Выделяют пять основных этапов процесса проектирования ГИС. 1 страница

1. Анализ системы принятия решений. Процесс начинается с определения всех типов решений, для принятия которых требуется информация. Должны быть учтены потребности каждого уровня и функциональной сферы.

2. Анализ информационных требований. Определяется, какой тип информации нужен для принятия каждого решения.

3. Агрегирование решений, т.е. группировка задач, в которых для принятия решений требуется одна и та же или значительно перекрывающаяся информация.

4. Проектирование процесса обработки информации. На данном этапе разрабатывается реальная система сбора, хранения, передачи и модификации информации. Должны быть учтены возможности персонала по использованию вычислительной техники.

5. Проектирование и контроль над системой. Важнейший этап – это создание и воплощение системы. Оценивается работоспособность системы с разных позиций, при необходимости осуществляется корректировка. Любая система будет иметь недостатки, и поэтому её необходимо делать гибкой и приспособляемой.

Геоинформационные технологии призваны автоматизировать многие трудоёмкие операции, ранее требовавшие больших временных, энергетических, психологических и других затрат от человека. Однако разные этапы технологической цепочки поддаются большей или меньшей автоматизации, что в значительной степени может зависеть от правильной постановки исходных задач. [32]

Прежде всего, это формулирование требований к используемым информационным продуктам и выходным материалам, получаемым в результате обработки. Сюда можно отнести требования к распечатке карт, таблиц, списков, документов; к поиску документов и т.д. В результате должен быть создан документ с условным названием «Общий список входных данных».

Следующий шаг – определение приоритетов, очерёдности создания и основных параметров (территориального охвата, функционального охвата и объёма данных) создаваемой системы. Далее устанавливают требования к используемым данным с учётом максимальных возможностей их применения. [36]

Вопросы и задания

1. Приведите основные этапы процесса проектирования ГИС. Дайте их краткую характеристику.

2. Постройте функциональную схему, иллюстрирующую процесс проектирования ГИС как информационной системы.

9. Примеры реализации КОНЦЕПЦИи ГИС

9.1. Средства ArcGIS для работы с географической информацией

ГИС ESRI^®ArcGIS^® - это современная система для управления географической инфор­мацией, ее анализа и отображения. Географическая информация представляется в виде серий наборов географических данных, которые моделируют геогра­фическую среду посредством простых обобщенных структур данных. ГИС включает наборы инструментальных средств для работы с географиче­скими данными.

ГИС ESRI^®ArcGIS^® включает несколько средств для работы с географической информацией:

1. Базы Геоданных - это пространственная БД, содержащая наборы данных, кото­рые представляют географическую информацию в контексте общей модели данных ГИС (векторные объекты, растры, топология, сети и т.д.)

2. Геовизуализация - это набор интеллекту­альных карт и других видов, которые показывают пространственные объекты и отношения между объектами на земной поверхности. Могут быть построены разные виды карт, и они могут использоваться как “окна в БД” для поддержки запросов, анализа и редактирования информации.

­ 3. Геообработка - это набор инструментов для получения новых наборов географических дан­ных из существующих наборов данных. Функции обработки пространственных данных (геообра­ботки) извлекают информацию из существующих наборов данных, применяют к ним аналитические функции и записывают полученные результаты в новые производные наборы данных.

В ПО ESRI^®ArcGIS^®эти три вида ГИС представлены каталогом (ГИС как коллекция наборов геоданных), картой (ГИС как интеллектуальный картографический вид) и набором инструментов (ГИС как набор инструментов для обработки пространственных данных). Все они яв­ляются неотъемлемыми составляющими полноценной ГИС и в большей или меньшей степени используются во всех ГИС-приложениях. [38]

Рис. 9.1. Средства ГИС ArcGIS

9.2. Представление результатов работы с базами геоданных

БД ГИС - это особый тип БД об окружаю­щем мире - географическая БД (база геоданных). В основе ГИС лежит структу­рированная база данных, которая описывает мир в географическом аспекте.

