Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский государственный

технологический

университет»

Кафедра использования водных ресурсов

К.В. Гудаев, Е.Н. Юров

ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ

ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Курс лекций для студентов специальности

250401 Лесоинженерное дело очной и заочной форм обучения

Красноярск 2006г.

УДК 630.587:681.3

Гудаев К. В., Юров Е. Н. Географические информационные системы. Курс лекций для студентов специальности 250401 (260100) очной и заочной форм обучения, - Красноярск: СибГТУ, 2006. - 73 с.

Курс лекций предназначен для студентов технических специальностей, изучающих курс «Географические информационные системы» (ГИС). Рассмотрены основные понятия геоинформатики. Дано описание структуры построения географических систем, типов используемых данных и источники данных используемых в ГИС, а также рассмотрены основные возможности геоинформационных систем и способы обработки географических данных в ГИС.

Утверждено на заседании кафедры использования водных ресурсов .03.06г., протокол №

Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом СибГТУ 06г., протокол №

© К.В. Гудаев

© Е.Н. Юров

© ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», 2006.

Введение

Рациональное управление природными ресурсами в условиях интенсивного развития антропогенной деятельности, потребления все большего количества природных ресурсов, загрязнение окружающей среды - важнейшие проблемы современности, от правильного решения которых зависят не только сохранение природных богатств и поддержание экологического равновесия, но и благосостояние нынешнего и будущего поколений людей.

Необходимость в своевременном получении объективной и достоверной информации о природных ресурсах, изменениях в природной среде, приобретают важное значение в условиях интенсивного развития антропогенной деятельности и не рационального управления ресурсами.

Географические информационные системы в лесном хозяйстве - заключаются в возникновении насущной потребности получения своевременной информации о природных ресурсах и техногенном влиянии на них человека.

Особое место данной дисциплины в профессиональной подготовке обусловлено включением курса в структуру учебного плана, в цикл общеобразовательных и специальных дисциплин. Изучение данного курса тесно связано с такими дисциплинами, как «Дорожно-строительные машины», «Транспорт леса», «Использование и охрана водных ресурсов». Курс тесно связан и опирается на такие ранее изученные дисциплины, как «Информатика», «Основы рационального природопользования», «Географией».

Данная программа построена в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта от 24.03.2000 г. (индекс ОПД.08). Учебная программа разработана на основе учебного плана специальности «Лесоинженерное дело».

Целью настоящего курса является изучение общих вопросов геоинформатики, функциональных возможностей географических информационных систем, принципы проектирования, аппаратно программные средства реализации, интеграции данных и технологии, особенности интеллектуализации ГИС и систем поддержки принятия решений. Уделено внимание блокам моделирования и визуализации данных, а так же прикладным аспектам геоинформатики с изложением опыта использования ГИС.

По окончании курса студент должен получить пользовательские навыки и уметь применять их для решения конкретных задач лесоинженерной практики.

Данный курс опирается на следующие дисциплины: математика, статистика, информатика, география, геодезия, современные информационные системы.

Отличительными чертами данного курса является то, что в курсе излагаются теоретические выводы, их практическое приложение, отдельные выводы опираются на выполнение практических задач геоинформатики; возможность непосредственно на практике подтвердить отдельные теоретические положения. Курс ориентирован на применение широкого комплекса программно-информационного обеспечения.

Освоение курса предполагает посещение лекций, практических занятий. Отдельное место в овладении данным курсом отводится самостоятельной работе, в процессе которой студенты более глубоко изучают отдельные разделы геоинформатики.

геоинформатика arcview карта

Лекция 1: Предмет и задачи курса

2 часа

1.Что такое ГИС

2. Возможности ГИСов и решаемые с помощью ГИС задачи

3. История развития ГИС- технологий

4. Области применения ГИС

1. Что такое ГИС

Смысловая и содержательная трактовка термина географические информационные системы, или ГИС, сильно зависит от профессиональных интересов дающего определение. Если послушать некоторых, то можно подумать, что решить проблемы вашей организации, равно как и мировые можно только с помощью ГИС. Конечно, ГИС применима для очень большого числа приложений в различных предметных сферах, и с её помощью многие задачи можно решать быстрее и эффективнее. Но всегда следует помнить, что ГИС - это только набор великолепных инструментов, по-разному применяемых специалистами для их решения. Поэтому важно понимать, каким образом можно увеличить эффективность деятельности организации с помощью ГИС.

Точное определение ГИС дать очень сложно, поскольку при работе она может рассматриваться на нескольких уровнях, и для различного применения будет означать разные вещи.

Для некоторых ГИС - набор программных инструментов, используемых для ввода, хранения, манипулирования, анализа и отображения географической информации. Это техническое определение, отражающее историю развития ГИС как объединения средств автоматизации проектирования (CAD) с цифровой картографией и программами баз данных (СУБД).

Для других ГИС может быть образом мышления, способом принятия решений в организации, где вся информация соотносится с пространством и хранится централизованно. Это скорее стратегическое определение.

Важно понимать, что ГИС может не оказаться решением ваших проблем и потребует некоторых размышлений для успешного выполнения задач.

ГИС - это система, состоящая из трех компонентов, каждый из которых необходим для успеха: пространственных данных, аппаратно-программных инструментов и проблемы, как объекта решения. Причем проблема служит главным компонентом, заставляющим выбирать и способы передачи, хранения представления, анализа данных, и программные инструментальные средства, и технологии создания той или иной предметно-ориентированной информационной системы.

