Лекция 1 Географическая информационная система ГИС

Лекция 1

Географическая информационная система (ГИС)

Географическая информационная система - информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственно-координированных данных (пространственных данных).

Таким образом, ГИС - это информационная система, предназначенная для манипулирования данными о территориальных объектах. ГИС предназначены для решения научных и прикладных задач инвентаризации, анализа, оценки, прогноза и управления окружающей средой и территориальной организацией общества.

Основу ГИС составляют автоматизированные картографические системы, а главными источниками информации служат различные геоизображения.

 

Пример ГИС.

Основа ГИС технологии – данные, однако знать свои координаты явно недостаточно, если только вы не плывете на корабле. На какой я улице, где ближайший отель и как к нему проехать? К сожалению лишь небольшое количество подобных данных было доступно, а их цена оставляла желать лучшего. В настоящее время усиленными темпами идет накопление данных и средств их использования и интеграции с другими системами.

Понятие ГИС - геоинформационной системы до сих пор связывается у нас с чем-то архисложным, военно-строительным и частным гражданам недоступным. Поэтому естественно жители средневекового, испещренного каналами бельгийского города Брюгге были удивлены толпой бизнесменов, группами пробирающихся в сумерках по городу со светящимися мобильными телефонами в руках. Горожане стали свидетелями демонстрации одной из последних новинок геоинформационных систем – разработки фирмы Tele Atlas North America, Menlo Park, Калифорния.

В ночь конференции в Брюгге участников разделили на группы 10-12 человек, и каждой группе был выдан мобильный телефон со специальной программой. Дальше последовали обед, развлечения и экскурсия по городу под управлением мобильного телефона, оснащенного ГИС программой. Инструкции появлялись на экране, указывая, куда направиться дальше. Дополнительно сообщались полезные сведения (дата постройки дома, ближайшие рестораны и пр.)

Такие возможности выглядят несколько фантастическими, однако такая технология и инфраструктура уже развернута в Европе и Японии и скоро будет доступна в США. Однако, несмотря на огромные достижения, рынок ГИС развивается пока в большой степени за счет корпоративных информационных систем.

В последние 3 года рынок ГИС изменился существенно, и теперь эта технология заняла законное место в информационных корпоративных технологиях наряду с CRM или ERP.

Департамент сельского хозяйства США, например, вводит единую ГИС систему для своих многочисленных агентств. Американская лесная служба использует ГИС систему с данными о возможных источниках пожаров – дорогах, предприятиях, городах. При начале пожара имеется возможность его быстрого картирования и прогноза распространения.

 

Будущее ГИС.

ГИС интегрируется все плотнее с системами мобильной связи. В Японии уже, например, можно узнать, где находится ваш собеседник. Конечно, возникают… Так что в будущем сценка, которую наблюдали жители Брюгге, уже не будет…

Комгеография

Комгеография, в отличие от традиционной "бумажной географии", открывает широкие пути применения новых методов смежных наук для… Комгеография открывает доступ к использованию разработанных… Комгеография использует эти методы в автоматизированном виде (пакеты программ, утилиты, программные процедуры),…

Геоинформация

Семантическая информация, как мы уже видели, является представлением того, что человек распознает (выделяет) некоторые части пространства и предметы… Метрическая информация отражает свойство предметов располагаться в… Топологическая информация отражает топологические свойства пространства, т.е. такие свойства, которые не изменяются…

Разработка структуры цифровых карт.

Общие вопросы.

а) информация, о каких объектах должна содержаться в базе данных? б) какая конкретно информация об этих объектах нужна? в) какие, значимые для решения поставленной задачи связи между объектами необходимо отразить?

Определение объектового состава и атрибутов

1. Определение основного объекта (процесса, явления) для работы с которым строится ГИС. В качестве таких объектов (процессов) могут выступать,… 2. Определение т.н. системного отношения, посредством которого определяется… 3. Определение атрибутов объектов, которые необходимы для решения поставленных перед ГИС задач, а также требований к…

Классификаторы

Результатом выполнения приведенных в предыдущей главе действий является создание классификатора цифровой картографической информации, который представляет систематизированный иерархический перечень элементов банка данных и их свойств, а так же правила, согласно которым производится классификация. Классификатор в составе ГИС выполняет функции реестра информации, которая может содержаться в системе и кодировщика этой информации, которая необходима для компактного представления ее в памяти ЭВМ. Функция кодировщика состоит в том, что каждому виду данных системы присваивается уникальное кодовое слово (набор чисел и символов), при этом кодовое слово должно включать в себя информацию о принадлежности конкретного типа данных к определенной ступени классификации. Основные требования к классификаторам заключаются в следующем:

- правила классификации должны быть такими, что любой объект, принадлежащий системе, можно было бы однозначно отнести к определенной классификационной группе и только к ней.

