МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УО «Белорусский государственный экономический университет»
advertisement
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УО «Белорусский государственный экономический университет» ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ Краткий конспект лекций Минск 2014 г. ВВЕДЕНИЕ Широкое использование современных информационных технологий, теоретической базой которых является информатика и геоинформатика, привело к развитию геоинформационных технологий, которые объединяют технические средства, программное обеспечение, данные и пр. В последние годы особенно наглядно их роль проявляется в социально-экономических исследованиях. Бурное развитие геоинформационных технологий определяет актуальность их применения в самых разнообразных областях человеческой деятельности, таких как муниципальное управление, ведение кадастров природных ресурсов, охрана окружающей природной среды, геологические, социальные и прогнозы экономического развития и т.д. Такое развитие ГИСтехнологий привело к выделению в учебном процессе отдельных специальностей и специализаций. Предметом курса является изучение методов построения геоинформационных систем (ГИС-технологии), создания ГИС-проектов для статистического анализа, исследования и представления пространственновременных данных о природных процессах и исследование с их помощью закономерностей функционирования природных и социально-экономических систем. Оценка и прогнозирование их поведения в условиях антропогенного воздействия, а также принятия управленческих решений с помощью ГИСтехнологий по рациональному использованию и охране природных ресурсов, учету эффективности работы отраслей народного хозяйства. Цель курса – ознакомление студентов с основами научных исследований в области ГИС-технологий, в том числе с использованием методов современных информационных технологий проектирования ГИС в сфере экономики, в том числе деятельности жилищно-эксплуатационной и налоговых служб, организации статистического учета в промышленности, строительстве, торговле и других отраслях народного хозяйства. 2 Основные задачи курса, вытекающие из поставленной цели, – освоение студентами основ методологии геоинформационного анализа пространственновременных данных, приобретение навыков построения ГИС-проектов в области экономики. Настоящий курс тесным образом связан с другими дисциплинами в сфере компьютерного образования студентов, в том числе с информатикой, цифровой картографией, методами дистанционного зондирования Земли, основами ведения кадастровой информации, организацией мониторинга окружающей среды на базе ГИС-технологий, геоинформатики, геомаркетинга, статистики, построением автоматизированных систем бухгалтерского учета в народном хозяйстве и др. Любые фактические данные и сведения, полученные в результате деятельности статистической предприятий обработки, хранения, и фирм, требуют систематизации, первичной объединения, пространственной привязки и объяснения с единых позиций комплекса явлений и бизнес-процессов, формулировки закономерностей функционирования и управления социально-экономическими системами. 1. ОСНОВЫ ГЕОИНФОРМАТИКИ 1.1 ВВЕДЕНИЕ В ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ (ГИС) И ГИС-ТЕХНОЛОГИИ Часто даже большое количество информации не может помочь решить проблему, пока она не будет визуализирована на географической карте. Например, данные о количестве дорожно-транспортных происшествий тесно связаны с другими факторами: опасными перекрестками, плохим качеством дорожного покрытия, большой интенсивностью движения и т.п. В большинстве случаев, будучи представленными на карте, они позволяют определить критические участки и способствуют быстрому принятию решений по ликвидации предпосылок таких происшествий. Необходимость проанализировать географическое расположение явлений и объектов, их количественные и качественные характеристики при помощи 3 карты возникает у представителей различных профессий. Прежде всего, это, конечно, управляющие структуры, владеющие большими массивами информации, на основе которой принимаются решения. В картографических данных также нуждаются специалисты, оценивающие и прогнозирующие состояние какой-либо области человеческой деятельности, например, рынков сбыта продукции, загрязнений территории и т. п. Круг ее возможных потребителей чрезвычайно широк, это является одной из причин резко возросшего за последние годы спроса на географические информационные системы - ГИС. Общее понятие ГИС. География является связующим звеном информации, получаемой из многочисленных источников. Прежде всего это различные типы карт: планы застроек топографические и разнообразные тематические карты. Кроме того, данные могут поставляться с аэро- и космических снимков, они поступают из файлов на магнитных дисках, из отчетов и компьютерных систем, из результатов полевых измерений. Значительная часть географических данных быстро меняется с течением времени и поэтому неприемлемым становится использование бумажных карт: быстроту получения информации и ее актуальность может гарантировать только автоматизированная система. Первыми попытками применения автоматизации в географии стали банки географической информации. Однако с течением времени накапливался опыт сбора, хранения и управления данными, нарабатывались библиотеки программ, решающих стандартные задачи. Современная ГИС — это автоматизированная система, имеющая большое количество модельными графических и и расчетными тематических функциями баз для данных, соединенная манипулирования ими с и преобразования в пространственную картографическую информацию для принятия на ее основе разнообразных решений и осуществления контроля. Схематично некоторые сферы применения ГИС представлены на Рис. 1. 4 Рис.1.1 Составные части ГИС. Любая ГИС работает с базами данных двух типов — графическими и атрибутивными или тематическими. На Рис. 1.2 представлена структура ГИС. В хранится графических то, что базах принято данных называть графической или метрической основой, атрибутивные содержат называемую нагрузку дополнительные в данные, себе так карты и которые относятся к пространственным, но не могут быть прямо нанесены на карту — это описания территорий или информация, Рис. 1.2 содержащаяся в отчетах. Оба вида баз представляют из себя файлы (наборы) цифровых данных. Для работы с этими данными ГИС должна иметь систему управления базами данных (СУБД). Достаточно часто ГИС имеет две системы управления базами данных (Рис. 1.3), отдельно для метрической и атрибутивной информации. При помощи СУБД производится поиск, сортировка, добавление и исправление информации в базах данных. 5 Рис. 1.3 Кроме СУБД любая ГИС имеет систему визуализации данных, выводящую на экран имеющуюся информацию в виде карт, таблиц, схем и т. п., и систему анализа данных, при помощи которой происходит их обработка и анализ. Также двумя необходимыми компонентами ГИС являются системы ввода и вывода информации. Система ввода — это программный блок, отвечающий за получение данных, источниками которых могут являться разнообразные электронные устройства, такие, как дигитайзер (цифрователь), на котором осуществляется цифрование карт, сканер, считывающий изображение в виде растровой картинки, электронные теодолиты и другие геодезические приборы. Информация может быть введена с клавиатуры вручную или получена из другой компьютерной системы. Ее источниками могут быть аэрофото- и космические снимки, обрабатываемые на специализированных рабочих станциях. Система вывода ГИС (Рис. 1.4) предназначена для представления результатов работы в виде, удобном потребителю. При помощи плоттера (графопостроителя), например, можно получить очень качественные чернобелые и цветные изображения — практически готовую карту. Используются также разнообразные принтеры. Результаты работы могут быть записаны на 6 дисках, распечатаны в виде отчетов или отправлены по сети во внешние компьютерные системы. СИСТЕМА ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ Монитор Плоттер Принтер Магнитные носители Внешние системы Рис. 1.4 Разработка и внедрение ГИС. На создании ГИС специализируются как крупные фирмы INTERGRAPH, ESRI, Nixdorf, так и сравнительно небольшие, а также отдельные группы разработчиков. Еще одним вариантом использования ПК является создание распределенной ГИС. Фирмы — разработчики ГИС, как правило, имеют для нее готовые составные части — отдельные модули, каждый из которых отвечает за выполнение одной из задач: поддержку устройств ввода/вывода, работу с базами данных, визуализацию, анализ данных. При получении заказа на систему формируется перечень модулей, необходимых заказчику для выполнения его конкретных задач, и ГИС "собирается" из них; при необходимости специфические модули могут быть дописаны. По мере развития системы перечень готовых модулей увеличивается, поскольку многие специфические пользовательские приложения после всесторонней проверки и тестирования переходят в разряд основных модулей системы. Так в большинстве ГИС появились модули геокодирования, сетевого анализа и некоторые другие. ГИС не является серийным продуктом, заказчику трудно с самого начала точно представить себе все задачи, которые он хотел бы решать с ее помощью, поэтому процесс внедрения крупной ГИС может занимать достаточно длительный срок и требует больших вложений. Такой срок связан в первую 7 очередь со сбором и сортировкой информации и необходимостью формирования больших баз данных. Для сокращения сроков и расходов первоначально выполняется тщательное изучение поставленной задачи и определяются наиболее рациональные пути ее решения. Следует отметить, что начало эксплуатации ГИС возможно задолго до окончания формирования баз. Существует множество более мелких проектов и просто исследовательских задач с использованием ГИС. Такие системы проектируются и внедряются существенно быстрее. История развития ГИС. В истории развития ГИС выделяют четыре периода: 1. Новаторский период (поздние 1950е - ранние 1970е гг.) - исследование принципиальных возможностей ГИС, пограничных областей знаний и технологий, первые крупные проекты и теоретические работы. 2. Период государственного влияния (ранние 1970е - ранние 1980е гг.) развитие крупных геонформационных проектов, финансируемых государством, снижение роли и влияния отдельных исследователей и небольших групп. 3. Период коммерциализации (ранние 1980е – ранние 1990е): широкий рынок разнообразных программных средств, развитие настольных инструментальных ГИС, расширение области их применения за счет интеграции с базами атрибутивных данных, создание сетевых приложений, появление значительного числа непрофессиональных пользователей, организация систем, поддерживающие индивидуальные наборы данных на отдельных компьютерах и корпоративные, распределенные базы геоданных. 4. Период потребления (поздние 1990е - настоящее время): повышенная конкурентная борьба среди коммерческих производителей геоинформационных доступность пользователям технологий и услуг, и самим “открытость” настраивать, программных адаптировать, средств позволяет использовать и модифицировать программы, 8 появление пользовательских “клубов”, телеконференций, территориально разобщенных, но связанных единой тематикой пользовательских групп, возросшая потребность в географических данных, формирование геоинформационной инфраструктуры планетарного масштаба. Хотя первые ГИС начали появляться уже в 60е года, и сейчас эта технология продолжает бурно развивается. Основной причиной этого, несомненно, является развитие вычислительной техники. Колоссальные объемы текстовой и графической информации, модельные расчеты, качественная графика, которыми оперируют ГИС, требуют значительных машинных ресурсов. До недавнего времени ЭВМ, имеющие характеристики, приемлемые для ГИС, стоили очень дорого, и подобную покупку могли позволить себе лишь большие организации, такие, как мэрии крупных городов. Так, например, в 1990 году для приобретения небольших ГИС требовалось 500 тыс. USD, более типичные затраты на программное и аппаратное обеспечение составляли 1 млн. USD. Сегодня в связи со значительным снижением цен на вычислительную технику машины с высоким быстродействием стали доступны гораздо большему кругу потенциальных покупателей. Значительно увеличилось также число поставщиков на рынке ГИС, проводится большое количество ГИС-ориентированных конференций, огромная работа ведется членами профессиональных ассоциаций, таких, как URISA и AM/FM International. Существует несколько причин растущей популярности ГИС. Среди них — развитие некоторых родственных областей, постоянное совершенствование диалога между машиной и пользователем, благодаря которому овладеть работой с ГИС можно путем минимального обучения. Все расширяющийся круг пользователей ГИС открыл новые возможности для обмена накопленной информацией. Некоторые системы, например, такие, как ATLAS CIS комплектуются по желанию заказчика готовыми базами данных. Все это приводит к тому, что в настоящее время покупателями ГИС становятся небольшие города и области, отдельные отрасли 9 промышленности, здравоохранение, образование и т. п. Небольшие учебные и справочно-информационные ГИС хотят иметь вузы и даже частные лица, чья деятельность связана с управлением. Сферы применения ГИС. Современный крупный город в условиях перехода к рыночным отношениям, децентрализации управления, повышения ответственности местных органов власти за конечный результат хозяйственной деятельности и социальный уровень жизни граждан не может нормально функционировать без четко налаженной системы всестороннего учета, анализа и оценки городских территорий. В настоящее время приоритетными и наиболее жизнедеятельными информационными системами являются ГИС, которые служат информационным базисом для решения следующих задач: — картография и инженерная геодезия (создание и обновление карт и планов); — научно-обоснованное перспективное и оперативное планирование развития города и его отдельных территорий; — оптимальное проектирование объектов промышленного и гражданского назначения на территории города; — разработка генерального плана города и контроль за его реализацией; — изучение состояния экологических, социально-экономических, природно-ресурсных условий территорий и их экономическая оценка; — совершенствование учета и рационального использования городс- ких земель и недвижимости (зданий и сооружений); — получение достоверной информации о местоположении и эксплуатации инженерных сетей городского коммунального хозяйства; — проведение налогообложения, взимание платежей за использование природных ресурсов, недвижимости, за загрязнение окружающей среды; — охрана прав пользователей, собственников, других потребителей региональных ресурсов. — пространственная навигация и др. 10 Первая сфера применения обслуживает как собственные нужды, так и дает пространственную основу для всех остальных сфер. Пространственная навигация желающему является сферой (использование доступной сегодня ГИС-web-сервисов практически любому подобных сайту www.maps.google.com (рис 1.5), остальные сферы обслуживают управление. Рис. 1.6 Возможности ГИС-web-сервиса Google. Опыт длительной эксплуатации ГИС показал широкое применение накопленной информации в узковедомственных и потребительских сферах — транспорт, ценообразование, туризм, купля-продажа, справочные услуги и пр. Таким образом, ГИС по назначению и по своим функциям является многоцелевой и ориентирована на обеспечение данными о городской среде широкого круга организаций и граждан. 11 К потенциальным потребителям геоинформации можно отнести: — городские структуры распорядительной и исполнительной властей; — планирующие органы; — налоговые инспекции; — юридические и правоохранительные органы; — архитектурно-планировочные и земельные службы города; — эксплуатирующие организации (коммуникации, транспорт, здания и сооружения); — научно-исследовательские и проектные институты; — строительные организации; — торговые организации, биржи всех назначений; — инспекции и контрольные органы социально-экономического и технического надзоров; — иностранных партнеров и инвеститоров; — коммерческие образования, предпринимателей; — частных лиц. Создание и функционирование ГИС сопряжено с целым рядом специфических задач организационно-правового, научно-технического, технологического и финансово-экономического характера, решение которых невозможно перенести из существующих методов информационного обеспечения. О значимости ГИС можно судить и по тому вниманию, которое уделяется им в большинстве развитых стран. Во многих из них образованы национальные и региональные организации, в задачи которых входят развитие исследований, связанных с ГИС и автоматизированной картографией, разработка предложений в сфере национального и городского планирования информации, координация программ получения, обработки и распространения этой информации, создание сетей ГИС. Для этих целей разработана правовая база, производится мощное аппаратное и программное обеспечение, налажена подготовка и переквалификация необходимого класса специалистов. Ресурсами 12 информационной системы являются: земля, воздух, вода, движимое и недвижимое имущество, рабочая сила, средства (деньги), материалы, концепции и технологии. Назначение системы — повышение уровня жизни людей на конкретной территории. Широко используются ГИС в области кадастра. Кадастр — это упорядоченная совокупность сведений о правовом, природном, хозяйственном и экономическом положениях физических объектов и явлений среды во времени в структурном, организационном, функциональном и информационном аспектах. В качестве примера приведем сайт Государственного комитета по имуществу Республики Беларусь (www.vl.nca.by), служащий для предоставления сведений о кадастровой стоимости земельных участков в республике (Рис. 1.7). Рис. 1.7 Главная страница сайта Государственного комитета по имуществу Республики Беларусь. 13 Рис. 1.8 Схема оценочного зонирования г.Минска (источник www.vl.nca.by) Обогащение рынка вычислительной техники, необходимость в управлении географической информацией неизбежно приведет к широкому применению ГИС. На основании опыта зарубежных стран, в частности, России, в Республике Беларусь была принята Государственная программа информатизации Республики Беларусь на 2003 2005 годы и на перспективу до 2010 года «Электронная Беларусь». Развитие геоинформационных технологий, подготовка квалифицированных кадров в этой области являются необходимостью для её выполнения. Основной целью программы является формирование в стране единого информационного пространства, которое повысит эффективность экономики, государственного и местного управления, обеспечит права на свободный поиск, передачу и распространение информации о состоянии экономического и социального развития общества. Все это рассматривается как один из этапов перехода к информационному обществу [6]. 