Аппаратно-технические средства

Технические компоненты геоинформационной мониторинговой системы могут различаться в зависимости от ее назначения, однако основными являются следующие: компьютер (универсальный центральный процессор), связанный с дисковой операционной системой; дигитайзер, сканер или другое устройство для перевода данных в цифровую форму и ввода их в компьютер; плоттер или другое средство визуализации результатов обработки данных; универсальный дисплей (терминал) для контроля и управления работой компьютера и периферийных устройств. Все технические средства в системе должны быть взаимосвязаны технически и программно. Связь систем между собой может осуществляться посредством телекоммуникаций. В свою очередь, отдельные компоненты всей системы также собираются из составных частей; так, в понятие компьютер включаются как минимум системный блок, монитор (дисплей), клавиатура, ручной манипулятор (мышь) или так называемые шаровые манипуляторы (шары трассировки). Учитывая наличие разнообразной литературы по компьютерной технике [Гук, 1997; Фигурнов, 2001] и др., мы очень кратко охарактеризуем основные стандартные блоки, но более расширенно – специфические для ГИС средства.

Системный блок обычно формируется на базе системной шины, связывающей все компоненты блока воедино. К системной шине подсоединяется материнская плата, на которой располагается процессор и память, а также система связи с устройствами ввода и вывода (посредством системы интерфейсных устройств – адаптеров и контроллеров). В новых компьютерах устанавливаются и дополнительные локальные шины, например только для связи с устройствами ввода-вывода.

Процессор – сердце всего комплекса, которое обеспечивает функционирование всех аппаратных средств под управлением каких-либо операционных систем (Windows NT, UNIX и др.). В больших вычислительных системах, как правило, используется несколько процессоров, обеспечивающих выполнение ряда заданий одновременно, при этом их работа строится так, что один из процессоров становится центральным (ведущим), как бы управляя работой всех остальных. Физически процессор представляет собой чаще всего микросхему (например, Intel в компьютерах IBM PC, Motorola в Apple фирмы Macintosh или Power PC в обоих типах компьютеров). Характеризуются процессоры разрядностью, адресацией памяти и тактовой частотой, как бы синхронизирующей работу отдельных частей всего вычислительного комплекса (измеряется в мегагерцах – мГц). Во многих компьютерах устанавливается также математический сопроцессор, который убыстряет вычисления в несколько раз. В геоинформатике в настоящее время преимущественно используются рабочие станции SUN, DEC, SILICON..., в том числе базирующиеся на мощных RISC-процессорах. Некоторые фирмы, например Intergraph, производят специализированные рабочие станции, предназначенные для обеспечения работы лишь с собственными программными продуктами. В России же главным средством до сих пор остаются персональные компьютеры (главным образом PC Pentium).

Память, предназначенная для запоминания данных и управляющих программ, подразделяется на оперативную и внешнюю. Процессор производит обработку данных, получая их и выдавая в оперативную память. Здесь же располагается весь набор команд, управляющих действиями ЭВМ. Физически оперативная память представляет собой микросхемы, функционально взаимосвязанные с процессором. Время доступа к данным характеризуется с помощью характеристик памяти произвольного доступа (RAM – random access memory). Именно здесь происходит запоминание всех операций, производящихся в текущий момент. Другими компонентами оперативной памяти являются оперативные и постоянные запоминающие устройства – ОЗУ и ПЗУ. Первые персональные компьютеры имели память произвольного доступа в 64, 256 Кб, а в настоящее время RAM обычно достигает 64, 256 и более Мб.

Применяемые технические средства требуют, чтобы данные кодировались, обрабатывались и хранились с помощью двоичных кодов (да/нет, открыто/закрыто и т. д.), для чего и используется двоичная запись, состоящая из нулей и единиц. В связи с этим было введено понятие двоичной цифры (BInary digIT) – бита (bit). Биты объединяются в группы по 8, образуя так называемые байты – основные стандартные единицы в вычислительной технике. Поэтому объем памяти измеряется в битах, байтах (8 бит) или в килобайтах (Кб, 10**3 байт), мегабайтах (Мб, 10**6 байт), гигабайтах (Гб, 10**9 байт), терабайтах (Тб, 10**12 байт). В используемых в геоинформатике компьютерах объем оперативной памяти все время увеличивается. Так, если в персональных компьютерах он обычно составлял 32 или 64 Кб, то в рабочих станциях и больших ЭВМ он доходит до десятков Мб.

