Программно-технический комплекс 14 Задачи гис 14 гип как проблемно-ориентированные базы данных на территорию исследований 14 > Концепция создания гип с применением гис и дфм-технологий 16 дфм-технологии 16

Вид материала

Документы

Содержание 2. Геоинформационные технологии 2.1. Определение ГИС Геоинформационные системы 2.2. Информационное обеспечение 2. Атрибутивные данные.

Подобный материал:

• Задачи геоинформации выходят за рамки картографии, делая ее основой для интеграции, 743.35kb.
• Лекция №3. Организация данных в гис первым шагом к проекту гис является создание пространственной, 268.29kb.
• Программы для интерпретации гис интегрированнaя система обработки данных гис "прайм", 103.04kb.
• Гис-технологии в экологии, 1013.18kb.
• Концепция тренажера уровня установки. Требования к тренажеру (лекция 3, стр. 2-5), 34.9kb.
• Лекция №10. Инструментальные средства гис лекция №10. Инструментальные средства гис, 499.17kb.
• Курс лекций по дисциплине «Базы данных в гис» для студентов факультета «Геодезия картография, 1285.14kb.
• Ерения с применением многофункциональных скважинных приборов с обработкой первичных, 366.22kb.
• Лекция №4. Модели данных > Лекция №4. Модели данных Вопросы организации данных в гис,, 462.87kb.
• Лекция №16. Применение гис по сфере использования гис не имеют себе равных. Они применяются, 429.39kb.

2. Геоинформационные технологии

2.1. Определение ГИС

Объем пространственной информации неуклонно возрастает. При хранении такой информации в виде карт и схем на бумажных носителях возникают проблемы со сбором, обобщением и хранением имеющейся информации, возможностью оперативного доступа, обработки и анализа. Решение таких задач стало возможным с развитием компьютерных технологий. Возникло новое направление компьютерных технологий – геоинформатика - как раздел информатики, оперирующий с пространственно распределенной информацией. Соответственно геоинформационные технологии - это совокупность методов и приемов практического использования достижений геоинформатики для манипулирования пространственными данными, их представления и анализа.

Преимущество использования геоинформационных технологий состоит в том, что кроме традиционной базы данных появляется координатная привязка объектов исследования, которая наглядно отображает расположение их на карте, позволяет провести пространственный анализ расположения этих объектов относительно других. Применение ГИС-технологий упрощает процесс хранения и редактирования данных, компоновки различных тематических карт, возможность создания высококачественной картографической продукции.

Решение всех перечисленных задач геоинформатики возможно с помощью геоинформационных систем (ГИС).

Геоинформационные системы являются инструментом геоинформационных технологий [8]. Они базируются на информации, привязанной к координатам, принятым в картографии, и позволяет представить ее в графическом виде для интерпретации и принятия решений. Таким образом, ГИС можно характеризовать как систему, оперирующую пространственно привязанными данными. Также система оперирует данными непространственного характера (тексты, таблицы, диаграммы), которые связаны с объектами, имеющими пространственную привязку.

С технической точки зрения ГИС – это набор программных инструментов, используемых для ввода, хранения, манипулирования и отображения графической информации.

Следовательно, ГИС – это программно-аппаратные комплексы, осуществляющие сбор, отображение, обработку, анализ и распространение информации о пространственно распределенных объектах и явлениях на основе электронных карт, связанных с ними баз данных и сопутствующих материалов.

ГИС включает три основных компоненты:

• информационное обеспечение,
  
• аппаратно-программный комплекс,
  
• задачи и методы их решения.
  

Рассмотрим эти составляющие более подробно.

2.2. Информационное обеспечение

Базы данных в геоинформационных технологиях отличаются особенностями, как форматов данных, так и способами их организации.

ГИС относятся к классу информационных систем. Они имеют свойства общие, присущие всему классу информационных систем, и индивидуальные, присущие только ГИС. К особенностям ГИС следует отнести наличие больших объемов информации, а также форму их отображения.

Геоинформационные системы оперируют пространственными и атрибутивными данными [4]. Пространственные данные определяет местоположение объекта или явления в выбранных координатах. Атрибутивные отображают свойства и характеристики объектов. Общую характеристику совокупности данных определяют метаданные (рис. 2.1).


Рис. 2.1. Представление данных в геоинформационных системах.

1. Пространственные данные в зависимости от предназначения их в системе могут быть представлены в растровом, векторном или матричном формате.

