в ГИС отведено особое место. Процесс создания карт в ГИС более производителен и гибок, чем в традиционных методах ручного или автоматического картографирования. Он начинается с создания базы данных. Основанные на ГИС картографические базы данных могут быть непрерывными (без деления на отдельные листы и регионы) и не связанными с конкретным масштабом. На основе таких баз данных можно создавать карты (в электронном виде или как твердые копии) на любую территорию, любого масштаба, с нужной нагрузкой, с ее выделением и отображением требуемыми символами. В любое время база данных может пополняться новыми данными (например, из других баз данных), а имеющиеся в ней данные можно корректировать по мере необходимости. При этом созданная картографическая база данных может использоваться в качестве основы другими отделами и подразделениями, а также при быстром копировании данных и их пересылке по локальным и глобальным сетям, в том числе ведомствами, расположенных в разных местах.

2. Системы сбора геопространственных данных

Основными источниками информации для сбора пространственно-временных данных ГИС являются карты, геодезические измерения, данные дистанционного зондирования, документальные архивы, Интернет, БД и другие источники.

Глобальный уровень сбора информации может, например, обеспечиваться космическими дистанционными средствами зондирования (ДЗ) (съемок) поверхности Земли и атмосферы. Масштаб таких съемок составляет порядка от 1:5* до 1:, точность определения координат снимаемых объектов в плане - около 1000 м, а по высоте от нескольких десятков метров до 100 м. Основное использование результатов рассматриваемых съемок состоит в изучении климата планеты, распространения на ней видов растений и животных, глобальных геологических и геоморфологических исследований, а также контроля за состоянием атмосферы.

Для отмеченных целей, целесообразно использовать съемку с космических аппаратов с установленными на них системами зондирования, обеспечивающими как съемку в радиодиапазоне частот, так и в видимом и инфракрасном. В основном информация, получаемая глобальными системами сбора, не требует ее оперативной обработки и высокой повторяемости (это, естественно, не относится к таким катастрофическим явлениям, как лесные пожары, наводнения и др.), так как она служит для моделирования эволюционных процессов.

В том случае, когда процессы носят эволюционный характер, информацию о них целесообразно держать, кроме цифровой формы представления, также и в виде картографического графического документа. Кроме того, для создания математических моделей таких процессов необходимо использовать уже накопившуюся информацию об этих процессах в предыдущие периоды (например, даже десятки и сотни лет назад) и, скорее всего, представленную в виде различных картографических материалов.

Региональный уровень сбора информации является наиболее распространенным и весьма востребованным. Масштаб съемок при этом распространяется от 1:500 000 до 1:50 000, точность определения координат точек снимаемых объектов составляет в плане от нескольких сот до десятков метров, а по высоте около десятка метров. Периодичность сбора информации в зависимости от изменчивости измеряемых факторов может существенно меняться от нескольких дней до нескольких лет. В качестве технических средств для сбора региональной информации могут использоваться как космические, так и самолетные носители с размещенными на них различными по диапазону длин волн съемочными системами.

Для оперативного наблюдения и отображения быстро изменяющихся динамических процессов в качестве дистанционных регистраторов используются сканирующие съемочные системы с передачей регистрирующей информации с борта носителя на Землю по телеметрическим каналам. К таким динамическим процессам можно, например, отнести обнаружение и наблюдение за распространением вредных выбросов в атмосферу и на водную поверхность.

Естественно, необходимость в создании традиционных графических картографических документов для таких процессов отпадает, достаточно иметь набор цифровых данных об этих процессах с возможностью оперативного отображения их в графическом виде на экране дисплея цифровых картографических систем (ЦКС).

В качестве примеров динамических природных объектов с медленным изменением их состояния, наблюдение за которыми возлагается на региональные системы сбора информации, можно привести изучение вулканических форм рельефа, региональное изучение таких геоморфологических процессов, как дельты, сети долин, морены.

