Зацерковний В.І. та ін. ГІС та бази даних. І бази даних
 Скачать 31.1 Mb.
|
|
ІІІ. СТРУКТУРА, ФУНКЦІЇ ТА ТЕХНОЛОГІЇ ГІС Людство з давніх часів використовувало просторову інформацію про навколишній світ у багатьох галузях своєї практичної діяльності. По- ступово сформувався комплекс геодезичних наук і виробництв, пов’язаних із вивченням, поданням і використанням інформації про території різного рівня, складовими якого є астрономія, гравіметрія, геодезія, картографія та ДЗЗ, які тісно взаємодіючи забезпечують вихідною геопросторовою інформацією всі сфери життєдіяльності суспільства. З появою комп’ютерних технологій виник і енергійно розвивається на стику, з одного боку, інформатики, а з іншого – географії, картографії, геодезії, методів ДЗЗ та інших сфер діяльності новий науково-виробничий комплекс – геоінформатика. Функціонально геоінформатика використовується в зазначених га- лузях науки, техніки та виробництва, проте має і власні сфери наукових інтересів і діяльності. Природним у цих умовах є інтенсивне усвідомлення сутності, формування понятійно-термінологічної системи та визначення ролі геоінформатики в сучасній геодезично-картографічній діяльності. 3.1. Загальні визначення В історії світової науки та техніки є терміни, які слугують символами відповідного відрізку часу. Такими ключовими словами у ХХ ст. були: "генетика", "кібернетика", "соціалізм", "супутник", "робот", "телебачення", "комп’ютер", "екологія", "моніторинг", "інформаційні технології". Сьогод- ні всі фахівці вищої кваліфікації, робота яких пов’язана з управлінням територіями, водними та земельними ресурсами, використовують термін "геоінформаційні технології". Як уже зазначалося, ГІС – це інтегрована сукупність апаратних, програмних та інформаційних засобів, яка забезпечує введення про- сторово-орієнтованих даних, їх збереження, обробку, маніпулювання, аналіз і візуалізацію. У визначенні поняття "ГІС" проглядається певна подвійність. З одного боку, ГІС розглядається як комплекс програмних і апаратних засобів, організованих за їх допомогою даних, конкретних процедур і технологій та людських інтелектуальних ресурсів, які забезпечують безпосереднє функ- ціонування ГІС. З іншого – поняттю "ГІС" часто відповідає програмна оболонка, яка дозволяє організувати базу даних просторової інформації та здійснювати над нею різні маніпуляції. Тому можна одночасно зустріти як 120 вирази "ГІС ArcGIS версія 10" або "ГІС для персонального комп’ютера", так і "ГІС лісового господарства" або "Муніципальна ГІС міста Черніго- ва". Глибинною причиною появи такої подвійності в мові є відображення того факту, що ГІС як різновид ПЗ (як і СКБД) є тільки інструменталь- ним засобом, оболонкою без змісту, неспроможною вирішувати будь-які практичні задачі без попереднього наповнення конкретними даними. Ведучи мову про один і той же предмет – геоінформаційні системи, використовують різні терміни: геоінформатика, ГІС, ГІТ, геоіконика, геоматика. Така розмаїтість термінів і трактувань – явище невипадкове, оскільки ГІС є певною системою, яка охоплює науку, техніку та виробництво. Звідси і різні акценти в термінології. Під терміном "геоінформатика" зазвичай розуміють наукову дисци- пліну. Геоінформатика як наука вивчає природні та соціально-економічні геосистеми, їх структуру, зв’язки, динаміку, функціонування в просторі і часі за допомогою комп’ютерного моделювання на підставі просторових баз даних. Під терміном "ГІС" розуміють конкретне ПЗ для створення ГІС, працюючу систему або проект її створення. Під терміном "геоінформаційна технологія" (ГІТ) розуміють галузь техніки, пов’язану з обробкою просторової інформації, яка вивчає закони утворення та функціонування просторово-часової інформації, пов’язаної з географічними об’єктами і явищами, її властивості, методи збору, обробки, збереження, аналізу та розповсюдження. ГІТ у цьому випадку розглядаються як метод щодо географії, економіки, соціології тощо. Під терміном "геоіконика" розуміють наукову дисципліну, що розроб- ляє загальну теорію геозображень, методи їхнього аналізу, перетворення й використання в науково-практичній діяльності. Це розділ геоінформатики, в якому розглядають загальну теорію геозображень, методи їх аналізу, трансформування та використання в науково-практичній діяльності. Гео- іконіка як наука розвивається на перетині іконіки, цифрової картографії та фотограмметрії. Методи геоіконіки широко використовуються в техно- логіях ДЗЗ [96]. Під терміном "геоматика" розуміють галузь діяльності в науці і техніці, яка має справу з використанням інформаційних технологій і засо- бів комунікації для збору, зберігання, аналізу, подання, розповсюдження та управління просторово-координованою інформацією, яка забезпечує процеси прийняття рішень. Геоматика – сукупність застосувань (додат- ків) інформаційних технологій, мультимедіа й засобів телекомунікації для обробки даних, аналізу геосистем та автоматизованого картографу- вання. Цей термін іноді застосовується як синонім геоінформатики або геоінформаційного картографування [96]. 