Внешняя память предназначается для хранения файлов – цифровых наборов данных, сформированных по каким-либо логическим принципам. Каждому файлу присваивается собственное имя. Файлы могут объединяться в тома, которые упорядочиваются операционной системой с помощью каталогов. Упорядочение файлов в каталогах производится по названиям, времени их создания, размеру, тематическому содержанию. Иногда упорядочение производится с использованием иерархической системы подкаталогов.

Внешняя память является более надежным хранилищем данных по сравнению с оперативной памятью. Так, в случае отключения питания все данные, хранящиеся в оперативной памяти, исчезают, а во внешней памяти сохраняются. Время доступа к внешней памяти большее, по сравнению с оперативной памятью. Среди устройств внешней памяти наибольшее распространение в настоящее время имеют так называемые жесткие диски. Жесткие диски (винчестеры) характеризуются емкостью и скоростью чтения/записи. Минимальными объемами сейчас считаются диски в 15 Гб, а время доступа к диску около 0,015 секунды (15мс). Обычно же объем варьирует от нескольких единиц до сотен Гб. Важнейшими характеристиками внешней памяти являются, помимо объема и скорости, также способы (последовательный, произвольный) доступа к данным, периодичность запоминания и т. д. Большинство современных устройств имеют произвольный доступ, ранее же применялись перфоленты или магнитные ленты с последовательным доступом к данным. Среди сменных запоминающих устройств наиболее распространены гибкие диски (дискеты, флоппи-диски); уже практически не используются дискеты 5,25' (133 мм) объемом 360 Кб, или 1,2 Мб, а также дискеты 3,5' (89 мм) – 720 Кб, или 1,44 Мб (намного реже применяются и другие форматы). Одно время большее распространение получили ZIP-дискеты большего объема, а в настоящее время используются лазерные компакт-диски (250 Мб и более). Однако до сих пор в России можно встретить системы, работающие с магнитными лентами и барабанами, но вот перфокарты уже ушли в историю.

Для того чтобы обмениваться информацией, применяются различные стандартные коды или форматы, среди которых самый распространенный – американский стандартный код для обмена информацией (ASCII). Он создавался как телетайпный код, состоящий из 128 символов (в качестве которых использованы и цифры от 0 до 9, и буквы, причем как строчные, так и заглавные). Эту часть иногда называют нижней частью таблицы ASCII-кодов. Первые 33 символа в ASCII-кодах используются как специальные функции, например звонок и т. д. Символы с 128 по 255 (верхняя часть) применяются для рисования линий и национальных алфавитов. Используя двоичную запись, можно легко перевести эти коды в десятичную систему. Электронные файлы, сформированные с использованием ASCII-кодов, передаются и обрабатываются различными типами ЭВМ, что применяется для связи между различными вычислительными системами, а также периферийными устройствами. В России применяются также кодировки ГОСТА, КОИ-8 и др.

Периферийные устройства – большая совокупность приборов, присоединяемых к ЭВМ. Они условно могут быть разделены на устройства ввода и вывода. Наиболее просто ввод данных в среду ЭВМ осуществляется через дисководы, способные считывать данные с гибких дискет, а также лазерных компакт-дисков (CD-ROM). Дисководы монтируются в системный блок компьютера или подключаются как внешние устройства. Большинство оптических или лазерных компакт-дисков предназначены только для чтения данных с них, причем при наличии в компьютере звуковой платы; оптические дисководы позволяют прослушивать звуковые компакт-диски. В настоящее время выпускаются и дисководы для магнитооптических дисков (объемом в тысячи Мб), предназначенные для считывания и записи на них. Несколько реже используются также стриммеры кассетного типа, внешне напоминающие аудио-кассеты. Для непосредственного управления работой компьютера оператором и в качестве вспомогательного средства ввода небольших объемов данных широко применяются клавиатуры. Клавиатуры бывают различных раскладок, что зависит прежде всего от используемого языка, но не только от этого (например, существуют разные раскладки США и Великобритании), но и связаны с некоторыми традициями. Выпускаются клавиатуры в русской, белорусской и украинской раскладках, где на клавишах помимо кириллицы наносятся и латинские буквы. В некоторых клавиатурах, например скандинавских стран, клавиши используются сразу для трех символов (при задействовании клавиши SHIFT). В стандартной клавиатуре 101 клавиша. Все они делятся на алфавитно-цифровую часть с некоторыми вспомогательными функциями (табулятора, возврата и т. д.), управление курсором, цифровую клавиатуру, наподобие калькулятора, и функциональные клавиши (F1, F2,...,F12), которым присваиваются определенные функции применения, например F3 – просмотр текстового файла в системе MS-DOS.