1.2 СПЕЦИАЛЬНОЕ АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГИС В настоящее время на рынке существует огромное количество ГИС, 14 предназначенных для решения разных задач и имеющих неодинаковые функциональные возможности. ГИС могут работать на различных типах компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью ПК. На любом современном ПК можно организовать рабочее место пользователя ГИС. Информация, хранящаяся в базах данных ГИС, постоянно обновляется и растет, поэтому важно правильно оценить, какого объема она может достигнуть, и в зависимости от этого выбирать программное и аппаратное обеспечение. Сети Рабочая станция комплектуется портами, обеспечивающими подключение к ней других компьютеров. В сетях существуют специальные средства, обеспечивающие связь и координацию различных компьютеров. Взаимодействие между ЭВМ осуществляется устройствами, называемыми сетевыми контроллерами или сетевыми адаптерами. Техническая структура отдела ГИС представлена на Рис. 1.9. Рис. 1.9 15 Состав ГИС-сети: — Порталы каталогов метаданных, где пользователи могут провести поиск и найти ГИС-информацию в соответствии с их потребностями — ГИС-узлы, где пользователи компилируют и публикуют наборы ГИСинформации — Пользователи ГИС, которые ведут поиск, выявляют, обращаются и используют опубликованные данные и сервисы Внешние запоминающие устройства В качестве внешних запоминающих устройств в ПК используются накопители на жестких дисках (Hard Drive или HD), которые называют также "винчестер", оптических и магнитооптических дисках, и дисковые массивы. Жесткие диски Накопители на жестких дисках предназначены для постоянного хранения информации, операционной используемой системы, при постоянно работе с компьютером, применяемых пакетов, программ редакторов документов и т.д. Без жесткого диска в настоящее время практически невозможна работа с компьютером. Ёмкость современных устройств достигает 2000 Гб, для бытовых ПК до 500 Гб. Обычно производители указывают ёмкость диска как величину, кратную 1000, а не 1024, как следовало бы. В результате реальная ёмкость винчестера, заявленного как "200 Гб", составляет 186,2 Гб. Оптические диски Основными достоинствами накопителей на оптических дисках являются: пригодность для хранения информации, записанной в различной форме; возможность быстрой перезаписи больших объемов информации и надежность длительного хранения дисков; низкая удельная стоимость на байт информации. Выпускаются два типа накопителей на оптических дисках: на компактдисках постоянной памяти (CD- ,DVD- R) и на перезаписываемых оптических дисках (CD, DVD-RW). Накопители на оптических дисках могут содержать различные 16 руководства и учебники, эталонные копии программного обеспечения и другую неизменяемую информацию. Вместо хранения более 500 млн. алфавитноцифровых знаков накопитель может содержать до 20 000 страниц графических данных или 3600 цветных телевизионных кадров. Конструкция DVD-дисков такова, что она позволяет производить запись на обе стороны диска. Вместимость одной стороны диска составляет 4,7 Гб, а емкость двухстороннего двухслойного диска — 17 Гб. Для сжатия данных в устройствах этого типа используется алгоритм MPEG. Дисковые массивы Дисковый массив — это внешнее устройство хранения, состоящее из нескольких жестких дисков; как правило обладает кэш-памятью и контроллерами. Дисковые массивы (Рис. 1.9(а, б)) используют для размещения больших объемов информации свыше 10 Тб. Примеры дисковых массивов представлены на Рис. 1.9 (а (модель HP VA7100), б (модель HP VA7400)) а) б) Рис. 1.9. Преимущества ДМ: — централизованное хранение и управление Д; — возможность наращивания емкости (Рис. 1.7); — высокая производительность; — возможность подключения к нескольким серверам; — возможность подключения нескольких устройств к одному серверу (кластерная архитектура). — для изменения аппаратного и программного обеспечения не требуется остановка системы; 17 — отказоустойчивая архитектура, отсутствие единичных точек сбоя; — использование высокоскоростных дисков. Периферийные устройства ввода К устройствам ввода информации относятся клавиатура, дигитайзеры, сканеры и некоторая другая специализированная аппаратура. Сканеры Сканеры — устройства для считывания графической и текстовой информации. В ГИС они широко используются для получения растровых образов карт. Сканер позволяет создавать электронную копию изображения для последующей ее обработки. Кроме того, сканеры применяются для автоматизации делопроизводства, в издательской деятельности и т.д. Понятно, что для обеспечения различных видов деятельности нужны разные по своим характеристикам сканеры. Классифицировать сканеры можно по следующим параметрам: — способу подачи исходного материала для считывания (ручные, планшетные, и барабанные); — по принципу считывания информации (работающие на просвет, работающие на отражение); — по глубине цвета (количество бит на точку). Среди других параметров, характеризующих свойства устройств для сканирования, следует выделить: оптическое (геометрическое) разрешение, геометрическую точность, скорость и формат (максимальный размер) сканируемого источника. Ручные сканеры имеют Т-образный вид и осуществляют сканирование при ручном перемещении сканера по оригиналу. Эти сканеры самые дешевые и практически вытеснены дигитайзерами. Ясно, что при ручном использовании они мало пригодны для ввода картографической информации, поскольку не позволяют получить требуемую точность. Барабанные сканеры имеют барабан, на который крепится сканируемый материал. Сканирование производится при вращении барабана. Сканирующая 18 головка перемещается по направляющей параллельно оси барабана. Размер сканируемого оригинала зависит от размера барабана. Принцип работы планшетного сканера относительно прост. Внутри светонепроницаемого корпуса помещается устройство, состоящее из люминесцентной или специальной лампы, освещающей изображение, и фотоэлемента, собирающего отраженный (или прошедший) свет. Устройство представляет из себя матрицу из тысяч светочувствительных ячеек, каждая из которых накапливает заряд и приобретает потенциал, величина которого пропорциональна энергии поглощенного света. Затем аналого-цифровой преобразователь определяет для каждого потенциала его цифровое значение (диапазон значений зависит от разрешающей способности преобразователя). В то время как сканер считывает изображение, интерфейсная плата передает соответствующие данные в ПК, где они обрабатываются в прикладных системах. Для получения качественного изображения можно сканировать образец с наивысшим разрешением и максимальным количеством оттенков цвета, однако, как правило, в этом нет необходимости при использовании результатов сканирования для векторизации или в качестве растровой подложки в ГИС. В этом случае удобно использовать псевдо-полутоновое изображение, которое сканируется значительно быстрее, и занимает на диске гораздо меньше места. Кроме того, такие изображения пригодны для непосредственного вывода на лазерный принтер без предварительной модификации. Результат сканирования представляется в виде файла, который может быть представлен в различных форматах. Наиболее популярны TIFF, GIF, BMP. Штриховой режим работы сканера предназначен для двух целей: сканирования непосредственно штриховых изображений и для сканирования текста с последующей его обработкой программами оптического распознавания символов. Сканеры обычно имеют два режима работы: черно-белый и цветной. 19 Цветное же сканирование осуществляется за три прохода: отраженный от изображения свет поочередно проходит через три светофильтра: красный, зеленый и синий. Иногда применяется альтернативный вариант: последовательное освещение изображения светом трех цветов. Совмещение результатов дает представление о цвете. Количество передаваемых цветов зависит от числа разрядов отведенных на один пиксел (одну точку), обычно это 24, 30, или 48 разрядов (бит). Программное обеспечение, написанное для сканеров позволяет сканировать, редактировать и ретушировать изображения, а также записывать их в формате, удобном для последующей обработки и преобразования. С изображением, отсканированном в полутоновом режиме, можно производить самые разнообразные манипуляции, например, изменять его яркость и контрастность, увеличивать и уменьшать контрастность переходов при помощи фильтров. Кроме того, возможно получение псевдополутонового изображения. Лучшими фирмами-производителями широкоформатных сканеров считаются Contex, ANAtech (INTERGRAPH), Vidar Systems Corporation, Microtec, TDS Cad-Graphics Ltd. Дигитайзеры Дигитайзер (или графический планшет) - это устройство, которое является кодирующим преобразователем, который используется для перевода в цифровой формат технических чертежей и схем, а также всевозможных карт. На Рис. 1.10 представлен дигитайзер Genius G-Pen 450 4''x5'' Рис. 1.10 В состав дигитайзера входят: 20 o электронный планшет, на котором располагают чертеж или карту, предназначенную для оцифровки o специальный указатель с датчиком, напоминающим увеличительное стекло (лупу) с черным перекрестьем в центре Электронный графический планшет снабжен собственным контроллером. В задачи электронной части дигитайзера входит посылка импульсов по сетке проводников, расположенных под плоскостью планшета. Когда импульс проходит под перекрестьем указателя, датчик формирует сигнал, посылаемый контроллеру. Получив два таких сигнала (от горизонтального и вертикального проводников), контроллер преобразует их в координаты и передает эту информацию в компьютер. Здесь принятая информация переводится в координаты точки на экране монитора, соответствующей положению указателя на планшете. Принцип действия дигитайзера основан на фиксации местоположения курсора с помощью встроенной в планшет сетки, состоящей из проволочных или печатных проводников с довольно большим расстоянием между ними (от 3 до 6 мм). Но механизм регистрации положения курсора позволяет получить шаг считывания информации намного меньше шага сетки (до 100 линий на мм). Шаг считывания информации называется разрешением дигитайзера. Выпуском дигитайзеров занимаются такие фирмы как Summagraphics, Aristo Graphics Systeme GmbH, Kontron Electronik GmbH, TDS Csd-GraphicsLtd. Периферийные устройства вывода К компьютерам подключаются периферийные устройства вывода, к которым относятся принтеры, графопостроители. В настоящее время произошло почти полное слияние этих видов устройств. Принтеры Принтеры предназначены для вывода информации на бумагу. Все они могут выводить текстовую информацию, графику (рисунки, диаграммы и т.п.), некоторые — цветные изображения. Встречаются принтеры матричные, струйные и лазерные. 21 Матричные (или точечно-матричные) принтеры встречаются теперь достаточно редко. Печатающая головка этих устройств содержит вертикальный ряд тонких стержней-иголок. Она движется вдоль строки, а стержни в нужный момент ударяют по бумаге через красящую ленту, обеспечивая формирование нужного изображения. В ряде матричных принтеров применяется многоцветная печать. Матричные принтеры различаются по количеству игл в печатающей головке (от 9 до 24) и формату (А4 или A3). В струйных принтерах изображение формируется микрокаплями специальных чернил, выдуваемых на бумагу при помощи сопел; такие принтеры работают практически бесшумно и имеют очень большую разрешающую способность (порядка 4800 точек в знаке), а также возможность многоцветной печати. Этот способ обеспечивает более высокое качество печати по сравнению с матричными принтерами, однако требует более тщательного ухода и обслуживания. Лазерные принтеры обеспечивают качество печати близкое к типографскому. При этом способе для печати используется принцип ксерографии: изображение переносится на бумагу со специального барабана, к которому электрически притягиваются частички краски. Отличие лазерного принтера от обычного ксерокопировального аппарата состоит в том, что печатающий барабан электризуется с помощью луча лазера по командам из компьютера. Лазерные принтеры удобны для получения качественных печатных документов. Графопостроители (плоттеры) Графопостроители (Рис. 1.11) — устройства для вывода чертежей на бумагу. Первые графопостроители фирмы CalComp появились на рынке в 1959 году. Все графопостроители можно разделить на два больших класса: векторные и растровые. 22 Рис. 1.11 В векторных графопостроителях изображение рисуется пишущим узлом, который перемещается по двум координатам над неподвижным носителем или по одной координате над носителем, который может двигаться в перпендикулярном по отношению к пишущему узлу направлении. В качестве пишущего узла могут использоваться карандаши, шариковые и капиллярные стержни, фломастеры и даже гравировальные резцы. Растровые графопостроители создают изображение путем нанесения красителя на отдельные точки носителя. Имеется несколько типов растровых графопостроителей, которые используют те же способы нанесения красителей, которые мы видели при обсуждении типов принтеров: струйные, лазерные, электростатические и т.п. Имеются графопостроители, рассчитанные на формат А4, бывают графопостроители, выдающие чертеж размером 2х2 метра и более. Векторные графопостроители — это электромеханические устройства. Существуют два типа векторных графопостроителей: рулонные и планшетные. В устройствах первого типа пишущий узел перемещается вдоль некоторой направляющей, а носитель (бумага, пластик и т.п.) в перпендикулярном направлении. Как правило, носитель приводится в движение роликами, между которыми он зажимается, т.е. для перемещения используется сила трения. В устройствах второго типа — планшетных, носитель неподвижен, в то время как пишущий узел перемещается по всей плоскости изображения. Планшетные плоттеры могут обеспечить более высокую точность, однако более громоздки. В настоящее время на рынке графопостроителей большого формата (АО и А1) преобладают рулонные устройства. Основные 23 характеристики перьевых графопостроителей всех видов близки по значениям. Однако при выводе графики, в которой преобладает буквенно-цифровая информация, скорость снижается. Векторные графопостроители малопригодны для создания документов, в которых имеются закрашенные области (например, тематических карт, в которых использованы картограммы и картодиаграммы), поэтому их применение в ГИС носит ограниченный характер. Работа растровых графопостроителей основана на немеханических способах, что позволяет существенно увеличить скорость вывода изображений. В ее основе лежат некоторые химические процессы. Растровые графопостроители бывают электростатическими, чернильноструйными, термографическими и лазерными. Принцип принципу работы работы перечисленных соответствующих графопостроителей принтеров. Наряду аналогичен с высокой производительностью и информативностью эти устройства обеспечивают хорошее качество использовать в выходного системах документа. подобных Поэтому ГИС и в их целесообразно профессиональных картографических системах для изготовления "конечного" рабочего документа (чертежа, карты или матрицы для тиражирования карт). Кроме того, лазерная и струйная технологии записи изображений позволяет создавать аппаратуру для вывода информации на микрофильм с недоступным для других способов разрешением. Следует заметить, что для работы с цветом на компьютере как правило используется адаптивная цветовая модель или палитра RGB (красный/ зеленый/ синий). Из комбинации этих основных цветов формируются все краски, которые мы видим на экранах мониторов и телевизоров. В плоттерах и принтерах используется палитра CMYK ( голубой/ пурпурный/ желтый/ черный), поэтому при выводе на цветной принтер или плоттер встает задача преобразования из палитры в палитру. Однако RGB палитра позволяет задать более широкий спектр цветов, чем CMYK палитра. Поэтому при 24 преобразовании палитр не всегда возможно точное воспроизведение цвета. При выборе графопостроителей следует обращать внимание на следующие характеристики: — размеры носителя и изображения (длина, ширина, размер полей); — параметры точности , точность позиционирования, повторяемость); — параметры производительности (скорость печати или рисования); — память; — форматы данных; — палитра; — наличие встроенных растеризаторов. GPS (спутниковые системы определения координат) и электронное геодезическое оборудование Спутниковая система навигации (GPS - Global Positioning System) позволяет в любом месте Земли, при любой погоде, а также в космическом пространстве вблизи планеты определить местоположение и скорость объектов. Для определения координат и высоты приёмника, используются сигналы как минимум с трёх спутников (Рис 1.12). Рис. 1.12 Спутник системы GPS на орбите. Основной принцип использования системы — определение местоположения путём измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами — спутников. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приёма антенной GPS-приёмника. GPS-приёмники (Рис. 1.13) используются для определения местонахождения и скорости. 25 Рис. 1.13 GPS-приёмники могут быть выполнены в виде отдельных устройств и встроены в другое оборудование (мобильный телефон) Функции GPS-приёмников: — позволяют видеть своё местонахождение на электронной карте; — имеют возможность прокладывать маршруты с учётом дорожных знаков, разрешённых поворотов и пробок; — искать на карте конкретные дома и улицы, достопримечательности, кафе, больницы, автозаправки и прочие объекты инфраструктуры. Однако с использованием GPS-приёмника практически невозможно определить своё точное местонахождение внутри железобетонного здания, в подвале, в тоннеле. Лазерные дальномеры - ручные лазерные безотражательные дальномеры. Предназначены для измерения расстояний до 200 метров, с точностью до 1,0 мм. Наиболее распространенное название этих приборов лазерные рулетки. Электронный тахеометр — геодезический прибор для измерения расстояний, горизонтальных и вертикальных углов. Используется для вычисления координат и высот точек местности при топографической съёмке местности, при разбивочных работах, переносе на местность высот и координат проектных точек. Достоинства Электронного тахеометра: — Высокая дальность измерения (500 метров) — Высокая точность измерения расстояний (±2 мм) — Высокая скорость измерений расстояний (менее 1 сек) 26 — Большой объем памяти для хранения данных (>1 Мб) + слот для CF карт памяти. — Видимый лазерный луч малого диаметра. Позволяет легко выполнять измерения сквозь препятствия. — Простой экспорт в AutoCAD и другие CAD системы . Загрузка координат в тахеометр. — Внутреннее программное обеспечение решает не только различные вычислительные задачи, но и предоставляет эффективные средства контроля и анализа измерений. — определение координат — высота недоступного объекта — вычисление площади — архитектурные обмеры — проецирование точки В настоящее время на рынке существует огромное количество разнообразного аппаратного обеспечения, причем организация, внедряющая у себя ГИС, несомненно уже обладает некоторым набором вычислительной техники, поэтому перед ней встает задача использования имеющейся техники с ГИС, из чего вытекает необходимость наличия в системе драйверов — программ, осуществляющих связь с определенным периферийным устройством, и передающих данные от компьютера к устройству и обратно. 