121 Геоінформатика як виробництво включає розробку апаратних і ПЗ ГІС, створення баз даних, цифрових карт, додатків. Зазначені підходи представлені в табл. 3.1. Незважаючи на різні цілі геоінформаційного опрацювання даних, різну якість вихідних матеріалів і різних технологій їх обробки, ГІС повинні забезпечити: – єдину систему збору й введення геопросторових даних взятих із різних джерел; – створення, ведення, збереження баз даних на основі відомостей (зведень), що надходять до підсистеми введення; – генерування нової похідної інформації на основі аналізу, моделювання та синтезу наявних даних; – підготовку та видачу просторових рішень із використанням сучас- них ГІТ. Таблиця 3.1 Розмежування значень понять "геоінформатика" та "ГІС" Геоінформатика ГІС Науково-пізнавальний підхід Наукова дисципліна, що вивчає природні та соціально-економічні геосистеми (їх структуру, зв’язки, динаміку, функціонування в просторі і часі) за допомогою комп’ютерного моделювання на основі баз даних і географічних знань. Засіб моделювання і пізнання геосистем. Технологічний підхід Технологія збору, збереження, перетворення, відображення та поширення просторової інформації, метою якої є забезпечення рішення завдань інвентаризації, оптимізації й управління (геосистемами). Технічний засіб накопичення й аналізу інформації в процесі прийняття рішень. Виробничий підхід Індустрія, метою якої є виготовлення апаратних засобів і програмних продуктів, зокрема створення баз і банків даних, систем управління, комерційних ГІС різного призначення та проблемної орієнтації, формування інфраструктури й організації маркетингу. Програмна оболонка, що реалізує ГІТ. 122 3.2. Структура ГІС Під структурою ГІС розуміють сукупність її властивостей, які є істотними, з точки зору здійснюваного дослідження, і які мають інваріантність 12 в інтервалі функціонування. Структура ГІС визначається складом елементів, їх кількістю, розта- шуванням і взаємозв’язками при виконанні нею функцій. Структуру типових ГІС можна представити у вигляді основних функціональних під- систем (рис. 3.1). Кожна з підсистем виконує певні функції, і відсутність хоча б однієї з них свідчить про неповноцінність ГІС. Рис. 3.1. Функціональні блоки ГІС 12 Інваріанти (від лат. invarians – незмінний) – величини, співвідношення, властивості тощо, які залишаються сталими. 123 3.2.1. Підсистема введення, підготовки та попередньої обробки інформації Перед тим, як використовувати структури даних, моделі та ГІС, необхідно перетворити існуючу реальність даних у форму, зрозумілу комп’ютеру. Методи, за допомогою яких буде виконуватись уведення да- них, залежать від наявного обладнання і від типу використовуваної ГІС. По-перше, підсистема введення проектується для перенесення гра- фічних та атрибутивних даних у комп’ютер. По-друге, вона повинна відповідати хоча б одному з двох фундамен- тальних методів подання графічних об’єктів – растровому або векторному. По-третє, вона повинна мати зв’язок із системою збереження й ре- дагування, щоб гарантувати збереження та можливість вибірки того, що буде введено, надавати можливість видалення похибок і внесення змін у разі необхідності. Основна функціональна задача цієї підсистеми – створення цілісно- го інформаційного цифрового образу досліджуваного об’єкта (процесу, явища) на основі перетворення географічної інформації в цифровий вид і введення її в комп’ютер. Джерелами даних можуть бути (рис. 3.1) дані дистанційних дослі- джень Землі, паперові і цифрові картографічні дані, дані польових тощо. Значні потенційні можливості для збору даних для ГІС надає GPS (Global Positioning System) – технологія, що створена на основі космічних систем глобальної навігації NAVSTAR (США), Gallileo (ЄС) і ГЛОНАСС (Росія). Ця технологія призначена для збору високоточної цифрової інформації про