Главная страница

Методическое пособие по ГИС Третьяков. Методическое пособие СанктПетербург 2005 удк 91(075. 8) Ббк 26. 8я73 Т66


Скачать 139 Kb.
НазваниеМетодическое пособие СанктПетербург 2005 удк 91(075. 8) Ббк 26. 8я73 Т66
Дата27.06.2021
Размер139 Kb.
Формат файлаdoc
Имя файлаМетодическое пособие по ГИС Третьяков.doc
ТипМетодическое пособие
#221885

Подборка по базе: Учебное пособие по ТГиП.pdf, типология пособие.pdf, Методическое пособие по выполнению Лр.docx, Философия науки. Учебное пособие.doc, Методическое пособие с задачами - Динамика.doc, Учебное пособие -Семин и др..pdf, Экономика отрасли. Учебное пособие. by Басовский Л. Е. (z-lib.or, Техническая документация ИС УЧ пособие.pdf, Метод. пособие по философии для СО.doc

Санкт-Петербургский государственный университет

В.Ю. ТРЕТЬЯКОВ



ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

(ГИС)


Методическое пособие



Санкт-Петербург
2005

УДК 91(075.8)

ББК 26.8я73

Т66

Рецензенты: докт. геогр. наук Г.К. Осипов (НИО-3 ЗАО «Институт телекоммуникаций»),

докт. геогр. наук В.А. Шелутко (Российский государ-

ственный гидрометеорологический университет)

Печатается по решению

Ученого совета Учебно-научного центра

географии и геоэкологии

Санкт-Петербургского государственного университета

Третьяков В.Ю.

Т66 Геоинформационные системы (ГИС): Метод. пособие. – СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2005. – 16 с.

ISBN 5-288-03635-7

В пособии изложены понятия, связанные с геоинформационными системами (курс лекций «Геоинформационные системы» для студентов 4-го курса специальностей геоэкология и природопользование) и рассмотрены методы их применения для компьютерной обработки геоэкологической информации.

Пособие предназначено для студентов географических факультетов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям “Геоэкология”, “Природопользование”, “География” и направлению “Экология и природополь­зование”.

ББК 26.8я73
© В.Ю. Третьяков2005

© Факультет географии и геоэкологии

Санкт-Петербургского государственного

ISBN 5-288-03635-7 университета, 2005

ГИС КАК ИНСТРУМЕНТ

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Это методическое пособие ни в коем случае не может заменить специализированную литературу по проблематике ГИС и, тем более, по применению конкретных программных пакетов. Объем пособия позволяет добиться лишь самой скромной цели: разъяснения будущим специалистам в сфере геоэкологии, природопользования и, возможно, других географических направлений, предоставляемых геоинформационными системами (ГИС) возможностей.

Очевидно, что любой объект можно рассматривать с двух точек зрения: из чего он состоит (подход Демокрита, если вспомнить философию), и как он взаимодействует с другими объектами (Платона). Пользователям компьютерных систем, которыми являются ГИС, естественно, интереснее второй подход: выяснить, для каких целей они могут применяться. Членение же на отдельные части интересует с точки зрения функциональных блоков, а не структуры программных пакетов.

Научно-технический прогресс привел к парадоксальной на первый взгляд ситуации: недостаток информации при избытке данных: их слишком много, чтобы обработать традиционными способами. Выход заключается в компьютеризации обработки данных: все операции, которые можно формализовать, следует поручать компьютерам. Разумеется, компьютер не может думать, как человек, всё, что он умеет – это сравнивать значения, складывать и вычитать. Все самые сложные компьютерные программы, в конечном счете, то есть на уровне исполняемых машинных кодов состоят именно из последовательностей этих действий. Но их компьютер выполняет очень быстро, неизмеримо быстрее, чем человек. Так, только появление ЭВМ позволило осуществлять управляемые космические полёты, хотя необходимый для этого математический аппарат был уже давно разработан. В геоэкологии и географии в целом только применение компьютерных технологий может помочь справиться с объёмами данных, поставляемых системами автоматизированных измерений и дистанционного зондирования.

Особенность данных, используемых в комплексе естественных наук о Земле, заключается в их географической привязке. Конечно, возможны редкие исключения, когда, например, рассматривается биосфера в целом или абстрактная обобщенная экосистема. В большинстве же случаев в геоэкологии рассматриваются объекты, локализованные где-либо в пределах биосферы. Объект – это часть реального мира, которая в данном случае рассматривается как единое целое, его свойства относятся к нему в целом, как, например, имя человека. Разумеется, в другом случае этот объект может рассматриваться как часть более крупного объекта или быть расчленён на более мелкие. В географии это, например, иерархические ландшафтные структуры (фация, урочище, ландшафт и т.д.), в геоэкологии – геосистемы различных рангов. Относящаяся к любому географическому или геоэкологическому объекту первичная информация подразделяется на позиционную и семантическую. Первая определяет, где расположен объект, вторая – его характеристики. Вообще семантика – раздел математической логики, рассматривающий мироздание с позиций математической лингвистики. Семантическое направление в теории информации исследует смысловое содержание данных. Вместо термина семантическая часто применяется термин атрибутивная информация. ГИС – это компьютерные системы, при помощи которых осуществляется обработка и позиционной, и семантической информации.

Исторически ГИС произошли от СУБД (систем управления базами данных). Их появление произошло в 60-е годы ХХ-го века в Канаде и Швеции, когда в базы данных землеустройства начали вводить информацию о местоположении объектов. Далее наличие в компьютерных системах функциональных блоков визуализации и обработки позиционной информации, т.е. работы с компьютерными (электронными) картами как раз и служило признаком принадлежности системы к ГИС. В последнее время это различие между ГИС и СУБД стирается: в традиционных СУБД появляются возможности работы с электронными картами. Для хранения семантической информации в современных ГИС используется реляционная модель баз данных: характеристики каждого объекта записаны в отдельной строке (записи) таблицы. Каждый параметр записывается в таблице в отдельный столбец (поле).

Электронная карта имеет ряд неиспоримых преимуществ перед бумажной: она не подвержена физическому износу, легко копируется на различные носители (жёсткие диски, дискеты, CD и DVD диски), средствами ГИС возможно изменение её масштаба, картографической проекции и системы условных обозначений (легенды). Разумеется, электронные карты характеризуются масштабом, соответствующим уровню их генерализации. Дальнейшее увеличение масштаба является чисто формальным, т.к. степень детализации пространственных объектов остаётся прежней. Пользователь может бесконечное число раз редактировать как пространственные объекты, так и их семантические характеристики, при этом внешний вид карты не ухудшается. В любой момент электронную карту легко напечатать (создать твердую копию на бумаге). Фактически уже на бумажных картах информация тематически сгруппирована по слоям: каждый слой имеет свою систему условных обозначений. Например, слой дорог, населенных пунктов, рек и т.д. Компьютерные карты также состоят из слоёв информации (Layers), кардинальное отличие от бумажной карты заключается в том, что слои можно делать видимыми и невидимыми, а также изменять порядок их наложения друг на друга, «тасовать», как если бы они были нарисованы на прозрачных плёнках. Различные слои электронной карты обыкновенно имеют в качестве источников информации различные файлы и файловые структуры. Однако возможно использование различными слоями одного и того же источника данных. В этом случае, разумеется, пространственные объекты обоих слоёв совпадают, но отображаются на карте различными системами условных знаков (легендами). Это применяется, когда необходима визуализация разных семантических характеристик одних и тех же объектов. Кроме тематической классификации, послойная группировка объектов зависит от их мерности: точечные объекты принадлежат одному слою, линейные – другому и т.д.

На бумажных картах обычно имеется много надписей. На компьютерных картах также можно располагать графику: надписи и значки и редактировать их. В любой момент графические объекты могут быть удалены с карты. Надписи на электронной карте могут либо вводиться пользователем с клавиатуры или являться визуализацией принадлежащей пространственным объектам семантической информации.