Особого внимания заслуживают специально созданные для ввода данных в ГИС-среду приборы. Они, начиная уже с ранних стадий развития геоинформатики, подразделялись на два основных вида: 1) полуавтоматические цифрователи (дигитайзеры) с ручным обводом и автоматической регистрацией координат на носитель данных (магнитную ленту, оптический диск и т. д.) и 2) автоматические, фиксирующие элементы рисунка построчно при перемещении сканерного луча, то есть приборы, «считывающие» черно-белые и цветные изображения разных форматов и позволяющие вводить изображения в компьютер как бы строка за строкой, с последующим воссозданием всего изображения в электронной форме, а также распознаванием букв текста или воспроизведением графиков, карт и т. д. В англоязычной литературе приборы первого типа носят название digitizer, второго – scanner. Технологии ввода данных, основанные на применении этих устройств, являются альтернативными и конкурентными. Обладая специфическими достоинствами и недостатками, их применение в каждом конкретном случае должно опираться на анализ комплекса факторов, что позволяет оценить возможную эффективность, трудозатраты, стоимость и точность цифрования данных. Менее распространены устройства, основанные на иных принципах регистрации (например, приборы автоматического прослеживания линий).

Цифрователи фиксируют положение индикатора при его перемещениях по поверхности планшета. В качестве индикатора в цифрователях планшетного типа до сегодняшнего дня используется стеклянная марка, перо, игла, резец по пластику и т. д. и/или курсор с клавишами управления, позволяющими фиксировать координаты, вносить дополнительные характеристики, производить исправления и даже контролировать работу всей системы. Размер планшета цифрователя обычно варьирует от А3 до А0, а его техническая конструкция на первых этапах была реализована в виде стеклянных столов с подсветкой, которые довольно быстро были заменены на конструкции механических рычагов, размещаемых под столом, которые улавливали и фиксировали изменения магнитного поля, создаваемые курсором. На следующем этапе магнитное поле стало фиксироваться системой тонких проводов, перпендикулярно друг другу покрывающих площадь планшета и имитирующих систему координат (x,y). Обычная точность считывания координат в этом случае была ±0,1 мм.

Цифрователь может быть соединен с любым устройством – ЭВМ, периферийным устройством ЭВМ. Существует возможность соединения цифрователя с настольным калькулятором и мини-ЭВМ, а через терминал, и с большой ЭВМ. Для соединения цифрователя с большими ЭВМ используются терминалы с разделением времени или периодического действия. Цифрователь может быть подключен параллельно с терминальным блоком для ввода графических данных, при этом результаты изображаются на терминальном печатающем устройстве. Интересным примером терминала с разделением времени является так называемый графический терминал, где есть экран телевизионного типа, на который может выноситься изображение, а также имеется возможность обратной связи для изменения изображения, если требуется внесение поправок, что особенно важно при вводе данных. Более сложными являются системы планшетных цифрователей с соединенными с ними вычислительными устройствами, использующимися для кодировки данных.

Примером другого вида устройств ввода являются сканеры. В настоящее время на рынке предлагается огромный выбор этих приборов от формата А4 до А0, и даже более для рулонных моделей. Вначале в картографии стали применяться ручные сканеры, когда оператор сам перемещал его по изображению. А затем полосы надо было «склеивать», что было весьма трудоемкой процедурой. Затем стали распространяться барабанные (рулонные) и планшетные сканеры больших форматов. Кроме того, современное программное обеспечение позволяет производить соединение («сшивку») отдельных полос в единый графический растровый файл. Обычное разрешение сканеров от 300 точек на дюйм (dpi) до 8000, что требуется в достаточно редких случаях.

Цветные карты или снимки быстро и относительно недорого могут быть отсканированы с помощью видеосканеров, основу которых составляют телекамеры достаточно высокого уровня. Получаемый в результате съемки растровый массив яркостей или цветов и дает требуемый результат, однако погрешности, вызываемые геометрическими искажениями и различиями в чувствительности к яркости в разных частях поля съемки, привносят труднопреодолимые препятствия. Электромеханические сканеры свободны от этих недостатков и дают более качественные результаты. Самыми распространенными сканерами этого типа являются их барабанные разновидности, когда изображение закрепляется на барабане, вращающемся вокруг своей оси, а световой луч, отражаясь от него, фиксируется фотодетектором, образуя растровую колонку. Затем, сместившись на величину пиксела вдоль оси барабана, формируется вторая колонка и т.д., пока вся площадь карты не будет отсканирована. Похожая картина сканирования и в сканерах планшетного типа, здесь луч света перемещается как бы по строчкам, наподобие того, как мы читаем обычный текст в книге. Иногда сканеры захватывают сразу не одну строчку, а несколько сразу в виде полосы.