Приведем краткий обзор реализаций некоторых ключевых прин­ципов, важных для понимания баз геоданных.

9.2.1. Географическое представление данных в ГИС

Создавая дизайн представления геоданных ГИС, пользовате­ли определяют, как будут представляться разные пространственные объекты. Например, земельные участки обычно представляются как полигоны, улицы - как центральные линии, скважины - как точки, и т.д. Эти объекты группируются в классы объектов, в которых каждый набор имеет единое географическое представление.

Каждый набор данных ГИС дает пространственное представление какого-то аспекта окружающего мира, включая:

- упорядоченные наборы векторных объектов (на­боры точек, линий и полигонов);

- наборы растровых данных, такие как цифровые модели рельефа или изображения;

- пространственные сети;

- топография местности и другие поверхности;

- наборы данных геодезической съемки.

Рис. 9.2. Пример наборов точек, линий и полигонов

Рис. 9.3. Пример наборов растровых данных

Рис. 9.4. Пример - пространственные сети

Рис. 9.5. Пример топографии местности

Рис. 9.6. Пример набора данных геодезической съемки

9.2.2. Наборы данных на основе описательных атрибутов

Помимо географических представлений, наборы данных ГИС включают традиционные табличные атрибуты, описывающие географические объекты. Многие таблицы могут быть связаны с географиче­скими объектами по общим полям (их часто называют ключевыми). Подобные табличные наборы информации и отношения (взаимосвязи) играют ключевую роль в моделях данных ГИС, аналогичную той, которую они выполняют в традиционных при­ложениях, работающих с БД.

Рис. 9.7. Представление описательных атрибутов

Таблица класса пространственных объектов

Связанная таблица с данными о собственниках

9.2.3. Пространственные отношения: топология и сети

Пространственные отношения, такие как топологии и сети, являются очень важными частями базы данных ГИС. Топология применяется для контроля над общими границами между пространственными объектами, для определения и исполнения пра­вил целостности данных, а также для поддержки топологических запросов и навигации (например, чтобы определить смежность и связность объектов). Топология также используется для расширенного редактирования и построения пространственных объ­ектов на основе неструктурированных геометриче­ских элементов (например, для построения полигонов из линий). [39]

Сети описывают связанный граф ГИС-объектов, по которому можно перемещаться. Это важно для мо­делирования маршрутов и навигации в таких сферах деятельности, как транспортная, трубопроводная, инженерные коммуникации, гидрология и во многих других прикладных задачах, связанных с сетями. [40]

Рис. 9.8. Демонстрация понятия «топология»

9.2.4. Тематические слои и наборы данных

Различные реализации ГИС организуют пространственные данные в серии те­матических слоев и таблиц. Так как наборы данных в ГИС связаны географически, им приписаны реальные местоположения, и они накладываются друг на друга. [35]

В ГИС однородные наборы географических объ­ектов собраны в такие слои, как земельные участки, скважины, здания и сооружения, ортофотоснимки и растровые цифровые модели рельефа (ЦМР, DEM). Четко определенные наборы геоданных критически важны для ГИС, а основан­ное на слоях понятие тематического набора информа­ции важно для концепции набора данных ГИС.

Наборы данных могут представлять:

- первичные “сырые” измерения (например, спут­никовые изображения);

- скомпилированную и интерпретированную информацию;

- данные, полученные в ходе выполнения операций геообработки с целью их анализа и моделирования.

Многие пространственные отношения между слоями легко определяются, исходя из их общего географиче­ского положения.

Рис. 9.9. Тематические слои в ГИС

ГИС управляет простыми слоями данных как клас­сами родовых ГИС-объектов и использует богатый набор инструментов при работе со слоями данных для выявления многих ключевых отношений.