Карта отличается от рисунка тем, что с её помощью можно выполнять картометрические операции: определять координаты объектов, расстояния и площади. При использовании бумажной карты точность результатов сильно зависит от качества бумаги, применяемых инструментов (измерителей, курвиметров, палеток, планиметров) и квалификации лица, выполняющего измерения. В ГИС картометрические операции выполняются компьютером путём расчетов по координатам пространственных объектов. Естественно, точность результатов здесь несравненно выше. Расчёты могут выполняться как на плоскости определённой картографической проекции, так и на поверхностях аппроксимирующих Землю сферы или эллипсоида вращения. В любой ГИС необходимо наличие блока картометрических операций. Вставка рисунка карты в документ Microsoft Word отнюдь не превращает его в геоинформационную систему, т.к. в текстовом редакторе нет инструментов для выполнения картометрических операций.

Зачастую ГИС определяют как компьютерные системы для создания электронных карт. Это в принципе неверно. Действительно, средства современных ГИС позволяют создавать компьютерные карты очень высокого качества. Однако непосредственно для создания топографических и географических карт служат специализированные компьютерные картографические системы (Mapping systems). Другим «родственником» ГИС являются системы автоматизированного проектирования (САПР). Их англоязычное название: CAD – Computer Aided Design. Профиль их применения – создание компьютерных чертежей. Первоначально они не обладали возможностями применения картографических проекций. Теперь они появились, однако ни САПР, ни картографические системы не обладают возможностями обработки и анализа семантической информации, которыми обладают ГИС. Таким образом, основное назначение ГИС - это обработка и анализ пространственно-координированной информации, т.е. семантических характеристик, относящихся к пространственным объектам. В соответствии со значениями семантических параметров пространственные объекты могут объединяться, создаваться новые пространственные объекты и т.д. ГИС могут использоваться в качестве информационно-справочных систем, позволяющих выполнять поиск пространственных объектов по их семантическим характеристикам.

Современный уровень техники позволяет автоматизировать процесс получения первичной информации при помощи дистанционного космического зондирования и автономных измерительных приборов. Результаты подвергаются аналого-цифровому преобразованию, затем по каналам связи поступают в компьютерную базу данных. Компьютерная система, осуществляющая автоматизированный сбор, хранение и обработку данных называется информационно-измерительной системой. Это система может быть отдельным блоком ГИС, но её наличие совершенно не обязательно для любой ГИС. Существуют интегрированные ГИС, в которые входит блок автоматизированного распознавания космических снимков.

Создание топографических и общегеографических карт - область деятельности специалистов-картографов. Геоэколог использует эти карты, для того, чтобы отображать на них экологическую информацию. Он при этом может создавать новые пространственные объекты, отражающие экологическую обстановку, например, зоны различных степеней загрязнения окружающей среды. Возможны ситуации, когда необходимо нанести на карту новый пространственный объект, например, возникшую незаконную свалку. Однако взгляды на карту картографа и геоэколога различны. Для картографа она – конечный продукт его профессиональной деятельности. Для геоэколога – средство получения нового знания. Уже сама карта является моделью земной поверхности или какой-либо части географической оболочки. Как известно, модель объекта – это такой его заместитель, изучение которого позволяет получить новое знание о реальном объекте. При этом путем непосредственного изучения реального объекта это знание получить либо принципиально невозможно, либо это требует колоссальных затрат. Объекты окружающей среды характеризуются множеством параметров. Оценка состояния окружающей среды требует моделирования состояния объектов: получения по множеству отдельных характеристик интегрального (комплексного, сводного) показателя. Например: интегральный показатель загрязнения среды, устойчивости экосистемы к определенному антропогенному воздействию, комфортности проживания и т.д. Расчет значений интегрального показателя возможен как в среде ГИС (для этого пользователь должен написать ГИС-приложение, т.е. компьютерную программу, реализуемую в данной ГИС), так и вне ГИС. В обоих случаях ГИС служит источником данных и средством визуализации результатов. Важная роль в диагностике и прогнозировании состояния геосистем принадлежит имитационным моделям функционирования экологических систем. Эти модели могут входить в состав ГИС в качестве отдельных программных блоков. Также они могут являться внешними по отношению к ГИС компьютерными программами, получающими из ГИС исходные данные и возвращающими в неё результаты модельных расчетов. Для обеспечения мониторинга состояния окружающей среды и оптимизации природопользования весьма перспективно применение интегрированных систем, совмещающих информационно-измерительную систему, ГИС и имитационную модель. Например: информационно-измерительная система постоянно отслеживает содержание загрязняющих веществ в стоках предприятий и пунктах мониторинга, уровень воды в водотоках и водоёмах. Эта первичная информация передаётся имитационной компьютерной модели, которая рассчитывает перенос и трансформацию субстанций в речной системе. Результаты расчётов визуализируются средствами ГИС. В любой ГИС можно выделить ее стандартное ядро: программный пакет, разработанный одной из крупных фирм по производству программного обеспечения. Программные пакеты состоят из исполняемых программных файлов и вспомогательных файлов, в которых записана какая-то необходимая для работы данной компьютерной системы информация. Примерами программных пакетов являются текстовые и графические редакторы (Word, Photoshop), дисковые операционные системы (Unix, Windows) и т.д. Программное ядро ГИС, называемое также стандартной ГИС как раз и является программным пакетом. Мировыми лидерами разработки стандартных ГИС являются несколько американских фирм: Intergraph, ESRI, MapInfo и др. В настоящее время ими монополизирован мировой рынок программного ГИС-обеспечения, они диктуют форматы представления данных. Поэтому при создании конкретной ГИС необходимо подготовить нужные данные в соответствующих требованиям этой стандартной ГИС форматах. Затем эти данные необходимо обработать и проанализировать. В стандартных ГИС содержатся различные возможности обработки и анализа, в некоторых - даже моделирования. Эти операции можно выполнять путем диалога пользователя с машиной. Этот диалог осуществляется при помощи системы экранных меню, которая называется интерфейсом пользователя.