Растровые данные - используют разбиение пространства на множество элементов (ячеек), каждый из которых представляет определенную часть земной поверхности. Информация в таком виде легко понимается как метод представления непрерывного пространства. К недостаткам растрового представления следует отнести необходимость больших объемов памяти для хранения и оперирования данными. Растровые данные используются на входе как подложка для векторизации и на выходе для передачи их в информационные системы, не поддерживающие векторных форматов.

В матричных данных каждой ячейке указывается принадлежность к определенному объекту (классу объектов) или значение характеристики территории. Атрибутивная информация в матричных данных содержится непосредственно в коде ячейки. Матричные данные получают путем преобразования данных из векторной формы представления по одному из тематических свойств или в результате обработки других матричных слоев.

Векторное представление позволяет задавать точные пространственные координаты явным образом. Данные, встречающиеся на карте, представляют собой связанные объекты, которые могут быть описаны одним или несколькими геометрическими примитивами (точка, линия, полигон) и атрибутами. Информация о точках, линиях и полигонах кодируется и хранится в виде набора координат X,Y. Геометрические данные составляют основу векторной модели, кроме того, в ее состав входят атрибуты и связи. Остановимся на связях векторных моделей.

Для представления пространственно-распределенных данных в цифровом виде используются два основных вида векторных геометрических моделей: бесструктурная (объектная) и топологическая. Топология определяет наличие связей между пространственными объектами не зависящие от геометрических свойств, и содержат топологическую информацию в явном виде. Топологическая модель имеет сложную структуру и содержит базовые элементы – дугу, точку, внутреннюю точку полигона и вспомогательный (связующий) элемент – топологический узел. Построение топологической структуры важно для построения многослойной модели. Достоинство топологической модели является максимально полное описание моделируемой территории.

В объектной (бесструктурной) модели карта реализуется как умозрительная модель. Каждый примитив отображается одной логической записью. Таким образом, бесструктурная модель применяется в случае, когда нет необходимости в отображении и хранении связей между объектами, либо этих связей не существует.

Для решения задач недропользования эффективно использование топологических моделей векторных данных, которые отражают взаимные связи между объектами.

Векторная модель строится на векторах, занимающих часть пространства, в отличие от занимающих все пространство растровых моделей. Следовательно основное преимущество - меньше памяти для хранения и меньше затрат времени на обработку. Преимуществом векторного представления данных является более высокая точность их пространственного определения.

Большинство современных ГИС поддерживают работу, как с векторными моделями, так и с растровыми. Векторные данные используются для представления информации, которая имеет объектную природу и нуждается в манипулировании и пространственном анализе. Растровое представление данных используется в качестве растровой подложки для создания векторной модели. Матричными данными оперируют ГИС, содержащие блок анализа, т.к. только к такому виду данных применимы функции пространственного анализа.

Каким же образом осуществляется описание географических данных в пространстве?

Для отображения положения точек поверхности на плоскости используют различные математические модели поверхности и системы координат (плоские и сферические).

При решении задач картографирования наиболее часто используются две проекции:

1. видоизмененная простая поликоническая проекция, достоинством которой является небольшая величина искажений. Недостатком этой проекции считают появление разрывов при соединении листов по меридианам и параллелям,
   
2. конформная (равноугольная) псевдоцилиндрическая проекция Гаусса-Крюгера. В этой проекции масштаб изображения линейных элементов на плоскости постоянен в данной точке и не зависит от азимута этих элементов. Проекция используется в России и бывших странах СНГ.
   

В странах западного полушария применяют универсальную поперечно-цилиндрическую проекцию Меркатора, которая используется в разработках программного обеспечения ГИС американских компаний. Эта проекция близка по своим свойствам и распределению искажений к проекции Гаусса-Крюгера.

Наличие в ГИС программного обеспечения, осуществляющего проекционные преобразования, позволяет легко перевести данные из одной проекции в другую. Существует возможность перевода координат цифровых данных, изначально введенных в условных координатах дигитайзера или сканера с помощью преобразований плоскости.

2. Атрибутивные данные. Векторная или растровая структуры обычно показывают только геометрию картографических объектов, но для исследований необходимы сведения о свойствах этих объектов. Каждому объекту в системе может быть поставлена в соответствие атрибутивная база данных или знаний (текстовая, цифровая, графическая и т.п.), что сообщает выбранному объекту его содержательную определенность.