2. ОРГАНИЗАЦИЯ ДАННЫХ В ГИС 2.1 ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДАННЫХ ГИС как системы обработки пространственно-временной информации относятся к классу информационных систем. Они имеют общие, присущие всему классу, и индивидуальные, присущие только ГИС, свойства. К особенностям ГИС следует отнести наличие больших объемов хранимой в них информации. 27 Рис. 2.1 Кроме того, они отличаются специфичностью организации и структурирования моделей данных (Рис. 2.1). ГИС характеризуются разнообразием графических данных со специфическими их частями и связями. В частности, карта может быть рассмотрена как двухмерная аналоговая модель, отображающая трехмерную поверхность (Рис.2.2). Рис. 2.2 Используя процедуры абстракции, определим более общую модель геоинформационных данных как абстракцию данных, которые содержатся на земной поверхности. Такой подход требует выделения основных типов данных и их многочисленных связей. Одной из основных моделей в первых ГИС был набор имен и характеристик в сочетании с множеством именованных данных, местонахождение которых задается координатами. Эта простая модель не 28 содержала каких-либо семантических данных, помогающих пользователю при работе с базами данных. Дальнейшие исследования привели к необходимости развития и усложнения такой модели. Другими словами, возникла потребность создания общей модели данных ГИС и ее основных частей для оптимальной обработки в базах данных и эффективного описания объектов. Данные реального мира, отображаемые в ГИС, можно рассматривать с учетом трех аспектов: пространственного, временного и тематического. Пространственный аспект связан с определением местоположения, временной - с изменениями объекта или процесса с течением времени, в частности от одного временного среза до другого. Примером временных данных служат результаты переписи населения. Тематический аспект обусловлен выделением одних признаков объекта и исключением из рассмотрения других. Все измеримые параметры моделей геоинформационных данных подпадают под одну из этих характеристик: место, время, предмет. Затруднительно исчерпывающим образом описать сразу все три эти характеристики. Поэтому при построении моделей данных на основе наблюдений явлений реального мира один параметр считают "неизменным", изменения другого "задаются" и при этом "измеряют" изменения третьего параметра. Зафиксировав географическое положение и изменяя время, можно получить временные ряды данных. Зафиксировав время и изменяя географическое положение, получаем данные по профилям. В большинстве технологий ГИС для определения места используют один класс данных - координаты, для определения параметров времени и тематической направленности - другой класс данных - атрибуты. Однако прежде чем рассмотреть два основных класса данных в ГИС, необходимо рассмотреть методы определения местоположения точек объектов на поверхности Земли. 29 Определение положения точек на поверхности Земли Координатные данные, составляющие один из основных классов геоинформационных данных, используют для указания местоположения на земной поверхности. Поверхность Земли имеет сложную форму. При общей площади ее поверхности 510 млн. км2 71 % приходится на дно морей и океанов и 29 % - на сушу. Это дает основание считать, что земная поверхность состоит из двух резко отличающихся морфологических элементов - материков и океанов. С учетом того, что поверхность вод Мирового океана занимает почти 3/4 поверхности Земли, за общую фигуру земли принимают тело, ограниченное поверхностью воды океанов. Такая поверхность называется уровненной. Потенциал силы тяжести на ней имеет одно и то же значение. Другими словами, эта поверхность везде перпендикулярна отвесной линии, т.е. везде горизонтальна. Можно построить семейство горизонтальных поверхностей. Поверхность, которая совпадает с поверхностью Мирового океана в состоянии покоя и равновесия и продолжена под материками, образует фигуру, принятую в геодезии за общую фигуру Земли, называемую геоид. С помощью методов дистанционного зондирования удалось установить, что Земля имеет грушевидную форму. В качестве математической модели Земли применяют эллипсоид, который в геодезии принято называть референц-зллипсоидом. В СССР до 1946 г. использовался эллипсоид, полученный Ф. Бесселем. В 1946 г: для обязательного использования был введен эллипсоид, вычисленный в ЦНИИГАиК в 1940 г. под руководством Ф.Н. Красовского при участии А.А. Изотова. Для отображения положения точек поверхности на плоскости используют различные математические модели поверхности и различные системы координат. На практике применяют два основных типа коорди- 30 нат: плоские и сферические. Реже применяют криволинейные или полярные. Выбор системы координат зависит от размеров исследуемых участков поверхности, как следствие, от влияния кривизны Земли. При изображении небольших участков Земли часть уровненной поверхности можно принять за плоскость. Такими участками будут участки до 20 км длиной и площадью до 400 км2. В этих случаях применимы плоские координаты. Плоские декартовы координаты определяются заданием двух осей. При этом обычно координата Х указывает на восток, Y - на север. Задают масштабные отрезки. Упорядоченная пара (X, Y) определит положение точки в заданной системе. Плоские полярные координаты используют расстояние от начала координат (r) и угол (() от фиксированного направления. Направление обычно фиксируется на север, а угол отсчитывается по часовой стрелке от него. Полярные координаты удобны при проведении измерений от какой-либо заданной точки, например, когда используются данные таких источников, как радарные съемки. При необходимости учета кривизны Земли применяют пространственные системы координат. Для определения географической системы координат (разновидности сферической системы) введем следующие понятия: • плоскость земного экватора - проходит через центр Земли перпендикулярно к оси вращения; • плоскость географического (астрономического) меридиана- проходит через ось вращения Земли и отвесную линию в точке земной поверхности; • меридиан - линия пересечения плоскостей географических меридианов с земной поверхностью; • параллель - линия, образованная пересечением плоскости, параллельной плоскости земного экватора, с поверхностью Земли. 31 Положение точки определяется широтой ((р) и долготой ( А.). Широта - это угол между точкой и экватором вдоль меридиана '. Она изменяется от -90 ° (южный полюс) до +90 ° (северный полюс). Долгота - это угол в плоскости экватора между меридианом точки и главным (нулевым) меридианом, проходящим через Гринвич (Англия). Она изменяется от -180° (западная долгота) до +180° (восточная долгота). На рисунке 2.3 изображено измерение широты и долготы для точки на поверхности Земли с координатами 550 с. ш. и 600 в. д. Рис. 2.3 Основными понятиями этой системы координат являются: меридиан - линия постоянной долготы; параллель - линия постоянной широты; большой круг - воображаемый круг на земной поверхности, образованный плоскостью, проходящей через центр земного шара; малый круг - воображаемый круг на земной поверхности, образованный плоскостью, не проходящей через центр земного шара. Рассмотренные системы координат носят в большей степени теоретический характер. На практике используют более широкий набор систем координат: геоцентрические, топоцентрические, полярные гео- дезические, эллиптические и др. Координатные данные Геометрически информация, содержащаяся на карте, может быть определена как совокупность наборов точек, линий, контуров и площа- 32 дей, имеющих метрические значения, отражающие трехмерную реальность. Эта информация образует класс координатных данных ГИС, являющийся обязательной характеристикой геообъектов. Будучи частью (классом) общей модели данных в ГИС, координатные данные определяют класс координатных моделей. Основные типы координатных моделей Класс координатных моделей можно разбить на типы. При этом следует учесть, что попытка включить в описание широкий набор групп приводит к усложнению базы данных и процессов обработки. В ГИС используют меньшее число атомарных моделей по сравнению с САПР. В ГИС, как и в САПР, применяют набор базовых геометрических типов моделей, из которых создают все остальные, более сложные. С учетом предметной области карт ограничиваются лишь описанием таких типов (структур географических данных), которые относятся к представлению топографии и к тематическому упорядочению. В ГИС включают следующие основные типы координатных данных: • точка (узлы, вершины) (см. Рис. 2.4); Рис. 2.4 Отображение точечных объектов. ; • линия незамкнутая (см. Рис. 2.5); 33 Рис. 2.5 Отображение линейных объектов • контур (замкнутая линия); • полигон (ареал, район) - группы примыкающих друг к другу замкнутых участков (Рис. 2.6). Рис. 2.6 Отображение полигональных объектов. В некоторых системах в описание основных типов моделей включают понятие пространственная сеть, которая является развитием типа данных район. Контуры и линии часто объединяют общим термином "линейные объекты". Таким образом, в разных ГИС число основных типов координатных моделей меняется от трех до пяти. Проводя сравнение с технологиями САПР, отметим, что основные типы координатных данных являются аналогами атомарных моделей в САПР, которые называют примитивами. Приведенные выше понятия носят концептуальный характер. На практике для построения реальных объектов используют большее число составных координатных моделей. В разных ГИС они незначительно отличаются, поэтому рассмотрим в качестве примера набор данных в системе ГеоГраф: • точка - пара координат X, Y; • отрезок - линия, соединяющая две точки; • вершина (вертекс) - начальная или конечная точка отрезка; • дуга (линия) - упорядоченный набор связных отрезков (или вершин); • узел - начальная или конечная вершина дуги; 34 • висячий узел - узел, принадлежащий только одной дуге, у которой начальная и конечная вершины не совпадают; • псевдоузел - узел, принадлежащий только двум дугам либо одной замкнутой дуге, у которой начальная и конечная вершины совпадают. Исключением является узел, принадлежащий двум дугам, одна из которых самозамкнута в этом узле, а другая примыкает к ней (такой узел является нормальным); • нормальный узел - узел, принадлежащий трем (и более) дугам. Нормальным также является узел, принадлежащий двум дугам, одна из которых самозамкнута в этом узле, а другая примыкает к ней; • висячая дуга - дуга, имеющая висячий узел; • замкнутая дуга - дуга, у которой совпадают начальная и конечная вершины (у такой дуги имеется только один узел); • полигон - единичная область, ограниченная (находящаяся внутри) замкнутой дугой или упорядоченным набором связных дуг, которые образуют замкнутый контур; • покрытие - набор файлов, фиксирующий в виде цифровых записей пространственные объекты (точки, дуги, полигоны) и структуру отношений между ними; • пустое покрытие - покрытие, в котором отсутствуют пространственные объекты; • слой - покрытие, рассматриваемое в контексте его содержательной определенности (растительность, рельеф, административное деле- ние и т.п.) или его статуса в среде редактора (активный слой, пассивный слой); • внутренний идентификатор пространственного объекта - целое число, являющееся служебным идентификатором системы (уникальное для каждого объекта данного покрытия и назначаемое автоматически в процессе работы редактора). Может изменяться системой в процессе работы; 35 • пользовательский идентификатор (внутренний ключ) простран- ственного объекта - целое число, служащее для связи объектов цифровой карты с базой (таблицами) тематических данных. Назначается и изменяется только пользователем. Точечные объекты. Простейший тип пространственного объекта задают точечные данные, к которым относятся не только точки, но и все точечные условные знаки. Выбор объектов, представляемых в виде точек, зависит от масштаба карты или исследования. Например, на крупно масштабной карте точками показываются отдельные строения, а намелкомасштабной карте города. Особенность точечных объектов состоит в том, что они хранятся и в виде графических файлов, как другие пространственные объекты, и в виде таблиц, как атрибуты. Последнее обусловлено тем, что координаты каждой точки описывают как два дополнительных атрибута. В силу этого информацию о наборе точек можно представить в виде развернутой таблицы или таблицы, содержащей помимо координат наборы атрибутов (идентификационные номера, тематические характеристики и т.д.). В таких таблицах каждая строка соответствует точке - в ней собрана вся информация о данной точке. Каждый столбец - это признак, содержащий типизированные данные: координаты или атрибуты. Каждая точка независима от всех остальных точек, представленных отдельными строками. Линейные объекты. Они широко применяются для описания сетей, для которых в отличие от точечных объектов характерно присутствие топологических признаков. Любая сеть состоит из узлов (вершин) - соединений, концов обособленных линий и звеньев (дуг) - цепей в модели базы данных. Для каждого узла существует специальная характеристика, называемая валентностью, определяемая количеством звеньев в нем. Концы обособленных линий одновалентны. Для уличных сетей (пересечения 36 типа "крест") наиболее характерны четырехвалентные узлы. В гидрологии чаще всего встречаются трехвалентные узлы. В древовидной сети (Е-дерево) каждая пара узлов имеет лишь одно соединение, не допускаются петли и замкнутые контуры, большая часть речных сетей имеет древовидную структуру. Линейные объекты, как и точечные, имеют свои атрибуты, причем разные для дуг (звеньев) и узлов. Атрибутами для дуг являются: • направление движения, интенсивность движения, протяженность; • количество полос, время пути вдоль звена; • диаметр трубы, направление движения газа; • напряжение в ЛЭП, высота опор; • количество путей, уклон, ширина тоннеля, грузоподъемность и др. Атрибуты для узла: • наличие перехода, названия пересекающихся улиц; • наличие автоматического регулирования перекрестков; • тип (ручной или автоматический) перевода стрелок; • характеристики трансформаторов ЛЭП; • мощность компрессора. Некоторые атрибуты (например, названия пересекающихся улиц) служат для связи одного типа объектов с другими (узлы со звеньями), другие характеризуют только участки звеньев сети. Во многих ГИС для включения дополнительных атрибутов в сеть необходимо разбиение существующих звеньев и создание новых узлов. Например, звено улицы, часть которой ремонтируется, разрывается на месте начального и конечного участка ремонта, его атрибуты присваиваются новому (двухвалентному) узлу. Другой пример: для отрезка дороги, проходящей через мост, создаются новое звено и два новых узла. Такой подход может привести к появлению недопустимо большого числа звеньев и двухвалентных узлов, поэтому он имеет ограничение, определяемое ресурсами конкретной ГИС. 37 Сети часто используют как системы линейной адресации. В этих случаях точки размещают в сети по данным о номере звена и о расстоянии от его начала. Это более удобно, чем использовать X, Y координаты точки из таблицы, поскольку такие данные непосредственно указывают положение точки в сети. Данный подход определяет метод присвоения атрибутов отдельным участкам звеньев. При этом линейные объекты (здания, тоннели) хранятся в отдельных таблицах, а с сетью они увязаны путем указания номера звена и расстояния от его начала. Для точечных объектов необходимо указать одно значение координат, для линейных — два (для начальной и конечной точек). Это позволяет при необходимости рассчитать X, Y координаты этих объектов и исключает необходимость дробить звенья и вводить двухвалентные узлы. Ареалы. В настоящее время в ГИС может быть представлено несколько типов ареалов: зоны в приложении к окружающей среде или природным ресурсам, социально-экономические зоны, данные об угодьях и др. Для ареальных объектов границы могут определяться свойством или явлением, а также независимо от явления (затем перечисляются значения атрибутов). Кроме того, границы могут устанавливаться искусственно, например для микрорайонов. Взаимосвязи между координатными моделями В общем случае пространственные данные могут иметь большое число разнообразных связей. Эти связи играют важную роль для пространственного анализа данных. Например, связь типа "содержится в" позволяет соотносить объекты с их окружением, связь "пересекает" между двумя линиями важна для анализа маршрутов в сетях. Взаимосвязи могут существовать между объектами одного типа или разных типов. 38 Исходя из критерия построения моделей можно выделить три основных типа взаимосвязей между координатными объектами. Первый тип - взаимосвязи для построения сложных объектов из ростах элементов, например, взаимосвязи между дугой и упорядоченным набором определяющих ее вершин, взаимосвязи между полигоном упорядоченным набором определяющих его линий. При этом испольуют процедуры агрегации и обобщения. Второй тип - взаимосвязи, которые можно вычислить по координатам объектов. Например, координаты точки пересечения двух линий определяют взаимосвязь типа "скрещивается" и наличие четырехвалентного узла. Табличные координаты отдельной точки и данные о границax полигонов позволяют найти полигон, включающий данную точку. Этим определяется взаимосвязь типа "содержится в". Используя данные о раницах полигонов, можно выяснить, перекрываются ли полигоны, и тем амым установить взаимосвязь типа "перекрывает". Другими словами, втоой тип связи содержится в атрибутивных данных в неявном виде. Третий тип - "интеллектуальный". Эти взаимосвязи нельзя вычислить по координатам, они должны получать специальное описание и семантику при вводе данных. Например, можно вычислить пересечение двух линий, но, если этими линиями являются автодороги, нельзя сказать, пересекаются они или в этом месте находится развязка автодорог. Следовательно, для решения дополнительных задач необходима информация о связях. Учет связей происходит при кодировании данных, т.