ЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

Понятие о геоинформационных системах
«Данные», «информация», «знания» в геоинформационных системах
Обобщенные функции ГИС-систем
Классификация ГИС
Источники данных и их типы
Географическая информационная система или геоинформационная система (ГИС) - это информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, анализ и отображение пространственных данных и связанных с ними непространственных, а также получение на их основе информации и знаний о географическом пространстве.
На базе информационных технологий были созданы географические информационные системы.
ГИС-технологии - технологическая основа создания географических информационных систем, позволяющая реализовать функциональные возможности ГИС.
Географическая информационная система (geographic information system, G IS .spatial information system) – аппаратно-программный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, хранение, отображение и распространение пространственно- и объектно-привязанных данных с целью интеграции, анализа и комплексной интерпретации данных, прогнозирования и моделирования ситуаций, планирования действий и принятия решений.
Геоинформационная система - это информационная система, использующая географически координированные данные. Однако, в настоящее время в рамках ГИС исследуется не только географическая информация, но и все процессы и явления, которые происходят на земной поверхности. Также современные ГИС являются интегрированными, поскольку совмещают в себе как данные, так и технологии.
К обязательным признакам ГИС относятся:
географическая (пространственная) привязка данных;
генерирование новой информации на основе синтеза имеющихся данных;
отражение пространственно-временных связей объектов;
обеспечение принятия решений;
возможность оперативного обновления баз данных за счет вновь поступающей информации.
Под данными понимается совокупность фактов, известных об объектах, либо результаты измерения этих объектов. Данные, используемые в ГИС, отличаются высокой степенью формализации. Данные - это как бы строительный элемент в процессе создания информации, поскольку она получается в процессе обработки данных.
Геопространственные данные - означают информацию, которая идентифицирует географическое местоположение и свойства естественных или искусственно созданных объектов, а также их границ на земле.
Применительно к ГИС под информацией понимается совокупность сведений, определяющих меру наших знаний об объекте.
В таком контексте знания можно рассматривать как результат интерпретации информации. Наиболее общее определение: знание – результат познания действительности, получивший подтверждение в практике. Научное знание отличается своей систематичностью, обоснованностью и высокой степенью структуризации.
Любая ГИС базируется на аппаратных средствах — различных типах компьютеров; программном обеспечении — программных продуктах, обеспечивающих хранение, анализ, визуализацию пространственной информации и т. п.; информационном обеспечении — данных о географическом положении, включая материалы дистанционного зондирования, кадастра и т.д. Управление ГИС осуществляют пользователи (исполнители), которые разрабатывают и поддерживают систему или просто решают поставленные задачи.
Обобщенные функции ГИС-систем
Большинство современных ГИС осуществляют комплексную обработку информации, используя ниже приведенные функции:
1. Ввод и редактирование данных;
2. Поддержка моделей пространственных данных;
3. Хранение информации;
4. Преобразование систем координат и трансформация картографических проекций;
5. Растрово-векторные операции;
6. Измерительные операции;
7. Полигональные операции;
8. Операции пространственного анализа;
9. Различные виды пространственного моделирования;
10. Цифровое моделирование рельефа и анализ поверхностей;
11. Вывод результатов в разных формах.
Классификация ГИС
ГИС системы разрабатываются с целью решения научных и прикладных задач по мониторингу экологических ситуаций, рациональному использованию природных ресурсов, а также для инфраструктурного проектирования, городского и регионального планирования, для принятия оперативных мер в условиях чрезвычайных ситуаций др.
Множество задач, возникающих в жизни, привело к созданию различных ГИС, которые могут классифицироваться по следующим признакам:
По функциональным возможностям:
- полнофункциональные ГИС общего назначения;
- специализированные ГИС ориентированы на решение конкретной задачи в какой либо предметной области;
- информационно-справочные системы для домашнего и информационно-справочного пользования.
- Инструментальные ГИС
- ГИС-вьюверы
- Справочные картографические системы
- Векторизаторы картографических изображений
- Средства пространственного моделирования
- Средство обработки данных зондирования
По пространственному (территориальному) охвату:
- глобальные (планетарные);
- общенациональные;
- региональные;
- локальные (в том числе муниципальные).
