Понятие о геоинформационной системе

Геоинформационная система (ГИС) – автоматизированная информационная система, предназначенная для обработки пространственно-временных данных, основой интеграции которых служит геоинформация.

ГИС можно представить в виде трехуровневой структуры, включающей системный уровень:

- сбора и первичной обработки информации;

- моделирования, хранения и обновления информации;

- представления.

В технологиях ГИС используются три типа экспертных систем (ЭС):

- на уровне сбора информации – система автоматизированного распознавания образов при обработке фотоснимков или сканировании картографических изображений;

- на уровне моделирования – ЭС автоматизированного редактирования картографических данных. Для управления и принятия решений применяются ЭС анализа атрибутивных данных, данных о запросах пользователей и др.;

- на уровне представления данных – ЭС генерализации картографических изображений.

В качестве базовых моделей данных в ГИС, как и в других автоматизированных системах, применяют инфологические (объектные), иерархические, реляционные и сетевые модели. Особенностью ГИС является наличие большого объема пространственно-временной и графической информации. Местоположение объектов ГИС определяется классом координатных (позиционных) данных. Для определения параметров времени и организации описательной информации используется класс атрибутивных данных.

Источниками данных в ГИС являются:

- существующие топографо-геодезические и картографические материалы;

- материалы дистанционного зондирования;

- данные наземных измерений;

- атрибутивные данные из предметной области.

Класс координатных данных отражает метрическую информацию ГИС, представленную совокупностью геометрических элементов: точек, линий, контуров и площадей. Основной формой представления координатных данных являются цифровые модели. Для визуализации координатных данных используются графические модели.

Класс атрибутивных данных представляет собой совокупность временных и описательных данных объектов ГИС. Атрибутивные данные чаще всего представляют в табличной форме.

Качество данных в ГИС определяется следующими характеристиками:

- позиционной точностью;

- точностью атрибутов;

- логической непротиворечивостью;

- полнотой;

- происхождением.

Графические модели координатных данных в ГИС. Основу графической среды и визуализации данных в ГИС составляют векторные и растровые модели. Особенностью организации графических данных в ГИС является поддержка оверлейных структур. Их отличие от систем CAD состоит в том, что слои в ГИС могут быть как векторными, так и растровыми. Векторные слои в ГИС являются объектными, т.е. они несут информацию об объекте, а не об отдельных элементах объекта, как в САПР.

Векторные модели могут быть топологическими (если они поддерживают топологию графики) или нетопологическими.

ГИС могут одновременно поддерживать как растровую, так и векторную формы представления графики. Такие ГИС называют гибридными.

Современные ГИС позволяют выполнять пространственное моделирование объектов и явлений.

При моделировании в ГИС выделяют следующие виды операций с данными:

- преобразование форматов и представлений данных;

- проекционные преобразования;

- геометрический анализ данных;

- оверлейные операции;

- функционально-моделирующие операции.

Операции преобразования форматов и представлений присутствуют в каждой ГИС и необходимы как средства обмена данными с другими автоматизированными системами. Тип формата определяется используемым программным обеспечением и технологиями сбора данных. Преобразование форматов осуществляется с помощью программ-конверторов.

Графические данные могут иметь растровое или векторное представления, имеющие существенное различие. Векторное представление имеет большие аналитические возможности, чем растровое. Операция преобразования растрового изображения в векторное (векторизация) является одной из основных при обработке графических данных в ГИС. В состав любой ГИС входит специальная программа векторизации – графический редактор. Существуют и специальные программы-векторизаторы.

Для определения положения объектов в пространстве существует множество систем координат. Для изображения поверхности земли на плоскости применяют различные математические модели – картографические проекции.

Группа математических процедур ГИС, осуществляющих переход от одной системы координат к другой, от пространственной системы координат к картографической проекции или переход от одной картографической проекции к другой, носит название проекционных преобразований.

Особенностью цифровых карт в ГИС является возможность их организации в виде множества слоев (покрытий или карт-подложек). Сущность оверлейных операций состоит в наложении разноименных слоев с образованием производных объектов и наследованием атрибутов.

Программные средства ГИС позволяют выполнять ряд операций геометрического анализа. Для векторных моделей такими операциями являются определение расстояний, длин кривых, площадей фигур, трансформирование точек объекта и др.

В ГИС используются различные аналитические операции: это расчет и построение буферных зон, анализ сетей, генерализация, цифровое моделирование и др.

Развитие автоматизированных методов обработки пространственной информации привело к появлению нового направления в моделировании – цифрового моделирования. Основными элементами цифрового моделирования являются ЦМР, ЦММ, цифровая модель объекта (ЦМО). Цифровые модели широко используются в ГИС, САПР и АСУ.

