Организация данных в ГИС.

Конспект лекций.

Тема: Введение в геоинформационные системы. Понятие геоинформационных систем (ГИС). Функциональные возможности ГИС. Общая структура ГИС. Классификация ГИС. Организация данных в ГИС.

 

Первые геоинформационные системы появились в 60-х годах прошлого века в Канаде, США и Швеции. Эти системы тогда имели существенные программные и технические ограничения и широко не применялись. Примерно в течение 20 лет, вплоть до 80-х годов, проходило становление геоинформатики как науки, отрабатывались методологические подходы к созданию ГИС, формировался математический аппарат, разрабатывались модели данных и алгоритмы их обработки. Одновременно в 80-х годах происходит стремительное распространение компьютерной техники и расширение её возможностей. Всё это в итоге приводит к качественному переходу геоинформатики на новый уровень.

Следует заметить, что первоначально термин «ГИС» расшифровывался как географическая информационная система. Однако сейчас такой термин считается неверным и его следует применять только для обозначения геоинформационных систем, предназначенных для решения географических задач.

В настоящее время геоинформационные системы решают самые разные задачи в различных отраслях экономики.

Определение. Геоинформационная система - это информационная система, предназначенная для сбора, хранения, обработки, отображения и распространения данных, а также получения на их основе новой информации и знаний о пространственно-координированных объектах и явлениях.

Функциональные возможности ГИС.

Классическая схема функций ГИС, предложенная «патриархом» геоинформатики канадцем Р. Томлинсом, приведена на рис. 1.1. Соответственно этим обобщённым функциям ГИС выделяют и подсистемы ГИС: подсистемы сбора, обработки, анализа и т.д.

 

Рис. 1.1. Функции геоинформационной системы

 

Эта схема отражает функции ГИС с точки зрения общих целей ГИС и технологического процесса обработки и анализа пространственных данных, однако с точки зрения обычного пользователя работа в ГИС выглядит несколько иначе.

Общая структура ГИС.

С точки зрения обычного пользователя геоинформационная система - это программа для персонального компьютера, позволяющая с помощью оконного интерфейса просматривать электронные карты и анализировать пространственные данные, лежащие в основе карты.

К настоящему времени сложились определённые стереотипы, как должна выглядеть ГИС. Это привело к тому, что многие современные ГИС очень похожи друг на друга. Поэтому, научившись работать с одной из них зачастую достаточно просто пользоваться и другими ГИС.

Большинство современных ГИС работает на персональных компьютерах под управлением операционной системы (ОС) Мiсrоsоft Windows. Раньше существовали многочисленные ГИС для рабочих станций под управлением операционной системы Unix, однако сейчас большинство производителей прекратили дальнейшую разработку ГИС для этой ОС.

 

Рис. 1.2. Внешний вид типичной ГИС на примере IndorGIS 5.0

 

Главное окно типичной ГИС состоит из пяти частей (рис. 1.2). В самой верхней части окна разметаются строка меню и панели инструментов, а в нижней - строка статуса для вывода различной текущей информации. В центре окна находится зона для отображения карты, состоящей из слоёв (наборов однотипных данных). Сбоку (обычно слева, но бывает и справа) располагается легенда карты - список слоёв со списком условных знаков и обозначений, используемых для отображения слоёв.

Легенда слоёв предназначена для получения информации о способе отображения пространственных данных на электронной карте, а также для задания видимости тех или иных наборов данных (стран, рек, озер, городов, градусной сетки на рис. 1.2). Щёлкая мышкой (нажимая левую кнопку мышки) в квадратик слева от названия набора данных, можно включать и выключать видимость слоя на карте.

В связи с тем, что картографическая информация является в первую очередь графической, а не текстовой, основным устройством взаимодействия пользователя с ГИС является мышка, а не клавиатура. Поэтому для ГИС ключевым служит понятие «режим работы с картой».

Режим работы с картой определяет, каким образом окно электронной карты реагирует на перемещение курсора и нажатие кнопок мышки. Текущий режим обычно выбирают, нажав соответствующую кнопку на панели инструментов (рис. 1.3).

 

Рис. 1.3. Панель инструментов для выбора режима работы карты типичной ГИС на примере IndorGlS

 

Рассмотрим основные режимы работы с картой.

