Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии - файл n1.doc

приобрести
Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии
скачать (3238.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc3239kb.08.07.2012 20:10скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14
Трудности в освоении этих систем заключаются в необходимости усвоения сведений из тех областей знаний, которые применяются в тех­нологиях ГИС.

Последние годы ускорившимися темпами растет производительность персональных компьютеров. В это же время этап взрывного развития пере­живают системы, основанные на применении открытой глобальной компь­ютерной сети Internet и крупных корпоративных компьютерных сетей (тех­нология их создания на основе стандартов получила название intranet). Под влиянием этих факторов рынок ГИС претерпевает радикальные измене­ния. Как любой из секторов рынка в сфере высоких технологий, он описы­вается моделью «качелей»: попеременно формируются фазы, в которых до­минируют то предложение (technology-driven market), то спрос (user-driven market). Есть все основания считать, что с появлением сетевых информаци­онных технологий глобального охвата рынок ГИС перемешается в ту дол­гожданную фазу, когда начинают доминировать требования массовых пользователей.

Автор этой книги поставил перед собой непростую задачу — дать минимальные знания о ГИС и технологиях их применения широкому кругу читателей Это прежде всего школьники старших классов, выпус­кники лицеев технического, экономического и управленческого профи­лей. Кроме того, книга рассчитана на специалистов с техническим или экономическим образованием, желающих ознакомиться с особенностя­ми ГИС. Наконец, среди читателей—потенциальные пользователи ГИС: специалисты в области управления, бизнесмены, руководители малых и больших предприятий с территориально распределенным характером деятельности.

Сложность управленческих моделей в крупных корпорациях, моде­лей коммунальных служб и транспорта растет; все более широкое рас­пространение получают методы рационализации управленческих про­цессов (business process reengineering, BPR). Практика применения этих методов доказывает: чем больше «измерений» в модели, тем более уп­равляемой эта модель становится, тем более сложные решения можно при­нимать на ее основе. Удобные методы визуализации данных с простран­ственной привязкой все больше привлекают пользователей, освоивших воз­можности офисных операционных сред для персональных компьютеров.

В настоящее время основой для решения задач обработки информации стал системный подход к анализу и построению так называемых "откры­тых систем". Именно этот подход использован автором предлагаемой чита­телю книги для обобщенного анализа ГИС как класса автоматизированных систем. Применение этого подхода позволяет проводить анализ безотноси-

тельно к предметной области использования ГИС и применять объектив­ные критерии оценки. Реализация системного подхода при изучении об­щих черт и возможностей ГИС предложена автором книги в разделе 1.

Анализ места ГИС среди других автоматизированных систем позво­ляет сделать вывод о том, что комплексная автоматизированная обра­ботка информации в ГИС не имеет прямых аналогов с технологией об­работки в других автоматизированных системах. В то же время ГИС сочетают в себе на разных этапах преобразования информации обкатан­ные элементы технологий других систем (систем автоматизации проек­тирования, экспертных систем, а также автоматизированных систем для научных исследований или управления производством). В силу этого в ГИС проявляются свойства, присущие другим автоматизированным си­стемам, чем обусловлена необходимость обобщения опыта и проведе­ния анализа этих систем для понимания и оптимизации технологичес­ких особенностей ГИС как автоматизированной системы. Этот круг воп­росов рассмотрен автором в разделе 2.

С середины 90-х годов геоинформационные системы приобрели ста­тус серьезного стратегического резерва в экономике тех стран, которые вступили в период становления информационного общества. «В конеч­ном счете именно географическая информация становится критичным компонентом в задачах содействия экономическому развитию, умелого природопользования и защиты среды обитания. Современные техноло­гии позволяют эффективно решать задачи сбора, распространения, ана­лиза и визуализации данных с пространственной привязкой, создания картографических материалов» говорится в указе президента США Б. Клинтона «О создании национальной инфраструктуры данных с про­странственной привязкой», опубликованном в апреле 1994 г.

Поскольку современные ГИС относятся к классу интегрированных автоматизированных систем, необходим комплексный подход к иссле­дованию и выбору информационной основы и типов обрабатываемых данных. Анализ рассмотренных в разделах 3 и 4 систем показывает важ­ность выбора общих свойств, типов и структур моделей данных.

Помимо выбора моделей важно определить оптимальные методы моделирования для обработки пространственной информации. Эти воп­росы освещены в разделе 5.

Цифровое моделирование является основой ГИС и требует отдель­ного рассмотрения (раздел 6).

Более детальное описание некоторых инструментальных средств ГИС приведено в разделе 7.

Примерам применения ГИС посвящен раздел 8.

5

К ЧИТАТЕЛЮ

В разные периоды времени развитие науки и техники характеризо­валось повышенным вниманием либо к интеграции, либо к специализа­ции. Следует отметить, что оба этих направления развития на практике "переплетаются", однако на каждом этапе развития прикладных наук и технологий одно из них, как правило, получает преимущество.

Наиболее очевидным перевес интеграции стал в период античности и в средние века. Следует упомянуть школу Пифагора, в которой изуча­лись предметы от музыки до астрономии. В средние века ярким пред­ставителем интеграционного подхода можно назвать Рене Декарта. Яв­ляясь по образованию архитектором, он больше известен как математик и философ. Великим интегратором был и легендарный Леонардо да Винчи.

При интегрированной (широкой, или универсальной) подготовке специальность, по которой получено образование, не играет существен­ной роли при выборе сферы деятельности. Имея универсальную подго­товку и широкий запас знаний по сравнению с узкоподготовленным спе­циалистом, выпускник университета — этой "школы интеграции" — может без особого труда менять род занятий, добиваясь при этом непло­хих результатов в различных областях.

Объективной трудностью получения интегрированной подготовки является необходимость освоения большого объема информации, что доступно не каждому.

Тем не менее при накоплении достаточно большого материала в смежных областях знания и необходимости решения новых задач на этой основе всегда возникает интеграция знаний.

Интеграция означает, что помимо большего набора типов данных и технологий имеется некая концепция и методология, оптимально объе­диняющая это разнообразие данных и технологий. Поэтому не следует путать применение суммы различных методов или технологий с их ин­теграцией. Зачастую при решении прикладных задач возникает ситуа­ция, когда между различными методами нет внутренней связи, отсут­ствует и единая концепция системы обработки данных.

