Применение ГИС-технологий

Лекция № 8

1. Основные выполняемые ГИС функции.

2. Типы применений ГИС.

3. Модели данных и их разновидности.

1 Основные выполняемые ГИС функции. ГИС представляет собой средство, инструмент для представления, моделирования реального мира с помощью данных о том или ином месте в пространстве. Геоинформационные технологии – это технологии организации, манипулирования, анализа и представления пространственных данных.

Любая ГИС так или иначе должна быть способна выполнять несколько групп функций. Рассмотрим их в самом первом приближении.

1. Система должна обеспечивать средства для формирования цифрового представления пространственных объектов и явлений, иначе говоря, должны обеспечиваться функции сбора, кодирования и ввода информации.

2. Для поддержания массива данных в актуальном состоянии должны обеспечиваться средства редактирования, обновления, эффективного хранения данных, а также реорганизации данных и преобразования их в разные формы, средства для контроля правильности и качества данных.

3. Требуется обеспечивать средства для получения информации, как в ее первичном виде, так и обобщенной в различных смыслах (генерализованной, суммарной, усредненной), а также средства для анализа, моделирования ситуаций и процессов и интегрирования разнородной информации.

4. Система должна обеспечивать выполнение сложных запросов на получение информации. Выполнение таких сложных запросов само по себе также является методом анализа.

5. Наконец, система должна обладать способностью представлять результаты работы в виде человекочитаемых наглядных документов - таблиц, карт, диаграмм и т.п.

1.1. Функции ввода данных. Вопросы ввода данных занимают одно из важнейших мест среди функций ГИС. Если же говорить о важности этих функций на данном конкретном этапе внедрения геоинформационных технологий, то это, может быть, и центральное место. Следует различать функции по первичному вводу информации в пространственную базу данных, так называемый массовый, или первичный ввод или первичная загрузка базы данных, и функции вторичного ввода, который производится уже в процессе эксплуатации системы. В некоторых случаях эти функции могут не различаться - возможны ситуации, когда заполненная однажды данными ГИС функционирует без изменения набора данных в ней. Первичный ввод часто выполняется сразу в больших объемах, нередко путем переноса данных из другой компьютерной системы (импорт данных) или путем оцифровки большого количества часто однотипных бумажных документов. Вторичный ввод данных может быть различным по характеру. Это может быть модификация, редактирование существующих данных - изменение значений атрибутов объектов, редактирование объектов с изменением их формы или/и положения. Это может быть дополнение существующих тематических слоев новыми объектами, как в пределах той территории, где уже имеются данные в базе, так и с наращиванием, расширением территории. Это может быть дополнение базы данных новыми тематическими слоями, ранее в ней отсутствовавшими, и объектами в них. В целом это могут быть более разнообразные процессы, чем при первичном вводе, использующие более разнообразные технологии и функции системы.

1.2. Функции вывода и представления данных. Функции вывода могут отличаться у систем, ориентированных на выполнение потока отдельных информационных запросов и систем, ориентированных на выполнение серьезных аналитических операций. Последние чаще выдают вещественные документы - твердые копии карт, таблиц, диаграмм, отчетов. Запросного типа системы выдают преимущественно карты, краткие таблицы и диаграммы только на экране.

1.3. Функции обработки и анализа информации, администрирования данных. Функции обработки и анализа информации – наверное, самые важные. Функции обработки могут быть связаны только с пространственной компонентой информации, только с описательной (атрибутивной) компонентой или с обеими.

Разумеется, важна группа функций, обеспечивающих администрирование базы данных, контроль ее состояния, управление доступом.

2 Типы применений ГИС. По требованиям к наличию или относительной развитости тех или иных функций в программном обеспечении ГИС, можно выделить 12 основных направлений, типов применения ГИС.

1. Простое копирование бумажных карт в электронной форме с помощью сканера или дигитайзера (automated mapping). Основная цель - возможность просматривать карты на экране и получать копии карт на плоттере с легкостью внесения необходимых изменений в графический компонент. Это одна из самых простых и примитивных функций ГИС. Здесь не предусматривается ни активной работы с описательными характеристиками объектов, ни какие-либо аналитические функции.

