Порядок создания ГИС-проектов

Классификация и краткая характеристика программного обеспечения ГИС

Классификация программного обеспечения ГИС и реализация ГИС-проектов

Чтобы охарактеризовать ГИС-продукцию выделим следующие ее категории:

· специализированное программное обеспечение;

· комплексные системы, включающие все виды обеспечения (методическое, программное, техническое и др.), присущие развитым информационным системам;

· геоинформационные базы данных различного назначения на носителях цифровой информации;

· аэро- и космические снимки, тематические карты и изображения, текстовые отчеты.

Если говорить о специализированном программном обеспечении, то в данной категории ГИС-продуктов выделяется несколько классов, различающихся по своим функциональным возможностям и технологическим этапам обработки информации:

1. Инструментальные ГИС;

2. ГИС-вьюверы;

3. Средства обработки данных дистанционного зондирования;

4. Векторизаторы растровых картографических изображений;

5. Средства пространственного моделирования;

6. Справочно-картографические системы.

Инструментальные ГИС - это в наибольшем числе случаев самодостаточные пакеты, включающие такой набор функций, который покрывает все стадии технологического цикла: ввод - обработка - анализ - вывод результатов. Самые мощные представители этого класса именуются «full GIS» (полнофункциональная ГИС). Они обеспечивают:

- двустороннюю связь между картографическими объектами и записями табличной базы данных;

- управление визуализацией объектов;

- работу с точечными, линейными и площадными объектами;

- ввод карт с дигитайзера и их редактирование;

- поддержку топологических взаимоотношений между объектами и проверку с их помощью геометрической корректности карты (замкнутость площадных объектов, связность, прилегание);

- поддержку нескольких картографических проекций;

- геометрические измерения на карте (длина, периметр, площадь);

- построение буферных зон вокруг объектов;

- оверлейные операции (наложение различных площадных объектов);

- создание собственной символогии (новые типы маркерных знаков, типов линий, типов штриховок);

- создание дополнительных элементов оформления карты (подписи, рамки, легенды);

- подготовка и вывод высококачественных твердых копий;

- решение транспортных задач (кратчайший путь на графе и т.п.);

- работу с цифровой моделью рельефа;

- обработку данных съемки местности;

- поддержку разработчика встроенными средствами программирования.

Наиболее известными представителями этого класса являются: линия пакетов ARC/INFO компании ESRI, США (ARC/INFO, PC ARC/INFO, ArcCAD); линия пакетов компании Intergraph (MGE-PC), США; пакет AutoCAD Map компании Autodesk; SMALLWORLD (SmallWorld System, Великобритания); MapInfo (MapInfo Corporation, США); SPANS от TYDAC; GEO-SQL фирмы Generation 5.

ГИС-вьюверы - это недорогие (по сравнению с full GIS), облегченные пакеты с ограниченной возможностью редактирования данных, предназначенный в основном для визуализации и выполнения запросов к базам данных (в том числе и графическим), подготовленным в среде инструментальных ГИС. Большинство из них позволяют оформить и вычертить карту. Как правило, все разработчики полнофункциональных ГИС предлагают и ГИС-вьюверы: ArcView ( ESRI, США); WinCAT( Siemens Nixdorf, Германия); SPANS MAP; Project Viewer.

Средства обработки данных дистанционного зондирования предназначаются для предварительно обработки материалов, полученных в результате аэро- и космических съемок земной поверхности. Основные этапы обработки:

1. Предварительный (геометрическая и яркостная коррекции, составление мозаики из нескольких снимков);

2. Тематический - классификация, построение цифровой модели рельефа (ЦМР), автоматическое выделение (распознавание, дешифрирование) объектов.

