Навигация:

Главная Случайная страница Обратная связь ТОП Интересно знать Избранные Новые материалы

Топ:

Выпускная квалификационная работа: Основная часть ВКР, как правило, состоит из двух-трех глав, каждая из которых, в свою очередь...

Динамика и детерминанты показателей газоанализа юных спортсменов в восстановительном периоде после лабораторных нагрузок до отказа...

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов...

Интересное:

Как мы говорим и как мы слушаем: общение можно сравнить с огромным зонтиком, под которым скрыто все...

Влияние предпринимательской среды на эффективное функционирование предприятия: Предпринимательская среда – это совокупность внешних и внутренних факторов, оказывающих влияние на функционирование фирмы...

Аура как энергетическое поле: многослойную ауру человека можно представить себе подобным...

Дисциплины:

Автоматизация Антропология Археология Архитектура Аудит Биология Бухгалтерия Военная наука Генетика География Геология Демография Журналистика Зоология Иностранные языки Информатика Искусство История Кинематография Компьютеризация Кораблестроение Кулинария Культура Лексикология Лингвистика Литература Логика Маркетинг Математика Машиностроение Медицина Менеджмент Металлургия Метрология Механика Музыкология Науковедение Образование Охрана Труда Педагогика Политология Правоотношение Предпринимательство Приборостроение Программирование Производство Промышленность Психология Радиосвязь Религия Риторика Социология Спорт Стандартизация Статистика Строительство Теология Технологии Торговля Транспорт Фармакология Физика Физиология Философия Финансы Химия Хозяйство Черчение Экология Экономика Электроника Энергетика Юриспруденция

Отличия ГИС от других технологий и программ

2017-05-20

3072

4.75 из 5.00 4 оценки

Заказать работу

Стр 1 из 4Следующая ⇒

ОСНОВЫ ГЕОИНФОРМАТИКИ

1.1. Основные понятия и определения

Автоматизация – применение технических средств, математических методов и систем управления, освобождающих человека полностью или частично от непосредственного участия в процессе получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации.

Информация - с ведения, воспринимаемые человеком и (или) специальными устройствами как отражение фактов материального или духовного мира в процессе коммуникации

Информационная технология – совокупность методов, производственных процессов и программно-технических средств, объединенных в технологический комплекс, обеспечивающий сбор, создание, хранение, накопление, обработку, поиск, вывод, копирование, передачу и распространение информации.

Информационная система - система, предназначенная для хранения, обработки, поиска, распространения, передачи и представления информации.

Данные - информация, представленная в виде, пригодном для обработки автоматическими средствами при возможном участии человека.

Пространственный объект [3] (геообъект, геоинформационный объект, географический объект) - цифровая модель материального или абстрактного объекта реального или виртуального мира с указанием его идентификатора, координатных и атрибутивных данных.

Пространственные данные (геоинформационные данные, геопространственные данные, географические данные, геоданные) - данные о пространственных объектах и их наборах.

Географическая информационная система (ГИС) - информационная система, оперирующая пространственными данными.

Геоинформационная технология (ГИС-технология): Совокупность приемов, способов и методов применения программно-технических средств обработки и передачи информации, позволяющая реализовать функциональные возможности ГИС. Операции геоинформационных технологий поддерживаются программным, техническим, информационным, правовым, кадровым и организационным обеспечением.

Программное обеспечение геоинформационной системы - совокупность программ, в которых реализованы функциональные возможности геоинформационных систем и сопровождающей программной документации.

Техническое обеспечение геоинформационной системы (аппаратное обеспечение геоинформационной системы) - комплекс технических средств, используемых для реализации функциональных возможностей геоинформационных систем, включая устройства ввода, обработки, хранения и передачи данных.

Информационное обеспечение геоинформационной системы - совокупность знаний о предметной области информационных ресурсов, информационных услуг, классификаторов, правил цифрового описания, форматов данных и соответствующей документации, предоставляемых пользователю и (или) разработчику геоинформационных систем для решения задач ее создания, эксплуатации и использования.