2. Компьютерный подход к тематическому картографированию - множественность атрибутов, связанных с одними и теми же объектами дает возможность для одной и той же контуровки легко получать множество карт разного тематического содержания, с разными схемами классификации для одного и того же признака, с использованием разных картографических методов представления информации (карты плотностей точек, цветовые легенды, вписанные диаграммы, масштабируемые значки...). (Thematic mapping). Более развитые функции, в основном за счет управления визуализацией через значения атрибутов. В отличие от предыдущей группы хорошо обеспечивается визуализация площадных объектов.

3. Комплексирование информации методом наложения карт (оверлейные операции) (Map overlay). Наряду с примитивными операциями (как просто включение и отключение тематических слоев и просмотр различных их комбинаций на экране) используются полноценные операции, где в результате формируются новые слои, и в их формировании участвуют атрибуты объектов и при этом происходит перегруппировка или объединение атрибутов для вновь формирующихся объектов, обеспечивается далеко не всеми системами. Одна из очень серьезных и важных на практике аналитических функций ГИС - задачи районирования территории по комплексу признаков, выбора оптимального месторасположения нового объекта и др.

4. Анализ пространственных данных, включающий рассмотрение их описательных характеристик, таких, например, как средний размер населенных пунктов в пределах определенной территории или урожай зерновых в пределах определенной климатической зоны.

5. Различные виды статистики по атрибутам (непространственной) по пространственным объектам (+ картографическое представление результатов).

6. Пространственная статистика, включающая характеристики размещения объектов, но не включающая рассмотрение значений их атрибутов (например, характеристика степени равномерности (случайности) распределения объектов с помощью критерия хи-квадрат).

7. Пространственный анализ (использующий статистические методы или нет) формы объектов или других характеристик, требующих проведения пространственных измерений на самих объектах.

8. Пространственная статистика, включающая в рассмотрение как расположение, так и атрибутивные характеристики объектов (например, построение карт трендов, пространственная корреляция между удалением от дорожной сети и степенью нарушенности первичного биоценоза).

9. Пространственный анализ, использующий моделирование ("что если", моделирование процессов с построением их математических моделей...).

10. Интерактивный просмотр информации в пространственной базе данных с включением неформальных элементов анализа ее человеком (традиционный метод работы, где все решения и анализ - за человеком, а информационная система выполняет только техническую работу, обеспечивая удобство и наглядность работы с информацией за счет "количественного" фактора - увеличения скорости доступа к информации - обеспечивается качественный скачок.

11. Решение задачи методом организации запроса к пространственной базе данных - формулирование условий и ограничений для поиска объектов и визуализация найденных объектов.

12. Комбинирование логического и пространственного анализа - системы поддержки принятия решений и экспертные системы, учитывающие пространственную информацию.

3 Модели данных и их разновидности. Очень многое определяется разумной организацией данных в пространственной информационной системе.

Модель данных - это концептуальный уровень организации данных, логический уровень. Если говорить о компьютерных моделях данных, то это всегда цифровое представление данных. Не только числовые характеристики, но и информация положения, и пространственная геометрическая (положения и формы), и пространственная топологическая (взаиморасположение и связи объектов), и описательная словесная (неколичественная) информация всегда в компьютерных моделях данных присутствуют в числовой форме.

Выбор того или иного способа организации данных в ГИС определяет очень многое, почти все. Определяет гораздо больше, чем выбор того или иного конкретного программного пакета. Выбор модели данных напрямую определяет многие функциональные возможности создаваемой ГИС, так как некоторые функции по работе с пространственной информацией просто невозможно реализовать для определенных типов организации данных, или эти функции будут обеспечиваться только путем чрезмерно сложных манипуляций. Способ организации данных в ГИС, то есть выбранная модель данных, напрямую определяет также и применимость тех или иных технологий ввода данных. От выбора модели данных в не меньшей степени зависит также достижимая пространственная точность представления геометрической информации, возможность накопления в пространственной базе качественного, кондиционного и внутренне непротиворечивого материала. Возможности по организации тех или иных процедур контроля качества и непротиворечивости пространственных данных существенно зависят от выбранной модели данных. Возможность организовать работу с большими объемами данных или с точными данными по большим территориям также связана не только с особенностями и ограничениями конкретного программного пакета, но в еще большей мере - с типом и особенностями выбранной модели данных. Такие важные для практики аспекты, как удобство редактирования и обновления данных, возможность организации многопользовательской работы с пространственной базой данных в режиме редактирования - тоже связаны в первую очередь с моделью организации данных, и уже во вторую - с выбором конкретного программного обеспечения.

