Геоинформационные системы. История возникновения и развитие.

Геоинформационные системы. История возникновения и развитие.

ГИС — это информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, визуализацию и распространение пространственно координированных данных.

Программное обеспечение, относимое к ГИС: ГИС – компьютеризованная система для сбора, проверки, интеграции, управления и анализа географической информации (связанной с земной поверхностью).

Программное обеспечение по типу выполняемых функций и по режиму использования ГИС могут быть различны. Но полнофункциональная ГИС должна выполнять несколько функций:

1.Система должна обеспечивать средства для формирования цифрового представления пространственных объектов и явлений, иначе говоря, обеспечиваться функциями сбора, кодирования и ввода информации.

2. Для поддержания массива данных в актуальном состоянии должны обеспечиваться средства редактирования, обновления, эффективного хранения данных, а также реорганизации данных и преобразования их в разные формы, средства для контроля правильности и качества данных.

3. Требуется обеспечивать средства для получения информации, как в ее первичном виде, так и обобщенной в различном виде (генерализованной, суммарной, усредненной), а также средств для анализа, моделирования ситуаций и процессов и интегрирования разнородной информации.

4. Система должна обеспечивать выполнение сложных запросов на получение информации. Выполнение таких сложных запросов само по себе является методом анализа.

5. Система должна обладать способностью представлять результаты работы в виде человекочитаемых наглядных документов – таблиц, карт, диаграмм.

Системы, обладающие всем перечисленным набором функций называется полнофункциональной ГИС.

1) информационная система, предназначенная для сбора, хранения, обработки, отображения и распространения пространственно-координированных данных.

2) Интегрированная система программного обеспечения и данных, используемая для просмотра и управления географической информацией, анализа пространственных отношений и моделирования пространственных процессов. ГИС предоставляет основу для сбора и организации пространственных данных и представляет информацию в виде, удобном для визуального отображения и анализа.

3) Программное средство (оболочка), реализующее названные выше функции ГИС, включая пространственный анализ, картографирование и моделирование, классификацию, оценку, районирование территории и т. п.

Форматы данных ГИС.

Векторные (шейп-файлы, файлы покрытия, ARC\INFO, чертежи САПР и др.)

Растровые изображения и Гриды (BMP,TIFF, JPG, ERDAS IMAGINE…)

Триангуляционные (TIN)

Таблицы (dBase)

Текстовые файлы (txt, asc …)

Охарактеризуйте форматы данных: шейп-файл, класс пространственных объектов, база геоданных.

Шейп-файл - это простой, нетопологический формат для хранения геометрического местоположения и атрибутивной информации географических объектов. Географические объекты могут быть представлены точками, линиями или полигонами (площадями). Рабочая область, содержащая шейп-файлы, может также содержать таблицы dBASE, которые могут хранить дополнительные атрибуты, доступные для соединения с объектами шейп-файла.

Класс пространственных объектов - это набор географических объектов с общим типом геометрии (точки, линии или полигоны), одинаковым набором атрибутов и одинаковой пространственной привязкой. Примеры классов объектов - точки, земельные участки, типы почв, административные районы и т.д.

База геоданных – это "контейнер", использующийся для хранения совокупности наборов данных.

Типы баз геоданных.

База геоданных – это "контейнер", использующийся для хранения совокупности наборов данных. Существует три типа баз геоданных:

1. Файловые базы геоданных – хранятся как папки в файловой системе. Каждый набор данных хранится в виде файла, который может увеличиваться вплоть до 1 ТБ по размеру. Этот тип БГД рекомендуется использовать вместо персональных баз геоданных.
2. Персональные базы геоданных – все наборы данных хранятся в виде файла базы данных Microsoft Access, который имеет ограничение по размеру в 2 ГБ.
3. Многопользовательские базы геоданных – также известные как корпоративные, не имеют ограничений по размеру и количеству пользователей. Хранятся в реляционной базе данных с использованием Oracle, Microsoft SQL Server, IBM DB2, IBM Informix или PostgreSQL.

7. Геометрические примитивы. Объекты высокого уровня геометрии.

Геометрические примитивы:

Точка — ни длины, ни ширины, только координаты х,у. т. е., местоположение у нее только указано. Рамки, определяющие представление объектов в виде точки, задает масштаб карты. О таких объектах говорят, что они дискретные, т.е. каждый из них может занимать в любой момент времени только определенную точку пространства.

