Функции ГИС, пользователи и критерии выбора системы

ГИС выполняет следующие основные функции (рис.23).

 

 

Рисунок 23. Функции ГИС.

 

Среди источников накопления данных в ГИС существуют следующие:

Рисунок 24. Приемники и траектория движения спутников системы навигации GPS (США).

 

· картографические (на всех территориях традиционно существуют карты местности в различных системах координат),

· статистические (данные переписи населения, данные государственной и ведомственной статистики, выборочные анкетные обследования; данные геолого-геоморфологических, геофизических и геохимических систем сбора, гидроклиматические данные...),

· аэрокосмические материалы (для обновления карт местности каждые 10 лет на территорией осуществляется полет самолета с фотооборудованием, осуществляются также снимки из космоса для слежения за погодой, экологией…);

· специально проводимые полевые исследования и съемки (специалисты с оптикой и геодезическим оборудованием осуществляют специальные замеры на местности для построения планов и карт, например, для строительства здания),

· материалы дистанционного зондирования (в последнее время широко используются портативные приемники данных о координатах объектов с помощью глобальной системы навигации (позиционирования) GPS, дающие возможность получать плановые и высотные координаты с точностью от нескольких метров до нескольких миллиметров со спутников из космоса (рис.24).

Цифрование – это ввод графических данных. Средствами цифрования пространственных данных для ввода их в ЭВМ, начиная с ранних стадий развития геоинформатики, были цифрователи двух основных видов:

1) полуавтоматические цифрователи (дигитайзеры (рис.25)) с ручным обводом и автоматической регистрацией координат на носитель данных (магнитную ленту, оптический диск и т.д.),

2) автоматические, фиксирующие элементы рисунка построчно при перемещении сканерного луча (сканеры, сканирующие устройства) (рис.25).

 

 

Рисунок 25. Средства ввода графической информации.

 

Современные технологии предполагают комбинацию этих приемов при вводе карт: сначала карта сканируется, а за тем запускается программа, которая автоматически пытается распознать пространственные объекты на ней – векторизует, а за тем подключается человек и дорабатывает карту, векторизуя вручную на экране компьютера.

 

 

Рисунок 26. Растровая модель пространственных данных ГИС

 

В связи с этим графическая информация может храниться в компьютере в разных форматах: растровом (после сканирования), векторном (после векторизации).

Если увеличить эти карты на экране, то видно, что растровые изображения получаются из пикселов (при описании объектов в базе данных указываются индекс и уровень деления пикселов, из которых они состоят - рис.26). Векторные же из векторов (при описании объектов этой карты в базе данных указываются координаты X и Y начала и конца векторов - рис.27).

 

 

Рисунок 27. Векторная модель пространственных данных ГИС.

 

Кроме всего прочего надо понимать, что изображение в ГИС получается в результате наложения нескольких карт (слоев) с однотипным перечнем объектов. Например, точки – это города, линии – реки или дороги, полигоны – это районы, области страны (рис. 28).

Рисунок 28. Послойная организация карты в ГИС.

 

Пространственные объекты в машинной среде могут быть представлены различными структурами данных:

· растровыми;

· векторно- нетопологическими (вектором описан каждый участок граница объекта; используются следующие фигуры на картах: точка, линия или дуга);

· векторно-топологическими (дополнительно указывается взаимосвязи между векторами, то есть известно, что начало одного вектора является концом другого; используется расширенный спектор фигур: точка, линия или дуга, полигон);

· квадротомическими;

· нерегулярными треугольными сетями(TIN) и др., которые выражаются различными форматами данных, конвертируемыми друг в друга по средствам специальных программных модулей.

Хранение данных в ГИС осуществляется в реляционных (иногда иерархических или сетевых) базах данных, в последнее время появились ГИС с объектно-ориентированными базами данных. Пространственные данные попадают в базу данных после цифрования (это идентификатор объекта и описание его положение в пространстве), а другие характеристики (возраст, адрес, социальное положение гражданина; высота, количество квартир, материал стен жилого здания) после обычного ввода с клавиатуры оператором (в базу данных записывается идентификатор объекта и значение характеристики).

