Реферат - Геоинформационные системы - файл n1.doc

Реферат - Геоинформационные системы
скачать (764 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc764kb.30.05.2012 10:42скачать

n1.doc



Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Кафедра информатики и информационных технологий

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Реферат по дисциплине «Введение в специальность»


Преподаватель Поршнев С.В.
Студент гр. 190302 Иванов А.В.
Екатеринбург

2009

СОДЕРЖАНИЕ


Введение 4

1. Общая характеристика ГИС 6

2. Особенности организации данных в ГИС 10

3. БАЗОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ ГИС 19

4. Методы и технологии моделирования в ГИС 25

5. ИНФОРМАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ в ГИС 27

6. Поддержка принятия решения в ГИС 29

7. Приложения и применение ГИС 32

Заключение 35

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 36

Введение


Географические информационные системы (ГИС) лежат в основе геоинформатики – новой современной научной дисциплины, изучающей природные и социально-экономические геосистемы различных иерархических уровней посредством аналитической компьютерной обработки создаваемых баз данных и баз знаний.

Геоинформатика, как и другие науки о Земле, направлена на изучение процессов и явлений, происходящих в геосистемах, но пользуется для этого своими средствами и методами.

Как было сказано выше, основой геоинформатики является создание компьютерных ГИС, имитирующих процессы, происходящие в изучаемой геосистеме. Для этого необходимо прежде всего информация (как правило, фактический материал), которая группируется и систематизируется в базах данных и базах знаний. Информация может быть самой разнообразной – картографической, точечной, статической, описательной и т.п. В зависимости от поставленной цели, обработка ее может производиться либо с помощью существующих программных продуктов, либо с использованием оригинальных методик. Поэтому в теории геосистемного моделирования и разработки методов пространственного анализа в структуре геоинформатики придается важное значение.

Существуете несколько определений ГИС. В целом они сводятся к следующему: географическая информационная система – это интерактивная информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, доступ, отображение пространственно-организованных данных и ориентированная на возможность принятия научно-обоснованных управленческих решений.

Целью создания ГИС может быть инвентаризация, кадастровая оценка, прогнозирование, оптимизация, мониторинг, пространственный анализ и т.п. Наиболее сложной и ответственной задачей при создании ГИС является управление и принятие решений. Все этапы – от сбора, хранения, преобразования информации до моделирования и принятия решений в совокупности с программно-технологическими средствами объединяются под общим названием – геоинформационные технологии (ГИС-технологии).

Таким образом, ГИС-технологии – это современный системный метод изучения окружающего географического пространства с целью оптимизации функционирования природно-антропогенных геосистем и обеспечения их устойчивого развития.

В реферате рассмотрены принципы создания и актуализации географических информационных систем, а также их приложения и применение.



1. Общая характеристика ГИС


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.

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 информационных 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.

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 автоматизированных систем управления (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-информационных 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, системы картографической информации (СКИ), автоматизированные системы картографирования (АСК), автоматизированные 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.

Как уже говорилось, в ГИС используются технологические достижения и решения, применимые в таких автоматизированных системах как АСНИ, САПР, АСИС, экспертных системах. Следовательно, моделирование в ГИС носит наиболее сложный характер по отношению к другим автоматизированным системам. Но с другой стороны, процессы моделирования в ГИС и в какой-либо из вышеприведенных АС весьма близки.

АСУ полностью интегрирована в ГИС и может быть рассмотрена как подмножество этой системы.

На уровне сбора информации технологии ГИС включают в себя от­сутствующие в АСУ методы сбора пространственно-временных данных, технологии использования навигационных систем, технологии реаль­ного масштаба времени, и т.д.

На уровне хранения и моделирования дополнительно к обработке социально-экономических данных (как и в АСУ) технологии ГИС вклю­чают в себя набор технологий пространственного анализа, применение цифровых моделей и видеобаз данных, а также комплексный подход к принятию решений.

На уровне представления ГИС дополняет технологии АСУ приме­нением интеллектуальной графики (представление картографических данных в виде карт, тематических карт или на уровне деловой графики), что делает ГИС более доступными и понятными по сравнению с АСУ для бизнесменов, работников управления, работников органов государ­ственной власти и т.д.

Таким образом, в ГИС принципиально решаются все задачи, выпол­няемые прежде в АСУ, но на более высоком уровне интеграции и объе­динения данных. Следовательно, ГИС можно рассматривать как но­вый современный вариант автоматизированных систем управления, использующих большее число данных и большее число методов анализа и принятия решений, причем в первую очередь использующих методы пространственного анализа (см. рис. 1).
Дополнительные возможности ГИС по сравнению с АСУ по основным уровням обработки данных



Рис. 1.

2. Особенности организации данных в ГИС


ГИС использует разнообразные данные об объектах, характеристиках земной поверхности, информацию о формах и связях между объектами, различные описательные сведения.

