Геоинформационые системы, их происхождение, назначение и функции

ARCVIEW GIS –  система,  которая  предназначена  для   отображения,  редактирования,  пространственного   анализа,  поиска  и  управления  геопространственными  данными.  Это  программное средство,  как  и ARCINFO,  разработано   фирмой ESRI. 

Одна  из  привлекательных  особенностей ARCVIEW GIS –  включение  в  пакет  программ подсказчиков (Мастеров). Эти подсказчики облегчают  использование множества новых  инструментов и полезны как для  новичков, так и опытных пользователей. Добавлены инструменты для создания координатных сеток и рамок карты (управление интервалами, типами линий, типом рамок).

Средства  геообработки и  анализа ARCVIEW позволяют проводить  такие сложные пространственные операции с географическими данными  как создание буферных зон вокруг картографических объектов, вырезка, слияние, пересечение, объединение тем и присвоение данных по местоположению

К  другим  усовершенствованиям  относятся  расширение  диапазона  поддерживаемых  дат промежутке от 5 млн. 800 тыс. Лет до нашей эры до 5 млн. 800 тыс. Лет нашей эры, что иногда требуется для геологических, археологических и т.п. Приложений), возможность оцифровки карт на дигитайзере в потоковом режиме.

Autocad Map 2000 – высокоточное программное обеспечение для создания цифровых  карт и  осуществления  геоинформационного  анализа,  включающее  все  функциональные  возможности  базового  продукта autocad. Содержит все необходимые средства и эффективные функции для изготовления картографической основы и обработки географической информации.

Поддерживает любые  графические форматы, осуществляет экспорт данных во все популярные программы  обработки  географической  информации. Обеспечивает  мгновенное  получение  дополнительных данных для  геоинформационного проекта через  сеть.

Autocad Map 2000  предоставляет разработчикам более 2  тысяч глобальных  координатных систем (более 100 из них новые). Autocad Map 2000 дает наилучшие инструменты для быстрого и точного скалывания карт с бумажных носителей. Скалывание карт значительно ускоряет перевод бумажных карт в цифровую форму. Программное обеспечение включает мощные средства для формирования запросов, изменения свойств, пространственного анализа и отличное управление выводом на печать.

Комплекс CREDO предназначен для обработки материалов изысканий, проектирования объектов промышленного, гражданского и транспортного строительства, разведки, добычи и транспортировки  нефти и газа, создания и ведения  крупномасштабных цифровых планов городов и промышленных предприятий, подготовки данных для землеустройства, решения многих других инженерных задач.

На сегодняшний день основными программными продуктами компании mapinfo являются:

1. Mapinfo Professional – полнофункциональная геоинформационная система;
2. Mapbasic – среда программирования для mapinfo Professional;
3. Mapinfo spatialware – технология управления пространственной информацией в БД SQL Server/Informix;
4. Mapinfo mapx – библиотека разработчика приложений;
5. Mapxtreme – программное обеспечение для разработки картографических приложений для Intranet или Internet.

В  дополнение  к  традиционным  для  СУБД  функциям,  ГИС  mapinfo Professional позволяет собирать,  хранить,  отображать,  редактировать и обрабатывать  картографические  данные, хранящиеся в базе данных, с учетом пространственных отношений объектов. В одном сеансе работы одновременно могут использоваться данные разных форматов. Встроенный  язык  запросов SQL,  благодаря  географическому  расширению,  позволяет  организовывать  выборки  с  учетом пространственных  отношений  объектов,  таких  как  удаленность,  вложенность, перекрытия, пересечения, площади объектов и т.п. Запросы к базе данных можно сохранять в виде шаблонов для дальнейшего использования. В mapinfo имеется возможность поиска и нанесения объектов на карту по координатам, адресу или системе индексов.

Для  наглядного  представления  и  картографического  анализа  пространственных данных в ГИС mapinfo используется тематическое картографирование. Mapinfo предлагает следующие методы построения тематических карт: диапазоны  значений, столбчатые и круговые  диаграммы,  градуированные  символы,  плотность  точек,  отдельные  значения,  непрерывная  поверхность. Сочетание тематических слоев и методов буферизации, районирования, слияния и разбиения объектов, пространственной и  атрибутивной  классификации позволяет  создавать  синтетические многокомпонентные карты с иерархической структурой. 