місцевість, фактичні топографічні дані (географічні коор- динати та позначки висоти рельєфу в певній точці місцевості), при цьому точність вимірів досягає декількох сантиметрів. Підсистема введення, підготовки та попередньої обробки даних призначена для збору і попередньої обробки даних із різних джерел і від- повідає за перетворення різних типів просторових даних (наприклад, від ізоліній топографічної карти до моделі рельєфу ГІС) у цифровий формат. Задачі підсистеми введення, підготовки та попередньої обробки даних представлені на рис. 3.2. За оцінками спеціалістів у галузі ГІТ [22], витрати на збір і введення даних при реалізації геоінформаційних проектів у 5–10 разів перевищу- ють витрати на апаратно-програмне забезпечення ГІС. Це пояснюється тим, що існуючі наразі технології автоматизованого введення графічних і текстових даних забезпечують введення не більше 20 % від загального об’єму даних. Тому для ГІС особливе значення має подальший розвиток автоматизованих методів збору та введення всіх типів даних. 124 Рис. 3.2. Задачі підсистеми введення, підготовки та попередньої обробки даних Для забезпечення можливості імпорту цифрових даних від різних джерел, підсистема введення, підготовки та попередньої обробки інфор- мації ГІС повинна мати програмні засоби розробки інтерфейсів для введення даних різних форматів. Створення норм зі стандартизації й уніфікації форматів даних, циф- рових моделей місцевості, картографічних документів, інтерфейсів має вирішальне значення для успішної реалізації підсистеми збору даних ГІС. Рис. 3.3. Пристрої введення даних у ГІС Методи введення можуть бути різними (рис. 3.3): 1) за допомогою клавіатури (миші) комп’ютера (ручне введення). Використовується, в основному, для введення атрибутивних даних, іноді Задачі підсистеми введення, підготовки та попередньої обробки даних Перетворення даних у машинну форму Цифрування Запис даних у потрібному форматі Обробка зображень 125 для введення позиційних даних. Крім того, може застосовуватись при операціях ручного цифрування та як окрема операція; 2) за допомогою геодезичних приладів при здійсненні польових вимірів. Має надзвичайно високий рівень точності проте є одним з найдорожчих методів. Найбільше поширення цей метод отримав для введення даних земельного кадастру; 3) за допомогою дігітайзера при ручному цифруванні. Найбільш поширений метод введення просторових даних із карт. Ефективність методу визначається ПЗ і вмінням та досвідом оператора. Потребує багато часу, допускає багато похибок; 4) за допомогою сканера при скануванні картографічних зображень і знімків дистанційного зондування території. Мінімальний фрагмент карти, який можна відсканувати, не перевищує 0,02 мм. Крім того, знімок, зазви- чай, потребує обробки й редагування для покращання якості та маркування для забезпечення взаємозв’язку з атрибутами; 5) за допомогою введення цифрових файлів. Придбання та вико- ристання існуючих цифрових наборів даних є найбільш ефективним й швидким способом наповнення бази даних ГІС. Використання комп’ютера та інших електронних пристроїв, на- приклад, дігітайзера або сканера, дозволяє здійснювати підготовку вихід- них даних для запису та їх кодування для подальшого використання. Введення даних – процедура кодування даних у форму, яку може прочитати комп’ютер і здійснити їх запис до бази даних ГІС. Введення даних у ГІС передбачає виконання таких кроків: • збір даних; • редагування та "очищення" даних; • геокодування даних. Примітка. При подальшому викладенні матеріалу, будемо розглядати традицій- ну систему організації даних: роздільне подання позиційної (графічної) й атрибутивної (аналітичної, семантичної) інформації та зв’язків між просторовими об’єктами. Створення цифрової бази даних – найважливіша і найскладніша задача, від якої безпосередньо залежить корисність ГІС. Процес уведення даних у ГІС передбачає три етапи: – введення просторових даних (цифрування або дігіталізація); – введення непросторових (атрибутивних) даних; – встановлення зв’язку між просторовими та непросторовими даними. Два останніх етапи іноді називають попередньою обробкою даних. У процесі такої обробки нагромаджується новий клас даних – метадані (дані про дані). Метадані зазвичай містять інформацію про дату одер- жання, точність позиціонування, точність класифікації, ступінь повноти, метод, який використовується для одержання та кодування даних. 