В конце XX в. возник новый тип интегрированных информацион­ных систем — геоинформационные системы, ГИС.

И в заключение несколько слов о перспективах развития рынка ГИС. Сегодня контингент пользователей ГИС, по мнению некоторых обозре­вателей, делится на три группы в пропорциях 1000:100:10.

Наиболее массовую из этих групп - группу «ГИС-зрителей» - со­ставляют те, кто работает в обычных офисных средах и спорадически обращается к услугам просмотровых программ. Языки запросов для та­ких программ сближаются по свойствам с языками запросов, доступны­ми клиентам World Wide Web в Internet.

Средний класс «пользователей-аналитиков» составляют те, кто ра­ботает с базами данных и владеет навыками статистического анализа. Для них интерфейс ГИС - только удобное обрамление сеансов проект­ной или аналитической работы, в ходе которой приходится формиро­вать составные электронные документы и работать с разнотипными си­стемами управления базами данных.

Наконец, «жрецы», конструкторы ГИС, составляют группу, к услу­гам которой корпоративные заказчики прибегают редко, лишь когда тре­буется визуализация особо сложных сценариев.

По данным авторитетной аналитической службы Dataquest, к 2000 г. показатели годового оборота в двух основных секторах рынка ГИС -для операционных сред Windows NT и Unix - станут сравнимыми. При этом фирмы-поставщики, предлагающие заказчику комплексные реше­ния на основе технологии открытых систем (будь то хоть Windows NT, хоть Unix), оказываются в стратегически выгодном положении.

Освоение рынка ГИС-решений, ориентированных на тех пользова­телей, которые определены выше как «зрители» и «аналитики», требует реализации в ГИС еще одного ключевого свойства. В операционных си­стемах и системах управления базами данных это свойство получило название масштабируемости (scalability). Масштабируемое ГИС-ре-шение способно расти вместе с расширением информационной струк­туры предприятия, оставаясь при этом адаптируемым и позволяя разра­батывать специфичные приложения для офисов, проектных отделов, эк­сплуатационных служб и т.п.

Автор книги, ориентированной прежде всего на первую из трех пе­речисленных выше групп пользователей ГИС, поставил перед собой не­легкую задачу компактного изложения материала различных предмет­ных областей, входящих в сферу применения ГИС.

Прочитав ее, читатель сможет оценить, удалось ли ему решение этой задачи.

ВВЕДЕНИЕ

Современные геоинформационные системы (ГИС) представляют собой новый тип интегрированных информационных систем, которые, с одной стороны, включают методы обработки данных многих ранее су­ществовавших автоматизированных систем (АС), с другой - обладают спецификой в организации и обработке данных. Практически это опре­деляет ГИС как многоцелевые, многоаспектные системы.

В частности, как системы управления ГИС являются новой основой автоматизированных систем управления (АСУ). Это обусловливает по­вышенное значение ГИС - современного средства организации многих видов производств. Не случайно в декабре 1996 г. было принято поста­новление Правительства России "ГИС как органы государственной вла­сти (ОГВ)".

Определение ГИС как "компьютеризованной базы данных (БД)", "как системы управления", в которой хранятся "пространственные данные" [10], следует считать неверным либо устаревшим по ряду причин. Во-первых, база данных ( и не одна) может входить в состав ГИС, а полная технология обработки информации в ГИС значительно шире, чем рабо­та с базой данных. Во-вторых, современная ГИС рассчитана не просто на обработку данных, а на проведение во многих ситуациях экспертных оценок. Другими словами, ГИС должна включать в свой состав экспер­тную систему, а этого только на уровне базы данных достичь невозмож­но, так как экспертная система является более общей по отношению к БД. Наконец, данные, которые обрабатывает и хранит ГИС, имеют не только пространственную, но и временную характеристику, что важно в первую очередь для географических данных.

Хотя разработка ГИС началась более 30 лет назад (тогда это были чисто географические информационные системы), их бурное развитие и качественно новое представление произошло за последние 7-8 лет бла­годаря принятию за основу этих систем идеологии и технологии систем автоматизированного проектирования, интеграции всех процессов об­работки данных на базе географических данных.

На основе анализа целей и задач различных ГИС, функционирую­щих в настоящее время, более точным следует считать определение ГИС как геоинформационных систем, а не как географических информаци-

онных систем. Это обусловлено и тем, что процент чисто географичес­ких данных в таких системах незначителен, технологии обработки дан­ных имеют мало общего с традиционной обработкой географических данных и, наконец, географические данные служат лишь базой решения большого числа прикладных задач, цели которых далеки от географии. Разумеется, это не исключает существование чисто географических ин­формационных систем - аббревиатура та же - ГИС, однако в дальней­шем мы будем понимать под ГИС геоинформационные системы.

Итак ГИС- автоматизированная информационная система, пред­назначенная для обработки пространственно-временных данных, ос­новой интеграции которых служит географическая информация.

В ГИС осуществляется комплексная обработка информации - от ее сбора до хранения, обновления и представления, в связи с этим следует рассмотреть ГИС с различных позиций.

Как системы управления ГИС предназначены для обеспечения принятия решений по оптимальному управлению землями и ресурсами, городским хозяйством, по управлению транспортом и роз­ничной торговлей, использованию океанов или других пространствен­ных объектов. При этом для принятия решений в числе других всегда используют картографические данные.

В отличие от АСУ в ГИС появляется множество новых технологий пространственного анализа данных. В силу этого ГИС служат мощным средством преобразования и синтеза разнообразных данных для задач управления.

Как автоматизированные информационные системы ГИС объединяют ряд технологий или технологических процессов известных информационных систем типа автоматизирован­ных систем научных исследований (АСНИ), систем автоматизирован­ного проектирования (САПР), автоматизированных справочно-инфор-мационных систем (АСИС) и др. Основу интеграции технологий ГИС составляют технологии САПР. Поскольку технологии САПР достаточ­но апробированы, это, с одной стороны, обеспечило качественно более высокий уровень развития ГИС, с другой - существенно упростило ре­шение проблемы обмена данными и выбора систем технического обес­печения. Этим самым ГИС стали в один ряд с автоматизированными системами общего назначения типа САПР, АСНИ, АСИС.