е. в подсистемах семантического моделирования. Номенклатура и разграфка топографических карт Поскольку основой интеграции данных в ГИС является географическая информация, необходимо рассмотреть понятия разграфка и номенклатура топографических карт. Разграфкой называется разделение топографических карт на листы. 39 Номенклатура - это система обозначений отдельных листов топографических карт. Общегеографические карты делятся на три вида: • обзорные (масштаб 1 : 1 000 000 и мельче); • обзорно-топографические (масштаб 1: 100 000- 1 : 1 000 000); • топографические (масштаб 1 : 100 000 и крупнее). Обзорно-топографические карты составляются по картам более крупных масштабов. Топографические карты составляются по результатам съемок территорий и отличаются детальностью изображения местности. Это многолистные карты, т.е. на каждом листе отображается часть территории, а в совокупности на всех листах содержится полное отображение. Строго говоря, криволинейная часть поверхности отображаемой на листе карты соответствует некоей криволинейной трапеции. Поэтому для обозначения определенных листов карты используют термин трапеция. В основу разграфки топографических карт положен лист карты масштаба 1 : 1 000 000. Для составления карты такого масштаба изображение земной поверхности разбивается на 60 колонн (двухугольников) начиная от Гринвичского меридиана через 6° . Двухугольники нумеруются арабскими цифрами от 1 до 60 на восток от 180°. Возможна нумерация от 0°. В этом случае двухугольники называют не колоннами, а зонами. Нумерация зон от колонн отличается на 30 единиц, например, колонна с номером 40 соответствует зоне с номером 10. Таким образом колонны и зоны делят земной шар по меридианам. Параллелями через 4° по широте изображение земной поверхности делится на ряды, обозначаемые буквами латинского алфавита к северу и югу от экватора. Таким делением по меридианам и параллелям определяется номенклатура листа карты масштаба 1 : 1 000 000 (миллионной). Номенклатура каждого листа включает букву ряда и номер колонны. Так, лист, на котором показывается г. Москва, имеет номенклатуру N-37, что 40 соответствуют 52 - 56° широты и 36 - 42° долготы. Номенклатура сдвоенных или счетверенных листов карты складывается из обозначений широтного пояса и соответственно двух или четырех колонн. Номенклатура листов карт более крупных масштабов связана с номенклатурой листов миллионной карты. Так, лист карты масштаба 500 000 составляет 1/4 листа миллионной карты и обозначается добавлением прописной буквы А, Б, В, Г к номенклатуре листа миллионной карты, например N-37-Б. Лист карты масштаба 1 : 300 000 составляет 1/9 листа миллионной карты и обозначается римскими цифрами от I до IX, расположенными перед номенклатурой миллионного листа, например I-N-37. Лист карты масштаба 1 : 200 000 составляет 1/36 листа миллионной карты и обозначается римскими цифрами от I до XXXVI, расположенными после номенклатуры миллионного листа, например N-37-I. Лист карты масштаба 1 : 100 000 составляет 1/144 листа миллионной карты и обозначается арабскими цифрами от 1 до 144, расположенными после номенклатуры миллионного листа, например N-37-143. Номенклатура листов карт более крупных масштабов строится на основе листа карты масштаба 1 : 100 000, подобно тому, как строились номенклатуры рассмотренных выше карт на основе листа миллионной карты. Так, лист карты масштаба 1 : 50 000 составляет 1/4 листа карты масштаба 1: 100 000 и обозначается добавлением прописной буквы А, Б, В, Г к номенклатуре листа карты стотысячного масштаба, например N-37-144-A. Лист карты масштаба 1 : 50 000 содержит 4 листа карты масштаба 1: 25 000, которые обозначаются добавлением строчных букв а, б, в, г к номенклатуре листа карты пятидесятитысячного масштаба, например N-37-144E-6. 41 Лист карты масштаба 1 : 25 000 содержит 4 листа карты масштаба 1: 10 000, которые обозначаются добавлением арабских цифр 1, 2, 3, 4 к номенклатуре листа карты двадцатипятитысячного масштаба, например N-37144-B-a-l. Лист карты масштаба 1 : 100 000 содержит 256 листов карты масштаба 1: 5 000, которые обозначаются добавлением арабских цифр от 1 до 256 к номенклатуре листа карты стотысячного масштаба, например N-37144-(255). Номенклатура листа карты масштаба 1:2 000 образуется на основе деления листа карты 1: 5 000 на 9 частей. Каждый лист обозначается путем добавления строчных букв русского алфавита а, б, в, г, д, е, ж, з, и к номенклатуре пятитысячного масштаба, например N-37-144-(256-a). 2.2 АТРИБУТИВНАЯ ИНФОРМАЦИЯ В ГИС Одних координатных данных недостаточно для описания картографической или сложной графической информации. Картографические объекты кроме метрической обладают некоторой присвоенной им описательной информацией (названия политических единиц, городов и рек). Характеристики объектов, входящие в состав этой информации, называют атрибутами. Совокупность возможных атрибутов определяет класс атрибутивных моделей ГИС. Выше отмечалось, что атрибутивные данные описывают тематические и временные характеристики. Таблица, содержащая атрибуты объектов, называется таблицей атрибутов. Атрибуты, соответствующие тематической форме данных и определяющие различные признаки объектов, также хранятся в таблицах. Каждому объекту соответствует строка таблицы, каждому тематическому признаку - столбец таблицы. Каждая клетка таблицы отражает значение определенного признака для определенного объекта. Временная характеристика может отражаться несколькими способами: • путем указания временного периода существования объектов; 42 • путем соотнесения информации с определенными моментами времени; • путем указания скорости движения объектов. В зависимости от способа отражения временной характеристики она может размещаться в одной таблице или в нескольких таблицах атрибутов данного объекта для различных временных этапов. Применение атрибутов позволяет осуществлять анализ объектов базы данных с использованием стандартных форм запросов и разного рода фильтров, а также выражений математической логики. Последнее эффективно при тематическом картографировании. Кроме того, с помощью атрибутов можно типизировать данные и упорядочивать описание для широкого набора некоординатных данных. Таким образом, атрибутивное описание дополняет координатное, совместно с ним создает полное описание моделей ГИС и решает задачи типизации исходных данных, что упрощает процессы классификации и обработки. Атрибутами могут быть символы (названия), числа (статистическая информация, код объекта) или графические признаки (цвет, рисунок, заполнения контуров). Числовые значения в ГИС могут относиться как к координатным данным, так и к атрибутивным. Для пояснения этого напомним, что основной формой представления атрибутивных данных в БД является таблица, а в таблице могут храниться как координаты объектов (координатные данные), так и описательные характеристики (атрибутивные данные). Можно по-разному организовывать взаимосвязь координатного и атрибутивного описания. Например, В. Вебером было предложено специфическое сочетание координатного и атрибутивного классов для описания картографических данных. Для построения общей модели данных ГИС он вводит четырехмерное пространство объекта, где первые два (плановые) размера присваиваются данным X, У, атрибуты распола43 гаются в третьем измерении, а четвертое измерение резервируется для временных наборов данных. Такой подход не нов, он заимствован из методов релятивистской механики и теории N-мерных пространств. По Веберу, данные по координате Z следует обрабатывать как атрибуты, помещая их в одну и ту же категорию наряду с описательными текстами и значениями. Существуют различные методы хранения атрибутивной информации в ГИС: - хранение для всех объектов системы 1-2 стандартных атрибутов; • хранение таблицы атрибутов, связанных с пространственными объектами, и информации о реляциях; • хранение ссылок на элементы данных иерархической или сетевой БД; хранение атрибутивной информации может вообще не применять- ся, если система опирается на классификатор. Вопросы точности координатных и атрибутивных данных Использование любой информации допустимо, если она удовлетворяет определенным критериям и стандартам. Одним из критериев применимости пространственно-временных данных в системах ГИС является точность - близость результатов, расчетов или оценок к истинным значениям (или значениям, принятым за истинные). Например, точность горизонтали в цифровой базе данных, полученной на основе дигитализации по карте, можно оценить сравнением ее с горизонталью на исходной карте. Рассмотрим несколько показателей точности в ГИС' точность вычисления, точность измерения, точность представления Точность вычисления определяется количеством значимых цифр после запятой, точность измерении - количеством значимых цифр при измерениях, точность представления - количеством разрядов, описывающих координатные данные 44 Точность вычислений и измерений не адекватна точности представления. Большое количество значимых цифр не всегда гарантирует точность вычислений или измерений. Точность вычисления в ГИС велика, обычно она намного выше, чем точность самих данных Более того, набор специальных методов и алгоритмов в ряде случаев позволяет повысить точность первичных измерений. Точность входит в комплекс данных, определяющий важный показатель - качество данных. В США разработаны национальные стандарты для цифровых картографических данных, которые применяются при оценке точности цифровых данных. Стандарт выделяет несколько компонентов качества данных • позиционную точность; • точность атрибутов; • логическую непротиворечивость; • полноту, • происхождение. Позиционная точность выражается степенью отклонения данных ГИС о местоположении от истинного положения объекта на местности Обычно точность карт приблизительно определяется толщиной линии, или 0,4 мм Это соответствует 10 м в масштабе 1 : 25 000. Для проверки позиционной точности используют независимые более точные источники, например карту более крупного масштаба, систему глобального позиционирования (GPS) и др. Можно на основе известного в статистике правила "переноса ошибок" оценить точность, зная погрешности, вносимые различными источниками. Например, при создании цифровой модели имели место следующие погрешности-1 мм в исходном материале, 0,4 мм на карте, предназначенной для цифрования, 0,1 мм при цифровании. 45 Точность атрибутов определяется близостью значений атрибута к его истинной величине. Атрибуты могут со временем меняться: довольно часто по сравнению с координатными данными. В зависимости от типов данных точность атрибутов может быть измерена разными способами. Для непрерывных атрибутов (поверхнос- тей), например в полигонах Тиссена, точность выражается как погрешность измерений. Для атрибутов категорий объектов, например классифицированных полигонов, точность зависит от того, являются ли категории подходящими, достаточно подробными и определенными, и от того, какова вероятность наличия в данных грубых ошибок. Точность атрибута может быть различной в разных частях карты, поэтому полезнее рассчитывать пространственную вариацию вероятности ошибки в классификации, чем пользоваться обобщенными статистическими показателями. Понятие логической непротиворечивости связано с непротиворечивостью данных в базах данных. В среде ГИС это понятие распространяется на внутреннюю непротиворечивость структур данных и внутреннюю топологическую непротиворечивость векторных данных. В частности, это определяет такие требования, как замкнутость полигонов, уникальность идентификатора полигона, наличие или отсутствие узлов на пересечениях дуг. Понятие полноты (достаточности) данных связано со степенью охвата данными множества соответствующих объектов. В зависимости от правил отбора, генерализации и масштаба определяют число соответствующих объектов для полного описания ситуации, картографической композиции, явления и т.п. Несколько специфический показатель происхождение включает сведения об источниках данных и операциях по созданию базы данных, о методах кодирования данных, времени сбора данных, методе обработки данных, точности результатов вычислений и т.п. 46 2.3 ЭЛЕМЕНТЫ ЦИФРОВОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ КАРТОГРАФИИ Векторные и растровые модели Основой визуального представления данных при помощи ГИС- технологий служит так называемая графическая среда. Основу графической среды и соответственно визуализации базы данных ГИС составляют векторные и растровые модели. В общем случае модели пространственных (координатных) данных могут иметь векторное или растровое (ячеистое) представление, содержать или не содержать топологические характеристики. Этот подход позволяет классифицировать модели по трем типам: • растровая модель; • векторная нетопологическая модель; • векторная топологическая модель. Все эти модели взаимно преобразуемы. Тем не менее при получении каждой из них необходимо учитывать их особенности. В ГИС форме представления координатных данных соответствуют два основных подкласса моделей - векторные и растровые (ячеистые или мозаичные). Возможен класс моделей, которые содержат характеристики как векторов, так и мозаик. Они называются гибридными моделями. В дальнейшем под терминами решетка, мозаика, элемент растра будем понимать одно и то же. Основу такой классификации составляет атомарная единица (пространства), содержащая представления площа- дей линий и точек. Векторная модель Построение модели. Векторные модели данных строятся на векторах, занимающих часть пространства в отличие от занимающих все пространство растровых моделей. Это определяет их основное преимущество - требование на порядки меньшей памяти для хранения и меньших затрат времени на обработку и представление. 47 При построении векторных моделей объекты создаются путем соединения точек прямыми линиями, дугами окружностей, полилиниями. Площадные объекты - ареалы задаются наборами линий. В векторных моделях термин полигон (многоугольник) является синонимом слова ареал. Векторные модели используются преимущественно в транспортных, коммунальных, маркетинговых приложениях ГИС. Системы ГИС, работающие в основном с векторными моделями, получили название векторных ГИС. В реальных ГИС имеют дело не с абстрактными линиями и точками, а с объектами, содержащими линии и ареалы, занимающими пространственное положение, а также со сложными взаимосвязями между ними. Поэтому полная векторная модель данных ГИС отображает пространственные данные как совокупность следующих основных частей: • геометрические (метрические) объекты (точки, линии и полигоны); • атрибуты - признаки, связанные с объектами; • связи между объектами. Векторные модели (объектов) используют в качестве атомарной модели последовательность координат, образующих линию. Линией называют границу, сегмент, цепь или дугу. Основные типы координатных данных в классе векторных моделей определяются через базовый элемент линия следующим образом. Точка определяется как выродившаяся линия нулевой длины, линия - как линия конечной длины, а площадь представляется последовательностью связанных между собой сегментов. Каждый участок линии может являться границей для двух ареалов либо двух пересечений (узлов). Отрезок общей границы между двумя пересечениями (узлами) имеет разные названия, которые являются синонимами в предметной области ГИС. Специалисты по теории графов предпочитают слову линия термин ребро, а для пересечения употребля48 ют термин вершина. Национальным стандартом США официально санкционирован термин цепь (chain). В некоторых системах (Arclnfo, GeoDraw) используется термин дуга. В отличие от обычных векторов в геометрии дуги имеют свои атрибуты. Атрибуты дуг обозначают полигоны по обе стороны от них. По отношению к последовательному кодированию дуги эти полигоны именуются левый и правый. Понятие дуги (цепи, ребра) является фундаментальным для векторных ГИС. Векторные модели получают разными способами. Один из наиболее распространенных - векторизация сканированных (растровых) изображений. Она заключается в выделении векторных объектов со сканированного изображения и получении их в векторном формате. Для векторизации необходимо высокое качество (отчетливые линии и контуры) растровых образов. Чтобы обеспечить требуемую четкость линий, иногда приходится заниматься улучшением качества изображения. Процесс сканирования требует незначительных затрат труда, но необходимость последующей чески до уровня ручного векторизации цифрования. увеличивает расходы При векторизации практи- возможны ошибки, исправление которых осуществляется в два этапа: 1) корректировка растрового изображения до его векторизации; 2) корректировка векторных объектов. Векторные модели с помощью дискретных наборов данных отображают непрерывные объекты или явления. Следовательно, можно говорить о векторной дискретизации. При этом векторное представление позволяет отразить большую пространственную изменчивость для одних районов, чем для других, по сравнению с растровым представлением, что обусловлено более четким показом границ и их меньшей зависимостью от исходного образа (изображения), чем при растровом отображении. Это типично для социальных, экономических, демографических явлений, изменчивость которых в ряде районов более интенсивна. 49 Некоторые объекты являются векторными по определению, например границы соответствующего земельного участка, границы районов и т.д. Поэтому векторные модели обычно используют для сбора данных координатной геометрии (топографические записи), данных об административно-правовых границах и т.