Линия — обозначаются объекты, которые в заданном нами масштабе имеют длину, но не имеют ширины т. е., одномерные объекты. Кроме того, поскольку линии занимают не единственное местоположение в пространстве, мы должны знать по крайней мере две точки – начальную и конечную с пространственными координатами. Если у линейного объекта есть несколько изгибов, то чем более сложнее вид линии, тем больше дополнительных точек может понадобиться.

Полигоны — имеют и длину и ширину, у них вычисляется площадь и периметр и они являются двумерными объектами. Границей полигональных объектов является линия, которая начинается и заканчивается в одной точке. Полигональные объекты имеют несколько характеристик: местоположение линии, оконтуривающей полигон, форма и ориентация линии, величина площади полигона.

Наиболее употребимыми являются следующие геометрические примитивы: 1) точка (point) - простейший геометрический объект, имеющий нулевую размерность. Точка характеризуется только местоположением; 2) отрезок (segment) - совокупность точек (пикселов), через которые проходит геометрический отрезок с заданными конечными точками. Характеризуется начальной и конечной точками, или начальной точкой и приращениями координат, или длиной и углом наклона; 3) ломаная (open polygon, polyline) - последовательности отрезков, соединяющих заданные точки; 4) полигон, или многоугольник (polygon) - область, ограниченная замкнутой ломанной; 5) прямоугольник (rectangle) - частный случай полигона, ограниченного четырехугольником, все углы которого прямые. Как правило прямоугольник - геометрический примитив имеет стороны, параллельные осям координат; 6) плоская кривая (planar curve) - множество точек плоскости, координаты которых удовлетворяют уравнению F(x,y)=0. Если эта кривая во всех точках имеет непрерывно изменяющуюся касательную, то она называется гладкой кривой (smooth curve).

Объекты высокого уровня геометрии:

точечные объекты высокого lvl:

Узел — особая точка, в которой соединяется 2 или более дуг. Один из основных элементов топологии.

Центроид — находящаяся в точном географическом центре некоторой области (полигона) или в центре распределения некоторого явления (распределение точек). Центр прямоугольника, описанного вокруг полигона. Центр эллипса наиболее близкого по форме к контуру полигона.

Линейные объекты высокого lvl:

Сети — набор соединенных линейных объектов, вдолькоторых возможно движение первого узла к другому.

Площадные объекты высокого lvl:

Регион: сплошной; фрагментированный; перфорированный — исключает отдельные полигоны: отверстия или острова.

Шкалы измерений.

Существует устоявшаяся основа для измерения практически всех видов данных, в том числе и географических. Эти так называемые шкалы измерения данных простираются от простого наименования объектов, до высокоточных измерений, позволяющих нам непосредственно сравнивать качества различных объектов. Используемая шкала измерений будет определяться отчасти типом классификации, отчасти необходимой информацией, и отчасти возможностями производить измерения при заданном масштабе наблюдения.

Существует огромное количество шкал, приведем некоторые из них. Номинальная шкала, из названия которой следует, что объекты различаются по именам. Эта система позволяет говорить о том, как называется объект, но не позволяет делать прямого сравнения объектов.

Если необходимо провести более тонкое сравнение объектов, то следует выбрать более высокую шкалу измерений. Таковой является порядковая шкала, позволяющая проводить качественное сравнение от лучшего к худшему для данного конкретного во-проса. Если необходима более высокая точность в измерениях, то нужно воспользоваться интервальной шкалой измерения, в которой измеряемым величинам приписываются численные значения. Как и в случае порядковой шкалы, здесь тоже можно сравнивать объекты, но сравнения могут делаться с более точной оценкой различий. Хорошим примером пространственных данных, измеряемых в интервальной шкале, является температура почвы на некоторой исследуемой площади с различными типами почв. Последняя и наиболее "количественная" шкала измерений - это шкала отношений.

9. Два способа представления географического пространства.

1.Растровая модель данных

Растровая модель данных - цифровое представление пространственных объектов в виде совокупности ячеек растра (пикселов) с присвоенными им значениями класса объекта. Р.м. предполагает позиционирование объектов указанием их положения в соответствующей растру прямоугольной матрице единообразно для всех типов пространственных объектов (точек, линий, полигонов и поверхностей). Наиболее часто растровые модели применяют при обработке аэрокосмических снимков для получения данных дистанционных исследований Земли.

