«А.Г Карманов УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ПО КУРСУ ГЕОИНФОРМАТИКА Санкт-Петербург 2012 Учебное пособие посвящено геопространственному моделированию объектов с помощью ГИС и использование сопровождаемой их семантической информации. ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

А.Г Карманов

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ПО КУРСУ

ГЕОИНФОРМАТИКА

Санкт-Петербург 2012 Учебное пособие посвящено геопространственному моделированию объектов с помощью ГИС и использование сопровождаемой их семантической информации. Кроме того вопросам сбора и подготовки географических данных, организации данных в геоинформационных системах, основы геопространственного анализа, которые составляют содержание учебной дисциплины "геоинформатика".

Учебное пособие рекомендовано для магистров направления подготовки 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», магистерская программа 210700.68.02 «Геоинформационные системы».

Целью освоения дисциплины является получение студентами знаний о месте геоинформатики в системе наук и их взаимосвязи, основных чертах развития геоинформатики в России, классификации и структуре ГИС и их компонентов, основных принципах функционирования ГИС, способах получения, хранения, редактирования различных видов данных, способах организации пространственных и атрибутивных данных в ГИС, основных понятиях и принципах работы с пространственно распределенной информацией, аппаратном обеспечении и программных средствах ГИС.

Содержание дисциплины охватывает круг вопросов, связанных с геоинформатикой, геоинформационными технологиями и географическими информационными системами.

В результате изучения дисциплины студенты должны обладать рядом специализированных умений, в том числе владеть общими принципами растрового и векторного представления данных, определять картографическое пространство и структуру создаваемых пространственных данных, понимать общие способы работы с базами геоданных, формулировать основные методы и принципы применения ГИС в различных сферах деятельности человека, уметь применять геоинформационные методы в целях построения структурных, параметрических и тематических карт (технологии ArcGis), создавать и изменять структуру базы геоданных, выбирать методы и средства ввода данных в различных форматах, производить анализ пространственных данных.

Также изучение дисциплины предполагает получение студентами навыков владения технологией создания цифровых карт на территорию изучения, методами и средствами работы с пространственно-распределенной информацией в геоинформационных системах, методами геоинформационного анализа и средствами различных ГИС, методикой решения тематических прикладных задач.

Дисциплина нацелена на формирование общекультурных компетенций выпускника ОК.СЛ.2(способен к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности), ОК.СЛ.3 (способен работать в коллективе, проявлять инициативу, руководить и брать на себя ответственность, направлять деятельность коллектива), ОК.ОН.2(способен применять современный инструментарий математического исследования, методы анализа и оптимизации процессов и систем), ОК.ОН.3(способен использовать современные фундаментальные знания по естественнонаучным направлениям подготовки (физике, экологии, информатике и др.)), ОК.И.3(способен самостоятельно приобретать и использовать с помощью информационных технологий новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности), профессиональных компетенций ПК.НИ.2 (способен самостоятельно выполнять экспериментальные исследования для решения научноисследовательских и производственных задач с использованием современной аппаратуры и методов исследовании; способен участвовать в научных исследованиях в группе, ставить задачи исследования, выбирать методы экспериментальной работы), ПК.НИ.4 (готов представлять результаты исследования в форме научно-технических отчетов, рефератов, публикаций и публичных обсуждений; интерпретировать и представлять результаты научных исследований, в том числе на иностранном языке; готов составлять практические рекомендации по использованию результатов научных исследований), ПК.ОП.2 (способен осознавать и формулировать основные проблемы своей предметной области, применять универсальные методы и средства для их решения), ПК.ОП.5 (способен профессионально эксплуатировать и обслуживать современное телекоммуникационное оборудование), ПК.ОП.6 (способен разрабатывать методы инженерного прогнозирования состояния приборов и систем телекоммуникаций в процессе эксплуатации и строить диагностические модели мониторинга линий связи), ПК.ОП.7 (способен разрабатывать программное обеспечение для моделирования и проектирования физических процессов) и профессиональных компетенций профиля подготовкиПК.НИ.ПП.1 (способен разрабатывать и реализовывать эффективные алгоритмы обработки фотопланов, структурных моделей рельефов, моделировать геометрические сети и анализировать результаты дистанционного зондирования Земли), ПК.НИ.ПП.2 (способен исследовать, разрабатывать, адаптировать и оптимизировать задачи на основе проведенного геоинформационного анализа), ПК.ПК.ПП.1 (способен и проектировать, разрабатывать, эксплуатировать геоинформационные системы любого уровня с учетом российских и международных стандартов; готов к участию в разработке векторных моделей (пространственных) данных; способен участвовать в развитии российских распределенных ГИС), ПК.ПК.ПП.2 (готов к освоению технологии проектирования, разработки и внедрения геоинформационных систем территориального планирования), ПК.ОУ.ПП.2 (способен к участию в работах по организации геодезического обеспечения, информационной безопасности ГИС), ПК.НП.ПП.2 (способен к публичным выступлениям перед профессиональными сообществами).

Интерес к географическим информационным системам (ГИС), геоинформационным технологиям и геоинформационной науке имеет чрезвычайный рост в последние годы, благодаря полученным на их основе эффективным решениям во многих областях человеческой деятельности включая телекоммуникационные системы и технологии.

С их помощью решаются локальные, региональные и глобальные задачи устойчивого развития территорий, использования природных ресурсов, охраны окружающей среды, обеспечения общественной безопасности. Современные геоинформационные системы расширяют методы исследования нашего мира, предоставляя цифровые инструменты для организации и оперирования пространственными данными, моделирования происходящих в пространстве процессов, визуализации этих данных, моделей и процессов с помощью развитых компьютерных средств, специализированных инструментов обработки и анализа геоданных.

Целью написания данного учебного пособия является изучение магистрами направления 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», магистерская программа 210700.68.02 «Геоинформационные системы» курса геоинформатика.

Раздел 1. Основы ГИС

Что такое геоинформационные системы?

Значение геоинформационных систем и их актуальность

Подсистемы ГИС. Этапы развития ГИС. Уровни использования ГИС........ Этапы развития ГИС

Уровни использования ГИС

Бытовой уровень

Офисный уровень.

Производственный уровень

Научный уровень

Взаимосвязь ГИС с другими науками и области применения ГИС............ Подробнее о взаимодействии с некоторыми дисциплинами

Программное обеспечение геоинформационных систем

Программный комплекс ArcGIS Desktop.

Понятие объекта и топология

Базовые типы пространственных объектов

Топология

Реализация топологии в ArcGIS

Зачем нужна топология.

Как топология моделируется в базе геоданных.

Топологические правила

Проверка ошибок топологии.

Коррекция ошибок топологии.

Контрольные вопросы к Разделу 1.

Раздел 2. Организация данных в ГИС.

Представление и организация географической информации в ГИС........... Модели пространственных данных

Регулярно-ячеистая модель данных.

Квадротомическая модель

Октодеревья.

TIN(Triangulated Irregular Network).

Форматы данных

Обменные форматы данных.

MIF/MID ( MapInfo Interchenge Format -ГИС MAPINFO )

Shapefile

Заголовок записи

Записи индексного файла

Организация файла dBase.

Методы ввода данных в ГИС

Трансформация

Преобразования подобия

Афинное преобразование

Полиномиальное преобразование

Оценка результатов преобразования

Моделирование

Моделирование рельефа (поверхности)

Критерии близости.

Подходы к выбору функции заместителя.

Классификация алгоритмов вычисления значений ЦМР

Использование ЦМР

Картирование по величине

Метод естественных границ

Метод квантилей.

Метод равных интервалов.

Метод среднеквадратичного отклонения.

пространственной информации

Транспортное моделирование

Геоэкологическое моделирование

Осадки.

Ведение инженерных сетей и сетей связи

Возможности по интеграции Системы с ГИС потребителей и поставщиков информации

Информационный обмен через Web-службы

Контрольные вопросы по Разделу 2.

Раздел 3. Работа с пространственными данными

Пространственные данные как основа создания специализированных информационных систем

Пространственные данные как основа хранилища данных

Модели пространственных данных для создания хранилища данных заданной тематики

Подходы к созданию интегрированной информационной системы для работы с пространственными данными

Создание хранилища пространственных данных

Архитектура и технологии формирования хранилища данных............... Существующие подходы и решения создания хранилищ данных............ Компания IBM

Oracle

Hewlett Packard

Sybase

Informix Software

AT&T GIS

SAS Institute

Software AG

Реализация хранилища пространственных данных

Контрольные вопросы по Разделу 3.

РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ ГИС Что такое геоинформационные системы?

Прежде всего, это информационная система - некоторый инструментарий для манипулирования исходными данными с целью получения информации, пригодной для принятия решения. Но это особая информационная система, поскольку ориентирована она на манипулирование географическими (пространственно распределенными) данными.

Конечно это система должна оперировать также данными непространственного характера, но эти данные, как правило, связаны с объектами имеющими пространственное распределение.

Для выполнения своего предназначения информационная система должна позволять:

— собирать новую информацию и обновлять уже имеющуюся;

— преобразовывать накопленную информацию с целью ее совместного — производить пространственный и временной ее анализ;

— выдавать полученные результаты, как в компьютерном, так и традиционном, привычном для большинства людей принимающих решения виде - в виде карт, таблиц и графиков Таким образом, ГИС можно рассматривать как систему технических средств, программного информационного и кадрового обеспечения и процедур, предназначенную для сбора пространственных данных, управления и манипулирования ими, их анализа, моделирования и отображения в целях решения комплекса задач по анализу, мониторингу, управлению и планированию.

Из существующего к настоящему времени опыта использования ГИС можно сказать, что ГИС с равным успехом используется для обеспечения процесса принятия решений по:

— оптимальному управлению землями и недвижимостью;

— организации работы транспорта, розничной торговли и других видов — использованию лесов или других пространственных ресурсов;

— поиска полезных ископаемых;

— планирования природоохранных мероприятий.

Значение геоинформационных систем и их актуальность Для географических исследований технология ГИС - это то же самое, что компьютерный томограф в медицине или издательские программы в современном книгоиздании.

