Разработка специализированной системы визуализации и анализа городской среды

Объекты

Пространственные данные включают географические объекты, представляемые:

•  точками;

•  линиями;

•  полигонами.

Дугами описываются те реальные объекты, которые можно рассматривать как линии. Дуга состоит из отрезков линий и дуг окружностей.

Полигоны - замкнутые области, которые представляют однородные по некоторым критериям участки.

Атрибутивные  данные могут включать идентификатор объекта, любую описательную информацию из баз данных, изображение и многое

другое.

 

Слой

Слои в карте подразделяются на два основных вида - растровые и векторные.

Векторные слои - это совокупность простых геометрических объектов (точка, дуга, полигон), которые представляют те или иные объекты на местности. Векторные слои могут также хранить топологию, т.е. информацию о взаимном расположении объектов.

Растровые слои представляют из себя сплошные изображения. Они не могут содержать объекты. Однако они могут служить фоном для векторных слоев.

Объект слоя

Каждому объекту векторного слоя может соответствовать запись в базе данных, чем обеспечивается привязка информации к местности. Это соответствие может обеспечиваться в частности назначением каждому объекту соответствующего идентификатора.

Легенда карты

Легенда карты - свод условных обозначений, использованных на карте, с текстовыми пояснениями к ним. Обычно, легенды создаются на основе классификаций изображаемых объектов и явлений, они становятся их графической моделью и часто служат для построения классификаторов.

Карта

Представляет собой набор  географических слоев, каждый из которых привносит в карту информацию по какой-либо определенной теме. Например, на слой границ некоторой территории может быть нанесен слой рек, затем слой, отображающий количество атмосферных осадков в процентном отношении и т.д.

Электронную карту в ГИС  можно рассматривать как

многокомпонентную модель реальности. Основными целями ее создания

являются:

•  графическая коммуникация пространственных отношений и распределений;

•  улучшение возможности анализа, обработки и отображения

географических информационных данных;

•  визуальное отображение цифровых моделей явлений, невидимых для человеческого глаза;

•  автоматизация отображения и картографического анализа в системах управления; исследование объектов, явлений и процессов с учетом динамики их развития и возможного использования;

•  получение аналитических решений в графическом виде в режимах реального и разделенного времени и т.д.[1]

 

5. Модели ГИС

Основой визуального представления  данных при помощи ГИС-технологий служит так называемая графическая среда. Основу графической среды и соответственно визуализации базы данных ГИС составляют векторные и растровые модели. В общем случае модели пространственных (координатных) данных могут иметь векторное или растровое (ячеистое) представление, содержать или не содержать топологические характеристики. Этот подход позволяет классифицировать модели по трем типам:

•  растровая модель;

•  векторная нетопологическая модель;

•  векторная топологическая модель.

Все эти модели взаимно  преобразуемы. Тем не менее, при получении каждой из них необходимо учитывать их особенности. В ГИС форме представления координатных данных соответствуют два основных подкласса моделей - векторные и растровые (ячеистые или мозаичные). Возможен класс моделей, которые содержат характеристики как векторов, так и мозаик. Они называются гибридными моделями.

Между векторными и растровыми изображениями имеется различие, характерное именно для ГИС. Растровые изображения отображают поля данных, т.е. носят полевой характер. Векторные изображения в ГИС, как правило, отображают геоинформационные объекты, т.е. носят объектный характер.

Если векторная модель дает информацию о том, где расположен тот или иной объект, то растровая - информацию о том, что расположено в той или иной точке территории. Это определяет основное назначение растровых моделей - непрерывное отображение поверхности.

Данные для анализа  могут быть получены из векторных  слоев, отражающих поля тематических или/и временных характеристик, растеризацией и записаны в таблицу или напрямую занесены туда из отчетов. Таблица, содержащая атрибуты объектов, называется таблицей атрибутов. В таблице каждому объекту соответствует строка таблицы, каждому тематическому признаку - столбец таблицы. Каждая клетка таблицы отражает значение определенного признака для определенного объекта.