п. Особенности векторных моделей. В векторных форматах набор данных определен объектами базы данных. Векторная модель может организовывать пространство в любой последовательности и дает "произвольный доступ" к данным. В векторной форме легче осуществляются операции с линейными и точечными объектами, например, анализ сети - разработка маршрутов движения по сети дорог, замена условных обозначений. В растровых форматах точечный объект должен занимать целую ячейку. Это создает ряд трудностей, связанных с соотношением размеров растра и размера объекта. Что касается точности векторных данных, то здесь можно говорить о преимуществе векторных моделей перед растровыми, так как векторные данные могут кодироваться с любой мыслимой степенью точности, которая ограничивается лишь возможностями метода внутреннего представления координат. Обычно для представления векторных данных используется 8 или 16 десятичных знаков (одинарная или двойная точность). Только некоторые классы данных, получаемых в процессе измерений, соответствуют точности векторных данных. Это данные, полученные точной съемкой (координатная геометрия); карты небольших участков, составленные по топографическим координатам, и политические границы, определенные точной съемкой. Не все природные явления имеют характерные четкие границы, которые можно представить в виде математически определенных линий. Это обусловлено динамикой явлений или способами сбора простран- 50 ственной информации. Почвы, типы растительности, склоны, место обитания диких животных - все эти объекты не имеют четких границ. Обычно линии на карте имеют толщину 0,4 мм и, как часто считается, отражают неопределенность положения объекта. В растровой системе эта неопределенность задается размером ячейки. Поэтому следует помнить, что в ГИС действительное представление о точности дают раз- мер растровой ячейки и неопределенность положения векторного объекта, а не точность координат. Геометрические данные составляют основу векторной модели, тем не менее, как отмечено выше, в ее состав входят также атрибуты и связи. Атрибуты уже рассматривались достаточно подробно. Остановимся на связях в векторных моделях. Для этого необходимо рассмотреть топологические свойства векторных моделей, т.е. рассмотреть топологические модели, которые являются разновидностью векторных моделей данных. Топологическая модель Основные понятия. Большое количество графических данных в ГИС со специфическими взаимными связями требует топологического описания объектов и групп объектов, которое зависит от "связанности" (простой или сложной). Оно определяет совокупность топологических моделей. Напомним, что топологические свойства фигур не изменяются при любых деформациях, Топологически производимых родственные фигуры: без разрывов прямоугольный или соединений. четырехугольник, замкнутый контур произвольной формы, окружность, треугольник. Эти объекты (фигуры) имеют одинаковую топологию - одинаковые топологические свойства. Другим примером топологически родственных фигур могут служить арифметические знак” сложения " + " и умножения " х ". В геоинформационных системах применение термина топологический не такое строгое, как в топологии. В ГИС топологическая модель определяется 51 наличием и хранением совокупностей взаимосвязей, таких, как соединенность дуг на пересечениях, упорядоченный набор звеньев (цепей), образующих границу каждого полигона, взаимосвязи смежности между ареалами и т.п. В общем смысле слово топологический означает, что в модели объекта хранятся взаимосвязи, которые расширяют использование данных ГИС для различных видов пространственного анализа. Топологическими характеристиками графические модели ГИС существенно отличаются от моделей САПР. Соответственно это различие просматривается в программно-технологическом обеспечении этих си- стем. Например, вплоть до настоящего времени много разработок ГИС выполняется с использованием средств Автокада, версий от 10 до 13 Однако в нем не предусмотрены ни работа с покрытиями, ни оверлейные процедуры, ни обработка топологических данных. Принципиально такие операции в системах CAD (Computer-Aided Desing) возможны, но путем доработки высокой программного квалификации обеспечения, пользователя и, что требует достаточно естественно, ограничивает их круг. В системах ГИС названные выше процедуры являются встроенными и делают доступным анализ картографической информации широкому кругу пользователей без всякой доработки. Элементы топологии, входящие в описание моделей данных ГИС, в простейшем случае определяются связями между элементами основных типов координатных данных. Например, в логическую структуру описания данных могут входить указания о том, какие линии входят в район, в каких точках эти линии пересекаются. Топологические модели позволяют представлять элементы карты и всю карту в целом в виде графов. Площади, линии и точки описываются границами и узлами (дуговая/узловая структура). Каждая граница идет 52 от начального к конечному узлу, и известно, какие площади находятся слева и справа. Теоретической основой моделей служат алгебраическая топология и теория графов. В соответствии с алгебраической топологией координатные типы данных: площади, линии и точки называются 2-ячейками, 1-ячейками и 0-ячейками соответственно. Карта рассматривается как ориентированный двухмерный ячеечный комплекс. Двойственность между теорией графов и алгебраической топологией позволяет применять теоретические положения графов, а также топологический подход. Топологическое векторное представление данных отличается от нетопологического списка наличием взаимоотношений возможности между получения связанными исчерпывающего геометрическими прими- тивами без изменения хранимых координат пространственных объектов. Необходимая процедура при работе с топологической моделью подготовка геометрических данных для построения топологии. Этот процесс не может быть полностью автоматизирован уже на данных средней сложности и реализуется только при дополнительных затратах труда (обычно значительных). Таким образом, данные, хранимые в системе, не предусматривающей поддержки топологии, не могут быть надежно преобразованы в топологические данные другой системы чисто автоматическим алгоритмом. Топологические характеристики должны вычисляться в ходе количественных преобразований моделей объектов ГИС, а затем храниться в базе данных совместно с координатными данными. Основные топологические характеристики моделей ГИС. Топологические модели в ГИС задаются совокупностью следующих характеристик: 53 • связанность векторов - контуры, дороги и прочие векторы должны храниться не как независимые наборы точек, а как взаимосвязанные друг с другом объекты; • связанность и примыкание районов - информация о взаимном расположении районов и об узлах пересечения районов; • пересечение - информация о типах пересечений позволяет воспроизводить ное мосты пересечение и (3 дорожные линии) пересечения. является Так трехвалентным, а Т-образХ-образное (4 линии сходятся в точке пересечения) называют четырехвалентным; • близость - показатель пространственной близости линейных или ареальных объектов, оценивается числовым параметром, в данном случае символом 5. Топологические характеристики линейных объектов могут быть представлены визуально с помощью связанных графов. Граф сохраняет структуру модели со всеми узлами и пересечениями. Он напоминает карту с искаженным масштабом. Примером такого графа может служить схема метрополитена. Разница между картой метро и схемой метро показывает разницу между картой и графом. Узлы графа, описывающего картографическую модель, соответствуют пересечениям дорог, местам смыкания дорог с мостами и т.п. Ребра такого графа описывают участки дорог и соединяющие их объекты. В отличие от классической сетевой модели в данной модели длина ребер может не нести информативной нагрузки. Топологические характеристики ареальных объектов могут быть представлены с помощью графов покрытия и смежности. Граф покрытия топологически гомоморфен контурной карте соответствующих районов. Ребра такого графа описывают границы между районами, а его узлы (вершины) представляют точки смыкания районов. Степень вершины такого графа - это число районов, которые в ней смыкаются. Граф смежности это как бы вывернутый наизнанку граф покрытия. В нем районы отображаются узлами 54 (вершинами), а пара смыкающихся районов ребрами. На основе такого графа ГИС может выдать ответ на вопрос, является ли проходимой рассматриваемая территория, разделенная напроходимые или непроходимые участки. Топологические характеристики сопровождаются позиционной и описательной информацией. Вершина графа покрытия может быть дополнена координатными точками, в которых смыкаются соответствующие районы, а ребрам приписывают левосторонние и правосторонние идентификаторы. После введения точечных объектов при построении линейных и площадных объектов необходимо "создать" топологию. Эти процессы включают вычисление и кодирование связей между точками, линиями и ареалами. Пересечения и связи имеют векторное представление. Топологические характеристики заносятся при кодировании данных в виде дополнительных атрибутов Этот процесс осуществляется автоматически во многих ГИС в ходе дигитализации (картографических или фотограмметрических) данных. Объекты связаны множеством отношений между собой. Это определяет эффективность применения реляционных моделей и баз данных, в основе которых используется понятие отношения. В свою очередь, отношения задают множества связей. Простейшие примеры таких связей : "ближайший к .. ", "пересекает", "соединен с ...". Каждому объекту можно присвоить признак, который представляет собой идентификатор ближайшего к нему объекта того же класса; таким образом кодируются связи между парами объектов. В ГИС часто кодируются два особых типа связей: связи в сетях и связи между полигонами. Топологически сети состоят из объектов двух типов: линий (звенья, грани, ребра, дуги) и узлов (вершины, пересечения, соединения). 55 Простейший способ кодирования связей между звеньями и узлами заключается в присвоении каждому звену двух дополнительных атрибутов идентификаторов узлов на каждом конце (входной узел и выходной узел). В этом случае при кодировании геометрических данных будут иметь место два типа записей: 1) координаты дуг; 2) атрибуты дуг - входной узел, выходной узел, длина, описательные характеристики. Такая структура позволяет, перемещаясь от звена к звену, определять те из них, у которых перекрываются номера узлов. Более сложная, но и более совершенная структура имеет список всех звеньев для каждого узла. Это может быть выполнено добавлением к первым двум записи третьего типа; 3) узел: (х, у), смежные дуги (со знаком "+" для входного угла и со знаком "-" - для выходного). Чтобы избежать неудобств, связанных с хранением неодинакового количества идентификаторов дуг, используют два отдельных файла: 1) простой упорядоченный список, в котором файл узлов сжат до ряда идентификаторов дуг; 2) таблицу, в которой для каждого узла хранится информация о положении первой дуги списка. Используемое в настоящее время математическое обеспечение ГИС почти исключительно хорошее основано формализованное на топологических представление о моделях, дающих пространственных соотно- шениях между основными объектами карты. Однако, если требуется установить более сложные соотношения, например включение или порядок, нужны дополнительные средства. Растровые модели 56 Основы построения. Напомним, что модель данных представляет собой отображение непрерывных последовательностей реального мира в набор дискретных объектов. В растровых моделях дискретизация осуществляется наиболее простым способом - весь объект (исследуемая территория) отображается в пространственные ячейки, образующие регулярную сеть. При этом каждой ячейке растровой модели соответствует одинаковый по размерам, но разный по характеристикам (цвет, плотность) участок поверхности объекта. В ячейке модели содержится одно значение, усредняющее характеристику участка поверхности объекта. В теории обработки изображений эта процедура известна под названием пикселизация. Если векторная модель дает информацию о том, где расположен тот или иной объект, то растровая - информацию о том, что расположено в той или иной точке территории. Это определяет основное назначение растровых моделей - непрерывное отображение поверхности. В растровых моделях в качестве атомарной модели используют двухмерный элемент пространства - пиксель (ячейка). Упорядоченная совокупность атомарных моделей образует растр, который, в свою очередь, является моделью карты или геообъекта. Векторные модели относятся к бинарным или квазибинарным Растровые позволяют отображать полутона. Как правило, каждый элемент растра или каждая ячейка должны иметь лишь одно значение плотности или цвета. Это применимо не для всех случаев. Например, когда граница двух типов покрытий может проходить через центр элемента растра, элементу дается значение, характеризующее большую часть ячейки или ее центральную точку Ряд систем позволяет иметь несколько значений для одного элемента растра. Характеристики растровых моделей. Для растровых моделей существует ряд характеристик разрешение, значение, ориентация, зоны, положение. 57 Разрешение - минимальный линейный размер наименьшего участка пространства (поверхности), отображаемый одним пикселем. Пиксели обычно представляют собой прямоугольники или квадраты, реже используются треугольники и шестиугольники. Более высоким разрешением обладает растр с меньшим размером ячеек Высокое разрешение подразумевает обилие деталей, множество ячеек, минимальный размер ячеек Значение - элемент информации, хранящийся в элементе растра (пикселе) Поскольку при обработке применяют типизированные дан- ные, то есть необходимость определить типы значений растровой модели Тип значении в ячейках растра определяется как реальным явлением, так и особенностями использовать ГИС. разные В частности, классы значений- в разных целые системах числа, можно действительные (десятичные) значения, буквенные значения Целые числа могут служить характеристиками оптической плотности или кодами, указывающими на позицию в прилагаемой таблице или легенде Например, возможна следующая легенда, указывающая наименование класса почв- 0 - пустой класс, 1 - суглинистые, 2 - песчаные, 3 - щебнистые и т. п. Ориентация - угол между направлением на север и положением колонок растра Зона растровой модели включает соседствующие друг с другом ячейки, имеющие одинаковое значение Зоной могут быть отдельные объекты, природные явления, ареалы типов почв, элементы гидро- графии и т. п. Для указания всех зон с одним и тем же значением используют понятие класс зон Естественно, что не во всех слоях изображения могут присутствовать зоны. Основные характеристики зоны - ее значение и положение 58 Буферная зона - зона, границы которой удалены на известное расстояние от любого объекта на карте Буферные зоны различной ширины могут быть созданы вокруг выбранных объектов на базе таблиц сопряженных характеристик. Положение обычно задается упорядоченной парой координат (номер строки и номер столбца), которые однозначно определяют положение каждого элемента отображаемого пространства в растре. Проводя сравнение векторных и растровых моделей, отметим удобство векторных для организации и работы со взаимосвязями объектов. Тем не менее, используя простые приемы, например включая взаимосвязи в таблицы атрибутов, можно организовать взаимосвязи и в растровых системах.. Необходимо остановиться на вопросах точности отображения в растровых моделях. В растровых форматах в большинстве случаев неяс но, относятся координаты к центральной точке пикселя или к одному из его углов. Поэтому точность привязки элемента растра определяют как 1/2 ширины и высоты ячейки. Растровые модели имеют следующие достоинства: • растр не требует предварительного знакомства с явлениями, данные собираются с равномерно расположенной сети точек, что позволяет в дальнейшем на основе статистических методов обработки получать объективные характеристики исследуемых объектов Благодаря этому растровые модели могут использоваться для изучения новых явлений, о которых не накоплен материал. В силу простоты этот способ получил наибольшее распространение; • растровые данные проще для обработки по параллельным алгоритмам и этим обеспечивают более высокое быстродействие по сравнению с векторными; • некоторые задачи, например создание буферной зоны, много проще решать в растровом виде; 59 • многие растровые модели позволяют вводить векторные данные, в то время как обратная процедура весьма затруднительна для векторных моделей; • процессы растеризации много проще алгоритмически, чем процессы векторизации, которые зачастую требуют экспертных решений. Наиболее часто растровые модели применяют при обработке аэрокосмических снимков для получения данных дистанционных исследований Земли. Метод группового кодирования. При растровом вводе информации в ГИС возникает проблема ее сжатия, так как наряду с полезной может попадать и избыточная (в том числе и бесполезная) информация. Для сжатия информации, полученной со снимка или карты, применяется кодирование участков развертки или метод группового кодирования, учитывающий, что довольно часто в нескольких ячейках значения повторяются. Суть метода группового кодирования состоит в том, что данные вводятся парой чисел, первое обозначает длину группы, второе - значение.Изображение просматривается построчно, и как только определенныйтип элемента или ячейки встречается впервые, он помечается признаком начала. Если за данной ячейкой следует цепочка ячеек того же типа,то их число подсчитывается, а последняя ячейка помечается признакомконца. В этом случае в памяти хранятся только позиции помеченныхячеек и значения соответствующих счетчиков. Применение такого метода значительно упрощает хранение и воспроизведение изображений (карт), когда однородные участки (как правило) превосходят размеры одной ячейки. Обычно ввод осуществляют слева направо, сверху вниз. Рассмотрим, например, бинарный массив матрицы (5х6): 000111 001110 001110 60 011111 011111. При использовании метода группового кодирования он будет вводиться как : 30312031303120511051. Вместо 30 необходимо только 20 элементов данных. В рассмотренном примере экономия составляет 30 %, однако на практике при работе с большими массивами бинарных данных она бывает гораздо больше. Метод группового кодирования имеет ограничения и может использоваться далеко не во всех ГИС. Элементы бинарной матрицы, т.