ГИС будет использовать множество наборов данных со многими представлениями, часто полученными из разных организаций. Поэтому, очень важно, чтобы наборы данных ГИС были:

- простыми в использовании и легкими для понима­ния;

- совместимыми с другими наборами географиче­ских данных;

- эффективно компилируемыми и оцениваемыми;

- снабжены понятной документацией по наполне­нию, планируемому использованию и назначению.

Любая база данных ГИС или файловая база будет жестко придерживаться этих общих принципов и концепций. Для любой ГИС необходим механизм описания географических данных в этом контексте, а также широкий набор инструментов для использова­ния и управления этой информацией. [33]

9.3. Примеры геовизуализации

Геовизуализация подразумевает работу с картами и другими видами географической информации, в том числе с интерактивными картами, 3D сценами, итоговыми диаграммами и таблицами, видами с пока­зателями времени, схематическими видами сетевых отношений.

ГИС включает в себя интерактивные карты и прочие виды, оперирующие с наборами географических данных. Карты - это модельный образ для определения и стандартизации того, как люди ис­пользуют географическую информацию и взаимодей­ствуют с ней. Интерактивные карты предоставляют основной пользовательский интерфейс для большин­ства ГИС-приложений. Они доступны на многих уровнях: от карт для беспроводных мобильных клиентов до Web-карт в браузерах и карт в настольных ГИС-приложениях.

Карты в ГИС во многом схожи со статичными бумаж­ными картами, но к тому же они интерактивны, то есть вы можете взаимодействовать с ними. Инте­рактивную карту можно уменьшать и увеличивать, причем при определенных масштабах некоторые слои на карте могут появляться или исчезать. Вы можете применять условные знаки для отображения слоев карты на основе любого выбранного набора атрибу­тов. Например, цветовая шкала условных обозначе­ний для земельных участков может основываться на типах их зонирования, а размеры точечных значков для обозначения скважин могут быть связаны с их объемом выработки. При указании географического объекта на интерактивной карте можно получить о нем дополнительную информацию, строить про­странственные запросы и проводить анализ. Напри­мер, можно найти все магазины определенного типа недалеко от школ (например, в радиусе 200 м) или все заболоченные участки на расстоянии до 500 м от выбранных дорог. Кроме того, многие пользователи ГИС посредством интерактивных карт проводят редактирование данных и создают пространственные представления объектов.

Рис. 9.10. Пример окна геовизуализации настольной ГИС

Рис. 9.11. Пример геовизуализации мобильной ГИС

Карты используются для отображения и передачи географической информации, а также для выполнения многочисленных задач, таких как развитая компиляция данных, картографирование, анализ, запросы, сбор данных в полевых условиях.

Помимо карт, в БД ГИС используются дру­гие интерактивные виды, такие как временные сре­зы, глобусы и схематические чертежи. Именно через интерактивные карты пользователи ГИС выполняют большинство стандартных задач: как простых, так и продвинутых. Эти карты - основная рабочая форма в ГИС, обеспечивающая доступ к географической информации для сотрудников организации.

Разработчики часто встраивают карты в пользо­вательские приложения, и многие пользователи публикуют в Интернете Web-карты, предназначенные для использования в ГИС.

Рис. 9.12. Виды, отображающие обстановку в разные моменты времени, используются, например, для слежения за ураганами	Рис. 9.13. Карты, встроенные в пользовательские приложения
Рис. 9.14. Схематические рисунки используются, например, для показа газовых сетей	Рис. 9.15. Использование приложения ArcGlobe для показа маршрутов восхождения на гору Эверест

Как показано в примерах на этих рисунках, информацию, в том числе относящуюся к разным временным срезам (которые фиксируются как “события”), можно представить в программном продукте Tracking Analyst, в ArcGIS Schematics, во встраиваемых приложениях, которые используют элементы управления MapControl для поиска земельных участков. Ее также можно просматривать с помощью приложения ArcGlobe. [37]

9.4. Примеры геообработки

Следующая реализация компоненты ГИС представлена коллекцией наборов географических данных и операторами (инструментами), применяемыми к этим наборам данных. Наборы географических данных могут представлять собой первичные “сырые” измерения (например, спутниковые снимки), интерпретирован­ную и скомпилированную аналитиками информацию (например, дороги, сооружения или типы почв), либо информацию, полученную из других источников путем дополнительного анализа или моделирования. Геообработка в этом случае связана с применением инструментов и процедур, используемых для генерирования произво­дных наборов данных.