· Разбивает всю изучаемую территорию на элементы регулярной сетки или ячейки

· Каждая ячейка содержит только одно значение

· Является пространственно заполненной, поскольку каждое местоположение на изучаемой территории соответствует ячейке растра, иными совами - растровая модель оперирует элементарными местоположениями

Соглашения, принятые для растровой ГИС

· 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.

· 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

· 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

· Значение

Единица информации, хранящаяся в слое для каждого пикселя или ячейки. Ячейки одной зоны (или района) имеют одинаковое значение

2. Векторная модель данных

Векторно-нетопологическое представление данных - цифровое представление точечных, линейных и полигональных пространственных объектов в виде набора координатных пар, с описанием только геометрии объектов.

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.

Используются в практике проектирования ГИС для решения задач управления сетями инженерных коммуникаций — сетями водо-, газо-, электроснабжения. К примеру, модель сети воздушных линий электропередач с опорами, на которых закреплены провода разных сечений и фаз, а также грозозащитный трос, должна строиться как многолучевой граф. Моделирование средствами ГИС теплосетей, предполагающее не только их тополого-геометрическое описание, но и встраивание моделей гидравлических расчетов, также требует модели данных как ориентированного и взвешенного графа.

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

Типы векторных объектов, основанные на определении пространственных размеров

1)Безразмерные типы объектов

· Точка - определяет геометрическое местоположение

· Узел - топологический переход или конечная точка, также может определять местоположение

2)Одномерные типы объектов

· Линия - одномерный объект

· 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". Различают простой П., не содержащий внутренних П., и составной П, содержащий внутренние П., называемые также "островами" (island) и анклавами (hole).

· Пиксель - элемент изображения, который является самым малым неделимым элементом изображения.

Преимущества

Растровая модель

· Простая структура данных

· Эффективные оверлейные операции

· Работа со сложными структурами

· Работа со снимками

Векторная модель

· Компактная структура

· Топология

· Качественная графика

Реляционная база данных.

Реляционная база данных — база данных, основанная на реляционной модели данных. Слово «реляционный» происходит от англ. relation (отношение). Для работы с реляционными БД применяют реляционные СУБД.

Реляционная модель данных (РМД) — логическая модель данных, прикладная теория построения баз данных, которая является приложением к задачам обработки данных таких разделов математики как теории множеств и логика первого порядка.

На реляционной модели данных строятся реляционные базы данных.

Реляционная модель данных включает следующие компоненты:

· Структурный аспект (составляющая) — данные в базе данных представляют собой набор отношений.

· Аспект (составляющая) целостности — отношения (таблицы) отвечают определенным условиям целостности. РМД поддерживает декларативные ограничения целостности уровня домена (типа данных), уровня отношения и уровня базы данных.

· Аспект (составляющая) обработки (манипулирования) — РМД поддерживает операторы манипулирования отношениями (реляционная алгебра, реляционное исчисление).

Общеземные и референц эллипсоиды. Примеры.

Эллипсоид - тело, полученное вращением эллипса вокруг его малой оси. Измерения зависят от положения центра и параметров эллипсоида, используемого для представления трехмерной поверхности Земли.

Эллипсоиды бывают 2 типов: общеземные, аппроксимирующие поверхность Земли в целом и референц-эллипсоиды, наиболее точно представляющие поверхность Земли на некоторой ограниченной территории, например, в пределах отдельной страны.

Примеры: общеземной эллипсоид –WGS-84

              Рефернц-эллипсоид – эллипсоид Красовского

Проекция Гаусса-Крюгера.

Известна также как Поперечная проекция Меркатора, эта проекция подобна проекции Меркатора, но в данном случае цилиндр разворачивается не вокруг экватора, а вокруг одного из меридианов. Результатом является равноугольная проекция, которая не сохраняет правильные направления. Центральный меридиан находится в регионе, который может быть выбран. По центральному меридиану искажения всех свойств объектов региона – минимальные. Эта проекция наиболее подходит для картографирования территорий, протяженных с севера на юг. Система координат Гаусса-Крюгера основывается на проекции Гаусса-Крюгера.

