ГИС как инструмент управления городом

Ввод  существующих цифровых файлов подразумевает  использование доступных наборов  данных различных ведомств и организаций. Приобретение и использование существующих цифровых наборов данных является наиболее эффективным способом заполнения ГИС. В настоящее время все более широкое распространение получает преобразование данных других цифровых источников таких как, данные на магнитных носителях, данных, доступных в сети Интернет (цифровые карты, цифровые космические снимки) и пр. Однако, нужно помнить, что пока изображения, распространяемые в Интернет зачастую имеют низкое разрешение, растровый формат и ограниченные размеры.

Главным критерием выбора формы ввода  данных является тип источника данных: для снимков предпочтительнее использовать сканирование, карты можно цифровать или сканировать. Другой критерий связан с типом модели используемой базы данных: сканирование лучше подходит для растровой модели, цифрование - для векторной.

Есть  много способов ввода данных. Одни выглядят примитивными, вроде помещения прозрачной сетки на карту. Другие - более современны, так, например, используют устройства цифрового ввода - дигитайзеры и сканеры. Перед тем, как использовать структуры данных, модели и системы, необходимо преобразовать нашу реальность в форму, понимаемую компьютером. Методы, при помощи которых это будет сделано, зависят в некоторой степени от имеющегося оборудования и от конкретной системы. Во-первых, подсистема ввода спроектирована для переноса графических и атрибутивных данных в компьютер. Во-вторых, она должна отвечать хотя бы одному из двух фундаментальных методов представления графических объектов - растровому или векторному. В-третьих, она должна иметь связь с системой хранения и редактирования, чтобы гарантировать сохранение и возможность выборки того, что мы введем, и давать возможность устранять ошибки и вносить изменения по мере необходимости.

Вначале необходимо определить, какой тип  ГИС, векторный или растровый, будет  использоваться, а также будет ли ваша ГИС способна преобразовывать эти типы данных один в другой. Некоторые программы работают главным образом на растровых структурах данных, в то время как другие оперируют в основном векторной информацией.

Хотя  преобразование между векторной и растровой формами - дело достаточно обычное, есть несколько вещей, о которых следует помнить. Чаще всего при преобразовании векторов в растр результаты получаются визуально удовлетворительными, но методы растеризации могут давать результаты, которые не удовлетворительны для атрибутов, представляющие каждую ячейку. Это особенно верно вдоль границ областей, где имеется неопределенность с присвоением ячейкам растра атрибутов с одной или другой стороны границы. С другой стороны, преобразуя растр в вектора, вы можете сохранить подавляющее большинство атрибутивных данных, но визуальные результаты будут час-то отражать блочный, лестничный вид ячеек растра, из которых преобразование было произведено. Существуют алгоритмы сглаживания этого лестничного эффекта, использующие математические методы сплайн-интерполяции. Не вдаваясь в подробности, укажем, что это просто графический прием, сглаживающий зубчатые линии и острые углы. Как ранее указывалось, существуют многие инструменты для ввода в ГИС векторных данных. Ограничим обсуждение дигитайзерной оцифровкой как распространенным "классическим" методом. Некоторые программы требуют ввода точек в определенной последовательности, в то время как другие этого не требуют. Документация и/или сама программа сообщит вам об этом. Кроме того, программа укажет, какие пронумерованные кнопки используются для ввода конкретных типов объектов. Одни кнопки используются для указания положения точечных объектов, другие - для обозначения концов прямых отрезков, третьи - для смыкания многоугольников. Многие ошибки оцифровки, особенно у новичков, происходят вследствие нажимания не тех кнопок, что требуется. Конкретная процедура оцифровки зависит также от структуры данных, которая используется программой. Одни требуют указания положений узлов, другие - нет. Одни требуют явного кодирования топологии во время оцифровки, другие используют программные методы построения топологии после того, как база данных заполнена. Правила различны для разных программ, и нужно заблаговременно просмотреть соответствующую документацию для выяснения этих стратегий. Эта работа может рассматриваться как часть процесса подготовки карты, а не самой оцифровки.