Географическая информационная система (ГИС) - это совокупность технических, программных и информационных средств, обеспечивающих ввод, хранение, обработку, математико-картографическое моделирование и образное интегрированное представление пространственных и соотнесённых с ними атрибутивных данных для решения проблем территориального планирования и управления.

2. Возможности ГИС и решаемые с помощью ГИС задачи

Практически в любой сфере деятельности мы встречаемся с информацией, представленной в виде карт, планов, схем, диаграмм и пр. Это может быть план лесонасаждения, схема метро или план здания, карта экологического мониторинга территории или схема взаимосвязей между офисами компании, атлас земельного кадастра или карта природных ресурсов и многое-многое другое.

ГИС дает возможность накапливать и анализировать подобную информацию, оперативно находить нужные сведения и отображать их в удобном для использования виде.

Применение ГИС-технологий позволяет резко увеличить оперативность и качество работы с пространственно - распределенной информацией по сравнению с традиционными "бумажными" методами.

Традиционно ГИС - технологии применяются в земельном кадастре, кадастре природных ресурсов, экологии, сфере работы с недвижимостью и других областях, требующих оперативного управления ресурсами и принятия решений. Сейчас все шире начинают внедряться ГИС-системы массового пользования, типа электронных планов города, схем движения транспорта и т.п. По некоторым оценкам до 80-90% всей информации, с которой мы обычно имеем дело, может быть представлено в виде ГИС.

Таким образом, основное назначение ГИС состоит в формировании знаний о земле, отдельных территориях, местности и доведения необходимых и достаточных пространственных данных до пользователей с целью достижения наибольшей эффективности их деятельности.

Используя ГИС- технологии, мы получаем возможность:

· Значительно повысить оперативность всех этапов работы с пространственно распределенными данными, начиная от ввода исходной информации, ее анализа и до выработки конкретного решения; вам не потребуется разыскивать нужные сведения среди кип карт и планов- вы сможете получить их на экране вашего компьютера в течении нескольких минут;

· Использовать для ввода и обновления информации в базе данных современные электронные средства геодезии и системы глобального позиционирования (GPS), а значит, постоянно иметь самую точную и свежую информацию;

· Заручиться высокой компетенцией специалистов, разрабатывающих программное обеспечение для ГИС- систем; для того чтобы использовать, напр., программы расчета загрязнений, не нужно иметь математического образования.

Использование системы позволяет получить ответы на такие вопросы, как:

- Где находится точка А ? Что находится в этой точке?

- Что находится на этом участке территории?

- Как расположено А по отношению к В ?

- Какие участки территории удовлетворяют определенным критериям?

- Как изменится А при введении определенных условий?

- И т.д.

Работая с ГИС пользователь может:

- выводить на экран ПК 1 или несколько интересующих его карт (планов, схем и т.д.) или любую другую информацию.

- Управлять тематическим составом изображаемой на экране ПК или на твердых копиях информации.

- Указав объект на карте можно получить информацию о нем.

- Использовать ГИС как поисковую систему( составляется запрос, в котором перечисляются интересующие вас свойства объекта, а система на карте выделяет подходящие объекты.

- Проводить аналитическую обработку данных

- Моделирование реальных событий.

Связь ГИС с научными дисциплинами и технологиями.

- география

- картография

- дистанционное зондирование

- топография и фотограмметрия

- информатика

- математика и статистика

3. История развития ГИС- технологий

В истории развития геоинформационных систем выделяются четыре периода Пионерный период

(поздние 1950e - ранние 1970е гг.)

- исследование принципиальных возможностей, пограничных областей знаний и технологий, наработка эмпирического опыта, первые крупные проекты и теоретические работы.

Период государственных инициатив

(ранние 1970e - ранние 1980е гг)

- развитие крупных геоинформационных проектов, поддерживаемых государством, формирование государственных институтов в области ГИС, снижение роли и влияния отдельных исследователей и небольших групп.

Период коммерческого развития (ранние 1980е - настоящее время)

- широкий рынок разнообразных программных средств, развитие настольных ГИС, расширение области их применения за счет интеграции с базами непространственных данных, появление сетевых приложений, появление значительного числа непрофессиональных пользователей, системы, поддерживающие индивидуальные наборы данных на отдельных компьютерах, открывают путь системам, поддерживающим корпоративные и распределенные базы геоданных.

Пользовательский период (поздние 1980е - настоящее время)

- повышенная конкуренция среди коммерческих производителей геоинформационных технологий услуг дает преимущества пользователям ГИС, доступность и "открытость" программных средств позволяет пользователям самим адаптировать, использовать и даже модифицировать программы, появление пользовательских "клубов", телеконференций, территориально разобщенных, но связанных единой тематикой пользовательских групп, возросшая потребность в геоданных, начало формирования мировой геоинформационной инфраструктуры.

4. Области применения ГИС

Местные администрации

Задачи управления муниципальным хозяйством - одна из крупнейших областей приложений ГИС. В любой сфере деятельности местной администрации (обследование земель, управление землепользованием, замена существующих бумажных записей, управление ресурсами, учёт состояния собственности (недвижимости) и дорожных магистралей) применимы ГИС. Они могут использоваться также на командных пунктах управления центров по мониторингу и в службах быстрого реагирования. ГИС - неотъемлемый компонент (инструментальный, технологический, программный) любой муниципальной или региональной информационной системы управления.