В общем случае ввод информации для задач ГИС осуществляется комплексно: по данным дистанционного зондирования, со снимков спутников, аэроснимков, по материалам дешифрования снимков, полевым измерениям, по информации с карт.[1] 

1.6. Послойная организация данных

Концепция послойного представления графической информации заимствована из систем CAD, однако в ГИС она получила качественно новое развитие. Технологически организация слоев основана на типизации данных. Множество разнообразных данных имеет различные характеристики и в процессе визуальной обработки это множество может быть информационно перегружено. Для уменьшения информационной нагрузки на оператора графические данные типизируют и объединяют в слои. Таким образом, разбиение на слои упрощает процесс обработки и повышает ее качество. Слои в ГИС могут быть как векторными, так и растровыми, причем векторные слои обязательно должны иметь одну из трех характеристик векторных данных. Т.е. векторный слой должен быть определен как точечный, линейный или полигональный дополнительно к его тематической направленности.

Каждый слой может использоваться, как отдельно, так и в комплексе.(Рис.4) С помощью системы фильтров или заданных параметров объекты, принадлежащие слою, могут быть одновременно масштабированы, перемещены, скопированы, записаны в базу данных. В других случаях (при установке других режимов) можно наложить запрет на редактирование объектов слоя, запретить их просмотр или сделать невидимыми. Введение топологических свойств в графические данные ГИС позволяет решать многие задачи.

Рис.4 Послойная организация данных

1.7. Визуальная обработка информации в ГИС

Одним из противоречий большинства  существующих информационных систем является противоречие между высокоскоростной обработкой данных в компьютерной среде  и низкой пропускной способностью канала "человек - компьютер", особенно в  режимах интерактивной обработки. Для повышения производительности интерактивной обработки предлагают разные подходы. Одним из таких является метод визуальной обработки информации, основанный на выделении и обобщении  необходимых данных и представлении  их в визуальной форме. Данные, представление  в графическом виде позволяют  выявлять отдельные явления на порядки  быстрее, чем анализ табличной или  текстовой информации. Эффективность  визуальной обработки информации выражается в том, что она позволяют подключить к активной работе по принятию решения  резервы образного, ассоциативного мышления. Представление ситуации в  виде образов обобщает информацию и  позволяет принимать решение  специалисту в данной предметной области. Визуальная обработка информации представляет собой комплекс технологий, основанных на: группировании и обобщении  исходных данных и сопоставление  характеристикам данных графических  образов; применении методов компьютерной графики для обобщения, анализа  и представления информации; применении объектно-ориентированного подхода  для построения моделей графических  и неграфических объектов; применении современных интеллектуальных или  полуинтеллектуальных графических  интерфейсов. Можно сказать, что  визуальная обработка основана на использовании  развитых систем компьютерной графики, включающих в свой состав базы данных моделей (шаблонов - объектов) и базы данных процедур (методов обработки). Примером такого подхода может служить  визуальное программирование, которое  допускает написание программ традиционным способом и дополнительно к этому  позволяет оперативно создавать  программные проекты без использования  традиционного написания программ с созданием необходимого графического интерфейса. Визуальная обработка на уровне пользователя упрощает процесс обработки данных и снижает уровень, требуемых при обычных методах обработки, специальных знаний в области программирования и предметной области. Визуальная обработка информации основана на использовании дополнительных графических интерфейсов, позволяющих обобщать данные в удобном для пользователя виде и избегать по мере возможности вопросов, требующих специальной подготовки в данной предметной области. Эффект от технологии визуальной обработки информации во многом зависит от развитости используемых методов сбора информации, структурирования данных, построения сценариев и применяемых технологий. Большой объем достоверной информации о различных аспектах явления - признак устойчивости его динамики, залог эффективности принимаемых корпоративных решений. На ней можно построить надежную модель развития явления. При малом количестве достоверной информации особого внимания заслуживают некоторые подобласти методов искусственного интеллекта. ГИС как интегрированная информационная система включает в свой состав систему компьютерной графики и базы данных. По этой причине визуальная обработка информации в ГИС - естественное расширение возможности ее технологий. Именно это свойство делает привлекательными и доступными ГИС для широкого круга пользователей, от которых не требуется знаний ни в геодезии, ни в картографии. Для массового пользователя ГИС появились именно как системы поддержки принятия решений, использующие визуальные методы деловой и компьютерной графики. С этих позиций ГИС можно рассматривать как особый вид систем компьютерной графики. Принципиальным является то, что ГИС позволяет визуально представлять разные объекты и явления в единой системе поверхности Земли. Основой визуальной обработки информации служат графические модели, хранимые в ГИС. Как уже отмечалось это цифровые карты и цифровые модели.