Для пользователя ГИС основная обработка - это проблемная, связанная в итоге с дешифрированием снимков. Дешифрирование, в свою очередь, подразделяется на объектное и тематическое. Объектное включает контурное дешифрирование (максимально точное проведение контуров и границ объектов: земельных участков, сельхозугодий, контуров зданий, полотна шоссейной дороги и т.д.) и идентификацию (опознание и выделение конкретных объектов). В тематическом дешифрировании акцент делается не столько и не только на точную отрисовку границ объекта, сколько на правильное его наполнение тематическим содержанием (например, какая толщина нефтяной пленки на водной поверхности). Самые известные представители этого класса продуктов: ERDAS Imagine; ER Mapper; серия продуктов Intergraph; TNT Mips.

Средства пространственного моделирования предназначены для решения задач моделирования пространственно-распределенных параметров. К этим задачам следует отнести:

· обработку результатов полевых измерений;

· построение 3-мерной модели рельефа;

· построение моделей гидрографической сети и определение участков затопления;

· расчет переноса загрязнения и т.д.

Представители: линия продуктов фирмы Eagle Point, США; линия продуктов фирмы SOFTDESK, США.

Справочно-картографические системы. Это закрытые (в отношении формата и адаптации) оболочки, содержащие простой механизм запросов и отображения. Пользователь, как правило, лишен возможности изменения данных.

Как правило, проект ГИС организуется в виде последовательности логических шагов, каждый из которых основан на предыдущем.

1. Создание базы данных. Это самая критичная и зачастую наиболее трудоемкая часть проекта. Полнота и точность базы данных определяют качество анализа и конечных продуктов. Разработка цифровой базы данных включает следующие шаги:

1. Проектирование базы данных. Включает определение:

· границ исследуемой территории,

· используемой системы координат,

· необходимых слоев данных (или покрытий),

· объектов в каждом слое,

· атрибутов, необходимых для каждого типа объектов,

· способов кодирования и организации атрибутов.

2. Ввод данных в компьютер. Эта стадия состоит из несколько шагов:

· помещение пространственных данных в базу данных - оцифровка и/или преобразование данных из других форматов,

· приведение пространственных данных в пригодный вид: проверка и исправление ошибок, а затем создание топологии,

· помещение атрибутивных данных в базу данных - ввод атрибутивных данных в компьютер и связывание атрибутов с пространственными объектами.

3. Управление базой данных - преобразование пространственных данных в реальные координаты, стыковка смежных покрытий и манипулирование базой данных.

2. Анализ данных. Именно здесь проявляется истинная мощь ГИС. С помощью ГИС эффективно могут быть решены крайне трудоемкие или вообще нерешаемые вручную аналитические задачи. Кроме того, можно легко проверять альтернативные сценарии, внося незначительные изменения в методы анализа.

3. Представление результатов анализа. ГИС предоставляет множество возможностей для составления специализированных карт и отчетов. Конечный продукт должен четко соответствовать целям проекта и уровню планируемых потребителей, которые были определены в начале проекта

Работа по вводу данных. Существует несколько способов ввода пространственной информации в ГИС с использованием традиционных карт и планов:

· цифрование с использованием дигитайзера (дигитализация);

· цифрование растрового изображения на экране компьютера (векторизация).

Дигитализация имеет две разновидности: по точкам и потоком, а векторизация — три: ручная, интерактивная и автоматическая.

Дигитализация по точкам. Этот способ является самым старым из всех перечисленных. Оператор обводит курсором дигитайзера контуры, нажимая при этом необходимые кнопки. При каждом нажатии в компьютер посылается код кнопки и/или координаты точки пересечения нитей курсора. Изображения обведенных линий и объектов появляются на экране монитора. Этот метод не требует специализированной аппаратуры (кроме дигитайзера) и сложного программного обеспечения, однако, является чрезвычайно трудоемким. При цифровании по точкам ошибки со стороны оператора практически неизбежны.

Дигитализация потоком. Этот метод практически ничем не отличается от предыдущего, это скорее просто другой режим работы дигитайзера, при котором с планшета дигитайзера, по сути представляющего из себя проволочную сетку, сигнал будет подаваться не при нажатии на клавишу курсора, а при пересечении курсором линий сетки, что избавляет оператора от необходимости постоянно нажимать на клавишу. С этим методом связано неудобство хранения большого количества, возможно, лишних координат, получающихся при пересечении линий сетки. Такой режим цифрования позволяют реализовать большинство распространенных дигитайзеров.