Коммунальное хозяйство

Организации, обеспечивающие коммунальные услуги, наиболее активно используют ГИС для построения базы данных об основных средствах (трубопроводы, кабели, насосы, распределительные станции и т.п.), которая является центральной частью в их стратегии информационной технологии. Обычно в этом секторе доминируют ГИС, обеспечивающие моделирование поведения сетей в ответ на различные отклонения от нормы. Наибольшее применение находят системы автоматизации картографирования и управления основными средствами для поддержки "внешнего планирования" в организации: прокладка кабелей, расположение задвижек, щитов обслуживания и др.

Охрана окружающей среды

Наиболее ранними пользователями ГИС были организации, заинтересованные в охране окружающей среды. На простейшем уровне - для исследования состояния окружающей среды (например, расположение и состояние лесов, рек). Более сложные приложения используют аналитические возможности ГИС для моделирования процессов в окружающей среде, таких как эрозия почв или разлив рек в случае большого количества осадков, распространение выбросов загрязняющих веществ промышленных предприятий в атмосфере. После сбора исходных картографических данных производится их аналитическая обработка в ГИС.

Здравоохранение

В дополнение к обычным задачам управления основными средствами аналитические возможности ГИС используют в приложениях охраны здоровья, например, для определения кратчайшего пути от станции скорой помощи до пациента с учетом текущей ситуации на дорогах, а также при анализе эпидемиологических ситуаций: характера распространения различных заболеваний и причин их возникновения.

Транспорт

ГИС имеют огромный потенциал для приложений на транспорте. Планирование и поддержка транспортной инфраструктуры - это очевидная область применения. В настоящее время увеличивается интерес к использованию новых технологий, например навигационных, для контроля за движением большегрузных автомобилей. Отображение их места нахождения на цифровой карте на дисплеях в кабине водителя и в центре управления перевозками требует поддержки со стороны ГИС.

Розничная торговля

Крупные западные коммерческие фирмы используют ГИС для выбора места расположения большинства новых супермаркетов за пределами центра города, для хранения социально-экономических деталей обстановки и потенциальных заказчиков в заданной области. Расположение склада и зона обслуживания могут быть разработаны с помощью вычислений времени доставки и моделирования влияния конкурирующих складов. ГИС используют также и для управления поставками.

Финансовые услуги

В секторе финансовыми услуг ГИС используются так же, как и в приложениях для розничной торговли: для определения расположения филиалов банков и зданий обществ; в качестве инструмента для оценки риска вложений средств в недвижимость и страхования, для определения областей высшего/низшего риска. Это требует баз данных о криминальной обстановке, ресурсах территории, характеристиках недвижимости.

Лекция 2-3: Работа с ГИС-приложением Arcview

4 часа

1. Общие сведения

2. Данные, используемые в ArcView

3. Файлы

4. Пользовательский интерфейс

5. Работа с проектами

1. Общие сведения

ArcView разработан Институтом Исследований Систем Окружающей Среды (ESRI), изготовителем Arc/Info - ПО для ГИС. В этой области ESRI работает уже более 25 лет.

ArcView - инструмент для обеспечения доступа к географической информации. Он дает широкие возможности для отображения, изучения, выполнения запросов и анализа пространственных данных.

Вот некоторые задачи, решение которых облегчается применением средств ArcView:

· Отображение географических данных - создание карт из существующих источников пространственных данных.

· Отображение табличных данных - импортирование табличных данных и присоединение их к данным Вида, чтобы осуществить их географическую привязку.

· Использование языка запросов SQL для получения записей из базы данных с последующим их отображением - соединение с базой данных для получения табличных данных и затем работа с ними в географической среде на основе пространственного подхода.

· Использование таблиц геокодирования, содержащих адреса и их отображение - любые табличные данные, содержащие адреса покупателей, продавцов, конкурентов, супермаркетов, офисов, предприятий и т.д., могут быть отображены в качестве точек.

· Создание и редактирование пространственных данных - создание собственных пространственных данных для представления географических объектов, с последующим их отображением и анализом в ArcView.

· Нахождение атрибутов любых объектов.

· Отображение тем с использованием различных цветов и символов в соответствии со значениями их атрибутов.

· Выбор объектов по их атрибутам - поиск определенных объектов.

· Создание диаграмм, показывающих атрибуты объектов - визуализация табличных данных путем создания диаграмм, которые дополняют карты.

· Получение сводных данных по атрибутам объектов - например, получение сводных данных для населенных пунктов регионального уровня. Возможность создания статистические данные по любым атрибутам.

· Выбор объектов на основе их близости к другим объектам.

· Нахождение общих местоположений для определенных объектов.

· Создание компоновки карты и вывод ее на печать.

· Макетирование карты и ее экспорт для использования в других программах - компоновки карт могут быть экспортированы в различные программы.

· Создание и распространение своих приложений ArcView - язык Avenue обеспечивает полный набор инструментальных средств для разработки собственных приложений на основе ArcView.

2. Данные, используемые в ArcView

Данные, которые описывают любую часть поверхности Земли, называются географическими данными. Сюда включаются не только картографические и научные данные, но также и коммерческая информация, кадастровые данные, фото- и видео изображения, туристические путеводители, данные о застройке, базы данных распределения потребителей, юридические документы и т.д.

В ArcView можно использовать географические данные из множества источников:

· Пространственные данные - это данные, которые хранят геометрическое положение географических объектов совместно с атрибутивной информацией, которая описывает их - что, собственно, представляют собой эти объекты. Пространственные данные хранятся в векторных или растровых структурах данных, а относящаяся к ним атрибутивная информация - в наборах таблиц, географически связанных с объектами, которые они описывают. Такая структура известна под названием геореляционной структуры данных.