Для того чтобы полностью отобразить геообъекты реального мира и все их свойства, понадобилась бы бесконечно большая база данных. Поэтому, используя приемы генерализации и абстракции, необходимо свести множество данных к конечному объему, легко поддающемуся анализу и управлению. Это достигается применением моделей, сохраняющих основные свойства объектов исследования и не содержащих второстепенных свойств. Поэтому первым этапом разработки ГИС или технологии ее применения является обоснование выбора моделей данных для создания информационной основы ГИС.

Выбор метода организации данных в геоинформационной системе, и, в первую очередь, модели данных, т.е. способа цифрового описания пространственных объектов, определяет многие функциональные возможности создаваемой ГИС и применимость тех или иных технологий ввода. От модели зависит как пространственная точность представления визуальной части информации, так и возможность получения качественного картографического материала и организации контроля цифровых карт. От способа организации данных в ГИС очень сильно зависит производительность системы, например, при выполнении запроса к базе данных или рендеринге (визуализации) на экране монитора.

Ошибки в выборе модели данных могут сказаться решающим образом на возможности реализации в ГИС необходимых функций и расширения их списка в будущем, эффективности выполнения проекта с экономической точки зрения. От выбора модели данных напрямую зависит ценность формируемых баз данных географической и атрибутивной информации.

Уровни организации данных можно представить в виде пирамиды, рис.2. Модель данных – это концептуальный уровень организации данных. Термины, типа

“полигон”, “узел”, “линия”, “дуга”, “идентификатор”, “таблица” как раз относятся к этому уровню, в равной степени, как и понятия “тема” и “слой”.

Уровни организации данных в ГИС



Рис. 2.
Более подробное рассмотрение организации данных часто называется структурой данных. В структуре фигурируют математические и программистские термины, такие как “матрица”, “список”, “система ссылок”, “указатель”, “способ сжатия информации”. На следующем по детальности уровне организации данных специалисты имеют дело со структурой файлов данных и их непосредственными форматами. Уровень организации конкретной БД является уникальным для каждого проекта.

ГИС, впрочем, как и любая другая информационная система, обладает развитыми средствами обработки и анализа входящих данных с целью дальнейшей их реализации в вещественной форме. На рис. 3. представлена схема аналитической работы ГИС. На первом этапе производится “коллекционирование” как географической (цифровые карты, изображения), так и атрибутивной информации. Собранные данные являются наполнением двух баз данных. Первая БД хранит картографические данные, вторая же наполнена информацией описательного характера.

На втором этапе система обработки пространственных данных обращается к базам данных для проведения обработки и анализа востребованной информации. При этом весь процесс контролируется системой управления БД (СУБД), с помощью которой можно осуществлять быстрый поиск табличной и статистической информации. Конечно, главным результатом работы ГИС являются разнообразные карты.

Для организации связи между географической и атрибутивной информацией используют четыре подхода взаимодействия. Первый подход – геореляционный или, как его еще называют, гибридный. При таком подходе географические и атрибутивные данные организованы по-разному. Между двумя типами данных связь осуществляется посредством идентификатора объекта. Как видно из рис. 3., географическая информация хранится отдельно от атрибутивной в своей БД. Атрибутивная информация организована в таблицы под управлением реляционной СУБД.
Схематическое представление процессов сбора, обработки, анализа и вывода данных в ГИС



Рис. 3.
Следующий подход называется интегрированным. При этом подходе предусматривается использование средств реляционных СУБД для хранения как пространственной, так и атрибутивной информации. В этом случае ГИС выступает в качестве надстройки над СУБД.

Третий подход называют объектным. Плюсы этого подхода в легкости описания сложных структур данных и взаимоотношений между объектами. Объектный подход позволяет выстраивать иерархические цепочки объектов и решать многочисленные задачи моделирования.

В последнее время самое широкое распространение получил объектно-реляционный подход, являющийся синтезом первого и третьего подходов.

Следует отметить, что в ГИС выделяют несколько форм представления объектов:

  1. В виде нерегулярной сети точек;

  2. В виде регулярной сети точек;

  3. В виде изолиний.

Представление в виде нерегулярной сети точек – это произвольно расположенные точечные объекты, в качестве атрибутов имеющие какое-то значение в данной точке поля. Пример такой формы представления данных показан на рис. 4.
Пример формы представления объектов

в виде нерегулярной сети точек



Рис. 4.
Представление в виде регулярной сети точек – это равномерно расположенные в пространстве точки достаточной густоты. Регулярную сеть точек можно получать интерполяцией из нерегулярных либо путем проведения измерений по регулярной сети.

Наиболее распространенной формой представления в картографии является представление изолиниями. Недостатком данного представления является то, что обычно нет никакой информации о поведении объектов, находящихся между изолиниями. Данный способ представления является не самым удобным для анализа. На рис. 5. приведен пример этой формы представления.
Пример формы представления объектов в виде изолиний


Рис. 5.
Рассмотрим модели организации пространственных данных в ГИС.