Как геосистемы ГИС включают технологии (прежде всего технологии сбора информации) таких систем, как географические инфор­мационные системы (ГИС), системы картографической информации (СКИ), автоматизированные системы картографирования (АСК), автоматизирован-

ные фотограмметрические системы (АФС), земельные информационные системы (ЗИС), автоматизированные кадастровые системы (АКС) и т.п.

Как системы, использующие базы данных, ГИС характеризуются широким набором данных, собираемых с помощью раз­ных методов и технологий. При этом следует подчеркнуть, что они объе­диняют в себе как базы данных обычной (цифровой) информации, так и графические базы данных. В связи с большим значением экспертных задач, решаемых при помощи ГИС, возрастает роль экспертных систем, входящих в состав ГИС.

Как системы моделирования ГИС используют максималь­ное количество методов и процессов моделирования, применяемых в других автоматизированных системах.

Как системы получения проектных решений ГИС во многом применяют методы автоматизированного проектирования и решают ряд специальных проектных задач, которые в типовом автома­тизированном проектировании не встречаются.

Как системы представления информации ГИС являются развитием автоматизированных систем документационного обеспечения (АСДО) с использованием современных технологий муль­тимедиа. Это определяет большую наглядность выходных данных ГИС по сравнению с обычными географическими картами. Технологии вы­вода данных позволяют оперативно получать визуальное представление картографической информации с различными нагрузками, переходить от одного масштаба к другому, получать атрибутивные данные в таблич­ной или графовой форме.

Как интегрированные системы ГИС являют собой пример объединения различных методов и технологий в единый комп­лекс, созданный при интеграции технологий на базе технологий САПР и интеграции данных на основе географической информации.

Как прикладные системы ГИС не имеют себе равных по широте применения, так как используются на транспорте, в навигации, геологии, географии, военном деле, топографии, экономике, экологии и т.д. Благодаря широким возможностям ГИС на их основе интенсивно развивается тематическое картографирование.

Как системы массового пользования ГИС позволяют применять картографическую информацию на уровне деловой графи­ки, что делает их доступными любому школьнику или бизнесмену, не только специалисту географу. Именно поэтому при принятии решений на основе ГИС -технологий не всегда создают карты, но всегда исполь­зуют картографические данные.

В последнее время более 100 организаций и фирм распространяют в России зарубежные системы для создания ГИС-технологий. При этом базой создания ГИС служат так называемые инструментальные пакеты, представляющие программно-технологические комплексы.

Основу процессов обработки составляет цифровое моделирование. Оно позволяет осуществлять векторно-топологическое моделирование, буфери­зацию объектов, анализ сетей, построение цифровых моделей местно­сти и т.д.

В инструментальных системах поддерживается набор моделей (циф­ровых представлений) пространственных данных (векторная, топологичес­кая и нетопологическая модели, квадродерево, растровая модель, линей­ные сети) для ввода данных, их анализа, моделирования и представления.

ГИС нового поколения отличает ориентация на пользовательские модели данных с учетом предметной области и особенностей приложе­ний. Их модели данных определяются классами объектов, наборами ат­рибутов, расширенными возможностями реализации запросов и опера­ций над объектами по сравнению с предыдущим поколением. Они по­зволяют обрабатывать геоинформационные данные по распределенной технологии, что повышает гибкость и производительность систем.

Как правило, модули и приложения образуют единую пользователь­скую среду инструментальных ГИС. К ядру подключаются тематически ориентированные модули, дополняемые приложениями для управления моделями данных, построения цифровых моделей, обработки растро­вых изображений, выполнения расчетов, анализа и проектирования, орга­низации интерфейсов. При этом имеется возможность подключения мо­дулей, разработанных конкретным пользователем. Это повышает уни­версальность систем и эффективность при решении нетиповых задач.

Возрастает значение модулей для трехмерного (3D) проектирова­ния, генерации планов, автоматического документирования проектов и выбора оптимальных вариантов.

Инструментальные ГИС-системы могут включать набор модулей для формирования и ведения банков земельных данных о состоянии жилого и нежилого фондов, информационного обеспечения администрации го­рода, ведения кадастра недвижимости, анализа, оценки и планирования городских территорий, управления коммунальным хозяйством и т.д.

Разнообразие ГИС порождает необходимость их анализа и выбора для решения практических задач в конкретной области. В данной книге освещена эта проблема. В ней дается анализ ГИС как современной ин­формационной системы и приводятся варианты решения практических задач в управлении, экологии, контроле и учете и т.д.



1

Системный

анализ

ГИС

Многие разработчики автоматизированных систем (фактически ГИС) не совсем уверенно могут дать ответ на вопрос, относятся эти системы к классу ГИС или нет. Это обусловлено разнообразием технологий и даже терминологией многочисленных существовавших ранее (и суще­ствующих теперь) систем сбора и обработки пространственно-времен­ных данных.

Сами ГИС также могут значительно отличаться друг от друга по воз­можностям, основным технологиям обработки данных ( и их числу), по требуемой технической конфигурации, вычислительным ресурсам и т.д. Например, в одних инструментальных пакетах ГИС термин "дуга" за­имствован из теории графов и служит для обозначения полилинии, в других пакетах - полилинию называют "полилинией", а дугу -"дугой".

В силу этого особую актуальность приобретает осуществляемая на основе методов системного анализа обобщенная оценка типичных при­знаков принадлежности информационной системы к классу ГИС и ее отличительных свойств.

Необходимо подчеркнуть, что ГИС относится к классу интегриро­ванных систем. Современные тенденции создания интегрированных ав­томатизированных систем (в том числе ГИС) включают разные аспекты интеграции - интеграцию данных, технологий и технических средств.

Интеграция данных заключается в применении системного подхо­да проектирования моделей данных, создании некоей универсальной информационной модели и соответствующих протоколов обмена дан­ными.

Интеграция технических средств в настоящее время выражается в создании распределенных систем обработки, применении концепций "открытых систем" и современных методов проектирования систем на основе CASE-технологий (Computer Aided System Engineering).