· Данные изображений - включают спутниковые и аэрофотоснимки, данные дистанционного зондирования и отсканированные данные.

· Табличные данные - могут включать практически любой набор данных, содержит он или нет географическую информацию. То, что можно делать с таблицей в ArcView, зависит от ее содержания. Информацию из некоторых таблиц можно отобразить непосредственно, другие таблицы предоставляют дополнительную информацию, которая может быть связана с существующими пространственными данными. Главная особенность ArcView - простота загрузки табличных данных (файлы формата dBASE III, dBASE IV, таблицы ARC/INFO, текстовые файлы, в которых в качестве разделителя полей используются символы пробел или запятая) и данных с серверов БД (таких как Oracle, Ingress, Sybase, Informix, и т.д.).

Источники исходных данных для использования в ArcView:

· Данные, входящие в поставку ArcView - ArcView комплектуется полным набором готовых к использованию данных общего назначения. Их можно применять по своему усмотрению для создания карт в ArcView, а также использовать как базу для добавления собственных данных. Например, можно использовать карту мира и добавить к ней свои собственные данные о странах и городах мира.

· Программа ArcData компании ESRI - в рамках программы ArcData можно получить доступ к широкому набору географических данных, поставляемых ERSI.

· Сторонние поставщики данных - увеличивающееся число независимых организаций создает данные, доступные в ARC/INFO и ArcView.

· Интернет - данные, которые можно использовать с ArcView, в настоящее время стали доступны через Интернет. Web-страница ESRI (http://www.esri.com) содержит контактные адреса организаций, создающих и поддерживающих данные ГИС. С этой страницы можно запустить специальную программу поиска (Data Hound), которая предоставляет контакты с другими ГИС сайтами, а также возможность свободной загрузки данных.

· Данные в других форматах - ArcView поддерживает множество других форматов, таких, как чертежи САПР, различные форматы изображений, обменные файлы MapInfo.

· Использование табличных данных - в ArcView любые табличные данные, которые содержат координаты X,Y, можно отобразить как точечные объекты. В дополнение к этому, таблицы, содержащие ссылки на географические объекты, такие, как, например, адреса улиц, могут также быть пересчитаны в координаты X,Y посредством имеющихся в ArcView средств геокодирования. Это означает, что в большинстве случаев можно отобразить уже существующие файлы с табличными данными непосредственно.

· Создание пространственных данных в ArcView - можно создавать и собственные пространственные данные в ArcView. Для этого можно воспользоваться существующими данными в качестве базы для создания новых данных или вводить их полностью с экрана дисплея, используя для этого мышь или с планшета.

3. Файлы

В ArcView непосредственно используются файлы с расширениями:

· *.apr - файл проекта.

· *.shp - shapefile - файл, который хранит геометрию объектов.

· *.shx - индексный файл для геометрии объектов.

· *.dbf - файл формата dBASE для хранения атрибутивной информации по объектам.

· *.sbn, *.sbx - файлы пространственных индексов.

· *.ain, *.aih - файлы атрибутивных индексов.

Файлы с данными расширениями следует сохранять в том же рабочем каталоге, что и соответствующий проект.

Shapefile - это основной, один из пространственных форматов данных ArcView. Формат shapefile'а представляет собой простой нетопологический формат хранения геометрической и атрибутивной информации о географически привязанных объектах.

Файлы пространственных индексов - хранят пространственные индексы объектов. Эти файлы могут отсутствовать до тех пор, пока не будут выполнены операции выбор объектов темы другой темой, пространственное соединение, или создание индекса.

Файлы атрибутивных индексов - хранят атрибутивные индексы для активных полей таблицы или атрибутивной таблицы темы. Этих файлов может не быть до тех пор, пока над таблицами не будет выполнена операция Связать.

4. Пользовательский интерфейс

Когда вы открываете одну из компонент проекта, она отображается в собственном окне. Все окна, в данный момент открытые внутри окна ArcView, заносятся в список внизу меню Окно в панели меню ArcView. Первое окно в этом списке - окно проекта.

Чтобы сделать окно активным, просто щелкните внутри него или на его заголовок, или выберите его из ниспадающего списка Окна вверху окна ArcView. Когда вы открываете окно, оно автоматически становится активным.

Когда вы выполняете действия в ArcView, они обычно выполняются над активным окном. Пользовательский интерфейс ArcView изменяется в зависимости от типа активного окна. Так, например, когда открыто окно проекта, вы видите кнопки, инструменты и меню для работы с проектом.

Панель меню - это панель в верней части окна ArcView содержит ниспадающие меню ArcView. Для выбора пункта из ниспадающего меню вы можете использовать мышку или соответствующий набор клавиш клавиатуры. Некоторые клавиши быстрого доступа указаны в меню. Другие зависят от графического интерфейса пользователя системы, с которым вы работаете. Содержание панели меню изменяется в зависимости от типа активного окна.

Панель кнопок - это панель, расположенная под панелью меню в окне ArcView, содержит кнопки, дающие вам быстрый доступ к различным элементам управления. Щелкните на кнопки для их выбора. Содержание панели кнопок изменяется в зависимости от типа активного окна.

Панель инструментов - это панель, расположенная под панелью кнопок в окне ArcView и содержит различные инструменты, с которыми вы можете работать. Если вы работаете в окне проекта или со скриптом, панель инструментов отсутствует. Вам нужно щелкнуть на инструменте, чтобы выбрать его. Инструмент активен, пока вы не выберете другой. Содержание панели инструментов изменяется в зависимости от типа активного окна.