Самой распространенной моделью организации данных является слоевая модель, рис. 6. Суть модели в том, что осуществляется деление объектов на тематические слои и объекты, принадлежащие одному слою. Получается так, что объекты отдельного слоя сохраняются в отдельный файл, имеют свою систему идентификаторов, к которой можно обращаться как к некоторому множеству. Как видно из рис. 6, в отдельные слои вынесены индустриальные районы, торговые центры, автобусные маршруты, дороги, участки учета населения. Часто один тематический слой делится еще и по горизонтали – по аналогии с отдельными листами карт. Это делается для удобства администрирования БД и во избежание работы с большими файлами данных.

Пример слоевой организации данных



Рис. 6.
В рамках слоевой модели существует две конкретных реализации: векторно-топологическая и векторно-нетопологическая модели.

Первая реализация – векторно-топологическая, рис. 7. В этой модели есть ограничения: в один лист одного тематического слоя можно поместить объекты не всех геометрических типов одновременно. К примеру, в системе ARC/INFO в одном покрытии можно поместить или только точечные или только линейные, или полигональные объекты, либо их комбинации, исключая случай “точечные полигональные” и три типа объектов сразу.
Векторно-топологическая модель организации данных



Рис. 7
Векторно-нетопологическая модель организации данных – это более гибкая модель, но часто в один слой помещаются только объекты одного геометрического типа. Число слоев при слоевой организации данных может быть весьма большим и зависит от конкретной реализации. При слоевой организации данных удобно манипулировать большими группами объектов, представленных слоями как единым целым. Например, можно включать и выключать слои для визуализации, определять операции, основанные на взаимодействии слоев.

Следует отметить, что слоевая модель организации данных абсолютно преобладает в растровой модели данных.

Наряду со слоевой моделью используют объектно-ориентированную модель. В этой модели используется иерархическая сетка (топографический классификатор), рис. 8.
Пример топографического классификатора



Рис. 8.
В объектно-ориентированной модели акцент делается на положение объектов в какой-либо сложной иерархической схеме классификации и на взаимоотношения между объектами. Этот подход менее распространен, чем слоевая модель по причине трудности организации всей системы взаимосвязей между объектами.

Как говорилось выше, информация в ГИС хранится в географической и атрибутивной базах данных. Рассмотрим принципы организации информации на примере векторной модели представления пространственных данных.

Любой графический объект можно представить как семейство геометрических примитивов с определенными координатами вершин, которые могут исчисляться в любой системе координат. Геометрические примитивы в разных ГИС различаются, но базовыми являются точка, линия, дуга, полигон. Расположение точечного объекта, например, угольной шахты, можно описать парой координат (x, y). Такие объекты, как река, водопровод, железная дорога описываются набором координат (x1, y2; …; xn, yn), рис. 9. Площадные объекты типа речных бассейнов, сельхоз угодий или избирательных участков представляются в виде замкнутого набора координат (x1, y1; … xn, yn; x1, y1). Векторная модель наиболее пригодна для описания отдельных объектов и менее всего подходит для отражения непрерывно изменяющихся параметров.
Пример использования векторной модели для описания геообъектов



Рис. 9.
Кроме координатной информации об объектах в географической БД может храниться информация о внешнем оформлении этих объектов. Это может быть толщина, цвет и тип линий, тип и цвет штриховки полигонального объекта, толщина, цвет и тип его границ. Каждому геометрическому примитиву сопоставляется атрибутивная информация, описывающая его количественные и качественные характеристики. Она хранится в полях табличных баз данных, которые предназначены для хранения информации разных типов: текстовая, числовая, графическая, видео, аудио. Семейство геометрических примитивов и его атрибутов (описаний) образует простой объект.

Современные объектно-ориентированные ГИС работают с целыми классами и семействами объектов, что позволяет пользователю получать более полное представление о свойствах этих объектов и присущих им закономерностях.

Взаимосвязь между изображением объекта и его атрибутивной информацией возможна посредством уникальных идентификаторов. Они в явной или неявной форме существуют в любой ГИС.

Во многих ГИС пространственная информация представляется в виде отдельных прозрачных слоев с изображениями географических объектов. Размещение объектов на слоях зависит в каждом отдельном случае от особенностей конкретной ГИС, а также особенностей решаемых задач. В большинстве ГИС информацию на отдельном слое составляют данные из одной таблицы БД. Бывает, что слои образуются из объектов, составленных из однородных геометрических примитивов. Это могут быть слои с точечными, линейными или площадными географическими объектами. Иногда слои создаются по определенным тематическим свойствам объектов, например, слои железнодорожных линий, слои водоемов, слои природных ископаемых. Практически любая ГИС позволяет пользователю управлять слоями. Основные управляющие функции – это видимость/невидимость слоя, редактируемость, доступность. Кроме всего, пользователь может увеличивать информативность цифровой карты путем вывода на экран значений атрибутов пространственных. Многие ГИС используют растровые изображения в качестве фундаментального слоя для векторных слоев, что также повышает наглядность изображения.


3. БАЗОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ ГИС


Любая ГИС включает в себя следующие компоненты:

  1. Аппаратная платформа (hardware);

  2. Программное обеспечение (software);

  3. Данные (data);

  4. Персонал.

Аппаратная платформа в свою очередь состоит из следующих частей:

  1. Компьютеры (рабочие станции, ноутбуки, карманные ПК),

  2. Средства хранения данных (винчестеры, компакт-диски, дискеты, флэш-память),

  3. Устройства ввода информации (дигитайзеры, сканеры, цифровые камеры и фотоаппараты, клавиатуры, компьютерные мыши),

  4. Устройства вывода информации (принтеры, плоттеры, проекторы, дисплеи).

«Сердцем» любой ГИС являются используемые для анализа данные. Устройства ввода позволяют конвертировать существующую географическую информацию в тот формат, который используется в данной ГИС. Географическая информация включает в себя бумажные карты, материалы аэрофотосъемок и дистанционного зондирования, адреса, координаты объектов собранные при помощи систем глобального позиционирования GPS (Global Position System), космических спутников или цифровой географической информации, хранимой в других форматах.

Если говорить о программном обеспечении ГИС, то следует отметить, что большинство программных пакетов обладают схожим набором характеристик, такими как, послойное картографирование, маркирование, кодирование геоинформации, нахождение объектов в заданной области, определение разных величин, но очень сильно различаются в цене и функциональности. Выбор программного обеспечения зависит от конкретных прикладных задач, решаемых пользователем. Для примера приведем список, содержащий названия фирм и ПО, которое они выпускают, табл. 1.

Таблица 1

ГИС-Software и компании

Фирма-производитель

Software

1

2

MapInfo

MapInfo Pro

ESRI

ArcView, Arc/INFO

Autodesk GmbH

AutoCAD MAP, AutoCAD Land De-

velopment, Autodesk MapGuide R5,

AutoCAD Map 2000

Caliper

Maptitude

Integraph

GeoMedia

Tactician

Tactician

Geograph

ГеоГраф ГИС 2.0

КРЕДО-Диалог

CREDO



Программный продукт ARC/INFO – это одна из первых профессиональных ГИС, ориентированная на работу с пространственной информацией, хранимой в базе данных. В результате её внедрения произошел настоящий переворот в цифровой картографии и в способах работы с пространственной информацией. ARC/INFO состоит из базового комплекта программ и дополнительных модулей, которые могут приобретаться отдельно в дополнение к базовому комплекту. Базовый комплект программного обеспечения представляет собой полнофункциональную ГИС для работы в различных прикладных областях. Он поддерживает весь цикл работ по созданию и использованию ГИС от ввода данных и их редактирования до организации информационных запросов анализа пространственной информации и подготовки чистовой картографической продукции в виде твердых копий.

ARCVIEW GIS – система, которая предназначена для отображения, редактирования, пространственного анализа, поиска и управления геопространственными данными. Это программное средство, как и ARCINFO, разработано фирмой ESRI.

Одна из привлекательных особенностей ARCVIEW GIS – включение в пакет программ подсказчиков (Мастеров). Эти подсказчики облегчают использование множества новых инструментов и полезны как для новичков, так и опытных пользователей. Добавлены инструменты для создания координатных сеток и рамок карты (управление интервалами, типами линий, типом рамок).

Средства геообработки и анализа ARCVIEW позволяют проводить такие сложные пространственные операции с географическими данными как создание буферных зон вокруг картографических объектов, вырезка, слияние, пересечение, объединение тем и присвоение данных по местоположению

К другим усовершенствованиям относятся расширение диапазона поддерживаемых дат промежутке от 5 млн. 800 тыс. лет до нашей эры до 5 млн. 800 тыс. лет нашей эры, что иногда требуется для геологических, археологических и т.п. приложений), возможность оцифровки карт на дигитайзере в потоковом режиме.

AutoCAD Map 2000 – высокоточное программное обеспечение для создания цифровых карт и осуществления геоинформационного анализа, включающее все функциональные возможности базового продукта AutoCAD. Содержит все необходимые средства и эффективные функции для изготовления картографической основы и обработки географической информации.

Поддерживает любые графические форматы, осуществляет экспорт данных во все популярные программы обработки географической информации. Обеспечивает мгновенное получение дополнительных данных для геоинформационного проекта через сеть.

AutoCAD Map 2000 предоставляет разработчикам более 2 тысяч глобальных координатных систем (более 100 из них новые). AutoCAD Map 2000 дает наилучшие инструменты для быстрого и точного скалывания карт с бумажных носителей. Скалывание карт значительно ускоряет перевод бумажных карт в цифровую форму. Программное обеспечение включает мощные средства для формирования запросов, изменения свойств, пространственного анализа и отличное управление выводом на печать.

Комплекс CREDO предназначен для обработки материалов изысканий, проектирования объектов промышленного, гражданского и транспортного строительства, разведки, добычи и транспортировки нефти и газа, создания и ведения крупномасштабных цифровых планов городов и промышленных предприятий, подготовки данных для землеустройства, решения многих других инженерных задач.

