Гис-технологии в экологии
| Вид материала | Документы |
- Программно-технический комплекс 14 Задачи гис 14 гип как проблемно-ориентированные, 1019.49kb.
- Лекция №10. Инструментальные средства гис лекция №10. Инструментальные средства гис, 499.17kb.
- Методическое обеспечение студентов заочной формы обучения кафедры инженерной экологии, 119.4kb.
- Экология как научная, 94.09kb.
- Программы для интерпретации гис интегрированнaя система обработки данных гис "прайм", 103.04kb.
- Лекция №16. Применение гис по сфере использования гис не имеют себе равных. Они применяются, 429.39kb.
- Программа минимум кандидатского экзамена по специальности 03. 02. 08 экология, 290.05kb.
- И. М. Губкина календарный план дисциплина: «Интегральное исчисление и ряды» учебный, 52.15kb.
- Концепция тренажера уровня установки. Требования к тренажеру (лекция 3, стр. 2-5), 34.9kb.
- Вопросы к зачету по дисциплине «Экология», 38.39kb.
ГИС-технологии в экологии.
Кафедра прикладной экологии
Общее понятие о ГИС
что такое ГИС?
Очень часто бывает так, что проблему легче решить, если ее суть визуализирована на географической карте или схеме. Например, данные о дорожно-транспортных происшествиях тесно связаны с другими факторами: опасными перекрестками, плохим содержанием дорог, пробками. Будучи представленными на карте, они позволяют определить критические участки и способствуют быстрому принятию решения по ликвидации причин и предпосылок таких происшествий. Необходимость проанализировать географическое расположение явлений и объектов, их количественные и качественные характеристики при помощи карты возникают у представителей различных профессий. Прежде всего, это управляющие структуры, владеющие большими объемами информации, это и специалисты, оценивающие и прогнозирующие состояние какой-либо области человеческой деятельности, например, рынков сбыта продукции, загрязнений территории, мониторинга чрезвычайных ситуаций промышленного и природного характера и т.п. Круг потребителей такой картографической информации чрезвычайно широк, поэтому спрос на географические информационные системы - ГИС - постоянно расширяется. Информация географической направленности может поступать из многочисленных источников. Прежде всего это различные типы карт: планы застроек, топографические и тематические карты. Кроме того, данные могут поставляться с аэро- и космоснимков, из компьютерных сетей, из отчетов, из результатов полевых наблюдений. Тематическая, или атрибутивная нагрузка данных может быстро меняться во времени, и поэтому становится неприемлемым использование бумажных карт: быстроту получения и обработки информации, а также актуальность принятия решения на ее основе может обеспечить только автоматизированная система. Первыми попытками автоматизации в географии стали банки географических данных. Однако с течением времени накапливался опыт сбора, хранения и управления данными, нарабатывались библиотеки программ для решения однотипных задач, и появились так называемые ГИС-технологии. Современная ГИС – это автоматизированная система, имеющая большое кол-во графических и тематичских баз данных, соединенная с модельными и расчетными функциями для манипулирования ими и преобразования в пространственную картографическую информацию для принятия на ее основе разнообразных решений и осуществления контроля.
составные части ГИС
Система управления графическими базами данных
Система ввода
Система визули-
зации
Система обработки и анализа
Система вывода
Система управления атрибутивными базами данных
Графические и атрибутивные (тематические) базы данных, СУБД, система визуализации данных, система анализа данных, системы ввода и вывода информации
разработка и внедрение ГИС
Фирмы – разработчики ГИС имеют для нее готовые составные части – модули, каждый из которых отвечает за выполнение одной из задач. При проектировании ГИС формируется перечень модулей, необходимых заказчику для выполнения конкретных задач; при необходимости специфические модули могут быть дописаны. ГИС – это не серийный продукт, т.к. заказчику сразу трудно себе представить, какие задачи он может и предполагает решать с помощью ГИС, поэтому время на разработку ГИС по западным стандартам составляет 5-7 лет.
история развития ГИС
Начало развития ГИС относится к концу 60-х годов, но только в последние 6-8 лет эта технология получила бурное развитие. Основная причина такого скачка – развитие вычислительной техники, увеличение числа поставщиков на рынке ГИС, большое число ГИС-ориентированных конференций, в том числе и телеконференций через Internet. ГИС служат информационным базисом для решения задач принятия управленческих решений, перспективного и оперативного планирования развития города и его отдельных территорий, оптимального проектирования промышленных и гражданских объектов, изучения состояния экологических, социально-экономических, природно-ресурсных условий территорий и их экономическая оценка, совершенствование учета и рационального использования городских земель и недвижимости, сбор горно-геологических данных, сведений о техногенных процессах и природных запасах недр многоцелевого применения и др. Широко используется ГИС в области кадастра. Кадастр – это упорядоченная совокупность сведений о правовом, природном, хозяйственном и экономическом положениях физических объектов и явлений среды во времени в структурном, организационном, функциональном и информационном аспектах. В РФ в составе Федеральной службы геодезии и картографии создан центр ГИС и цифровой картографии (РОСГЕОИНФОРМ) и пять функциональных региональных центров.
Аппаратное обеспечение ГИС
персональные компьютеры
системные блоки
материнские (системные) платы
микропроцессоры
память
системные шины
дисплеи и графические адаптеры
рабочие станции
микропроцессоры, операционные системы и оперативная память
дисплеи
сети
При больших объемах работ и информации используются рабочие станции. Наиболее известны станции фирм DEC, INTERGRAPH, SUN, IBM, Hewlett-Packard, Silicon Graphics и др. Наилучшим образом рабочую станцию можно охарактеризовать двумя словами: мощность и скорость. Поскольку, для большинства ГИС оперирование огромными базами данных, в которых постоянно происходит поиск, сортировка, обновление, быстрая работа с графикой высокого качества являются необходимыми требованиями, то именно раб. Станции в ГИС-технологии получили достаточно широкое распространение.
