Материал: Геоинформационные системы в развитии современного общества

Современному обществу без ГИС-технологий не обойтись. Без них невозможно построение экономики и ведение современного хозяйства. Тенденции в мире таковы, что необходима возможность во времени управлять огромной базой пространственных данных, а для этого необходимы ГИС. До недавнего времени эту задачу было сложно решить, т.к. был малый банк данных, ограничивался доступ получения пространственных данных о земле (космоснимки). Но в последние несколько лет ситуация изменилась в лучшую сторону и с появлением новых технологий, ГИС поднимаются на ступень выше. Это позволяет внедрять ГИС в новые сферы жизнедеятельности общества.

2. Обзор базовых концепций ГИС

.1. Основные направления и использование ГИС в современном обществе. Базовые концепции ГИС

Пространственный объект может быть определен как цифровое представление объекта реальности, иначе цифровая модель объекта местности, содержащая его координаты и набор свойств, характеристик, атрибутов, или сам этот объект. Термин «картографический объект» встречается и в англоязычной литературе по цифровой картографии и ГИС: картографируемый объект местам (Cartographic entity (real world)), его цифровое представление (Cartographic object (digital storage)) и обобщающего понятия картографических объектов (Cartographic feature), которое применимо и к объектам реальности, и к их цифровым представлениям, описаниям, моделям.

Объект - представление в цифровом виде всей и части сущности ее характеристиками (атрибутами), геометрией и (возможно) связями с другими

предметами (например, описание в цифровом виде участка дороги, включая категорию дороги, ширину проезжей части, его геометрическое положение также связь с мостом, если такая существует).

Картографический объект - графический объект, необходимый для обеспечения определенных требований представления информации. Атрибуты картографического объекта (если они необходимы) обеспечивают дополнительные указания по воспроизведению. Примеры картографических объектов: стрелка направления течения [10].

Пространственный объект - как цифровая модель объекта так и сам объект «реальности», или «местности». Распространен синоним термина «пространственный объект» - географический объект, или «геообъект».

Представление пространственных объектов реальной действительности основано на следующих допущениях:

пространственные данные состоят из цифровых представлений реально существующих дискретных пространственных объектов;

свойства, показанные на карте, например, озера, здания, контуры должны пониматься как дискретные объекты;

содержание карты может быть зафиксировано в базе данных путем превращения свойств карты в пространственные объекты;

многие свойства, которые показаны на карте, на самом деле виртуальны. Например, контуры или границы реально не существуют, но здания и озера - реальные объекты.

Множество цифровых данных о пространственных объектах образует пространственные данные. Пространственные данные состоят из двух взаимосвязанных частей: позиционной и непозиционной составляющей данных, иначе говоря, описания пространственного положения и тематического содержания данных. При этом выделяются соответственно тополого-геометрические и атрибутивные данные. В самом общем виде в пространственных данных следует различать и выделять три составные части: топологическую, геометрическую и атрибутивную. В настоящее время сформировалось два различных подхода к определению понятия «пространственные данные» [2]. В первом случае под пространственными данными понимаются цифровые данные об объектах реальности (местности, территории, акватории и т.п.), которыми оперируют при создании геоинформационной системы. Во втором случае термин «пространственные данные» понимается в более широком смысле слова, включая в себя не только данные в первом значении, но все «пространственно-координированные данные» (цифровые изображения, цифровые карты, каталоги координат пунктов опорной геодезической сети и т.п.). Термин «пространственные данные» имеет несколько синонимов, употребляемых в обоих значениях. Первый из них (по частоте употребления)- «географические данные» - может претендовать на роль стандартизованного, наряду с «пространственными данными». К менее распространенным относятся геоданные, геоинформационные данные и геопространственные данные, имеющие свою концептуальную схему в организации [рис. 2].

Рис. 2. Концептуальная схема организации данных в ГИС [15]

Перечень элементарных пространственных объектов (основные метрические и тополого-геометрические примитивы), которыми оперируют современные ГИС, выглядит следующим образом:

Точка син. точечный объект;

Линия син. линейный объект;

Полигон син. полигональный объект, многоугольник, контурный объект, область;

Поверхность син. Рельеф;

Тело;

Пиксел син. пиксель, пэл;

Ячейка (регулярной сети).