- классификация должна быть универсальной, т.е. охватывать все объекты, которые попадают в систему или могут быть привнесены в нее в будущем.

- классификация должна быть гибкой, т.е. при создании новых классификационных групп не должна нарушаться логическая стройность всей системы.

- выбранный метод кодировки значений классификатора должен иметь достаточную информационную мощность.

Построение классификации является трудоемким делом и требует от специалиста занимающегося ею высокой квалификации и хорошего знания предметной области. Основной проблемой при построении классификации является то, что она может быть построена различными путями (по различным наборам признаков) и выбрать среди них наиболее рациональный достаточно сложно.

Пример

Рассмотрим применение основных принципов построения классификатора на примере банка данных, содержащего цифровые топографические карты различных масштабов и являющегося составной частью ГИС предназначенной для отображения на экране компьютера топографических карт в условных знаках и подписях, принятых для карт различных масштабов и поиска объектов по определенным семантическим характеристикам. Системным отношением в данном случае является принадлежность данного типа объектов к топографической карте определенного масштаба, а классификация осуществляется по иерархическому и тематическому признакам.

При переходе от более крупного масштаба к более мелкому, объекты, отображаемые на картах, подвергаются процессу генерализации. Суть генерализации состоит в том, что метрическая и семантическая информация, содержащаяся на картах обобщается: группы мелких объектов объединяются в один объект, контуры объектов сглаживаются, характеристики усредняются. Таким образом, имея в виду, что формируемая нами база данных должная быть интегрированной, мы приходим к выводу, что необходимо ввести иерархическую классификацию, отражающую процесс обобщения семантической информации во время генерализации.

Для решения вопроса о классификации по тематическому признаку примем во внимание следующее соображение. Средняя разрешающая способность лучших современных мониторов составляет около 1024 пикселей. Разрешение обычной топографической карты - около 0.05 мм. Отсюда мы видим, что для того, чтобы избежать совмещения объектов друг с другом на экране компьютера мы должны отобразить каждый кв. мм. карты на квадрате экрана размером 20 на 20 пикселей. Тогда на всем мониторе разместится квадрат исходной карты размером всего 50 на 50 мм. Средством для уменьшения плотности объектов и, следовательно, для увеличения пространства обзора, является временное скрытие объектов, которые не нужны для работы в данный момент. Логичнее всего такое скрытие проводить именно по тематическому признаку. Например, если мы решаем задачу о выборе наилучшей трассы для прокладки железной дороги, то мы можем отобразить на экране только данные о рельефе и населенных пунктах, которые должна соединять эта дорога. Таким образом, наличие тематического деления позволит быстро находить и отображать на экране нужные типы объектов и наоборот, скрывать ненужные в данный момент для работы типы объектов, тем самым улучшая читаемость карты.

Формирование логической структуры. Модель данных ГИС

1. Определение тематических уровней (слоев, покрытий). Тематическим уровнем называется цифровая карта и связанные с ней семантические базы данных,… 2. Создание физической структуры (файла) семантической базы данных, в виде… Связь между объектами цифровой карты и записями в семантической базе данных осуществляется двумя путями: "по…

Цифровые картографические модели.

Векторные модели

Слово "векторная" в названии моделей означает, что в основе этих моделей лежит представление объектов в виде совокупности их границ, которые в свою очередь представляются как последовательность координат вершин (или пикетов) ломаной линии, которая эту границу с заданной точностью аппроксимирует.

Векторная бесструктурная модель

Важное значение в этой модели имеет также направление цифрования объекта. Под направлением цифрования понимается направление, в котором происходит… Описание топологической информации, или топологических отношений между… Существенные недостатки состоят в

Векторная топологическая модель

Модель представляет собой ориентированный граф, где дугами являются контуры объектов, а вершинами - топологические узлы. Описание каждой дуги… Метрика полигона формируется на основе идентификатора его внутренней области,… Важное значение процесса сборки топологии состоит в том, что во время ее выполнения осуществляется контроль…

Области применения векторных ГИС

Дежурство городских топопланов крупного масштаба.