126 Основними вимогами до підсистеми введення та перетворення даних є такі: – по-перше, підсистема введення повинна бути спроектована таким чином, щоб забезпечити можливість перенесення графічних й атрибу- тивних даних у базу даних ГІС; – по-друге, підсистема введення повинна відповідати хоча б одному з двох фундаментальних методів подання графічних об’єктів – растро- вому або векторному; – по-третє, підсистема введення повинна мати зв’язки з системою збереження й редагування, для гарантування збереження та можливості вибірки того, що буде введено, надавати можливість усунення похибок і внесення за необхідності змін. Підсистема введення та перетворення даних є вхідним технологіч- ним модулем для ГІТ. На його виході формується набір цифрових даних, який розміщується на машинних (комп’ютерних) носіях інформації і має коректну топологічну й логічну структуру з необхідною точністю та достовірністю. Перед введенням даних спочатку необхідно визначити, яка ж мо- дель подання даних (векторна або растрова) буде використовуватись, а також чи буде здатна наявна ГІС конвертувати ці типи даних з одного виду в інший. Деякі програми працюють головним чином на растрових структурах даних, тоді як інші оперують векторною інформацією. При виборі тієї чи іншої технології (способу) введення, необхідно: – проаналізувати характер даних, які підлягають обробці; – визначити мету введення; – оцінити вартість програмного продукту; – прорахувати трудові витрати; – порахувати потрібну кількість матеріалів тощо. Правильна підготовка вихідних даних може скоротити витрати й час, необхідні для етапу введення даних до ГІС. Вхідна інформація для ГІС може отримуватись: • у польових умовах геодезичними (польовими) методами; • за допомогою системи глобального супутникового позиціонування. При русі по орбіті супутник GPS, Gallileo або ГЛОНАСС випромінює сигнал певної частоти, номінал якої відомий користувачу. Положення штучного супутника Землі (ШСЗ) у кожний момент часу можна вважати також відомим, тому що його можна обчислити на підставі сигналу супут- ника. Користувач, вимірюючи частоту сигналу, що надійшов, порівнює її з еталонною частотою, обчислюючи таким чином зсув частоти, яка зу- мовлена рухом супутника. Використовуючи залежність стрімкості кривої частоти від відстані між користувачем і ШСЗ та вимірявши момент часу, можна обчислити координати місця розташування об’єкта; 127 • фотограмметричними методами (використання технології отри- мання й обробки різних фотознімків; космічне знімання зі штучних су- путників Землі; аерофотознімання; знімання з малих носіїв (гелікоптери, авіамоделі); наземне знімання (фототеодоліти, фотокамери), які перед- бачають застосування попередніх процедур фотограмметричної обробки); • методами дистанційного зондування (системами з традиційною фотографічною реєстрацією; системами сканування в реальному часі, які передають інформацію на Землю по каналах зв’язку; радіолокаційними (ра- дарними), знімальними системами (опромінення об’єкта активною станцією й фіксація відбиття випромінювання); системою отримання інфрачервоних (теплових) знімків (фіксування випромінювання в тепловому діапазоні)); • цифруванням паперових карт. Застосування картографічних матері- алів як вихідних даних для формування баз даних зручне й ефективне за низкою причин. По-перше, атрибутивні характеристики, отримані з картографічних джерел, мають територіальну прив’язку; по-друге, в них відсутні пропуски, "білі плями" в межах зображуваного простору (терито- рії, акваторії тощо); по-третє, на сьогодні користувачам доступна велика кількість технологій переведення цих матеріалів у цифрову форму; • з інших ГІС, архівів (каталогів координат) тощо. Джерелами да- них можуть бути існуючі цифрові карти, цифрові моделі рельєфу, циф- рові ортофотознімки тощо. Інформацією про якість даних можуть слугувати: – дата отримання; – точність позиціонування; – точність класифікації; – повнота; – метод, що використовувався для отримання й кодування даних. Для реалізації функції прийому та попередньої обробки даних апа- ратно-програмні засоби ГІС повинні забезпечити введення та сприйняття даних з різних пристроїв. Не існує будь-якого одного універсального способу введення даних у ГІС. Вибір методу введення залежить від подальшого використання системи, наявних засобів й типу даних, що вводяться (карти, ДДЗ, дані з наземних пунктів спостереження, статистична інформація тощо), а також структури використання бази даних. |