1. Режим получения информации об объектах на карте. В этом режиме пользователь может выбрать курсором мышки объект на карте, и после нажатия на кнопку мышки на экране появится окошко с информацией об указанном объекте (рис. 1.4).

2. Режим увеличения изображения. В этом режиме пользователь должен указать мышкой прямоугольную часть видимого изображения карты, которая должна быть увеличена до размера всего окна карты. Для этого пользователь должен щёлкнуть кнопкой мышки В одном из углов нового видимого прямоугольника, затем, не отпуская кнопки, переместить курсор в противоположный угол прямоугольника и отпустить кнопку (рис. 1.5). Если пользователь нажмет и сразу отпустит кнопку мышки на карте, то изображение просто немного увеличится.

 

Рис. 1.4. Получение информации по выбранному объекту на карте в типичной ГИС на примере IndorGlS

 

Рис. 1.5. Увеличение видимой области

 

3. Режим уменьшения изображения. В этом режиме пользователь должен просто нажать кнопку мышки на карте, чтобы изображение немного уменьшилось. Если пользователь выделит некоторый прямоугольник на карте, всё текущее видимое изображение уменьшится и окажется в выделенном прямоугольнике.

4. Режим панорамирования. Этот режим предназначен для перемещения текущей видимой области изображения. Для этого необходимо нажать кнопку мышки на изображении карты и, удерживая её, переместить изображение в требуемом направлении, после чего кнопку мышки нужно отпустить.

5. Режим измерения расстояний. Данный режим предназначен для измерения расстояний по карте. При этом последовательными щелчками мышкой по карте можно указать ломаную, а в строке статуса увидеть длину всей ломаной и её последнего сегмента.

6. Режим измерения площадей. Данный режим предназначен для измерения площади и периметра областей на карте. При этом щелчками мышки можно указать вершины некоторого многоугольника на карте, а в строке статуса получить его площадь и периметр.

7. Режим редактирования объектов. Данный режим позволяет изменить геометрию пространственных объектов и их атрибутивные характеристики. Для этого нужно мышкой выделить некоторый объект на карте, после чего можно интерактивно переместить отдельные узлы многоугольников и ломаных, а также изменить атрибуты объекта в отдельном окне.

8. Режим создания новых объектов. Данный режим позволяет создавать на карте новые объекты, для этого нужно просто указать мышкой на карте точки либо узлы создаваемых многоугольников и ломаных.

Кроме кнопок выбора режимов работы с картой, на панелях инструментов имеются самые разнообразные кнопки, предназначенные для работы с электронными картами. Эти кнопки, как и аналогичные им команды в главном меню ГИС, предназначены для управления текущим видимым изображением на экране; для ввода новых и редактирования существующих данных; для выполнения различных операций пространственного анализа; печати карт и пр.

Классификация ГИС.

В настоящее время геоинформационными системами называют самые разные системы, решающие разнообразнейшие задачи. В связи с этим существует несколько классификаций, позволяющих более полно понять сущность ГИС.

1. Виды ГИС по пространственному охвату (рис. 1.6):

· Глобальные (планетарные).

· Субконтинентальные.

· Межнациональные.

· Национальные (государственные).

 

Рис. 1.6. Виды ГИС по пространственному охвату (от глобальных до ультралокальных)

 

· Региональные (областные, краевые, республиканские).

· Субрегиональные (районы или иные регионы внутри субъектов Российской Федерации).

· Локальные (местные, муниципальные, городские, поселковые).

· Ультралокальные (ГИС отдельных промышленных предприятий и любых ограниченных территорий).

2. Виды ГИС по уровню управления в Российской Федерации:

· Федеральные.

· Региональные.

· Муниципальные.

· Корпоративные.

3. Виды ГИС по области деятельности, в которой она применяется (рис. 1.7):

· Управление (федеральное, региональное, муниципальное, корпоративное; планирование развития).

· Землепользование (земельные кадастры, инвентаризация земельных участков, межевание земель).

· Управление недвижимостью (кадастр недвижимости).

· Градостроительство (генеральные планы развития, дежурные планы, планирование развития).