Ошибки в решении этого вопроса могут проявиться решающим образом в самой возможности выполнения ГИС требуемых функций, в возможности расширения списка этих функций в будущем, в успешности или неуспешности проекта с экономической точки зрения и, что очень важно - могут определить ценность накапливаемых пространственных баз данных в долговременной перспективе. Будут ли Ваши данные совместимы с другими, будут ли они нужны другим, наконец, не придется ли Вам на каком-то этапе эксплуатации и развития системы бросить все и переходить на принципиально другую систему, поддерживающую другую модель данных, и придется ли Вам при этом отвергнуть весь уже накопленный материал и вводить его заново, или нет - это во многом зависит от правильного ответа на вопрос о выборе способа организации пространственных данных, модели данных. Как известно, обмен данными между двумя разными ГИС и даже полная смена программного пакета - обычно не очень большая проблема, если используемые в них модели данных близки.

Индивидуальные объекты могут иметь различную размерность в геометрическом смысле - быть точечными (нулевая длина и ширина, размерность 0), линейными (нулевая ширина при ненулевой длине, размерность 1) и площадными (ненулевая длина и ширина, размерность 2). Следует отделять от понятия размерность объекта понятие размерности пространства его описания. Линейное пространство (размерности 1) - это, например, система координат вдоль линии, такая как километровые столбы вдоль шоссе; двумерное плоское пространство (размерности 2) - это, например, карта с системой картографических координат; трехмерное пространство (размерности 3) - это наше обычное "реальное" пространство. Такого типа пространство удобно для описания пространственных данных об объектах местности вместе с рельефом местности, на которой они находятся, для работы с перспективным изображением местности, для создания, как сейчас принято говорить, "виртуальных" отображений действительного или смоделированного ландшафта - высокореалистичного и динамичного его отображения.

Легко заметить, что размерность пространства описания связана определенным образом с размерностью объекта, а именно: максимальная размерность объекта равна размерности пространства описания. На линии можно расположить точечные и линейные объекты, на карте - точечные, линейные и площадные, в трехмерном пространстве - точечные, линейные, площадные и объемные.

Объекты могут относиться к разным категориям и находиться между собой в сложных соотношениях, например, образовывать иерархические структуры соподчиненности. К примеру, линейные объекты могут быть реками (элемент гидрографии), железными дорогами, автомобильными дорогами, центральными линиями улиц (элементы транспортной сети), линиями газопроводов, линиями нефтепроводов (элементы трубопроводной сети). Автомобильные дороги, например, могут быть далее подразделены на множество различных классов по разным их признакам и сочетаниям признаков (значение, ширина, число полос движения, тип дорожного покрытия, его состояние, время постройки, время и содержание последнего ремонта или инспекции, принадлежность к той или иной организации обслуживания, интенсивность движения - может быть, разная в разное время суток, день недели, сезон - дальше можно продолжать очень долго). И из этих признаков можно построить не единственную систему классификации дорог - в зависимости от того, какие признаки считать более существенными, а какие -относительно менее существенными, им подчиненными. Ясно, что такие смысловые подразделения и группировки объектов в разные категории не могут быть абсолютными на все случаи жизни - выбор той или иной из них зависит от стоящих перед нами задач.