5. Работа с проектами

Когда вы создаете (открываете) проект ArcView - вы создаете (открываете) один файл, содержащий виды, таблицы, диаграммы, компоновки и тексты программ - скрипты, которые составляют данный проект.

Все компоненты в сеансе работы с ArcView: виды, таблицы, диаграммы, компоновки и скрипты для удобства сохраняются в одном файле, называемом проект. Например, если вы используете ArcView для поиска подходящего места для нового офиса, то все используемые в этом приложении виды, таблицы, диаграммы, компоновки и тексты программ будут храниться в одном проекте. В следующий раз, когда вы захотите работать с этим приложением, вы просто откроете этот файл проекта в ArcView, и все нужные компоненты будут готовы для использования. Имена файлов проектов имеют расширение APR. Файл проекта является текстовым файлом.

Файл проекта не содержит сами данные, которые используются в ArcView. В проекте хранятся только ссылки на местоположение исходных данных на диске. Таким образом, одни и те же данные могут использоваться в любом числе проектов без их дублирования.

В ArcView можно настраивать меню, кнопки и инструменты. Вы можете сделать так, чтобы ваши настройки относились только к проекту, с которым вы работаете (в этом случае внесенные изменения сохраняются в файле вашего проекта).

Проект в ArcView может содержать любое количество видов.

Вид - это интерактивная карта, которая позволяет отображать, исследовать, делать запросы и анализировать пространственные данные в ArcView. Виды хранятся в проекте ArcView, с которым вы постоянно работаете. Виды состоят из Тем.

Вид - это фактически коллекция тем. Каждый вид имеет собственную Таблицу Содержания, которая содержит список тем в виде. Подобно содержанию книги, вы смотрите на таблицу содержания вида, чтобы увидеть, что находится в нем. Вы можете изменить, как выглядит таблица содержания, выбирая Стиль таблицы содержания из меню Вид. Вы также используете Таблицу Содержания, чтобы управлять прорисовкой вида.

Тема - это заданный набор пространственных объектов в определенном источнике географических данных.

Тема - есть наполнение Вида.

Вы можете управлять такими характеристиками тем, как название, какие объекты из исходных данных будут отображаться, в каком масштабе будет изображаться тема, и т.д. Темам можно давать любое имя. По умолчанию, тема называется по имени источника данных, который ее представляет. Вы можете дать темам более длинные, более наглядные имена

Легенда темы показывает символы и цвета, используемые для рисования темы. Тема может быть нарисована с использованием одного символа, или может использоваться целый ассортимент различных символов и цветов, чтобы классифицировать объекты в теме.

Каждая тема имеет слева окно флажка, который указывает, рисуется ли тема в настоящее время в виде. Вы управляете тем, какие темы должны рисоваться в вашем виде, просто щелкая по этим флажкам.

Последовательность, в которой темы отображаются в виде, основана на порядке, в котором темы располагаются в таблице содержания. Тема в верхней части списка отображается поверх той, которая располагается в списке под ней, и так далее по всему списку. Темы, которые должны отображаться на переднем плане вида, такие как линейные и точечные объекты, следует расположить сверху в списке тем в таблице содержания. Темы, которые формируют задний план (фон), такие как полигональные объекты и растровые изображения, следует расположить в конце списка.

Например: вид, показывающий страну, может иметь тему представляющую города, тему представляющую дороги, тему представляющую реки и т.д.

Таблица позволяет работать в ArcView с данными из источника табличных данных. Вы можете добавлять в ArcView данные практически из любого источника табличных данных в виде таблиц. Затем данные из этих таблиц можно добавлять на карты, символизировать, делать запросы и анализировать эти данные с точки зрения их положения в пространстве (то есть географически).

Таблица в ArcView включает ссылку на представляемый ею источник табличных данных, но не содержит сами табличные данные. Это означает, что таблицы являются динамическими, потому что они отражают текущее состояние исходных данных, на которых они основаны. Если исходные данные изменяются, таблица, основанная на этих данных, автоматически отразит изменения при следующем открытии проекта, содержащего эту таблицу. Определение таблиц, которые вы добавляете к ArcView, сохраняется в файле проекта, с которым вы в настоящее время работаете.

Диаграмма - это способ визуального представления данных таблицы, в особенности атрибутов географических (распределенных в пространстве) объектов, удобный для представления информации в оптимальном для восприятия и осмысления виде. С помощью диаграммы вы можете эффективно отображать, сравнивать и строить запросы по вашим табличным пространственным данным. Диаграммы в ArcView особенно удобны, так как они динамически связаны с картами. Например, вы можете выбрать объекты карты в виде, и они подсветятся в виде, в таблице и в диаграмме.

Компоновка - это карта, на которой вы можете показать виды, диаграммы, таблицы, импортированную графику и графические примитивы. Компоновка используется для подготовки этих графических объектов для вывода из ArcView.

Компоновка определяет, какие данные будут использоваться для вывода, и как они будут отображаться. Компоновка может быть динамической, потому что она позволяет Вам в динамике выводить на экран отдельные графические элементы. Когда для графики задана динамическая связь, то в компоновке будет показано ее текущее состояние. Например, если данные в Виде изменяются, то компоновка автоматически отображает эти изменения.

Лекция 4-5: Организация информации в ГИС

4 часа

1. Уровни организации данных

2. Основные характеристики объектов реального мира

3. Формы представления непрерывных объектов в ГИС

1. Уровни организации данных

Вопросы организации данных в ГИС, в частности, модели, структуры данных, форматы, - одна из самых сложных, самых важных и определяющих тем в ГИС.