К основным источникам пространственных данных в ГИС относят цифровые топографические и тематические карты, данные дистанционного зондирования Земли, данные систем спутникового позиционирования GPS и ГЛОНАСС; для крупномасштабных приложений используются геодезические данные, получаемые электронной аппаратурой и приборами для геодезических измерений, данные воздушного и наземного лазерного сканирования; дополнительно используются данные различных кадастров, данные органов государственной статистики и другие информационные ресурсы.

Правовое обеспечение геоинформационной системы - совокупность правовых норм, регламентирующих правовые отношения на всех стадиях жизненного цикла геоинформационной системы.

Организационное обеспечение геоинформационной системы - совокупность стратегий, регламентированных мер, научно-технической документации, нормативных документов, организационно-правовых норм, материальных и финансовых ресурсов и квалифицированных кадров, поддерживающих функционирование геоинформационной системы на всех стадиях ее жизненного цикла.

Геоинформатика - научно-техническое направление, объединяющее теорию цифрового моделирования предметной области с использованием пространственных данных, технологии создания и использования геоинформационных систем, производство геоинформационной продукции и оказание геоинформационных услуг. Геоинформатика включает в себя науку, технологию, производство и образование в области изучения и использования ГИС. Геоинформатика изучает процессы сбора, хранения, обработки и отображения пространственных данных, а также проектирование, создание и эксплуатацию ГИС.

Отличия первых ГИС от классических баз данных:

- введение в число атрибутов объектов признака пространства (географических координат, единиц административной принадлежности, положения в ячейках регулярной сети);

- введение понятия пространственного объекта, описываемого позиционными и непозиционными атрибутами;

- два альтернативных представления пространственных данных - векторное и растровое, включая топологические линейно-узловые представления;

- постановка и решение ряда задач управления пространственными данными, впоследствии ставших ядром информационных технологий (создание буферных зон, наложение слоев, операции вычислительной геометрии, разработка алгоритмов аналитических операций и графоаналитических построений).

Функциональная ограниченность первых ГИС была отчасти связана с рядом недостатков технических средств:

- неразвитостью периферийных устройств;

- примитивными средствами графической и картографической документации;

- пакетным режимом обработки данных

- высокой стоимостью электронно-вычислительных машин;

- продолжительным временем выполнения операций;

- ограниченными объемами ресурсов памяти.

Концепция и аббревиатура ГИС (GIS) продолжает со временем изменяться, наполняясь новым смыслом и содержанием. Так в 1980-х гг ГИС понималась, как “географическая информационная система” – средство для …(geographic information system). В 1990-е ГИС – научно-практическое направление “геоинформатика” (geographic information science). В 2000-е наблюдается тенденция перехода к GIS, как средству предоставления услуг по обработке пространственных данных – “географические информационные услуги” (geographic information services).

1.3. Геоинформатика - наука, технология, образование, бизнес

Как наука геоинформатика продолжает формироваться и до сих пор отдельные аспекты остаются незавершенными и фрагментарными. Геоинформатика развивается в окружении ряда смежных направлений (рис.). При этом происходит взаимодополняющее развитие методов и технологий, программных и аппаратных средств, средств коммуникации между программами. В результате взаимодействия появляются новые направления – ГИС и Интернет, ГИС и системы управления инженерными сетями, ГИС и GPS.

В основе создания и применения ГИС лежит системный подход[4]. Системный подход обеспечивает единство создания, технического, математического, информационного и лингвистического обеспечения, их совместимость, определяет методы исследования и проектирования ГИС, ее структуру. Инструментом системного подхода в ГИС является моделирование[5]. Организация структур данных в ГИС связана с преобразованием исходных данных до компьютерного вида. От того, насколько организация структуры данных учитывает географическую реальность, происходящие в ней процессы и существующие соотношения зависит степень точности и верности моделирования этих явлений и процессов.

