Анализ в географических информационных системах

fy">     В заключение параграфа стоит отметить, что определение ГИС как «компьютеризованной базы данных (БД)», «как системы управления», в которой хранятся «пространственные данные», следует считать неверным либо устаревшим по ряду причин. Во-первых, база данных (и не одна) может входить в состав ГИС, а полная технология обработки информации в ГИС значительно шире, чем работа с базой данных. Во-вторых, современная ГИС рассчитана не просто на обработку данных, а на проведение во многих ситуациях экспертных оценок. Другими словами, ГИС должна включать в свой состав экспертную систему, а этого только на уровне базы данных достичь невозможно, так как экспертная система является более общей по отношению к БД. Наконец, данные, которые обрабатывает и хранит ГИС, имеют не только пространственную, но и временную характеристику, что важно в первую очередь для географических данных.

     На  основе анализа целей и задач  различных ГИС, функционирующих в настоящее время, более точным следует считать определение ГИС как геоинформационных систем, а не как географических информационных систем. Это обусловлено и тем, что процент чисто географических данных в таких системах незначителен, технологии обработки данных имеют мало общего с традиционной обработкой географических данных и, наконец, географические данные служат лишь базой решения большого числа прикладных задач, цели которых далеки от географии.

     Таким образом, ГИС - автоматизированная информационная система, предназначенная для обработки пространственно-временных данных, основой интеграции которых служит географическая информация. 
 

3. Структура ГИС.

     Геоинформационные системы  включают в себя пять ключевых составляющих:

• аппаратные средства;
• программное обеспечение;
• данные;
• исполнителей;
• методы.

     Аппаратные  средства – это компьютер, на котором  функционирует ГИС,  и все периферийные устройства, которые используются для получения информации, ввода ее в ЭВМ и предоставление пользователю ГИС  результатов. В настоящее время ГИС работают на различных типах компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров.

     Программное обеспечение ГИС содержит  инструменты, необходимые для хранения, анализа  и визуализации географической (пространственной) информации. Ключевыми компонентами программных продуктов являются: средства ввода и оперирования географической информацией; система управления базой данных; инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения); графический пользовательский интерфейс для легкого доступа к инструментам и функциям.

     Данные  – это наиболее важный компонент ГИС. Данные о пространственном положении (географические данные) и связанные с ними табличные или атрибутивные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем, либо приобретаться у поставщиков на коммерческой или другой основе. В процессе обработки  данных ГИС интегрирует пространственные данные с другими типами и источниками данных, а также может использовать СУБД, применяемые многими организациями для упорядочивания и поддержки имеющихся в их распоряжении данных.

     Исполнители. Широкое применение технологии ГИС невозможно без людей, которые работают с программными продуктами и разрабатывают планы их использования при решении реальных задач. Пользователями ГИС могут быть как технические специалисты, разрабатывающие и поддерживающие систему, так и обычные сотрудники (конечные пользователи), которым ГИС помогает решать текущие каждодневные дела и проблемы.

     Методы. Успешность и эффективность (в том  числе экономическая) применения ГИС во многом зависит от правильно составленного плана и правил работы, которые составляются в соответствии со спецификой задач и работы каждой организации.

     Существующие и разрабатываемые ГИС могут значительно отличаться друг от друга по возможностям,  основным технологиям обработки информации, по требуемой технической конфигурации, по вычислительным ресурсам и др.

     Интеграция  технологий в информационных системах подразумевает не простое суммирование известных технологических процессов и решений, а получение оптимальных технологических решений обработки информации на основе известных методов и разработки новых, ранее не встречавшихся технологий. Разработка автоматизированной информационной технологии на базе существовавшей неавтоматизированной технологии в подавляющем большинстве случаев оказывается нерентабельной и неэффективной. Элемент новизны, как правило, определяет и эффективность новой автоматизированной технологии.

     Верхним уровнем понятий является интегрированная система -независимый комплекс, в котором выполняются все процессы обработки, обмена и представления информации. Схема системы включает в себя системные уровни, подсистемы, процессы, задачи. Пример такой интегрированной системы приведён на рисунке  1. 