С индивидуальным объектом, если мы хотим трактовать его как индивидуальный, должен быть связан его уникальный идентификатор - например, какой-то номер, формально присваиваемый ему программой в процессе ввода или имеющий содержательный смысл и вне пространственной базы данных, например, его номер по какому-то перечню или кадастру. Это может быть, в принципе, и какое-то уникальное нечисловое имя - например, уникальное название, неповторяющееся более нигде в пределах области изучения. (Или только той ее части, в пределах которой требуется сохранять уникальность идентификаторов. В последнем случае мы имеем как бы двухуровневое деление, и имя (код) этой части может рассматриваться как составная часть идентификатора (префикс идентификатора) объекта.) В общем, идентификатор необходим, в противном случае объект не является уникальным и его нельзя трактовать как в полной мере индивидуальный, самостоятельный.

Тем не менее, естественно, что информация о положении (а также форме, размерах) объекта крайне важна в ГИС. Обычно такую информацию, как бы она ни была выражена - числовыми координатами, или как-то еще, называют информацией положения (локатором) и отделяют ее от информации идентификации (идентификатора). Вся остальная информация об объекте может рассматриваться как его атрибуты - набор характеристик. Атрибуты можно подразделить на пространственные и непространственные. Пространственные - это, например, периметр и площадь площадного объекта, длина линейного. Непространственные атрибуты могут быть самыми различными - числовыми, текстовыми значениями каких-то величин, описывающих объект. Пространственные атрибуты часто являются функциями параметров положения - например, периметр площадного объекта может рассчитываться из координат слагающих его контур точек.

Можно говорить об объектах элементарных (обычно это точка, линия и полигон) и об объектах неэлементарных (группировках), представляющих объединения (постоянные или временные группировки) элементарных объектов. Если такая группа в свою очередь имеет уникальный идентификатор, то она тоже может рассматриваться как индивидуальный объект. Такая группировка может быть организована на базе как однотипных, так и разнотипных объектов. В последнем случае назовем такие объекты (группировки) комплексными объектами. Более того, в нее могут входить также и объекты неэлементарные, которые уже, в свою очередь, являются группировками.

Чуть подробнее коснемся атрибутов объектов. Для них важнейшей характеристикой является тип использованной шкалы измерений. Общепринято деление шкал (и, соответственно, данных в этих шкалах) на "качественные" и "количественные". К "качественным" относят шкалы номинальную (наименований) и ординальную (порядковую, ранговую). К "количественным" относят интервальную (интервалов) и рациональную (отношений) шкалы.

Отметим, что это деление не имеет ничего общего с формой записи или кодированием значений - и данные в номинальной шкале могут быть представлены (и всегда в конечном счете представляются в компьютере) числом. Но это число как бы и не численное значение, это просто код класса, число здесь выступает просто как заменитель названия. В случае номинальной и порядковой шкал для этого числа не имеют смысла некоторые арифметические операции (для порядковой шкалы - имеется только операция упорядочения и сравнения "больше-меньше-равно", а для номинальной -только сравнение "равно-не равно").

Кроме этого, атрибуты могут быть первичными (измеренными, введенными) и вторичными, расчетными, полученными расчетом из значений других атрибутов. Частный случай таких вторичных рассчитываемых - это атрибуты (обычно пространственные), которые рассчитываются исходя из позиционных параметров объектов (например, периметр).

В современных ГИС возможно иногда связывание с объектом некоторого действия, например, запуск какой-то программы при активизации объекта указанием на него. Возможно также при активизации объекта (например, площадного объекта "Московская область" на карте России) перейти к другой карте - более подробной карте Московской области с районным делением или к карте Москвы - столице области. Таким образом другую карту, организованную в рамках той же (например, векторно-топологической) или другой (например, растровой) модели данных или какой-то индивидуальный объект в них можно тоже рассматривать в качестве атрибута первого объекта. При этом возможна организация связи между ними различным образом, в том числе с установлением иерархических связей соподчиненности между как индивидуальными объектами, так и их множествами (картами, тематическими слоями). Все это позволяет создавать конкретные структуры баз данных очень сложные и изощренные.