По проблемно-тематической ориентации:
- общегеографические;
- экологические и природопользовательские;
- отраслевые (водных ресурсов, лесопользования, геологические, туризма и т.д.);
По способу организации географических данных:
- векторные;
- растровые;
- векторно-растровые ГИС.
Основные функции ГИС
Утилиты работ с полями баз данных
♦ Геометрические и арифметические утилиты
♦ Сетевой анализ
♦ Выделение объектов по пространственным критериям
♦ Зонирование
♦ Создание моделей поверхностей
♦ Анализ растровых изображений
Источники данных и их типы
Источники пространственных данных для ГИС — основа их информационного обеспечения. Затраты на информационное обеспечение геоинформационных проектов достигают 90 % от их общей стоимости. До 70 % всех данных, составляющих информационные ресурсы наций, регионов и ведомств, имеют пространственную привязку или могут быть более или менее легко координированы, получив статус пространственных. Тем не менее, информационное обеспечение ГИС остается крайне трудоемким делом. Это связано с тем, что цифровая среда существования ГИС предполагает цифровую форму обрабатываемых ею данных, а основную массу источников составляют аналоговые данные («бумажные» карты, статистические табличные отчеты, тексты).
ГИС, как правило, оперируют различными упорядоченными наборами данных. Среди них традиционно различают картографические, статистические, аэрокосмические материалы, которые преобразуются и вводятся в среду ГИС и/или заимствуются из других геоинформационных систем. Помимо указанных материалов, гораздо реже используются данные специально проводимых полевых исследований и съемок, а также литературные (текстовые) источники.
Ввод данных включает три главных шага:
Сбор данных
Их редактирование и очистка
Геокодирование данных
Информация о качестве данных:
Дата получения
Точность позиционирования
Точность классификации
Полнота
Метод, использованный для получения и кодирования данных
Технологии сбора данных:
В полевых условиях геодезическими (полевыми) методами
С помощью системы глобального спутникового позицирования
Фотограмметрическими методами (наземные и воздушные снимки)
Дистанционное зондирование
С бумажных карт
Из других ГИС, архивов (каталогов координат)
Фотограмметрические методы сбора:
Используют технологии получения и обработки различных фотоснимков.
Космическая съемка (с искусственных спутников Земли)
Аэрофотосъемка (с самолетов)
Съемка с малых носителей (вертолеты, авиамодели)
Наземная съемка (фототеодолиты, фотокамеры)
Снимки требуют предварительного применения процедур фотограмметрической обработки
Дистанционное зондирование:
Системы с традиционной фотографической регистрацией.
Сканирующие системы реального времени (оперативно передающие информацию на Землю по каналам связи.
Радиолокационные (радарные) съемочные системы (облучение объекта активной станцией и фиксация отражения излучения)
Системы получения инфракрасных (тепловых) снимков (фиксирование излучения в тепловая диапазоне)
Системы спутниковой навигации:
Сетевая радионавигационная спутниковая система (СРНСС) ГЛОНАСС (разработана по заказу Министерства Обороны)
В качестве источников данных для формирования ГИС служат:
- картографические материалы (топографические и общегеографические карты, карты административно-территориального деления, кадастровые планы и др.). Сведения, получаемые с карт, имеют территориальную привязку, поэтому их удобно использовать в качестве базового слоя ГИС. Если нет цифровых карт на исследуемую территорию, тогда графические оригиналы карт преобразуются в цифровой вид.
- данные дистанционного зондирования (ДДЗ) все шире используются для формирования баз данных ГИС. К ДДЗ, прежде всего, относят материалы, получаемые с космических носителей. Для дистанционного зондирования применяют разнообразные технологии получения изображений и передачи их на Землю, носители съемочной аппаратуры (космические аппараты и спутники) размещают на разных орбитах, оснащают разной аппаратурой. Благодаря этому получают снимки, отличающиеся разным уровнем обзорности и детальности отображения объектов природной среды в разных диапазонах спектра (видимый и ближний инфракрасный, тепловой инфракрасный и радиодиапазон). Все это обуславливает широкий спектр экологических задач, решаемых с применением ДДЗ.
К методам дистанционного зондирования относятся и аэро- и наземные съемки, и другие неконтактные методы, например гидроакустические съемки рельефа морского дна. Материалы таких съемок обеспечивают получение как количественной, так и качественной информации о различных объектах природной среды.