Рисунок 1. Методы и алгоритмы теоретической и прикладной геоинформатики

ГИС-технологии являются результатом объединения множества различных технологий обработки данных.

Алгоритмы и методы геоинформатики близки вычислительной геометрии, компьютерной графике, системам автоматизированного проектирования (САПР) [ОГ]. Средства систем управления базами данных (СУБД) используются в ГИС для обработки непозиционных данных. Единая цифровая среда существования объединяет ГИС, GPS и автоматизированные технологии съемок местности, а также технологии их обработки (цифровую фотограмметрию).

Ближайшими к геоинформатике направлениями считаются картография и дистанционное зондирование (по тесноте связи, уровню взаимодействия, методической и технологической близости, возможностям интеграции - ОГ). Взаимоотношения этих наук менялись от доминирования одной из них (картографии или геоинформатики) до равноправного взаимодействия. Возможно, в дальнейшем взаимное влияние этих составляющих будет меняться (например, роль картографии при преобладании цифровых карт и цифровых методов обработки пространственных данных будет ослабевать).

Рисунок 2. Модель тройного взаимодействия соотношения картографии, дистанционного зондирования и ГИС [ОГ].

Отличием геоинформатики, как технологии является ее направленность на создание и эксплуатацию ГИС. Обобщенная технологическая схема создания ГИС может быть представлена в виде набора обобщенных функций (функциональных групп). В общем виде задачи геоинформационных технологий можно определить как ввод, обработку и вывод пространственных данных[6] (п.1.4). Технологии ГИС зависят от возможностей применяемых программ…, решаемых в конкретном случае задач…

ГИС-образование связано с профессиональной подготовкой специалистов в области геоинформатики и ГИС от школ до вузов. Уровни специализации – ГИС-аналитик, ГИС-менеджер, ГИС – специалист, ГИС-техник, ГИС-программист.

Геоинформатика, как производственная деятельность (геоинформационная индустрия) и сегментом рынка (геоинформационный рынок), направлена на разработку, создание, реализацию и сопровождение ГИС-продукции, программного обеспечения, технологий, пространственных данных.

Основных потребителей ГИС-данных, технологий можно отнести к трем группам (ОПБД)

- наука (изучение окружающей среды, географии),

- бизнес (выбор мест торговли, строительства, ведение хозяйства, анализ ситуации),

- пользователи, связанные с локализацией положения на Земле по упрощенным технологиям – GPS, КПК, сотовые телефоны (мобильные группы, сельскохозяйственные работы, поиск клиентов, объектов работы, анализ опасности).

Структура и функции ГИС

Основные функции ГИС[7], определяющие их структуру на логическом уровне, можно свести к четырем группам (ОСТ): сбора, подготовки и ввода данных; хранения, обновления и управления данными; обработки, моделирования и анализа данных; контроля, визуализации и вывода данных (табл.).

Таблица 2. Структурные группы (подсистемы) ГИС

Функциональные группы (подсистемы) ГИС	Цели	Состав
Подсистема сбора, подготовки и ввода данных	Сбор, подготовка исходных данных для ввода; преобразование данных в стандартные цифровые форматы; формирование баз данных ГИС	программное обеспечение (текстовые процессоры, электронные таблицы, ГИС-программы); устройства ввода (сканеры, дигитайзеры, клавиатура, мышь) и записи данных
Подсистема хранения, обновления и управления данными	организация хранения данных, их администрирование; обеспечение процедур редактирования и обновления данных; обслуживание запросов на информационный поиск	Совмещенные (геоинформационые) базы данных; средства редактирования данных; набор выборок, запросов
Подсистема обработки, моделирования и анализа данных	организация обработки данных; обеспечение процедур их преобразования, математического моделирования и сопряженного анализа	стандартные команды меню ГИС; дополнительные модули; средства макроязыков, языки программирования
Подсистема контроля, визуализации и вывода данных	генерация и оформление результатов работы в виде карт, графических изображений, таблиц, текстов на экране, твердых или магнитных носителях	устройства вывода и визуализации - монитор, принтер, плоттер; устройства записи

Функции ГИС условно можно разделить на три группы – управление данными, автоматизированное картографирование, пространственный анализ (табл.).