Интеграция технологий в информационных системах подразумева­ет не простое суммирование известных технологических процессов и решений, а получение оптимальных технологических решений обработ­ки информации на основе известных методов и разработки новых, ра­нее не встречавшихся технологий. Разработка автоматизированной информационной технологии на базе существовавшей неавтоматизиро­ванной технологии в подавляющем большинстве случаев оказывается нерентабельной и неэффективной. Элемент новизны, как правило, оп­ределяет и эффективность новой автоматизированной технологии.

Для анализа обобщенной ГИС дадим основные понятия иерархии информационной интегрированной системы (рис. 1.1).



Рис. 1.1. Структура интегрированной системы

Верхним уровнем понятий является интегрированная система -независимый комплекс, в котором выполняются все процессы обработ­ки, обмена и представления информации. Схема системы включает в себя системные уровни, подсистемы, процессы, задачи.

Система может быть полной и неполной.

Полной будем называть систему, которая в процессе работы осуще­ствляет технологический цикл, включающий следующие процессы:

Неполной будем называть систему, которая осуществляет час­тичную обработку данных, частичный ввод данных или использует дру­гие системы в процессе обработки.

Более низким уровнем по отношению к системе является систем­ный уровень. Этим термином определим часть системы, объединяю­щую подсистемы и процессы обработки по функциональным и техно­логическим признакам. Системный уровень может включать от одной до нескольких подсистем.

Подсистему определим как часть системы, объединенную по фун­кциональным методам обработки данных, включающим разные алго­ритмы и способы моделирования. Подсистема может быть локальной или распределенной.

Распределенной будем считать подсистему, состоящую из фрагментов, которые располагаются на различных узлах сети компью­теров, возможно, управляются различными системами и допускают уча­стие в работе нескольких пользователей из разных узлов сети.

В отличие от распределенной локальная подсистема сгруппирова­на в одной точке сети и, как правило, обслуживается одним пользователем.

В подсистему входит процесс обработки данных - совокупность мето­дов, обеспечивающих реализацию алгоритма обработки или одного метода моделирования, решающего одну или несколько задач обработки данных. Он подразделяется на локальный, системный, распределенный.

Значение терминов локальный и распределенный аналогично значе­нию их для подсистем. Системный процесс предназначен для обслуживания системы; как правило, он является "прозрачным" (т.е. незаметным) для пользователя.

Задача как элемент системы определяется простейшим циклом об­работки типизированных данных. В этом контексте задача может быть связана с алгоритмами обработки (с вычислениями) или технологичес­кими процессами, не связанными с вычислениями типа ввода данных, формирования данных, визуального контроля данных, функционирова­ния автоматизированных датчиков или устройств и т.п.

Рассмотренные понятия относятся к элементам системы (ГИС).

Системный подход позволяет в равной степени анализировать как системы, так и процессы. Поэтому для интегрированных процессов об­работки данных (в ГИС) иерархия понятий аналогично рассмотренной выше для систем будет выглядеть так:

Следует подчеркнуть разницу между системным уровнем и подсис­темой. Подсистема имеет всегда технологическое назначение, логическое описание и физическую реализацию. Так, подсистема семан­тического моделирования может быть реализована как составная часть технологии сбора информации или как самостоятельная технология, на­пример, при формировании графических моделей.

Системный уровень является описательным понятием, т.е. имеет технологическое назначение и может иметь (а может и не иметь) логическое описание.

Физическая реализация осуществляется обычно на уровне подсис­темы. Определение основополагающих принципов функционирования любой автоматизированной системы (в том числе ГИС), достижение ее целостности, оптимизация структуры осуществляются на основе мето­дов системного анализа.

Анализ, выполненный с использованием методов формализации об­щей теории систем, будет отвечать требованиям целостности и един­ства рассматриваемых проблем и задач, позволит определить структуру обобщенной ГИС и минимальные требования, которым должна удов­летворять такая система.

1.1. Общие сведения о системном

построении информационной системы

Для системного анализа обобщенной ГИС необходимо выбрать метод описаний разнородных процессов. Целесообразно использовать положения общей теории систем (ОТС), обоснованные в работах М.Дж. Месаровича и Ю. А. Урманцева, и методы структурного анализа, широко применяемые при разработке программных проектов и систем.

Отмеченные теоретические подходы имеют небольшие специфичес­кие различия в формах представления, но содержат концептуальное един­ство. Поэтому при их использовании будем применять положения, кото­рые взаимно непротиворечивы и дополняют друг друга.

При практических исследованиях приходится иметь дело с функци­ональными системами. Для формализации этого класса систем более удобно описание, даваемое М. Месаровичем .

Рис. 1.2. Схема построения автоматизированной системы


Системный подход позволяет представить процесс построения лю­бой информационной системы в виде схемы, содержащей семь этапов (рис. 1.2), которые определяют создание системы от постановки задачи до ее реализации.



Первый этап - формирование основных требований к системе на словесном (вербальном) уровне без должной формализации.

Второй этап - определение концепции решения проблем и задач или построения системы.

Третий этап - детализация общей задачи создания и применения системы, определение системы описаний для перехода от словесных фор­мулировок к схемному или логически взаимосвязанному описанию фун­кций и задач системы, которое позволит разбить систему на основные составляющие ее части. Говоря другими словами, осуществляется фор­мализованное представление взаимосвязи частей и процессов системы. В результате определится структурная схема системы.

На первых трех этапах происходит формирование инфологиче­ской модели.

Четвертый этап - алгоритмизация методов и решений задач, стоящих перед системой, выбор моделей данных, математических и тех­нологических решений.

Пятый этап - оптимизация решений, осуществляемая на основе дополнительного исследования предметной области и специфики реша­емых задач. Этим заканчивается построение системы на логическом уровне проектирования.

Шестой этап - реализация системы. В терминах проектирования говорят о переходе к физическому (уровню) построению системы.

Седьмой этап - модернизация создания информационной систе­мы (в том числе ГИС), предусматривающая учет возможных ситуаций функционирования, а также тенденций развития программно-техноло­гических средств.

В соответствии с этой схемой мы находимся на третьем этапе иссле­дований и наша задача - представление обобщенной ГИС как сложной системы в виде основных составляющих ее частей. Для решения этой задачи используем метод общей теории систем (ОТС).