Ручная и интерактивная векторизация по подложке. Эти методы также называют цифрованием на экране. Они требует специализированного, сложного программного обеспечения и мощной аппаратуры, так как для них необходимы быстродействующий компьютер и значительные объемы памяти. Отсканированное изображение из файла выводится на экран монитора, и само цифрование осуществляется по этой «подложке», обычно при помощи «мыши». Здесь каждый объект, как и в традиционном цифровании, оператор должен «обвести», только не на планшете, а на экране. При ручной векторизации все операции выполняет сам оператор, а при интерактивной часть операций производится автоматически. Так, например, при векторизации горизонталей достаточно задать начальную точку и направления отслеживания линий. Далее векторизатор сам отследит эту линию до тех пор, пока на его пути не встретятся неопределенные ситуации (разветвление или разрыв линии). Оператор «помогает» программе разрешить неопределенность, и векторизация продолжается до появления новой. В основе метода лежит «умение» программы распознать направление «обхода» объекта в его поточечном изображении. Большинство векторизаторов, работающих в интерактивном режиме, обладают возможностями настройки на преодоление некоторых неопределенных ситуаций, что позволяет векторизовать, например штриховые и штрихпунктирные линии, горизонтали с бергштрихами, бровки оврагов и т.п.). Возможности интерактивной векторизации прямо связаны с качеством исходного материала и сложностью карты. Несмотря на трудоемкость, эти способы позволяют добиться гораздо большей точности, чем при обычном цифровании дигитайзером, поскольку линии проводятся прямо по линиям, полученным со сканера, а изображение на экране может быть увеличено до необходимых размеров.

Автоматическое цифрование. Автоматическое цифрование подразумевает очень небольшое по сравнению со всеми остальными способами вмешательство оператора в работу системы. Карта вначале сканируется, а затем автоматически переводится в векторный формат. Этот тип ввода информации состоит из этапов предварительного редактирования, непосредственного перевода из растрового формата в векторный и окончательного редактирования. Некоторые программные продукты, реализующие этот метод, такие как Profession Conversion Series фирмы Gtx Corp, (Poenix, Aris, USA), корректируют всевозможные помехи (пятна, грязь и др.) с использованием специальных программ. Эти системы по заложенным в них образцам распознают символы, линии, окружности и т.п. Эти программные продукты могут работать в пакетном режиме, что еще более ускоряет процесс. Окончательное редактирование обязательно проводится после перевода форматов. Оно необходимо, поскольку даже самая изощренная программа может неверно распознать объект, принять, например, символ за группу точек, определить площадь как набор линий и т.п. Каждый программный продукт обладает различными возможностями корректирования таких ошибок.

Выбирая нужную технологию, приходится учитывать ряд факторов, к которым относится оценка характера документов, подвергающихся обработке, цели работы, стоимость программного продукта, трудовые затраты, количество документов и т.п. Конечно, автоматический перевод из растрового формата в векторный выглядит наиболее привлекательным, однако, часто встречающиеся на карте перекрытия символов, большое количество текста, нестандартная знаковая система, значительный диапазон масштабов, неодинаковое качество исходных карт заставляют отказаться от такой технологии. Представляется необходимым в качестве базовой иметь технологию цифрования, и дополнительно что-то еще в зависимости от конкретных условий.

Технология цифрования при помощи дигитайзера

Цифрование — это перевод пространственной информации в цифровую форму. Точки, линии и площади отображаются в виде последовательности пар координат х,у. Точки представляются одной парой координат, линии - строкой координат, а полигоны формируются из линий.

Цифрование осуществляется при помощи дигитайзера. Развитые ГИС позволяют работать с дигитайзерами различных типов, среди которых встречаются и однокнопочные и семнадцатикнопочные, имеющие и не имеющие встроенные меню. Единообразие работы в них осуществляется имитацией встроенного меню, если количество кнопок на дигитайзере недостаточно.