Транспортная задача.

Например, можно поставить перед ГИС задачу найти оптимальный в соответствии с некоторым критерием маршрут между пунктами А и Б. К примеру, показать… Сегодня уже только наличие некоторой суммы денег определяет, сможет ли милиция… Легко представить, как комфортно чувствуют себя сегодня штурманы кораблей (в т.ч. речных), самолётов, где есть…

Имитационное моделирование процессов на территории.

Городская ГИС будущего будет позволять не только получать по запросу семантическую информацию об объектах на карте, но и прогнозировать развитие… Проблема моделирования инженерных сетей стоит перед многими городскими… ГИС вместе с моделью территории, дополненной моделями физических процессов, протекающих в коммуникациях, за счёт…

Отображение многоуровневых структурных схем.

Абстрактная карта: отображение многомерных данных.

Различные многомерные данные, которые являются предметом, например, кластерного анализа, также могут отображаться в ГИС. Определившись с двумя-тремя независимыми переменными, можно "направить" их по координатным осям в некотором абстрактном метрическом пространстве и отображать удивительные карты распределения зависимых величин как точки (объекты) в этом пространстве.

Моделирование рынка недвижимости.

Прямой коммерческий интерес для риэлтерских фирм, а также для городской власти, представляет моделирование рынка недвижимости, поскольку недвижимость распределена по территории города, и её (недвижимости) рыночная цена определяется многими факторами, имеющими пространственный аспект (например, транспортная доступность и близость к различным центрам влияния).

Статистический анализ.

Лекция 4

Анализ и моделирование

Общие вопросы

Основные операции ГИС можно разделить на следующие группы: 1. Операции по поиску объектов. Поиск данных может быть простым, когда в нем… 2. Операции для работы с системой координат. Предназначены для изменения систем координат, в которых представлены…

Оверлей

Объекты цифровых карт подобны рассмотренным выше множествам. При их наложении могут быть сгенерированы новые объекты являющиеся объединением… Оверлейные операции применяются также для изменения уже существующих объектов,… Приведем пример использования оверлея. Пусть перед нами, на этапе проектирования карьера, стоит задача оценки урона,…

Буферизация.

Буферы для объектов различного характера локализации приведены на рис 5. Буферы используются в случае, если необходимо построить "зоны… В качестве примера применения буферизации рассмотрим задачу определения наилучшего месторасположения…

Графо-аналитические операции

Графо-аналитические операции. Как уже упоминалось, цифровые карты, имеющие топологическую структуру представляют собой пространственный граф. т.е. набор точек на местности (узлов), соединенных ломаными линиями - дугами. Многие объекты окружающей среды можно представить в виде графа, например дорожную сеть, речную сеть, сеть трубопроводов и т.д. Такое представление объектов дает возможность применить для различных расчетов мощный математический аппарат, предназначенный для решения различных задач на графах: для дорожной сети это задачи выбора оптимальной схемы перевозок, задача определения наикратчайшего маршрута и т.д.

Рассмотрим общую схему решения задач на графах при помощи ГИС. Поскольку каждая дуга графа представляет собой определенный пространственный объект, следовательно, каждой дуге графа может быть поставлено в соответствие некоторое число - одна из характеристик объекта, например его длина, расход воды, качество дорожного покрытия и т.д. Операция присваивания таких чисел дугам графа называется операцией взвешивания графа, а ее результаты можно условно назвать "таблицей взвешивания графа". Возможно, для решения некоторых задач потребуется построение нескольких таких таблиц, содержащих значения различных характеристик. Далее для решения задач на графах необходимо определить аналитическое представление графа. Одним из способов такого представления является упоминаемая выше топологическая таблица цифровой карты, которая содержит все сведения о дугах и узлах.

После передачи указанных входных данных на вход вычислительной процедуры и производства вычислений мы можем получить выходные данные в двух видах, в зависимости от вида решаемой задачи : в виде таблицы взвешивания графа, содержащей значения производных характеристик, являющихся решением задачи либо в виде списка дуг графа.

Например, при решении задачи о нахождении кратчайшего маршрута мы передаем на вход процедуры таблицу взвешивания графа содержащую длины каждой из дуг, а на выходе получаем список дуг графа в определенной последовательности, определяющей наикратчайший маршрут.