Однако далеко не все возможности ГИС представлены в интерфейсе пользователя. С другой стороны, обычно стандартные ГИС не снабжены возможностями специализированного анализа, например, гидрологического, экологического и т.д. Производители ГИС-обеспе-чения предоставляют пользователям возможность доукомплектования ГИС фирменными модулями, реализующими специализированные виды анализа данных и блоки моделирования. С другой стороны, пользователи производят анализ и моделирование по собственным методикам. Поэтому специализированный анализ в ГИС реализуются путём создания специальных программ - ГИС-приложений самими пользователями. Для анализа и моделирования экологических процессов, или хотя бы для разработки собственного интерфейса необходимо создавать компьютерные программы. Это реализуется при помощи встроенного в стандартную ГИС внутреннего языка создания ГИС-приложений или таких широко распространённых алгоритмических языков, как Visual Basic for Application. Разработка стандартных ГИС - дело многочисленных коллективов профессиональных программистов специализированных фирм. Однако эти программисты не имеют экологического образования и не знают специфики задач, для решения которых разрабатывается конкретная ГИС. Поэтому разработка ГИС-приложений или участие в их создании совместно с программистом-профессионалом - дело специалиста-геоэколога.

Особое направление компьютерного моделирования: разработка экспертных систем. Это компьютерные системы, использующие знания из какой-либо предметной области для решения возникающих в ней задач. Компьютер в них выступает в роли эксперта, ведущего диалог с заинтересованным лицом, поставляющим необходимые сведения по конкретному вопросу. Экспертные системы анализируют смысл данных. Они должны уметь разъяснять пользователю путь получения сделанных выводов. В этом плане они смыкаются с обучающими компьютерными системами. Экспертные компьютерные системы могут входить в ГИС в качестве отдельных блоков, а могут быть реализованы независимо от ГИС, получая от последних необходимую информацию.

При разработке конкретной ГИС пользователь подключает к ней источники данных (файлы и их структуры), определяет внешний вид электронных карт, легенды, интерфейсы, создаёт необходимые программы (ГИС-приложения) и т.д. Все эти настройки во время работы записываются в специальных хранящихся в памяти компьютера объектах. При завершении сеанса работы эти объекты записываются на диск в отдельные файлы. В ГИС ArcView объекты настроек называются проектами, в ArcGIS – документами карт, в MapInfo – рабочими наборами.

