Геоинформационные технологии
В настоящее время в соответствии с требованиями новых информационных технологий создаются и функционируют многие системы управления, связанные с необходимостью отображения информации на электронной карте:
• геоинформационные системы;
• системы федерального и муниципального управления;
• системы проектирования;
• системы военного назначения и т.д.
Эти системы управления регулируют деятельность технических и социальных систем, функционирующих в некотором операционном пространстве (географическом, экономическом и т.п.) с явно выраженной пространственной природой.
При решении задач социального и технического регулирования в системах управления используется масса пространственной информации: топография, гидрография, инфраструктура, коммуникации, размещение объектов.
Графическое представление какой-либо ситуации на экране компьютера подразумевает отображение различных графических образов. Сформированный на экране ЭВМ графический образ состоит из двух различных с точки зрения среды хранения частей — графической «подложки» или графического фона и других графических объектов. По отношению к этим другим графическим образам «образ-подложка» является «площадным», или пространственным двухмерным изображением. Основной проблемой при реализации геоинформационных приложений является трудность формализованного описания конкретной предметной области и ее отображения на электронной карте.
Таким образом, геоинформационные технологии предназначены для широкого внедрения в практику методов и средств работы с пространственно-временными данными, представляемыми в виде системы электронных карт, и предметно-ориентированных сред обработки разнородной информации для различных категорий пользователей.
Основным классом данных геоинформационных систем (ГИС) являются координатные данные, содержащие геометрическую информацию и отражающие пространственный аспект. Основные типы координатных данных: точка (узлы, вершины), линия (незамкнутая), контур (замкнутая линия), полигон (ареал, район). На практике для построения реальных объектов используют большее число данных (например, висячий узел, псевдоузел, нормальный узел, покрытие, слой и др.). На рис. 5.1 показаны основные из рассмотренных элементов координатных данных [29].
Рассмотренные типы данных имеют большее число разнообразных связей, которые можно условно разделить на три группы:
• взаимосвязи для построения сложных объектов из простых элементов;
• взаимосвязи, вычисляемые по координатам объектов;
• взаимосвязи, определяемые с помощью специального описания и семантики при вводе данных.
Основой визуального представления данных при использовании ГИС-технологий является графическая среда, основу которой составляют векторные и растровые (ячеистые) модели.
Векторные модели основаны на представлении геометрической информации с помощью векторов, занимающих часть пространства, что требует при реализации меньшего объема памяти. Используются векторные модели в транспортных, коммунальных, маркетинговых приложениях ГИС.
В растровых моделях объект (территория) отображается в пространственные ячейки, образующие регулярную сеть. Каждой ячейке растровой модели соответствует одинаковый по размерам, но разный по характеристикам (цвет, плотность) участок поверхности. Ячейка модели характеризуется одним значением, являющимся средней характеристикой участка поверхности. Эта процедура называется пикселизацией. Растровые модели делятся на регулярные, нерегулярные и вложенные (рекурсивные или иерархические) мозаики. Плоские регулярные мозаики бывают трех типов: квадрат (рис. 5.2), треугольник (рис. 5.3) и шестиугольник.
Квадратная форма удобна при обработке больших объемов информации, треугольная — для создания сферических поверхностей. В качестве нерегулярных мозаик используют треугольные сети неправильной формы (Triangulated Irregular Network — TIN) и полигоны Тиссена (рис. 5.4). Они удобны для создания цифровых моделей отметок местности по заданному набору точек.
Таким образом, векторная модель содержит информацию о местоположении объекта, а растровая о том, что расположено в той или иной точке объекта. Векторные модели относятся к бинарным или квазибинарным. Растровые позволяют отображать полутона.
Основной областью использования растровых моделей является обработка аэрокосмических снимков.
Цифровая карта может быть организована в виде множества слоев (покрытий или карт подложек). Слои в ГИС представляют набор цифровых картографических моделей, построенных на основе объединения (типизации) пространственных объектов, имеющих общие функциональные признаки. Совокупность слоев образует интегрированную основу графической части ГИС. Пример слоев интегрированной ГИС представлен на рис. 5.5.