ГИС объединяет в единую систему пространственную информацию и информацию других типов, создает согласованную структуру для анализа пространственно-распределенных данных.Благодаря переводу карт и других источников пространственной информации в цифровую форму открывает новые пути манипулирования географическими знаниями и предоставляет новые возможности их отображения.

Основываясь на данных о географической близости, ГИС выявляет взаимосвязи между различными процессами и явлениями, а так же открывает доступ к данным административного характера (владение собственностью, сведения о налогах, инфраструктуре в т.ч. коммунальных кабельных и трубопроводных системах) через их географическое положение.

географический взгляд на данные часто позволяет по-новому понять и объяснить их, без ГИС имеющиеся взаимосвязи часто остаются незамеченными, хотя их значение для понимания и управления различными видами деятельности и ресурсами может быть чрезвычайно важным.

Актуальность ГИС.

ГИС является важным инструментом познания окружающей среды и управления ею.

Сам процесс создания ГИС требует анализа предметной области, задач решаемых организацией или ведомством в настоящее время и их изменений в будущем, информации необходимой для решения этих задач и требований к этой информации по ее точности, достоверности, актуальности, секретности или закрытости, распределения ответственности по сбору этой информации и ее обновлению и многих других вопросов, что несомненно полезно для любой организации.

ГИС придает географической информации оттенок «высокой технологии»- карты, особенно компьютерные, обладают способностью зачаровывать;

ГИС-технологии – технологическая основа создания географических информационных систем, позволяющая реализовать их функциональные возможности.

Геоинформационный анализ – анализ размещения, структуры, взаимосвязей объектов и явлений с использованием методов пространственного анализа и геомоделирования.

Функциональные возможности ГИС – набор функций географических информационных систем и соответствующих программных средств:

ввод данных в машинную среду путем импорта из существующих наборов цифровых данных или с помощью оцифровки источников;

преобразование данных, включая конвертирование данных из одного трансформацию картографических проекций, изменение систем хранение, манипулирование и управление данными во внутренних и внешних базах данных;

картометрические операции;

средства персональных настроек пользователей.

Геоинформатика – наука, технология и производственная деятельность:

по научному обоснованию, проектированию, созданию, эксплуатации и использованию географических информационных систем;

по разработке геоинформационных технологий;

по прикладным аспектам или приложениям ГИС для практических или геонаучных целей.

Геоматика — это совокупность применений информационных технологий, мультимедиа и средств телекоммуникации для обработки данных, анализа геосистем, автоматизированного картографирования; также этот термин употребляется как синоним геоинформатики или геоинформационного картографирования.

Компьютерная карта – карта, полученная на устройстве графического вывода с помощью средств автоматизированного картографирования графопостроителей, принтеров, дигитайзеров и др. на бумаге, пластике, фотопленке и иных материалах) или с помощью геоинформационной системы.

Иногда к компьютерной карте относят также карты, изготовленные на неспециализированных приборах, например, на алфавитно-цифровых печатных устройствах, так называемые ЭВМ-карты или АЦПУ-карты.

Цифровое покрытие (слой, тема) – семейство однотипных (одной мерности) пространственных объектов, относящихся к одному классу объектов в пределах некоторой территории и в системе координат, общих для набора слоев. По типу объектов различают точечные, линейные и полигональные цифровые покрытия.

Подсистемы ГИС. Этапы развития ГИС. Уровни использования ГИС.

ГИС-это сочетание техники и традиционных наук и технологий. Каждая из сопутствующих областей представляет некоторые методы, которые в совокупности своей и образуют ГИС. Во многих из сопутствующих областей основное место занимает сбор данных, а ГИС объединяет их, ставя во главу угла интеграцию, моделирование и анализ, а также визуализацию.

Геоинформационные технологии появились на стыке нескольких информационных технологий, позаимствовав у них необходимые элементы.

Основными прародителями ГИС можно считать:

— системы управления базами данных (СУБД);

— системы цифрового картографирования (СЦК);

— системы автоматизированного проектирования (САПР);

— системы мелкомасштабного пространственного анализа(СМПА).

Цель разработки ГИС - создать такие системы, которые позволили бы не только адекватно отобразить (СЦК) и описать (смоделировать) (СУБД) окружающий нас мир, но и изучать его на построенной модели(СМПА) и спрогнозировать или спроектировать развитие и последствия воздействия (СМПА, САПР).

Первые ГИС были очень похожими на своих предков, поэтому существенно отличались друг от друга. Системы, которые развивались из САПР, были мало пригодными для работы с географической информацией и выполнения пространственного анализа, а системы «выросшие» из систем мелкомасштабного пространственного анализа не имели достаточных возможностей для представления крупномасштабных планов, с которыми обычно работали в САПР.

Развитие рынка, появление широкого круга пользователей постепенно вынудило разработчиков ПО ГИС восполнить имеющиеся пробелы и искать все более адекватные способы представления информации и методы ее анализа. В этом плане очень интересно проследить путь, пройденный разработчиками основных программ присутствующих на российском рынке, такими компаниями как ESRI, Inc.(США), Intergraph Corp. (США), Autodesk Corp.

(США), MapInfo Corp.(США). Основные направления на этом пути:

— от закрытых систем к открытым;

— от специализированных к универсальным;

— от малофункциональных к полнофункциональным;

— от отдельных продуктов к семействам согласованных продуктов.

Как уже было сказано, рынок оказал серьезное влияние на развитие ПО ГИС, но и ПО ГИС и опыт реализации ГИС-проектов совершенствовали субъектов рынка. Вслед за А.В.Симоновым выделим несколько этапов этого развития:

— Пионерный или этап веселых картинок — Государственный или производственный — Пользовательский или рыночный Как и в любой периодизации, речь идет о преобладающих чертах для каждого периода. При этом черты других этапов не пропадают, просто их роль постепенно перестает быть доминирующей.

Пионерный этап Этап начала возникновения ГИС, появления систем работающих и с пространственной и с атрибутивной информацией, способных выполнять и визуализацию информации и простейшие операции по ее анализу.

На этом этапе начинается движение от специализированных систем позволяющих выполнить тот или иной вид обработки пространственной информации в сторону интегральных, комплексных систем.

Создаваемые системы работают с небольшими объемами информации и решают узкий круг задач.

Программных продуктов ГИС мало, они довольно дорогие и очень закрытые.

Цифровых данных еще очень мало, ввод их трудоемкий. Основным способом ввода является дигитайзерный ввод. Для ввода очень часто используются системы автоматизированного проектирования, чаще других AutoCAD фирмы Autodesk.

Ввод пространственной информации в основном осуществляется с карт, реже с расчлененных оригиналов и снимков.

Получение картографических изображений на экране монитора вызывает восторг и зачастую является основной целью работы на этом этапе. Поэтому этот этап условно и называется этапом «веселых картинок».

Интерфейс систем, как правило, достаточно неудобен и требуется значительное время для его освоения.

Государственный этап Этап связан с интересом мощных ведомств к созданию промышленных систем, в основном, для решения задач картографического обеспечения ведомств и постепенному переходу к решению задач поддержки принятия управленческих решений.

На этом этапе возникают системы:

— земельного кадастра, — учета лесного фонда, — описания геологической среды, — управления инженерными коммуникациями, — экологического мониторинга, — мониторинга ЧС, — военного назначения.

Создаваемые системы построены на жестких требованиях к форматам хранимых данных, классификаторам, способам картографического отображения информации. легитимности, актуальности, достоверности и точности исходной информации.

Для конкретных приложений начинают разрабатываться модули обеспечивающие решение основных задач моделирования и обработки информации.

Так для задач земельного кадастра это модули: обработки результатов полевых геодезических измерений, выполнения картометрических операций, кадастровой оценки земель, подготовки землеустроительных документов и свидетельств на право владения или распоряжения землей и недвижимостью.

Для задач связанных с инженерными коммуникациями это модули:

инвентаризации состояния коммуникаций, гидравлических расчетов, подготовки документов для аварийных бригад и т.д.

Системы эти по-прежнему дорогие. Требования к аппаратному обеспечению большие. Значительная часть систем работает на дорогих рабочих станциях. Большая часть информации возникает и циркулирует внутри ведомственных систем.

Создаваемая информация живет долго, создаются технологии ее обновления по данным полевых измерений, аэро или космической съемки.

Требования к производственному режиму жесткие.

Перечень решаемых задач обычно очень узкий. Преобладает визуализация и документооборот.

Коммерческий этап Следствие развития аппаратного обеспечения и возможностей создания достаточно дешевого программного обеспечения. Широкий круг пользователей получает возможность работать с ГИС. Это возможность появляется только тогда, когда данных достаточно много, они регулярно обновляются. Системы становятся относительно дешевыми и возможностей бытовых компьютеров достаточно для их использования.

На коммерческом этапе появляется множество коммерческих приложений ГИС – от информационно-справочных и навигационных систем до систем настольного картографирования и маркетингового анализа.

Системы и данные становятся открытыми и достаточно доступными.

Массовый этап ГИС-приложения начинают работать в Интернет, сотовых телефонах, GPS приемниках, часах, системах автомобильной навигации.

Монстры типа Microsoft, обращают внимание на этот рынок и создают сначала модули для работы с пространственной информацией в составе офисных программ(Exel), а затем и самостоятельные продукты. Расширяется рынок данных. Отчасти ГИС теряет свое самостоятельное значение и встраивается в общую систему документооборота, а документооборот расширяет свои границы, включая в сферу своего влияния пространственные данные. Космические снимки становятся важной частью пространственных данных ГИС. Значительно возрастают возможности даже самых дешевых систем.

Естественно, что и на этом этапе:

1) кто-то создает «веселые картинки»;

2) продолжают развиваться специализированные производственные системы;

3) Однако, основное внимание фирм-разработчиков уделяется коммерческим продуктам массового спроса.

Можно условно выделить четыре уровня использования ГИС:

— производственный;

На этом уровне применяются преимущественно информационно справочные системы с возможностью модификации атрибутивной информации (редактирование, создание новых записей, создание новых баз точечных объектов) Во многом близкий к бытовому, обычно добавляется несколько типичных задач, например, оптимизация доставки грузов, выдача путевых листов с распечатанной картой доставки и т.п.

Разрабатываются специализированные системы, позволяющие обеспечить решение отдельных задач (земельный кадастр, кадастр недвижимости, лесоустройство, прогнозирование пожаров по ДДЗЗ) с соблюдением строгих технологических схем, режимов доступа к информации.