1. модель данных, тип модели данных- концептуальный уровень организации данных. Основной вопрос- степень адекватности модели данных решаемой задаче.

2. структура данных.

3. структура файлов данных и их конкретные форматы.

4. организация конкретной структуры базы данных ГИС.

2. Основные характеристики объектов реального мира.

Данные реального мира, отображаемые в ГИС, можно рассматривать с учетом трех аспектов: пространственного, временного и тематического.

· Пространственный аспект связан с определением местоположения.

· Временной - с изменениями объекта или процесса с течением времени, в частности, от одного временного среза до другого. Примером временных данных служат результаты переписи населения.

· Тематический аспект обусловлен выделением одних признаков объекта и исключением из рассмотрения других.

В большинстве технологий ГИС используют 2 основных класса данных:

· для определения места используют один класс данных - координаты,

· для определения параметров времени и тематической направленности, другой класс данных - атрибуты.

Координатные данные, составляющие один из основных классов геоинформационных данных, используют для указания местоположения на земной поверхности.

Информация о реальном мире частично относится к :

- индивидуальным объектам;

- пространственному полю каких- либо характеристик.

Основные характеристики индивидуальных объектов.

В любой модели данных ГИС, имеющей дело с индивидуализированными объектами, должна иметься информация по крайней мере 3-х типов:

идентификатор - с индивидуальным объектом должен быть связан его уникальный идентификатор, например, какой то номер (формальный) присваиваемый ему программой в процессе ввода или его номер по какому-то перечню или кадастру;

информация положения (локатор) - информация о положении и форме объекта. Она отделена от информации идентификатора;

атрибуты - вся остальная информация об объекте.

Атрибуты можно подразделить на:

1. - пространственные - периметр и площадь площадного объекта, длина линейного.

- непространственные - числовые, текстовые значения каких-то величин описывающих объект.

2. - первичные- измеренные, введенные.

- вторичные - рассчитанные, полученные из значений других атрибутов.

Геометрически информация, содержащаяся на карте, может быть определена как совокупность наборов точек, линий, контуров и площадей, имеющих метрические значения, отражающие трехмерную реальность. Эта информация образует класс координатных данных ГИС, являющийся обязательной характеристикой геообъектов. Будучи частью (классом) общей модели данных в ГИС, координатные данные определяют класс координатных моделей.

В ГИС включают следующие основные типы координатных данных (рис. 1) имеющие различную размерность в геометрическом смысле:

точка (узлы, вершины)- 0 длина и ширина, размерность 0;

Точечные объекты - это не только точки на карте, но и любые точечные объекты (знаки, города на крупномасштабных картах и т. д.).

линия незамкнутая- 0 ширина и не 0 длина, размерность 1;

Линейные объекты - ручьи, дороги, линии электропередач, различные коммуникации, которые к тому же могут ветвиться и пересекаться.

контур (замкнутая линия);

Контуры - линии уровня, дома и другие замкнутые объекты.

полигон (ареал, район) (площадные) - группы примыкающих друг к другу замкнутых участков- не 0 длина и ширина, размерность 2.

Полигоны - административные районы, кварталы, зоны в приложении к окружающей среде или природным ресурсам и т. д.

Рисунок 1

Одних координатных данных недостаточно для описания картографической или сложной графической информации. Картографические объекты, кроме метрической, обладают некоторой присвоенной им описательной информацией (названия политических единиц, городов, рек и др.). Характеристики объектов, входящие в состав этой информации, называют атрибутами. Совокупность возможных атрибутов определяет класс атрибутивных моделей ГИС.

Атрибутивные данные описывают тематические и временные характеристики. Таблица, содержащая атрибуты объектов, называется таблицей атрибутов.

Атрибуты, соответствующие тематической форме данных и определяющие различные признаки объектов, также хранятся в таблицах. Каждому объекту соответствует строка таблицы, каждому тематическому признаку - столбец таблицы. Каждая клетка таблицы отражает значение определенного признака для определенного объекта.

Временная характеристика может отражаться несколькими способами: путем указания временного периода существования объектов; путем соотнесения информации с определенными моментами времени; путем указания скорости движения объектов.

Применение атрибутов позволяет осуществлять анализ объектов, хранящихся в базах данных с использованием стандартных форм запросов и разного рода фильтров, а также выражений математической логики. Последнее эффективно при тематическом картографировании.

Кроме того, с помощью атрибутов можно типизировать данные и упорядочивать описание для широкого набора некоординатных данных.

Таким образом, атрибутивное описание дополняет координатное, совместно с ним создает полное описание моделей ГИС и решает задачи типизации исходных данных, что упрощает процессы классификации и обработки.

Атрибутами могут быть символы (названия), числа (статистическая информация, код объекта) или графические признаки (цвет, рисунок, заполнения контуров).

Числовые значения в ГИС могут относиться как к координатным данным, так и к атрибутивным. Для пояснения этого напомним, что основной формой представления атрибутивных данных в БД является таблица, а в таблице могут храниться как координаты объектов (координатные данные), так и описательные характеристики (атрибутивные данные).

Можно по-разному организовывать взаимосвязь координатного и атрибутивного описания.

Существуют различные методы хранения атрибутивной информации в ГИС:

хранение для всех объектов системы 1-2 стандартных атрибутов;

хранение таблиц атрибутов, связанных с пространственными объектами, и информации об отношениях между ними;

хранение ссылок на элементы данных иерархической или сетевой БД;

хранение атрибутивной информации может вообще не применяться, если система опирается на классификатор.