Существуют различные определения ГИС. Согласно официальному определению ГИС-Ассоциации России (неправительственной организации, занимающейся координацией действий по распространению ГИС), географическая информационная система - это информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственно-координированных данных. В учебном пособии «Основы геоинформатики» под. ред. В.С. Тикунова (2004) приводятся два определения. Краткое: «ГИС – информационные системы, обеспечивающие сбор, хранение, обработку, отображение и распространение данных, а также получение на их основе новой информации и знаний о пространственно-координированных явлений». Даётся и более развёрнутое определение: «под географической информационной системой будем понимать аппаратно-программный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных, интеграцию данных, информации и знаний о территории для их эффективного использования при решении научных и прикладных задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением окружающей средой территориальной организацией общества». Можно предложить более короткое определение ГИС, отражающее все аспекты их применения: «ГИС – это компьютерные системы, предназначенные для сбора, хранения, дополнения, обработки, анализа, моделирования, визуализации пространственно-координированной информации, а также проведения экспертиз при принятии управленческих решений». Термин «ГИС» приложим и к стандартному программному пакету, и к созданной на его основе конкретной компьютерной системе, осуществляющей обработку и анализ определённой пространственно-координированной информации.
ФОРМАТЫ ХРАНЕНИЯ ПОЗИЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ

Существуют два типа форматов хранения позиционных данных: растровый и векторный. В первом слой электронной карты представляется при помощи системы ячеек, которые являются неделимыми «квантами пространства». Сами ячейки являются объектами. Термин «растр» обозначает решётку экрана, состоящую из отдельных пикселов. На уровне вывода на экран любое изображение является растровым. Все различия форматов существуют на уровне хранения данных на диске и в памяти компьютера. В большинстве случаев система ячеек является прямоугольной матрицей, состоящей из равновеликих квадратных ячеек. Всем известный пример растрового формата: игра «морской бой». Растровый формат подразделяется на собственно растровый и регулярно-ячеистый. В первом случае каким-либо техническим устройством выполняется разбиение на ячейки получаемого изображения. В качестве этих устройств выступают сканеры и спутниковые системы дистанционного зондирования. Здесь размеры ячеек определяются параметрами устройств. Так, сканер в соответствии со своим разрешением разбивает освещаемую поверхность на систему ячеек с равными размерами. Интенсивность отраженного ячейкой света в определенном диапазоне спектра преобразуется в числовую величину, характеризующую данную ячейку. Эта величина записывается в матрицу файла отсканированного изображения. Разумеется, когда сканируется карта, то равными по площади являются участки самой карты, относящиеся к разным ячейкам. Соответствующие им участки земной поверхности из-за изменчивости масштаба в пределах листа карты могут иметь разные площади. Аналогично для космической системы равными являются телесные углы, в пределах которых суммируется излучение, но отнюдь не участки поверхности Земли, от которых это излучение получено. Матрица регулярно-ячеистого формата получается путём разбиения бумажной карты на отдельные квадратные ячейки человеком при помощи карандаша и линейки. В зависимости от того, объекты какого типа внутри данной ячейки преобладают по площади, ей присваивается определённый класс (лес, водный объект, агроценоз и т.д.). Вариант: класс ячейки определяется в соответствии с типом объекта карты, находящегося в центре ячейки. Кроме квадратов ячейки могут иметь другую правильную геометрическую форму (треугольник, шестиугольник). В некоторых случаях ячейки могут быть неравновеликими и вложенными друг в друга. Размеры ячеек и число вложений определяются размерами и формой отображаемых объектов карты, которые различны в разных её частях. Если требуется увеличить детализацию изображения, ячейка подразделяется на четыре равновеликие ячейки более низкого уровня (подход квадротомического дерева). Существуют также нерегулярные мозаики, ячейки которых различаются между собой. Чаще всего используют системы неравносторонних треугольников - Triangulated Irregular Network (TIN). Сети TIN особенно удобны для цифрового моделирования рельефа, который представляется многогранной поверхностью. Каждый треугольник имеет своё направление наклона (экспозицию) и его угол. Треугольники соединяются своими сторонами. TIN-модель позволяет использовать в качестве элементов более сложные многоугольники, которые можно разбить на треугольники. Эта модель может использоваться как при растровом, так и векторном представлении пространственных объектов.