ГИС предлагает богатый выбор инструментов для обработки пространственной информации. Эти инструменты используются для работы с такими информационными объектами ГИС, как наборы данных, поля атрибутов и картографические элемен­ты для вывода карт на печать. В совокупности эти продвинутые команды и объекты данных формируют основу развитой среды обработки географических данных - геообработки.

Инструменты ГИС являются строительными блоками для выполнения многошаговых операций. Инстру­мент применяет операцию к некоторым имеющимся данным с целью получения новых данных. Среда геообработки используется в ГИС для последователь­ного выполнения серии таких операций. Операции, соединенные в единую цепочку, формиру­ют модель процесса обработки данных. Такая единая последовательность выполнения операций использу­ется в ГИС для автоматизации выполнения многочис­ленных задач геообработки. Создание и применение подобных процедур и называется геообработкой. [40]

Геообработка используется для моделирования про­цессов передачи данных из одной структуры в другую с целью выполнения многих стандартных задач ГИС - например, для импорта данных из разных форматов, интегрирования этих данных в ГИС, для стандартных процедур проверки качества импортируемых данных. Возможность автоматизации и повторного выпол­нения таких рабочих процессов является сильной стороной ГИС. Она широко применяется в много­численных ГИС-приложениях и сценариях работы с данными.

Механизм, используемый для построения рабочих потоков при геообработке, должен выполнять ряд команд в определенной последовательности. Например, пользо­ватели ArcGIS могут создавать такие процессы гра­фически с помощью интерфейса ModelBuilder™, они также могут написать скрипты при помощи таких современных инструментов программирования, как Python, VBScript и JavaScript.

Геообработка широко используется на всех этапах работы с ГИС для автоматизации и компиляции дан­ных, управления, анализа и моделирования данных, а также для развитой картографии.

Перед выполнением процедур, которые можно авто­матизировать с помощью геообработки, необходимо убедиться в качественности и целостности данных, а также проконтролировать их пригодность для многократных запросов QA/QC. Автоматизация этих рабочих потоков средствами геообработки помогает совместно использовать серии процедур, выполнять пакетную обработку и документировать эти ключевые процессы в ходе обработки данных.

Управление потоками географических данных критически важно для всех ГИС-приложений. Пользователи ГИС применяют функции геообработки для перемещения данных в и из БД, для публикации данных в разных форматах, например профайлах GML (Geographic Markup Language), для объединения сходных наборов данных, модерниза­ции схем баз данных ГИС, а также для выполнения пакетной обработки содержимого БД.

Развитые инструменты геообработки используются для получения разномасштабных картографических представлений, выполнения генерализации, автома­тизации большей части рабочих процессов обеспече­ния и контроля качества (QA/QC) при создании кар­тографической продукции типографского качества.

Вопросы и задания

1. Перечислите и охарактеризуйте основные средства работы с геоинформацией и геоданными в составе ГИС ArcGIS.

2. Перечислите и поясните принципы реализации функций географического представления данных в ГИС.

3. Каким образом осуществляется представление описательных атрибутов? Приведите пример табличного описания набора атрибутивных данных, характеризующих известные вам графические объекты. Зачем в таблицах атрибутов используются ключевые поля?

4. Охарактеризуйте понятие пространственных отношений. Что такое топология и сети в реализации ГИС?

5. Что подразумевается под тематическими слоями и наборами данных? Как связаны эти понятия? Приведите примеры наборов данных в реализациях ГИС и требования, предъявляемые к ним.