Поперечная цилиндрическая проекция с центральным меридианом, расположенным в конкретном регионе. В системе координат Гаусса-Крюгера поверхность Земли разделена на 60 зон шириной шесть градусов, и центральный меридиан первой зоны – 177° ЗД. Проецирование осуществляется в каждой зоне отдельно на цилиндр, ось которого поворачивается в плоскости экватора на 6 градусов от зоны к зоне. Коэффициент масштаба равен 1,000, а не 0,9996, в отличие от UTM. В некоторых странах к 500 000-метровому сдвигу по Y прибавляется число, которое равно номеру зоны. Зона 5 системы координат Гаусса-Крюгера может иметь значения сдвига по оси X – 500 000 метров или 5 500 000 метров. Равноугольная. Сохраняются малые формы. Искажение формы больших территорий увеличивается при удалении от центрального меридиана. Искажение возрастает по мере удаления от центрального меридиана.

Линии контакта

Любой меридиан для касательной проекции. (Гаусса-Крюгера). Две линии на одинаковом расстоянии от центрального меридиана для секущей проекции (Поперечной проекции Меркатора).

Линейные элементы картографической сетки

Экватор и центральный меридиан зоны.

Точный масштаб вдоль центрального меридиана, если масштабный коэффициент равен 1,0. Если он меньше 1,0, то точный масштаб сохраняется на прямых линиях, расположенных на равных расстояниях по обе стороны от центрального меридиана.

Ограничения

Объекты сфероида или эллипсоида не могут быть спроецированы за пределы 90° от центрального меридиана. Фактически протяженность сфероида или эллипсоида должна быть в пределах 10-12 градусов по обе стороны от центрального меридиана. За пределами этого диапазона, спроецированные данные могут не проецироваться в ту же самую позицию при обратной операции. Для данных на сфере этих ограничений не существует.

Новое проекция, называемая Поперечная Меркатора комплексная (Transverse_Mercator_complex), добавлена в механизм проецирования в ArcGIS. Это обеспечивает точное прямое и обратное преобразование UTM до 80 градусов от центрального меридиана. Привлечение комплексного математического метода делает это преобразование предпочтительным.

Области использования

· Система координат Гаусса-Крюгера. Топографическое картографирование в СССР и России в масштабах от 1:10 000 до 1:500 000 всей поверхности Земли. В этой системе Земной шар делится на зоны шириной по шесть градусов. Коэффициент масштаба равен 1, сдвиг по оси X равен 500 000 метров и южное полушарие также имеет сдвиг по оси Y – 10000000 метров. Центральный меридиан зоны 1 – 177° ЗД. В некоторых странах добавляют номер зоны в величину сдвига на восток 500 000 метров. В пятой зоне в ГК сдвиг по оси Х равен 500000 или 5500000 метров. Также существуют 3-х градусные зоны Гаусса-Крюгера, используемые для съемок в масштабе 1:5 000 и крупнее.

· Система UTM подобна системе Гаусса-Крюгера. Коэффициент масштаба равен 0,9996 и центральный меридиан первой UTM-зоны – 177 градусов ЗД. Сдвиг по оси X равен 500 000 метров и южное полушарие также имеет сдвиг по оси Y – 10000000 метров.

UTM - это проекция на секущий цилиндр и масштаб равен единице вдоль двух секущих линий, отстоящих от центрального меридиана на 180 000 м.

Датум. Виды датумов.

Датум – данные, называемые также геодезическими датами (datum), жестко фиксируют систему геодезических координат относительно тела Земли.

Существуют два типа датумов- геоцентрический (глобальный) и локальный. Геоцентрический датум использует центр масс земли в качестве начала отсчета. Начало отсчета системы координат для локального датума сдвинуто относительно центра земли. Локальный датум изменяет положение эллипсоида так, чтобы наиболее близко совместить его поверхность с нужной областью. Локальный датум не следует применять вне области, для которой он был разработан.

Наиболее широко используемым датумом является Мировая геодезическая система 1984 года (World Geodetic System 1984- WGS84), базируется он на эллипсоиде WGS-84 с центром в центре масс земли. Так же один из достаточно распространенных датумов (используется в России и некоторых окружающих странах) является- Pulkovo-1942 (СК-42), который базируется на эллипсоиде Крассовского, начало координат у него смещено относительно центра масс расстояние около 100 м.

Полигоны Тиссена.