Микропроцессоры, использующиеся в раб.станциях, обычно имеют так наз. RISC (Reduced Instruction Set Computers) - архитектуру, обеспечивающую очень высокое быстродействие. Операционные системы UNIX, MVS и VMS, применяемые в станциях, имеют возможность многозадачного и многопользовательского режимов работы. Функцией многозадачной системы является планирование процесса работы большого числа задач, выполняющихся одновременно. Все они ведут борьбу за системные ресурсы, а операционная система устанавливает приоритеты так, что большинство критических программ (или их фрагментов) получают более свободный доступ к центральному процессору, тогда как задачи с более низким приоритетным уровнем ждут своей очереди. Объем стандартной ОП - 32 Мб с возможностями расширения до 256 Мб для рабочей станции и 512 Мб для сервера, который служит в основном хранилищем информации и обеспечивает доступ к ней многим пользователям. Сервер имеет жесткий диск, емкость которого обычно несколько Гб (обычно поставляется с емкостью 2-4 Гб). Крупные серверы позволяют иметь до нескольких террабайт (1012)дискового пространства.
В настоящее время произошло разделение RISC систем на продукцию технического и коммерческого назначения. Технические станции будут иметь оперативную память более 1 Гб, работать с информацией, объемы которой измеряются в террабайтах, и иметь множество процессоров. Стоимость таких станций может достигать 100 тыс.$. К таким станциям следует отнести выпущенную в 1997 г. фирмой Silicon Graphics рабочую станцию ONYX2 Realty Monster с 16 процессорами, 512 Мб оперативной памяти 4,5 Гб жестким диском, свершироким монитором (1900х1200 точек) и несколькими специальными графическими ускорителями. Вообще раб.станции комплектуются высококачественными цветными графическими дисплеями, возможности которых различны, но в целом их характеризует большое количество цветов, выводимых на экран одновременно (обычно от 256 при общем числе до 16,7 млн.). Такие мониторы имеют большие размеры экрана (19-37 дюймов). 27-дюймовый монитор имеет разрешающую способность 1664х1248 точек. Он идеально подходит для работы с трехмерной графикой.
Рабочие станции комплектуются портами, обеспечивающими подключение к ней других компьютеров, и образует таким образом сеть. В сетях существуют специальные средства, обеспечивающие связь и координацию различных компьютеров. Взаимодействие между ЭВМ осуществляется устройствами, называемыми сетевыми контроллерами или сетевыми адаптерами. Специальное программное обеспечение позволяет получать доступ к другим компьютерам сети прямо с терминала, оператор может пользоваться за своим пультом данными, хранящимися в памяти центрального компьютера, просматривать, дополнять, редактировать их (естественно, если знает пароль для доступа к центр.компьютеру).
Внeшниe запоминающие устройства
дискеты
жесткие диски
оптические диски
стримеры
периферийные уcтpoйcтвa ввода
сканеры
дигитайзеры
периферийные устройства вывода
принтеры
графопостроители (плоттеры)
основные тенденции развития аппаратного обеспечения ГИС
Развитие, классификация и проблемы выбора ГИС
CAD-системы – системы автоматизированного проектирования
AM-системы – системы автоматизированного картографирования
FM-системы – системы управления сетями (электросеть, водопровод, газ, канализация, телефон и т.д.)
системы мелкомасштабного пространственного анализа – системы природопользования, территориального планирования и управления
отличия GIS от CAD и AM – ГИС обладает развитыми средствами анализа данных, на основе результатов которого может быть построена новая карта, написан отчет, созданы базы географических данных. Информация в ГИС предназначена для длительного хранения, допускается подготовка данных и перенос их в другую систему. CAD и АМ-системы направлены на производство проектов и карт и не обладают средствами анализа.
клaссификация ГИС по функциональным возможностям
Первая группа – мощные ГИС, рассчитанные на рабочие станции или мощные РС и сетевую эксплуатацию системы, обработку колоссальных объемов информации, имеющие разнообразные средства ввода и вывода (ARC/INFO, GDS). Вторая группа – настольные ГИС, предназначены для решения в первую очередь научных задач, но могут использоваться и в задачах управления; эти системы доступны большинству коллективов и могут работать в любом малом офисе (MapInfo, Atlas GIS и др.). Третья группа – системы для домашнего и информационно-справочного использования; это наиболее закрытые системы, которые совсем не допускают или допускают незначительные ее изменения (Хорис, M-City).
виды архитектуры ГИС – закрытые и открытые
выбор ГИС – зависит от финансовых, аппаратурных возможностей и функциональных задач.
Организация информации в ГИС
понятие объекта – данные, встречающиеся на карте; каждый объект может быть описан одним или несколькими геометрическими примитивами и атрибутами (точками, линиями, площадями и др.); атрибуты – числовые или символьные характеристики, содержащиеся в базе данных, они могут относиться как к самим примитивам, так и к объектам. Данные, хранящиеся в атрибутах этих видов, принадлежат, как правило, к целым, вещественным и символьным типам. Например, атрибуты для установления типа дороги можно задать следующим образом.
| Атрибут | Значение |
| Тип дороги | 1-автострада,2-главная дорога,3-вспомогательная дорога, 4-ремонтируемая дорога,5-строящаяся дорога,6-проектрируемая дорога |
| Материал покрытия | 1-бетон,2-асфальт,3-щебенка, 4-грунт |
| Ширина | Величина в метрах |
| Число полос | Количество полос |
| Имя | Название дороги |
По мере развития ГИС разнообразие используемых атрибутов увеличивается. Многие ГИС используют графические и аудио-атрибуты (например, растровые образы объектов или их аудиоописание), а также атрибуты "действия" или "поведения", т.е. функции, которые должны быть выполнены при определенных условиях (например, подсчет вклада объекта в загрязнение атмосферы при выборе этого объекта).
Совокупность примитивов и атрибутов образует простой объект. Совокупность простых объектов образует сложный или составной объект. Все объекты или примитивы должны иметь свой номер или идентификатор, при помощи которого можно привязать к графической информации тематическую.