е. растровой модели, могут принимать только два значения: "1" или "0". Эта матрица соответствует черно-белому изображению. На практике возможно полутоновое или цветное изображение. В этих случаях значения в ячейках растровой модели могут различаться по типам. Тип значений в ячейках растра определяется как исходными данными, так и особенностями программных средств ГИС. В качестве значений растровых данных могут быть применены целые числа, действительные (десятичные) значения, буквенные значения. В одних системах используются только целые числа, в других - различные типы данных. При этом ставится условие единства значений для отдельных растровых слоев. Целые числа часто служат кодами, указывающими на позицию в прилагаемой таблице или легенде. Структурно определенные растровые модели. Растровые модели делятся на регулярные, нерегулярные и вложенные (рекурсивные или иерархические) мозаики. Плоские регулярные мозаики бывают трех типов: квадрат, треугольник и шестиугольник. Квадрат - самая удобная модель, так как позволяет относительно просто проводить обработку больших массивов данных. Треугольные мозаики служат хорошей основой для создания выпуклых (сферических) покрытий 61 Среди нерегулярных мозаик чаще всего используют треугольные сети неправильной формы (Triangulated Irregular Network - TIN) и полигоны Тиссена. Сети TIN удобны для создания цифровых моде- лей отметок местности по заданному набору точек. Они применяются как в растровых, так и в векторных моделях. Модель треугольной нерегулярной сети (TIN) в значительной мере альтернативна цифровой модели рельефа, построенной на регулярной сети. TIN-модель была разработана в начале 70-х гг. как простой способ построения поверхностей на основе набора неравномерно расположенных точек. В 70-е гг. было создано несколько вариантов данной системы, коммерческие системы на базе TIN стали появляться в 80-х гг. как пакеты программ для построения горизонталей. Модель TIN используется для цифрового моделирования рельефа. При этом узлам и ребрам треугольной сети соотносятся исходные и производные атрибуты цифровой модели. Полигоны Тиссена (или диаграммы Вороного) представляют собой геометрические конструкции, образуемые относительно множества то- чек таким образом, что границы полигонов являются отрезками перпендикуляров, восстанавливаемых к линиям, соединяющим две ближайшие точки. Полигоны Тиссена позволяют проводить анализ на соседство, близость и достижимость. Нерегулярная тер реальной выборка поверхности лучше, чем и является это регулярная, отражает достоинством харак- полигонов Тиссена. При построении ТГМ-модели дискретно расположенные точки соединяются линиями, образующими треугольники. В пределах каждого треугольника поверхность обычно представляется плоскостью. Поскольку поверхность каждого треугольника задается высотами трех его вершин, применение треугольников обеспечивает каждому участку мозаичной 62 поверхности точное прилегание к смежным участкам. Это обеспечивает непрерывность поверхности при нерегулярном расположении точек. Данная модель позволяет использовать в качестве элементов мозаики более сложные многоугольники, но их всегда можно разбить на треугольники. В векторных ГИС модель TIN можно рассматривать как полигоны с атрибутами угла наклона, экспозиции и площади, с тремя вершинами, имеющими атрибуты высоты, и с тремя сторонами, характеризующимися углом наклона и направлением. Для выбора точек модели используют три основных алгоритма: алгоритм Фоулера и Литла, алгоритм ключевых точек, эвристическое удаление точек. С аналитической точки зрения основу таких вложенных, или иерархических, мозаик составляют (рекурсивно) раскладываемые модели. Рекурсивная декомпозиция треугольников приводит к образованию треугольных квадродеревьев, причем декомпозиция шестиугольников не- возможна. Единицы с более высоким уровнем разрешающей способности можно объединять, формируя шестиугольники, что приводит к образованию семиразрядного дерева. Схема адресации для вложенных шестиугольных мозаик была разработана Л. Гибсоном и Д. Лукасом. Они назвали ее генерализованной сбалансированной троичной мозаикой. Квадратомическое дерево - одна из наиболее широко известных структур данных, использующихся применительно к площадям, линиям и точкам. Бесструктурные гиперграфовые и решетчатые модели. Они обрабатывают координатные данные в виде простых строк координат без какой-либо структуры. В случае обработки площадей общие границы всегда вводятся в ЭВМ дважды. Пример практического применения этих моделей - хранимые в памяти ЭВМ полные полигоны и векторные цепные коды. 63 Гиперграфовые модели основаны на теории множеств и гиперграфов и используют шесть абстрактных типов данных: класс, атрибут класса, связь класса, объект, атрибут объекта, связь объекта. Класс соответствует границе гиперграфа, причем объекты являются узлами этого графа. Каждый класс содержит объекты с атрибутами объекта и различаемый узел, содержащий атрибут класса. Используя подклассы, вводят иерархию классов и объектов. Связи классов и связи объектов устанавливают соотношения между теми классами, которые не связаны иерархически. Связи классов представляют потенциальные действительные соотношения соотношения между между классами, а связи объектами. Для объектов - образования мультисвязи можно объединить несколько связей объектов. Несколько классов объектов образуют гиперклассы, которые связаны гиперсвязями. Гиперграфовые модели применимы как к координатным, так и к атрибутивным данным. Как правило, они отличаются высокой степенью сложности. Решетчатые модели базируются на математической теории решеток, оперирующей с частично упорядоченными наборами данных. Они полезны в тех случаях, когда отсутствует четкая иерархия объектов. Элементы алгебраической теории автоматных моделей синтеза типовых конструктивных моделей упрощают процесс получения сложных графических изображений. Однако такой подход, находящий широкое применение в САПР, пока не используется в технологиях ГИС. Оверлейные структуры Цифровая карта может быть организована как множество слоев (покрытий или карт-подложек). Концепция послойного представления графической информации заимствована из систем CAD, однако в ГИС она получила качественно новое развитие. Принципиальное отличие состоит в том, что слои в ГИС могут быть как векторными, так и растровыми, причем векторные слои обязатель64 но должны иметь одну из трех характеристик векторных данных, т.е. векторный слой должен быть определен как точечный, линейный или полигональный дополнительно к его тематической направленности. Другое важное отличие послойного представления геоинформационных векторных данных заключается в том, что они являются объектными, т.е. несут информацию об объектах, а не об отдельных элементах объекта, как в САПР. Слои в ГИС являются типом цифровых картографических моделей, которые построены на основе объединения (типизации) пространственных объектов (или набора данных), имеющих общие свойства или функциональные признаки. Такими свойствами могут быть: принадлежность к одному типу координатных объектов (точечные, линейные полигональные); принадлежность к одному типу пространственных объектов (жилые здания, подземные коммуникации, административные границы и т. д.); отображение на карте одним цветом. В качестве отдельных слоев можно объединять данные, полученные в результате сбора первичной информации. Совокупность слоев образует интегрированную основу графической части ГИС. Принадлежность объекта или части объекта к слою позволяет использовать и добавлять групповые свойства объектам данного слоя. А как известно из теории обработки данных, именно их групповая обработка является основой повышения производительности автоматизированных систем. Слои могут иметь как векторные, так и растровые форматы. Однако многие ГИС допускают возможность работы со слоями только векторного типа, а растр используется в качестве подложки. В связи с этим следует отметить возможности системы ER Mapper трансформировать растровое изображение снимка в заданную картографическую проекцию. Данные, размещенные на слоях, могут обрабатываться как в интерактивном, так и в автоматическом режиме. 65 С помощью системы фильтров или заданных параметров объекты, принадлежащие слою, могут быть одновременно масштабированы, перемещены, скопированы, записаны в базу данных. В других случаях (при установке других режимов) можно наложить запрет на редактирование объектов слоя, запретить их просмотр или сделать невидимыми. Многослойная организация электронной карты при наличии гибкого механизма управления слоями позволяет объединить и отобразить не только большее количество информации, чем на обычной карте, но существенно упростить анализ картографических данных с помощью селекции данных, необходимых для визуализации и механизма "прозрачности" цифровой карты. Таким образом, разбиение на слои позволяет решать задачи типизации и разбиения данных на типы, повышать эффективность интерактивной обработки и групповой автоматизированной обработки, упро- щать процесс хранения информации в базах данных, включать автоматизированные методы пространственного анализа на стадии сбора данных и при моделировании, упрощать решение экспертных задач. Введение топологических свойств в графические данные ГИС позволяет решать задачи, которые методами программного обеспечения САПР не реализуются. Это, например, возможность наложения слоев для получения нового слоя, который не является простым результатом наложения, а содержит новые объекты, полученные на основе методов пространственного анализа с использованием логических операций. В целом сочетание методов топологии и послойного представления картографической информации дает качественно новые возможности анализа картографических данных. Трехмерные модели Большинство ГИС хранят информацию о точках местности в виде трехмерных координат. Однако для многих приложений ГИС, таких, как 66 построение карт, трехмерные координаты преобразуют в двухмерное представление, т.е. строят двухмерные (2D) модели. Построение трехмерных (3D) моделей - это продиктовано с одной стороны, решением практических задач, с другой - увеличением мощности вычислительных ресурсов, что необходимо для трехмерного моделирования. Такая модель должна соответствовать отображению трехмерной реальности, по возможности близкой к той, что видит человеческий глаз на местности. В настоящее время существуют два основных способа представления трехмерных моделей в ГИС. Первый способ, назовем его псевдотрехмерным, основан на том, что создается структура данных, в которых значение третьей координаты Z (обычно высота) каждой точки (Л, Y) записывается в качестве атрибута. При этом значение Z может быть использовано в перспективных построениях для создания изображений трехмерных представле- ний. Поскольку это не истинное трехмерное представление, его часто именуют 2,5-мерным (два-с-половиной-мериым). Такие 2,5-мерные модели дают возможность эффективного решения ряда задач: • представление рельефа и других непрерывных поверхностей на базе ЦМР или TIN; • расчет перспективной модели для любой задаваемой точки обзора; • "натяжение" дополнительных слоев на поверхность с использованием цвета и световых эффектов; • визуальное преобразование одних классов данных в другие (например, объемный слой промышленных выбросов преобразовать в изображение экологической карты и результирующей карты действия на окружающую растительность); • создание динамической модели "полета" над территорией. Второй способ - создание истинных трехмерных представле- ний - структур данных, в которых местоположение фиксируется в трех 67 измерениях (X, Y, Z). В этом случае Z- не атрибут, а элемент местоположения точки. Такой подход позволяет регистрировать данные в нескольких точках с одинаковыми координатами Х и Y, например, при зондировании атмосферы или при определении объемов горных выработок. Истинные трехмерные представления позволяют: • наглядно изображать (визуализировать) объемы; • решать задачи, связанные с моделированием объемов; • решать новый класс задач - разработка трехмерных ГИС; • производить синтез трехмерных структур. Оба способа трехмерных представлений пространственной информации имеют несколько важных приложений: • проектирование инженерных и промышленных сооружений (шахты, карьеры, плотины, водохранилища); • моделирование геологических процессов; • моделирование трехмерных потоков в газообразных и жидкостных средах. В ГИС наряду с цифровыми моделями местности, которые, как правило, отражают статические свойства, широко используются динами- ческие модели, например модель явления. Трехмерные явления характеризуются несколькими свойствами: распределение, геометрическая сложность, топологическая сложность, точность измерения, точность представления. Распределение может быть непрерывное (например, поле поверхности) и дискретное (например, рудные тела). Топологическая сложность обусловливается связями внутри объекта. Например, составной объект состоит из таких же, но более мелких объектов одного класса. Смешанный объект включает несколько классов и состоит из более мелких неоднородных объектов. 68 Геометрическая сложность зависит от типов кривых и геометрических конструкций. Точность представления определяет допуски при проектировании, изысканиях, научных исследованиях. Точность измерения выражается допусками и погрешностью средств измерения. Применение трехмерных моделей позволяет строить новые модели и расширяет возможности ГИС как системы принятия решений. С использованием методов трехмерной графики можно по-новому решать задачи проектирования жилой застройки, размещения объектов бытового и хозяйственного назначения в муниципальных округах, создавать новые типы трехмерных условных знаков и т.д. Примером подобной разработки может служить ГИС STAR-APIC для решения задач городского планирования и задач урбанизации, разработанная специалистами из Бельгии и Великобритании (фирма Star). 3. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ГИС 3.1 ПРИМЕНЕНИЕ ГИС ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЭКОНОМИЧЕСКИХ ЗАДАЧ Применение ГИС в бизнесе. Технология геоинформационных систем быстро проникает в сферу бизнеса. Согласно GIS STRATEGIES, ежеквартальному обзору мирового рынка ГИС американской компании Dataquest и журнала GIS World, проникновение ГИС в бизнес происходит быстрее, чем в большинство других областей их применения. О повышенном интересе бизнесменов к этой мощной современной технологии свидетельствует регулярное проведение ряда конференций и выставок. В США выходит специальный журнал "Business Geographies", приложение к GIS World, посвященный описанию базовых принципов ГИС и приложениям этой технологии в бизнесе. Все чаще встречается понятие 69 геомаркетинг (geomarketing), связывающее в неразрывное целое бизнес и геоинформационные технологии. Сформулируем преимущества ГИС перед другими информационными технологиями: – наличие набора средств создания и объединения баз данных; – обеспечение географического анализа и наглядной визуализации БД в виде различных карт, графиков, диаграмм; – возможность прямой привязки друг к другу в режиме Hot Link всех атрибутивных и графических данных. Сфера применения ГИС в бизнесе охватывает разные области: – анализ и отслеживание текущего состояния и тенденций изменения рынка; – планирование деловой активности; – оптимальный выбор местоположения новых филиалов фирмы или банка, торговых точек, складов, производственных мощностей; – поддержка принятия решений; – выбор кратчайших или наиболее безопасных маршрутов перевозок и путей распределения продукции; – анализ риска материальных вложений и урегулирование разногласий; – демографические исследования, проводимые в целях определения спроса на продукцию; – географическая привязка баз данных о земле- и домовладении. Коммерческие фирмы используют ГИС для выбора места расположения новых супермаркетов: расположение склада и зона обслуживания определяются путем моделирования доставки и влияния конкурентов; для управления поставками. 70 Рис. 3.1 Динамика рынка ГИС в России В разных странах ГИС находят применение в бизнесе. С помощью ГИС, например, бизнесмены Великобритании открывают новые супермаркеты, бензоколонки и станции техобслуживания автомобилей, а также на основе демографического анализа и моделирования развивают сеть столь популярных в этой стране пивных баров-пабов. В Южной Африке ГИС применяются при: оптовой и розничной продаже автомобилей; рассылке и разноске почты и другой корреспонденции, в том числе рекламной в соответствии с индивидуальными потребностями, профессиональными интересами и доходами каждого занесенного в базу данных жителя; оптовых поставках бакалейных товаров; создании информационной системы с адресной и картографической привязкой по коммерческим компаниям и фирмам с объемами продаж более 50 тыс.долл. В Испании ГИС используются крупными банками для разработки планов развития и координации деятельности региональных центров по обслуживанию вкладчиков. 71 Во Франции пользователями ГИС являются, например, автомобильные компании Citroen, Renault и Peugeot, активно внедряющие картографию в свою повседневную деятельность. Региональный центр IBM-France смогувеличить объем продаж аппаратных и программных средств, ускорил сервисное обслуживание клиентов за счет повышения эффективности взаимодействия с 1200 бизнес-партнерами, новых возможностей оперативного анализа результатов работы своих подразделений и многочисленных дилеров в результате совместного использования потенциала аналитических средств ГИС и собственной базы данных "Траектория" (Trajectoire). Опыт использования подобной связки оказался столь успешным, что и сама созданная за две недели универсальная аналитическая бизнес-система стала рыночным товаром, заинтересованность в приобретении которого проявил ряд фирм, напрямую не связанных с компьютерным бизнесом. В Новой Зеландии компания Eagle Technology на базе пакета Arc View разработала собственное приложение View/NZ – многофункциональное средство анализа сведенных табличных, текстовых и картографических бизнесданных, демографической, статистической, земельной, муниципальной, адресной и другой информации. Использование этого приложения помогает переориентировать главную цель маркетинговых усилий с удовлетворения усредненных потребностей населения города или района на оперативное реагирование на запросы каждого человека, живущего или работающего в зоне реализации товаров фирмы. Достигаемый при таком подходе принципиально новый уровень сервиса получил наименование персонифицированного маркетинга (personal marketing). В США располагающейся в г.