Главный недостаток растровых форматов – их пространственное разрешение определяется размерами ячеек. Невозможна работа с объектами, имеющими меньшие размеры. Поскольку каждая ячейка является отдельным объектом, то при использовании равновеликих ячеек для представления объекта большой площади требуется много ячеек, т.е. много памяти компьютера. Если матрица на плоскости определенной картографической проекции состоит из одинаковых ячеек известного размера, то достаточно знать координаты центра или угла одной ячейки, чтобы определить координаты всех остальных ячеек. Поэтому регулярно-ячеистый формат позволяет в принципе хранить позиционную и семантическую информацию в одной реляционной таблице: каждой ячейке отводится одна запись, в двух полях записываются номер строки и столбца, определяющие положение ячейки как элемента матрицы. В остальных полях записывается семантическая информация.

Сначала в ГИС использовались преимущественно ячеистые форматы из-за недостаточного развития алгоритмических процедур работы с векторными структурами и отсутствия средств векторного цифрования. Однако последующее развитие векторных форматов отнюдь не привело к прекращению использования растровых, поскольку именно в них поступают для обработки результаты спутникового зондирования.

В векторных форматах записываются непосредственно координаты объектов с любой необходимой степенью точности. Векторный формат предоставляет произвольный доступ к данным, здесь легче осуществляются операции с линейными и точечными объектами, замена условных обозначений. Растровая модель дает информацию о том, что расположено в той или иной ячейке, векторная - где расположен тот или иной объект. Сначала линии в ГИС хранились в виде последовательностей единичных отрезков, имеющих одно из 8 направлений. Отсюда и произошёл термин «векторный формат». Двумерное местоположение точечного объекта однозначно определяется парой координат x и y. Ими могут быть как географические, так и декартовы координаты конкретной картографической проекции. Линейный объект хранится как последовательность пар координат точек, аппроксимирующих линию ломаной, состоящей из прямых отрезков – сегментов. Точки являются началами и концами отрезков, они имеют название вертексы. Линейный объект состоит из последовательности сегментов, он называется дуга. Точки начала и конца дуги – узлы. Здесь линейный объект может соединяться с другим объектом. Сегмент – это объект типа Line. Соответственно линейный объект – Polyline, он является последовательностью Line-объектов, в предельном случае может состоять из одного Line-объекта. Местоположение площадного объекта (типа Polygon) определяется последовательностью координат вертексов его границы. Полигоны могут быть простыми и составными, односвязными и многосвязными. Характеристика полигона «простой» означает, что он представляет собой единое целое, не подразделяется на отдельные отстоящие друг от друга части и не содержит внутренних полигонов («дырок» и «островов»). В противном случае полигон является составным. Термин «односвязный» применим к полигонам, не имеющим отдельных частей, из любой точки такого полигона в любую его другую точку можно попасть, не пересекая его границу. Для многосвязного полигона наоборот, чтобы попасть из одной его части в другую, необходимо пересечь границу полигона. Так, пруд в Летнем саду является примером простого полигона. Ладожское озеро и Новгородская область – полигоны составные, но односвязные. В них есть внутренние полигоны: острова Ладоги (Валаам и др.), озеро Ильмень. Однако из любой их точки можно попасть в другую, не пересекая границ полигонов. Сахалинская область – полигон составной и многосвязный: он состоит из о.Сахалин и Курильских островов. Многосвязными и составными могут также быть линейные объекты. Например, несколько дренажных канав составляют вместе один объект, но они пространственно не соединяются между собой.

В файловых структурах необходимо фиксировать не только координаты, но и форму объектов, т.е. их размерность и особенности (точки, линии, полигоны и т.д.). Например, объекты «озеро» и его «береговая черта» имеют абсолютно совпадающие координаты.