Выбор способа организации данных в ГИС, и, в первую очередь, модели

данных, т.е. способы цифрового описания пространственных объектов, значительно важнее, чем выбор программного продукта, поскольку напрямую определяет функциональные возможности создаваемой ГИС и применимость или иных технологий ввода информации.

От типа модели данных зависит как пространственная точность представления графической части информации, так и возможность получения качественного картографического материала и организации контроля карт. Для облегчения работы и получения наиболее удачного варианта проекта карты, применяется выборка, определяющаяся темой [рис. 3].

Рис. 3. Пространственная выборка (уточнение территории) [2]

Содержание базы пространственных данных включает:

) цифровые версии реально существующих объектов (например, зданий);

) цифровые версии искусственно выделенных свойств карты (например, контуры);

) искусственные объекты, созданные специально для целей построения базы данных (например, пиксели).

Разновидность непрерывных свойств:

) некоторые свойства пространственных объектов существуют повсеместно, изменяются непрерывно над земной поверхностью (высота, температура, атмосферное давление) и не имеют реально представленных границ.

Компоненты пространственных данных:

расположение: пространственные данные вообще часто называются данными о размещении;

пространственные отношения: взаимосвязи между пространственными объектами описываются как пространственные отношения между ними;

время: временная изменчивость фиксируется разными способами:

) интервалом времени, в течение которого существует объект;

) скоростью изменчивости объектов;

) временем получения значений свойств.

.2 Геоинформационные структуры и модели данных

Для визуализации геоинформационной структуры используют растровые и. векторные модели данных [рис. 4].

Рис. 4. Растровая и векторная модели пространственных данных [2]

В растровых моделях данных, в отличие от векторных, нет объектов как обособленных сущностей, в них объекты понимаются как области однородных характеристик. Растровые данные всегда обладают собственной системой координат: каждый пиксел адресуется номером ряда и столбца, на пересечении которых он расположен. Для всякого растрового изображения известны его размеры по горизонтали и вертикали. При использовании растра в качестве подложки для векторных цифровых карт производится так называемое трансформирование растра, обеспечивающее совмещение обоих изображений. При трансформировании выполняется преобразование координат пикселов из пиксельной системы координат в систему координат карты.

Векторные модели данных. Модель данных имеет в основе так называемую линейно-узловую топологию, или структуру узлов и дуг. Дуги являются основным (базовым) типом линейных объектов, узлы - это специальный тип точечных объектов, существующий совместно с дугами. В основе линейно-узловой структуры [рис. 5] лежит принцип последовательного конструирования линейных объектов из точечных и площадных из линейных. Так, два несовпадающих узла определяют начальную и конечную точки одного линейного объекта (дуги), при этом они могут также соединяться с одной или несколькими другими дугами.

Рис. 5. Пространственные объекты линейного типа [9]

Узел - это либо свободное окончание или начало каждой дуги,

или точка пересечения дуг.

Дуга - это самостоятельный линейный объект, состоящий, как

минимум, из двух узлов - начального и конечного.

Топология - одна из ключевых концепций ГИС. Это пространственные взаимоотношения межу смежными и близлежащими объектами. Топология отражается в структуре данных. Топологические структуры более предпочтительны [pис. 6].

Типы топологий:

. Линейно-узловые топологические отношения;

. Объектные топологии:

внутриобъектные топологические отношения;

Межобъектные топологические отношения;

Узловые топологические отношения;

Межобъектные топологические отношения в пределах одного слоя;

Межслойные топологические отношения между объектами.

. Топологические межобъектные ресурсные связи;

. Концептуальные топологические отношения (отношения между

классами объектов, или логические связи).

Рис. 6. Топологическое представление векторных объектов [14]

Рассмотрим преимущества растровой и векторной моделей.

Растровая модель:

картографические проекции просты и точны, т.е. любой объектнеправильной формы описывается с точностью до одной ячейки растра;

непосредственное соединение в одну картину снимков дистанционного зондирования (спутниковые изображения или отсканированные аэрофотоснимки);

поддерживает большое разнообразие комплексных пространственных исследований;

программное обеспечение для растровых ГИС легче освоить и оно более дешевое, чем для векторных ГИС.