На сегодняшний день основными программными продуктами компании MapInfo являются:

  1. MapInfo Professional – полнофункциональная геоинформационная система;

  2. MapBasic – среда программирования для MapInfo Professional;

  3. MapInfo SpatialWare – технология управления пространственной информацией в БД SQL Server/Informix;

  4. MapInfo MapX – библиотека разработчика приложений;

  5. MapXtreme – программное обеспечение для разработки картографических приложений для Intranet или Internet.

В дополнение к традиционным для СУБД функциям, ГИС MapInfo Professional позволяет собирать, хранить, отображать, редактировать и обрабатывать картографические данные, хранящиеся в базе данных, с учетом пространственных отношений объектов. В одном сеансе работы одновременно могут использоваться данные разных форматов. Встроенный язык запросов SQL, благодаря географическому расширению, позволяет организовывать выборки с учетом пространственных отношений объектов, таких как удаленность, вложенность, перекрытия, пересечения, площади объектов и т.п. Запросы к базе данных можно сохранять в виде шаблонов для дальнейшего использования. В MapInfo имеется возможность поиска и нанесения объектов на карту по координатам, адресу или системе индексов.

Для наглядного представления и картографического анализа пространственных данных в ГИС MapInfo используется тематическое картографирование. MapInfo предлагает следующие методы построения тематических карт: диапазоны значений, столбчатые и круговые диаграммы, градуированные символы, плотность точек, отдельные значения, непрерывная поверхность. Сочетание тематических слоев и методов буферизации, районирования, слияния и разбиения объектов, пространственной и атрибутивной классификации позволяет создавать синтетические многокомпонентные карты с иерархической структурой.

ГИС MapInfo открывает большие возможности для разработчиков геоинформационного программного обеспечения. Использование современных методов взаимодействия между Windows приложениями позволяет интегрировать окно Карты MapInfo в программы, написанные на языках Delphi, Visual Basic, C++, PowerBuilder и др. Совместное использование MapInfo и среды разработки MapBasic дает возможность каждому создавать специфические приложения для решения конкретных прикладных задач.

Известные программные продукты ведущих мировых компаний-разработчиков программного обеспечения ГИС при всех достоинствах обладают одним существенным недостатком высокой стоимостью, составляющей тысячи и десятки тысяч долларов.

Что касается компонента «Данные», то ГИС нацелена на совместную обработку информации двух типов:

  1. географическая (пространственная, картографическая) информация;

  2. атрибутивная (непространственная, семантическая, тематическая, описательная, табличная) информация.

Географическая информация в ГИС представлена данными, описывающими пространственное месторасположение объектов (координаты, элементы графического оформления). Данные находятся в цифровой форме на магнитных лентах, магнитных, оптических и “жестких” дисках и служат для визуализации картины в той или иной модели данных.

Атрибутивная информация в ГИС – это данные, описывающие качественные или количественные параметры пространственно соотнесенных объектов.

Так, например, жилая постройка на дисплее может быть представлена в виде полигона (графическая составляющая), а в атрибутивной базе данных будет содержаться информация об ее площади, почтовом адресе, количестве этажей, материале стен, типе фундамента, годе постройки и т.д.

В геоинформационной системе присутствует подсистема управления как географической, так и атрибутивной информации. Пространственный анализ, который включает в себя проверку взаимного расположения объектов, установление закономерностей их распределения, нахождение смежных объектов, измерение расстояния и площади и т.д., проводят с опорой на географическую информацию. Функции семантической (непространственной) обработки предназначены для анализа и управления атрибутивной информацией, рис. 10.
Вычисление кратчайшего пути в геоинформационной

системе ArcView GIS



Рис. 10.
Создание и управление ГИС невозможно без людей. Персоналом ГИС являются как технические специалисты, разрабатывающие и поддерживающие систему, создающие и управляющие данными, так непосредственные пользователи.





4. Методы и технологии моделирования в ГИС


В ГИС можно выделить четыре основные группы моделирования:

  1. Семантическое – на уровне сбора информации;

  2. Инвариантное – основа представления карт, за счёт использования специальных библиотек, например библиотек условных знаков и библиотек графических элементов;

  3. Эвристическое – общение пользователя с ЭВМ на основе сценария, учитывающего технологические особенности программного обеспечения и особенности обработки данной категории объектов (занимает ведущее место при интерактивной обработке и в процессах контроля и коррекции);

  4. Информационное - создание и преобразование разных форм информации в вид, задаваемый пользователем (является основным в подсистемах документационного обеспечения).

При моделировании в ГИС можно выделить следующие программно-технологические блоки:

  1. Операции преобразования форматов и представления данных. Имеют важное значение для ГИС как средство обмена данными с другими системами. Преобразование форматов осуществляется с помощью специальных программ-конверторов (AutoVEC, WinGIS, ArcPress).