-
Н
12
омер
Тип
Периметр
Площадь
1
2
1
500
2000
1
3
3
1478
4000
1
4
2
2000
4690
1
5
1
769
2890
1
6
4
1420
3789
-
Номер
Состав
Год последней оценки
Техногенное воздействие
12
Ель
1990
сильное
13
Сосна
1987
Сильное
14
Сосна
1993
Среднее
15
Ель
1990
Слабое
16
ель
1992
среднее
Использование идентификаторов открывает широкие возможности для просмотра и анализа. Пользователь может указать на объект, например, курсором, и система определит его идентификатор, по которому найдет относящиеся к объекту одну или несколько баз данных и, наоборот, по информации в базе можно определить графический объект.
понятие слоя – карта во многих системах организована как набор слоев информации. Слой составляют объекты, объединенные одной темой, например, гидрография, или одного типа, например, слой точек, слой линий и т.д.
системы координат – ГИС имеют обычно 10-15 встроенных систем координат и трансформер для преобразования из одной системы координат в другую
Ввод графической информации в ГИС
растровая и векторная модели данных – растровые данные получаются как фотография, в виде отдельных точек, которыми манипулируют компьютерные программы. Растр применяется там, где пользователей не интересуют отдельные пространственные объекты, а интересует точка пространства как таковая с ее характеристиками (высотная отметка, глубина, влажность, тип почв и т.д.). Векторные данные используются для представления информации, которая имеет объектную природу и нуждается в анализе и манипулировании. Они хранятся в виде точек и линий, связанных геометрически и математически. Наличие атрибутов позволяет интерпретировать информацию. В большинстве ГИС данные хранятся в векторной модели, растр может использоваться в качестве «подложки» или атрибута или для представления информации о непрерывных полях (рельефе, температуре, давлении и т.п.). В общем случае растровые данные занимают много места, плохо сжимаются. Они занимают в системе подчас даже больше места, чем векторные данные со всей сопутствующей информацией. Часто для сжатия растровой информации используется метод "кодирования цвета". Поскольку при хранении последовательности пикселей одного цвета достаточно знать только его номер и количество пикселей, то таким образом можно закодировать все изображение (pixel - Picture Element - отдельная точка, из последовательности которых строится изображение на экране монитора). При больших одноцветных площадях размер файла при таком сжатии может быть уменьшен в 5 раз.
стандартные форматы
В растровых и в векторных цифровых моделях форма записи информации в файл в каждой конкретной системе неодинакова. Исторически сложилось так, что фирмы, специализирующиеся в области компьютерной графики, создавали каждая свои, казавшиеся им наиболее удачными, форматы графических данных. Форматом файла называется шаблон, по которому он создается. Шаблон описывает, какие именно данные (строки, одиночные символы, целые, дробные числа, символы-разделители) и в каком порядке должны быть занесены в файл. Если ГИС "знакома" с форматом, она может прочитать данные из файла этого формата и правильно их интерпретировать, и наоборот, записать свои данные в этом формате, что позволит передать их в другую систему. Различаются внутренние форматы системы и обменные форматы, используемые для обмена информацией между пользователями, работающими в разных системах. Стандартные форматы существуют как для растровой (PCX, TIFF, GIF, RLE, RLC), так и для векторной (DXF, DX90, PIC, DWG, GEN, MIF/MID) форм представления информации.
способы ввода графической информации в ГИС – цифрование (дигитализация) по точкам и потоком, цифрование растрового изображения на экране компьютера, или векторизация (ручная, интерактивная и автоматическая)
дигитализация по точкам
Этот способ является самым старым из всех перечисленных. Оператор обводит курсором дигитайзера контура, нажимая при этом необходимые кнопки. При каждом нажатии в компьютер посылается код о координатах курсора. Этот метод не требует специальной аппаратуры, кроме дигитайзера и сложного программного обеспечения, однако, является очень трудоемким. При цифровании по точкам ошибки оператора неизбежны.
дигитализация потоком
Этот метод практически ничем не отличается от предыдущего, это скорее другой режим работы дигитайзера, при котором с планшета дигитайзера, по сути представляющего собой проволочную сетку, сигнал в компьютер будет подаваться не при нажатии на клавишу курсора, а при пересечении курсором линий сетки, что избавляет от необходимости постоянно нажимать на клавишу. С этим методом связано неудобство хранения большого количества, возможно, лишних координат, получающихся при пересечении линий сетки.
ручная и интеактивная векторизация по "подложке"
Эти методы требуют специальное программное обеспечение и мощную аппаратуру, т.к. требуют большого быстродействия компьютера и значительных объемов памяти. Отсканированное изображение из файла выводится на экран, и само цифрование осуществляется по этой "подложке" при помощи мыши. Здесь каждый объект, как и в традиционном цифровании, оператор должен обвести только не на планшете, а на экране. При ручной векторизации все операции выполняет сам оператор, а при интерактивной - часть операций производится автоматически. Например, при векторизации горизонталей достаточно задать начальную точку и направление отслеживания линий. Далее векторизатор сам отследит эту линию до тех пор, пока на его пути не встретятся неопределенные ситуации (разветвление или разрыв линии). Оператор помогает программе разрешить неопределенность, и векторизация продолжается до появления новой. В основе метода лежит умение программы распознать направление "обхода" объекта в его поточечном изображении. Большинство векторизаторов, работающих в интерактивном режиме, обладают возможностями настройки на преодоление некоторых неопределенных ситуаций, что позволяет векторизовать, например, штриховые и штрих-пунктирные линии, горизонтали с бергштрихами, бровки оврагов и т.п. Возможности интерактивной векторизации прямо связаны с качеством исходного материала и сложностью карты. Несмотря на трудоемкость, эти способы позволяют добиться гораздо большей точности, чем при обычно цифровании дигитайзером, поскольку линии проводятся прямо по сканированным линиям, а изображение на экране может быть увеличено до необходимых размеров.