 Визуальная обработка  информации позволяет пользователю, не рассматривая атрибутивные  табличные данные, работать с  графическими данными, что существенно  повышает скорость обработки  и анализа данных. Например, классическая  организация запросов в БД  требует использования специальных  языков SQL или QBE. ГИС обладает  этими возможностями как любая  информационная система. Однако  дополнительно к этому она  позволяет организовывать запросы  только на основе манипуляций  с графическими данными и графическим  интерфейсом. При этом результат  запроса может быть представлен  как в табличном, так и в  графическом виде. Например, поиск  объекта в заданной зоне. В  обычной базе данных результатом  поиска может быть таблица,  совокупность таблиц, справка. В  ГИС результатом поиска является  фрагмент территории с искомым  объектом. Для данного объекта  по мере необходимости могут  быть выведены все атрибуты, хранимые  в базе данных, а также выполнены  расчеты, показывающие, например, его  удаление от другого объекта.  Фрагмент территории может быть  детализован для выявления подробностей  или наоборот переведен в более  мелкий масштаб и генерализован.  При этом может быть получена  визуальная совокупность детализованных  фрагментов с общей генерализованной  картиной в мелком масштабе. Следует  помнить, что визуальная обработка  использует концепцию объектно-ориентированного  подхода. Последний требует более  глубокой проработки создания  информационной системы, включая  ГИС. Применение визуальной обработки  информации является эффективным  методом использования интеллектуального  потенциала, информационных потоков,  телекоммуникаций, средств мультимедиа  и геоинформационных технологий  при управлении и поддержке  принятия решений. Специалисты  различных областей уже начинают  осознавать важность данного  компонента в системе управления  и в следствии этого все  большее внимание уделяют геоинформационым  системам как системам управления  и поддержки принятия решений.[4]

1.8. Анализ данных в ГИС

Далеко не все ГИС снабжены возможностями специализированного  анализа. Связано это с тем, что  четкой схемы проведения таких работ  не существует и организации, занимающиеся ими, предпочитают производить анализ по собственным методикам и правилам. Кроме того, взгляды на приемы проведения анализа в ГИС могут меняться с течением времени. Сложность состоит  в том, что для каждой специализированной области возникает необходимость  создавать отдельное приложение и часто даже свою методику обработки. Это не всегда возможно и часто  дорого.

Географические комплексы  плохо поддаются формализации. Существующий математический аппарат недостаточно приспособлен для решения географических задач. Формулировки географических задач, описания явлений допускают некоторый  произвол или двоякое толкование. Строгие алгоритмы могут не соответствовать уровню строгости и точности самих задач. Это иногда приводит к результатам , не отвечающим существу и содержательному смыслу. В связи с этим особое внимание стоит уделить именно визуальному анализу данных.[1]

Информация в ГИС может  содержать в себе скрытые знания, закономерности и потому, при соответствующем  анализе, способна оказать влияние  при принятии решений в различных  областях человеческой деятельности.

Существует множество  способов поиска скрытых закономерностей  в данных алгоритмами, но также не стоит упускать из вида возможности  человека. Полезно сочетать огромные вычислительные ресурсы современных  компьютеров с творческим и гибким человеческим мышлением. 
Визуальный анализ данных призван вовлечь человека в процесс поиска знаний в данных. Основная идея заключается в том, чтобы представить большие объёмы географических и атрибутивных данных в такой форме, где человек мог бы увидеть то, что трудно выделить алгоритмически,  смог погрузиться в эти данные, работать с их визуальным представлением, понять их суть и сделать выводы.

С помощью ГИС пользователь способен оценивать: большие объекты  и маленькие, далеко они находятся или близко. Пользователь в реальном времени может перемещаться по карте и исследовать ее.  
Визуальный анализ данных особенно полезен, когда о самих данных мало что известно и цели исследования до конца не понятны. За счёт того, что пользователь напрямую работает с данными, представленными визуально, он может получить дополнительную информацию, которая поможет ему более чётко сформулировать цели исследования.

ГИС является хорошей средой для внедрения методов визуального  анализа информации. Это вызвано  тем, что большинство проблем  и задач в ГИС слабо структурировано  и слабо формализовано.

Визуальный анализ данных в ГИС можно выполнять в  три этапа:

• беглый анализ - позволяет идентифицировать интересные объекты на карте и сфокусироваться на одном или нескольких из них;
• увеличение и фильтрация - идентифицированные на предыдущем этапе объекты отфильтровываются и рассматриваются в большем масштабе;
• детализация по необходимости - если пользователю нужно получить дополнительную информацию, он может визуализировать более детальные данные.