Важным моментом при проектировании ГИС является размерность модели. Применяют двухмерные модели координат (2D) и трехмерные (3D). Двухмерные модели используются при построении карт, а трехмерные — при моделировании геологических процессов, проектировании инженерных сооружений (плотин, водохранилищ, карьеров и др.), моделировании потоков газов и жидкостей. Существуют два типа трехмерных моделей: псевдотрехмерные, когда фиксируется третья координата и истинные трехмерные.
Большинство современных ГИС осуществляет комплексную обработку информации:
• сбор первичных данных;
• накопление и хранение информации;
• различные виды моделирования (семантическое, имитационное, геометрическое, эвристическое);
• автоматизированное проектирование;
• документационное обеспечение. Основные области использования ГИС:
• электронные карты;
• городское хозяйство;
• государственный земельный кадастр;
• экология;
• дистанционное зондирование;
• экономика;
• специальные системы военного назначения.
В табл. 5.1 дана краткая характеристика современных отечественных и зарубежных ГИС [50].
Таблица 51
| № п/п | Наименование ГИС, фирма-разработчик | Назначение | Достоинства |
| ER Mapper (ER Mapping) | Обработка больших объемов фотограмметрической информации, тематическое картографирование (геофизика, природные ресурсы, лесное хозяйство) | Точность, печать карт, визуализация трехмерного изображения, библиотека алгоритмов | |
| ГеоДраф, ГеоГраф (Россия) | Построение картографической структуры с многослойным отображением данных, создание электронных атласов (городское хозяйство) | Большое количество приложений, возможность использования Borland C++, Visual Basic, Delphi | |
| ArGIS, Московский ГУ геодезии и картографии (Россия) | Построение цифровых моделей рельефа с использованием аэрокосмических снимков | Использование небольшого объема вычислительных ресурсов, библиотека условных знаков |
Продолжение табл. 5.1
| № П/П | Наименование ГИС, фирма-разработчик | Назначение | Достоинства |
| ArcCAD, ESRI - институт исследования систем окружающей среды | Связывание карт и базы данных, пространственный анализ (инженерные и бизнес приложения, транспортные перевозки, гражданское строительство) | Использование языка высокого интеллекта AutoLISP, наличие всех стандартных средств ГИС-технологий, возможность обработки данных в AutoCAD и Arclnfo | |
| Arc View, ESRI | Создание, анализ, вывод картографических данных (бизнес, наука, образование, управление, социология, демография, экология, транспорт, городское хозяйство) | Поддержка реляционных СУБД, развитая деловая графика (форма просмотра, табличная форма, форма диаграмм, создание макета), создание профессионально оформленной картографической информации, разработка собственных приложений, взаимодействие с другими приложениями | |
| AtlasGIS, Strategic Mapping INC (США) | Полнофункциональная информационная картографическая система для анализа и презентаций | Легкость и гибкость программного обеспечения, настольный вариант | |
| SICAD/open, Siemens Nixdorf (Германия) | Обработка геоинформационных данных по распределенной технологии | Системный продукт для рабочих станций, работа со стандартными СУБД INFORMIX и ORACLE | |
| Star, Star Informatic | Интегрированная модульная среда, проектирование, анализ и оценка сетей (канализация, водо-, энерго-, теплоснабжение, связь, дороги) | Наличие тематических ориентированных модулей, приложений для управления моделями данных и построения цифровых моделей | |
| Small World CIS, Small World Systems Ltd, (Великобритания) | Географическая операционная система для моделирования пространственно-связанных объектов | Полная мультиплатформ-ность (HP, IBM, SUN, DEC) | |
| CADdy, ZIEGLER Informatics GmbH | Создание кадастровых и геоинформационных систем (топографическая съемка, создание электронных топографических карт, ведение банка топографических и географических данных, представление и визуализация различных трехмерных объектов, городское хозяйство, промышленность) | Использование объектно-ориентированной технологии, развитая модульная структура, разработка пользовательских приложений с использованием Си |
Продолжение табл. 5.1