автоматическое цифрование
выбор способа ввода графической информации – при выборе следует учитывать цели работы, цену на программный продукт и трудовые затраты операторов, количество документов, которые надо обработать, уже имеющиеся программные и аппаратные средства. Следует иметь ввиду, что программные продукты для автоматического цифрования очень дороги, поэтому их следует приобретать и применять только при очень больших и постоянных объемах работ, например, при оцифровке планшетов почвенной съемки территории всей России или при каких-то других колоссальных объемах. Стоимость наиболее известных программ автоцифрования (GTX Pro.) составляет 38300 $, а (Scorpion SRV) - 16000 $ (на начало 1993 г.). При автоцифровании распределение времени следующее: 8-15% расходуется на предварительное редактирование, 3-5% - на собственно цифрование и 80-90% - на окончательное редактирование. Таким образом, автоматический перевод растровых форматов в векторные еще пока очень несовершенен.
технология цифрования при помощи дигитайзера – классическое цифрование – ступенчатый процесс, включающий: подготовку исходной карты к цифрованию, выделение слоев и объектов, составление ведомостей на объекты, непосредственное цифрование, занесение атрибутивной информации в соответствующие файлы или таблицы. Цифрование - это перевод пространственной информации в цифровую форму. Точки, линии и площади представляются в виде последовательности пар координат.
Тематическая информация в ГИС
возникновение баз данных
Впервые понятие «база данных» появилось в начале 60-х годов. Данные в то время обычно представлялись в виде простых последовательных файлов на магнитной ленте и зависели от программ обработки. Если менялись организация данных или тип запоминающего устройства, программисту приходилось заново переписывать программу. Существовали многочисленные версии одного и того же файла, большинство из них применялось только для одного программного продукта. Когда же появлялась необходимость в других программных продуктах, зачастую те же данные использовались в иной форме: создавался новый файл, содержащий аналогичную информацию. Это приводило к очень высокой степени дублирования данных, так называемой избыточности. Наличие огромного количества копий буквально пожирало память и порождало ряд специфических проблем, одной из которых являлось, например, одновременное обновление дублирующихся данных, без которого возникают различные версии одной и той же информации, приводящие к противоречиям в системе. С появлением БД эти проблемы были в основном сняты. БД можно определить как совокупность взаимосвязанных хранящихся вместе данных при наличии такой минимальной избыточности, которая допускает их использование оптимальным образом для одного или нескольких приложений; данные запоминаются так, чтобы они были независимы от программ, использующих эти данные; для добавления новых или модификации существующих данных, а также для поиска данных в БД применяется общий управляющий способ. Данные структурируются таким образом, чтобы была обеспечена возможность дальнейшего наращивания приложений.
системы управления базами данных
СУБД предназначены для манипулирования текстовыми, графическими и числовыми данными с помощью ресурсов ЭВМ. Они выполняют функции формирования наборов данных (файлов), поиска, сортировки и корректировки данных. Основные принципы построения СУБД основаны на том, что для работы с текстовыми, числовыми и графическими данными достаточно реализовать ограниченное число часто используемых функций и определить последовательность их выполнения. Различают три типа моделей данных, используемых в СУБД: иерархические, сетевые и реляционные (или табличные). Появляются также СУБД, использующие гибридные модели данных. Иерархические модели получили широкое распространение в 60-х годах. Входящие в состав такой модели записи образуют древовидную структуру - каждая из них связана с одной записью, находящейся на более высоком уровне иерархии. Доступ к любой из записей осуществляется путем прохода по строго определенной цепочке узлов дерева с последующим просмотром соответствующих этим узлам записей. Эта система эффективна для достаточно простых задач, но она трудно модифицируется и поэтому не может обеспечить быстродействие, необходимое для работы в условиях одновременного модифицирования файлов несколькими прикладными системами. В сетевой модели каждый из узлов может иметь не один, а несколько узлов - родителей. Записи, входящие в состав сетевой структуры, содержат в себе указатели, определяющие местоположение других записей, связанных с ними. Такая модель позволила ускорить доступ к данным, но одна важная задача осталась нерешенной - изменение структуры базы по-прежнему требовало значительных усилий и времени. Операции модифицирования и удаления данных требовали перестановки указателей, а манипулирование данными осталось ориентированным на записи и описывалось языком процедурного типа. Для поиска отдельной записи в иерарх. или сетевой структуре программист должен вначале определить путь доступа, а затем просмотреть все записи, лежащие на этом пути. На каждом шагу приходится определять индивидуальные управляющие команды и условия, с помощью которых обрабатываются исключительные ситуации (например, обнаружение конца набора просматриваемых записей).
реляционные СУБД
СУБД реляционного типа освобождают пользователя от всех ограничений, связанных с организацией хранения данных и спецификой аппаратуры. Изменение физической структуры базы данных не влияет на работоспособность прикладных программ, работающих с нею. Современные реляционные СУБД предоставляют мощные средства работы с данными и автоматически выполняют такие системные функции, как восстановление после сбоя и одновременный доступ нескольких пользователей к разделяемым данным. Такой подход избавляет пользователя от необходимости знать форматы хранения данных, методы доступа и методы управления памятью. Преимущества реляционных моделей данных заключаются в следующем:
- В распоряжение пользователя предоставляется простая структура данных - они рассматриваются как таблицы;
- Пользователь может не знать, каким образом его данные структурированы в базе - это обеспечивает независимость данных;
- Возможно использование простых непроцедурных языков запросов.
В то же время у реляционной модели данных есть одно уязвимое место - организовать работу с такой БД достаточно сложно, поскольку не существует способов организации быстрого доступа пользователя к данным. Однако эта проблема решается путем применения в СУБД вспомогательных описаний путей доступа, т.е. организации индексации. При этом иногда приходится просматривать всю базу данных, но это не "смертельно" при наличии мощных ЭВМ. В реляционных БД имеется механизм блокировки, предотвращающий переход системы в противоречивое состояние в результате одновременного доступа двух или более запросов к одному и тому же элементу данных. В реляционных моделях данные собраны в унифицированные таблицы и позволяют работать с ними, не вдаваясь в подробности механизма их хранения. Пользователь может:
- Заносить в базу новые данные,
- Создавать и уничтожать таблицы, добавлять строки и столбцы к ранее созданным таблицам,
- Создавать и уничтожать индексы,
- Определять и отменять представления хранимых данных,
- Изменять привилегии различных пользователей.