Определим функциональную систему S как отображение входного множества X (множества первичных элементов ) на выходное множе­ство Y. В формальном представлении ОТС это будет соответствовать записи:

S:X->Y.

В общем случае любая сложная система считается неоднородной (гетерогенной), поэтому целесообразно разбить ее на однородные ком­поненты (подсистемы) путем построения стратифицированной (много­уровневой) системы (рис. 1.3).



Рис. 1.3. Структура сложной стратифицированной системы

Страты - это уровни, определяемые по совокупности сходных при­знаков. В зависимости от критериев оценки система может разбиваться по-разному, например на системные уровни, если критерием являются технологические признаки.

Стратификация (разделение системы S на уровни ) возможна, если множества входной (X) и выходной (Y) информации неоднородны и пред-ставимы в виде декартовых произведений (), т.е. если входная и вы­ходная информация образует два независимых базиса:

(1.1)

В этом случае система S может быть описана в виде совокупности п уровней. Для каждого уровня имеет место



где Е, W- соответственно нисходящие и восходящие информационные

потоки, обеспечивающие связь между уровнями (см, рис. 1.3).

Именно наличие нисходящих и восходящих потоков объединяет под­уровни в единую систему. Отсутствие таких потоков приводит к тому, что исходная система S разбивается на совокупность независимых бо­лее мелких систем.

Возможность разложения входных/выходных данных на независимые группы (1.1) и выявление нисходящих и восходящих информационных по­токов позволяет разбивать систему на системные уровни, системные уров­ни - на подсистемы, процессы - на задачи и т.д.

Многоуровневость может быть обусловлена различными критерия­ми, в частности разнородностью входных/выходных данных или техно­логическими признаками. Например, выходные множества представля­ются в виде и документов, и информационных данных. Следовательно, выявление такой разнородности служит основой построения системы в виде совокупности уровней.

ОТС в равной мере применима для анализа как систем, так и про­цессов обработки данных. Это позволяет определить структуру созда­ваемой системы и описать ее технологии.

1.2. Построение схемы обобщенной ГИС

При системном подходе процесс разработки ГИС интерпретируется как поиск оптимальной структуры системы путем разбиения ее на под­системы. При этом реализуется концепция разработки "сверху вниз".

Построение схемы обобщенной ГИС можно осуществить на основе анализа входных/выходных информационных потоков, функционирую­щих в автоматизированной системе.

Совокупность входных и выходных данных ГИС может быть пред­ставлена в виде независимых технологических совокупностей трех групп: сбора, моделирования и хранения, представления. Действительно, сбор информации производится независимо от хранения данных. Данные хра­нятся независимо от процедур сбора и представления информации. На представление (выдачу) информации в той или иной форме дается зада­ние независимо от способов моделирования.

Эти условия являются достаточными для того, чтобы представить входные Х и выходные У потоки обобщенной ГИС в виде независимых совокупностей (в форме декартовых произведений), аналогично выра­жению (1.1):

Х=

У= (1-2)

где Т3с - техническое задание на сбор информации;

Т3м| - техническое задание на хранение, обновление и модели­рование;

Т3п - техническое задание на представление данных после окончательной обработки;

X1 - множество первичных данных, измеряемых или собира-

емых с помощью различных технологий;

Ху - множество унифицированных данных, получаемых после

сбора и первичной обработки;

ЦММ - цифровая модель местности, хранимая в базе данных ГИС;

ЦМК - цифровая модель карты, сгенерированная для визуаль­ного представления на дисплее или для печати.

В рамках данной теории цифровая модель карты представляет со­бой отображение цифровой модели местности с помощью средств ком­пьютерной визуализации. Применение ЦММ и ЦМК наглядно просле­живается в технологии работы модульной системы MGE (Modular GIS Environment) и ряда других пакетов ГИС. В этой системе аналогом циф­ровой модели местности выступают объекты базы данных и графичес­кая информация, аналогом цифровой карты - проект (карты). Для ото­бражения проекта осуществляют преобразование проекта в чертеж - ге­нерацию чертежа. Визуальному представлению ЦМК соответствует сге­нерированный чертеж. Другими словами, ЦМК можно определить как результат формирования ЦММ для визуального отображения в виде карты.

Множество X представляет собой сложную совокупность данных, получаемых с помощью разных технологий: по фотоснимкам, геодези­ческими методами на местности, с карт, при помощи систем GPS (Global Position System), из архивных табличных данных и т.д.

На основе ОТС с учетом выражения (1.2) представим обобщенную ГИС в виде стратифицированной трехуровневой структуры (рис. 1.4):

УСО:Х1ТЗсНТм->Xу;

УМХ:XуТЗмНТп->ЦММ; (1.3)

УП: Т3nЦММ -> ЦМК,

где УСО - системный уровень сбора и первичной обработки информации;

УМХ - системный уровень моделирования, хранения и обновления;

УП - системный уровень представления данных;

НТм, НТп - нормативные требования к данным при моделировании и пред­ставлении информации соответственно; они являются анало­гами промежуточных восходящих информационных потоков.



Рис. 1.4. Структура обобщенной ГИС

Для концептуального построения ГИС согласно (1.3) необходимо определить НТм, НТп, т.е. информационную основу.

Таким образом, применяя системный подход, можно построить структурную схему обобщенной ГИС в виде трехуровневой системы (см. рис. 1.4) и по этим уровням проводить сравнение различных ГИС между собой, а также сравнение ГИС и других автоматизированных систем.

Нормативные требования в (1.3) определяются при дальнейшем ана­лизе, т.е. при переходе к следующим этапам построения.

Мы употребляем термин обобщенная ГИС, так как абстраги­руемся от конкретного ее применения.

Функционирование обобщенной ГИС согласно ее формализованному описанию (1.3) и схеме (см. рис. 1.4) осуществляется следующим образом.

На первом системном уровне (УСО) происходит сбор первич­ных данных X1, получаемых с помощью разных методов и технологий и потому имеющих разные структуру, формат и представление. В ходе пер­вичной обработки эти разнородные данные корректируются и унифи­цируются. В результате формируется некое унифицированное подмно­жество данных Ху, которое частично хранится в виде архивов и полнос­тью передается на уровень моделирования и хранения.