Связь пространственных данных с атрибутивными таблицами, в которых описаны свойства объектов, осуществляется с помощью идентификатора. Идентификатор пространственного объекта – уникальный номер объекта, служащий для связи объектов цифровой карты с базой (таблицами) тематических данных (рис. 2.2). Атрибутивная информация чаще всего организуется в виде баз данных (БД) реляционного (табличного) типа, каждой записи в которых соответствует один объект или их группа (класс) [15].


Рис. 2.2. Связь объектов и таблицы атрибутов через идентификатор.

3. Метаданные. Большое значение имеет так называемая метаинформация, т.е. данные о данных. Такие данные являются связующим звеном модели и называются метаданные. Метаданные могут быть различными и относиться к различным множествам данных – например ко всем данным в конкретной БД. Обязательным условием являются сведения о назначении этой БД, где, когда и кем собрана информация и создана база данных.

Цифровая модель (ЦМ) - совокупность пространственных и атрибутивных данных связанные воедино в информационной системе. Данные объединяются для решения каких-либо задач по ряду правил с использованием определенных методов [4]. Существует несколько способов связи атрибутивной информации с пространственными объектами – реляционный, интегрированы и объектно-ориентированный. Наиболее известная и применимая модель – геореляционная, в которой для организации пространственной компоненты применяются правила геоинформационных систем, а атрибутивная информация организована по правилам СУБД (средства управления атрибутивными данными). Связь между пространственной и атрибутивной информацией устанавливается и поддерживается через идентификатор. Атрибутивная информация организована в виде таблиц, которые управляются с помощью реляционной СУБД. Эта СУБД может быть встроенной в программное обеспечение ГИС в виде его функциональной подсистемы или быть внешней по отношению к ГИС.

Более детальный уровень рассмотрения организации данных называют структурой модели данных. Существует два способа структурирования данных – послойный и объектно-ориентированный [12].

Для отображения и эффективного манипулирования данными в ГИС используют принцип послойной организации (рис. 2.3). При отображении пространства происходит условное деление объектов на тематические слои согласно их атрибутивным данным. Тематический слой образует некоторую логически независимую единицу данных. Для топологических моделей происходит более дробное деление тематического слоя на отдельные покрытия в


зависимости от геометрического типа объектов.


Рис. 2.3. Принцип послойной организации данных.

Принципы создания БД в ГИС. Геоинформационная система относится к классу интегрированных систем. Интеграция означает, что помимо большого набора типов данных и технологий имеется некоторая концепция и методология, оптимально объединяющая это разнообразие данных и технологий.

Наиболее важный и сложный функциональный уровень ГИС ориентирован на ввод информации и формирование (БД).

В создании цифровых моделей можно выделить несколько этапов:

• предварительный этап (предмашинной подготовки), на котором происходит отбор информации, выбор системы координат, создание классификаторов, кодирование объектов, установка связей,
  
• векторизация данных,
  
• идентификация и заполнение атрибутивной БД.
  

Для использования в геоинформационной системе данные должны быть преобразованы в подходящий цифровой формат. Информация может быть введена с клавиатуры вручную или получена из другой компьютерной системы. Ее источниками могут быть аэро-, фото- и космические снимки, обрабатываемые на специализированных рабочих станциях.

Способы ввода графической информации в ГИС. В современных ГИС процесс ввода графической информации в базу данных осуществляется с оригиналов на бумажной основе или из заранее подготовленных файлов данных (с помощью конверторов).

Существует несколько способов перевода данных с бумажных носителей в цифровую форму. Это векторизация с использованием дигитайзера (дигитализация) или по растровому изображению (растровой подложке) на мониторе. Дигитализация возможна двумя способами – по точкам и потоком, а векторизация по подложке осуществляется тремя способами – ручная, интерактивная (полуавтоматическая) и автоматическая.

Следующий этап – идентификация введенных объектов. Суть этой функции заключается в необходимости связи пространственного объекта с его содержательной сущностью (свойствами).

Заполнение атрибутивных таблиц. Атрибуты вводятся в таблицу с клавиатуры или указанием в заранее подготовленных и по мере необходимости пополняемых списках возможных значений атрибутов. Комбинация созданных тематических слоев составляет основу БД на территорию. Каждая база данных содержит всю необходимую для функционирования подсистем тематической обработки метрическую, атрибутивную и параметрическую информацию.