Атрибутивные  данные в векторных ГИС вводятся чаще всего с использованием клавиатуры компьютера. Хотя этот способ ввода данных предельно прост, он требует такого же внимания, как и ввод графические объектов. Причины две. Первая: опечатки совершаются очень легко. Вторая, и возможно, наиболее проблематичная: атрибуты должны быть связаны с графическими объектами. Ошибки в таком согласовании - одни из наиболее трудных для обнаружения ошибок, поскольку их не всегда можно заметить на взгляд, и они не проявляются до начала выполнения какого-нибудь анализа. Хорошей практикой является проверка атрибутов в процессе ввода, возможно, во время частых коротких перерывов для их просмотра. Время, потраченное на это, окупится затем с лихвой при редактировании.

Ввод  растровых данных следует иной стратегии, нежели ввод векторных данных. Растровый  ввод иногда все еще делается с  использованием накладной сетки, когда атрибуты вводятся последовательно, друг за другом. Широкая доступность сканеров быстро вытесняет этот трудный метод ввода, однако его применение хорошо иллюстрирует разные методы, используемые программами оцифровки для ввода ячеек растра. В прошлом часто использовался также метод оцифровки растра с помощью дигитайзера, когда полученный с дигитайзера контур объекта в виде векторов затем заполняется пикселями уже самой программой оцифровки.

Прежде  всего, необходимо решить, какую площадь должна занимать каждая ячейка растра. Это решение должно быть принято до начала оцифровки или наложения сетки, чтобы сообщить программе оцифровки размер ячейки или дать оператору сведения о размерах квадратов сетки. Кроме того, нам следует решить, пригодится ли какой-нибудь метод кодирования (типа группового или блочного кодирования), который мог бы сократить процесс. При том, что методы сжатия данных хороши для уменьшения их объема, использование этих методов при вводе может оказаться не менее важным благодаря сокращению времени ввода. Некоторые растровые ГИС, не поддерживающие ввод с дигитайзера или поддерживающие ввод и с клавиатуры, и с дигитайзера, имеют команды, позволяющие вводить данные в виде цепочек или блоков атрибутов. Выбрав метод ввода, вы должны решить, как каждая ячейка растра будет представлять различные имеющиеся темы. Помимо разрешения растра, это может быть наиболее важным мщением, которое вы должны принять. Рассмотрим этот вопрос более подробно.

Для ввода  растровых данных наиболее широко применяются сканеры. Однако следует учитывать, что введенные со сканера тематические данные не становятся автоматически тематическими данными в растровой ГИС. Дело в том, что однородно закрашенные на карте области после считывания сканером неизбежно получают некоторый разброс значений, вследствие многих причин: неоднородность нанесения краски на карту, незаметная для глаз, неоднородность подсветки в сканере, износ карты и т.д. Кроме того, тематические карты обычно печатаются офсетным способом, который предполагает образование всего богатства полутонов и цветовых оттенков смешением мельчайших точек красок небольшого числа цветов. При сканировании эти незаметные на глаз точки, превращаются во вполне самостоятельные пиксели, образующие "винегрет" на месте внешне однородной по цвету области. Естественно, такие карты не пригодны для анализа. Результат сканерного ввода в сильной степени зависит от соотношения разрешений сканера и полиграфического растра. Именно сложность решения этой проблемы приводит иногда к решению использовать упомянутый выше способ ввода растровых данных посредством векторной оцифровки контуров объектов с последующим преобразованием в растр.

5. Компоновка

Компоновка - это процесс сборки программы  из объектных модулей, в котором  производится их объединение в исполняемую программу и связывание вызовов внешних функций и их внутреннего представления (кодов), расположенных в различных объектных модулях.

Компоновка  это процесс, который позволяет  правильно связать каждое вхождение  идентификатора с одним конкретным объектом или функцией. Все идентификаторы имеют один из трех атрибутов компоновки, тесно связанных с их контекстом: внешняя компоновка, внутренняя компоновка или отсутствие компоновки. Эти атрибуты определяются местоположением и форматом объявлений, а также явным (или неявным по умолчанию) использованием спецификатора класса памяти static или extern.

Каждое  вхождение конкретного идентификатора с типом компоновки external представляет тот же самый объект или функцию  во всем множестве файлов и библиотек, составляющих программу. Каждое вхождение конкретного идентификатора с типом компоновки internal представляет тот же самый объект или функцию только в пределах одного файла. Идентификаторы с типом компоновки no (отсутствие) представляет уникальные элементы программы.