  2. Проекционные преобразования. Осуществляют переход от одной картографической проекции к другой или от пространственной системы к картографической проекции. Как правило, иностранные программные средства не поддерживают напрямую распространённые в нашей стране проекции, а информацию о типе проекции и её параметрах получить довольно сложно. Это определяет преимущество отечественных разработок ГИС, содержащих наборы нужных проекционных преобразований. С другой стороны, широко распространённые в России разнообразные методы работы с пространственными данными нуждаются в анализе и классификации.

  3. Геометрический анализ. Для векторных моделей ГИС это операции определения расстояний, длин ломаных линий, поиска точек пересечения линий; для растровых – операции идентификации зон, расчёта площадей и периметра зон.

  4. Оверлейные операции: наложение разноимённых слоёв с генерацией производных объектов и наследованием их атрибутов.

  5. Функционально-моделирующие операции:

    1. расчёт и построение буферных зон (применяются в транспортных системах, лесном хозяйстве, при создании охранных зон вокруг озёр, при определении зон загрязнения вдоль дорог);

    2. анализ сетей (позволяют решать оптимизационные задачи на сетях – поиск путей, аллокация, районирование);

    3. генерализация (предназначены для отбора и отображения картографических объектов соответственно масштабу, содержанию и тематической направленностью);

    4. цифровое моделирование рельефа (заключается в построении модели базы данных, наилучшим образом отображающей рельеф исследуемой местности).



5. ИНФОРМАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ в ГИС


Комплексная система защиты информации должна строиться с учетом четырех уровней любой информационной системы (ИС), в т.ч. и геоинформационной системы:

  1. Уровень прикладного программного обеспечения (ПО), отвечающий за взаимодействие с пользователем. Примером элементов ИС, работающих на этом уровне, можно назвать текстовый редактор WinWord, редактор электронных таблиц Excel, почтовая программа Outlook, броузер Internet Explorer и т.д.

  2. Уровень системы управления базами данных (СУБД), отвечающий за хранение и обработку данных информационной системы. Примером элементов ИС, работающих на этом уровне, можно назвать СУБД Oracle, MS SQL Server, Sybase и даже MS Access.

  3. Уровень операционной системы (ОС), отвечающий за обслуживание СУБД и прикладного программного обеспечения. Примером элементов ИС, работающих на этом уровне, можно назвать ОС Microsoft Windows NT, Sun Solaris, Novell Netware.

  4. Уровень сети, отвечающий за взаимодействие узлов информационной системы. Примером элементов ИС, работающих на этом уровне, можно назвать протоколы TCP/IP, IPS/SPX и SMB/NetBIOS.

Система защиты должна эффективно функционировать на всех этих уровнях. Иначе злоумышленник сможет реализовать ту или иную атаку на ресурсы ГИС. Например, для получения несанкционированного доступа к информации о координатах карт в базе данных ГИС злоумышленники могут попытаться реализовать одну из следующих возможностей:

  1. Прочитать записи БД из MS Query, который позволяет получать доступ к записям многих СУБД при помощи механизма ODBC или SQL-запросов (уровень прикладного ПО).

  2. Прочитать нужные данные средствами самой СУБД (уровень СУБД).

  3. Прочитать файлы базы данных непосредственно на уровне операционной системы.

  4. Отправить по сети пакеты со сформированными запросами на получение необходимых данных от СУБД или перехватить эти данные в процессе их передаче по каналам связи (уровень сети).

Для того, чтобы нельзя было реализовать ту или иную атаку, необходимо своевременно обнаружить и устранить уязвимости информационной системы. Причем на всех 4 уровнях. Помочь в этом могут средства анализа защищенности (security assessment systems) или сканеры безопасности (security scanners). Эти средства могут обнаружить и устранить тысячи уязвимостей на десятках и сотнях узлов, в т.ч. и удаленных на значительные расстояния.

Совокупность применения различных средств защиты на всех уровнях ГИС позволит построить эффективную и надежную систему обеспечения информационной безопасности геоинформационной системы. Такая система будет стоять на страже интересов и пользователей, и сотрудников компании-провайдера ГИС-услуг. Она позволит снизить, а во многих случаях и полностью предотвратить, возможный ущерб от атак на компоненты и ресурсы системы обработки картографической информации.

6. Поддержка принятия решения в ГИС


В современных сложных системах, основанных на самых передовых компьютерных технологиях и моделях сложных предметных областей, лицу, принимающему решение, все труднее и труднее выполнять свою самую главную обязанность – принимать решение. Поэтому проблема разработки систем поддержки принятия решения (СППР) на различных уровнях обработки информации является чрезвычайно важной и актуальной. Одним из наиболее перспективных направлений решения данной проблемы является создание СППР на основе ГИС.