На в т о р о м системном уровне (УМХ) осуществляются: анализ унифицированной информации Xу, установление связей между частями модели; устранение избыточности, если такая имеется; проверка на це­лостность и непротиворечивость данных; определение первичных и вне­шних ключей; формирование метаданных и т.д. Подмножество Ху со­держит необходимые данные для построения цифровой модели местно­сти, которая хранится в базе данных в виде совокупности графической и символьной информации. ЦММ служит основой для решения приклад­ных задач на базе различных методов моделирования. Эти процессы также происходят на уровне УМХ. В результате обработки сформиро­ванная цифровая модель или результат ее использования подготавлива­ются для визуального представления. Для этого она передается на тре­тий системный уровень.

На третьем системном уровне (УП) ЦММ преобразуется в цифровую модель карты, которая и служит основой представления ин­формации.

Анализируя группы задач обработки данных на трех системных уров­нях, можно отметить следующее.

На первом уровне наиболее широко представлены задачи первич­ной обработки информации: распознавания, структуризации, декомпо­зиции, компоновки, измерения, сжатия, контроля, унификации.

Для второго уровня определяющими являются задачи типизации, геометрического преобразования, экспертного типа, построения циф­ровых моделей, синтеза и т.п.

На третьем уровне наиболее значимы задачи оптимизации, компо­новки, синтеза и т.п.

Естественно, что различные задачи и методы моделирования могут в разной степени присутствовать на каждом уровне, но вид уровня оп­ределяет их значение.

В общем виде ГИС может включать следующие подсистемы:




При сборе первичной информации основным является семантичес­кое моделирование. Инвариантное моделирование имеет приоритет на втором уровне. Эвристическое моделирование занимает ведущее место при интерактивной обработке и в процессах контроля и коррекции. На­конец, информационное моделирование является основным в подсисте­мах документационного обеспечения.

Таким образом, независимо от вида инструментальной системы, со­ставляющей основу конкретной ГИС, любая ГИС должна обладать об­щими признаками и свойствами обобщенной ГИС.

Определим ГИС как полную (информационную систему), если в ней присутствуют все три системных уровня, определенных выше. В противном случае будем говорить о неполной ГИС.

Данный метод анализа применим не только к ГИС, но и к любой автоматизированной системе, включая САПР, АСИС, АСУ. Таким обра­зом, любая информационная система, система управления при анало­гичных заданных условиях (1.2) представима в виде трехуровневой системы. Эта общность структур систем, различающихся задачами и целями, а также общность преобразования информации дает основа­ние говорить и об общности концепций и методов обработки данных в этих системах. Следовательно, на уровне системной структуры ГИС и других АС существует общность принципов обработки данных для ши­рокого круга прикладных задач, включая управление, организацию про­изводства, проектирование, хранение и обновление данных. Эта общ­ность является следствием интеграции.

Вывод

Системный подход позволяет построить схему ГИС в виде основ­ных уровней обработки информации и проводить сравнительный ана­лиз как с другими автоматизированными системами, так и среди гео­информационных систем, предназначенных для решения различных за­дач.



2

Место ГИС

среди других

автоматизированных

систем

Автоматизированная обработка информации в ГИС предполагает использование ряда технологических процессов из различных смежных предметных областей: фотограмметрии, САПР, АСНИ и т. д. В силу это­го целесообразно рассмотреть технологии функционирования достаточ­но апробированных автоматизированных систем, таких, как АСНИ, САПР, АСИС, экспертные системы (ЭС), что позволит при оптималь­ном учете их специфики использовать технологические достижения и решения, применимые во всех исследуемых предметных областях.

2.1. Основные принципы

функционирования АСНИ

АСНИ технологически настроена на сбор и первичную обработку разнообразной информации, что является также и потребностью ГИС. По этой причине можно рассматривать АСНИ как систему, наиболее близ­кую к ГИС на этапах сбора и первичной обработки данных.

Относительно обобщенной ГИС (см. рис. 1.4) технологии АСНИ приемлемы на уровне УСО.

По формам организации АСНИ делятся на три группы: специальные, локальные и глобальные.

Специальные АСНИ решают узкий класс задач на заданном наборе параметров. Их основная задача - контроль протекания процессов и предотвращение нежелательных ситуаций. Наиболее широко эта груп-

па АСНИ представлена в интегрированном производстве, она в боль­шой степени использует измерительно-вычислительные комплексы и относится функционально к классу контрольно-измерительных. Эта груп­па не имеет аналогов в среде ГИС.

Локальные АСНИ функционируют в рамках лабораторий. Их раз­витие связано с "персонализацией" технологий вычислительной техни­ки, в частности с появлением ЭВМ, персональных баз данных, интел­лектуальных терминалов и т.п. По организации эта группа наиболее близ­ка ГИС, функционирующим на уровне города, области.

Глобальные АСНИ создаются в рамках института, КБ, НПО и т.п. ГИС аналогичного класса обслуживают страну или большой регион. Одним из направлений развития систем этой группы является создание распределенных систем (АСНИ, ГИС), в том числе и на основе локаль­ных вычислительных сетей (ЛВС).

Пофункциям можно также выделить три группы АСНИ: инфор­мационно-поисковые, подсказывающие и обучающие; расчетные на ос­нове модельного машинного эксперимента; экспериментальных иссле­дований. В свою очередь каждая из этих групп может быть разбита на подгруппы, однако для анализа ГИС это не играет существенной роли.

Возможности АСНИ во многом определяются уровнем вычислитель­ных средств и набором периферийных устройств к ним.

Интеграция предъявляет новые требования к базовым техничес­ким средствам, входящим в состав АСНИ. Для реализации возмож­ности интегрированной обработки информации эти средства долж­ны либо являться элементами распределенной вычислительной сис­темы или локальной сети, либо базироваться на более сложных вы­числительных системах по сравнению с применяемыми для лабора­торных АСНИ.

В настоящее время характерен рост интегрированных систем, кото­рые включают технологии АСНИ на уровнях сбора и первичной обра­ботки данных.

Большое значение при интеграции АСНИ имеют выбор единой ин­формационной основы, составление классификаторов информации и способов ее кодирования. Эффективным средством, повышающим ско­рость кодирования, являются системы речевого ввода-вывода, разработка которых в нашей стране идет с 60-х гг. Однако эти системы не находят достаточно широкого применения при кодировании первичных данных в ГИС.

