Файл: Курс лекций Учебное пособие Зерноград 2015 2 удк 528 (075. 8) Печатается по решению методической комиссии.pdf

13
2
ГЕОИНФОРМАТИКА
2.1 Геоинформатика
2.2 История развития ГИС
2.1 Геоинформатика
Современные тенденции всѐ более широкого внедрения геоинформацион- ных систем в науки о Земле (географию, геологию, биологию, почвоведение и т.д.), а также в тесно связанными с ними социально-экономические науки при- водит к дальнейшему интенсивному развитию геоинформационных методов ис- следования, которые базируются на геоинформатике.
Геоинформатика – наука, технология и производственная деятельность, которая связана с разработкой и использованием ГИС.
Данный комплекс формируется на стыке географии, информатики, теории информационных систем, картографии и других дисциплин с привлечением общенаучных методов познания, в частности системного подхода, а также с ис- пользованием новейших достижений в области вычислительной техники.
Ближайшее окружение геоинформатики образуют картография и дистан- ционное зондирование. В разные периоды времени предлагались различные мо- дели, описывающие характер связи этих трѐх наук и технологий:
– линейная модель ДЗ – ГИС – К;
– доминирование картографии К (ДЗ – ГИС);
– доминирование геоинформационных систем ГИС (ДЗ – К);
– модель тройного взаимодействия.
В итоге пришли к выводу, что наиболее верной является последняя модель.
Научно-познавательный аспект геоинформатики заключается в том, что геоинформатика отображает и исследует реальный мир (например, природные, общественные и природно-общественные геосистемы), используя для этого свои особые средства и методы путѐм создания и изучения цифровой информа- ционной модели геосистемы.
Технологический аспект геоинформатики заключается в том, что она зани- мается технологией сбора, хранения, преобразования, отображения и распро- странения геоинформации для решения задач инвентаризации, оптимизации и управления геосистемами.
Как производство геоинформатика проявляет себя при создании аппарат- ных средств и программных продуктов, включая создание банков данных, си- стем управления, инструментария ГИС разного целевого назначения и про- блемной ориентации.
Геоинформатика – наиболее перспективная информационная технология
90- х годов, т.к. она стремительно внедряется, обширно применяется, включена в ряд крупнейших государственных программ последних лет.

14
2.2 История развития ГИС
Историю геоинформатики можно разделить на 4 нечѐтко выраженных пе- риода.
Этап 1. 60-е годы.
Накопление новой наукой техники и опыта. В 1963-1971 гг. создана Канад- ская ГИС для анализа данных инвентаризации земель Канады в области рацио- нального землепользования. Впервые для создания карт использовался сканер.
Создана технология массового цифрования карт. Впервые выполнялось нало- жение и измерение площадей. Впервые использовалась абсолютная система ко- ординат и была создана база данных на основе тематических слоѐв. Впервые в число атрибутов операционных объектов введены признаки пространства. Для указания местоположения объекта стали использоваться координаты центрои- дов.
В Швеции разрабатывается ГИС для автоматизации учѐта земельных участков и недвижимости. Основная функция ГИС состояла во вводе в машин- ную среду первичных учѐтных документов для хранения и регулярного обнов- ления данных, достаточно простой (на сегодняшний взгляд) обработки, вклю- чающей агрегацию данных и генерацию итоговых отчѐтных статистических табличных документов.
Считается, что первая автоматизированная картографическая система была создана в Великобритании в 1964 г.
В мире разрабатывается программное обеспечение для автоматизированно- го картографирования, сформировалось понятие пространственных объектов.
Оформились две альтернативные линии представления – растровые и векторные структуры, включая топологические линейно-узловые направления. Поставлены и решены задачи, образующие ядро геоинформационных технологий: наложе- ние разноимѐнных слоѐв, генерация буферных зон, полигонов Тиссена, опреде- ление принадлежности точки полигону, операции вычислительной геометрии.
Функциональная ограниченность ГИС первого поколения имела и чисто технические причины: неразвитость переферийных устройств, пакетный режим обработки данных на крупных и мощных, но очень дорогих ЭВМ, непереноси- мость программного обеспечения, критичность вычислительных ресурсов по отношению к объѐмам данных и времени исполнения задач.
Этап 2. 70-е годы.
Отработка методик структурирования пространственных данных. Общ- ность технической базы, структурно-функциональное единство или подобие ав- томатизированных картографических систем и ГИС создали в 70-х годах пред- посылки к их будущей интеграции, породив «картоцентрический» взгляд на геоинформатику. Большинство ГИС этого периода включает в свои задачи со- здание карт или используют картографические материалы как источник исход- ных данных. Международным географическим союзом была поведена инвента-