6. Поясните назначение процедуры геовизуализации. Что подразумевается под понятием «карта» при геовизуализации? Какие бывают карты, для чего они предназначены? Постройте классификацию карт геовизуализации, приведите примеры.

7. Приведите примеры реализации процедур геообработки данных. Для чего она предназначена и для чего используются результаты геообработки?

10. ПРИМЕРЫ УПРАВЛЕНИя ДАННЫМИ В ГИС

При управлении ГИС-данными используются многие концепции и характеристики стандартной архитектуры информационных технологий, которые хорошо работают в централизованной корпоративной компьютерной среде. Например, наборы данных ГИС могут управляться в реляционных БД, как и прочая корпоративная информация. Для опериро­вания данными, хранящимися в СУБД, используется современная логика взаимодействия приложений. Подобно другим корпоративным информационным системам, работа которых основана на транзакциях, ГИС широко ис­пользуются для постоянного изменения и обновления баз географических данных. Тем не менее, техноло­гия ГИС имеет ряд важных особенностей.

ГИС-данные, как правило, имеют большой объем и включают большое число крупных элементов. Напри­мер, простой запрос к БД для заполнения обычного коммерческого бланка выведет несколько рядов данных, в то время как для создания карты по­требуется запросить из базы данных сотни или даже тысячи записей. Кроме того, объем отображаемой векторной или растровой графической информа­ции может составлять многие мегабайты. Помимо этого, ГИС-данным присущи сложные отношения и структуры, такие как транспортные сети, топография территории и топология.

Для построения и поддержки графических наборов данных в ГИС требуются развитые средства редакти­рования. А для поддержания целостности и поведения географических векторных объектов и растров необ­ходима их специализированная обработка на основе особых географических правил и команд. Поэтому компиляция данных в ГИС требует существенных затрат. Это одна из причин, побуждающих пользова­телей к совместной работе с наборами ГИС-данных. [27]

Как и в других СУБД, в БД ГИС происходит постоянное обновле­ние разнообразных данных. Поэтому БД ГИС, как и прочие БД, должна поддержи­вать подобные транзакции. При этом у пользовате­лей ГИС есть некоторые специальные требования к транзакциям. Одним из главных условий является возможность поддержки длинных транзакций.

В ГИС одна единственная операция редактирования может повлечь за собой изменения многих строк дан­ных во многих таблицах. Пользователи должны иметь возможность отменять и повторять операции редак­тирования. Сеанс редактирования может длиться несколько часов или даже дней. Часто редактирова­ние должно проводиться в системе, открепленной от центральной, совместно используемой БД.

Во многих случаях, существенное обновление БД проводится поэтапно. Например, в прило­жении к инженерным коммуникациям эта работа обычно включает такие стадии как “разработка”, “предложение”, “принятие”, “реконструкция” и “сдача”. Этот процесс в значительной степени цикли­ческий.

Техническое задание сначала составляется и передается инженеру, затем постепенно модифи­цируется по мере реализации отдельных этапов, и, наконец, все внесенные изменения возвращаются обратно в корпоративную БД.

Рабочий процесс обновления и передачи данных мо­жет длиться дни и месяцы. Однако БД ГИС все равно должна оставаться доступной для поддерж­ки каждодневной работы и текущих обновлений, а пользователи должны иметь возможность обращаться к своим версиям общей БД ГИС.