- материалы полевых изысканий территорий, включают данные топографических, инженерно-геодезических изысканий, кадастровой съемки, геодезические измерения природных объектов, выполняемые нивелирами, теодолитами, электронными тахеометрами, GPS приемниками, а также результаты обследования территорий с применением геоботанических и других методов, например, исследования по перемещению животных, анализ почв и др.
- статистические данные содержат данные государственных статистических служб по самым разным отраслям народного хозяйства, а также данные стационарных измерительных постов наблюдений (гидрологические и метеорологические данные, сведения о загрязнении окружающей среды и т. д)).
- литературные данные (справочные издания, книги, монографии и статьи, содержащие разнообразные сведения по отдельным типам географических объектов).
В ГИС редко используется только один вид данных, чаще всего это сочетание разнообразных данных на какую-либо территорию.
ЛЕКЦИЯ 4 .
БАЗЫ ДАННЫХ (БД) И СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ БАЗАМИ ДАННЫХ (СУБД).
БД и СУБД в ГИС. Основные моменты при проектировании баз данных.
Функции СУБД в ГИС.
Реляционные базы данных.
Распределенные БД, интегрированные и мультибазы данных.
1. Для манипулирования информацией (вводом, поиском и т.п.) используются специальные пакеты программ, называемые системами управления базами данных (СУБД). Этот вид программного обеспечения в последние годы очень быстро совершенствуется. С одной стороны СУБД все шире используются для манипулирования новыми типами информации (мультимедиа, географические информационные системы и т.п.) С другой стороны - созданы новые технологии (архитектура "клиент-сервер", распределенные базы данных, гипертекст и т.п.), которые позволяют обеспечить доступ к информации широкому кругу пользователей в рамках сети Internet, открывая тем самым принципиально новые возможности для изучения окружающей среды.
Совокупность цифровых данных о пространственных объектах образует множество пространственных данных и составляет содержание баз данных.
База данных (БД) – совокупность данных организованных по определенным правилам, устанавливающим общие принципы описания, хранения и манипулирования данными
Создание БД и обращение к ней (по запросам) осуществляется с помощью системы управления базами данных (СУБД).
Проектирование базы данных. В процессе проектирования БД обычно выделяют три основных уровня: концептуальный, логический и физический.
Концептуальный уровень не зависит от имеющихся аппаратных и программных средств. Для БД ГИС он связан с концептуальной моделью географических данных и включает: описание и определение рассматриваемых объектов; установление способа представления географических объектов в базе данных; выбор базовых типов пространственных объектов — точки, линии, ареалы, ячейки растра; решение вопроса о способе представления размерности и взаимосвязей реального мира в БД (например, следует ли показать здание ареалом или точкой).
Логический уровень определяется имеющимися программными средствами и практически не зависит от технического обеспечения. Он включает разработку логической структуры элементов базы данных в соответствии с системой управления базами данных (СУБД), используемой в программном обеспечении. Наиболее распространенными логическими структурами — моделями БД и их СУБД — являются иерархическая, сетевая, реляционная .
В иерархической модели записи данных образуют древовидную структуру, при этом каждая запись связана только с одной записью, находящейся на более высоком уровне. Доступ к любой записи осуществляется по строго определенным «веткам» и узлам такого дерева. Иерархические модели хорошо подходят для задач с явно выраженной иерархически соподчиненной структурой информации и запросов. Они обладают низким быстродействием, трудно модифицируемы, но эффективны с точки зрения организации машинной памяти.
Модели баз данных
В сетевых моделях каждая запись в каждом из узлов сети может быть связана с несколькими другими узлами; кроме данных записи содержат в себе указатели, определяющие местоположение других записей, связанных с ними. Такие модели очень трудно редактировать, например, удалять записи, так как вместе с данными нужно редактировать и указатели. Подобные модели хорошо работают в случае решения сетевых, коммуникационных задач.
В иерархической и сетевой моделях для поиска конкретной записи необходимо вначале определить путь доступа к записи, а затем просмотреть все записи, находящиеся на этом пути.