Полигоны, сформированные из набора заданных точек. Каждый полигон Тиссена определяет площадь влияния вокруг его опорных точек так, что расстояние от любой точки области до данной точки меньше, чем для любой другой точки множества. Полигоны Тиссена носят имя американского метеоролога Альфреда Тиссена (Alfred H. Thiessen (1872-1931)).

Триангуляция Делоне.

Триангуляционная» - указывает на способ построения набора треугольников из набора точек. Треугольники дают хорошее представление о локальной части поверхности, так как три точки со значениями Z однозначно определяют плоскость в трехмерном пространстве.

Функциональное

В случае векторных координат для определения расстояний может использоваться серия модификаций стандартной теоремы Пифагора. Вначале вспомним исходную формулу для эвклидова или прямолинейного расстояния между двумя точками:

D = [(X1 – X2)2 + [(Y1 – Y2)2 ]½.

Однако,если мы не можем двигаться по прямой, т.е. имеется некоторое препятствие, вынуждающее нас отклоняться от прямой, то мы можем обобщить эту формулу в неэвклидову форму:

D = [(X1 – X2)k + [(Y1 – Y2)k ]1/k,

где k- показатель степени - некоторое число из диапазона возможных значений. Нетрудно заметить, что подстановка k = 2 превращает эту формулу в предшествующую формулу для расстояния по прямой.

Допустим, например, что мы ищем расстояние между двумя точками в Манхэттене, где десятки высоких зданий и кварталы ограничивают наше движение отрезками под прямым углом друг к другу. В этом случае мы имеем значительные ограничения движения, и переменная k принимает значение 1, а формула расстояния принимает вид:

D = |X1 – X2 | + | Y1 – Y2 |.

Как видите, любое расстояние в векторной БД может быть определено простым изменением параметра k в соответствии с имеющимися условиями. Например, k = 0.6 позволяет нам найти кратчайшее расстояние вокруг некоторого барьера, такого как озеро.

Буферы. Виды буферов.

Буфер (buffer) - это полигон, с границей на определенном удалении от точки, линии или границы области.

Буфер вокруг точек, линейных объектов или полигонов.

Многослойный буфер

Мотивированный буфер, основанный на априорных знаниях об изучаемых объектах

Ширина буфера определяется величиной, присвоенной каждому отрезку линии.

Значение буфера может быть взято из атрибута

Геоинформационные системы. История возникновения и развитие.

ГИС — это информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, визуализацию и распространение пространственно координированных данных.

Программное обеспечение, относимое к ГИС: ГИС – компьютеризованная система для сбора, проверки, интеграции, управления и анализа географической информации (связанной с земной поверхностью).

Программное обеспечение по типу выполняемых функций и по режиму использования ГИС могут быть различны. Но полнофункциональная ГИС должна выполнять несколько функций:

1.Система должна обеспечивать средства для формирования цифрового представления пространственных объектов и явлений, иначе говоря, обеспечиваться функциями сбора, кодирования и ввода информации.

2. Для поддержания массива данных в актуальном состоянии должны обеспечиваться средства редактирования, обновления, эффективного хранения данных, а также реорганизации данных и преобразования их в разные формы, средства для контроля правильности и качества данных.

3. Требуется обеспечивать средства для получения информации, как в ее первичном виде, так и обобщенной в различном виде (генерализованной, суммарной, усредненной), а также средств для анализа, моделирования ситуаций и процессов и интегрирования разнородной информации.

4. Система должна обеспечивать выполнение сложных запросов на получение информации. Выполнение таких сложных запросов само по себе является методом анализа.

5. Система должна обладать способностью представлять результаты работы в виде человекочитаемых наглядных документов – таблиц, карт, диаграмм.

Системы, обладающие всем перечисленным набором функций называется полнофункциональной ГИС.

1) информационная система, предназначенная для сбора, хранения, обработки, отображения и распространения пространственно-координированных данных.

2) Интегрированная система программного обеспечения и данных, используемая для просмотра и управления географической информацией, анализа пространственных отношений и моделирования пространственных процессов. ГИС предоставляет основу для сбора и организации пространственных данных и представляет информацию в виде, удобном для визуального отображения и анализа.

3) Программное средство (оболочка), реализующее названные выше функции ГИС, включая пространственный анализ, картографирование и моделирование, классификацию, оценку, районирование территории и т. п.