Таблица 3. Функциональные группы ГИС

Функциональные группы	Задачи
Управление данными
Хранение данных	Проектирование и ведение баз данных атрибутивной информации, поддержка функций СУБД (ввод, хранение, манипулирование, поиск, сортировка, обновление данными, формирование запросов), защита данных в рамках основных моделей организации данных (реляционной, геореляционной, объектно-ориентированной…)
Ввод и редактирование данных	Аналого-цифровое преобразование данных, в т.ч. методы и технологии цифрования картографических источников (вручную[8], автоматически), импорт цифровых данных из других программ, контроль ошибок цифрования
Вывод данных	Генерация отчетов, документирование результатов в текстовой, графической[9], табличной формах с использованием различных графических периферийных устройств, экспорт данных
Автоматизированное картографирование
Поддержка моделей пространственных данных	Результат обработки данных в ГИС может быть представлен в форме одной из моделей пространственных данных (векторной, растровой, трехмерной…)
Преобразование систем координат и трансформация картографических проекций	Пересчет координат пространственных объектов из одной картографической проекции в другую, преобразования растровых изображений по опорным точкам
Растрово-векторные операции	Операции совместного использования растровых и векторных пространственных данных, экспорт-импорт в среду других программных продуктов, взаимное преобразования растровых и векторных данных, графическое совмещение растровых и векторных слоев
Измерительные операции, операции аналитической геометрии	Вычисление длин линий, площадей и периметров полигонов, объемов, обработка данных геодезических измерений
Цифровое моделирование рельефа и анализ поверхностей	Создание и обработка цифровых моделей рельефа, расчет производных морфометрических характеристик (углов наклона, экспозиций и формы склонов), построение трехмерных изображений местности, профилей поперечного сечения, вычисление объемов, генерация линий сети тальвегов и водоразделов, интерполяция высот, построение изолиний, моделирование трехмерных объектов
Пространственный анализ
Полигональные операции	Определение принадлежности точки (линии) полигону, операции наложения (оверлея), объединение полигонов, генерация полигонов Тиссена[10]
Пространственно-аналитические операции	Анализ близости, зон видимости, сетей, построение буферных зон
Пространственное моделирование	Построение и использование моделей пространственных объектов, их взаимосвязей и динамики процессов

Наличие и состав перечисленных функциональных групп в конкретной ГИС-программе зависит от программного обеспечения. Часто специфические и редко употребляемые функции реализуются не в базовом программном обеспечении, а в виде отдельных утилит и модулей.

ОРГАНИЗАЦИЯ ДАННЫХ В ГИС

Последовательность моделирования в ГИС можно рассматривать согласно следующим этапам:

1. Идентификация пространственных объектов в контексте решаемой задачи, определение способа их представления в концептуальной модели (объектная, полевая)

2. Выбор растрового или векторного типа представления концептуальной модели

3. Выбор структуры пространственных данных для хранения модели на компьютере (способ кодирования параметров объектов, используемый для их анализа и хранения)

Рисунок 3. Моделирование пространственных объектов (Чандра, Гош)

При моделировании в ГИС важно учитывать следующие особенности пространственных данных:

- пространственные данные организованы сложнее традиционной деловой информации и прежние конструкции баз данных неадекватны для их обработки[12].

- для проектирования и реализации пространственных баз данных кроме участия компьютерных специалистов необходимо привлечение географов, экологов и др. специалистов в области естествознания.