Под данными в среде ГИС понимается все то, что известно об объектах реального мира: результаты наблюдений и измерений этих объектов.

Элемент данных содержит 3 главные компоненты:

· географические сведения, описывающие его положение в пространстве относительно других данных (модели данных могут быть 2 и 3-х мерные из-за этой компоненты);

· атрибутивные сведения, которые описывают сущность, характеристики, переменные, значения и другие его квалификации;

· временные сведения, описывающие момент или период времени, которому соответствуют значения вышеописанных сведений элемента данных (добавляет 4 измерение в модели данных, позволяет строить модели управление объектов по отклонению, анализировать процессы на территории...).

Другими словами можно сказать, что формализованное представление пространственных объектов в ГИС предполагает указание их позиционной и содержательной определенности, которые связаны между собой определенным образом.

Поиск в ГИС осуществляется на основе комбинации двух элементарных запросов к карте или к характеристике, и ответ пользователь получает либо на карте, либо в виде списка характеристик (рис.29).

 

 

Рисунок 29. Поиск информации в ГИС.

 

Анализ данных составляет ядро геоинформационных технологий. Все остальные операции, которые с некоторой точки зрения могут представляться сервисными, обеспечивают возможность выполнения системой ее основных аналитических и моделирующих функций.

Можно выделить следующие группы аналитических операций:

1. Операции переструктуризации данных. Например, преобразования данных из векторного в растровое представление и обратно.

2. Трансформация проекций и изменение систем координат. Например, пересчет координат пространственных объектов (ротации, сдвига, масштабирования осей и т.п.), трансформация (для устранения случайных или систематических погрешностей местоуказания) в систему опорных точек с точно известными координатами с применением эластичных (линейных, аффинных) преобразований, трансформация картографических проекций как наиболее сложная подгруппа операций.

3. Операции вычислительной геометрии. Программные средства ГИС предоставляют пользователю возможности выполнения некоторых картометрических операций:

- расчет площадей,

- длин ломаных линий,

- координат центров полигонов,

- построение полигонов,

- поиск ближайшего соседа,

- определение принадлежности точки внутренней области выпуклого или невыпуклого полигона (или линейного объекта),

- описание геометрических и топологических отношений точечных, линейных и полигонных объектов двух разноименных слоев в целом при их наложении и т.д.

4. Оверлейные операции – это наложение разноименных и разнотипных слоев данных.

Суть этого достаточно мощного средства анализа множества разноименных и разнотипных по характеру локализации объектов состоит в наложении двух разноименных слоев с генерацией производных объектов, возникающих при их геометрическом наложении и наследованием их семантики (атрибутов).

5. Общие аналитические, графоаналитические и моделирующие функции.

При классификации аналитических операций одноименного модуля ГИС принято выделять группы " общих" или " прочих" операций. Среди них:

- расчет и построение так называемых буферных зон (эта операция широко используется при решении задач оценки зоны влияния существующей или проектируемой сети транспортных коммуникаций, например, санитарной 100-футовой зоны автомагистрали, связанной с повышенным шумовым или химическим загрязнением);

- анализ сетей (позволяет решать классические оптимизационные задачи на сетях, включая, к примеру, задачу коммивояжера и т.п.);

- цифровое моделирование рельефа (мощный инструмент представления и моделирования поверхностей или рельефов).

С точки зрения геоинформатики (учитывая большую значимость для нее пространственных аспектов) можно выделить три разновидности моделей, используемых в системах:

1) математико-некартографические - математические модели - строятся без учета пространственного координирования явлений и результаты их реализации не подлежат картографированию;

2) математико-некартографические с картографированием результатов - результаты картографируются, но пространственный аспект не учитывается на этапе реализации математических алгоритмов

3) математико-картографические (самые распространенные) - когда без учета пространственного положения явлений невозможно реализовать математические расчеты. Этот тип моделей имеет следующие подтипы:

А. Модели структуры явлений.