15 ризация 85 полнофункциональных ГИС и несколько сот программных средств для манипулирования пространственными данными, машинной и картографи- ческой графики. В России сформировалось новое направление – математико- картографическое моделирование. Цифровая картографическая продукция по- чти не отличается от традиционных карт.
Этап 3. 80-е годы.
Эпоха зрелости ГИС. Широкое распространение персональных компьюте- ров открыли ГИС для массового пользователя. Отдельные компьютерные про- граммные пакеты трансформируются в единую связанную систему. Созданные компьютерные локальные и глобальные сети революционно изменили доступ к базам данных. Появилась геоинформационная индустрия. Создание ГИС осно- вывается не на уникальных разработках, а на адаптации универсальных продук- тов применительно к анализируемым проблемам. Именно в этот период появи- лась ГИС ArcInfo. Существенно раздвигается круг решаемых задач. Осваивают- ся новые источники данных для ГИС: данные дистанционного зондирования –
Landsat, Spot, данные глобальных систем позиционирования. Цифровые методы обработки изображений интегрируются с системами автоматизированной кар- тографии и ГИС.
Этап 4. 90-е годы.
Развитие мультимедийных технологий. Большинство карт преобразуется в цифровые модели. Происходит развитие моделирования: внедрение теории фракталов, катастроф, хаоса в географии, применение нейронных сетей для многомерных классификаций и прогнозирования. Появились примеры интегра- ции ГИС и Интернет. Большое внимание уделяется интеллектуальному анализу данных (data mining).
Вопросы для повторения и самоконтроля
1. Что такое геоинформатика?
2. Назовите основные этапы развития ГИС.

16
3
ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ГИС
3
.1 Техническое обеспечение
3.2
Программное обеспечение
3.3
Информационное обеспечение
К основным компонентам ГИС относят: техническое, программное, ин- формационное обеспечение. Требования к компонентам ГИС определяются, в первую очередь, пользователем, перед которым стоит конкретная задача (учет природных ресурсов, либо управление инфраструктурой города), которая долж- на быть решена для определенной территории, отличающейся природными условиями и степенью ее освоения.
3.1
Техническое обеспечение
Техническое обеспечение – это комплекс аппаратных средств, применяе- мых при функционировании ГИС: рабочая станция или персональный компью- тер (ПК), устройства ввода-вывода информации, устройства обработки и хране- ния данных, средства телекоммуникации.
Рабочая станция или ПК являются ядром любой информационной систе- мы и предназначены для управления работой ГИС и выполнения процессов об- работки данных, основанных на вычислительных или логических операциях.
Современные ГИС способны оперативно обрабатывать огромные массивы ин- формации и визуализировать результаты.
Ввод данных реализуется с помощью разных технических средств и мето- дов: непосредственно с клавиатуры, с помощью дигитайзера или сканера, через внешние компьютерные системы. Пространственные данные могут быть полу- чены электронными геодезическими приборами, непосредственно с помощью дигитайзера и сканера, либо по результатам обработки снимков на аналитиче- ских фотограмметрических приборах или цифровых фотограмметрических станциях.
Устройства для обработки и хранения данных сконцентрированы в си- стемном блоке, включающем в себя центральный процессор, оперативную па- мять, внешние запоминающие устройства и пользовательский интерфейс.
Устройства вывода данных должны обеспечивать наглядное представление результатов, прежде всего на мониторе, а также в виде графических оригиналов, получаемых на принтере или плоттере (графопостроителе), кроме того, обяза- тельна реализация экспорта данных во внешние системы.