Особое значение приобретает сбор информации на региональном уровне, связанный с нарушением природной среды из-за антропогенных воздействий на природную среду таких крупных промышленных сооружений, как, например, сооружение и эксплуатация продуктопроводов, гидротехнических систем, освоение полезных ископаемых. В основном эти нарушения (изменения), если нет катастрофических ситуаций, носят эволюционный характер, поэтому эти процессы кроме цифрового представления могут подлежать и графическому отображению в виде традиционных тематических карт.

Геопространственная информация на региональном уровне используется для создания топографических карт и управления территориями.

Следующий уровень сбора информации - локальный. Диапазон масштаба съемок для данного уровня достаточно широк: от нескольких сот метров до нескольких десятков километров на сантиметр карты. Точность определения координат объекта съемки должна быть в плане порядка нескольких метров, а по высоте в зависимости от цели решаемых задач составлять от нескольких сантиметров до нескольких метров. Информация, получаемая по материалам локальной съемки, как правило, весьма переменчива и требует как ее оперативной обработки, так и интерпретации. Исходя из указанного, для локального сбора информации используются как наземные геодезические средства измерения, так и дистанционные средства постоянного наблюдения. В качестве носителей средств дистанционного наблюдения обычно применяется авиационная техника (вертолеты, малая авиация, воздушные шары-зонды, аэростаты и т. д.) с установленными на ней сканирующими системами сбора и передачи информации.

В последнее время стали активно использоваться для локального сбора информации научные платформы (НП) и приборы, непосредственно расположенные на объектах исследования с оперативными средствами передачи информации, включая и свое местоположение, по телеметрическим каналам через авиа- или космические (спутник) средства. В качестве примера такой действующей системы можно привести спутниковую систему сбора, передачи и обработки данных от научных платформ АКСОЗ, разработанную национальным центром Франции по исследованию из космоса для анализа окружающей среды: океанологии, метеорологии, вулканологии, гляциологии. Источниками информации в этой системе являются датчики физических параметров среды (давления, температуры, солености воды и др.), которые могут представлять собой морские радиобуи, воздушные шары или неподвижные станции. Информация через эту систему передается потребителю через несколько часов после получения ее датчиком НП.

Таким образом, информация, собираемая на локальном уровне, в большинстве случаев требует представления в цифровой форме, а результаты ее анализа должны быть оперативно интерпретированы либо в виде специальных электронных карт на экране дисплея, либо в виде экранных или печатных таблиц. Локальный уровень сбора геоданных особенно важен для решения задач кадастра и муниципального управления.

Кроме дистанционных методов сбора информации существуют и другие методы, средства и виды ее сбора. Одним из таких важных средств является использование цифровых картографических материалов (ЦК). Топографические карты служат топографической основой при создании экологических и других тематических и природоохранных картографических документов (как цифровых, так и графических). По картографическим данным может быть получена априорная оценка факторов еще на этапе планирования для данной территории проведения каких- либо социально-экономических мероприятий или создания технических сооружений. Кроме того, наблюдение за развитием какого-либо из факторов по материалам временного ряда (набора) картографического материала в результате экстраполяции помогает сделать прогноз о его поведении в дальнейшем.

Основной вид представления картографической информации, безусловно, должен быть цифровой. Это вызвано следующими причинами.

Во-первых, проведение анализа обстановки, обработка информации из различных источников, имеющей разнообразные формы и требующей ее точного сопоставления и привязки с картой, является крайне сложной и трудоемкой проблемой, решение которой возможно только на достаточно производительных современных вычислительных системах.

Во-вторых, передача данных дистанционного зондирования и с НП производится или по телеметрическим (чаще всего цифровым) каналам, или с магнитных цифровых носителей, установленных на борту съемочной аппаратуры.

И наконец, в-третьих, интерпретация различных факторов должна быть в большинстве случаев оперативной.