2.2. Системы автоматизированного проектирования

Технологии САПР служат основой интеграции всех прочих техно­логий в ГИС. Основное назначение САПР - получение оптимальных проектных решений - отвечает требованиям ГИС на уровне моделиро­вания и хранения (формирования ЦММ) и проектирования (карт) на ос­нове уже собранной, унифицированной информации.

Проектирование в САПР осуществляется путем декомпозиции про­ектной задачи с последующим синтезом общего проектного решения. В процессе синтеза проекта используются информационные ресурсы базы данных в условиях диалогового взаимодействия проектировщиков с комплексом средств автоматизации проектирования.

Технологии проектирования в САПР базируются на следующих принципах:

Все перечисленные принципы приемлемы для моделирования и про­ектирования в ГИС.

Проектирование. Анализ технологических процессов в САПР по­зволяет дать простую классификацию типов проектных работ по степе­ни (уровню) интеграции процессов, вполне подходящую для решения задач ГИС:

Одна из основных технологических групп задач - разработка и ав­томатизация типовых проектных процедур, включающих декомпозицию, симплификацию, унификацию, композицию и синтез, взаимосвязана с группой задач оптимальной классификации и кодирования входной ин­формации.

Поскольку невозможно для ряда задач полностью автоматизировать процесс проектирования, актуальным является эффективное интерак­тивное общение пользователя с ЭВМ. Этот подход особенно важен при использовании ГИС, так как большое количество информации в таких системах требует специальных экспертных решений, не входящих в ме­тоды типового проектирования или моделирования. Интерактивная об­работка для удобства общения пользователя с ЭВМ требует специаль­ного лингвистического обеспечения. Как вспомогательная возникает задача автоматизированного обучения пользователя ГИС.

В процессе проектирования наиважнейшими остаются задачи оп­тимизации, например задача оптимального выбора структуры процесса проектирования или оптимизации самого проектного решения. Опти­мальные решения можно выбирать разными путями, используя метод имитационного моделирования, векторные критерии оценки качества и т.п.

В большинстве САПР проект создается на основе типовых проектных процедур, типовых проектных решений, типовых элементов проекта. Этот подход полностью приемлем для ГИС, но при наличии хорошо организо­ванной базы данных и интегрированной информационной основы.

Таким образом, эффективность применения технологий САПР в ГИС определяется прежде всего степенью интеграции информационной ос­новы ГИС.

Отметим различие на уровне УМХ между ГИС и САПР. В ГИС гра­фическая информация значительно сложнее и больше по объему по срав­нению с аналогами в САПР. Кроме того, в ГИС возможно наличие ви-деобаз данных для хранения видеоинформации, а в САПР такие базы,

как правило, отсутствуют. Следовательно, разработка и эксплуатация БД в ГИС должны проводиться более углубленно по сравнению с САПР. Простой перенос технологий БД или использование систем управления базами данных (СУБД) без технологических изменений, учитывающих специфику данных и их методов обработки в ГИС, не обеспечит макси­мального эффекта от применения баз данных в ГИС.

Моделирование. Выбор методов моделирования определяется глав­ным образом предметной областью объекта моделирования. Построе­ние моделей основано на их представлении в виде совокупностей дек­ларативных, процедурных, семантических, метрических информацион­ных массивов.

Моделирование с использованием аналитических моделей находит широкое применение для тех классов объектов, которые легко описыва­ются аналитическими выражениями.

В случае использования неоднородных компонентов применяется структурно-процедурная модель процессов автоматизации проектиро­вания, учитывающая свойства этих компонентов.

Для моделирования проектируемого объекта используют двухком-понентную модель, включающую структурно-иерархическую и функ­ционально-геометрическую части. Такой же подход применяется в не­которых ГИС.

Для САПР, имеющих разнородную (гетерогенную) структуру, на ран­ней стадии проектирования целесообразно моделирование для устране­ния погрешностей и сокращения общего времени проектирования.

В большинстве случаев эффективность проектирования обусловле­на возможностью использования наборов базовых моделей для реше­ния многих задач. Для многократного использования модели целесооб­разно ее хранение в виде компонентов, определенных на заданных об­щих типах или подклассах моделей данных. Это относится как к цифро­вой модели местности, так и к цифровой модели объекта.

В САПР применяют только цифровые модели объекта с высокой сте­пенью типизации информации. В ГИС цифровое моделирование значи­тельно сложнее, а класс цифровых моделей включает большее число типов, чем в САПР, причем типизация цифровых моделей в ГИС мень­ше, чем в САПР.

При проектировании нетиповых и сложных объектов используют интерактивное и логическое проектирование, реализуемое в большин­стве случаев с помощью сценария как в САПР, так и в ГИС.

Процессы моделирования в САПР могут включать совокупность раз­ных уровней: схемного, логического, вентильного, системного.

В ГИС не применяются схемный и вентильный уровни, поэтому их рассмотрение будет опущено.

Системный уровень моделирования позволяет оценивать общие свойства проектируемой системы при функционировании ее в заданном окружении. Во многих ГИС на этом уровне описываются только начальная стадия обработки или основные концепции. Однако до формализованного описания технологий моделирование на этом уровне не доводится.

Логический уровень дает возможность построить логические схемы и использовать исчисление предикатов для оценки оптимальности процессов обработки в системе или структуры самой системы. В ГИС этом уровне осуществляют проектирование ГИС как системы, проектирование процессов обработки информации, описание обработки некоторых данных.

2.3. Автоматизированные

справочно-информационные системы

Автоматизированная справочно-информационная система исполь­зует ЭВМ на этапах ввода, обработки и выдачи справочных данных по различным запросам потребителей. Она представляет собой развитие информационно-поисковых систем, обеспечивающих ранее выполнение функций автоматизации архивов и информационного поиска.

Существует ряд специфических ГИС, рассматриваемых как архи­вы. Подобно архиву каждая ГИС хранит какую-либо информацию. По­этому технологии АСИС интересны для использования в ГИС именно с целью организации хранения архивных данных.

Концепция создания автоматизированных архивов актуальна и се­годня, поскольку многие учреждения имеют и используют архивы, ко­торые необходимо внедрять в ГИС-технологии.