Системы имеют незначительное число функций пространственного анализа.

Модификация системы и эксплуатация разделены.

Для научных исследований принято использовать открытые системы.

Модификация системы и настройка на решение различных задач доступны для пользователя.

Система изначально имеет широкий набор функций пространственного анализа.

Взаимосвязь ГИС с другими науками и области применения ГИС Необходимо обратить особое внимание на взаимосвязь геоинформатики и других дисциплин. Речь идет именно о взаимосвязи, а не о заимствованиях.

К этим дисциплинам относятся:

— Вычислительная геометрия, — Компьютерная графика, — Методы вычислений, — Математическая картография (теория картографических проекций), — Фотограмметрия, — Дешифрирование ДДЗ, — Математико-картографическое моделирование — Теория моделирования, — Численные методы (в том числе решения дифференциальных уравнений в частных производных), — Теория искусственного интеллекта (экспертные системы, Подробнее о взаимодействии с некоторыми дисциплинами.

Картография.

Карта является основным источником информации и основным способом представления информации. Разрабатываются более строгие подходы к классификации объектов. Разрабатываются алгоритмы интеллектуальной генерализации. Разрабатываются алгоритмы настройки способов картографического изображения. Переосмысливается отношение к основным понятиям картографии.

Теория баз данных.

Вся работа сначала с атрибутивной, а позднее и со всей информацией ведется с использованием СУБД.Во многом необходимость работы с пространственной информацией повлияла на разработку объектнореляционных баз данных. Язык SQL был дополнен пространственными операциями до GeoSQL.

Области применения ГИС Основные задачи решаемые с использованием ГИС в различных областях:

— системы ведения земельно-имущественного кадастра:

o ведение геобаз по обременениям и ограничениям;

— жилищно-коммунальное хозяйство:

o размещение, учет состояния и эксплуатация объектов o размещение, учет состояния и эксплуатация зеленых o размещение, учет состояния и эксплуатация детских и o диспетчерские и аварийные задачи;

o разработка природоохранной документации в том числе ОВОС;

поверхностных и подземных водах);

o решение навигационных задач в т.ч. выбор оптимальных o диспетчеризация и мониторинг положения транспортных o проектирование, учет и эксплуатация объектов транспортного обслуживания (автомобильных и железных дорог, аэродромов, — проектирование и строительство:

o cбор и систематизация материалов инженерных и экологических o разработка вариантов проектов в том числе ландшафтное o экологическое обоснование проектов;

o управление техникой в процессе строительства;

o сбор и систематизация материалов исполнительной съемки;

природопользование:

o мониторинг состояния лесов, водных объектов, геологической среды, особо охраняемых природных территорий;

o кадастр месторождений и проявлений полезных ископаемых;

o реестр лесной, водный, реестр гидротехнических сооружений;

o выдача лицензий на природопользование;

o инженерно-техническая пограничная система;

o система космической разведки;

o системы управления крылатыми ракетами и другими низколетящими военными объектами;

o геоинформационное обеспечение наземных операций;

o системы прогноза ЧС: лесные пожары, наводнения, o маркетинговые исследования;

o исследования эффективности деятельности организаций и o оптимизация доставки товаров и услуг;

o оптимизация размещения объектов (антенны, пункты связи и нефтегазовая отрасль:

o поиск и разведка месторождений, оценка запасов;

o инженерные и экологические изыскания;

o проектирование обустройства и строительства;

o экологический мониторинг;

o эксплуатация инженерной инфраструктуры.

Программное обеспечение геоинформационных систем Основными составляющими ГИС в соответствии с рисунком 1, являются:

географические данные;

специалисты, умеющие использовать эти геоданные в различных предметных областях;

программные средства работы с геоданными;

аналитические процедуры и методы для работы с геоданными;

аппаратные средства для работы с геоданными.

Наиболее дорогостоящей, а также отличающей ее от традиционных АИС, составляющей ГИС являются электронные "копии" географических карт различных масштабов и тематической нагрузки, а также авиационных и космических снимков. Слово "копии" взято в кавычки, так как по способу хранения геоданных все ГИС подразделяются на два больших класса:

растровые и векторные. В растровых ГИС геоданные действительно хранятся в виде электронной копии, то есть в виде изображения географической карты или фотоснимка. В векторных ГИС все объекты географической карты хранятся в виде наборов их географических координат: для точечных объектов или полигонов - это пара координат (х, y); для линейных (протяженных) объектов это множество пар координат {(х, y)} точек, принадлежащих этому объекту; для площадных объектов - это координаты пограничной линии этого объекта. То есть в векторных ГИС множество объектов географической карты представляет собой базу данных координат этих объектов, а также значений их характеристик - атрибутов.

Векторные ГИС, не хранят карты в общепринятом смысле, они хранят данные, с помощью которых можно создать нужное представление (в виде карты), наиболее подходящее для конкретных целей.

Для построения больших корпоративных информационных систем более широко применяются векторные ГИС. В силу того, что они более экономно используют память ЭВМ для хранения информации, а также позволяют обращаться с каждым конкретным географическим объектом как с отдельным объектом обработки на ЭВМ (как с отдельным объектом программирования, то есть позволяют реализовывать концепцию объектно-ориентированного программирования). Вся географическая информация хранится в виде отдельных слоев. Слоем называют обычно совокупность однотипных объектов, расположенных на карте, хранящуюся в отдельном файле (в нескольких файлах) ЭВМ. В отдельном слое хранится информация о дорогах, инженерных сооружениях, типах почв и грунтов, трубопроводах.

Существует несколько способов ввода геоданных в компьютер:

Приобретение готовых цифровых электронных карт;

Конвертация из других форматов;

Непосредственная оцифровка с твердой основы;

Сканирование карт с твердой основы с последующей векторизацией;

Векторизация авиационных и космических снимков;

Непосредственный ввод координат географического объекта на местности (с помощью GPS приемника).

На российском рынке предлагается большое количество различных программных ГИС-продуктов практически для любой вычислительной платформы. Современные программные комплексы для создания корпоративных геоинформационных систем комплектуются, как правило, по функционально-модульному принципу с применением компонентноориентированного программирования. Существует некоторый базовый модуль – ядро системы, который осуществляет выполнение основных функций по вводу, хранению и обработке геоданных. Для выполнения дополнительных функций, связанных с более сложной обработкой и анализом геоданных, фирмы-разработчики поставляют дополнительные модули расширения ядра системы или специализированные системы, совместимые по данным и средствам разработки с базовой системой.

Комплексное решение для создания корпоративных геоинформационных систем может быть достигнуто на основе программных продуктов ESRI (США), которые позволяют выполнять все функции по созданию и эксплуатации ГИС, а также интегрировать обработку и хранение геоданных с существующими системами обработки традиционных (атрибутивных) данных, работающих под управлением программных систем, поставляемых другими фирмами (ORACLE, INFORMIX, DB2, MS SQL Server и др.). Название ESRI — аббревиатура, которая означает Environmental Systems Research Institute, что переводится на русский язык как Институт Исследования Систем Окружающей Среды.

Структура взаимодействия основных программных продуктов фирмы ESRI для создания распределенной корпоративной ГИС представлена на рис.2.

Наиболее известными и широко распространенными в мировой практике на данный момент является семейство продуктов ArcGIS. Система ArcGIS позволяет выполнять все основные функции по вводу, корректировке, обновлению, хранению, обработке и представлению пространственных данных.

Система ArcGIS построена по модульному принципу и основные, схожие функции ГИС разделены на группы и каждая группа вынесена в отдельный модуль расширения ArcGIS. Структура модулей расширения ArcGIS приведена на рисунке 2.

Клиенты ArcGIS приложений/данных Рисунок 2. Структура взаимодействия основных программных продуктов Аппаратные средства ГИС, как и аппаратные средства современных корпоративных информационных систем включают в себя множество технических средств: персональные компьютеры, средства ввода и вывода графической информации, серверы, коммуникационное оборудование, средства позиционирования на местности, оборудование для дистанционного зондирования и так далее.

Удачный выбор всех четырех составляющих определяет успех в создании ГИС для конкретного потребителя. Практическая доступность всех основных компонентов ГИС широкому кругу организаций, их способность объединять все данные (географические и атрибутивные) в единую среду совместного использования дают основание рекомендовать их как самое современное средство для создания автоматизированного информационного обеспечения при управлении территориально распределенными системами, имеющими большое количество географически рассредоточенных объектов.

ArcGIS Desktop — это три основных продукта: ArcView, ArcEditor, ArcInfo, которые представляют собой семейство программ с единым интерфейсом и общими принципами работы, но различаются по доступной функциональности. Они включают одинаковые базовые приложения ArcMap, ArcCatalog и набор инструментов геообработки, сгруппированных по типам решаемых задач (ArcToolBox).

ArcView - В состав ArcView входит три приложения: ArcMap, ArcCatalog и ArcToolbox для ArcView. Это набор мощных инструментов для картографирования, создания отчетов и картографического анализа.

ArcView появился в 1993 г. как дополнение к системе Arc/Info для уровня массового пользователя. ArcView удобен для создания, анализа и вывода картографических данных. Первая и вторая версии программного продукта ArcView — простые и эффективные средства для визуализации и анализа любых данных об объектах и явлениях, произвольным образом распределенных по территории (геоданных).

Сферы применения этих версий разнообразны: бизнес и наука, образование и управление, социологические, демографические и политические исследования, промышленность и экология, транспортная и нефтегазовая индустрия, землепользование и кадастры, службы коммунального хозяйства и др.

ArcView предоставляет алгоритм процедуры принятия решений, важных для нормального функционирования фирмы. Отметим базовые возможности и характеристики пакета ArcView.

Графический интерфейс пользователя (GUI). Он сходен с наиболее популярным и современным, простым в работе интерфейсом пользователя Windows.

Доступ к данным из одного программного окружения. Пакет эффективно работает с таблицами, изображениями, текстовыми файлами, электронными таблицами, графиками и диаграммами. В реляционной базе данных ArcView сохраняются атрибуты разнородных данных и взаимосвязи между всеми накопленными данными.

Поддержка системы управления реляционными базами данных. В пакете ArcView имеются средства связывания любых SQL DBMS-, ASCII-, dBaseфайлов с соответствующими географическими данными, как источником описательной информации по характеристикам карты. Поддерживается неограниченное число динамических связей с неоднородными DBMSформатами, которые могут находиться на локальном диске или в другом месте гетерогенной сети. Полностью поддерживаются реляционные возможности, включая режимы one-to-many, many-to-one, many-to-many, one-to-one.

Деловая графика. При работе в ArcView можно использовать разные типы документов, каждый из которых по сути является электронным аналогом стандартной формы представления информации. Чтобы в дальнейшем не повторяться, заметим, что любую созданную документацию можно распечатать на принтере или на графопостроителе (плоттере). Применяется несколько форм документов.

Форма просмотра (view document) - предназначена для показа географической информации в виде карты с аннотациями и легендой или в виде списка. Можно изменять масштаб и проекцию выведенной карты, проводить запрос текстовых, звуковых, фотографических данных или отсканированных документов, динамически привязанных к показанным на карте объектам, а также корректировать (редактировать) эти данные. Результаты редактирования автоматически заносятся во все связанные между собой документы.

Табличная форма (table document) - наиболее удобна для показа связанных с картографической информацией данных электронных таблиц. С табличными данными можно проводить простые статистические расчеты. Данные для подстановки в таблицы можно импортировать из файлов стандартных форматов dBase, ASCII, Excel, Lotus 1-2-3, INFO и других или использовать внешние базы данных (ORACLE, SYBASE, INGRES, INFORMIX).

Форма диаграмм (Chart document) - позволяет выводить на экран монитора данные в виде различных графиков, гистограмм и диаграмм (круговых, столбчатых, линейных, полей точек или значков и т.п.), которые можно накладывать на карты и добавлять к другим типам документации.

Создание макета (Layout document) - позволяет представить имеющуюся и созданную в базе данных информацию с помощью трех описанных выше форм документации в наиболее удобном, наглядном и привлекательном виде.

Формирование выходных документов проводится в интерактивном режиме.

Можно также выбрать любой из прилагаемого набора стандартных шаблонов (templates) выходных документов.

Все формы документов динамически связываются друг с другом, т.е.

изменения, сделанные в одном документе, автоматически обновляются как в других документах, так и в их окончательном совместном представлении.

Средства графической компоновки пакета ArcView поддерживают множество типов и форматов вывода.

ArcView позволяет:

Взаимодействовать с картой посредством инструментов Перемещения и Масштабирования, Идентификации, Горячих связей и Гиперссылок на внешние приложения и URL, Интерактивной выборки, Подсказки карты, Окна обзора и Окна увеличителя, Пространственных закладок, Динамического обновления выборки между картой, таблицами и диаграммами.

Создавать карту посредством инструментов Отображения данных (прозрачные слои, перепроецирование векторных данных и растров «на лету», включая трансформацию датума), Классификации данных, Символов, Надписей, Компоновки и Печати (вставка заголовков и легенд, нескольких фреймов данных, мастера и готовые стили для создания легенд и сеток, экспорт в графические форматы и т.д.).

Анализировать карту посредством инструментов Операций выбора местоположению), Операций анализа (Буфер, Вырезание, Слияние, Пересечение, Объединение, Пространственное соединение), Визуального представления и анализа (диаграммы и отчеты).

Создавать данные посредством инструментов Редактирования шейпфайлов и персональных баз геоданных, Трансформации растров, Поворота и отражения растров, Построения и редактирования пространственных объектов, Замыкания, Поддержки планшетного дигитайзера, Событий и геокодирования, Динамической сегментации.

Управлять данными посредством инструментов Импорта проектов (.apr) и легенд (.avl) ArcView GIS 3.x, Инструментов поддержки данных (создание новых файлов данных, экспорт и импорт данных, прямая поддержка множества форматов), Управления табличными данными, Просмотра и редактирования метаданных, Поиска данных в ArcCatalog.

Задавать структуру приложений посредством Стандартного интерфейса Microsoft Windows, Фиксируемых панелей инструментов, Полностью интернациональной поддержки данных и атрибутов, Возможности настройки интерфейса, Расширения функций с использованием COM, Создания макросов в среде VBA, Вставки OLE объектов в ArcMap.

ArcMap основное приложение ArcGIS Desktop. Оно используется для всех картографических задач, включая создание карт, анализ карт и редактирование данных. В этом приложении вы работаете с картами. У карты есть компоновка, содержащая собственно вид географических данных набор слоев карты, легенду, масштабные линейки, стрелки Севера и другие элементы.

В ArcMap есть два варианта отображения и работы с картой — в Виде географических данных и в Виде компоновки — в них можно решать разнообразные ГИС задачи.

Приложение ArcCatalog предоставляет инструменты для поиска и просмотра географических данных, создания и просмотра метаданных, быстрого просмотра любого набора данных, а также инструменты для структурирования географических данных.

ArcToolbox это простое приложение, содержащее множество инструментов обработки геоданных (конвертация, проецирование, геообработка данных, оверлейный анализ, организация многолистных карт…).

Есть две версии ArcToolbox: полная версия входит в ArcInfo (более инструментов), облегченная - в ArcView и ArcEditor (20 наиболее часто используемых инструментов конвертации и управления данными).

ArcEditor является более функциональным программным обеспечением.

Помимо возможностей ArcView, в нем существует возможность создания и редактирования топологически связанных объектов (установление отношений между классами пространственных объектов и атрибутами, внесение изменений в такие данные), а также редактирование геоданных, хранящихся в многопользовательских СУБД. Если доступ к СУБД производится через ArcSDE, ArcEditor позволяет работать с многопользовательскими базами геоданных с использованием версий. Доступны специальные инструменты для управления версиями (слияния версий и разрешения конфликтов).

ArcInfo - самый мощный среди настольных продуктов ESRI. Ко всем возможностям ArcView и ArcEditor добавляется множество инструментов геообработки, а также вcе функции для создания выcококачественных карт и их художественного оформления. Кроме того, в состав этого продукта включены прикладные модули, унаследованные от популярной в прошлом системы ArcInfo Workstation. В отличие от остальных настольных продуктов, работающих только в среде Windows, ArcInfo Workstation работает также на операционных системах семейства Unix.

Дополнительные модули.

ArcGIS 3D Analyst добавляет в стандартную функциональность ArcGIS наборы инструментов для создания и анализа поверхностей, а также инструменты для создания виртуальных моделей местности. В приложениях для трехмерной визуализации, поставляемых с ArcGIS 3D Analyst, доступны все функции геообработки и пространственного анализа, что позволяет проводить ГИС анализ и демонстрировать результаты в реалистичном трехмерном виде.

ArcGIS Geostatistical Analyst Содержит большой набор инструментов для геостатистического анализа пространственных данных и построения статистически достоверных поверхностей, выявления глобальных и локальных трендов, аномалий и взаимосвязей между наборами данных. Модуль широко используется для определения статистических ошибок интерполированных поверхностей.

ArcGIS Network Analyst Модуль для создания, поддержки и анализа пространственных сетей и маршрутизации. Позволяет существенно упростить и ускорить решение таких задач, как выбор оптимального маршрута по заданным критериям, создание путевого листа, моделирование пространственного взаимодействия и т.д.

Поддерживается мультимодальная маршрутизация.

ArcGIS Schematics Позволяет автоматически генерировать, визуализировать и управлять схемами и диаграммами, построенными на основе геометрических сетей, хранящихся в базе геоданных. Встроенный механизм дает возможность оперативно создавать схемы сетей в различных графических представлениях, которые определяются пользователем, и обеспечивает интерактивную связь схемы и пространственных данных.

ArcGIS Spatial Analyst Предоставляет широкий спектр инструментов для создания растровых данных, а также совместного анализа данных во всех растровых и векторных форматах, поддерживаемых в ArcGIS. Модуль позволяет решать множество аналитических задач, таких как выявление пространственных взаимосвязей, анализ поверхностей на основе цифровых моделей рельефа, гидрологическое моделирование, обработка изображений, включая их фильтрацию, классификацию и генерализацию.

Понятие объекта и топология Пространственный объект (син. Географический объект) - цифровое представление объекта реальности (entity), иначе цифровая модель объекта местности, содержащая его местоуказание и набор свойств, характеристик, атрибутов (позиционных и непозиционных пространственных данных соответственно) или сам этот объект. Выделяют четыре основных типа:

точечные (точки), линейные (линии), площадные или полигональные, контурные (полигоны) и поверхности (рельефы), 0-, 1-, 2- и трехмерные соответственно, а также тела. Точки, линии и полигоны объединяет понятие плоских, или планиметрических объектов (planimetric feature), поверхности (а также тела) относят к типу трехмерных объектов, или объемных объектов (volumetric feature). Совокупности простых пространственных объектов (simple feature) могут объединяться в составной пространственный объект (complex feature). Полный набор однотипных объектов одного класса в пределах данной территории образует слой (перечисленные элементарные П.о. и/или образующие их элементы иногда называются примитивами (primitive), в том числе геометрическими примитивами (geometric primitive) и топологическими примитивами (topologic primitive) по аналогии с графическими примитивами в компьютерной (машинной) графике.

Пространственные данные – данные о пространственных объектах, их местоположении или местонахождении и свойствах, представленные в аналоговой или цифровой форме.

Базовые типы пространственных объектов Точка (точечный объект) – 0-мерный объект, характеризуемый плановыми координатами.

Линия (линейный объект, полилиния) – 1-мерный объект, образованный последовательностью не менее двух точек с известными плановыми координатами.

Область (полигон, полигональный объект, контур) – 2-мерный площадной объект, внутренняя область, ограниченная замкнутой последовательностью линий.

Пиксел (пиксель) – 2-мерный объект, элемент цифрового изображения, наименьшая его составляющая, получаемая в результате дискретизации изображения.

Ячейка (регулярная ячейка) – 2-мерный объект, элемент разбиения земной поверхности линиями регулярной сети.

Поверхность (рельеф) – 2-мерный объект, определяемый плановыми координатами и аппликатой Z, входящей в число атрибутов.

Тело – 3-мерный (объёмный) объект, описываемый тройкой координат, включая аппликату Z, и ограниченный поверхностями.

Общее цифровое описание пространственного объекта включает:

наименование;

указание местоположения (местонахождения, локализации);

набор свойств;

отношения с иными объектами;

Для любого объекта в ГИС характерно наличие трех типов характеристик определяющих:

Самобытность объекта – идентификатор;

Местоположение объекта – локатор;

Свойства объекта –атрибуты, связи, допустимые операции;

Атрибутивная информация:

Рисунок 4. Состав атрибутивной информации Перечень свойств соответствует атрибутам объекта, качественным и количественным его характеристикам, которые приписываются ему в цифровом виде пользователем, могут быть получены в ходе обработки данных или генерируются системой автоматически (к последнему типу атрибутов принадлежат, например, значения площадей и периметров полигональных объектов). Существует расширенное толкование понятия атрибута объекта; последнему могут быть поставлены в соответствие любые типы данных: текст, цифровое изображение, видео- или аудиозапись, графика (включая карту), что, по существу, реализуется на практике в мультимедийных электронных атласах. Под атрибутами понимаются именно содержательные, тематические (непозиционные, непространственные) свойства объектов.

Рисунок 5. UML диаграмма пространственной геометрии(OGIS консорциум) Под отношениями понимают прежде всего топологические свойства (топологию). К топологическим свойствам пространственного объекта принято относить его размерность (мерность, пространственную размерность), сообразно которой выше были выделены 0, 1, 2 и 3-мерные объекты; замкнутость, если речь идет о линейных объектах в широком смысле слова; связность; простота (отсутствие самопересечения линейных объектов и «островов» в полигоне); нахождение на границе, внутри или вне полигона; признак точечного объекта, указывающий, является ли он конечным для некоторой линии. Примерами топологических отношений объектов являются их свойства «пересекаться» (или «не пересекаться»), «касаться», «быть внутри», «содержать», «совпадать».

Топология вместе с геометрией образует тополого-геометрическую часть описания данных, его позиционную часть. Таким образом, в самом общем виде в пространственных данных следует различать и выделять три составные части: топологическую, геометрическую и атрибутивную — «геометрию», «топологию » и «атрибутику» цифровой модели пространственного объекта.

Топологическими называются свойства, которые не меняются при любых деформациях пространства.

Топология, устанавливающая пространственные отношения между географическими объектами, является основополагающим свойством для гарантии качества данных.

Топология делает возможным проведение расширенного пространственного анализа и играет фундаментальную роль в обеспечении качества базы данных ГИС.

Свойства топологии в базе геоданных (структура базы данных ГИС) — Пользователи могут указывать, какие слои данных участвуют в — В одних и тех же топологических взаимоотношениях могут участвовать несколько классов полигональных, точечных и линейных объектов.

— Существует несколько пространственных условий (топологических — Пользователи могут устанавливать, какие правила являются подходящими для соответствующих слоев данных.

многопользовательской СУБД.

— Пользователи могут выполнять операцию создать полигоны лишь частично для повышения производительности.

— База геоданных представляет собой открытую структуру для хранения и управления данными ГИС (пространственная геометрия, таблицы, изображения), реализованную в системе управления базами данных (СУБД).

— База геоданных соответствует фундаментальной реляционной модели данных, в которой каждый пространственный объект и его атрибуты хранятся в виде строки таблицы. Объект представляет пространственный объект или элемент реального мира, который моделируется в данной ГИС (например, земельный участок, здание, фонарный столб, река).

Набор похожих пространственных объектов (далее для краткости изложения будем называть их просто объектами), таких как участки или реки, хранится в таблице СУБД и называется классом объектов.

Наборы связанных классов объектов, имеющих одинаковую пространственную привязку, могут быть организованы в более крупную структуру, называемую набором классов объектов.

Каждый пространственный объект в базе геоданных содержит форму (геометрию) и может существовать сам по себе, в противоположность модели данных покрытия, где, скажем, полигоны моделируются в виде наборов дуг и точек меток.

Способность хранения полной геометрии простого объекта (такого как полигон участка) является одним из преимуществ модели базы геоданных, поскольку каждый пространственный объект всегда доступен для отображения и анализа.

Топология реализуется в виде набора правил целостности, определяющих поведение пространственно взаимосвязанных географических объектов и объектных классов.

Топологические правила, применяемые к географическим объектам или объектным классам в базе геоданных, позволяют пользователям ГИС моделировать такие пространственные отношения как связность (связаны ли линии дорожной сети?) и смежность (существует ли промежуток между двумя полигонами участков?).

Топология полезна также для контроля целостности совпадающей геометрии у различных классов объектов (например, совпадает ли береговая линия с границей страны?).

ArcGIS включает набор пространственных операторов (инструментов редактирования) для редактирования общей (совместной для разных объектов) геометрии и для обнаружения ошибок в пространственных взаимосвязях, произошедших из-за нарушения заданных пользователем правил.

— При помощи топологии пространственным данным присваивается поведение реальных ГИС-объектов.

— Топология обеспечивает возможность получить ответы на вопросы, касающиеся смежности, связности, близости и совпадения.

Например, можно убедиться, что все полигоны участков образуют замкнутые контуры, что они не перекрываются, и что между участками нет промежутков.

— Можно также использовать топологию для проверки пространственных отношений между объектными классами.

Например, можно удостовериться, что линии границ землеотводов в созданной модели данных имеют общую совпадающую геометрию с границами земельных участков.

— Топологические отношения могут рассматриваться как пространственные условия, которые следует применить к пространственным данным. Программное обеспечение ArcGIS будет реализовывать эти отношения и выдаст сообщение, если любое из этих условий будет нарушено. Для этого в ГИС программу должны входить инструменты, которые будут «понимать»

пространственные условия и обеспечивать поиск и исправление любых нарушений этих правил Как топология моделируется в базе геоданных.

1. В ArcGIS топология может быть задана для одного или нескольких объектных классов, входящих в набор классов. Топологические отношения могут быть установлены для нескольких классов точечных, линейных и полигональных объектов.

2. Топология включает набор правил целостности для пространственных отношений вместе с несколькими важными установками: кластерным допуском, рангами для классов объектов (для обеспечения координатной точности), ошибками (нарушениями правил) и любыми исключениями из правил, которые вы установили.

3. ArcEditor и ArcInfo версии 8.3 включают Мастер создания топологии, позволяющий выбирать объектные классы, которые будут участвовать в построении топологических взаимосвязей, и задавать соответствующие параметры.

Топологические правила могут быть заданы для объектов внутри объектного класса или для объектов, принадлежащих двум или более объектным классам.

Примерами правил могут служить следующие условия: полигоны не могут перекрываться, линии не должны иметь висячих узлов, точки должны лежать в пределах границ полигона, между полигонами не должно быть промежутков, линии не должны пересекаться,точки должны быть расположены на конечных точках линий.

Топологические правила также могут быть заданы для подтипов объектного класса.

В ArcGIS 8.3 было включено 25 готовых топологических правил. В дальнейшем их число возрасло.

Топология базы геоданных обладает гибкостью - можно выбрать, какие правила будут применяться к данным класса объектов или набора классов объектов.

Операция проверки топологии используется для выполнения согласования (слияния) геометрии объектов при попадании вершин в пределы кластерного допуска и для контроля нарушений заданных топологических правил.

Проверка топологии начинается с согласования вершин объектов на расстоянии меньше кластерного допуска, принимая в расчет ранг классов объектов (как это описано выше). Если вершины объектов находятся в пределах допуска, координаты объектов из класса с минимальным рангом координатной точности будут заменены координатами объектов с более высоким рангом.

В рамках процедуры согласования во время операции проверки топологии также будут создаваться вершины в местах пересечения объектов, если такие вершины не существуют.

Любые нарушения правил, обнаруженные в процессе проверки топологии, помечаются как ошибки. Полный список ошибок можно просмотреть в Свойствах топологии в ArcCatalog и ArcMap. В ArcMap может быть организован поиск ошибок, они могут быть отображены на карте или в виде списка в Инспекторе ошибок.

При обнаружении ошибок в процессе проверки топологии пользователь может действовать тремя путями:

1. Исправить ошибку при помощи инструмента Исправление топологической ошибки или другого метода.

2. Оставить ошибку без исправления.

3. Пометить ошибку как исключение.

4. Инструмент Исправление топологической ошибки предлагает несколько способов коррекции в зависимости от типа ошибки и Для получения студентами практических умений и навыков по данному разделу предусмотрено проведение трех практических заданий и одной лабораторной работы:

Практическое занятие 1.Ознакомление с функциями работы с цифровыми картами и объектами в системе «ГИС-3D». Целью работы является ознакомление с функциями хранения цифровых карт, соответствующих масштабов М 1:500 – М 1:2000 в векторном формате, одновременного отображения электронных векторных карт, трехмерных моделей местности с возможностью свободного перемещения в трехмерном пространстве, автоматического построения трехмерных объектов из плоских картографических данных, поддержки нескольких вариантов трехмерной модели, отображения трехмерных моделей с различными эффектами, поддержки экспортных форматов доступа к данным, экспорта информации в виде интерактивных PDF файлов.

Практическое занятие 2. Ознакомление с административными функциями системы «ГИС-3D». Целью работы является ознакомление с функциями обеспечения сохранения версионности изменений пространственных и непространственных данных, восстановления информации при внесении изменений в рабочие таблицы, репликации хранимых в БДГИ данных между несколькими физически удаленными серверами баз данных, протоколирования действий пользователей по редактированию объектов в БГД.

Практическое занятие 3. «Обучение работе с пространственными данными». Целью работы является изучение работы с опубликованными растровыми и векторными пространственными данными.

Лабораторная работа 1: «Добавление тем и установка свойств вида в приложении ArcView». Целью работы является закрепление навыков добавления тем в вид, создания нового проекта и вида, освоения приемов добавления тем растрового изображения и тем CAD в вид, работы со свойствами вида, освоения технологических приемов проверки масштаба и единиц измерения карт, измерения расстояний и применения проекции к виду.

1. Сформулируйте свое определение ГИС. Чем ГИС отличается от СУБД?

2. Назовите функции и области применения ГИС-систем.

3. Какие этапы развития ГИС выделяют?

4. Какие уровни использования ГИС существуют? Опишите специфику каждого уровня.

5. Перечислите основные составляющие ГИС?

6. Какие существуют способы ввода геоданных в компьютер?

7. Обзор приложений ArcGIS.

8. Что такое пространственный объект?

9. Что такое топологические свойства объекта?

10.Как топология реализуется в ArcGIS?

11.Что такое стандартные форматы пространственных данных?

12.Что такое пространственный анализ?

13.Назовите технологии, связанные с ГИС.

14.Каковы основные (фундаментальные) компоненты географических 15.Как связаны объекты на карте и их атрибуты?

16.Каким образом можно отобразить атрибуты таблицы на карте? В каком случае этого сделать нельзя?

17.Назовите обязательные функции географического анализа в ГИС.

РАЗДЕЛ 2. ОРГАНИЗАЦИЯ ДАННЫХ В ГИС.

Представление и организация географической информации в ГИС Различные подходы к хранению и обработки пространственнораспределенных данных во многом отражает историю развития ГИС.

Первое поколение ГИС: не работало с атрибутивной информации (специализированный графический редактор для рисования отображения и печати карт) Второе поколение ГИС: появились семантические данные привязанные к объектам карты (ставило задачу анализу геоданных, и было основано на отделении семантических данных от графики, так называемая гибридная модель) при этом атрибуты могли привязываться или к объектам или к графическим примитивам.

Третье поколение для хранения данных стали использовать СУБД или электронные таблицы.

Четвертое поколение использует ОО модель хранения данных.

Представление пространственных данных (spatial data representation, (geo)spatial data model) -- син. модель пространственных данных -- способ цифрового описания пространственных объектов, тип структуры пространственных данных.

На концептуальном уровне все множество моделей пространственных данных можно разделить на три типа: модели дискретных объектов, модели непрерывных полей и модели сетей.

Наиболее универсальные и употребительные из них:

растровая модель;

регулярно-ячеистая (матричная) модель;

квадротомическая модель (квадродерево, дерево квадратов, квадрантное дерево, Q-дерево, 4-дерево);

векторная модель:

o векторная топологическая (линейно-узловая) модель;

o векторная нетопологическая модель (модель «спагетти»).

К менее распространенным или применяемым для представления пространственных объектов определенного типа относятся также:

— модель типа TIN и ее многомерные расширения.

— гиперграфовая модель;

— гибридные модели данных Машинные реализации пространственного представления данных называют форматами пространственных данных.

Существуют способы и технологии перехода от одних П.п.д. к другим (например, растрово - векторное преобразование, векторно - растровое преобразование).

Модель данных – это концептуальный или логический уровень организации данных.

Формат данных – это уровень описания числового представления данных, в этом представлении может присутствовать информация не только о положении, но и о качественных и количественных характеристиках, взаимном расположении описываемых элементов и их связи.

Множество моделей обеспечивает возможность выбора той из них, которая наиболее адекватна решаемой задаче, т.е. позволяет ее решить и не является избыточно сложной.

Разные ГИС могут обеспечивать возможность работы с одинаковыми моделями данных, но использовать разные форматы для их представления В одной системе может использоваться несколько форматов представления данных в одной модели, как минимум для внутреннего представления и для обмена данными.

При разработке модели данных информация о реальном мире частично относят к индивидуальным объектам, а частично к непрерывнораспределенным в пространстве свойствам пространства.

Рисунок 7. Модели пространственных данных Растровые модели данных Растровое представление (raster data structure, tessellation data structure, grid data structure) -- син. растровая модель данных (raster data model) -цифровое представление пространственных объектов в виде совокупности ячеек растра (пикселов) с присвоенными им значениями класса объекта в отличие от формально идентичного регулярно-ячеистого представления как совокупности ячеек регулярной сети (элементов разбиения земной поверхности). Р.п. предполагает позиционирование объектов указанием их положения в соответствующей растру прямоугольной матрице единообразно для всех типов пространственных объектов (точек, линий, полигонов и поверхностей); в машинной реализации Р.п. соответствует растровый формат пространственных данных (raster data format). В цифровой картографии Р.п. соответствует матричная форма представления цифровой картографической информации (ГОСТ 28441-90. Картография цифровая.

Термины и определения).

Описанная выше растровая модель данных пригодна для цифрового представления не только пространственных объектов в ГИС, но и изображений. Примерами могут служить цифровые фотоизображения, снятые непосредственно цифровой фотокамерой или полученные путем цифрования аналоговых негативов или фотоотпечатков на сканере хорошего разрешения и далее превращенные (возвращенные) в графику на страницах иллюстрированных журналов или в семейном фотоальбоме.

Данные дистанционного зондирования Земли — аэроснимки и космические снимки, получаемые с борта космических платформ и других летательных аппаратов и представляющие собой, как отмечалось ранее, один из основных источников данных для ГИС, в настоящее время в существенной своей части по форме тоже цифровые, образуют класс растровых цифровых изображений, обрабатываемых программными средствами цифровой обработки изображений. Растровой цифровой копией можно назвать оцифрованную на том же сканере бумажную карту, используемую в качестве графической подложки (растровой цифровой карты-основы) в малозатратных геоинформационных проектах.

Во всех перечисленных выше случаях речь идет о цифровых растровых изображениях, образованных множеством его элементов — пикселов, каждому из которых ставится в соответствие значение (код) цвета или спектрального коэффициента яркости объекта съемки. На эти далее неделимые элементы растра «разбивается» и координатная плоскость с пространственными объектами в их растровом представлении. Если атомарной единицей данных при их описании служит элемент «разбиения»

территории — регулярная пространственная ячейка (территориальная ячейка) правильной геометрической формы — речь идет о другой, отличной от растровой, хотя и формально с нею схожей, регулярно-ячеистой модели данных. Формальное сходство абсолютно в случае квадратной (прямоугольной) формы ячеек, хотя известны примеры регулярных (или квазирегулярных) сетей (решеток) с ячейками правильной треугольной, гексагональной или трапециевидной формы, равновеликих или квазиравновеликих. При этом сеть может строиться (разу в условных прямоугольных координатах некоторой картографической проекции или на поверхности шара или эллипсоида; в последнем случае регулярными ячейками обычно являются сферические трапеции фиксированного или переменного углового размера.

Модель квадродерево также является разновидностью упакованной растровой модели. Для ее построения используется процедура деления каждого прямоугольного элемента пространства имеющего неоднородное заполнение на четыре равных элемента (горизонтальной и вертикальной линиями). Например, на рисунке части первого уровня деления 1,2, являются однородными а часть 4 нет, аналогично все части 41,42,43, второго уровня деления являются однородными.

Недостатки квадродерева:

1. Главный недостаток квадродеревьев состоит в том, что почти невозможно сравнить два изображения, которые отличаются, например, лишь поворотом. Это обусловлено тем, что квадродеревья, представляющие такие изображения являются абсолютно различными.

2. Алгоритмы поворота квадротомированного изображения ограничиваются лишь поворотами на углы, кратные 90 градусам.

Повороты на любые другие углы невозможны.

3. Хотя квадродеревья имеют массу плюсов в ГИС-приложениях, их распространение в других областях сдерживается их недостатками.

Большинство проблем связано именно с тем, что при повороте изображения для него приходится заново перестраивать квадродерево. При этом сопоставление квадродеревьев исходного и повернутого изображений становится весьма сложной задачей.

Вследствие этого применение квадродеревьев, например, в геометрическом анализе форм и распознавании образов остается Векторные модели данных.

Векторное представление (vector data structure, vector data model) -- син.

векторная модель данных --цифровое представление точечных, линейных и полигональных пространственных объектов в виде набора координатных пар, с описанием только геометрии объектов, что соответствует нетопологическому линейных и полигональных объектов (см. модель "спагетти"), или геометрию и топологические отношения (топологию) в виде векторно-топологического представления; в машинной реализации В.п.

соответствует векторный формат пространственных данных (vector data format).(словарь).

Модель "спагетти" (spaghetti model) - син. векторное нетопологическое представление - разновидность векторного представления линейных и полигональных пространственных объектов с описанием их геометрии (но не топологии) в виде упорядоченного набора дуг или совокупности сегментов.

Рисунок 8. Внутренняя структура данных для модели типа "спагетти" На рисунке, где показана внутренняя структура данных для модели типа "спагетти" для фрагмента карты, где изображены два полигональных объекта (треугольники) с одной общим ребром. В этом случае каждый объект в памяти компьютера содержит непосредственно в относящейся к нему структуре данных координаты (х,у) всех своих вершин.Очевиден тот факт, что в указанных структурах налицо определённая избыточность: координаты общих для полигонов точек - T2 и Т4 хранятся в двух местах - структуре данных полигона F1 и структуре данных полигона F Векторно-топологическое представление (arc-node model) -- син.

линейно-узловое представление -- разновидность векторного представления линейных и полигональных пространственных объектов, описывающего не только их геометрию (см. модель "спагетти"), но и топологические отношения между полигонами, дугами и узлами. (словарь) Рисунок 9. Векторно-топологическое представление На рисунке показаны те же два полигона. Внутренняя структура данных, описывающая объекты, несколько изменилась. Теперь все точки, которые определяют положение объектов в пространстве (безотносительно того, каким объектам они принадлежат), собраны в один гигантский список, а каждый объект содержит в своей индивидуальной структуре данных только ССЫЛКИ на те точки из этого списка, которые являются его вершинами.

Ссылки во внутренних структурах объектов, относящиеся к вершинам, могут адресоваться к этим общим точкам одновременно из нескольких полигоновсоседей (на карте).

Итак, память экономится, но общая грань всё равно перерисовывается дважды.Из приведённой структуры данных хорошо видно, что каждый из смежных полигонов лишается своей личной собственности - координат точек, которые теперь обобществлены в едином списке точек, и на них могут "претендовать" теперь уже несколько хозяев. Этот коммунальный список точек для всех объектов лишил объекты структурной автономности, и теперь уже вовсе непросто переместить объект как целое; общую точку передвинуть нельзя, т.к. она является собственностью и другого - смежного - полигона.

Даже изменить форму объекта простым способом не очень получается, т.к.

она (операция) выполняется путём перемещения общих точек с другим полигоном.

На том же примере можно объяснить и содержание понятия "линейноузловая" структура данных.

Кроме глобального списка точек (узлов) возник глобальный список линий. Следовательно, в самих структурах полигонов теперь хранятся только ССЫЛКИ на описатели линий (рёбер), из которых состоит полигон. На общее ребро двух полигонов может быть много ссылок - ровно столько, сколько полигонов граничит между собой по этому ребру. Каждая структура, описывающая линию, так же, как и в простой узловой топологии не содержит координат граничных точек, а опять же имеет только ССЫЛКИ НА ЗНАЧЕНИЯ С КООРДИНАТАМИ из глобального списка точек.

Для представления трехмерных изображений и трехмерных графических сцен структурой данных, основанной на сходных принципах, является октотомическое дерево или октодерево (octtree). Подобно квадродереву октотомическое дерево является иерархической структурой, но представляет изображение на уровне объектов или вокселов (voxel - volume element), а не пикселов.

Октотомические деревья являются естественным распространением концепции квадродерева для представления трехмерного пространства.

Подобно тому как при построении квадродерева область разбивается на четыре части при построении октодерева трехмерный объект подразделяется на восемь кубов (октантов). Если какой-либо из октантов является однородным, т.е. он располагается либо целиком внутри объекта, либо целиком снаружи, разбиение заканчивается. Иначе, если октант не является однородным, т.е. октант пересекается граничной поверхностью объекта, он разбивается далее на восемь подоктантов. Процесс разбиения завершается, когда все листовые узлы октодерева станут однородными, возможно с некоторой погрешностью (Carlbom and others 1985).

Samet (1990) в качестве простейшего варианта октотомической структуры данных называет октодерево регионов. Октодерево имеет те же недостатки, что и квадродерево, в том смысле, что оно является лишь приближением изображения. Октодерево требует значительных вычислительных затрат на построение, поскольку требуется просмотреть большое количество элементов данных.

Октодеревья обладают той же структурой, что и квадродеревья за исключением того, что каждый родительскийй узел дерева имеет не четыре дочерних узла, а восемь. Сходство структуры квадро- и октодерева можно увидеть на рисунке.

TIN - Triangulated Irregular Network -- линейная нерегулярная сеть это система неравносторонних треугольников, соответствующая триангуляции Делоне и используемая в качестве модели данных при конструировании цифровой модели рельефа, представляя его набором высотных отметок в узлах сети, и заменяя его, тем самым, многогранной поверхностью.

1. Определение 1: Триангуляцией называется планарный граф, все внутренние области которого являются треугольниками 2. Определение 2: Триангуляция называется выпуклой, если минимальный многоугольник охватывающий все треугольники – 3. Определение 3: Построение триангуляции по заданному набору точек – соединение точек непересекающимися отрезками так, чтобы образовалась триангуляция 4. Определение 4 Триангуляция удовлетворяет условию Делоне, если внутрь окружности, построенной для любого треугольника триангуляции, не попадает ни одна из исходных точек 5. Определение 5 Триангуляция называется триангуляцией Делоне, если она является выпуклой и удовлетворяет условию Делоне Форматы данных Обмен пространственными данными между различными системами осуществляется, как правило, через некоторые обменные форматы, структура которых описана и информация из которых может быть конвертирована собственными средствами конкретных ГИС в их внутренние форматы (и обратно, из внутренних форматов в обменные). Такие обменные файлы обычно представляют собой текстовые (ASCII) файлы, информация в которых может быть просмотрена текстовыми редакторами. Далее приведено описание принципов построения некоторых обменных форматов.

ID1 N x1 y x2 y......

xN1 yN ID2 N x1 y x2 y......

xN2 yN......

0 0 - пpизнак конца файла Аналогичный обменный фоpмат GEN (ARC/INFO GENERATE FORMAT) имеет ГИС ARC /INFO.

ID ID Файл с инфоpмацией о точках имеет дpугую стpуктуpу.

ID1,x1,y ID2,x2,y ID3,x3,y.....

end MIF/MID ( MapInfo Interchenge Format -ГИС MAPINFO ) Данные MapInfo хpанятся в двух файлах. Гpафическая часть инфоpмации хpанится в файле с pасшиpением. mif, а атpибутивная в файлах с pасшиpением.mid.

Это текстовые файлы. mif-файл имеет две части - заголовок и секцию данных. Заголовок содеpжит некотоpую паспоpтную инфоpмацию, а секция данных опpеделения гpафических объектов.

Заголовок файла фоpмата MIF имеет следующий вид :

VERSION n [ DELIMITER "" ] [ UNIQUE n,n..] [ INDEX n,n.. ] [ COORDSYS... ] [ TRANSFORM...] COLUMNS n < тип > < тип > DATA В квадpатные скобки взята инфоpмация, котоpая является необязательной, т.е. может отсутствовать.

MIF файлы могут быть разных веpсий. Начиная со втоpой веpсии могут пpисутствовать пpедложения COORDSYS и TRANSFORM, которых не было в первой версии.

DELIMITER - pазделитель. После этого слова в двойных кавычках указывается символ, котоpый будет использован далее в качестве pазделителя. Значение pазделителя по умолчанию - символ табуляции. Пpи его использовании стpока DELIMITER может быть опущена.

UNIQUE - уникальная колонка. Указание уникальной колонки из базы данных позволит создать из этой колонки подбазу выделив каждое значение по одному pазу. Hапpимеp, если инфоpмация об улицах записана в базе данных по отдельным отpезкам этих улиц. Тогда базу с названиями улиц можно создать указав номеp столбца базы данных, соответствующего названиям улиц.

INDEX - индекс. Для столбцов с указанными номеpами создаются индексные файлы.

COORDSYS - кооpдинатная система. Эта стpока задается в том случае, когда необходимо указать, что данные будут хpанится не в геогpафических кооpдинатах. Пpи его отсутствии пpедполагается, что данные записаны в геогpафических кооpдинатах.

Пpи записи данных в геогpафических кооpдинатах - точки к востоку от Гpинвича имеют положительную кооpдинату - X ( долгота ), а к западу отpицательную. Точки в севеpном полушаpии имеют положительную кооpдинату Y (шиpота), а в южном – отpицательную.

TRANSFORM - пpеобpазование. Позволяет задать коэффициенты для пеpесчета кооpдинат к соответствующему виду.

COLUMNS - колонки.

Здесь дается описание стpуктуpы базы данных. В базе данных возможны следующие типы столбцов.

— decimal( длина поля,число цифp после запятой ) Пpимеp:

COLUMNS STRIT char (15) HAUS integer WONUNG integer AREA decimal(8,4) D_PL data Т.е. в файле с pасшиpением mid будет находиться база данных имеющая пять столбцов, описанных выше типов.

Секция данных в файлах фоpмата MIF следует после описанного выше заголовка и должна начинаться со слова DATA на отдельной стpоке. В секции данных описываются только пpостые гpафические объекты.

Инфоpмация в файлах с pасшиpениями MIF и MID соответствует дpуг дpугу.

В MIF файле могут быть использованы следующие гpафические пpимитивы:

— область, огpаниченнная замкнутой ломанной линией — скpугленный пpямоугольник;

Для описания этих объектов используются следующие констpукции:

точка [ SYMBOL ( вид, цвет, pазмеp)] отpезок пpямой LINE x1 y1 x2 y [ PEN ( шиpина, тип, цвет)] ломанная PLINE numpts [ PEN ( шиpина,тип,цвет)] [ SMOOTH ] - сглажена область REGION #pgons numpts numpts [ PEN ( шиpина, тип, цвет)] [ BRUSH ( шаблон, основной цвет, цвет фона)] [ CENTER x y ] дуга ARC x1 y1 x2 y [ PEN ( шиpина, тип, цвет)] пpямоугольник RECT x1 y1 x2 y [ PEN ( шиpина, тип, цвет)] [ BRUSH ( шаблон, основной цвет, цвет фона)] скpугленный пpямоугольник ROUNDRECT x1 y1 x2 y a - степень сглаживания [ PEN ( шиpина, тип, цвет)] [ BRUSH ( шаблон, основной цвет, цвет фона)] эллипс ELLIPSE x1 y1 x2 y a - степень сглаживания [ PEN ( шиpина, тип, цвет)] [ BRUSH ( шаблон, основной цвет, цвет фона)] текст TEXT " < стpока текста >" x1 y1 x2 y [ FONT...] [Spacing { 1.0|1.5|2.0}] [Justify{Left|Center|Right}] [Angle угол повоpота] [Label Line {simple|arrow} x y ] В программном продукте ArcView был введен формат данных, так называемый шейпфайл (shapefile) Shapefiles не содержат топологической надстройки. Вследствие этого они имеют ряд преимуществ перед другими источниками данных, например, возможна более быстрая их отрисовка и упрощенная процедура редактирования. Shapefiles позволяют описывать объекты, которые могут перекрываться или совсем не соприкасаться. Они обычно требуют меньшей дисковой памяти и более просты при чтении и записи чем файлы в формате покрытий.

Shapefiles ArcView GIS состоит из главного файла, индексного файла и таблицы dBase. Главный файл - это файл прямого доступа, содержащий записи переменной длинны, каждая из которых описывает объект при помощи списка вершин. В индексном файле каждая запись содержит смещение соответствующей записи в главном файле относительно начала главного файла.

Таблица dBase содержит атрибуты объектов. Только одна строка таблицы соответствует только одному объекту в главном файле.

Соответствие «один к одному» между атрибутами и объектами основывается на номере записи. Номер записи атрибутов в таблице dBase должен быть таким же, как и номер записи в главном файле.

Главный файл, индексный файл и dBase-файл должны иметь одно и то же имя. Расширение главного файла должно быть таким: «.shp». Расширение индексного файла: «.shx». Расширение dBase-файла : «.dbf».

Примеры:

Shapefiles содержат числовые данные как integer (целое) и double precision (плавающее с двойной точностью):

Integer: 32-битное целое со знаком ( 4 байта).

Double: 64-битное плавающее с двойной точностью (8 байт).

Организация главного файла 1. Главный файл содержит заголовок файла фиксированной длины, за которым следуют записи переменной длины.

2. Каждая запись переменной длины состоит из заголовка записи фиксированной длины, за которым следует содержимое строки переменной длины.

3. Заголовок главного файла 4. Длина заголовка главного файла - 100 байт.

5. Значение длины файла есть общая длина файла, измеренная в 16битных словах (включая 50 16-битных слов, которые составляют 6. Все объекты в shapefile должны быть одного и того же типа. Коды типов должны быть такими:

7. Точка состоит из пары чисел double-precision в порядке X, Y.

8. Набор_точек представляет собой множество точек, объединенных в 9. Дуга Shapefile может состоять из набора полилиний, которые не обязательно стыкуются друг с другом. Полилиния есть упорядоченный набор вершин. Каждая полилиния является частью 10.Полигон состоит из ряда замкнутых, самонепересекающихся контуров. Полигон может содержать несколько внутренних контуров.

Порядок вершин или ориентация контуров показывает, какая сторона контура находится внутри полигона. Все, что находится справа от наблюдателя, идущего вдоль контура по порядку вершин, находится внутри полигона. Таким образом вершины единичного, внешнего по отношению к другим контурам, полигона расположены всегда по часовой стрелке. Контуры полигона - это его части.

1. Содержимое записи Набор точек 2. Содержимое записи Дуга 3. Содержимое записи Полигон 4. Организация индексного файла Заголовок индексного файла.

Заголовок индексного файла идентичен по организации заголовку главного файла, описанному выше. Длина файла, хранящаяся в заголовке файла, есть общая длина индексного файла, измеренная в 16-битных словах.

(Пятьдесят 16-битных слов самого заголовка плюс 4 умножить на количество строк) Записи индексного файла.

I-я запись индексного файла представляет собой смещение и длину содержимого для I-й записи в главном файле.

Смещение записи в главном файле есть количество 16-битных слов от начала главного файла до первого байта заголовка записи для этой записи.

Таким образом, смещение первой записи главного файла равно 50, что есть 100-байтный заголовок файла до первого байта заголовка записи для этой записи. Содержимое записи, хранимое в записи индексного файла, имеет ту же величину, что и содержимое записи, хранимое в заголовке записи главного файла Файл dBase содержит любую атрибутивную информацию об объектах или атрибутивные ключи, по которым могут быть присоединены другие атрибутивные таблицы. Его формат - это стандартный формат DBF, используемый многими приложениями в Windows™ и DOS. В таблице может быть представлен любой набор полей. Есть только три требования, предъявляемые к таблице, а именно:

— Имя файла должно быть таким же, как и имя главного — Таблица должна содержать одну запись, соответствующую — Порядок записей должен быть таким же, как и порядок Методы ввода данных в ГИС Ввод данных – это процедура, связанная с кодированием данных в компьютерно-читаемую форму и их записью в базу данных ГИС.

Выделяют три главных этапа ввода данных:

— редактирование и очистка данных;

— географическое кодирование данных.

Последние два этапа называются также предварительной обработкой данных. В процессе такой обработки накапливается новый класс данных – метаданные (данные о данных). Метаданные обычно содержат:

— точность позиционирования;

— точность классификации;

— метод, использованный для получения и кодирования данных.

Рассмотрим способы ввода данных в ГИС.

Первый способ – это ввод информации при помощи клавиатуры. Этот тип ввода, главным образом, используется для атрибутивных данных.

Обычно ввод с клавиатуры совмещают с ручной оцифровкой.

Второй способ ввода – ручная оцифровка при помощи дигитайзера.

Этот способ наиболее широко используется для ввода пространственных данных с традиционных карт. Эффективность и качество оцифровки зависит от качества программного обеспечения оцифровки и умения оператора. Данный способ требует больших временных затрат и допускает наличие ошибок.

Следующий способ ввода – сканирование карт, позволяющее получать их цифровое изображение. Современные высокоразрешающие сканеры позволяют сканировать карты с разрешением около 20 микрон (0.02 мм).

Полученный цифровой снимок нуждается в обработке и редактировании для улучшения качества. При этом изображение преобразовывают в векторный формат. Сканированные изображения могут непосредственно использоваться для производства карт.

Кроме того, есть еще один способ ввода данных в ГИС – ввод существующих цифровых файлов. Дело в том, что многие ведомства и организации имеют обширные базы данных географической информации.

Наборы таких данных должны быть доступны, а получение данных должно осуществляться при помощи сетевых технологий. Приобретение и использование существующих цифровых наборов данных является наиболее эффективным способом заполнения ГИС.

Виды векторизаций:

— векторизация по растровой подложке;

— полуавтоматическая или интерактивная векторизация;

— автоматическая векторизация;

Рисунок 3. Технологическая схема работы с векторизатором 1. Сканирование исходного материала.

Рекомендуется выполнять на широкоформатном профессиональном сканере: хороший растр - залог успеха!

При отсутствии профессионального сканера этот этап превращается в несколько этапов:

— геометрическая коррекция;

— привязка растрового изображения;

2. Подготовка проектного файла Настройка параметров проекта: состав слоев, используемые базы данных, точность прокладки трасс и т.д.

3. Подготовка растрового поля: сшивка, калибровка, фильтрация.

4. Сегментация проекта, передача сегментов операторам "Сшивка" сегментов проекта. Объединение векторных сегментов, "склейка" сегментов на границах.

5. Заключительная верификация проекта.Передача данных в ГИС 6. Конвертация данных в формат системы:

— преобразование проекции и системы координат — автоматическая векторизация Технология автоматической векторизации рассматривается на примере обработки топографической карты масштаба 1:24000, хранящейся в одном из зарубежных фондов цифровых материалов.

Для "приведения к общему знаменателю" при помещении в фонд, все растры были нормализованы, т. е. приведены к единой палитре из 18 цветов.

Разрешение растра 254 точки на дюйм.

Такое сильное сужение палитры привело к тому, что большинство объектов оказались представлены одинаковыми наборами цветов с преобладанием какого-либо из них.

Любая попытка выделения линий рельефа на этом растре неизбежно приводит к захвату других объектов - надписей, линий сетки и т.д.

Такая ситуация типична и для отечественных картографических материалов. Причина несколько иная - низкое качество печати, взаимопроникновение красок, отображение оттенков "разбавлением" цвета белыми точками.

До недавнего времени обработка таких растров могла выполняться только в полуавтоматическом режиме с большой долей ручного труда.

Сейчас это можно сделать за несколько шагов:

Шаг 1. Выделение линий рельефа в черно-белый растр С помощью инструмента бинаризации выделяются линии рельефа (фактически один темно-коричневый цвет - выделение любых других цветов или оттенков приводит к захвату большого числа паразитных объектов).

Шаг 2. Удаление сетки: Векторизация сетки По цветному растровому слою отвекторизуем линии сетки на слое "Сетка" вручную инструментом векторизации ломаных, установив толщину линии в 4 пиксела. Это несколько толще исходных растровых линий и позволит гарантированно "накрыть" линии сетки.

Эту и следующую операции лучше выполнить на цветном растре до выделения линий рельефа. Особенно в том случае, если предполагается выделение более одного тематического слоя, например, рельефа, речной сети и дорог.

Для удаления следов сетки на растре рельефа воспользуемся операцией растеризации векторных данных.

Шаг 3. Удаление сетки: "Впечатывание" векторных линий в растр Принцип привязки векторных данных в локальной системе координат ничем не отличается от привязки растровых. Поэтому, в принципе, имея набор точек привязки (тиков) использованных для привязки векторного набора данных, можно, используя его, привязать и растровый материал, использованный для получения этих векторных данных.

Географическая привязка растровых изображений осуществляется по следующему набору данных: координаты x, y верхнего левого угла сетки растра, размер ячейки, количество строк и столбцов.

Трансформация Преобразование подобия сочетает в себе сдвиг, поворот и изменение масштаба. Такое преобразование определено как для векторных, так и для растровых данных.

При преобразовании подобия форма объекта трансформирования не изменяется, но допускается изменение его размера (в случае векторных данных) или масштаба (в случае растров), а также поворот по отношению к исходному положению.

Для выполнения такого преобразования нужно задать, как минимум, две опорные точки. Если расстояния между точками в паре целевых и в паре исходных точек будут одинаковыми, то результат преобразования совпадет с описанным в предыдущем разделе. Если нет - изменится размер объекта. При задании двух точек невязки для этого преобразования всегда будут нулевыми. При большем числе опорных точек и их отклонениях от идеального расположения возникают невязки в положении точек, а преобразование выполняется с их осреднением. На рисунке показан случай, когда для тех же опорных точек, как в предыдущем разделе, мы задали другой тип преобразования, и Вы наглядно видите как результат изменение размера объекта.

Типичный случай использования такого преобразования - наложение разномасштабных растровых картматериалов, не имеющих искажений других типов, наложение трансформированием векторных блоков в локальной системой координат, масштаб которых неизвестен, и в других подобных случаях.

предпочтительным, это случай наложения аэрофотоснимков на топооснову в системе Гаусса-Крюгера в ситуации, когда недостаточно надежных опорных точек для использования более сильных алгоритмов трансформирования (см.

ниже). Такие же ситуации могут возникать и при наложении материалов других видов. Фактически, это случай выбора"меньшего из зол" в ситуации отсутствия надежной привязочной информации.

Аффинное преобразование относится к классу линейных преобразований, оно изменяет форму объекта трансформирования, его размер (в случае векторных данных) или масштаб (в случае растров), поворачивает по отношению к исходному положению. Однако одинаковые квадраты исходной сетки, хотя в результате преобразования и меняют свою форму, все равно между собой остаются одинаковыми. Для выполнения такого преобразования нужно задать, как минимум, три опорные точки, причем они не должны размещаться вдоль одной линии. Преобразование по трем точкам будет однозначным.

При аффинном преобразовании прямые переходят в прямые.

Аффинное преобразование плоскости переводит пересекающиеся прямые в пересекающиеся, параллельные - в параллельные. При аффинном преобразовании пространства каждая плоскость аффинно отображается на некоторую плоскость; при этом пересекающиеся плоскости переходят в пересекающиеся, параллельные - в параллельные. Кроме того, сохраняется взаимное расположение двух прямых: пересекающиеся прямые переходят в пересекающиеся, параллельные - в параллельные, скрещивающиеся - в скрещивающиеся.