     Рис. 1 - Структура интегрированной ГИС - системы

 

     Исходя  из процесса поэтапной разработки ГИС-системы, её структуру можно представить  следующим образом (рис. 2).  

      Рис. 2 - Схема  формирования ГИС по структуре

     

     

       

     

     

     

       

     

       

       

        
 
 

     Обобщенную  ГИС можно представить в виде следующей стратифицированной модели:

   

     где УСО – системный уровень сбора и первичной обработки информации;

     УМХ – системный уровень моделирования и хранения;

     УП – системный уровень представления данных;

     НТ_м и НТ_П – нормативные требования к данным при моделировании и представлении  выходной информации.

     Для концептуального построения ГИС  необходимо выделить НТ_м и НТ_П, т.е. информационную основу.

     На  рисунке 3 показана структура обобщенной ГИС в виде трехуровневой системы. По этим уровням можно проводить сравнение различных ГИС и других автоматизированных систем. В данной схеме используется термин «обобщенная» – т.к. система абстрагирована от конкретных ГИС.   

     Рис. 3 – Структура обобщённой ГИС

 

4. Классификация ГИС.

     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. 

     Функциональные  возможности ГИС определяются также  архитектурным принципом их построения:

     - закрытые системы - не имеют  возможностей  расширения, они способны выполнять только тот набор функций, который однозначно определен на момент покупки.

     - открытые системы отличаются  легкостью приспособления, возможностями  расширения, так как могут быть  достроены самим пользователем  при помощи специального аппарата (встроенных языков программирования).

     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. 

5. Модель данных  в ГИС.

     В данном параграфе рассматрим три компьютерные модели, называемые моделями пространственных данных, на предмет представления географических объектов.

     Векторная модель данных представляет географические объекты подобно тому, как это  делают карты. Точки изображают географические объекты, которые слишком малы, чтобы быть представленными как линия или область. Линии представляют географические объекты, которые слишком узки, чтобы быть представленными как область. Области представляют однородные географические объекты. Декартова система координат отражает реальное расположение объекта.

     В векторной модели данных каждое местоположение записывается как пара координат х,у. Точки записываются  как простая пара координат. Линии записываются как серии упорядоченных пар координат. Области записываются как серии пар координат, определяющих сегменты линий, которые окружают область. Отсюда термин «полигон», означающий «многосторонняя фигура».

     С помощью х,у координат можно  представлять точки, линии и полигоны в виде списка координат вместо картинки или графика. Первая и последняя пары координат полигона совпадают; полигон всегда замкнут. Каждому объекту присваивается уникальный идентификационный номер или тэг. Затем список координат для каждого объекта связывается с тэгом объекта (Рис.4).

Рис. 4 -  Векторная модель данных

 

     В растровой модели данных каждое местоположение представлено ячейкой (Рис.5). Матрица  ячеек, организованных в строки и колонки, называется сеткой. Каждая строка содержит группу ячеек со значениями, представляющими географические явления. Значения ячеек являются числами, представляющими номинальные данные, такие как классы землепользования, меры интенсивности света или относительные меры. 

     Рис. 5 – Растровая модель данных

 

     В растровой модели разрешение и, следовательно, точность карты зависит от реальной области, представленной каждой ячейкой сетки. Чем больше представленная область, тем меньше разрешение и точность. Чем меньше область, покрываемая ячейкой, тем больше разрешение и более точно представлены объекты.

     Так как растровая модель данных является правильной сеткой, пространственные взаимоотношения скрыты. Поэтому  явное хранение пространственных взаимоотношений не требуется, как для векторной модели данных.

     Заметим, что каждая ячейка в сетке имеет  восемь соседних ячеек (исключение составляют ячейки на внешних краях): четыре по углам и четыре по сторонам. Ячейки идентифицируются по их расположению в сетке. Например, если ячейка третья от начала отсчета по оси Х и вторая по оси У, то она идентифицируется как ячейка (3,2). Нахождение любой из восьми соседних ячеек требует просто прибавления или вычитания единицы из значений Х или У. Например, ячейка слева от (3,2) – (3-1,2), то есть (2,2).