ГИС mapinfo открывает большие возможности для разработчиков  геоинформационного программного обеспечения. Использование  современных методов взаимодействия между Windows приложениями позволяет интегрировать окно Карты mapinfo в программы, написанные на языках Delphi, Visual Basic, C++, powerbuilder  и др.  Совместное  использование mapinfo  и  среды  разработки mapbasic дает возможность каждому создавать специфические приложения для решения конкретных прикладных задач.

Известные программные  продукты ведущих мировых компаний-разработчиков  программного обеспечения ГИС при  всех достоинствах обладают одним существенным недостатком высокой стоимостью, составляющей тысячи и десятки тысяч долларов.

Однако, ГИС отечественного производства именуемая 2ГИС распространяется бесплатно. 

2ГИС — бесплатный электронный справочник предприятий с интерактивной картой города.

Выпускается одноимённой фирмой и её франчайзами в 138 городах России и Украины. У организаций есть возможность бесплатно добавлять в справочник и обновлять информацию о себе. Свежие версии с обновлениями информации, интерфейса и исправлениями ошибок выпускаются каждый месяц. Есть он-лайн версия и версия для КПК. В интерфейсе и справочнике размещается платная реклама.

Ранее справочник назывался  «дубльгис» (название означало: «геоинформационная система» (карта) и «городская информационная служба» (справочник) одновременно; этим и объяснялась приставка «Дубль» (ГИС + ГИС = дубльгис)); в начале 2011 г. Компания обновила фирменный стиль и сейчас справочник называется «двагис».

 

Что касается компонента «Данные», то ГИС нацелена на совместную обработку информации двух типов: 

1. Географическая (пространственная, картографическая) информация;
2. Атрибутивная  (непространственная,  семантическая,  тематическая,  описательная,  табличная) информация. 

Географическая информация в ГИС представлена данными, описывающими пространственное месторасположение  объектов (координаты,  элементы  графического  оформления). Данные  находятся в цифровой форме на магнитных лентах, магнитных, оптических и “жестких” дисках и служат для визуализации картины в той или иной модели данных. 

Атрибутивная информация в ГИС – это данные, описывающие качественные или количественные параметры пространственно соотнесенных объектов. 

Так, например, жилая постройка  на дисплее может быть представлена в виде полигона (графическая составляющая), а в атрибутивной базе данных будет содержаться информация об ее площади, почтовом адресе, количестве этажей, материале стен, типе фундамента, годе постройки и т.д. 

В геоинформационной  системе присутствует подсистема управления как географической, так и атрибутивной информации. Пространственный анализ, который включает в себя проверку взаимного  расположения  объектов,  установление  закономерностей  их  распределения,  нахождение  смежных объектов, измерение  расстояния и площади и  т.д., проводят  с  опорой на  географическую информацию. Функции семантической (непространственной) обработки предназначены для анализа и управления атрибутивной информацией.

Создание и управление ГИС невозможно без людей. Персоналом ГИС являются как технические  специалисты, разрабатывающие и поддерживающие систему, создающие и управляющие данными, так непосредственные пользователи.

4. технологии моделирования в ГИС

Основой для  представления данных о земной поверхности  являются цифровые модели рельефа.

Поверхности –  это объекты, которые чаще всего представляются значениями высоты Z, распределенными по области, определенной координатами X и Y.

1.  ЦИФРОВЫЕ МОДЕЛИ РЕЛЬЕФОВ

Цифровые модели рельефа (ЦМР) используют для компьютерного  представления земных поверхностей.

Построение  ЦМР требует определённой формы представления исходных данных (набора координат точек X,Y,Z) и способа их структурного описания, позволяющего восстанавливать поверхность путем интерполяции или аппроксимации исходных данных.  

   ЦМР важны для решения целого ряда прикладных экологических задач, в частности для прогнозирования чрезвычайных ситуаций, например наводнений, оценки степени нарушенности ландшафтов и т.д.. По результатам анализа ЦМР средствами ГИС получают карты углов наклона (уклонов) местности и экспозиций склонов, формируют продольные и поперечные профили по заданному направлению, выполняют оценку зон видимости с намеченных точек обзора и др. Для отображения ЦМР используют разные формы.