Ниже  приводятся правила внешней (external) и  внутренней (internal) компоновки: любой  идентификатор объекта или файла, имеющий файловый контекст, будет  иметь внутренний тип компоновки, если его объявление содержит спецификатор класса памяти static. Для С, если один и тот же идентификатор в пределах одного файла появляется и с внутренним, и с внешним типом компоновки, то идентификатор будет иметь внутренний тип компоновки; если объявление идентификатора объекта или функции содержит спецификатор класса памяти extern, то идентификатор имеет тот же тип компоновки, что и видимое объявление идентификатора с файловым контекстом. Если такого видимого объявления не имеется, то идентификатор будет иметь внешний тип компоновки; если функция объявлена без спецификатора класса памяти, то ее тип компоновки определяется, как если бы был использован спецификатор класса памяти extern; если идентификатор объекта с файловым контекстом объявлен без спецификатора класса памяти, то идентификатор имеет внешний тип компоновки.

Следующие идентификаторы не имеют атрибута типа компоновки: любой идентификатор, объявленный  иначе, чем объект или функция; параметры  функции; идентификаторы с контекстом блока в случае объектов, объявленных  без спецификатора класса памяти extern.

6. Основные  способы обозначения масштаба  на карте

Масштаб определяет степень уменьшения объектов при переходе от натуры к изображению. Он характеризуется отношением длины  линии на изображении к соответствующей  линии на местности, точнее к длине горизонтальной проекции линии на поверхность эллипсоида. Строго говоря, масштаб постоянен только на плане - крупномасштабном изображении ограниченного участка земной поверхности, когда можно не учитывать ее кривизны. На карте масштаб различен в разных ее точках и изменяется, за исключением равноугольных проекций, в зависимости от направления. Поэтому различают главный и частный масштабы карт. Главный масштаб показывает, во сколько раз линейные размеры на карте уменьшены по отношению к эллипсоиду или шару. Этот масштаб подписывают на карте, но необходимо иметь в виду, что он справедлив лишь для отдельных линий и точек, где искажения отсутствуют. Частный масштаб отражает соотношения размеров объектов на карте и эллипсоиде (шаре) в данной точке. Он может быть больше или меньше главного. Частный масштаб длин показывает отношение длины бесконечно малого отрезка на карте к длине бесконечно малого отрезка на поверхности эллипсоида или шара, а частный масштаб площадей передает аналогичные соотношения бесконечно малых площадей на карте и на эллипсоиде или шаре.

Независимо  от выбора парадигмы при рассмотрении пространства в виде карты, необходимо помнить, что карты - это упрощение  действительности. Главная цель любой  тематической карты - показать важные сведения для большого региона без отвлечения внимания на неуместные или избыточные подробности. Степень упрощение определяется уровнем детализации, который требуется для исследования области. При рассмотрении очень маленькой области, такой как одно поле (скажем,20 га), не требуется упрощения реальности в такой же степени, как и для области в 1000 км.

Масштаб - термин, часто используемый для  обозначения степени уменьшения на картах. Наиболее легко он может быть выражен как отношение длины некоторого отрезка на карте к длине того же отрезка на земле. Например, легенда карты может сообщать, что одному сантиметру на карте соответствуют 500 м на земле. Масштаб, выраженный словами "в одном сантиметре 500 метров" называется вербальным масштабом. Этот распространенный способ выражения масштаба имеет преимущество легкого понимания большинством пользователей карт. Другим распространенным представлением является численный масштаб, когда расстояние на карте и расстояние на земле даются в одних единицах измерения, как дробь, устраняя тем самым необходимость упоминать единицы измерения. Численный масштаб обычно предпочитаем опытными пользователями карт, поскольку он устраняет путаницу с единицами измерения. Специалисту по ГИС особо следует помнить о необходимости устанавливать, какой из этих двух способов выражения масштаба используется.

Линейный  масштаб - еще один из основных методов  выражения масштаба. Здесь действительные расстояния на земле показываются прямо  на карте. На карте могут быть показаны и реальные площади, но это встречается  гораздо реже. Манипуляции с картами  в ГИС с большой вероятностью влекут за собой многие изменения масштаба выходных документов, в зависимости от требований пользователя. Во время ввода карты на нее может быть помещена масштабная линейка, и при изменении масштаба на выходе будет изменяться и сама линейка.

