Файл: Ципилева Т.А_Геоинформационные системы_Учебное пособие_Томск_ТМЦДО_2004.pdf

24

Определим ГИС (S) как отображение входного множества Х (множество входных данных или первичных элементов системы) на выходное множество Y (рис. 1.4). Формально это можно записать:

S : X →Y .

Любая сложная система (ГИС является сложной системой) должна быть неоднородной (гетерогенной), поэтому систему можно разбить на однородные компоненты (подсистемы) путем выделения стратов. Страты – это уровни, определяемые по совокупности сходных признаков. В зависимости от критериев оценки система может быть стратифицирована по-разному.

Стратификация системы возможна, если множества входной (Х) и выходной (Υ) информации неоднородны и представимы в виде декартовых произведений ( ), т.е. если входная и выходная информация образуют два независимых базиса Хi и Υi:

X = ( X 1 X k ...X n ), Y = (Y1 Yk ...Yn ).

Например, можно разбить систему на следующие подсистемы (рис. 1.5), гдештриховкойвыделеныстраты:. S1, …, Sk, …, Sn.

Рисунок 1.5 – Стратифицированная схема информационной системы

Тогда вся система может быть описана в виде совокупности n уровней, для каждого из которых можно записать:

25

S1 : X1 Wk →Y1,

Sk : X k E1 Wn →Yk , Sn : X n Ek →Yn ,

где Е и W соответствующие нисходящие и восходящие потоки информации, обеспечивающие связь между стратами. Наличие восходящих и нисходящих потоков информации объединяет уровни в единую систему. Отсутствие этих потоков приводит к тому, что исходная система разбивается на отдельные более мелкие самостоятельные независимые системы.

Рассмотрим типовую схему построения обобщенной ГИС

/3/.

Первый этап: формирование основных требований к системе на словесном (вербальном) уровне без какой-либо формализации: определение источников входной информации, определение требований к формам выходных данных, составление перечня задач, которые должна решать разрабатываемая система, определение разумных ограничений.

Второй этап: определение концепции решения проблемы или задачи: выбор необходимых методов решения задач, подбор алгоритмов, выбор ГИС-оболочки.

Третий этап: детализация общей задачи создания системы, определение описаний для перехода от словесных формулировок к схемному и логически связанному описанию, разбиение целостной системы на основные составляющие части. В результате выполнения третьего этапа определяется структура ГИС.

На первых трех этапах формируется инфологическая модель системы.

Четвертый этап: алгоритмизация методов и решений задач, стоящих перед исследователями; выбор модели, технологических и математических решений, определение перечня слоев для создания выходной электронной карты, формирование логической структуры данных.

Пятый этап: оптимизация структуры на основе дополнительных исследований предметной области и специфики решаемых задач.

27

Чаще всего начинают построение ГИС с анализа данных с целью разбиения информации на независимые потоки. Наиболее распространено в ГИС-технологии деление потоков на три группы по технологическим характеристикам /1/:

1) при сборе и накоплении данных – входная информация (таблицы, графики, карты и др.);

2) при моделировании и хранении информации – внутренняя информация(рабочиефайлыпокрытий, базыданных идр.);

3) при представлении результирующих данных – выходная информация (выходные документы, специализированные компьютерные атласы, карты и др.).

Действительно, сбор информации происходит независимо от ее последующего хранения и алгоритмов обработки; выдаваемая пользователю выходная информация не зависит от процедур сбора и переработки и т.д. Это и позволяет стратифицировать входные и выходные потоки на три совокупности. Для ГИС-технологии можно записать /1/:

X = (Х1 ТЗC ТЗM ТЗП ),

Y = (ХY ЦММ ЦМК),

гдеТЗС – техническоезаданиенасборинакоплениеинформации; ТЗМ – техническое задание на хранение, моделирование и

обновление информации; ТЗП – техническое задание на представление результата по-

сле обработки; Х1 – множество первичных данных, собираемых или изме-

ряемых; ХУ – множество унифицированных данных, получаемых по-

сле сбора и первичной обработки; ЦММ – цифровая модель местности, хранимая в базе дан-

ных ГИС; ЦМК – цифровая модель карты, сгенерированная для визу-

ального представления пользователю (для выдачи на дисплей или на печать).

ЦМК – результат обработки ЦММ для визуального представления в виде карты.

Множество Х1 – это сложная совокупность данных, являющихся результатом обработки фото-, аэро- и космических сним-

28

ков, результатов предварительного компьютерного моделирования, геодезических съемок на местности, считывания с карт, извлечение данных из архивных документов и др.