Работа с информацией в ГИС осуществляется комплексом программ под управлением той или иной операционной системы. Обычно ГИС состоит из двух основных частей – графического редактора и системы управления базами данных (СУБД).

В любой ГИС осуществляются:

- ввод и вывод информации;

- управление графическими и тематическими базами данных, обеспечивающее связь между этими базами для правильной и синхронной работы с объектами. Под управлением понимается создание баз определенной структуры и заполнение их, поиск информации в базах, сортировка, редактирование и пополнение информации, выдача информации по запросам и ряд других операций;

- визуализация информации, т.е. наглядное представление (отображение) на экране монитора информации, хранящейся в цифровой форме в графических и тематических базах; при этом информация может быть выдана на экран, как в виде картографического изображения, так и в виде таблиц, графиков, диаграмм и т.п., отображающих результаты выполненного анализа информации;

- работа с картографическим изображением: перемещение его в произвольном направлении; масштабирование; настройка элементов оформления изображения (цвет, тип линий и т.п.); управление окнами на экране; редактирование изображения и т.д.;

- совместный анализ графической и тематической информации, позволяющий выявлять связи и закономерности между объектами и явлениями, динамику развития тех или иных процессов.

Созданием ГИС занимаются многие зарубежные и отечественные фирмы, и к настоящему времени разработано большое количество различных ГИС. В литературе по ГИС принято деление этих систем на два класса (или два уровня). К ГИС первого уровня относят наиболее мощные системы, ориентированные на использование рабочих станций, работу в сетях и с огромными объемами информации, поддерживающие много форматов обмена данными, имеющие большой набор функций для анализа пространственных и всевозможных иных данных и большое количество приложений для использования ГИС в различных областях деятельности. ГИС второго уровня предназначены для работы на персональных компьютерах. Они поддерживают небольшое число обменных форматов, имеют ограниченный набор функций анализа данных и ограничения на объемы обрабатываемой информации.

Из ГИС первого уровня наибольшее распространение имеют ГИС MGE фирмы «INTERGRAPH» и ГИС ARC/INFO фирмы «ESRI». Названные фирмы выпускают варианты своих ГИС, ориентированные на использование как на мощных компьютерах, так и на менее мощных. Из характерных представителей ГИС второго уровня можно назвать такие, как Maplnfo фирмы «Mapinfo Corporation» (США), «Панорама» и «Нева» (Россия), «КРЕДО-ДИАЛОГ» (Беларусь) и др.

При описании того или иного программного продукта принято различать две его стороны:

- техническое обеспечение, т.е. комплекс применяемых аппаратных средств (Hardware, что в буквальном переводе означает «твердые изделия»);

- программное обеспечение (Software, буквально, – «мягкие изделия»).

Техническое обеспечение различных по своим возможностям ГИС имеет определенные отличия. Ниже перечислены аппаратные средства, составляющие некоторый типовой комплекс:

- персональный компьютер или рабочая станция (более мощный компьютер);

- внешние запоминающие устройства-накопители на гибких, жестких и оптических дисках; последние должны иметь самое широкое применение, поскольку велики объемы хранимой в ГИС информации;

- устройства ввода информации (сканер и дигитайзер);

- устройства вывода информации (принтер и плоттер);

- средства телекоммуникаций для работы в сети.

Графическая информация, хранящаяся в графических базах данных, структурирована по объектам. Большинство ГИС оперируют с объектами следующих типов:

- точки (точечные объекты);

- линии и полилинии;

- области (регионы, полигоны);

- текст (текстовые объекты).

Тематическая информация в ГИС хранится в базах данных. База данных – это поименованная совокупность данных, имеющих определенную структуру и находящихся под управлением специального комплекса программ СУБД. Для эффективного манипулирования данными в базах должны быть проработаны вопросы их структуры, алгоритмов обработки (ввод, размещение, обновление, удаление, поиск, выдача) и языков общения с базами данных. Для решения перечисленных вопросов были предложены разные варианты, что и привело к созданию различных баз данных и управляющих ими СУБД.

Результатом выполненной в ГИС обработки информации могут быть:

- картографические изображения; при этом возможно наглядное выделение (цветом, толщиной линий, штриховкой и т.п.) тех объектов или явлений, для характеристики которых производился расчет и анализ;

- графики и диаграммы; используются чаще всего при статистической обработке данных;

- таблицы.

Перечисленные результаты работы могут быть представлены разными способами:

- выведены на экран монитора;

- записаны в виде файлов на внешние запоминающие устройства (жесткие, гибкие и оптические диски, магнитные ленты – стримеры и т.п.) для хранения в данной ГИС;

- преобразованы в форматы данных, используемые другими ГИС;

- распечатаны на принтере или выведены на плоттер (графопостроитель) для получения так называемой твердой копии;

- выведены на фотопленку (на негативную – для дальнейшей печати фотографий, или позитивную – для изготовления слайдов).