1. Модели структуры пространственных характеристик явлений.

2. Модели структуры содержательных характеристик явлений.

В. Модели взаимосвязей явлений.

1. Модели взаимосвязей пространственных характеристик явлений.

2. Модели взаимосвязей содержательных характеристик явлений.

С. Модели динамики распространения (развития) явлений.

1. Модели динамики пространственного распространения явлений.

2. Модели динамики содержательного развития явлений.

При выводе и визуализации данных они трансформируются в " человеко-читаемый" документ. К таким документам принадлежат табличные, графические и картографические материалы, это может быть просто распечатка на бумаге сводок, выборок, файлов на машинных носителях. Для визуализации данных, и, прежде всего, в картографической форме, используются специальные технические средства: графопостроители (плоттеры), принтеры для пассивной машинной графики и дисплеи для интерактивной графики.

В последнее время в подсистеме анализа данных появился блок телекоммуникаций в основном благодаря развитию сети INTERNET.

Пользователями подобных систем могут быть:

* законодательные, планирующие и исполнительные органы власти и структуры;

* коммунальные и жилищные службы территориального и муниципального округов;

* инженерные ведомства и службы административной территории;

* проектные и конструкторские организации;

* органы территориального надзора за экологической безопасностью;

* органы здравоохранения, образования и статистики;

* деловые структуры и коммерческие организации;

* конкретные лица, нуждающиеся в комплексной или дифференцированной информации о состоянии объектов инфраструктуры данной территории или территории среды обитания;

* прочие субъекты управленческой и хозяйственной деятельности.

Главным критерием выбора ГИС является соотношение цены и возможностей ГИС, то есть покупатель,

- во-первых, должен четко сформулировать свои требования к приобретаемому программному средству с учетом той роли, которую будет играть ГИС в проекте, и тех функций, которые она должна будет выполнять, а также с учетом имеющихся у него технических средств и персонала, иными словами, непосредственно выбору программного средства должен предшествовать анализ требуемых функциональных возможностей по каждому из модулей системы и по набору решаемых задач;

- во-вторых, покупатель должен иметь полное представление о своих финансовых возможностях, так как ГИС не является дешевым программных средством, его цена варьируется от одной тысячи долларов до десяти тысяч и выше (цена зависит от комплексности представленного продукта и разнообразия его функциональных возможностей).

Оценка функциональных возможностей различных ГИС должна включать следующие характеристики [1]:

0) набор поддерживаемых моделей представления пространственных данных, определяющий потенциальные возможности и характер функций пространственного анализа в ГИС;

1) функции пространственного анализа;

2) средства работы с атрибутивной информацией, характеризующиеся форматами данных, СУБД и языком запросов;

3) средства ввод/вывода пространственной информации;

4) средства преобразования форматов;

5) средства разработки приложений;

6) защита от несанкционированного доступа;

7) сетевая поддержка, определяющая возможность распределенного хранения данных, многопользовательский режим редактирования данных, поддержка режима клиент-сервер;

8) локализация;

9) перспективы развития продукта.

Другими характеристиками являются:

10) цена,

11) аппаратно-системные требования,

12) поддержка пользователей по средствам обучения, технической консультации, льготных условий получения новых версий.

При выборе систем из числа схожих функционально следует отдавать предпочтение средствам, получившим достаточное распространение в отечественных организациях, опыт которых может быть использован при выполнении аналогичных геоинформационных проектов. В этом случае, следует принимать во внимание возможность обучения и подготовки персонала в организациях, освоивших данный программный продукт, наличие деловых контактов с распространителями систем, легкость обмена данными в форматах хорошо освоенной и широко распространенной системы.