Некоторое свойство, непрерывно распределенное в пространстве, например, на земной поверхности, удобно в математическом смысле рассматривать в качестве поля. (Вообще говоря, разного вида - скалярного, векторного, тензорного, трехмерного или двумерного, определенного только на поверхности земли или с ней не связанного, а только проектируемого на нее или пересекаемого ею). Типичные формы представления подобных непрерывных свойств таковы:

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 (например, все значения кислотности почвы измерялись только там, где можно было легко передвигаться по местности, то есть на голых водоразделах, а не в заболоченных речных долинах).

Способ представления изолиниями - наиболее распространен в традиционной картографии. Обычно нет никакой информации о поведении поля между изолиниями, и вторая проблема состоит в том, что по одним и тем же исходным данным (обычно это точки нерегулярной сети) интерполяция и последующее проведение изолиний может быть сделана не единственным способом. Способ представления очень привычный, но не самый удобный для анализа.

Наиболее удобен для многих случаев вариант, когда поля задаются регулярно расположенными в пространстве точками достаточной густоты (регулярная модель"), особенно когда это точки не интерполированные из нерегулярных, а измерения, проведенные по регулярной сети. Из них легко перейти к любой другой форме представления.

Несколько особняком стоит модель данных TIN (Triangulated Irregular Network), специально предназначенная для представления поверхностей значений, полей (например и в первую очередь - поверхности рельефа местности). Это также нерегулярная сеть точек, но точек связанных, соединенных особым образом выбранной сетью прямых отрезков, при этом эти отрезки (называемые часто ребрами - edges) образуют множество треугольников, как бы грани (фасеты). Наличие таких связок между точками дает некоторое представление (линейное приближение) о поведении поля (или форме поверхности) на данном участке в промежутке между точками. Поэтому модель данных типа TIN часто позволяет получать более качественное и более экономное представление поверхностей (полей). В особенности удачным оказывается применение этой модели данных для ситуации, когда изменчивость поля (например, рельефа местности) очень разная в разных частях территории, например, если район изучения захватывает и горный район, и плоскую предгорную равнину. К сожалению, многие типы аналитических задач трудно выполнимы на этом типе модели данных.

Несколько схематизируя ситуацию, заметим, что в ГИС о модели данных можно говорить в нескольких смыслах. Во-первых, сами пространственные данные, а это в значительной части графическая, позиционная компонента, могут быть организованы различно по своему внутреннему устройству, в соответствии с разными моделями. Во-вторых, можно говорить и о разных моделях организации атрибутивных данных внутри себя, безотносительно к графической компоненте. Наконец, и это уже момент, специфичный именно для ГИС, можно говорить о разных моделях отношений между пространственной и атрибутивной информацией, или, упрощая, между графической и описательной. Такое раздельное рассмотрение названных аспектов полезно не всегда, иногда модель данных весьма тесно интегрирует пространственную и атрибутивную информацию.

Выделим два общих принципа (подхода) к организации пространственных данных. Это различные принципы группировки объектов в логически связанные структуры более высокого порядка. (Они могут в той или иной мере сочетаться с разными только что описанными моделями взаимоотношений пространственных объектов и их атрибутов.) Один - это принцип послойной организации информации (его часто называют классическим), второй - опять же основан на объектно-ориентированном подходе. Надо сразу отметить, что объектно-ориентированный подход здесь понимается не обязательно в том смысле, что в объектно-ориентированном программировании и что между двумя упомянутыми принципами организации информации "антагонистического противоречия", конечно, нет. Послойный принцип организации информации заключается в том, что находится некоторое деление объектов на тематические слои; и объекты, отнесенные к одному слою, образуют некоторую логически (а часто и физически) отдельную единицу данных - например, они собираются в один файл или в одну директорию, они имеют единую и отдельную от других слоев систему идентификаторов, к ним можно обращаться как к некоторому множеству. Например, мы выносим в один слой все объекты гидрографии, или все шоссейные дороги, или все, относящееся к растительному покрову. Чаще всего при этом организуется также и деление одного тематического слоя по горизонтали - по аналогии с отдельными листами карт. Это делается в основном из удобства администрирования баз данных и чтобы избежать работы с чрезмерно большими файлами. Для случая векторно-топологических моделей данных (то есть тех, которые позволяют строить и хранить в самой модели данных топологические отношения между объектами) обычно существуют некоторые дополнительные ограничения - в один лист одного тематического слоя можно поместить объекты не всех геометрических типов одновременно. Векторные нетопологические модели данных в этом смысле предоставляют больше свободы, но все равно часто и в них в один слой помещаются только объекты одного геометрического типа. Число слоев при послойной организации данных может быть ограничено, может быть практически не ограничено в зависимости от конкретной реализации. При послойной организации данных очень 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 организации как векторно-топологических, так и векторно-нетопологических моделей пространственных данных для ГИС. И абсолютно преобладает послойный принцип организации в растровых моделях данных для представления непрерывно распределенных признаков.