Табличная организация позволяет неопытному пользователю быстрее освоиться с системой. Каждая строка в таблице соответствует записи в файле, которую столбцы таблицы разбивают на поля.
компоненты СУБД. Командный язык
В состав большинства СУБД входит три основных компонента: командный язык, интерпретирующая система или компилятор для обработки команд и интерфейс пользователя. Командный язык служит для выполнения требуемых операций над данными. Он позволяет манипулировать данными, создавать прикладные программы, оформлять на экране и печатать формы ввода и вывода информации и т.п. Возможности СУБД в значительной степени определяются структурой и возможностями ее командного языка. Командный язык обладает следующими свойствами и характеристиками:
- Средствами описания как хранимых данных, так и операций над ними (поиск и модификация);
- Средствами работы с текстовыми, графическими и числовыми данными в различных представлениях;
- Средствами защиты базы данных;
- Возможностью определения нестандартных форматов и структур;
- Вычислительными функциями;
- Средствами форматирования экрана терминала и генераторами отсчетов.
Кроме того, он обеспечивает высокую производительность труда программиста. Для работы с таблицами ему предоставляются простые операторы типа "создать", "добавить","модифицировать","уничтожить","вставить". Для повседневного использования постоянно повторяющиеся последовательности команд могут быть записаны в файлы, после чего все задаваемые ими действия будут выполнены автоматически. Это существенно повышает надежность системы, поскольку от пользователя не требуется знания всех ее средств - большую часть работы он выполняет, пользуясь меню. В командный язык входит несколько групп операций, полный набор которых специфичен для конкретной СУБД, но некоторое количество команд, составляющих ядро языка, обязательно присутствует. Это команды открытия и закрытия файлов, нахождения записи, ее вставка, модификации, создание и удаление, сохранение БД, упорядочивание записей, вывод на экран и на печать. В СУБД операции можно выполнять по одной, последовательно вводя их с клавиатуры или группами (макросами) в автоматическом режиме. Операции языка СМУБД обычно имеют форму, близкую к естественному языку, и записываются в виде текста.
компиляторы и интерпретаторы
Для превращения текстовой команды в код, понятный машине, используются специальные преобразующие программы двух типов – интерпретаторы и компиляторы. Способы, которыми они обрабатывают текст, принципиально различны. В первом используется интерпретирующая система, которая по очереди преобразует команды в исполнимый код перед их непосредственным выполнением. Во втором случае сначала вся программа преобразуется (компилируется) в серию машинных команд и только после этого выполняется.
Первый способ имеет то преимущество, что при последовательном выполнении исходная программа занимает мало места в памяти, что особенно актуально при небольших объемах оперативной памяти, кроме того, этот способ позволяет вводить команды с клавиатуры или пользуясь системой меню. Однако файл, обрабатываемый интерпретатором выполняется крайне медленно. Компилятор работает гораздо быстрее, но программа занимает много места в машинной памяти. Хотя в настоящее время наблюдается тенденция к сближению двух основных способов выполнения команд СУБД, между ними существуют значительные различия, влияющие на выбор конкретной системы, в зависимости от целей ее использования. СУБД с компиляторами в основном ориентированы на программистов, создающих сложные прикладные системы, т.к. предполагают более высокий уровень квалификации пользователя. СУБД с интерпретаторами предназначены для пользователей, обладающих начальными знаниями программирования. Системы с интерпретаторами взаимодействуют с пользователем в режиме, управляемом с помощью меню, и в режиме ввода команд с клавиатуры. Работа с помощью меню доступна пользователю, даже не знакомому с системой команд СУБД и их синтаксисом, поскольку смысл команды записывается в позицию меню на естественном языке. Пользователю достаточно выбрать нужную команду и нажать клавишу выполнения. Однако, как показывает опыт, этот режим привлекателен лишь на начальном этапе знакомства с системой. В дальнейшем необходимость последовательного выбора из большого количества выпадающих меню сильно замедляет работу. Кроме того, система меню обычно включает не все команды языка, некоторые из них остаются недоступными пользователю. Режим ввода с клавиатуры позволяет управлять системой гораздо быстрее, но требует знания синтаксиса команд и способа их применения. Как правило, он используется опытными пользователями.
К числу СУБД реляционного типа относятся хорошо известные системы: dBASE, Clipper, Foxbase, RBASE, Paradox и т.д. Во всех этих СУБД записи и поля имеют ограничение на число полей (до 10024) и длину записи (~4000-5000 байт). Исключение составляет поле типа "Memo". Оно предназначено для хранения текстовой информации большого объема, его величина как правило ограничена размером 32767 байт. Длина поля зависит от его типа. Поля могут быть целыми, вещественными, строчными, логическими, типа "дата" и т.д. В любое поле можно вписать информацию только этого типа. При попытке записать, например, в целое поле строку текста, будет выдаваться сообщение об ошибке. Для текстовых полей длина обычно может составлять от 255 до 400 байт, для числовых полей 20 байт и т.д. К типу поля применяются только допустимые для него операции. Так например, над типом целых чисел возможны операции умножения, сложения, вычитания и деления, причем результат должен являться целым числом. Большинство из перечисленных реляционных СУБД для ПК позволяют создавать файлы с числом записей до 1 млрд и размером до 2 тыс.Мбайт. Ограничение на число и объем записей связано в первую очередь с величиной Опер.памяти. На рабочих станциях используют СУБД типа ORACLE, Informix, SyBase, Ingress, DB2 и др., которые позволяют управлять гораздо большей информацией, имеют развитые средства защиты информации от разрушения при сбоях и насанкционированного доступа, хорошо приспособлены для работы в сети и т.д. Многие из названных СУБД работают и на ПК, и это упрощает возможность создания многоплатформенных систем.
СУБД, применяемые в ГИС
Пользуются готовыми системами (PARADOX, dBASE), собственными встроенными СУБД, смешанными (внутренними СУБД, пока общий объем баз не превысит определенной величины, и СУБД, предназначенные для больших объемов данных (обычно ORACLE, Informix, SyBase, Ingress, DB2), если информации очень много. В таких реляционных СУБД файл БД состоит из записей, а запись – из совокупности полей. Записью называется компьютерный аналог информации, содержащейся, например, на библиотечной карточке или бланке. В частности, запись, имитирующая бланк учета книг, может содержать шифр книги, имя ее автора, название, год издания и т.п. Совокупность записей является простой базой данных. Полем наз. Графа такой карточки или бланка, в которую записывается единица информации. Поле имеет имя и содержание. Например, в строке: "Название книги - Геоинформационные технологии в науках о Земле", "Название книги" - будет именем поля, а "Геоинформационные технологии в науках о Земле" - его содержанием. В компьютере такие записи запоминаются в виде таблиц, где запись представляет из себя строку, а поле - столбец. Каждая запись в таблице пронумерована и на бумаге представляла бы из себя отдельную карточку. Несколько БД могут содержать общую информацию, например, одна БД может иметь данные об именах, фамилиях, адресах служащих, другая - о фамилиях, семейном положении, доходах тех же служащих. При этом через общую информацию - фамилию - можно связать БД. Связи записей относятся к трем типам: одна-одна, одна-несколько и несколько-несколько. Примером однозначного соответствия может служить название учреждения и его адрес. Ко второму типу можно отнести фамилию студента и список предметов, им изучаемых, К третьему типу относятся записи, связанные перекрестными ссылками, как в книгах.
стандартные форматы
В системе должны быть средства, позволяющие перевести данные в один из стандартных форматов БД или считать тематическую информацию из популярных баз. К числу таких форматов принадлежат DBF, DB и др. Практически все зарубежные ГИС обладают такими средствами, чего нельзя сказать о большинстве отечественных систем, которые из-за этого сильно ограничивают возможности применения информации, накопленной ими в других системах.
поиск в базе данных
Любая БД должна обладать возможностью поиска. Его быстрота зависит от организации данных. Поиск в базе осуществляется при помощи запросов; его можно производить, задав параметр или группу параметров поиска. Результаты обработки запроса могут быть отображены на экране, отправлены в файл или стать основой для составления отчета.
ГИС как средство принятия решений
Информация, хранящаяся в ГИС, представляет ценность и приносит пользу только при решении прикладных задач. Каждая ГИС, кроме модулей, занимающихся вводом и выводом информации, обязательно комплектуется средствами, предназначенными для решения специфических задач пользователя. К настоящему времени сложился круг обязательных функций, наличие которых требуется от любых ГИС. Это прежде всего арифметические и геометрические функции, сетевой анализ, анализ наложений, выделение объектов в новый слой и утилиты работы с полями баз данных.
утилиты работы с полями бaз данных
Функции работы с полями баз данных включают поиск имени поля и его значения, поиск по маске, создание, редактирование и удаление поля, калькуляцию, классификацию и перегруппировку.
- Калькуляция - это генерирование нового значения по полям старых значений баз данных согласно введенной формуле. Результаты калькуляции как правило выносятся в новое поле и им дается новое имя. Простейшие примеры - расчеты площади, объема, дебита источника, мощности и т.д.
- Перегруппировка - это генерирование нового значения по группам подобных значений. Например, группирование площади однотипных участков, имеющих один и тот же атрибут (луга, поля, огороды и т.д.). При этом показатель каждой группы может рассчитываться по какой-то формуле (например, суммирование, вычисление среднего значения и т.п.).
геометрические и арифметические утилиты
Геометрические утилиты используются для анализа пространственных данных и связей между ними. Очень часто в них создается так называемая буферная зона - район, граница которого отстоит на заданном или рассчитанном расстоянии от границы исходного объекта. Например, когда расширяется дорога из-за растущей транспортной нагрузки, функциями ГИС создается район вокруг нее. В этот район попадают участки земли, по которым пройдет расширенная дорога, т.е. может быть решена задача определения владельцев этих участков и суммы компенсаций за проложение дороги по их землям. Другие утилиты используются, например, для подсчета необходимой площади осушаемых земель, площадей лесов, теряемых в результате пожаров и т.п.
Утилита перекрытия распознает перекрывающиеся области.
Утилита внутренних областей - распознает площади целиком лежащие в какой-либо области
Утилита объединения площадей - создает геометрическое объединение площадей.
Утилита определения линии пересечения.
Утилита создания буферной зоны.
река
парк
С
Утилита поиска точки касания линейного объекта.
Утилита поиска ближайшего объекта путем расчета расстояния до объекта зоны.
Утилита поиска объектов, попадающих в определенный район.
Утилита определения центра прямоугольника, охватывающего объект.
К обязательным арифметическим (картометрическим) функциям ГИС относятся расчеты площадей, длин, периметров, площадей склонов, объемов, заключенных между поверхностями.
сетевой анализ
Сетевой анализ позволяет пользователю проанализировать пространственные сети связных линейных объектов (дороги, водопроводы, линии электропередач, и т.п.). В описании каждого вида сетей наблюдается много общего, но имеются и некоторые различия. Например, транспортные сети представляют из себя различные классы дорог, объединенные вместе перекрестками. Авиалинии и трассы движения пароходов похожи на дорожные сети, однако их положение не имеет строгой координатной привязки к поверхности. Электрические сети прежде всего характеризует наличие в них различных типов кабелей, а сети воды и газа - большой диапазон обемов труб, типов станций и т.п. В классическом представлении сеть считается набранной из линий, которые имеют не более двух общих точек с другими линиями - точки начала и конца. Точку касания принято называть узлом.
А 
Важным фактором, определяющим сеть, является способ соединения ее элементов. Во всех типах сетей встречаются два типа соединений - "из/в" и "из/через" (этот тип соединений характерен для электрических сетей).
Обычно сетевой анализ служит для задач определения ближайшего, наиболее выгодного пути, определения уровней нагрузки на сеть, для определения зон влияния на объекты сети других объектов. Типичной задачей может быть, например, составление перечня улиц, жители которых отправляют своих детей в одну из наиболее близко расположенных школ. Критериями, позволяющими определить зоны влияния в этом случае, могут служить расстояние до школы, доступность пути, напряженность движения на нем, количество школьников, которых школа может вместить и т.п. С участками сети обычно связывают понятие направления движения, данные о котором хранятся в БД, обслуживающей сеть. Другими данными, относящимися к сети, могут быть мощность потока, его временные интервалы и т.д.
выделение объектов по пространственным критериям
Эта функция осуществляет поиск в пространственной базе данных объектов, удовлетворяющих заданным критериям. Найденные объекты могут переноситься в новый слой, при этом может при желании быть модифицировано содержимое старого слоя. Одновременно корректируется содержимое старой тематической базы данных и заводится новая база для вновь образованного слоя.
Зонирование
Основное назначение функций этой группы состоит в построении новых объектов – зон, т.е. участков территорий однородных в смысле выбранного критерия или группы критериев. Границы зон могут либо совпадать с границами ранее существовавших объектов (задача определения «нарезки» избирательных округов по сетке квартального деления), либо строится в результате различных видов моделирования (зоны экологического риска). Типичные задачи этого типа: выделение зон градостроительной ценности территорий, зон экологического риска, зонирование урбанизированных территорий по транспортной доступности, построение зон обслуживания поликлиник и т.п.
создание моделей поверхностей
Это модели построения изолинейных изображений по регулярным и нерегулярным точкам и модели трехмерной визуализации, например, построение панорамы города в аксонометрической или иной проекции. Моделироваться могут как изображение действительного рельефа или непрерывного поля, современного или с учетом динамических изменений, так и воображаемые поверхности, построенные по одному или нескольким показателям, например, поверхность цен на землю, плотность дорожной сети или населения и т.п.
анализ pacтpовых изображений
В качестве таких изображений в ГИС обычно выступают снимки или растеризованные векторные изображения. Преимущество снимков – в их современности и достоверности, поэтому достаточно часто встречающийся вид анализа в этой группе – временной: оценивается динамика изменений. Не менее часто анализируются пространственные взаимосвязи двух или нескольких явлений. К снимкам может быть также применен кластерный анализ, на основе которого производится классификация объектов - выделяются области лесов, рек, полей и т.п. С растровыми образами производятся картометрические вычисления: длин, площадей, объемов. Т.о. можно говорить о специальной области моделей, которую иногда называют картографической алгеброй.
специализированный анализ
Не все ГИС снабжены возможностями специализированного анализа, например, геологического. Связано это с тем, что не существует четкой схемы проведения таких работ, и организации, занимающиеся ими, предпочитают производить анализ по собственным методикам и правилам. Работа со специфическими данными по специальным алгоритмам является характерной чертой этого типа анализа. Кроме того, следует учитывать, что взгляды на приемы его ведения могут меняться с течением времени. Такие возможности в ГИС реализуются средствами создания приложений самими пользователями. Однако некоторые крупные фиры (INTERGRAPH, ESRI) предоставляют пользователям возможность укомплектовать систему фирменными модулями, реализующими специализированные анализы, в частности, геологический и нефтеразведочный. В пакет INTERGRAPH, посвященный геологическому анализу, входят: работа с сейсмическими данными, анализ геологических отложений, геофизическая интерпретация и т.п.
Создание приложений, представление результатов анализа и производство карт
языки создания приложений
Внедряя в организацию долгосрочную систему, подобную ГИС, трудно в начале работы предположить, какие задачи могут появиться со временем, помимо стандартных. Поэтому ГИС снабжаются языками создания приложений – средствами, с помощью которых можно написать программу (приложение). Языки создания приложений состоят, как правило, из набора команд, подобных командам языка программирования высокого уровня, одной или нескольких объектных библиотек, включающих более сложные функции, и компилятора или интерпретатора, обрабатывающего команды и файлы, содержащие тексты программ. Строго говоря, в конкретную ГИС может быть встроено более одного специального языка, только один из которых непосредственно предназначен для написания приложений, а другие - для создания небольших командных файлов, которые заменяют ручной набор команд с клавиатуры или выбор из системы меню.
язык SML ГИС PC ARCINFO
Версия этого языка 3.51 содержит около 40 команд, составляющих несколько групп, среди которых команды открытия и закрытия файлов, посылки на экран сообщений, управления положением курсора, изменения порядка выполнения программы, присваивания значений переменной. SML имеет два способа обработки команд – в режиме интерпретации, и в режиме псевдокомпиляции. Интерпретационный режим подразумевает, что все команды записываются в текстовый файл, каждая в своей строке, и обрабатываются поочередно. Макрос, написанный на SML, избавляет от необходимости набора серии повторяющихся команд. В режиме псевдокомпиляции файл, содержащий команды, перед выполнением подвергается предварительной обработке (компиляции). При этом проверяется правильность написания команд, затем создаются вначале объектный, а затем исполнимый файлы. Размер такого файла гораздо меньше, чем текстового, а выполняется он гораздо быстрее. Объектные файлы могут объединяться в библиотеки. Режим компиляции удобен еще и тем, что помимо стандартного набора команд, которые доступны в режиме интерпретации, имеется еще ряд компиляторных директив, служащих для управления процессом компиляции. С помощью этих команд можно поставить компиляцию в зависимость от каких-либо условий, для этого служит группа директив условной компиляции &IF, &ELSE, &ELSEIF. Циклические директивы &WHILE, &DO позволяют задавать циклы выполнения команд. Имеются также директивы включения &INCLUDE, присвоения константных строк &DEFINE,а также другие. Объектная библиотека SML Developer`s Toolkit содержит макросы, при помощи которых можно создавать приложения для PC ARC/INFO. В эти макросы входят в том числе модули рисования, определения расстояний, и др. Внутри каждого модуля содиржится несколько макросов, которые могут быть вызваны как обычная команда в тексте программы с указанием символа @. В настоящее время практически все ГИС, начиная с уровня настольных систем, имеют собственные языки программирования или позволяют использовать распространенные языковые средства. Так в системе ArcView пользователь может создать приложение на языке Avenue, в системе MapInfo - на языке MapBasic. Это специальные языковые средства названных систем. А в системе Geograph/GeoDraw можно использовать системы Visual Basic или Delfi совместно с модулем, позволяющим воспользоваться и специфическими структурами самой ГИС Geograph. В крупных ГИС имеется еще одна возможность, отсутствующая в SML - встраивание программ, написанных на языках высокого уровня (С++, Pascal и др.). Это большое преимущество, поскольку встроенные языки, даже развитые, не обладают таким богатством возможностей, которым обладают языки высокого уровня. Кроме того, они до тонкостей известны многим программистам, которые могут начать работу по написанию приложений на знакомом им языке.