· Архитектура (проектирование генеральных планов; ландшафтное проектирование).

 

Рис. 1.7. Виды ГИС по области деятельности

 

· Бизнес (оценка инвестиций и планирование бизнеса).

· Инженерные сети (управление и эксплуатация городских, поселковых и корпоративных инженерных сетей: электрических, водопроводных, водоотведения, тепловых, газовых, телефонных, кабельных телевизионных, специальных и др.).

· Инженерно-геодезические изыскания (ввод и обработка данных геодезических изысканий, уравнивание геодезических сетей).

· Инженерно-геологические изыскания (ввод и обработка данных по геологическим колонкам).

· Геология (моделирование геологических пластов, обработка данных бурения, сейсморазведки).

· Картография (составление географических и топографических карт).

· Проектирование и строительство (проектирование автомобильных и железных дорог, генеральных планов, электрических и трубопроводных сетей).

· Экстренные службы (диспетчеризация выездов милиции, пожарных, «скорой помощи»).

· ГИБДД (управление инженерным обустройством автомобильных дорог: светофорами, знаками и др., диспетчеризация выездов).

· Навигация (навигация на местности и выбор маршрутов движения).

· Транспорт (управление и эксплуатация автомобильных и железных дорог, управление речными, морскими и воздушными перевозками).

· Логистика (планирование и управление транспортными перевозками).

· Оборона (планирование войсковых операций; тыловое обеспечение).

· Чрезвычайные ситуации (анализ и предсказание чрезвычайных ситуаций, планирование и осуществление мероприятий по ликвидации последствий).

· Экология (оценка и прогнозирование воздействия на окружающую среду).

· Метеорология (предсказание погоды, управление сетью метеорологических пунктов и станций).

· Недропользование (управление месторождениями полезных ископаемых).

· Природопользование (управление природными ресурсами).

· Нефтегазовая отрасль (управление нефтегазодобычей, управление промысловыми площадками, управление магистральными трубопроводами).

· Демография и статистика (демографический и статистический анализ).

· Образование (обучение, управление набором студентов).

· Бытовое использование (получение справки по объектам).

4. Виды ГИС по функциональности:

· Полнофункциональные (инструментальные) ГИС. Такие программы обладают максимальной функциональностью, присущей современным системам. Эти программы обычно обеспечивают практически полный цикл работы с пространственными данными от ввода и обработки до анализа и принятия решения. Полнофункциональные ГИС, как правило, позволяют работать со всеми основными моделями данных геоинформатики: векторными, растровыми, сетями и моделями поверхностей. Такие системы, с одной стороны, обладают большой универсальностью и мощью, перекрывающей возможные применения. С другой стороны, эта универсальность зачастую мешает их применению для решения конкретных прикладных задач, так как универсальные инструменты не очень удобны для конечных пользователей, а избыток ненужных в данной задаче функций мешает начинающим. Именно поэтому для реального применения инструментальные ГИС обладают богатыми средствами настройки на предметную область, начиная с настройки меню и панелей инструментов и заканчивая возможностью написания дополнительных функций на встроенном языке программирования (обычно Мiсrosоft Visual Basic for Applications) или подключения внешних модулей (обычно по технологии ActiveX).

· ГИС для просмотра данных (ГИС-вьюверы). Функциональность таких систем обычно ограничена просмотром и анализом существующих наборов пространственных данных. Многие ГИС-вьюверы позволяют вообще только просматривать данные и получать краткую информацию о выбранных на карте объектах. В настоящее время многие фирмы-производители предлагают свои ГИС-вьюверы бесплатно, зарабатывая деньги только на продаже более функциональных ГИС.

· ГИС для ввода и обработки данных. К этой категории относят программы, предназначенные для подготовки исходных данных для ГИС с помощью векторизации и обработки данных дистанционного зондирования.

· Специализированные ГИС. К этой категории относят ГИС, предназначенные для применения в конкретной отрасли.

5. Виды ГИС по используемой модели данных:

· Векторные. Такие системы работают с топологическими и нетопологическими моделями данных, а также иногда с триангуляционными моделями поверхностей.

· Растровые. Эти системы позволяют работать только с растровыми моделями данных и иногда с регулярными моделями поверхностей.