Однако наличие ЦК или возможность вызовов в любой момент электронной карты на экран дисплея ЭВМ не исключает необходимости иметь в ряде случаев и традиционные графические картографические материалы на твердой основе. Например, для длительного, архивного хранения картографической информации, независимо от времени ее получения, вряд ли возможно использовать только магнитные носители.

Кроме дистанционных средств сбора информации для функционирования ГИС, как отмечалось выше, необходима и соответствующая картографическая информация (КИ), которая в конечном виде должна быть представлена в цифровой форме. Основным назначением картографической информации в системе ГИС является:

получение по ней данных для расчета значений и априорных экспертных оценок состояния исследуемой территории с учетом как ее естественного природного развития, так и возможных антропогенных воздействий, которые могли бы возникнуть, например, при планировании размещения и эксплуатации на ней технических сооружений;

осуществление прогнозирования состояния заданного района земного шара по существующей как на его территории, так и на других территориях природных районов-аналогов текущей и архивной КИ.

Основу любой КИ, которая будет использоваться для решения перечисленных выше задач, должны составлять топографические карты, по которым осуществляется привязка различных данных и получение информации о рельефе местности, и другие данные. Однако состав КИ, необходимый для решения тематических задач, как правило, должен содержать и данные, которые отсутствуют на топографических картах или не присутствуют на ней в явном виде. Поэтому наряду с топографическими картами должны использоваться и тематические природные карты, также специальные картографические данные, представленные в виде набора таблиц, графиков и являющиеся или результатом инженерно-геологических, геофических изысканий, или санитарно-социальных обследований и др. В связи с тем что обе перечисленные выше задачи являются многофакторными, решение которых представляет собой в общем случае крайне сложную проблему, их практическая реализация возможна только в интерактивном режиме на специальной производительной вычислительной системе.

Весьма важным источником геопространственной информации служат природные полигоны, одним из видов которых являются и природные заповедники, назначение природных полигонов достаточно разнообразно. В одних случаях их можно использовать в качестве эталонных природных участков некоторых видов природных объектов (ПО), за которыми производится наблюдение одновременно с наблюдением за подобными же видами ПО, расположенных в районах, подлежащих, например, экологическому контролю. В других случаях природные полигоны служат для размещения (например, высаживания) специальных ПО-индикаторов,  по состоянию которых можно судить о протекании физических процессов и природных явлений в данном регионе.

Большинство источников информации взаимосвязаны между собой. Так, информация с природных полигонов может передаваться непосредственно через дистанционные средства зондирования. Аналогично для обновления ЦК широко используются материалы аэрофотогеодезической съемки. С другой стороны, для привязки геофизических данных могут быть использованы ЦК. Огромный объем данных, который получается с подсистемы сбора информации, требует своей обработки прежде всего для решения основной задачи, поставнленной вначале.

Одновременно решение этих вопросов связано и с необходимостью ответа и на такие вопросы, как выбор наиболее рациональной съемки для сбора информации Важность его определяется теми высокими материальными затратами, которыми, как правило, сопровождаются аэрокосмические съемки. Кроме того, при переходе к рыночной экономике существенным становится и учет конкурентной борьбы между различными ведомствами за получение заказа на проведение этих съемочных работ. Подобные ведомственные интересы могут возникнуть и при проведении  природоохранных мероприятий или при планировании социально-экономического развития региона.

Все это вызывает необходимость в разработке специальной автоматизированной системы, позволяющей на основе современных информационных технологий обеспечивать интерактивную обработку поступающей от различных источников как топографической, так и тематической информации в достаточно сжатые сроки с выдачей обновленных картографических материалов (графического, электронного и цифрового видов), а также результатов оценок текущего и прогнозного состояния региона на заданный период времени.

3. Системы представления картографических данных в ГИС

Важную роль в функционировании ГИС играет картографическая информация. Причем на начальном этапе развития геоинформационных технологий источником исходной информации в ГИС являлись карты на бумажной основе, а выходным продуктом - электронная карта.