Векторные форматы могут быть топологическими и нетопологическими. Топология - раздел математики, имеющий своим назначением выяснение и исследование в рамках математики идеи непрерывности. Топологические свойства фигур не изменяются при любых деформациях, производимых без разрывов или соединений. В ГИС термин «топологический» означает, что в модели объекта хранятся взаимосвязи между объектами, что расширяет использование данных для различных видов пространственного анализа. Нетопологический формат не содержит никаких взаимосвязей между объектами, каждый из которых «сам по себе». При использовании этого формата данные хранятся в шейпфайлах – файловых структурах, содержащих форму и координаты объектов. Координаты каждого объекта записываются индивидуально, поэтому абсолютно совпадающие координаты границы двух смежных полигонов записываются дважды. Полигоны одного слоя не должны перекрываться и иметь между собой «зазоры». Реки не должны пересекать друг друга, приток не должен заканчиваться раньше водного объекта, в который он впадает. Однако выявление таких ошибок здесь очень трудоёмко. Перевод информации с бумажной карты сразу в компьютерный векторный формат выполняется при помощи дигитайзера – устройства, состоящего из планшета и курсора. Этот процесс имеет название дигитализации (цифрования). Планшет имеет собственную систему координат, курсор напоминает манипулятор мышь, но у него есть прозрачное окошечко с перекрестьем. При нажатии кнопки курсора координаты перекрестья фиксируются в памяти компьютера, а по окончании сеанса работы – в файлах. Естественно, что записывать координаты нужно не в системе планшета, а в географических или декартовых координатах конкретной проекции. Для этого после закрепления на планшете бумажной карты определяются координаты нескольких регистрационных (установочных) точек, для которых известны географические (или декартовы проекции) координаты. На основании этих данных компьютер осуществляет пересчет координат из планшетных в географические или декартовы. Оператор последовательно фиксирует вертексы линейных объектов или границ полигонов, заносит в память идентификаторы объектов. Качество работы сильно зависит от квалификации и физического состояния оператора. Более застрахован от ошибок другой метод получения векторных компьютерных карт: векторизация (цифрование) растрового изображения. Производится географическая привязка растрового слоя компьютерной карты, чаще всего также по регистрационным точкам. Затем в случае векторизации по подложке оператор поверх растрового слоя рисует и редактирует объекты нового векторного слоя. Существуют специальные компьютерные программы – векторизаторы, выполняющие автоматическую и интерактивную векторизацию. Ячейки растрового слоя в зависимости от значений характеристик (т.е. их цвета) относятся к определённым классам. Если ряд ячеек одного класса занимает непрерывную область, то выделяются границы классов, они сглаживаются и по ним строятся границы полигонов.

Топологический формат отличается от нетопологического хранением исчерпывающего списка взаимоотношений связанных между собой пространственных объектов. Здесь для хранения данных используются покрытия – файловые структуры, содержащие форму, координаты и взаимосвязи между объектами. Покрытия содержат объекты первичного, составного и вторичного типов. Первичные объектыпокрытия - точки меток, дуги и полигоны. Составныеобъекты - маршруты/секции и регионы. Они строятся из объектов первичных типов. Покрытия могут также содержать вторичныеобъекты: регистрационные точки, связи и аннотации. Регистрационные точки и связи используются для управления покрытиями. Аннотации позволяют поместить на карту текст. Точки меток могут, как и в нетопологическом формате, представлять отдельные точечные объекты. Также они используются для идентификации полигонов: точка ставится около центра полигона, к ней привязываются семантические характеристики полигона. В нетопологическом формате записываются координаты каждого полигона, поэтому, например, в полигонах Ленинградской и Новгородской областей координаты их границы записываются дважды, линейный объект - граница никак с полигонами не связан и находится в другом слое. В покрытии полигон определяется последовательностью дуг, образующих его границу. Для дуг фиксируются направление обхода и указатели расположения полигонов справа и слева. Поэтому все координаты в покрытиях записываются только один раз. Такой подход имеет название линейно-узлового представления объектов. Полигоны покрытия могут иметь общие дуги, но они не могут налагаться. Также они должны быть непрерывными. Узлы - это точки окончания или соединения дуг, они важны для соединения объектов покрытия. Маршруты - это линейные объекты, составленные из дуг и их частей (секций). Регионы - это площадные объекты, составленные из полигонов. В отличие от полигонов они могут и не быть непрерывными. Так, Сахалинская обл. может быть представлена регионом, состоящим из полигонов отдельных островов. Регионы одного покрытия могут налагаться друг на друга. Например, в покрытии полигонов лесов регионы двух лесных пожаров могут налагаться, если выгоревший в одном году участок повторно выгорал в другом. Аннотации - это текстовые строки, описывающие объект при отображении на карте. Аннотации могут быть размещены в одной точке, между двумя точками иливдоль набора точек. Регистрационные точки (тики) соответствуют известным точкам на земной поверхности и используются для регистрации и преобразования координат покрытия. При оцифровке групп объектов карты в разные покрытия следует использовать одни и те же тики, чтобы покрытия правильно налагались. Связи - это векторы смещения, используемые для уточнения покрытия, например, чтобы оно соответствовало границам соседних покрытий. Связи состоят из «точки-от» и «точки-до».