Технологии АСИС эффективны на втором и третьем системных уров­нях обобщенной ГИС (см. рис. 1.4). Технологическая совместимость АСИС и ГИС проявляется на этапах хранения, обновления информации (второй уровень) и выдачи разного рода справок, отчетов, графических отображений (третий уровень).

В современных интегрированных информационных системах АСИС утратили значение независимых систем и преобразовались в более мо­бильные и универсальные подсистемы документационного обеспече­ния. Другим направлением их развития явились экспертные системы, о которых речь пойдет ниже.

28
Для современных АСИС характерны преимущества системного на­правления развития:

• многофункциональность, т. е. способность решать разнообразные

задачи;

• одноразовость подготовки и ввода данных;

• независимость процесса сбора и обновления (актуализации) данных от процесса их использования прикладными программами;

Все это технологически совместимо с представлением информации в ГИС. Тем не менее имеется существенное отличие.

В ГИС по сравнению с АСИС графическая информация значитель­но сложнее и занимает больший объем. В обеих системах могут быть видеобазы данных для хранения видеоинформации, однако между ними существует качественное различие.

В ГИС видеоданные (изображения объектов) получены с высоким разрешением, поскольку используются как для визуальной оценки, так и для высокоточной геометрической обработки. В АСИС видеоданные, как правило, служат только для визуального просмотра. Различие осо­бенно касается информационной емкости этих данных. В видеобазах ГИС объем файла видеоизображения достигает 1 Гбайта, в АСИС - со­ставляет десятки килобайт, т.е. разница составляет четыре порядка.

Для полного решения какой-либо информационной задачи в инфор­мационных системах необходимо, чтобы ЭВМ понимала смысл текста, написанного на естественном языке, что тесно связано с проблемой ис­кусственного интеллекта.

Информация, хранимая в АСИС, разделяется по различным признакам:

В зависимости от формы хранения АСИС подразделяют на докумен-тографические (текстовые) и фактографические. Информационным мас­сивом документографической АСИС служат различные неформализован­ные (слабо типизированные данные) документы (цитаты, статьи, письма и т. д.) на естественном или ограниченном искусственном языке, например текстовые файлы, получаемые с помощью текстовых процессоров.

29

Информационный массив фактографической АСИС составляется из формализованных записей (сильно типизированных данных), например, записей базы данных или электронных таблиц.

Фактографические информационные системы предполагают состав­ление специальных форм документов для ввода информации в ЭВМ. Идентификация осуществляется с использованием ключей (дескрипто­ров), которые вводятся с помощью стандартных форм или задаются сред­ствами самой системы.

Таким образом, разработка фактографических АСИС связана с не­обходимостью создания стандартных форм и методов контроля инфор­мации. Эти требования распространяются и на ГИС.

Следует отметить, что, как и в АСИС, в ГИС информация имеет вре­менную характеристику.

Главные технические показатели АСИС - информационная емкость и скорость обмена информацией - определяются в первую очередь тех­ническими данными ЭВМ и типом базы данных и во вторую - техноло­гией обработки информации. В силу этого базы данных являются осно­вой АСИС и составной частью ГИС.

Разработка информационной основы - первоочередная задача проек­тирования и функционирования АСИС (также и ГИС). При этом необходи­мо решать задачи структуризации, кодирования и классификации данных.

Созданию информационной основы должны предшествовать изу­чение информационных потребностей пользователя, видов запросов, ана­лиз предметной области, базовых и составных моделей данных. Дан­ный подход обязателен для ГИС, однако не применяется многими разра­ботчиками ГИС, которые, мягко говоря, игнорируют большой опыт ис­пользования АСИС при решении этой задачи.

Рост объема информации в автоматизированных архивах, информа­ционных системах, базах данных наряду с внедрением сетевых инфор­мационных структур обмена информацией требует создания новых ме­тодов не только фильтрации и выбора нужной информации, но и оценки ее полезности. Это весьма важно при использовании ГИС для решения экономических, экологических и других задач.

Следует отметить некоторые особенности архивов, создаваемых на основе технологий ГИС, в частности то, что библиотека карт является традиционным архивом, в котором данные классифицируются как те­матически, так и географически.

В большинстве атласов и библиотек карт иерархия данных опреде­лена последовательностью классификации: вначале географические, а затем тематические данные.

Цифровые архивы пространственных данных (архивы ГИС) обыч­но организуются иначе: первый ключ - тематический, второй - геогра­фический. В мировой практике применяют набор стандартных форма­тов обмена архивными данными:

Преимуществом построения архивов на основе ГИС является воз­можность использования старых и минимального количества новых дан­ных для оперативного синтеза новых картографических материалов. Многие задачи синтеза и получения картографических композиций тре­буют экспертных решений. Это более эффективно по сравнению с БД решают экспертные системы. Следовательно, их применение в ГИС бо­лее актуально, чем во многих АСИС.

Сравнивая модели и методы использования экспертных систем в ГИС, САПР, АСНИ и АСИС, можно отметить следующие различия. Если в АСНИ применяются, как правило, сложные, комплексные, динамичес­кие, многопараметрические модели, то в САПР, АСИС и ГИС наблюда­ется тенденция к типизации, т.е. к использованию типовых элементов, и декомпозиции сложных объектов на типовые.

Кроме того, если предметом моделирования в АСНИ являются в большей степени процессы и в меньшей - объекты, то в САПР наобо­рот; в первую очередь - объекты, во вторую - процессы (технологичес­кие). В АСИС предмет моделирования - формы данных.

В ГИС целью моделирования является: на уровне сбора и первич­ной обработки информации - содание моделей данных, на уровне моде­лирования и хранения - построение моделей геообъектов, на уровне пред­ставления - получение разнообразных форм данных.

Во всех системах можно выделить общее - использование цифро­вых моделей.

Следовательно, моделирование в ГИС носит наиболее сложный ха­рактер по отношению к другим автоматизированным системам. Но, с другой стороны, процессы моделирования в ГИС на каждом системном Уровне и в какой-либо из рассмотренных систем весьма близки. В це­лом основы моделирования и построения моделей в ГИС должны базироваться на известных принципах и подходах, которые применяют в других АС.


30
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации