ГИС В ГЕОДЕЗИИ Конспект лекций. Конспект лекций по предмету гис в геодезии
 Скачать 1.37 Mb.
|
|
Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ 1.1. Понятие географической информационной системы Появление географических информационных систем относят к началу 60-х годов XX в. Именно тогда появились предпосылки и условия для информатизации и компьютеризации сфер деятельности, связанных с моделированием географического пространства и решением пространственных задач. Их разработка связана с исследованиями, проведенными университетами, академическими учреждениями, оборонными ведомствами и картографическими службами. Впервые термин «географическая информационная система» появился в англоязычной литературе и использовался в двух вариантах, таких, как geographic information system и geographical information system, очень скоро он также получил сокращенное наименование (аббревиатуру) GIS. Чуть позже этот термин проник в российский научный лексикон, где существует в двух равнозначных формах: исходной полной в виде «географической информационной системы» и редуцированной в виде «геоинформационной системы». Первая из них очень скоро стала официально-парадной, а вполне разумное стремление к краткости в речи и текстах сократило последнюю из них до аббревиатуры «ГИС». Очень кратко ГИС определялись как: информационные системы, обеспечивающие сбор, хранение, обработку, отображение и распространение данных, а также получение на их основе новой информации и знаний о пространственно-координированных явлениях. Информационная система – это взаимосвязанная совокупность средств, методов, персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной цели. ГИС отличается от других информационных систем тем, что оперирует с пространственными, или географическими данными. Пространственные данные – это данные, соотнесенные к некой пространственной системе. Такой системой может быть декартова система координат, географическая система координат, классифицированная совокупность территориальных объектов и т.п. 1.2. Классификация информационных систем Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко На рис. 1.1 показано разделение между пространственными и непространственными информационными системами (ИС). И н ф о р м а ц и я Н е п р о с т р а н с т в е н н а я П р о с т р а н с т в е н н а я У п р а в л е н ч е с к и е с и с т е м ы н е г е о г р а ф и ч е с к и е И С Г е о г р а ф и ч е с к и е и н ф о р м а ц и о н н ы е с и с т е м ы ( Г И С ) С А П Р / А С У Т П Д р у г и е Г И С З е м е л ь н ы е и н ф о р м а ц и о н н ы е с и с т е м ы ( З И С ) д е м о г р а ф и ч е с к а я с о ц и о - э к о н о м и ч е с к а я б е з а к ц е н т а н а з е м л е в л а д е н и е с а к ц е н т о м н а з е м л е в л а д е н и е Рис. 1.1 Классификация информационных систем 1.3. Наука о ГИС Геоинформатика – наука, технология и производственная деятельность по научному обоснованию, проектированию, созданию, эксплуатации и использованию географических информационных систем, по разработке геоинформационных технологий, по приложению ГИС для практических и научных целей. Геоинформатика является наукой, изучающей все аспекты сбора, обработки и представления информации о свойствах объектов, процессов и явлений, происходящих на Земле. Как и всякая наука геоинформатика имеет основную область исследований и основной метод исследований. Определение области и метода содержится в названии геоинформатики. Термин "геоинформатика" состоит из двух частей: «гео» и «информатика». Первая часть «гео» определяет область исследования науки – объекты и явления, происходящие на земной поверхности. В геоинформатике используют пространственно-временные данные, в которых содержится информация о Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко пространственном положении объектов, их свойствах и времени, для которого эти свойства имели место. «Информатика» в составе термина «геоинформатика» определяет основной метод исследования: объектов исследования изучаются на основе компьютерных технологий, при этом привлекаются данные математики, картографии, геодезии и других наук, занимается изучением и развитием систем сбора, передачи, обработки и хранения информации с помощью автоматизированных методов обработки и автоматизированных систем. 1.4. Структура ГИС Структуру информационной системы составляет совокупность ее частей, называемых подсистемами. ГИС имеют следующие подсистемы: 1. Подсистема сбора данных, которая собирает и проводит предварительную обработку данных из различных источников. Эта подсистема также в основном отвечает за преобразования различных типов пространственных данных (например, от изолиний топографической карты к модели рельефа ГИС). 2. Подсистема хранения и выборки данных, организующая пространственные данные с целью их выборки, обновления редактирования. 3. Подсистема манипуляции данными и анализа, которая, выполнив различные задачи на основе этих данных, группирует и разделяет их, устанавливает параметры и ограничения и выполняет моделирующие функции. 4. Подсистема вывода, которая отображает всю базу данных или часть ее в табличной, диаграммной или картографической форме. Подсистема сбора данных. Первая подсистема ГИС может быть соотнесена с первым и вторым шагом процесса картографирования – сбором данных и компиляцией (составлением) карт. Исходная информация берется из таких источников, как аэрофотосъемка, цифровое дистанционное зондирование, геодезические работы, словесные описания и зарисовки, данные статистики и т. д. Использование компьютера и других электронных устройств, например дигитайзера или сканера, позволяет проводить подготовку исходных данных для записи, или кодирования точек, линий и областей к их дальнейшему использованию. Кроме того, источниками могут быть готовые цифровые карты, цифровые модели рельефа, цифровые ортофотоснимки и многие другие. Подсистема хранения и выборки данных. Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко Вторая подсистема – подсистема хранения и выборки полностью соответствует нашим представлениям о функциях компьютера, как хранителя информации. В ГИС подсистема хранения и выборки позволяет делать запросы, возвращающие только нужную, контекстно-связанную информацию, она переносит акцент с общей интерпретации информации на формулирование адекватных запросов. В общих словах, эта подсистема хранит либо явно, либо неявно, геометрические координаты точечных, линейных и площадных геометрических объектов и связанные с ними характеристики (атрибуты). Компьютерные методы поиска естественным образом присущи самому программному обеспечению ГИС. Подсистема манипуляции данными и анализа. Подсистема анализа позволяет значительно упростить и облегчить анализ пространственно-связанных данных, практически исключить ручной труд и в значительной мере упростить расчеты, выполняемые пользователем. Подсистема анализа является "сердцем" ГИС. Необходимость анализа карт для выделения и сравнения картин распределения земных феноменов дал импульс для поиска новых, более удобных, быстрых и мощных методов. ГИС-анализ использует потенциал современных компьютеров, сравнения и описания информации, хранящейся в базах данных которые дают быстрый доступ к исходным данным и позволяют агрегировать и классифицировать данные для дальнейшего анализа. Они способны комбинировать выбранные наборы данных уникальными и ценными способами. Подсистема вывода. После выполнения анализа, нужно представить его результаты. В картографии, будь то традиционная бумажная картография или ее цифровой эквивалент, компьютерная картография, выходной продукт в целом тот же - карта. Подсистема вывода позволяет компоновать результирующие данные в любой удобной для пользователя форме. 1.5. Отличие ГИС от традиционных систем представления реальности 1.5.1. Отличие ГИС от традиционной карты Традиционный подход к картам, парадигма сообщения (communication paradigm), подразумевал, что сама карта является конечным продуктом, призванным сообщать о пространственных распределениях через использование символов, классификации и т.д. Это – традиционный взгляд на картографию, но он ограничен, поскольку пользователю карты не доступна через карту исходная, не классифицированная Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко информация. Другими словами, пользователь, имея только конечный продукт, не может перегруппировать данные для получения большей отдачи при изменившихся обстоятельствах или потребностях. Альтернативный подход к картографии, который поддерживает хранение исходных данных для обеспечения возможности последующей переклассификации, выработался примерно тогда же, когда изготовители карт начали использовать достижения компьютерной техники. При этом подходе, называемом аналитической парадигмой (analytical paradigm), исходные атрибутивные данные сохраняются на компьютерных носителях и отображаются исходя из нужд пользователя и с использованием пользовательских классификаций. 1.5.2. Отличие ГИС от САПР Точные картографические изображения, созданные в графическом редакторе (например, в AutoCad), нельзя именовать геоинформационной системой. Такие изображения называют цифровыми картами и рассматривают как составные элементы или результат функционирования ГИС. Цифровая карта (Numerical map, Digital map) – цифровая модель поверхности, сформированная с учетом законов картографической генерализации в принятых для карт проекции, разграфке, системе координат и высот. По сути, термин «цифровая карта» означает именно цифровую модель, цифровые картографические данные. Цифровая карта создается с полным соблюдением нормативов и правил картографирования, точности карт, генерализации, системы условных обозначений. Цифровая карта служит основой для изготовления обычных бумажных, компьютерных, электронных карт, она входит в состав картографической базы данных, является одним из важнейших элементов информационного обеспечения ГИС и одновременно может быть результатом функционирования ГИС. Основные отличия ГИС от САПР. Важным признаком ГИС является географическая привязка объектов, что дает возможность пользоваться единым координатным пространством. Трансформирование из одной координатной системы в другую и изменения проекций можно выполнять, опираясь на особенности конечного продукта. Используя жесткую координатную привязку, можно с легкостью управлять одними и теми же слоями или объектами ГИС различного типа и масштабности. В итоге пользователю предоставляют набор деталей, которые можно собирать Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко разными способами, а вид готовой ГИС будет определяться только его творческими способностями. Другой фундаментальный признак ГИС – это применение аналитической обработки. В этом случае аналитический алгоритм составляется самим пользователем на основании запросов. Выполнив несколько последовательных операций пространственного анализа (буферизацию, объединение, вырезание, наложение), почти всегда можно получить необходимый результат. К одной из наиболее значимых функций ГИС относится возможность моделирования на их основе. В принципе человеку нужно только составить серию запросов: «что произойдет, если…», и простейшая модель местности или географического объекта готова. Таким образом, нужно различать цифровую карту, изготовленную для тиражирования на бумагу или пластик, и для ГИС. Обычно выделяют целый ряд признаков, которые позволяют отличать цифровые карты для ГИС от цифрового макета карты для печати, табл.1.1 Таблица 1.1 Отличие цифровой карты для ГИС от цифрового макета карты ПРИЗНАК ЦИФРОВАЯ КАРТА ДЛЯ ГИС ЦИФРОВОЙ МАКЕТ КАРТЫ Форма хранения и обработки готового продукта на ПК Набор файлов Один файл Координаты объектов Реальные пространственные или местные Условные (в пределах отдельного изображения) Возможность преобразования изображения из одной координатной системы в другую Да Нет Проекционные преобразования Да Нет Преобразование из одного формата данных в другой формат Да Сложно, так как трансформация сложных графических примитивов приводит к потере данных Топологическая корректность В большинстве случаев да Нет Модель представления данных Векторная и растровая Векторная и растровая Форматы представления данных Графические примитивы и атрибутивная информация в виде баз данных Графические примитивы Графические примитивы Точки, линии, полиномы Точки, линии, полигоны, текст, фигуры и группы объектов (комбинация точек, линий, полигонов и фигур) Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко Структура графических объектов Несколько слоев Может быть как несколько. так и один слой Легенда Как инструмент управления визуализацией объектов Как часть карты в виде группы графических объектов Координатная привязка объектов Точная Используются выноски и смещение объектов, тем самым повышая наглядность Использование пространственных запросов и моделирования для создания принципиально нового изображения графических объектов Да Да Реализация тематических карт, используя включения-отключения слоев и объектов Не обязательно, чаще нет Да Соблюдение стандартов представления бумажных карт Да Да 2. ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СТРУКТУРЫ ДАННЫХ 2.1. Пространственные (географические) объекты 2.1.1. Пространственные данные и объекты Информационную основу ГИС образуют цифровые представления (модели) реальности. С появлением компьютера все множество данных разделилось на два типа: цифровые и аналоговые данные. Последними стали именовать данные на традиционных «бумажных» носителях, используя этот термин как антоним цифровым данным. В отличие от аналоговой, цифровая форма представления, хранения и передачи данных реализуется в виде цифровых кодов или цифровых сигналов. Объектом информационного моделирования в ГИС является пространственный объект (географический объект). Это одно из ключевых понятий геоинформатики. Он может быть определен как цифровое представление (модель) объекта реальности (местности), содержащее его местоуказание и набор свойств (характеристик, атрибутов), или сам этот объект. Некоторое множество цифровых данных о пространственных объектах образует пространственные данные. Они состоят из двух взаимосвязанных частей: позиционной (тополого-геометрической) и непозиционной (атрибутивной) составляющих, которые образуют описание пространственного положения и тематического содержания данных соответственно. Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко Так, например, жилая постройка на дисплее может быть представлена в виде полигона (позиционная составляющая), а в атрибутивной базе данных (непозиционная составляющая) будет содержаться информация об ее площади, почтовом адресе, количестве этажей, материале стен, типе фундамента, годе постройки и т.д. Пространственные объекты как абстрактные представления реальных объектов и предмет информационного моделирования (цифрового описания) в ГИС разнообразны и традиционно классифицируются сообразно характеру пространственной локализации отображаемых ими объектов реальности, мерности пространства, которое они образуют, модели данных, используемой для их описания, и по другим основаниям. В рамках объектно-ориентированных моделей данные могут конструироваться в новые классы объектов, отличные от базовых или созданных ранее. 2.1.2. Базовые типы пространственных объектов Базовыми (элементарными) типами пространственных объектов, которыми оперируют современные ГИС, обычно считаются (в скобках приведены их синонимы) следующие: точка (точечный объект) – 0-мерный объект, характеризуемый плановыми координатами; линия (линейный объект, полилиния) – 1-мерный объект, образованный последовательностью не менее двух точек с известными плановыми координатами (линейными сегментами или дугами); область (полигон, полигональный объект, контур, контурный объект) – 2- мерный (площадной) объект, внутренняя область, ограниченная замкнутой последовательностью линий (дуг в векторных топологических моделях (данных) или сегментов в модели «спагетти») и идентифицируемая внутренней точкой (меткой); пиксел – 2-мерный объект, элемент цифрового изображения, наименьшая из его составляющих, получаемая в результате дискретизации изображения (разбиения на далее неделимые элементы растра), элемент дискретизации координатной плоскости в растровой модели (данных) ГИС; ячейка (регулярная ячейка) – 2-мерный объект, элемент разбиения земной поверхности линиями регулярной сети; поверхность (рельеф) – 2-мерный объект, определяемый не только плановыми координатами, но и аппликатой Z, которая входит в число атрибутов образующих ее объектов; оболочка тела; Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко тело – 3-мерный (объемный) объект, описываемый тройкой (триплетом) координат, включающей аппликату Z, и ограниченный поверхностями. 2.1.3. Цифровое описание пространственного объекта Общее цифровое описание пространственного объекта включает: наименование; указание местоположения (местонахождения, локализации); набор свойств; отношения с иными объектами; пространственное «поведение». Два последних элемента описания пространственного объекта факультативны. |