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.

3. Формы представления непрерывных объектов в ГИС

Векторные модели делятся на собственно векторные и векторно-топографические.

В основе векторных моделей лежит понятие вектор. Вектор - направленный отрезок у которого есть координаты начала и координаты конца. Основное преимущество векторных моделей - на порядки меньшее требование к памяти и меньшее время на обработку и представление данных, чем у растровых.

При построении векторных моделей объекты создаются путем соединения точек прямыми линиями, дугами окружностей, полилиниями. Площадные объекты - ареалы или полигоны задаются наборами линий.

Линией называют границу, сегмент, цепь или дугу. Основные типы координатных данных в классе векторных моделей определяются через базовый элемент «Линия» следующим образом. Точка определяется как выродившаяся линия нулевой длины, линия - как линия конечной длины, а площадь представляется последовательностью связанных между собой сегментов.

Существует два основных вида векторных моделей: векторно-топологических моделей данных, векторные нетопологические модели данных

Для случая векторно-топологических моделей данных (рис. 2) обычно существуют некоторые дополнительные ограничения - в один лист одного тематического слоя можно поместить объекты не всех геометрических типов одновременно. Так, в ARC/INFO в одном покрытии (так называется физическая единица, соответствующая одному листу одного тематического слоя) можно поместить или только точечные, или только линейные, или только площадные объекты, или комбинацию линейных и точечных, либо линейных и площадных, но нельзя собрать вместе точечные и площадные или все три типа объектов. Это ограничение для практики никаких проблем не представляет, но оно типично для векторно-топологической модели данных.

Рис. 2. Векторно-топологическая модель

Векторные нетопологические модели данных (рис. 3) в этом смысле предоставляют больше свободы, но часто и в них в один слой помещаются только объекты одного геометрического типа. Число слоев при послойной организации данных может быть и ограничено, и практически неограничено в зависимости от конкретной реализации. При послойной организации данных удобно манипулировать большими группами объектов, представленных слоями как единым целым, например, включая или выключая слои для визуализации, определять операции, основанные на взаимодействии слоев. В целом можно сказать, что послойная организация данных имеет большой аналитический потенциал. Она часто используется при построении как векторно-топологических, так и векторно-нетопологических моделей пространственных данных для ГИС. (Так же как нередко и в САПР. Там, впрочем, отдельные слои могут обычно включать все типы объектов, и само это деление на слои носит более простой и формальный характер - они часто используются только для управления визуализацией и как удобный способ задания умолчаний для чертежа.) И абсолютно преобладает послойный принцип организации в растровых моделях данных.



Рис. 3. Векторная нетопологическая модель

Векторно-топологическая модель отличается от векторной тем, что объекты хранятся во взаимосвязи.

Топологические модели позволяют представлять элементы карты и всю карту в целом в виде графов. Теоретической основой моделей служат алгебраическая топология и теория графов. Топологическое векторное представление данных отличается от не топологического наличием возможности получения исчерпывающего списка взаимоотношений между связанными геометрическими примитивами без изменения хранимых координат пространственных объектов.

Топологические модели в ГИС задаются совокупностью следующих характеристик:

связанность векторов - контуры, дороги и прочие векторы должны храниться не как независимые наборы точек, а как взаимосвязанные друг с другом объекты;

связанность и примыкание районов - информация о взаимном расположении районов и об узлах пересечения районов;

пересечение - информация о типах пересечений позволяет воспроизводить специальные символы, например мосты и дорожные пересечения

близость - показатель пространственной близости линейных или площадных объектов, оценивается числовым параметром.

В растровых моделях деление на объекты осуществляется наиболее простым способом - весь объект (исследуемая территория) отображается в пространственные ячейки, образующие регулярную сеть. При этом каждой ячейке растровой модели соответствует одинаковый по размерам, но разный по характеристикам (цвет, плотность) участок поверхности объекта. В ячейке модели содержится одно значение, усредняющее характеристику участка поверхности объекта. В теории обработки изображений эта процедура известна под названием пикселизация.

Нерегулярная сеть точек - произвольно расположенные точечные объекты, в качестве атрибутов имеющие значение поля в данной точке. С помощью такого способа представления, если не иметь очень густо расположенных по сравнению с пространственной изменчивостью поля точек, трудно гарантировать его адекватное представление. Сеть может быть слишком редкая, или точки, выбранные случайно, не попадают на характерные представительные места/значения, или наоборот, точки выбраны неслучайно и тоже не являются представительными. Для обработки такое представление тоже не очень удобно.

Рис. 4. Нерегулярная сеть точек

Регулярная модель - наиболее удобный для многих случаев вариант, когда поля задаются регулярно расположенными в пространстве точками достаточной густоты, особенно когда это не точки, интерполированные из нерегулярных, а измерения, проведенные по регулярной сети. Из них легко перейти к любой другой форме представления.

Рис. 5. Регулярная модель

Несколько особняком стоит модель данных TIN (triangulated irregular network - нерегулярная триангуляционная сеть), специально предназначенная для представления поверхностей значений, полей (в первую очередь, поверхности рельефа местности). Эта модель позволяет нам использовать для описания рельефа точки некоторой сетки. Точки могут размещаться как регулярно, так и нерегулярно. Для получения модели поверхности нам нужно соединить пары точек ребрами определенным способом, называемым триангуляцией. Тогда, при необходимости получения трехмерного представления, TIN может быть показана в виде проволочной модели или модели с закрашенными гранями. Наличие связок между точками дает некоторое представление о поведении поля (или форме поверхности) на данном участке в промежутке между точками. Поэтому модель данных типа TIN часто позволяет получать более качественное и экономное представление поверхностей (полей). Это средство представления поверхностей на самом деле использовалось в качестве главной структуры данных в ранних системах работы с данными поверхностей. К сожалению, многие типы аналитических задач трудно выполнимы на этом типе модели данных.