В большинстве общераспространенных программных продуктов ГИС модули, выполняющие графо-аналитические операции отсутствуют т.к. как правило эти задачи специфичны для различных областей применения. Поэтому в большинстве случаев, при проектировании и создании ГИС приходится программировать эти задачи самостоятельно на основе имеющихся в ГИС-программных средствах разработки дополнительных модулей.

Средства визуализации.

Средствами визуализации называется группа функций ГИС обеспечивающая оформление входных и выходных данных, результатов анализа и вычислений,… 1. Средства генерации и оформления отчетов. Средства генерации отчетов… 2. Средства построения тематических карт. Тематической картой назовем карту, на которой посредством языка условных…

Архитектура ГИС

Организация пространственных данных

Более перспективным является бесслоевой объектно-ориентированный подход к представлению объектов на цифровой карте. В соответствии с ним объекты… К сожалению, объектно-ориентированных ГИС очень мало. Одним из редких… Чтобы не перегружать Вас специальными терминами, мы не будем подробно рассматривать очень важный для ГИС-технологий…

Внутреннее устройство ГИС

Первая задача - определение концепции новой системы: основных понятий, которые будут лежать в основе ГИС, а также объектов и процедур обработки… После определения концепции новой системы и базового набора её функциональных… Попробуем последовательно рассмотреть указанные проблемы и варианты их решений, на примере отечественной муниципальной…

Определение концепции системы

- взять за основу архитектуру одной из существующих систем и в дальнейшем приступить к её "улучшению", создавая свою версию архитектуры… - взяться за разработку принципиально новой архитектуры, не имеющей… Оба подхода имеют и достоинства, и недостатки. В первом случае самой серьёзной проблемой является перспектива…

Решение технологических проблем

Когда определение концепции системы завершено и определены базовые функции системы, коллектив разработчиков может приступить к началу проектирования и разработки программ. И тут же встают первые проблемы технологического характера.

Хранение пространственных данных

Рассмотрим несколько вариантов организации хранения пространственных данных. Все пространство картографируемой территории равномерно разбивается на…

Работа ГИС в сети

- внесение изменений в базу данных со стороны нескольких клиентов может привести к нарушению целостности базы данных; - для приведения в актуальное состояние информации, размещенной в оперативной… - необходимо вводить блокировку одновременному изменению одного объекта со стороны нескольких клиентов;

Распределенные ГИС

Поскольку маловероятно наличие локальной компьютерной сети между всеми городскими службами разрабатываемая система должна включать функции… Рис. 8

Расширяемость ГИС

Сделать систему открытой и легко адаптируемой к решению прикладных задач можно, применив следующие подходы; - механизм встраивания модулей расширения в ГИС (рис.12а); - интерфейс прикладного программирования, обеспечивающий доступ к ключевым функциям и объектам ГИС со стороны внешних…

Западные ГИС

На переднем каре геоинформатики - в области работы с весьма насыщенными и громоздкими крупномасштабными (М1:2000 или М1:500) картами городов… Приведём некоторые ГИС, которые могут представлять интерес. Наиболее хорошо себя зарекомендовали для работы с мелкомасштабными "природными" картами (геология, сельское…

Отечественные ГИС

В геологии сильны позиции ГИС ПАРК (Ланэко, г.Москва), в которой также реализованы уникальные методы моделирования соответствующих процессов. Наиболее "продвинутыми" в области представления и дежурства… В целом в России едва ли не в каждой организации создают свою ГИС. Однако, как мы хотели показать в данной статье,…

Заключение

Итак, мы рассмотрели основы применения ГИС. Большинство задач по управлению территорией базируется на использовании одинаковой исходной информации. Например, карта дорожной сети может использоваться при расчетах схемы оптимального движения грузового автотранспорта, при оценке влияния движения грузового автотранспорта на окружающую среду, при проведении реконструкции дорожной сети и проектировании новых дорог. При соблюдении определенных правил в организации банка данных, ГИС может стать базовой системой для решения сразу целого комплекса задач, даже если при первоначальном проектировании ГИС их решение не предполагалось. Это является следствием того, что в основу ГИС положены самые общие принципы организации, хранения и обработки пространственно- распределенной информации. Таким образом одни из главных свойств ГИС - ее гибкость и универсальность и послужили росту популярности геоинформационных систем при автоматизации решения различных задач управления территориями.