Поскольку классические карты выполнялись на неодинаковых носителях: на бумаге, на жесткой основе — металле, пластмассе, фанере и т.п., то в процессе работы могут возникать разнообразные проблемы. Например, через некоторые виды жестких основ не проходит совсем или проходит слишком слабый сигнал от курсора к планшету, и материал практически невозможно оцифровать.

Бумажные карты зависят от условий хранения, могут быть мятыми, деформированными, рваными. Конечно, если есть возможность выбора, надо пользоваться хорошо сохранившимися картами, поскольку все деформации переносятся в итоговый файл. Возможно также копирование карт с тонкой, легко мнущейся основы на более твердую для избежания дополнительной деформации во время работы. Кроме того, недостаточно жесткое крепление (подвижность) карты на планшете приводит к ошибкам и искажениям из-за смещения координат. Другим важным условием качественной работы является хорошая читаемость карты, четкость печатного изображения, позволяющего легко выделять контуры.

Предварительная подготовка к цифрованию включает в себя выделение объектов, принадлежащих к одному слою (например, гидрография) и/или к одному типу (линии, точки, полигоны). Каждому объекту должен быть присвоен порядковый номер, устанавливающий последовательность цифрования, по которому затем будет добавлена атрибутивная информация. В некоторых системах она добавляется сразу при цифровании, в других — после полного завершения процесса, иногда допускается и тот и другой способ.

В начале цифрования лист должен быть надежно закреплен на планшете. Поскольку каждый дигитайзер имеет собственную систему координат, важно иметь возможность перевести эти условные координаты в истинные географические. Поэтому в начале сеанса работы (или если лист сдвигался между сеансами) снимаются координаты нескольких (не менее двух) так называемых установочных точек, для которых должны быть известны их координаты в системе координат дигитайзера и в истинной географической системе. Эти координаты в дальнейшем используются для пересчета всех остальных точек в нужные координаты.

Существует несколько основных приемов, позволяющих провести цифрование аккуратно и избежать последующего долгого исправления ошибок. Например, всегда лучше несколько увеличить действительную величину цифруемого листа, что позволяет «довести» линии, отсекаемые краями карты. При этом удается гораздо точнее соединить этот лист с соседними. Обратить внимание следует на аккуратное определение мест пересечения линий, выделение наиболее точного местоположения пересечения в процессе подготовки к цифрованию.

Обязательно также отмечать точку полигона, принимаемую за начальную, для того, чтобы не обходить дважды начало линии. Номер, присваиваемый полигону, лучше всего ставить внутри него, чтобы не путать идентификаторы смежных площадей.

Большинство ГИС снабжены возможностями, обеспечивающими аккуратное цифрование, например, точное начало одной линии на другой, что важно, например, при цифровании реки и ее притоков. Необходимо, чтобы линия, изображающая приток, точно начиналась на «русле», иначе при решении разного рода задач (поиска оптимального пути и т.п.) ГИС не сможет найти правильного решения, да и при простой визуализации в крупном масштабе окажется, что они не соединены.

К другим возможностям того же плана относятся: замыкание линий, привязки к началу, концу, произвольной точке выбранной линии, оцифрованной ранее, и т.п.

После окончания подготовительных работ можно приступить к самому процессу, который заключается в обведении перекрестьем нитей цифруемого контура, с нажатием при этом соответствующих клавиш, описание назначений которых приводится в документации, сопровождающей конкретную ГИС. При этом на мониторе появляется изображение обведенного участка.

Преобразование оцифрованного покрытия в реальные координаты

Когда карта оцифрована, координаты хранятся первоначально в единицах оцифровки. Для того, чтобы сделать эту информацию осмысленной, а также чтобы ввести масштаб, необходимо преобразовать эти величины в реальные координаты в той же проекции, в которой была и исходная карта. Этот процесс называется преобразованием.

Положение регистрационных точек может быть определено на картах с помощью х и y – координат в известной системе реальных координат. Обычно их задают как в единицах картографических проекций – в метрах или футах, так и в градусах широты и долготы. Часто реальные координаты для этих точек берутся из исходной карты.