Обобщенную ГИС можно представить в виде следующей стратифицированной модели:

УСО: Х1 ТЗC НТM → ХY ,

УМХ : XY ТЗM НТП → ЦММ, УП :ТЗП ЦММ → ЦМК,

где УСО – системный уровень сбора и первичной обработки информации;

УМХ – системный уровень моделирования и хранения; УП – системный уровень представления данных;

НТМ и НТП – нормативные требования к данным при моделировании и представлении выходной информации.

Для концептуального построения ГИС необходимо выделить НТМ и НТП, т.е. информационную основу.

На рисунке 1.7 показана структура обобщенной ГИС в виде трехуровневой системы. По этим уровням можно проводить сравнениеразличныхГИСидругихавтоматизированныхсистем.

Рисунок 1.7 – Структура обобщенной ГИС

29

В данной схеме используется термин «обобщенная» – т.к. система абстрагирована от конкретных ГИС.

ГИС: Х→Y,

Х=(Х1 ТЗС ТЗМ ТЗП),

Y =(ХY ЦММ ЦМК).

На первом системном уровне (уровень УСО) проводится сбор первичной информации X1, получаемой с помощью различных систем и технологий. Информация имеет, как правило, разнородную структуру: это и карты, и таблицы, графики и диаграммы, пояснительные записки и отчеты НИР, архивные документы и результаты полевых испытаний. В ходе первичной обработки полученные данные корректируются, унифицируются и в результате получается унифицированное множество информации ХY, которое частично сохраняется в виде архивов и полностью передается на второй уровень – на уровень моделирования. Основные задачи первого уровня: распознавание, струк-

туризация, компоновка, измерение, сжатие.

На втором системном уровне (УМХ) проводится анализ входных унифицированных данных, устраняется (если есть) избыточность, проводится проверка на целостность и непротиворечивость данных, определяются внутренние и внешние ключи, формируются метаданные. Затем строится цифровая модель местности (ЦММ), которая хранится вместе с метаданными в базе данных системы. ЦММ – многослойная структура – служит основой для моделирования и решения различных прикладных задач. В результате работы системы на втором уровне сформированная ЦММ и результаты обработки входной информации передаются на третий уровень. Задачи второго уровня: типиза-

ция, геометрическое преобразование, задачи экспертного типа, построения цифровых моделей и др.

На третьем уровне (уровень УП) ЦММ преобразуется в цифровую модель карты (в ЦМК), которая служит основой представления информации. Основные задачи третьего уровня:

оптимизация, компоновка, синтез и др.

Любая ГИС должна обладать всеми присущими обобщенной ГИС свойствами.

31

Манипулирование данными. Часто для выполнения кон-

кретного проекта имеющиеся данные нужно дополнительно видоизменить в соответствии с требованиями системы. Например, географическая информация может быть представлена в разных масштабах (осевые линии улиц представлены в масштабе 1: 100 000, границы округов переписи населения – в масштабе 1: 50 000, а жилые объекты – в масштабе 1: 10 000). Для совместной обработки и визуализации все данные удобнее представить в едином масштабе и в одинаковой картографической проекции. ГИС-технология предоставляет разные способы манипулирования пространственными данными и выделения данных, нужных для решения конкретной задачи.

Управление. В небольших проектах географическая информация может храниться в виде обычных файлов. Но при увеличении объема информации и росте числа пользователей для хранения, структурирования и управления данными эффективнее применять системы управления базами данных, специальные компьютерные средства для работы с интегрированными наборами данных. В ГИС наиболее удобно использовать реляционную структуру, при которой данные хранятся в табличной форме. При этом для связывания таблиц применяются общие поля. Этот простой подход достаточно гибок и широко используется во многих ГИС.

Запрос и анализ. При наличии геоинформационной системы и географической информации можно получать ответы как на простые вопросы (Кто владелец данного земельного участка? На каком расстоянии друг от друга расположены эти объекты? Где расположена данная промышленная зона?), так и на более сложные, требующие дополнительного анализа, запросы (Где есть места для строительства нового дома? Каков основный тип почв под еловыми лесами? Как повлияет на движение транспорта строительство новой дороги?). Запросы можно задавать как простым щелчком мыши на определенном объекте, так и посредством развитых аналитических средств. С помощью ГИС можно выявлять и задавать шаблоны для поиска, проигрывать сценарии по типу «что будет, если…». Современные ГИС имеют множество мощных инструментов для анализа, среди них наиболее значимы два: анализ близости и анализ наложения.