К регулярно-ячеистым форматам относятся также гриды - прямоугольные матрицы, состоящие из квадратных ячеек. Они могут быть результатами интерполяции значений числовых полей точечных объектов или преобразования из матриц растровых изображений. Также возможно преобразование в грид слоёв площадных и линейных объектов. Гриды служат для представления непрерывных числовых полей, в каждой ячейке – одно значение.

АНАЛИЗ ДАННЫХ

Спецификой ГИС является пространственный анализ, обработка семантических данных аналогична применяемой в СУБД. Пространственные операции подразделяются на ряд групп: 1) Переструктуризация данных – преобразования растр/вектор и наоборот; 2) Трансформация проекций и изменение систем координат - пересчет координат пространственных объектов (поворот, сдвиг, изменение масштаба), "укладка" объектов в систему опорных точек (привязка спутникового снимка), трансформация картографических проекций; 3) Картометричекие операции - расчет площадей объектов, длин линий, периметров, площадей склонов, объемов, заключенных между поверхностями и т.д.; 4) Оверлейные операции – наложение двух или более слоев с генерацией новых слоёв производных объектов, наследующих семантику «родителей». Это создание нового слоя перекрытий объектов, принадлежащих разным слоям, например, слоя ландшафтных таксонов в пределах водосборных бассейнов в результате совмещения слоёв ландшафтов и водосборов и объединение площадных объектов (возможно, разных слоев), например, объединение зон негативного воздействия различных предприятий; 5) Зонирование – создание площадных объектов, однородных по определенному критерию или группе критериев. Границы зон могут совпадать с границами существующих объектов или строится в результате различных видов моделирования: зоны градостроительной ценности, экологического риска, транспортной доступности, обслуживания поликлиник и т.д. Выделяется создание буферных зон – площадных объектов, границы которых проводятся на задаваемом расстоянии от других объектов, например, водоохранные зоны; 6) Сетевой анализ позволяет исследовать сети связных линейных объектов (гидрографическая сеть, дороги, водо-, нефте-, газопроводы, линии электропередач). С его помощью можно проследить распространение загрязняющего вещества по речной сети, оптимизировать перевозки. В качестве разновидности сетевого анализа можно рассматривать геокодирование – пространственную локализацию объекта не по координатам, а его почтовому адресу; 7) Операции с трехмерными объектами - создание и анализ моделей рельефа и трехмерных визуализаций,например,панорамы города, а также воображаемых поверхностей, строящихся по одному или ряду показателей; 8) Анализ растровых изображений - преимущественно космических снимков: выявление временной динамики изменений, кластерный анализ – выделение однородных областей, картометрические вычисления (map algebra).

У ч е б н о е и з д а н и е
Третьяков Виктор Юрьевич

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ (ГИС)
Методическое пособие

Печатается без издательского редактирования
Обложка В.Ю. Третьякова

Оригинал-макет В.Ю. Третьякова

Лицензия ИД № 05679 от 24.08.01

Подписано в печать 4.03.2005. Формат 60х841/16

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1.

Тираж 100 экз. Заказ

Издательство СПбГУ. 199034, С.-Петербург, Университетская наб., 7/9.

Тел. (812) 328-96-17; факс (812) 328-44-22

E-mail: editor@unipress.ru

www.unipress.ru
По вопросам реализации обращаться по адресу:

С.-Петербург, 6-я линия В.О., 11/21, к.21

Телефоны: 328-77-63, 325-31-76

E-mail: post@unipress.ru

Типография Издательства СПбГУ.

199061, С.-Петербург, Средний пр., 41.





написать администратору сайта