Создаваемая таблица реперов, содержит список всех регистрационных точек с номерами и координатами, считанными с исходной карты. Имея координаты реперов в картографической проекции, процедура преобразования переводит все оцифрованные координаты в реальные.

Анализ данных. ГИС как средство принятия решений. Хотя хранящаяся в ГИС информация и представляет собой основную ценность, она приносит практическую пользу только при решении прикладных задач. Каждая ГИС кроме модулей, занимающихся вводом и выводом информации, обязательно комплектуется средствами, предназначенными для решения специфических задач пользователя. К настоящему времени сложился круг обязательных функций, наличие которых требуется от любой ГИС. Это прежде всего арифметические и геометрические функции, сетевой анализ, анализ наложений, выделение объектов в новый слой и утилиты работы с полями баз данных.

Утилиты работы с полями баз данных. Функции работы с полями баз данных включают в себя поиск имени поля и его значения, поиск по маске, создание, редактирование и удаление поля, калькуляцию, классификацию и перегруппировку.

Калькуляция — генерирование нового значения по полям старых значений баз данных согласно введенной формуле. Например, рассчитать площадь земельного участка по масштабу карты и координатам.

Классификация — генерация нового значения поля по классификационным правилам. Примером классификации может служить задача определения площадей земельных участков — крупных, средних и мелких по численному значению старых полей.

Перегруппировка — генерирование нового значения по группам подобных значений. Например, группировать площади земельных участков подсчетом общей площади каждого типа участка.

Геометрические и арифметические утилиты. Геометрические утилиты используются для анализа пространственных данных и связей между ними. Очень часто в них создается так называемая буферная зона — район, граница которого отстоит на заданном или высчитанном расстоянии от границы исходного объекта. Например, когда расширяется дорога из-за растущей транспортной нагрузки, функциями ГИС создается район вокруг нее. В этот район попадают участки земли, по которым пройдет расширенная дорога, т.е. может быть решена задача определения владельцев этих участков и суммы компенсаций за прохождение дороги по их землям. Другие утилиты используются для подсчета необходимой площади осушаемых земель, площадей лесов, теряемых в результате пожаров и т.п.

К обязательным арифметическим (картометрическим) функциям ГИС относятся расчеты площадей, длин, периметров, площадей склонов и т.д.

Сетевой анализ позволяет пользователю проанализировать пространственные сети связных линейных объектов (дороги, водопроводы, линии электропередачи и т.п.). В описании каждого вида сетей наблюдается много общего, но имеются и некоторые различия. Транспортные сети представляют из себя различные классы дорог, объединенные вместе перекрестками. Авиалинии и пути движения судов похожи на дорожные сети, однако их положение не имеет строгой координатной привязки к поверхности. Электрические сети прежде всего характеризует наличие в них различных типов кабелей, а сети воды и газа — большой диапазон объемов труб, типов станций и т.п.

В классическом представлении сеть считается набранной из линий, которые могут иметь не более двух общих точек с другими линиями — начала и конца. Точку касания принято называть узлом. Другим важным фактором, определяющим сеть, является способ соединения ее элементов. Во всех типах сетей встречаются два типа соединений — «из/в», «из/через».

Первый тип соединения относительно прост и встречается чаще всего. Второй тип означает, что объект А соединяется с В через промежуточный С. Такой тип соединения встречается обычно в электрических сетях. Например, серия кабелей подходит к узлу, серия кабелей выходит из него, однако не все кабели соединяются со всеми. Этот тип соединения нельзя описать конструкциями первого типа. Учет типов сетей и особенностей их соединений обязателен при проведении анализа, иначе трудно правильно интерпретировать полученные результаты.