Сан-Диего (штат Калифорния) компанией Equifax National Decision Systems разработана ГИС-система Infomark-GIS, специально предназначенная для маркетинговых приложений и обеспечения процесса принятия решений. Система легко интегрируется с более чем 60 национальными базами бизнес-данных, может быть без больших дополнительных усилий локализована под специальные задачи, характерные: 72 для операций с недвижимостью, ресторанного бизнеса, продажи товаров повседневного спроса, деятельности коммунальных служб (utilities), банковскофинансовой индустрии. Одними из первых пользователей системы стали компании Levi Straus & Co., Tennessee Valley Authority, Boston Chicken и Friday's (бывшая TG1 Fridays). Система объединяет средства пакетов Arclnfo, Arc View и собственного продукта компании-разработчика Infomark. За последнее десятилетие в США и других странах появилась многочисленная группа компаний, специализирующихся на консультационном обслуживании бизнеса, проводящих по заказам аналитические маркетинговые исследования на базе ГИС. Например, специалисты компании Castillo Company, Inc., Феникс (штат Аризона), применяя пакет Arclnfo, могут без большого труда на территориях 50 с лишним стран мира `выявить районы с определенным составом населения, расположенные на заданном расстоянии от аэропорта, с домами, имеющими определенную среднюю стоимость, или отвечающие многим другим критериям. Заказчиками постоянно расширяющегося спектра решаемых компанией маркетинговых, демографических, социологических, политологических и многих комплексных междисциплинарных задач являются как частные фирмы, так и государственные организации, например Геологическая служба США. Предоставляемые компанией результаты и решения способствуют выбору оптимальных, наиболее выгодных стратегии и тактики действий ее клиентов, быстрому реагированию на изменяющиеся условия рынка, при необходимости - переориентации профиля деятельности коммерческих фирм. Последние явно доминируют среди клиентов Castillo Company, Inc, в их числе такие гиганты компьютерного бизнеса, как Motorola и Intel. Не обходится без ГИС и такая специфическая область бизнеса, как быстрая доставка корреспонденции. Более 25 лет частная компания Federal Express занимается рассылкой почтовых отправлений по всему миру. В этой 73 требующей особой тщательности работе последние семь лет задействованы средства геокодирования пакета Arclnfo. В его базе данных хранятся адреса, почтовые индексы, названия, имена и фамилии миллионов жителей и организаций разных стран. К соответствующим картам привязаны их местонахождение, маршруты административных районов, и расписания другая полезная авиарейсов, для границы успешной работы информация. Перспективы использования ГИС в бизнесе. По мнению многих бизнесменов и аналитиков, сфера приложений ГИС-технологий безгранична. Они входят в мир бизнеса, перевернув все представления о предназначении и экономической эффективности географических методов визуализации и анализа рутинной информации. ГИС преобразует эту информацию в новое, уникальное по своей прикладной ценности знание. Особенно успешно и выгодно использование ГИС-технологий при массовых перевозках грузов и людей, при создании сетей оптимально размещенных торговых точек, анализе существующих и потенциальных рынков и районов сбыта продукции, в нефтяных, газовых и электрических компаниях, а также в коммерческих фирмах, занимающихся операциями с недвижимостью, для обоснования, расширения и поддержки банковских операций, в работе авиакомпаний и телекоммуникационных корпораций, ряде других сфер деловой активности. Конечная цель использования ГИС – наилучшее удовлетворение потребностей и запросов покупателей и клиентов, причем как в настоящем, так и в будущем и, как следствие, процветание фирмы и ее стабильно высокая конкурентоспособность. Спектр предлагаемых ESRI программных ГИС-продуктов наиболее широк в сравнении с конкурентами на рынке геоинформационных технологий. Он включает простые полнофункциональные средства ГИС PC конечного Arclnfo и пользователя ArcCAD, Arc View, работающие на 74 персональных компьютерах, а также наиболее мощный по функциональным возможностям программный пакет Arclnfo. Важным преимуществом является комплементарность (полная совместимость) всех разноуровневых продуктов ESRI. Результаты работы с одним пакетом не пропадут, если пользователь сочтет целесообразным заменить его или дополнительно использовать любой другой из семейства ESRI. Все они работают в единой информационной среде Arclnfo. В этой же среде написаны сотни специализированных программных продуктов (приложений) для многих отраслей науки и практики. При разработке последних версий программных продуктов ESRI предусмотрены возможности использования наиболее распространенных типов внешних реляционных баз данных и конвертеров файлов данных популярных форматов. Как показывает практика, для крупных компаний, имеющих разветвленную структуру филиалов, производств и магазинов или проводящих свои коммерческие операции на большой территории, целесообразно задействовать пакет Arclnfo, лучше в связке с Arc View. Для большинства фирм на первом этапе использования ГИС достаточно возможностей простых и удобных в работе даже для начинающего пользователя пакетов Arc View. Arc View предоставляет простые и эффективные средства для визуализации и анализа любых данных об объектах и явлениях, произвольным образом распределенных по территории (геоданных). Сферы их применения 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 многое другое. Так же, электронных как таблиц, программное Arc View обеспечение может для создания использоваться обычных менеджерами, планировщиками, аналитиками и учеными для более полного понимания сущности возникающих перед ними проблем реальной жизни, связанных с 75 деятельностью их компаний, адресно-географической привязки полезной для решения этих проблем информации. Например, при выборе места для нового магазина по карте в Arc View пользователь имеет возможность сначала просмотреть данные о продажах товара за предыдущие месяцы в других торговых точках, о демографическом и социальном составе потенциальных покупателей (жителей близлежащих домов или микрорайонов), дополнительно вывести на экран монитора фотографию или поэтажный план здания, где предполагается открыть магазин, подсветить на этой либо более подробной карте, выведенной как часть того же изображения, магазины конкурентов. Подобные операции обычно занимают минимум времени – весь анализ выполняется за один сеанс работы с программой. Достаточно быстро можно "проиграть" ряд вариантов предполагаемых маркетинговых операций. Впервые ознакомившиеся с такими возможностями коммерсанты часто бывают поражены, внезапно увидев и поняв, где они могут найти новых покупателей и клиентов, где наиболее остра конкуренция с соперничающими фирмами, что за люди (вероятные покупатели) живут и работают в районе вашей торговой точки, на какой спрос (как по составу товаров, так и по их стоимости) и, следовательно, на какие доходы можно рассчитывать. После такого анализа целесообразность открытия магазина может стать очевидной, либо становится ясно, что надо подбирать другое место или изменить ассортимент товаров и объем товарооборота. Пакет Arc View предоставляет алгоритм процедуры принятия решений, важных для функционирования фирмы. При планировании развития центров экономического (коммерческого) управления возникает потребность в оптимальном управлении, совокупностью коммерческих организаций, транспортными потоками, сетями коммуникаций и т.д. Решение подобных задач осуществляется методами ГИС. В начале создается интегрированная информационная основа. Затем геокодированная 76 информация об объектах загружается в базу данных ГИС, которая уже загружена картографической информацией в нужных масштабах. Путем использования методов теоретического и численного анализа, линейного программирования решаются задачи оптимизации. В результате решения подобных задач осуществляется выбор оптимального местоположения коммерческих центров, выбор областей (сфер) влияния этих центров, оптимизация транспортных потоков, оптимизация информационного (в том числе рекламного) обеспечения. Схема применения геоинформационной технологии в сфере бизнеса достаточно проста. Любая фирма ведет, как правило, несколько баз данных. Даже если это отсутствует, в любой фирме используется справочник телефонов и факсов, справочник адресов клиентов или партнеров, справочник возможностей и услуг фирм. Эти данные необходимо систематизировать и наглядно представить, чтобы повысить эффективность работы с ними. Для этой цели приобретаются настольная (desktop) ГИС и набор цифровых карт соответствующей тематики. Каталог адресов переводится в базу данных ГИС и становится атрибутивной характеристикой карты, создавая на ней соответствующую нагрузку. Затем заполняются данными другие базы: о клиентах, поставщиках, заказчиках и т.д. Дополнительно загружается информация о сроках транспортировки и т.п. Геоинформационная система позволит: – быстро выявить по карте, где "скрываются" покупатели и конкуренты; – определить наиболее выгодное для бизнеса местоположение новых производственных мощностей, филиалов и торговых точек; – составить сводные диаграммы объемов продаж за месяц или год по интересующим торговым предприятиям; – привязать диаграммы к соответствующим местам на картах; – визуально оценить и получить полноценную статистическую сводку по динамике спроса и предложения в любой области рынка, например в операциях с недвижимостью; 77 – выделить маркетинговые территории и провести анализ имеющейся по ним информации; – визуально по карте и на основе сопутствующей цифровой и текстовой информации провести сравнение демографических характеристик по разным странам, областям и районам; – выявить и оконтурить неблагополучные по экологическим признакам районы или зоны повышенной чувствительности природной среды к антропогенным воздействиям; – нанести на карту, выделить и дополнить сопутствующей информацией зоны производства, хранения, сброса и накопления вредных для людей и живых организмов веществ и материалов; – изучить взаимосвязи между различными факторами, например между повторяемостью стихийных природных явлений и стоимостью недвижимости по любой территории; – определить вследствие степень работы соответствия предприятия загрязненности природоохранному территории законодательству, действующему в стране; – включить в базу данных и вывести на экран тексты соответствующих законодательных актов при вызове мышью объекта на карте; – принимать обоснованные решения на основе всестороннего анализа имеющегося в распоряжении набора информации; – выявить сферы действия фирмы и конкурентов для выбора оптимальной стратегии; – на основе внутренних ресурсов ГИС оптимизировать задачи (поставка в кратчайшие сроки с минимальными затратами, учет ресурсов или взаимосвязывание участников сделки и т.д.). 3.2 ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ГИС Программные продукты ГИС: Коммерческие 78 ArcINFO — семейство программных продуктов американской компании ESRI, одного из лидеров мирового рынка геоинформационных систем. ПО семейства ArcINFO Настольные ГИС o ArcView — ГИС начального уровня для просмотра, создания, анализа данных, и подготовки карт. o ArcEditor — ГИС промежуточного уровня с расширенным набором средств создания и анализа данных. o ArcInfo — ГИС c максимальной функциональностью. ArcGIS — семейство программных продуктов американской компании ESRI, одного из лидеров мирового рынка геоинформационных систем . ArcGIS построена на основе технологий COM, .NET, Java, XML, SOAP. Новейшая версия — ArcGIS 9.3.1. ArcGIS позволяет визуализировать (представить в виде цифровой карты) большие объёмы статистической информации, имеющей географическую привязку. В среде создаются и редактируются карты всех масштабов: от планов земельных участков до карты мира. Также в ArcGIS встроен широкий инструментарий анализа пространственной информации (Рис. 3.2). Рис. 3.1 3D моделирование в ArcGIS ПО семейства ArcGIS Настольные ГИС 79 o ArcReader — бесплатная программа для просмотра данных, опубликованных средствами ArcGIS Publisher. o ArcGIS Explorer — это бесплатный, легкий настольный клиент для ArcGIS Server. Он используется для доступа к ГИС-сервисам ArcGIS Server и другим веб-сервисам. o ArcExplorer JAVA — это бесплатный, самостоятельный просмотрщик данных и легкий настольный клиент для ArcIMS. Серверные ГИС o ArcGIS Server (для создания корпоративной ГИС с неограниченным числом рабочих мест) o ArcIMS (для публикации интерактивных карт в Интернет) o ArcSDE (для хранения пространственных данных в СУБД, интеграции с другими ИС) Мобильные ГИС ArcPad — ГИС для карманных портативных компьютеров o GeoMedia - это и ГИС-технология, и семейство ГИС-продуктов, разработанных корпорацией INTERGRAPH. Технология GeoMedia является архитектурой ГИС нового поколения, позволяющая работать напрямую без импорта/экспорта одновременно с множеством пространственных данных в различных форматах. Это достигается применением специальных компонентов доступа к данным — Intergraph GeoMedia Data Server. На сегодняшний день пользователям GeoMedia доступны компоненты для всех основных индустриальных форматов хранилищ цифровых картографических данных: ArcInfo, ArcView, ASCII, AutoCAD, FRAMME, GeoMedia, GML, MapInfo, MGE, MicroStation, Oracle Spatial и др., включая растровые, табличные и мультимедийные данные. При этом пользователи могут разработать собственный GeoMedia Data Server на основе шаблона для Семейство продуктов GeoMedia включает две базовые линейки продуктов — настольные и серверные, плюс дополнительные прикладные модули. 80 MapInfo Professional (разработка фирмы MapInfo Corp.США), одна из самых распространенных настольных ГИС. MapInfo специально спроектирован для обработки и анализа информации, имеющей адресную или пространственную привязку. В MapInfo реализованы: - поиск географических объектов; - работа с базами данных; - геометрические функции: расчеты площадей, длин, периметров, объемов, заключенных между поверхностями; - построение буферных зон вокруг любого объекта или группы объектов; - расширенный язык запросов SQL, запросы основываются на выражениях, осуществляют объединение, отображают доступные поля, позволяют делать подзапросы, объединения из нескольких таблиц и географические объединения. - компьютерный дизайн и подготовку к изданию картографических документов. ГеоГраф (разработка Центра информационных исследований Института географии РАН, Россия). Дает возможность создавать электронные тематические атласы и композиции карт на основе слоев цифровых карт и связанных с ними таблиц атрибутивных данных (Рис. 3.3). Рис. 3.3 Окно программы ГеоГраф Основные возможности ГеоГраф: 81 - создание пространственных объектов в виде косметических слоев с привязкой к ним таблиц атрибутивных данных; - подсистема управления атрибутивными данными, включая подсоединение таблиц, редактирование, выборку, сортировку, запросы по образцу и т.д. - электронное тематическое картографирование и др. Свободные gvSIG — свободная геоинформационная система с открытым исходным кодом. Первая версия появилась в конце 2006 года и распространялась через интернет. Программа поддерживает все необходимые функции ГИС: o Pабота со слоями, благодаря которой можно отображать лишь необходимые в данный момент объекты; o Функции масштабирования карты; o Поддержка сохранения необходимых ракурсов карты; o Автоматические расчёты расстояния между объектами и площадей областей; o Размещение активных объектов на карту; o Создание профессиональных географических карт с необходимыми элементами, которые можно впоследствии печатать. GRASS (англ. Geographic Resourse Analysis Support System — система для обработки географической информации. Аббревиатура складывается в английское слово grass — трава. Геоинформационная система с открытым исходным кодом. Поддерживает большое количество форматов. 3.3 ОСНОВЫ ARCVIEW GIS ArcView Gis это: Настольная геоинформационная система (ГИС) Программный продукт с легким в использовании и управляемым мышью графическим интерфейсом пользователя (ГИП) Набор инструментов для визуализации, исследования, запросов, редактирования и анализа информации, имеющий географическую привязку Продукт ESRI, разработчика программного продукта ARC/INFO 82 Программный продукт, поставляемый с готовыми к использованию данными. Программное обеспечение ArcView является настольной ГИС с простым и управляемым посредством мыши графическим интерфейсом пользователя, который легко позволяет загружать пространственные и табличные данные для того, чтобы в результате отобразить данные в качестве географических карт, таблиц и диаграмм. ArcView обеспечен всеми необходимыми средствами для запроса и анализа данных и представления результатов в виде высококачественных географических карт. Институт разрабатывает Исследования качественные Систем Окружающей программные средства Среды ГИС с (ESRI) целью удовлетворения всевозможных потребностей в этой области деятельности. Семейство программных продуктов ESRP охватывает весь спектр функциональных возможностей ГИС – начиная от интерактивных программ для отображения географических карт и заканчивая всесторонними геоинформационными системами, имеющими научное применение. ArcView поставляется вместе с образцами данных в диапазоне от земного шара до отдельно взятого города. Вы можете использовать эти данные в целях обучения - как посредством применения программных средств ArcView, так и простым исследованием данных в режиме просмотра. Если вы уже имеете собстиеную базу данных, то можете использовать ваши данные в сочетании с этими образцами. Наборы географических данных практически для любых целей могут быть приобретены у ESRI и иных многочисленных организаций. ArcData Catalog - набор пакетов цифровой информации, разработанный ESRI совместно с другими поставщиками данных, которых насчитывается более тридцати включает наборы данных почти для любой области применения. Кроме того, если ваша организация использует данные ARC/INFО, вы можете непосредственно использовать ArcView для доступа к этим данным. Настольная ГИС ArcView позволяет вам представлять информацию 83 визуально таким образом, что становятся очевидными новые отношения, свойства и тенденции, которые нельзя заметить посредством текстовых файлов, электронных таблиц и баз данных. Использование ArcView Gis дает возможность осуществлять: Тематическое картирование Создание и редактирование данных Пространственный анализ Адресное геокодирование Доступ к внешним базам данных Возможность настройки с помощью языка программирования Avenue Помимо непосредственного интерактивного режима построения карт, ArcView предоставляет средства для выполнения пространственного анализа, геокодирования адресов и отображения их на карте, создания и редактирования географических и табличных