Рис. 6. Модель TIN. Векторное представление поверхности образуется соединением точек с известными значениями высоты

Не менее важным является деление моделей данных на векторные (рис. 7), оперирующие непосредственно с координатами объектов и слагающих его точек, и модели данных с делением пространства, где положение объекта или слагающего его элемента задается принадлежностью к некоторому дискрету, элементу делимости пространства. Наиболее распространенным видом моделей с делением пространства являются растровые модели данных (рис 7). Однако хочется подчеркнуть, что хотя их практическое значение и распространенность гораздо больше, чем у других моделей данных с делением пространства, вся эта группа очень разнообразна и представляет значительный теоретический интерес. Отдельные с первого взгляда экзотические модели данных из этой группы находят довольно неожиданное применение в комбинации с векторными и растровыми данными. Например, с их помощью могут строиться системы пространственного индексирования.



Рисунок 7. Векторная и растровая модели

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.

В растровых моделях в качестве атомарной модели используют двухмерный элемент пространства - пиксель (ячейка). Упорядоченная совокупность атомарных моделей образует растр, который, в свою очередь, является моделью карты или геообъекта.

Цифровая карта может быть организована как множество слоев (покрытий или карт-подложек) (рис 8).

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.

Слои в ГИС являются типом цифровых картографических моделей, которые построены на основе объединения (типизации) пространственных объектов (или набора данных), имеющих общие свойства или функциональные признаки. Такими свойствами могут быть: принадлежность к одному типу координатных объектов (точечные, линейные полигональные); принадлежность к одному типу пространственных объектов (жилые здания, подземные коммуникации, административные границы и т. д.); отображение на карте одним цветом.

Рисунок 8. Организация цифровой карты в виде множества слоев

Совокупность слоев образует интегрированную основу графической части ГИС. Принадлежность объекта или части объекта к слою позволяет использовать и добавлять групповые свойства объектам данного слоя.

Данные, размещенные на слоях, могут обрабатываться как в интерактивном, так и в автоматическом режиме.

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,

Многослойная организация электронной карты при наличии гибкого механизма управления слоями позволяет объединить и отобразить не только большее количество информации, чем на обычной карте, но существенно упростить анализ картографических данных с помощью селекции данных, необходимых для визуализации и механизма "прозрачности" цифровой карты.

Таким образом, разбиение на слои позволяет решать задачи типизации и разбиения данных на типы, повышать эффективность интерактивной обработки и групповой автоматизированной обработки, упрощать процесс хранения информации в базах данных, включать автоматизированные методы пространственного анализа на стадии сбора данных и при моделировании, упрощать решение экспертных задач.

Введение топологических свойств в графические данные ГИС, позволяет решать задачи, которые методами программного обеспечения САПР не реализуются. Это, например, возможность наложения слоев для получения нового слоя, который не является простым результатом наложения, а содержит новые объекты, полученные на основе методов пространственного анализа с использованием логических операций.

В целом сочетание методов топологии и послойного представления картографической информации богатые возможности анализа картографических данных.

Проявление современных тенденций в информационных технологиях оказывает влияние и на ГИС. Наиболее актуальным и перспективным с точки зрения эффективности обработки картографических данных и технологичности использования инструментальных средств для создания ГИС, является объектно-ориентированный подход (ООП). Смысл такого подхода состоит в том, что он позволяет применить объектную ориентацию для решения всего круга проблем, связанных с разработкой информационных систем. Использование ООП позволяет в полной мере использовать возможности объектно-ориентированных языков, существенно повышает качество разработки в целом и ее фрагментов, дает возможность создавать системы на основе стабильных промежуточных описаниях, делая системы более открытыми: снижает степень риска при разработке системы и создает более полное соответствие объектной модели реального мира восприятию человека.

Лекция 6: Источники исходных данных и их типы

2 часа

1. Источники данных в геоинформатике

2. Основные виды карт

3. Данные дистанционного зондирования

1. Источники данных в геоинформатике

Среди источников данных, широко используемых в геоинформатике, наиболее часто привлекают:

- картографические,

- статистические и

- аэрокосмические материалы.

- Дистанционного зондирования

Помимо указанных материалов гораздо реже используют

- данные специально проводимых полевых исследований и съемок,

- литературные (текстовые) источники.

"Тип источника" объединяет генетически однородное множество исходных материалов, каждое из которых сильно различается по комплексу характеристик.

К ним принадлежит, например, такой важный признак - в какой цифровой или нецифровой (аналоговой) форме получается, хранится и используется тот или иной тип данных, от чего зависят легкость, стоимость и точность ввода этих данных в цифровую среду ГИС.

Использование географических карт как источников исходных данных для формирования тематических структур баз данных удобно и эффективно по ряду причин. Прежде всего,1) сведения, считанные с карт, имеют четкую территориальную привязку, 2), в них нет пропусков, "белых пятен" в пределах изображаемой территории и, 3), они в любой своей форме возможны для записи на машинные носители информации. Картографические источники отличаются большим разнообразием - кроме общегеографических и топографических карт насчитывают десятки и даже сотни типов различных тематических карт.