Объектно-ориентированный принцип организации данных в ГИС акцентирует внимание не столько на общих свойствах объектов (моделируемых через деление на слои в предыдущем подходе), сколько на их положении в какой-либо сложной иерархической схеме классификации, на взаимоотношениях между объектами. В силу этого удобно отображаются различные родственные и генетические отношения между объектами, отношения соподчиненности, функциональные связи между объектами. В целом этот подход в чистом виде менее распространен, чем послойный, вероятно, отчасти из-за больших трудностей практической организации всей системы взаимосвязей объектов. Трудозатраты на подготовительный этап формирования конкретной структуры базы данных могут быть очень велики. Могут быть и определенные сложности с изменением сформированной структуры базы данных и приспособлении ее к новым задачам. Для информации о природных объектах вообще применяется реже, чем послойный подход. Трудно также представить себе растровую ГИС, эффективно реализующую объектный подход.

Сегодня в моделях данных в ГИС преобладает послойный принцип организации информации. Два этих подхода, (если отмести крайности) вообще не противоречат друг другу. Существуют возможности использования обеих подходов совместно (имеются такие примеры). В будущем можно ожидать более тесного их взаимодействия, эти тенденции уже отчетливо видны. Однако сегодня могут существовать проблемы обмена информацией между системами, использующими два этих разных подхода. Иногда высказывается мнение, что объектно-ориентированный подход более эффективен при работе с ГИС только по техногенным объектам, а послойный - при работе с природными объектами и для случая, когда имеешь дело и с теми и с другими.

Геоинформационные технологии принесли компьютерные методы в практику многих и многих областей знания, где до этого использование компьютеров было ограниченным и вспомогательным, усадили за компьютер много специалистов, которые до знакомства с ГИС практически не имели дела с какими-либо информационными технологиями. Это порождает определенные проблемы как в обучении геоинформатике, так и в практическом освоении технологий. Может быть, сейчас стоит назвать некоторые из этих проблем, поскольку они в значительной мере связаны с предыдущим текстом.

1. Многие пользователи не знают, не могут четко сформулировать, чего они хотят. Процесс постановки задачи и выбора модели данных, программного средства и конкретной технологии связаны поэтому очень тесно. На этих этапах очень желательно тесное взаимодействие специалиста-прикладника, способного формулировать задачу на содержательном уровне и специалиста по общей геоинформатике, выступающего в роли системного аналитика. Весьма вероятно, что этот процесс должен быть итеративным - идти методом последовательных приближений.

2. Пользователи могут думать, что применение какого-то программного обеспечения само по себе решит их проблемы. Однако никакие самые совершенные средства обработки и анализа не состоянии решить никаких проблем без достаточного обеспечения качественными данными и продуманной постановки задачи.

3. Некоторые операции, возможные теоретически, на практике оказываются слишком дорогими за счет необходимости сбора дополнительной информации, за счет того, что алгоритмы их реализации требуют слишком больших вычислений даже для современных компьютерных систем. Уровень реализации некоторых методов анализа в современных программных средствах может быть недостаточен для их применения в определенных ситуациях (ограничения на число объектов...).

Геоинформатика – Специфический отдел информатики, имеющий дело с пространственно привязанной информацией.

Геоинформационные технологии – совокупность методов и приемов практического использования достижений геоинформатики для манипулирования пространственными данными, их представления и анализа.

Дата добавления: 2014-01-03