данных, создания тематических карт, а также окончательного оформления географических карт. Графический интерфейс пользователя ArcView (ГИП) позволяет выполнять действия быстро и легко посредством выпадающих меню, кнопок и инструментов. Используя имеющийся в ArcView механизм управления SQL- соединениями, можно связываться с системами управления реляционными базами данных (такими как ORACLE, SYBASE, INGRES, или INFORMIX) и формировать SQL-запрос для получения данных от этих систем. Используя Avenue, язык программирования ArcView, можно осуществить настройку меню, кнопок и инструментов ArcView для ваших собственных приложений. Кроме того, вы можете автоматизировать общие задачи и сделать их частью интерфейса. Модулями расширений называются программные средства, не входящие в стандартный комплект системы и предоставляющие дополнительные возможности ГИС. Версия ArcView 3.0 включает следующие расширения: 84 CadReader. обеспечивает поддержку изображений CAD. Databases Themes: обеспечивает доступ к данным SDE (Spatial Database Engine). SDE – это отдельный программный продукт ESRI, который обладает свойством читать географические объекты, которые хранятся в реляционных базах данных, и обладает инструментами, позволяющими анализировать данные объекты. Это расширение предоставляет вам возможность отображения точек, линий и полигонов слоев SDE. Digitizer: обеспечивает поддержку цифрования с дигитайзера. IMAGINE Image: осуществляет поддержку для изображений ERDAS IMAGINE. JPEG(JFIF): обеспечивает поддержку для изображений JFIF, формата файла общего пользования для сжатых изображений JPEG. Что такое настольная ГИС? Мощная картографическая система, работающая на настольных компьютерах Программный продукт, связывающий географические объекты с их атрибутикой, позволяет: Представить информацию в виде карт Анализировать местоположения Находить потенциальные местоположение по ряду критериев Связывать демографическую статистику с маркетинговыми условиями Принимать решения о распределении ресурсов Объединять информацию карт разных источников Легко обновлять карты Настольная ГИС выходит за рамки обыкновенных интерактивных систем по созданию географических карт, предоставляя такой набор инструментов для анализа и манипулированию данными, который предполагается в полноценной географической системе. С помощью инструментов настольной ГИС, запроса и анализа, можно исследовать географические отношения в данных и определять 85 отношения между различными наборами данных. С помощью инструментов настольной ГИС, прорисовки и редактирования, можно создавать данные и редактировать как географические, так и табличные данные. Карты настольной ГИС являются динамическими, так что любые изменения в данных автоматически влекут за собой изменения в отображении карты. Если вы располагаете информацией, которая должна быть связана с местами географического расположения, то настольная ГИС поможет вам отобразить и подвергнуть анализу подобную информацию новыми способами, которые позволят сделать новые открытия и представить информацию наилучшим образом. Ниже приводятся некоторые из возможностей: Выяснение местоположений ваших клиентов, местоположений служб по отношению к клиентам, а также мест наличия конкуренции. Принятие решения, где разместить коммерческую точку, торговый ряд или пункт обслуживания; определение сфер обитания какого-либо вида животного мира или установление заповедной зоны; нахождение зон с повышенной вероятностью оползней после пожара. Отображение демографического положения и зоны распродаж, определение мест расположении коммерческих зон и местонахождения потенциальных клиентов. Принятие решения о времени и месте размещения ресурсов поддержки состояния дорог и автострад, планирование аварийных маршрутов, карт по предотвращению роста уровня преступности или применения удобрений для сельскохозяйственных полей. Интегрирование карт, таблиц, диаграмм и изображений из множества разных источников. Автоматическое обновление карт по мере осуществления изменений в данных. Как работает настольная ГИС Связываеи объекты карт с таблицами атрибутов 86 Обеспечивает доступ к атрибутам любого объекта карты Осуществляет поиск любого объекта по его атрибутам Управляет набором объектов и атрибутов как темами Настольная ГИС связывает объекты на карте с информацией об этих объектах, называемой атрибутами. Такая связь является основным принципом работы настольной ГИС и главным фактором ее эффективности. Благодаря связи объектов карты и атрибутов вы можете иметь доступ к атрибутам для любого объекта или определять местоположение любого объекта по его атрибутам. Представляемые на карте элементы как природного происхождения, , так и являющиеся результатом человеческой деятельности, называются объектами карты, или просто объектами. Каждый объект имеет местоположение, присущую ему форму, а также символ, который представляет одну или более характерных особенностей данного объекта. ГИС хранит сведения об объектах карты в базе данных и осуществляет связь этой информации с самими объектами. Такие сведения принято называть атрибутивной информацией, или просто атрибутами. Атрибуты здания могут состоять из его названия, имени владельца, типа, размера и регистрационного номера. ГИС связывает набор объектов и их атрибутов в одну функциональную единицу, которая называется темой. Тема - это совокупность географических объектов, - например дорог, рек, участков или природных достопримечательностей, - наряду с атрибутами для этих объектов. Набор тем для одной географической области образует базу данных ГИС. 87 Изучение интерфейса ArcViewGis Рис 3.3 Окно Приложения содержит графический интерфейс пользователя (ГИП) ArcView (Рис.3.3). Подобно всем окнам в ArcView, вы можете сдвигать, изменять размер, временно скрывать и вновь отображать это окно. Окно Приложения содержит одно окно Проекта, которое отображает названия всех документов, содержащихся в проекте ArcView. Для каждого типа информации в ArcView имеется соответствующее окно документа с собственным интерфейсом. Графический интерфейс пользователя (ГИП) ArcView состоит из элементов управления, которые называются меню, кнопки и инстументы и расположены в трех строках в верхней части окна Приложения. Строка меню обеспечивает доступ к процедурам ArcView посредством выпадающих меню. Строка кнопок обеспечивает быстрый доступ к наиболее часто используемым процедурам. Строка инструментов содержит средства выполнения процедур, для которых требуется ввод с помощью мыши. В момент выбора инструмента курсор изменяет форму, чтобы отразить сущность выбранного вами инструмента. 88 В момент позиционирования курсора на позиции меню, кнопке или инструменте строка состояния отображает однострочное описание предпринимаемого действия. В строке состояния также сообщаются результаты измерений и приводится шкала продвижения процесса при выполнении длительных процедур. Документы ArcViewGis ArcView Gis работает с целым рядом источников данных и предоставляет для каждого такого источника индивидуальное окно, называемое окном документа. Кроме того, каждый документ имеет свой собственный интерфейс. Вид отображает темы пространственной информации, например: страны, города, реки, дороги, школы, земельные участки, банки, гостиницы. Таблицы отображают информацию, которая представляет собой описание имеющихся в виде объектов, например: названия штатов, названия автострад; значения уровня населения, высоты над уровнем моря, количества счетов в банке. Диаграммы являются графическими представлениями табличных данных. ArcView позволяет вам создавать шесть различных типов диаграмм (площадные, ленточные, столбчатые, линейные, круговые и разброса X,Y). Компоновки позволяют вам интегрировать в единое окно документы (виды, таблицы и диаграммы) и другие графические элементы, чтобы создать окончательный вариант карты для дальнейшей распечатки ее на принтере или плоттере. Программы представляют собой коды, написанные на Avenue, языке программирования ArcView. Avenue можно использовать для настройки интерфейса ArcView, автоматизации часто повторяющихся процессов ГИС, а также для создания целых приложений. Работа с окнами. В ArcView вы можете иметь несколько окон открытыми в одно и то же время, однако одновременно можно работать только с одним окном, являющимся на данный момент активным. Чтобы сделать окно активным, нужно щелкнуть кнопкой мыши в область этого окна или на его 89 заголовок, либо выбрать его в качестве элемента выбора выпадающего меню Windows (Окна). Проекты ArcViewGis В ArcView все действия происходят в пределах проекта. Проект ArcView – это группа сообщающихся между собой документов, с которыми вы имеете дело в течение сеанса работы с ArcView. Проекты могут содержать пять типов документов: виды, таблицы, диаграммы, компоновки и программы. Проект ArcView устанавливает и хранит параметры состояния документов, которые он содержит, включая позицию отображения, текущий набор выборки и внешний вид окна приложения. При сохранении проекта сохраняется полная моментальная копия состояния ArcView в данное время. Информация о проекте хранится в файле, который называется файлом проекта. Он представляет собой ASCII-файл с постоянным расширением *.арr (например states.арг). Окно проекта отображает имена всех документов проекта и действует в качестве узла, обеспечивающего связь между всеми документами проекта. В любой момент сеанса работы с ArcView активным является только один проект (текущий проект), и отображается единственное окно Проекта, которое носит имя файла *.арr. Виды и темы Тема это набор подобных географических объектов и их атрибутов Темы отображаются в видах Каждая тема имеет название и легенду в Таблице Содержания Вида 90 Рис.3.4 ArcView связывает объекты и атрибуты в темы и осуществляет управление над ними в виде (Рис 3.4). Тема ArcView представляет набор объектов реального мира в качестве объектов карты вместе с их атрибутами. Каждая тема имеет название и один или несколько символов для отображения объектов темы. Вы можете отображать в одном виде для одной и той же географической области несколько тем. К примеру, приведенный выше вид содержит тему автодорог, тему торговых центров, тему банков и тему избирательных участков. Окно Вида состоит из двух частей: Таблицы Содержания и области отображения карты. Таблица Содержания приводит список тем и отображает их легенды; в области отображения карты осуществляется вывод на экран объектов для каждой темы. Графический интерфейс вида содержит меню, кнопки и инструменты, которые используются для выполнения каких-либо действий в видах и темах. Операции с темами Включение и выключение отображения темы 91 Включение активности темы Изменение порядка отображения тем Имеющиеся в виде темы можно включать и выключать, делать их активными для произведения каких-либо действий, а также изменять порядок отображения тем. Для отображения темы в виде вы должны включить ее, щелкнув кнопкой мыши на контрольную рамку рядом с названием темы в Таблице Содержания. Повторный щелчок кнопки мыши выключит тему. Когда тема включена, ArcView прорисовывает ее в области отображения карты; когда тема выключена, ArcView данную тему не прорисовывает. Выключение темы вызывает изменения только на экране и не влечет за собой удаления объектов в теме. При произведении определенных действий в теме вовсе не обязательно, чтобы она в данный момент была включена. Большинство действий производится только с активными темами. Когда тема является активной, она рельефно выделяется в Таблице Содержания. Это означает, что данная тема доступна для произведения над ней каких-либо действий. Чтобы сделать тему активной, нужно щелкнуть кнопкой мыши на эту тему в Таблице Содержания. Чтобы сделать активными несколько тем, в момент выбора активной темы следует держать нажатой клавишу <Shift>. ArcView осуществляет прорисовку тем в последовательном порядке, начиная снизу и заканчивая верхней темой в Таблице Содержания. Чтобы изменить порядок прорисовки тем, установите курсор на нужную тему в Таблице Содержания, нажмите кнопку мыши и, не отпуская ее, переместите тему на новую позицию (вверх или вниз по Таблице Содержания). Таблицы Документ для отображения табличной информации Представляется в виде записей (строк) и полей (столбцов) Содержит описательную информацию об объектах темы 92 Рис.3.5 В ArcView, таблица - это отображение табличных данных (Рим.3.5). Таблица содержит описательную информацию об объектах карты (например, о странах, о клиентах, или о владельцах собственности). Каждая строка, или запись, определяет в таблице единичный член представленной группы. Каждая колонка, или поле, определяет отдельную характеристику всех членов (например: название страны, номер клиента, адрес). Таблицы позволяют работать с данными из различных источников табличных данных. С помощью таблиц ArcView можно иметь доступ практически к любому ресурсу табличных данных в вашей организации. Вы можете отображать, производить запрос и анализировать информацию, содержащуюся в таблицах. Если в таблице хранится информация о местонахождении, например, географические координаты или адреса, можно получить отображение такой информации в виде, представляя таким образом данные в географическом контексте. Таблицы Темы содержат описательную информацию о географических объектах темы. Доступ к атрибутам темы можно получить непосредственно из вида. ArcView осуществляет автоматическое' управление отношениями между 93 темами и их таблицами атрибутов, в связи с чем отсутствует необходимость в отдельной загрузке этих таблиц в ArcView. Более подробно работа с таблицами обсуждается в разделе 4, Работа с Таблицами. Диаграммы Графически отображают табличную информацию Позволяет вам сравнивать атрибутивную информацию Диаграммы являются способом графического представления табличных данных и обеспечивают дополнительную возможность наглядно представлять атрибутивные данные. Диаграмма ссылается на табличные данные в реально существующей таблице ArcView; тип диаграммы определяет способ ее отображения. Диаграммы используют, чтобы отобразить, сравнить и произвести запрос атрибутивной информации. Например, вы можете указать на сектор круговой диаграммы, чтобы отобразить запись, на которую ссылается данный сектор. Диаграмма имеет динамический характер, поскольку отражает текущее состояние данных в таблице, а любые изменения в данных автоматически влекут за собой соответствующие изменения в отображении диаграммы. ArcView позволяет создавать шесть различных типов диаграмм (площадные, ленточные, столбчатые, линейные, круговые и разброс X, Y). Более поробно о диаграммах и способах их создания можно узнать из раздела 4, Работа с Таблицами. Компановки Обеспечивают создание карт высокого качества Отображает документы (виды, таблицы, диаграммы) и графику Может быть выведена на принтер или плоттер Документ компоновки предназначен для гого, чтобы сгруппировать различные документы ArcView, компоненты карты (например: стрелка • севера, шкала масштаба) и графические элементы (декоративные рамки обрамления, 94 логотипы) с целью создания окончательного варианта карты. К примеру, макет может включать два различных вида с вашими данными, диаграмму для сравнения, стрелку севера – чтобы ориентировать читающего карту, а также заголовок, который сообщает о предназначении вашей карты. Создав компоновку, можно распечатать ее на принтере или плоттере в различных форматах. Кроме того, компоновку можно сохранять в качестве шаблона для карт, которые вы будете создавать в дальнейшем. Более подробно о компоновках разъясняется в разделе 8, Создание компоновок. Программы Окно для создания программ на Avenue Автоматизирует обработку, добавляет новые функции, создает законченные приложения Документ программ является подобием текстового редактора, который вы используете для написания Avenue-кода. Программы Avenue это программы, которые позволяют производить автоматизацию задач, добавлять новые возможности в ArcView и создавать приложения. 95 ЛИТЕРАТУРА Основная литература 1. Журкин И. Г., Шайтура С. В. Геоинформационные системы. — М., «КУДИЦ-ПРЕСС», 2009. 2. Крючков А.Н., Самодумкин С.А., Степанова М.Д., Гулякина Н.А. Под науч. ред. В.В. Голенкова Интеллектуальные технологии в геоинформационных системах: Учеб. пособие, с изм. - Мн.: БГУИР, 2006 3. Самардак А.С. Геоинформационные системы: Учебное пособие. Владивосток: ТИДОТ ДВГУ, 2005. 4. Турлапов В.Е. Геоинформационные системы в экономике: Учебнометодическое пособие. - Нижний Новгород: НФ ГУ-ВШЭ, 2007. 5. Дополнительная литература 6. Алешин Л.И. Информационные технологии. -Учебное пособие. М: Московская финансово-промышленная академия -2008. 7. Берлянт А.М., Тикунов В.С. Картография. М.: Картгеоцентр. - Геоиздат, 2004. - 380 с. 8. Геоинформатика. Под ред. В.С.Тикунова.- М.:Академия, 2005. 9. Голенков В.В. Анализ геоинформационных данных. Компьютерный практикум: Голенкова В.В., Степанова М.Д., Гулякина Н.А., Самодумкин С.А., Крючков А.Н. Минск, БГУИР, 2005 г. 10. Демерс М.Н. Географические информационные системы. Основы. М., 2006. – 246 с. 11. Карминский A.M.Информационные системы в экономике: В 2-х ч. Ч. 1. Методология создания/. Карминский A.M., Черников Б.В. Учеб. Пособие - М.: Финансы и статистика- 2006 12. Лопандя А.В., Немтинов В.А. Основы ГИС и цифрового тематического картографирования/ Лопандя А.В., Немтинов В.А. - Учебно-методическое пособие - Тамбов -2007 13. Руководство по ГИС-анализу (пространственные модели и взаимосвязи). – М.: Есомм, 2006. – 179 с. 96 14. Савельев А.А. Пространственный анализ в растровых геоинформационных системах./Савельев А.А., Мухарамова С.С., Пилюгин А.Г. - Казань КГУ -2007. 15. Сербулов Ю.С. Геоинформационные технологии / Ю.С. Сербулов, И.О. Павлов, В.К. Зольников, Д.Е. Соловей - Воронеж: Издательство ВГУ, 2005. 16. Силина Е.К.Введение в геоинформационные системы. Практикум /Силина Е.К., Фортыгина Е.А., Фокин В.С.- РГОТУПС, 2007 г. 17. Турлапов В.Е. Геоинформационные системы в экономике: Учебнометодическое пособие. - Нижний Новгород: НФ ГУ-ВШЭ, 2007. 18. Филиппов Д.Н. Введение в геоинформационные системы. Учебное пособие. Филиппов Д.Н., Фортыгина Е.А., Фокин В.С. - РГОТУПС, 2007г. 19. Шипулин В.Д. Введение в использование ArcGIS / Учебно-методическое пособие (для студентов дневной формы обучения спец. 6.07090 «Геоинформационные системы и технологии»). - Харьков: ХНАГХ, 2005 20. Радионов Г.П., Рудов А.И., Купецкая Т.А. Использование ГИС для автоматизации деятельности предприятий и организаций. – М.: Издание ДАТА+ / ArcReview №1 (40). – 2007. 97