Реляционные СУБД завоевали самую широкую популярность. Они свободны от всех ограничений, связанных с организацией хранения данных и спецификой запоминающих устройств. Эти модели имеют табличную структуру: строки таблицы соответствуют одной записи сведений об объекте, а столбцы поля — содержат однотипные характеристики всех объектов. Все возможные способы индексации данных существенно сокращают время поиска и запроса к данным. К числу наиболее известных СУБД реляционного типа относятся dBASE, Clipper, ORACLE (последняя особенно подходит для больших объемов данных).
Физический уровень связан с аппаратными и программными средствами. На этом уровне определяются объемы хранимой в БД информации и необходимые объемы памяти компьютера (оперативной и долговременной), рассматриваются вопросы о структурировании файлов на диске или других носителях информации для обеспечения программного доступа к ним, представления данных в памяти компьютера (целые, действительные числа, байты или буквенно-цифровые характеристики).
Представление точечных, линейных и площадных объектов в базе данных и на цифровой карте. В БД ГИС картографические источники и итоговые карты представляются в виде цифровых карт. Любая БД состоит из цифровых представлений дискретных объектов. Содержание карты можно хранить в БД в виде цифровой карты, описав объекты карты объектами базы данных. Правда, всегда нужно помнить, что многое из показанного на картах умозрительно и не существует в реальном мире: горизонталей в природе не существует, а вот дома и озера — это реальные объекты.
Географические объекты, моделируемые с помощью карты или ГИС, имеют три формы представления:
объект в действительности;
объект, представленный в базе данных (некоторые авторы вводят для таких объектов наименование «предмет»):
знак, который используется для показа объекта (предмета) на карте или на другом графическом изображении.
Объект в БД — это цифровое представление всего реального объекта или его части.
Логическая структура элементов базы данных определяется выбранной моделью БД. Наиболее распространенными моделями БД являются иерархические, сетевые и реляционные и объектно-ориентированные.
Иерархические модели представляют древовидную структуру, в этом случае каждая запись связана только с одной записью, находящейся на более высоком уровне.
Такая система хорошо иллюстрируется системой классификации растений и животных. Примером может также служить структура хранения информации на дисках ПК. Главное понятие такой модели уровень. Количество уровней и их состав зависит от принятой при создании БД классификации. Доступ к любой из этих записей осуществляется путем прохода по строго определенной цепочке узлов. При такой структуре легко осуществлять поиск нужных данных, но если изначально описание неполное, или не предусмотрен какой либо критерий поиска, то он становится невозможным. Для достаточно простых задач такая система эффективна, но она практически непригодна для использования в сложных системах с оперативной обработкой запросов.
Сетевые модели были призваны устранить некоторые из недостатков иерархических моделей. В сетевой модели каждая запись в каждом узле сети может быть связана с несколькими другими узлами. Записи, входящие в состав сетевой структуры, содержат в себе указатели, определяющие местоположение других записей, связанных с ними. Такая модель позволяет ускорить доступ к данным, но изменение структуры базы требует значительных усилий и времени.
Реляционные модели собирают данные в унифицированные таблицы. Таблице присваивается уникальное имя внутри БД. Каждый столбец - это поле, имеющее имя, соответствующее содержащемуся в нем атрибуту. Каждая строка в таблице соответствует записи в файле. Одно и то же поле может присутствовать в нескольких таблицах. Так как строки в таблице не упорядочены, то определяется один или несколько столбцов, значения которых однозначно идентифицируют каждую строку. Такой столбец называется первичным ключом. Взаимосвязь таблиц поддерживается внешними ключами. Манипулирование данными осуществляется при помощи операций, порождающих таблицы. Пользователь может легко заносить в базу новые данные, комбинировать таблицы, выбирая отдельные поля и записи, и формировать новые таблицы для отображения на экране. В преобладающем большинстве ГИС используются реляционные базы данных, поддерживаемые такими СУБД, как dBase, INFO, ORACLE, INFORMIX и т.п.
Понятие «тип данных» полностью адекватно понятию типа данных в языках программирования. Обычно в реляционных БД допускается хранение символьных, числовых данных, битовых строк, специализированных числовых данных (таких, как «деньги»), а также специальных данных — дата, время, временной интервал. Развивается подход к расширению возможностей реляционных систем абстрактными типами данных.
Операции над БД. Последовательность операций над БД, рассматриваемых СУБД как единое целое, называется транзакцией.