Математически сети описываются теорией графов, а решение многих сетевых задач дает линейное программирование. Обычно сетевой анализ служит для задач определения ближайшего, наиболее выгодного пути, определения уровней нагрузки на сеть, для определения зон влияния на объекты сети других объектов. Типичной задачей может быть, например, составление перечня улиц, жители которых отправляют своих детей в одну из наиболее близко расположенных школ. Критериями, позволяющими определить зоны влияния в этом случае, могут служить расстояние до школы, доступность пути, напряженность движения на нем, количество школьников, которых школа может вместить и т.п.

Еще одной типичной задачей сетевого анализа является определение адреса. С картой дорог связывается файл БД, содержащий необходимую информацию. Это позволяет определить адрес, при условии указания координат и наоборот, маршрут и др.

С участками сети обычно связывают понятие направления движения, данные о котором хранятся в БД, связанной с сетью. Другими данными, относящимися к сети, могут быть мощность потока, его временные интервалы и т.п.

Выделение объектов по пространственным критериям. Эта функция осуществляет поиск в пространственной базе данных объектов, удовлетворяющих заданному критерию или критериям. Найденные объекты могут переноситься в новый слой, при этом может при желании быть модифицировано содержимое старого слоя. Одновременно корректируется содержимое старой тематической базы данных и заводится новая база для вновь образованного слоя.

Зонирование. Основное назначение функций этой группы состоит в построении новых объектов — зон, т.е. участков территорий, однородных в смысле выбранного критерия или группы критериев. Границы зон могут либо совпадать с границами ранее существовавших объектов (например, задача определения "нарезки" избирательных округов по сетке квартального деления), либо строятся в результате различных видов моделирования (зоны экологического риска). Типичные задачи этого типа: выделение зон градостроительной ценности территорий, зон экологического риска, зонирование урбанизированных территорий по транспортной доступности, построение зон обслуживания поликлиник и т.д. Работа может производиться как с растровыми, так и с векторными изображениями. Расчеты производятся как по одной, так и по группе характеристик и могут быть обобщены по заданным пользователем критериям.

Создание моделей поверхностей. Эта группа функций включает построение моделей изолинейных изображений по регулярным и нерегулярным точкам и моделей трехмерной визуализации (например, построение панорамы города в аксонометрической или иной проекции). Расчет производится по содержащимся в базах данных численным характеристикам. Моделироваться могут как изображение действительного рельефа или непрерывного поля, современного или с учетом динамических изменений, так и воображаемые поверхности, построенные по одному или нескольким показателям, например, поверхность цен на землю, плотность дорожной сети или населения и т.п.

Анализ растровых изображений. В качестве таких изображений в ГИС обычно выступают снимки или растеризованные векторные изображения. Преимущество снимков — в их современности и достоверности, поэтому достаточно часто встречающийся вид анализа в этой группе — временной. Сравниваются и ищутся различия между снимками различной давности, таким образом оценивается динамика произошедших изменений. Не менее часто анализируются пространственные взаимосвязи двух или нескольких явлений.

К снимкам может быть также применен кластерный анализ, на основе которого производится классификация, выделяются области лесов, рек, полей и т.п.

С растровыми образами производятся картометрические вычисления: длин, площадей, объемов.

Специализированный анализ. Далеко не все ГИС снабжены возможностями специализированного анализа, например, геологического. Связано это с тем, что четкой схемы проведения таких работ не существует и организации, занимающиеся ими, предпочитают производить анализ по собственным методикам и правилам. Работа со специфическими данными по специальным алгоритмам является характерной чертой этого типа анализа. Кроме того, нельзя не учитывать, что взгляды на приемы его ведения могут меняться с течением времени. Поэтому такие возможности в ГИС реализуются средствами создания приложений самими пользователями. Однако некоторые фирмы такие, как INTERGRAPH, ESRI предоставляют пользователям возможность укомплектовывать систему фирменными модулями, реализующими специализированные анализы, в частности, геологический и нефтедобывающий. В пакет фирмы INTERGRAPH, посвященный геологическому анализу, входят: работа с сейсмическими данными, анализ геологических отложений, геофизическая интерпретация и т.п.

Литература к главе 4:

Сводный план 2005 г., поз.80

Сменцарев Геннадий Васильевич