Однако следует отметить, что ГИС – это не инструмент для выдачи решений, а средство, помогающее ускорить и повысить эффективность процедуры принятия решений, обеспечивающее ответы на запросы и функции анализа пространственных данных, представления результатов анализа в наглядном и удобном для восприятия виде. ГИС помогает, например, в решении таких задач, как предоставление разнообразной информации по запросам органов планирования, разрешение территориальных конфликтов, выбор оптимальных (с разных точек зрения и по разным критериям) мест для размещения объектов и т. д. Требуемая для принятия решений информация может быть представлена в лаконичной картографической форме с дополнительными текстовыми пояснениями, графиками и диаграммами. Наличие доступной для восприятия и обобщения информации позволяет ответственным работникам сосредоточить свои усилия на поиске решения, не тратя значительного времени на сбор и обмысливание доступных разнородных данных. Можно достаточно быстро рассмотреть несколько вариантов решения и выбрать наиболее эффектный и эффективный.

Цикл принятия решений с использованием ГИС изображен на рис. 11.
Цикл принятия решений с использованием ГИС


Рис. 11.

Разберем подробнее цикл принятия решения.

  1. Оценка реальной ситуации. Рассмотрим некую территорию, нуждающуюся в более совершенном управлении. События могут разворачиваться в эстуарии (устье реки), на участке берега или на каком-нибудь относительно большом участке в прибрежной зоне. Собрав необходимые данные, можно попробовать создать упрощенную модель состояния исследуемой территории или объекта (т.е. модель реальной ситуации). Собранные данные должны иметь пространственные и атрибутивные характеристики, которые в своей совокупности позволят пользователю ГИС определить, в каком месте прибрежной зоны происходят те или иные события. Главное – добиться того, чтобы полученные данные в точности отражали реальную ситуацию. Таким образом, важнейшее значение здесь имеют два фактора: выбор источников данных и качество собранной информации.

  2. ГИС. Полученные характеристики вводятся в ГИС, которая содержит, таким образом, несколько "слоев" (layers) данных, составляющих в целом некоторую модель реальной ситуации. Посредством частичного наложения или комбинирования отдельных "слоев" можно выявлять и распознавать различные пространственные соотношения и взаимосвязи. Кроме того, поскольку все данные хранятся в базе данных, они могут использоваться для статистического анализа. Существует несколько методов ввода данных в ГИС. От способа ввода данных может зависеть их качество и формат. Данные могут храниться в базе данных ГИС в растровом или векторном форматах. Формат данных тоже способен влиять на их качество.

  3. Решение. Данные, полученные на выходе ГИС, могут использоваться для принятия решений по управлению прибрежной зоной. Безусловно, сами эти данные влияют на характер принимаемого решения, хотя оно и зависит от конкретной ситуации. Важно, однако, помнить, что сами ГИС никаких решений не принимают: они всего лишь снабжают своих пользователей информацией в такой форме, которая облегчает принятие решений. Исследования завершаются принятием решений, которые в свою очередь неизбежно окажут то или иное влияние на существующую ситуацию. Но функции ГИС на этом не прекращаются: они продолжают следить за происходящими изменениями и на этой основе совершенствовать управление ситуацией.

7. Приложения и применение ГИС


Ученые подсчитали, что 85% информации, с которой сталкивается человек в своей жизни, имеет территориальную привязку. Поэтому перечислить все области применения ГИС просто невозможно. Этим системам можно найти применение практически в любой сфере трудовой деятельности человека.

ГИС эффективны во всех областях, где осуществляется учет и управление территорией и объектами на ней. Это практически все направления деятельности органов управления и администраций: земельные ресурсы и объекты недвижимости, транспорт, инженерные коммуникации, развитие бизнеса, обеспечение правопорядка и безопасности, управление ЧС, демография, экология, здравоохранение и т.д.

ГИС позволяют точным образом учитывать координаты объектов и площади участков. Благодаря возможности комплексного (с учетом множества географических, социальных и других факторов) анализа информации о качестве и ценности территории и объектов на ней, эти системы позволяют наиболее объективно оценивать участки и объекты, а также могут давать точную информацию о налогооблагаемой базе.

В области транспорта ГИС давно уже показали свою эффективность благодаря возможности построения оптимальных маршрутов как для отдельных перевозок, так и для целых транспортных систем, в масштабе отдельного города или целой страны. При этом возможность использования наиболее актуальной информации о состоянии дорожной сети и пропускной способности позволяет строить действительно оптимальные маршруты.

Учет коммунальной и промышленной инфраструктуры - задача сама по себе не простая. ГИС не только позволяет эффективно ее решать, но и также повысить отдачу этих данных в случае чрезвычайных ситуаций. Благодаря ГИС специалисты различных ведомств могут общаться на общем языке.

Интеграционные возможности ГИС поистине безграничны. Эти системы позволяют вести учет численности, структуры и распределения населения и одновременно использовать эту информацию для планирования развития социальной инфраструктуры, транспортной сети, оптимального размещения объектов здравоохранения, противопожарных отрядов и сил правопорядка.

ГИС позволяют вести мониторинг экологической ситуации и учет природных ресурсов. Они не только могут дать ответ, где сейчас находятся "тонкие места", но и благодаря возможностям моделирования подсказать, куда нужно направить силы и средства, чтобы такие "тонкие места" не возникали в будущем.