Преимущество сканеров в том, что скорость и точность считывания у них по сравнению с полуавтоматическими цифрователями гораздо выше. Кроме того, построчное считывание упрощает засылку данных со сканерной системы в базы данных. Однако возникают серьезные трудности при необходимости внесения параллельно каких-либо дополнительных сведений в соответствующие ячейки базы данных. Результатом сканирования являются растровые графические файлы, занимающие большие объемы памяти, и в большинстве случаев они трансформируются в векторный формат путем векторизации. Для этих целей созданы специальные программные средства – векторизаторы, позволяющие пользователю в полуавтоматическом режиме произвести требуемые трансформации.

Сравнительно новым средством ввода данных стали GPS – системы глобального спутникового позицирования [навигации, местоуказания] (СГСП), которые позволяют вносить в базу данных координаты опорных точек (с точностью от нескольких десятков метров до миллиметров) и их идентификаторы. Надо сказать, что практически все ГИС-пакеты дорабатываются с целью предоставления возможности работать с данными, получаемыми приемниками СГСП. Достаточно давно разрабатываются методы и приборы, позволяющие вводить данные «с голоса».

Средства ГИС обычно включают достаточно широкий набор устройств для генерации выходных данных, средств вывода данных вообще, включая их картографическую визуализацию как наиболее технологически сложный вид окончательной (итоговой) или промежуточной документации. К таким документам принадлежат табличные, графические и картографические материалы. Два последних типа требуют достаточно развитых технических устройств реализации функций документирования и программных средств, обслуживающих эти функции. К техническим устройствам принадлежат средства машинной графики общего назначения, средства программной поддержки их работы, включая драйверы (специализированные программы) этих устройств. При необходимости генерации итоговых выходных данных в цифровом виде (например, для ввода данных в иную программную среду или обмена ими) используются так называемые конвертеры данных, позволяющие преобразовывать данные из одних форматов в другие без потери их геометрических и семантических атрибутов.

Аналогично вводу, вывод данных в электронной форме производится путем записи на гибкие диски и компакт-диски, а также путем распечатки на принтерах (игольчатых, струйных, лазерных), позволяющих воспроизводить изображения в форме так называемых «твердых копий» в черно-белом или цветном виде. Реже применяются графопостроители (плоттеры), расчерчивающие устройства, где в качестве чертежного инструмента используются карандаши, чернила, фломастеры, резцы (по пластику), а также световой луч по фоточувствительному слою и др. Практически ни один компьютерный комплекс не обходится без использования видеосистемы, чаще всего обеспечивающей вывод на экран монитора (обычно это электронно-лучевая трубка, например, SVGA 15, 17, 20' с видеопамятью 1–2 Мб).

Все устройства графического вывода подразделяют на растровые и векторные. Самыми ранними приборами, формирующими растровую картинку, были алфавитно-цифровые печатающие устройства (АЦПУ), некоторый аналог обычной печатающей машинки, в которой буквы (или символы разной насыщенности) пропечатывались на бумаге через красящую ленту, но управлялось такое устройство не машинисткой, а компьютером, и скорость печати, естественно, была намного выше – от 200 до 900 строчек в минуту.

Аналогично АЦПУ, для построения растровых картинок на принтерах производится их заполнение на основе стандартных площадных элементов – пикселей. Первыми по времени их появления на рынке были матричные печатающие устройства, так называемые игольчатые принтеры, которые печатали изображение в виде маленьких точек (напоминающих иголочный накол) по 9 или 24 ряда одновременно. На следующем этапе они были заменены струйными принтерами – распылителями краски (трех-четырех основных цветов), ксерографическими и электростатическими устройствами вывода и, наконец, лазерными принтерами с разрешением от 300 до 1200 dpi. Лазерные цветные принтеры, по своим конструктивным принципам напоминающие копировальные машины (специальный порошок с помощью электростатического заряда переносится на бумагу и закрепляется на ней путем термической обработки), дают наиболее качественные результаты. Кроме того, они существенно повышают скорость печати (около 20 страниц текста в минуту) и обладая оперативной памятью в 1–2 Мб и более, позволяют подгружать различные шрифты для символьной печати. Однако их стоимость делает продукцию дорогостоящей, и до сих пор в большинстве российских учреждений наибольшее распространение имеют струйные принтеры (разрешение 300 ¸ 1200 dpi). В качестве средств вывода используют также оптические сканирующие устройства, позволяющие осуществлять вывод прежде всего материалов дистанционного зондирования и результатов их обработки на фотобумагу.