Векторная модель:

Хорошее визуальное представление географических ландшафтов.

Топология местности может быть детально описана, включая телекоммуникации, линии электропередач, газо- и нефте- трубопроводы.

Превосходная графика, методы которой детально моделируют реальные объекты.

Отсутствие растеризации (зернистости) графических объектов при

масштабировании зоны просмотра [рис. 7].

геоинформационный пространственный данные векторный

Рис. 7. Сопоставление растровой и векторной моделей данных [14]

Выделим преимущества растровой и векторной моделей данных.

Растровая модель:

) простая структура данных;

) эффективные оверлейные операции;

) работа со сложными структурами;

) работа со снимками.

Векторная модель:

) компактная структура;

) топология;

) качественная графика.

.3 Классификация и функциональные подсистемы ГИС

ГИС системы разрабатываются с целью решения научных и прикладных задач по мониторингу экологических ситуаций, рациональному использованию природных ресурсов, а также для инфраструктурного проектирования, городского и регионального планирования, для принятия оперативных мер в условиях чрезвычайных ситуаций и др. Множество задач, возникающих в жизни, привело к созданию различных ГИС, которые могут классифицироваться по следующим признакам:

По функциональным возможностям:

полнофункциональные ГИС общего назначения;

специализированные ГИС ориентированы на решение конкретной задачи в какой либо предметной области;

информационно-справочные системы для домашнего и информационно-справочного пользования.

Функциональные возможности ГИС определяются также архитектурным принципом их построения:

закрытые системы - не имеют возможностей расширения, они способны выполнять только тот набор функций, который однозначно определен на момент покупки;

открытые системы отличаются легкостью приспособления, возможностями расширения, так как могут быть достроены самим пользователем при помощи специального аппарата (встроенных языков программирования).

По пространственному (территориальному) охвату:

глобальные (планетарные) (global GIS);

субконтинетальные;

общенациональные;

региональные (regional GIS);

субрегиональные;

в том числе муниципальные (urban GIS) [11].

По проблемно-тематической ориентации:

общегеографические;

экологические и природопользовательские;

отраслевые (водных ресурсов, лесопользования, геологические, туризма и т.д.) [2].

По типу представления географической информации:

ГИС на основе растровой модели представления данных. В таких ГИС цифровое представление географических объектов формируется в виде совокупности ячеек растра (пикселей) с присвоенным им значением класса объекта;

ГИС на основе векторной модели представления данных. В этом случае цифровое представление точечных, линейных и полигональных пространственных объектов осуществляется в виде набора координатных чисел.

Различают еще такие геоинформационные системы как:

интегрированные ГИС (ИГИС) (integrated GIS, IGIS) совмещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) в единой интегрированной среде;

полимасштабные, или масштабно-независимые ГИС (multiscale GIS) основаны на множественных, или полимасштабных представлениях пространственных объектов (multiple representation, multiscale representation) обеспечивая графическое, или картографическое воспроизведение данных любом из избранных уровней масштабного ряда на основе единственного набора данных с наибольшим пространственным разрешением;

пространственно-временные ГИС (spatio-temporal GIS) оперируют пространственно-временными данными [11].

ГИС представляет собой набор следующих подсистем:

подсистема сбора данных, которая собирает и проводит

предварительную обработку данных из различных источников. Эта подсистема также в основном отвечает за преобразования различных типов пространственных данных;

подсистема хранения и выборки данных, организующая

пространственные данные с целью их выборки, обновления и редактирования;

подсистема манипуляции данными и анализа- это сердце ГИС, то, ради чего ГИС существует.

Общие задачи анализа:

. Картирование местоположения объектов и явлений.

. Картирование по величине.

. Картирование плотности.

. Поиск объектов, попадающих внутрь других объектов.

. Поиск объектов, находящихся на расстоянии от других объектов.

подсистема вывода, которая отображает всю базу данных или часть ее в табличной, диаграммной или картографической форме. Благодаря работе и функционированию этих подсистем мы получаем значительный перевес, в картографическом процессе, в сторону ГИС, относительно традиционных бумажных карт [табл. 3].

Таблица 3. Сравнение ГИС и традиционных карт.