представление результатов анализа и построение карт
Результаты выполнения какой-либо работы – проекта с помощью ГИС оформляются в виде твердых копий, отчетов, карт, свидетельств о праве на землю и т.д. Наилучший результат получается при использовании специализированных модулей профессиональных систем, предназначенных для создания высококачественных картографических документов. Такие модули имеются в ARC/INFO, ERDAS, в системах фирмы INTERGRAPH и др. Качество карт, получаемых с использованием таких модулей, не уступает типографскому, они обладают способностью автоматического формирования легенды, сеток, прямоугольника масштабов, разбиения на листы, которые при склейке точно стыкуются. Дополнительное программное обеспечение, поставляемое этими фирмами, обеспечивает вывод результатов на слайды и видеофильмы для просмотра и презентаций. Выполняется цветоделение и полная подготовка к типографскому процессу печати. Эти ГИС удобны для создания серий карт, содержащих множество однотипных изображений и одинаковых легенд. Кроме того, подобным образом можно создать как традиционные бумажные, так и электронные атласы, что обеспечивает высокую степень современности изображений. Автоматизированные системы сейчас приобраетают графические возможности как при ручной графике, а их высокая производительность, простота редактирования делают их использование при массовом картографическом производстве совершенно необходимым.
применение растровых образов при cоздании кapт
Профессиональные ГИС обладают средствами совместной обработки растрового и векторного изображений – построения карт на основе космических и аэрофотоизображений. Эти изображения, на которых растровый образ соседствует с традиционным векторным, сочетают в себе своеобразие и беспристрастность снимка с читаемостью и привычностью карты. При совмещении двух форматов изображений получаются необычные и оригинальные карты. При использовании гибридного изображения картограф обладает возможностью в векторной части информации вывести на первый план детали наибольшей важности, ориентируясь на конечного пользователя. Векторно-растровые системы также помогают произволителям карт быстро начать работу даже при отсутствии доступных векторных баз данных. Растровый образ очень быстро получается путем сканирования бумажной карты, затем пользователь может к полученному изображению добавить новые векторные слои.
проблема генерализации
Автоматизированным системам пока не удается полностью заменить ручную работу в картографии. Практически не решена проблема генерализации. Правда, некоторые ГИС обладают возможностью при увеличении масштаба подключать изображение более крупной карты. Достигается это следующим образом: одна и та же карта цифруется и подготавливается в нескольких разных масштабах. Создается также масштабный файл, в котором отмечается, в каком диапазоне масштабов нужно показывать то или иное оцифрованное изображение. При укрупнении пользователь может увидеть появление на карте дополнительных элементов, которых раньше не было, т.к. это действительно происходит при увеличении. Этот подход позволяет в какой-то степени смягчить проблему генерализации изображения, до сих пор все-таки не решенную в ГИС. Обычно при уменьшении изображение не генерализуется, как это обычно понимается в картографии, т.е. не происходит отбор и сохранение более важных элементов, объекты уменьшаются или исчезают, когда разрешение монитора не позволяет их показать. Было много попыток автомактизировать генерализацию, но они не увенчались успехом. Это можно объяснить тем, что генерализация является экспертной задачей, с которой лучше всего справляются опытные специалисты, и поэтому она не может быть представлена в виде стандартного алгоритма.
подготовка карт к выводу на печать
Конструируя карту, необходимо ответить предварительно на некоторые вопросы: какова цель, для которой создается карта, для каких групп пользователей она предназначена, как наглядно представить содержимое карты? Карта является графическим изображением поверхности земли, ее структура должна быть легкой для понимания и интерпретирования. Построение изображения карт в большинстве ГИС стандартизовано, лист делится на несколько блоков: заголовок, легенда, прямоугольник масштаба, карта(ы) врезка(и). Перед началом работы пользователь должен наметить места расположения этих блоков. В ГИС имеются средства для выбора и задания типов линий, цветов, символов. Картографические символы в общем случае строятся посредством выбора типа символа (из библиотеки), установкой для него размера (для линий - ширины), цвета, штриховки. Что касается текстовых символов, то некоторые зарубежные ГИС не имеют в своих стандартных библиотеках символы кириллицы, но этот русификатор можно заказать дополнительно фирме или сконструировать самому из графических примитивов: точек, линий, площадей, окружностей, секторов и т.п. Имеются разные способы управления размером, начертанием шрифта, оформлением рамок, врезок. Большинство современных ГИС имеют возможности тематического картографирования, т.е. визуализации атрибутивной или тематической информации с использованием способов картографического изображения. Именно эта возможность позволяет рассматривать ГИС как мощное аналитическое средство. Построив на экране макет, пользователь должен создатьфайл для вывода на плоттер. Плоттерный файл может быть выведен на печатающее устройство, а может храниться неопределенное время, редактироваться при появлении новой информации, а распечатываться по мере надобности.
Классические ГИС профессионального уровня