Наибольшее распространение получили видеосистемы, включающие мониторы (дисплеи, видео-экраны), основанные на использовании электронно-лучевых трубок и видеоконтроллера. Именно видеоконтроллер или видеоадаптер формирует изображение в текстовом или графическом режимах. В первых видеоэкранах изображение рисовалось электронным лучом под управлением процессора и не могло быть удалено или изменено частично – требовалась полная перерисовка всего изображения. Позднее эти ограничения были сняты и изображение стало строиться высвечиванием точек в заданных позициях. Качество графического изображения зависит от разрешающей способности, выражаемой числом точек на единицу площади или размером пикселя, а также количеством цветов или яркостей, отображаемых видеосистемой. Видеоконтроллер имеет собственную память произвольного доступа – RAM. Ее обычно называют видеопамятью. Для ускорения работы видеосистем применяют дополнительные шины и графические сопроцессоры. К настоящему времени разрешение экранов с 320´200 (мониторы CGA), 640´350 (EGA) и далее 640´480 (VGA) повысилось до 780´1024, 1280´1024 (SVGA) при поддержке видеопамяти в 2 Мб и более. Цветовая гамма передается различным сочетанием трех основных цветов (красного, зеленого и синего), создаваемыми «электронными пушками». Самые последние разработки связаны с применением жидкокристаллических экранов, прежде всего в переносных компьютерах типа «ноутбук».

Некоторые мониторы могут создавать трехмерные стереоизображения, основываясь на хорошо известных законах из стереофотограмметрии. Для этих целей используются специальные очки, позволяющие по разному поляризовать изображение для левого и правого глаза и создавая за счет этого эффект объемности. Имеются и специальные мониторы фирмы Intergraph, позволяющие видеть объемное изображение без очков за счет специальных фильтров, установленных перед экраном. Скоро мы будем видеть и голографические изображения на экранах мониторов.

Увеличение объемов видеопамяти (которая позволяет хранить выводимую на экран картинку в виде дисплейного файла, что дает возможность быстро и легко ее вызывать и восстанавливать) позволяет легко вращать объекты, увеличивать или уменьшать их, менять палитру цветов и т. д.

Введение графических стандартов для периферийных устройств позволяет распознавать эти устройства автоматически и подгружать требуемые «драйверы» без непосредственного участия оператора.

Самыми распространенными техническими средствами, помимо принтеров, являются графопостроители для пассивной машинной графики. Графопостроитель (в англоязычной терминологии – plotter) – это устройство для цифроаналогового преобразования данных, т. е. перевода цифровой модели, заложенной в ЭВМ, в графическую форму. Среди них встречаются перьевые, электростатические и термографические устройства планшетного и барабанного типов.

Привлекают внимание «микрофильм-плоттеры» – высокоскоростные графопостроители, сконструированные на базе электронно-лучевых трубок. Экран этих приборов позволяет строить сложные виды картографических изображений с высоким разрешением, с достаточной точностью и высоким качеством.

Большинство устройств ввода/вывода подключаются к компьютерам посредством параллельных и последовательных (что определяется типом передачи данных) портов. Обычно в компьютере бывает несколько последовательных и параллельных портов, причем последний используется для соединения с принтером.

Естественно, что в настоящее время в организациях вычислительные системы соединены между собой. Простейшие соединения достигаются уже на уровне локальных вычислительных сетей – одноранговых и многоранговых. В первом случае все компьютеры как бы находятся на одном уровне и позволяют лишь обмениваться информацией и совместно использовать периферийные устройства. Во втором случае организуются управляющие работой сети системы – серверы. Для передачи информации по сетям широко используются модемы и факс-модемы.

Следует также сказать об автоматизированных комплексах. Как уже было сказано в начале параграфа, большинство технических средств, используемых для визуализации данных, входят составной частью в более комплексные системы. Технические средства так разнообразны и столь быстро совершенствуются, что данный параграф нельзя считать сколько-нибудь полным обзором, а лишь краткой характеристикой классов приборов, которые можно использовать при формировании геоинформационных мониторинговых систем.

Наряду с широко распространенными техническими средствами геоинформатики укажем и на специфические для биоразнообразия средства.

Специальный технический приборный парк, используемый в обеспечении мониторинга биоразнообразия, весьма обширен и во многом аналогичен используемому при аналитических методах контроля состояния среды [Экологическая диагностика, 2000]. В настоящем разделе отчета приводится несколько примеров оригинальных разработок и их использования.