 

2. ИСТОЧНИКИ ДАННЫХ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЦМР

 

      Исходные данные для формирования ЦМР могут быть получены по картам – цифрованием горизонталей, по стереопарам снимков, а также в результате геодезических измерений или лазерного сканирования местности. Наиболее распространен первый способ, т.к. Сбор по стереопарам снимков отличается трудоемкостью и требует специфического программного обеспечения, но в то же время позволяет обеспечить желаемую степень детальности представления земной поверхности. Лазерное сканирование перспективный современный метод, пока достаточно дорогой.

 

3. ИНТЕРПОЛЯЦИИ

Построение ЦМР требует определенной структуры данных, а исходные точки могут быть по разному распределены в пространстве. Сбор данных может осуществляться по точкам регулярной сетки, по структурным линиям рельефа или хаотично. Первичные данные с помощью тех или иных операций приводят к одному из наиболее распространенных в ГИС структур для представления поверхностей: GRID,  TIN или  TGRID.

TIN (Triangulated Irregular Network) – нерегулярная триангуляционная  сеть, система неперекрывающихся  треугольников. Вершинами треугольников являются исходные опорные точки. Рельеф в этом случае представляется многогранной поверхностью, каждая грань которой описывается либо линейной функцией (полиэдральная модель), либо полиноминальной поверхностью, коэффициенты которой определяются по значениям в вершинах граней треугольников. Для получения модели поверхности нужно соединить пары точек ребрами определенным способом, называемым триангуляцией Делоне (рис. 10).

Рис. 10.  TIN модель.

Триангуляция  Делоне в приложении к двумерному   пространству формулируется следующим образом: система взаимосвязанных неперекрывающихся треугольников имеет наименьший периметр, если ни одна из вершин не попадает внутрь ни одной из окружностей, описанных вокруг образованных треугольников (рис.11).

Образовавшиеся треугольники при такой триангуляции максимально приближаются к равносторонним, а каждая из сторон образовавшихся треугольников из противолежащей вершины видна под максимальным углом из всех возможных точек соответствующей полуплоскости. Интерполяция выполняется по образованным ребрам.

Рис. 11.  Триангуляция Делоне. 

Отличительной особенностью и преимуществом триангуляционной модели является то, что в ней  нет преобразований исходных данных. С одной стороны, это не дает использовать такие модели для детального анализа, но с другой стороны, исследователь всегда знает, что в этой модели нет привнесенных ошибок, которыми грешат модели, полученные при использовании других методов интерполяции. Немаловажен и тот факт, что это самый быстрый метод интерполяции. Однако, если в ранних версиях большинства ГИС триангуляционный методы был основной, то сегодня большое распространение получили модели в виде регулярной матрицы значений высот.

GRID – модель, представляет собой регулярную  матрицу значений высот, полученную при интерполяции исходных данных. Для каждой ячейки матрицы высота вычисляется на основе интерполяции. Фактически это сетка, размеры которой задаются в соответствии с требованиями точности конкретной решаемой задачи. Регулярная сетка соответствует земной поверхности, а не изображению.

При использовании GRID-модели существует некоторая сложность  в выборе интервала между точками. Например, участки поверхности могут  быть как сильно пересеченными, так  и выположенными. В первом случае необходимо большее количество точек на единицу площади.

Рис. 12.  Плотность точек в модели GRID 

 

TGRID (triangulated grid) – модель, сочетающая в себе  элементы моделей TIN и GRID. Такие  модели имеют свои преимущества, например, позволяют использовать  дополнительные данные для описания сложных форм рельефа (обрывы, скальные выступы).

 

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ МОДЕЛЕЙ РЕЛЬЕФА

 

 

Основными процессами построения ЦМР по картам являются:

1) Преобразование исходных карт в растровые изображения, т.е. сканирование. При сканировании важным является выбор разрешения получаемого изображения, излишне высокое разрешение требует больших объемов памяти для хранения исходной информации, в тоже время  разрешение должно обеспечить необходимую точность сбора информации, которая определяется целями формирования ЦМР.