С помощью геоинформационных систем определяются взаимосвязи между различными параметрами (например, почвами, климатом и урожайностью сельскохозяйственных культур), выявляются места разрывов электросетей.

Риэлторы используют ГИС для поиска, к примеру, всех домов на определенной территории, имеющих шиферные крыши, три комнаты и 10-метровые кухни, а затем выдачи более подробного описания этих строений. Запрос может быть уточнен введением дополнительных параметров, например, стоимостных. Можно получить список всех домов, находящих на определенном расстоянии от конкретной магистрали, лесопаркового массива или места работы.

Компания, занимающаяся инженерными коммуникациями, может четко спланировать ремонтные или профилактические работы, начиная с получения полной информации и отображения на экране компьютера (или на бумажных копиях) соответствующих участков, скажем водопровода, и заканчивая автоматическим определением жителей, на которых эти работы повлияют, с уведомлением их о сроках предполагаемого отключения или перебоев с водоснабжением.

Для космических и аэрофотоснимков важно то, что ГИС могут выявлять участки поверхности с заданным набором свойств, отраженных на снимках в разных участках спектра. В этом - суть дистанционного зондирования. Но на самом деле эта технология может с успехом применяться и в других областях. Например, в реставрации: снимки картины в разных областях спектра (в том числе и в невидимых).

Геоинформационная система может использоваться для осмотра как больших территорий (панорама города, штата или страны), так и ограниченного пространства, к примеру, зала казино. С помощью этого программного продукта управленческий персонал казино получает карты с цветовым кодированием, отражающим движение денег в играх, размеры ставок, взятие "банка" и другие данные из игорных автоматов.

ГИС помогает, например, в решении таких задач, как предоставление разнообразной информации по запросам органов планирования, разрешение территориальных конфликтов, выбор оптимальных (с разных точек зрения и по разным критериям) мест для размещения объектов и т. д. Требуемая для принятия решений информация может быть представлена в лаконичной картографической форме с дополнительными текстовыми пояснениями, графиками и диаграммами.

ГИС служат для графического построения карт и получения информации как об отдельных объектах, так и пространственных данных об областях, например о расположении запасов природного газа, плотности транспортных коммуникаций или распределении дохода на душу населения в государстве. Отмеченные на карте области во многих случаях гораздо нагляднее отражают требуемую информацию, чем десятки страниц отчетов с таблицами.

ГИС нашли применение в военном деле:

      1. Планирование движения техники с учетом конкретной боевой обстановки, состояния местности, скрытности, времени суток, характеристик конкретной боевой техники и т.д.;

      2. Планирование полетов авиации и беспилотных летательных аппаратов с целью нанесения ударов, перевозки грузов и личного состава, ведения разведки;

      3. Оптимизация расписания и маршрутов движения;

      4. Определение наиболее возможных маршрутов передвижения противника и планирование размещения средств противодействия.

Таким образом, ГИС является развивающейся самой перспективной информаци­онной системой для решения задач управления, бизнеса и монито­ринга.

Структура ГИС для задач фирмы, города или страны соответ­ствует обобщенной ГИС, которая настраивается под конкретные потребности пользователя, а сбор данных осуществляется на ос­нове технических, технологических и программных средств разра­ботчика.

Заключение


Подводя итог, следует констатировать, что ГИС в настоящее время представляют собой современный тип интегрированной информационной системы, применяемой в разных направлениях. Она отвечает требованиям глобальной информатизацией общества. ГИС является системой способствующей решению управленческих и экономических задач на основе средств и методов информатизации, т.е. способствующей процессу информатизации общества в интересах прогресса.

ГИС как система и ее методология совершенствуются и развиваются, ее развитие осуществляется в следующих направлениях:

- развитие теории и практики информационных систем;

- изучение и обобщение опыта работы с пространственными данными;

- исследование и разработка концепций создания системы пространственно-временных моделей;

- совершенствование технологии автоматизированного изготовления электронных и цифровых карт;

- разработки технологий визуальной обработки данных;

- разработки методов поддержки принятия решений на основе интегрированной пространственной информации;

- интеллектуализации ГИС.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК


      1. Геоинформатика / Иванников А.Д., Кулагин В.П., Тихонов А.Н. и др. М.: МАКС Пресс, 2001.349 с.

      2. Замай С.С., Якубайлик О.Э.. Программное обеспечение и технологии геоинформационных систем: Учеб. пособие / Краснояр. гос. ун-т. Красноярск, 1998. 110 с.

      3. Кольцов А.С. Геоинформационные системы: учеб. пособие /А.С. Кольцов, Е.Д. Федорков. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2006. 203 с.

      4. Трифонова Т.А., Мищенко Н.В., Краснощеков А.Н. Геоинформационные системы и дистанционное зондирование в экологических исследованиях: Учебное пособие для вузов. – М.: Академический проект, 2005. 352 с.

      5. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. – М.: Финансы и статистика, 1998. 288 с.















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