Начав работать с ГИС, вы обнаружите, что  большинство программ очень легко  выполняют изменения масштаба. И  конечно, масштаб входных данных может отличаться от масштаба отображения  результатов. Способность программного обеспечения как угодно преобразовывать масштаб карты может привести к чрезмерному доверию к карте, что может в дальнейшем вызвать некоторые проблемы. Достоверность результатов анализа существенно зависит от качества данных, вводимых в систему. Эта надежность, в свою очередь, зависит в большой степени от масштаба вводимых карт. Масштаб карты бывает численным (отношение чисел или дробь, например, 1: 25 000 или 1/25000); словесным или линейным (графическим). В приведенном примере единица длины на карте соответствует 25 000 таких единиц на местности. Это же соотношение может быть выражено словами: "1 см равен 250 м" или, еще короче: "в 1 см 250 м". В некоторых странах, традиционно использующих несимметрические меры длины (США и др.), масштаб выражается в дюймах, футах и милях, например, 1: 63 360 или "в 1 дюйме 1 миля". Линейный масштаб изображается в виде линии с нанесенными через определенные интервалы делениями, против которых обозначены соответствующие им расстояния на земной поверхности. Графическое представление масштаба имеет определенные преимущества перед двумя другими способами его выражения. В частности, если размер карты изменяется при копировании или проекции ее на экран, то только графический масштаб, подвергающийся изменениям вместе со всей картой, остается правильным. Иногда в дополнение к масштабу длин используется также масштаб площадей.

7. ГИС  как инструмент управления городом

Для принятия какого-либо решения разработки проектов развития и использования территорий, необходимо для начала понять - что  из себя эта территория представляет: сколько здесь проживает населения, чем оно занято, в каких условиях живет; какие здесь есть полезные ископаемые и в каком количестве; каковы инженерно-строительные условия; что представляют из себя лесные массивы; как используются пахотные земли и в каком они состоянии; в каком состоянии луга и пастбища и какова их продуктивность; что из себя представляет промышленность территории, насколько она эффективна и какие виды промышленного производства экономически выгодно здесь развивать; каковы резервы водоснабжения; в каком состоянии и какие резервы у энергоснабжения; какая транспортная сеть на территории, каковы ее транспортные связи, в каком состоянии магистрали, железные дороги, аэропорты; какова, наконец, экологическая ситуация и чем она вызвана и т.п. Это является типично ГИСовской задачей.

Поставленная  задача во всем мире традиционно решается урбанистами, которых у нас в  стране исторически называют градостроителями. Это специалисты, которые работают с территорией комплексно, рассматривая ее как единый сложный организм, в котором переплетены геолого-географические явления и различные направления хозяйственной деятельности человека; организм, представляющий собой определенную целостность, со своими законами развития. Нарушение этих законов ведет к деградации территории, ухудшению условий проживания населения, снижению уровня жизни, то есть к тому, что и происходит сейчас на территории России практически повсеместно.

Приведем  наиболее характерные примеры использования  космической информации и ГИС-технологий.

В Перми, на основе космической съемки SPOT, а  также фондовых материалов, были созданы  цифровые карты современных ландшафтов, использования земель, инженерно-строительных условий и традиционные градостроительные  схемы: функционального зонирования, транспорта, магистральных инженерных сетей, планировочных ограничений (санитарно-защитные зоны предприятий, зоны от трубопроводов, водоохранные зоны и т.п.) и многие другие. Система создавалась с помощью программных средств PC ARC/INFO и ArcView GIS. В процессе дешифрирования космических изображений SPOT были выявлены многочисленные изменения состояния окружающей среды, по сравнению с традиционными картографическими материалами - новая, главным образом, усадебная застройка; карьеры, свалки, другие нарушения почвенно-растительного покрова; новые дороги и другие линейные сооружения. Особенно показательно то, что по космической съемке обнаружены очень значительные нарушения зеленой зоны Перми к востоку от города несанкционированными рубками, строительством и т.п. Материалы дешифрирования космических изображений существенно повлияли на разработку проектных предложений Генерального плана. Применяя ГИС-технологии, проектировщикам удалось решить многие задачи - от выбора территорий для нового жилищного строительства и комплексной градостроительной оценки этих новых площадок до разработки предложений по развитию социальной инфраструктуры (на основе компьютерного анализа обеспеченности микрорайонов детскими садами, школами, поликлиниками и т.п. в сравнении с нормативными показателями).