Вот еще примеры рабочих процессов управления данными в ГИС: автономное редактирование – некоторым поль­зователям нужна возможность “открепления” фрагментов БД ГИС и их репликации (переноса) в другое место в независимую, от­дельную систему. Например, для проведения редактирования в полевых условиях некоторых данных, вам необходимо забрать с собой какие-то данные, провести их редактирование и обновление на месте выполнения работ, а затем переслать внесенные изменения в основную БД. [28]

Региональная БД может быть частичной копией соответствующего “куска” основной БД корпоративной ГИС. Эти БД должны периодически синхронизироваться для обмена внесенными в каждую из них изменениями [29]

Репликация с нежесткой связью в пределах СУБД. Часто пользователи хотят синхронизировать кон­текст ГИС-данных между несколькими копиями БД (называемых репликами), когда на каждом месте ведутся свои собственные обновле­ния локальной БД. Время от времени пользователи хотят перенести эти обновления из каждой реплики БД в другие и синхро­низировать их содержание. При этом СУБД могут быть разными (например, SQL Server™, Oracle^® и IBM^®DB2^®).

Рис. 10.1. Этапы работы при автономном редактировании в полевых условиях

Вопросы и задания

1. Перечислите и охарактеризуйте основные примеры процессов управления данными в ГИС.

2. Постройте функциональную схему процесса автономного редактирования данных распределенной БД ГИС.

11. РАСПРЕДЕЛЕННАЯ ГИС

Сейчас в большинстве ГИС данные слоев и таблиц поступают из разных организаций. Каждая организация разраба­тывает более или менее весомую часть, а не все ин­формационное наполнения своей ГИС. Обычно хотя бы некоторые слои данных поступают из внешних ис­точников. Потребность в данных является стимулом для пользователей получать новые данные наиболее эффективными и быстрыми способами, в том числе приобретая части баз данных для своих ГИС у других ГИС-пользователей. Таким образом, управление данными ГИС осущест­вляется несколькими пользователями.

11.1. Возможности взаимодействия

Распределенная сущность ГИС подразумевает широ­кие возможности для взаимодействия между многими ГИС-организациями и системами. Сотрудничество и совместная работа пользователей очень важны для ГИС.

ГИС-пользователи в своей работе давно опираются на взаимовыгодную деятельность по обмену данными и их совместному использованию. Реальным отраже­нием этой фундаментальной потребности являются непрекращающиеся усилия в области создания ГИС стандартов. Приверженность отраслевым стандартам и общим принципам построения ГИС критически важна для успешного развития и широкого внедрения этой технологии. ГИС должна поддерживать наиболее важные стандарты и иметь возможность адаптации при появлении новых стандартов.

11.2. ГИС-сети

Многие географические наборы данных могут компи­лироваться и управляться как общий информацион­ный ресурс и совместно использоваться сообществом пользователей. К тому же пользователи ГИС имеют собственное видение того, каким образом можно обе­спечить обмен популярными наборами данных через Web.

Ключевые web-узлы, называемые порталами катало­гов ГИС, предоставляют возможность пользователям как выкладывать собственную информацию, так и искать доступную для использования географиче­скую информацию. В результате ГИС-системы все в большей степени подключаются к Всемирной паутине и получают новые возможности обмена и использова­ния информации.

Это видение внедрилось в сознание людей за по­следнее десятилетие и нашло отражение в таких понятиях, как Национальная инфраструктура пространственных данных (NSDI) и Глобальная инфраструктура пространственных данных (GSDI). Эти концепции постоянно развиваются и постепенно внедряются, причем не только на национальном и глобальном уровнях, но также на уровне округов и муниципальных образований. В обобщенном виде эти концепции включены в понятие Инфраструк­туры пространственных данных (SDI, Spatial Data Infrastructure).

ГИС-сеть по сути является одним из методов внедре­ния и продвижения принципов SDI. Она объединяет множество пользовательских сайтов, способствует публикации, поиску и совместному использованию географической информации посредством World Wide Web.

Географическое знание изначально является распределенным и слабо интегрированным. Вся необходимая информация редко содержится в отдельном экземпляре базы данных с собственной схемой данных. Пользователи ГИС взаимодействуют друг с другом с целью получить недостающие части имеющихся у них ГИС-данных. Посредством ГИС-сетей пользователям проще наладить контакты и обмен накопленными географическими знаниями.