Карта - это генерализованная модель поверхности Земли или другого небесного тела, показывающая расположенные или спроецированные на них объекты в принятой системе условных знаков.

Назначение карт оказывает существенное влияние на выбор их масштаба, содержания и способа оформления.

Наиболее часто встречающимися видами карт являются:

  •  общегеографические карты - карты поверхности Земли, характеризующие ее внешний облик, слагающийся прежде всего из визуально различимых элементов ландшафта. Наиболее точными, подробными общегеографическими картами являются топографические карты;
  •  тематические карты - средство изображения географических явлений, таких как: плотность населения, климат, товарные потоки, использование земель и т. п.

Кроме этого, существуют и другие виды карт: астрономические, рельефные, научно-технические, социально-экономические, морские и др.

«Цифровая модель местности (ЦММ) - модель земной поверхности или ее элементов (объектов и явлений), их существенных признаков и взаимосвязей, подлежащих отображению на карте, представленная в цифровой форме в определенной системе координат» (ГОСТ 28441-90).

«Цифровая карта (ЦК) - это цифровая модель местности, записанная на машинном носителе в установленных структурах и кодах, сформированная с учетом законов картографической генерализации в принятых для карт проекции, разграфке, системе координат и высот по точности и содержанию соответствующая карте определенного масштаба» (ГОСТ 28441-90).

Электронная карта (ЭК) - это векторная или растровая карта, сформированная на машинном носителе (например, на оптическом диске) с использованием программных и технических средств в принятой проекции, системе координат и высот, условных знаках, предназначенная для отображения, анализа и моделирования, а также решения информационных и расчетных задач по данным о местности и обстановке.

На практике оба эти понятия часто смешивают. Термины «цифровая карта» и «цифровая модель местности» появились в 1980-х гг. в связи с необходимостью цифрования рельефа для наведения управляемых баллистических и крылатых ракет на цель. При этом визуализации цифровой модели не требовалось. Она предназначалась только для получения координат цели на бортовой ЭВМ. Этот вид ЦК является типичным примером, когда ЦК существует, а ЭК - нет. Позднее для управления полетами и моделирования понадобилась визуализация ЦК на мониторе, что и соответствовало понятию ЭК. Но бывают случаи, когда ЭК существует, а ЦК - нет. Примером подобных ЭК является видеокарта, которую мы каждый день видим при передаче по телевизору прогноза погоды.

← Предыдущая
Страница 1
Следующая →

Скачать

лекция 2.doc

лекция 2.doc
Размер: 78 Кб

Бесплатно Скачать

Пожаловаться на материал

Функциональные задачи, решаемые в ГИС. Системы сбора геопространственных данных. Системы представления картографических данных в ГИС

У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы

Искать ещё по теме...

Похожие материалы:

Вопросы и задачи по по хирургии. Вариант №9

Лимфангиомы у детей. Клиника. Диагностика. Лечение. Язвенно-пленчатая ангина Симановского. Этиология, клиника, диагностика, дифференциальная диагностика, лечение. Опухоли яичка и его придатка. Предрасполагающие факторы. Гормональные нарушения. Патогенез. Гистогенетическая классификация. Обьективное исследование.

Деньги, финансы и кредит

Тесты с ответами. Вопросы на экзамен. Сущность и функции финансов, государственный кредит, финансовый рынок. Финансово-правовые нормы. Управления финансами в РК.

Тесты по дисциплине «ФИЛОСОФИЯ»

Своеобразие развития продуктивной деятельности детей в раннем и дошкольном возрасте

Для развития дошкольника большое значение имеют продуктивные виды деятельности. Замысел продуктивной деятельности воплощается с помощью разных изобразительных средств.

Договор купли - продажи транспортного средства. Образец

Форма для заполнения договора о купле-продаже авто. Заключение договора. Пример.

Сохранить?

Пропустить...

Введите код

Ok