· Гибридные. Такие системы совмещают в себе возможности векторных и растровых ГИС.

6. Виды ГИС по компьютерной платформе, на которой функционирует ГИС (рис. 1.8):

· Настольные. К этой категории относится большинство известных ГИС. Используемые в них данные, как правило, сохраняются в файлах, а компьютеры как серверы пространственных данных если и используются, то только в качестве файл-серверов.

· Клиент-серверные. В этих системах пространственные данные хранятся полностью в базе данных, обслуживаемой особой программой - сервером пространственных данных. Этот сервер обычно является высокоуровневой надстройкой над некоторой промышленной системой управления базами данных (СУБД типа Мiсrosоft SQL Server, Oracle, DВ2, Sybase и др.). Заметим, что многие современные клиент-серверные ГИС могут работать не только с серверами, но и напрямую с данными в файлах, то есть эти ГИС также можно отнести к категории настольных.

· ГИС для Интернета. Такие системы бывают двух видов: а) самостоятельные программы, обеспечивающие полные функции НТТР-сервера, либо б) наборы программных компонент (обычно ActiveX-объектов), которые могут быть интегрированы в существующий НТМL-код и произвольным образом настроены. Первый подход позволяет очень быстро выполнить публикацию карт в Интернете, но второй подход более гибок.

 

Рис. 1.8. Виды ГИС по компьютерной платформе

 

Следует заметить, что термином «ГИС» называются очень многие и весьма разные информационные системы. Этим словом описывают как собственно прикладные программы для различных отраслей, так и сами инструментальные ГИС, на основе которых создаются конкретные отраслевые ГИС.

Организация данных в ГИС.

В основе геоинформационных систем лежит концепция послойной организации пространственных данных, когда однотипные данные на земной поверхности группируются в слои (иногда называемые темами). Совокупность всех слоёв в ГИС образует карту.

Деление объектов на слои обычно производится так, чтобы в одном слое объекты были одной природы происхождения (дороги, реки, здания) либо имели одинаковую топологическую структуру и размерность (то есть когда их можно описать точками, линиями или полигонами).

В то же время чрезмерно большое количество слоёв создавать нежелательно. Например, нет смысла создавать отдельные слои для автомобилей разных марок, лучше сделать один слой с автомобилями, при этом каждому объекту, описывающему автомобиль, следует сопоставить код марки автомобиля.

В верхней части рис. 1.9 приведён пример городской застройки, на которой изображены жилые дома, фабрики, заправки, склады, различные автомобили, лесопарковая зона, река, улицы, мост, тоннель. Для геоинформационной системы можно было создать пять основных слоёв:

1. Слой автомобилей. Каждый автомобиль должен представляться в виде точки и дополнительно описываться параметрами цвета и марки.

2. Слой автомобильных дорог. В зависимости от решаемых задач автомобильные дороги могут быть представлены в виде осевых линий либо в виде многоугольников, точно описывающих проезжую часть. В некоторых случаях есть смысл иметь два отдельных слоя для осевых линий дорог и для проезжих частей.

3. Слой деревьев. Деревья можно представить в ГНС в виде точечных объектов, для каждого из которых заданы атрибуты типа дерева, высоты, диаметра. Альтернативно крупные лесопарковые массивы могут быть описаны в виде многоугольников, окаймляющих сплошные зоны насаждений. Для каждого такого массива деревьев в атрибутах следует указать плотность посадки, среднюю высоту деревьев.

 

Рис. 1.9. Общая схема деления пpocтранственных данных в ГИС на отдельные слои - наборы однотипных данных

 

4. Слои зданий. Здания представляются в виде многоугольников, описывающих контур здания на уровне земли. Для зданий в атрибутах следует указать тип здания (жилое, промышленное, коммерческое), адрес, высоту, количество этажей и др.

5. Слои рек. Реки на карте города обычно представляются в виде многоугольников. На других более мелких картах (картах области или всей страны) реки часто моделируют с помощью ломаных.

Деление данных на слои позволяет работать в ГИС только с теми данными, которые необходимы для решения поставленных задач. В самом простом случае можно «выключить» те слои, которые нам не нужны, и увидеть на карте оставшиеся.