17
3.2
Программное обеспечение
Программное обеспечение – совокупность программных средств, реали- зующих функциональные возможностей ГИС, и программных документов, не- обходимых при их эксплуатации.
Структурно программное обеспечение ГИС включает базовые и приклад-
ные программные средства.
Базовые программные средства включают: операционные системы (ОС), программные среды, сетевое программное обеспечение и системы управления базами данных. Операционные системы предназначены для управления ресур- сами ЭВМ и процессами, использующими эти ресурсы. На настоящее время ос- новные ОС: Windows и Unix.
Любая ГИС работает с данными двух типов данных – пространственны-
ми и атрибутивными. Для их ведения программное обеспечение должно включить систему управления базами тех и других данных (СУБД), а также мо- дули управления средствами ввода и вывода данных, систему визуализации данных и модули для выполнения пространственного анализа.
Прикладные программные средства предназначены для решения специали- зированных задач в конкретной предметной области и реализуются в виде от- дельных приложений и утилит.
3.3
Информационное обеспечение
Информационное обеспечение - совокупность массивов информации, си- стем кодирования и классификации информации. Информационное обеспечение составляют реализованные решения по видам, объемам, размещению и формам организации информации, включая поиск и оценку источников данных, набор методов ввода данных, проектирование баз данных, их ведение и метасопро- вождение. Особенность хранения пространственных данных в ГИС – их разде- ление на слои. Многослойная организация электронной карты, при наличии гибкого механизма управления слоями, позволяет объединить и отобразить го- раздо большее количество информации, чем на обычной карте. Данные о про- странственном положении (географические данные) и связанные с ними таб- личные могут подготавливаться самим пользователем либо приобретаться. Для такого обмена данными важна инфраструктура пространственных данных.
Инфраструктура пространственных данных определяется нормативно- правовыми документами, механизмами организации и интеграции простран- ственных данных, а также их доступность разным пользователям. Инфраструк- тура пространственных данных включает три необходимых компонента: базо- вую пространственную информацию, стандартизацию пространственных дан- ных, базы метаданных и механизм обмена данными.

18
Вопросы для повторения и самоконтроля
1. Назовите основные компоненты ГИС.
2. Каково техническое обеспечение ГИС?
3. Что включает в себя программное обеспечение ГИС?
4. Что включает в себя информационное обеспечение ГИС?
4
ТЕХНОЛОГИИ ВВОДА ДАННЫХ
4.1
Способы ввода данных
4.2
Преобразование исходных данных
4.3
Ввод данных дистанционного зондирования
4.1
Способы ввода данных
В соответствии с используемыми техническими средствами различают два способа ввода данных: дигитализацию и векторизацию. Для ручного ввода про- странственных данных применяется дигитайзер (рисунок 3). Он состоит из планшета (столика) с электронной сеткой, к которому присоединено устройство называемое курсором. Курсор представляет собой подобие графического мани- пулятора – мыши, имеет визир, нанесенный на прозрачную пластинку, с помо- щью которого оператор выполняет точное наведение на отдельные элементы карты. На курсоре помещены кнопки, которые позволяют фиксировать начало и конец линии или границы области, число кнопок зависит от уровня сложности дигитайзера. Дигитайзеры бывают разных форматов и обеспечивают разреше- ние 0,03 мм с общей точностью 0,08 мм на расстоянии 1,5 м. Существуют авто- матизированные дигитайзеры, обеспечивающие автоматическое отслеживание линий.
Наибольшее распространение для ввода данных получили сканеры. Они позволяют вводить растровое изображение карты в компьютер. Существуют различные типы сканеров, которые различаются: по способу подачи исходного материала (планшетные и протяжные (барабанного типа); по способу считыва- ния информации (работающие на просвет или на отражение); по радиометриче- скому разрешению или глубине цвета; по оптическому (или геометрическому) разрешению. Последняя характеристика определяется минимальным размером элемента изображения, который различается сканером.

19
Рисунок 3 – Дигитайзер
Процесс цифрования растрового изображения на экране компьютера
называют векторизацией. Существует три способа векторизации: ручной, ин- терактивный и автоматический. При ручной векторизации оператор обводит мышью на изображении каждый объект, при интерактивной - часть операций производится автоматически. Так, например, при векторизации горизонталей достаточно задать начальную точку и направление отслеживания линий, далее векторизатор сам отследит эту линию до тех пор, пока на его пути не встретятся неопределенные ситуации, типа разрыва линии. Возможности интерактивной векторизации прямо связаны с качеством исходного материала и сложностью карты. Автоматическая векторизация предполагает непосредственный перевод из растрового формата в векторный с помощью специальных программ, с по- следующим редактированием. Оно необходимо, поскольку даже самая изощ- ренная программа может неверно распознать объект, принять например, символ за группу точек, и т.п.
4.2
Преобразование исходных данных
Отсканированные исходные карты создавались в определенной картогра- фической проекции и системе координат. При оцифровке эта сложная проекция сводиться в набор пространственных координат. Поэтому необходимо преобра- зовать карту к ее исходной проекции. Для этого в ГИС вводятся сведения об ис- пользуемой проекции (обычно ГИС позволяет работать с большим числом про- екций) и осуществляется ряд преобразований. Три основных из них, которые часто выполняются одновременно, это перенос, поворот и масштабирование.

20
Перенос – это просто перемещение всего графического объекта в другое место на координатной плоскости. Он выполняется добавлением определенных величин к координатам Х и У объекта:
Масштабирование - тоже очень полезно, так как часто сканируются карты разных масштабов, для этого используют соотношение:
Поворот выполняется с использованием тригонометрических функций:
Все необходимые преобразования могут быть выполнены и использовани- ем этих трех основных графических операций по координатам опорных точек.
4.3
Ввод данных дистанционного зондирования
В ГИС используют не первичные материалы ДЗ, получаемые во время съемки, а производные, формируемые в результате их обработки. Данные со спутников подвергаются предварительной цифровой обработке для устранения радиометрических и геометрических искажений, влияния атмосферы и т.д. Для улучшения визуального качества исходных изображений могут применяться процедуры для изменения яркости и контрастности, фильтрации для устранения шумов или подчеркивания контуров и мелких деталей. При использовании аэрофотоснимков следует обращать внимание на искажения, вызываемые угла- ми наклонов снимков и рельефом местности, которые могут быть устранены в процессе трасформирования или ортофототрансформирования.
Вопросы для повторения и самоконтроля
1. Перечислите способы ввода данных.
2. Что такое дигитализация?
3. Что такое векторизация?
4. Назовите основные типы преобразования изображений?
5. Какие данные дистанционного зондирования используют в ГИС?

21
5
СТРУКТУРЫ И МОДЕЛИ ДАННЫХ
5.1
Отображение объектов реального мира в ГИС
5.2
Структуры данных
5.3
Модели данных
5.4
Форматы данных
5.5
Базы данных и управление ими
5.1
Отображение объектов реального мира в ГИС
Объекты реального мира, рассматриваемые в геоинформатике, отличаются
пространственными, временными и тематическими характеристиками.
Пространственные характеристики определяют положение объекта в заранее определенной системе координат, основное требование к таким данным
– точность.
Временные характеристики фиксируютвремя исследования объекта и важны для оценки изменений свойств объекта с течением времени. Основное требование к таким данным – актуальность, что означает возможность их ис- пользования для обработки, неактуальные данные – это устаревшие данные.