Структура растровых данных

5,5,1

А. Модель объекта

Б. Значения ячеек

В. Структура файла

Рисунок 5. Структура растровых данных

На рис. показаны примеры описания растровых данных. В первой строке описания структуры растрового файла указываются размеры растра (число ячеек по вертикали и горизонтали матрицы и максимальное значение ячейки). В простейшем случае, когда растровая модель отражает только местоположение объекта, число 1 означает, что ячейка принадлежит объекту, 0 – ячейка пустая. Если объекты перекрываются в пространстве (например, мост и река под мостом, здания на территории городских кварталов) их стоит моделировать отдельными слоями. Если же пространственные объекты не перекрываются на плоскости, но отличаются друг от друга по характеристикам (разные категории земель, административные районы), их можно отражать на одном слое, но описывать разными атрибутами (рис.).

лес	лес	лес	лес	поле
лес	лес	лес	вода	поле
вода	вода	вода	вода	поле
сад	вода	вода	вода	поле
сад	сад	сад	поле	поле

5,5,3

А. Модель объекта

Б. Значения ячеек: 0-лес, 1- поле, 2 – вода, 3 - сад

В. Структура файла

Рисунок 6. Пример растрового слоя с разными объектами

Особенностью растровых моделей является хранение информации о всех ячейках изображения, независимо от количества объектов и наличия пустых ячеек. Следовательно, размер набора растровых данных не зависит от количества представленных в нем объектов. Для уменьшения объема памяти в растровых моделях используются различные методы сжатия (например, построение пирамид).

Регулярная модель (пространственных) данных: Модель пространственных данных, описывающая пространственные объекты в виде набора регулярных ячеек с присвоенными им значениями.

Ячейка - минимальный адресуемый элемент дискретизации земной поверхности (территориальный элемент). Сеть может строиться в координатах некоторой картографической проекции на плоскости или на шаре. Размеры ячеек могут быть различны, в зависимости от пространственного разрешения. Возможна организация иерархически организованных систем из вложенных друг в друга территориальных ячеек разного пространственного разрешения. Регулярно-ячеистые модели использовалась в ГИС первых поколений, использовавших в качестве основных источников данных космические изображения.


Угловой размер ячейки	’	’	30’	15’’
Площадь ячейки, га	15600,6	1733,4	69,33	17,33
Число ячеек, шт

Рисунок 7. Пример иерархической организации регулярной сети представления данных в информационной системе для регионального планирования Ок-Риджа ORMIS (США)

При использовании модели квадротомическое дерево [13] выполняется разбиение территории (изображения) на вложенные друг в друга пикселы с образованием иерархической древовидной структуры (декомпозиция пространства на квадратные участки – квадраты, каждый из которых делится на четыре до достижения некоторого уровня пространственного разрешения).

A

B

C

D

А. Пространственный объект – лесотаксационный квартал: A – средневозрастный березняк, B – вырубка с естественным возобновлением, C – несомкнувшиеся лесные культуры ели, D – сомкнувшиеся лесные культуры сосны Б. Нумерация квадратов квадротомического дерева

A11

A21

A3

B4

A7

C8

B5

B6

B13

C9

C10

D11

D12

В. Квадротомическое дерево

Структура векторных данных

Векторная модель (пространственных) данных[14]: Модель пространственных данных, включающая описание координатных данных пространственных объектов и, возможно, топологических отношений между ними.

Два соседних полигона F1и F2. T1…T6 – точки (узлы) полигонов, L1…L7 – линии (сегменты) полигонов

а.

Список объектов Объект «Полигон F1» Объект «Полигон F2»

Список координат узлов полигона F1		Список координат узлов полигона F2
T1	T2	T5	T6	T2	T3	T4	T5
x,y	x,y	x,y	x,y	x,y	x,y	x,y	x,y

б.

Список объектов Объект «Полигон F1» Объект «Полигон F2»

Список указателей на узлы полигона F1		Список указателей на узлы полигона F2
T1	T2	T5	T6	T2	T3	T4	T5
p1	p1	p1	p1	p1	p1	p1	p1

Список точек

x,y

в.

Список объектов

Список указателей на линии полигона F1		Список указателей на линии полигона F1
pL1	pL2	pL3	pL4	pL1	pL2	pL3	pL4

Список линий

Список точек

x,y	x,y	x,y	x,y	x,y	x,y
T1	T2	T3	T4	T5	T6

г.

Идентификатор линий

Идентификаторы первого и последнего узла каждой линии

Левый полигон

внешний

Правый полигон

Длина линии

д.

Идентификатор полигона	Преобладающая порода	Запас, м³/га	Площадь, га
F1	Береза		1.0
F2	Ель		1.0

а – объектная топология («спагетти») б – узловая топология («узлы» - точки) в – «линейно-узловая» структура г – топологические свойства полигонов в списке линий д – атрибуты полигонов

Векторная нетопологическая модель (пространственных) данных[15]: Векторная модель пространственных данных, не включающая в себя описание топологических отношений между пространственными объектами.

Векторная топологическая модель (пространственных) данных[16]: Векторная модель пространственных данных, включающая в себя описание топологических отношений между пространственными объектами.

На рис. показаны разные варианты векторных моделей. Принципиальная разница заключается в описании смежных границ объектов. Крайними случаями векторных моделей являются нетопологические модели (описания всех общих границ дублируются для каждого объекта, объекты независимы друг от друга) и модели с …топологией (описания общих узлов и линий хранятся в виде списков, смежные полигоны содержат ссылки на списки линий и узлов). Простая структура данных неудобна при разделении участка на части и др. вариантах обработки – появляется многократное дублирование данных. Простая векторная структура не позволяет передавать информацию об окружающих объектах.

Варианты иной организации хранения данных – создание общего каталога точек – координат (узловая топология), либо создание каталога точек и линий (линейно-узловая топология).

Топология - раздел математики, изучающий свойства фигур не меняться при любых деформациях без разрывов и соединений. Примеры геометрических фигур, обладающих близкими топологическими свойствами - окружность, эллипс, квадрат, ромб. Все перечисленные фигуры могут быть преобразованы одна в другую с нарушением пропорций, но без нарушения связей, подобно рисунку на резине. Применительно к электронным картам, топология определяет связи между объектами, устанавливает соседство полигонов и представляет один объект в виде набора других объектов – линий, точек, полигонов. При использовании топологии данные хранятся более эффективно, поэтому их обработка ускоряется и появляется возможность обработки данных больших размеров.

Топологические отношения в ГИС необходимы для моделирования и анализа пространственных данных. С помощью топологических условий (например, Внутри, Содержит, Пересекается) можно выполнять выборки к пространственным данным.

Модель геометрической сети: Модель пространственных данных, описывающая пространственные объекты в виде структуры из позиционированных узлов и соединяющих их ребер.

Сетью считается группа взаимосвязанных линейных объектов, которые служат для транспортировки людей или товаров или используются для передачи информации (автомобильные, железные дороги, линии телефонной связи). Модели сетей включают элементы векторных моделей (узлы, линии) с добавлением специальных атрибутов (дуги, узлы, центры, соединения). Поскольку для представления сетей в ГИС используются абстрактные модели, для их анализа не подходят ни растровые ни векторные модели. На рис. Показан пример модели сети, построенной с помощью характерных для векторных моделей элементов (узлов и линий), но с добавлением специальных атрибутов (узлов, потоков, соединений).

УПРАВЛЕНИЕ ДАННЫМИ В ГИС

ОСНОВЫ ГЕОИНФОРМАТИКИ

1.1. Основные понятия и определения

12 3 4 Следующая ⇒
Поделиться с друзьями:

Архитектура электронного правительства: Единая архитектура – это методологический подход при создании системы управления государства, который строится...

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим...

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого...

Биохимия спиртового брожения: Основу технологии получения пива составляет спиртовое брожение, - при котором сахар превращается...