Метод геоинформационных систем в географической науке

- ввод данных в машинную среду (data input) путем их импорта из существующих наборов цифровых данных или с помощью цифрования источников;

- преобразование, или трансформация данных, (data transformation), включая конвертирование данных из одного формата в другой, трансформацию картографических проекций, изменение систем координат;

- хранение, манипулирование и управление данными во внутренних и внешних базах данных;

- картометрические операции, включая вычисление расстояний между объектами в проекции карты или на эллипсоиде, длин кривых линий, периметров и площадей полигональных объектов;

- операции обработки данных геодезических измерений;

- операции оверлея;

- операции "картографической алгебры", (map algebra) для логико-арифметической обработки растрового слоя как единого целого;

- пространственный анализ, (spatial analysis) - группа функций, обеспечивающих анализ размещения, связей и иных пространственных отношений объектов;

- пространственное моделирование, или геомоделирование, (spatial model(l)ing, geo-model(l)ing), включая операции, аналогичные используемым в математико-картографическом моделировании и картографическом методе исследования;

- визуализация исходных, производных или итоговых данных и результатов обработки, включая картографическую визуализацию, проектирование и создание (генерацию) картографических изображений;

- вывод данных, (data output), графической, табличной и текстовой документации, в том числе ее тиражирование, документирование, или генерацию отчетов, в целом (reporting);

- обслуживание процесса принятия решений, (decision making); [14].

Кроме того, как отмечается, «в число функций ГИС (точнее, программного обеспечения ГИС) может входить цифровая обработка изображений» (данных дистанционного зондирования). Часть функциональных возможностей ГИС может «дублировать функции автоматических картографических систем и систем обработки цифровых изображений, а также более широкого программного окружения геоинформационных технологий» [см. там же].

А.В. Кошкарев и В.С. Тикунов проводят аналогичный, но более лаконичный спектр функциональных возможностей ГИС:

1) Ввод, предобработка и хранение данных

- источники данных

- модели пространственных данных

- ввод данных

- базы данных и управление ими

2) Геоанализ и моделирование

- общие аналитические операции и методы пространственно-временного моделирования

- цифровое моделирование рельефа (местности).

- математико-картографическое моделирование

3) Визуализация данных

- картографическая визуализация

- виртуально-реальностные изображения

- картографические анимации [29, c. 70].

Далее будут рассмотрены основополагающие возможности ГИС согласно концепции А.В. Кошкарева и В.С. Тикунова.

3.1. Ввод, предобработка и хранение данных.

3.1.1. Источники данных.

Источники данных для ГИС – основа их информационного обеспечения. Затраты на информационное обеспечение геоинформационных проектов достигают 90% от их общей стоимости.

ГИС позволяют интегрировать данные, которые были собраны в различное время, с различным масштабом и с использованием разных методов сбора данных. Качество ГИС зависит только от качества информации, которую они содержат. Проблема обновления информации является самой насущной и дорогой во всех действующих ГИС.

Н.В. Коновалова и Е.Г. Капралов выделяют два главных типа данных в ГИС: картографический и описательный.

1) Картографические данные

Картографические данные - это картографическая информация, хранящаяся в цифровой форме. Это географические объекты, описываемые на карте.

Большую часть этих объектов можно классифицировать на точки, линии и площади.

- точка (объект, для которого требуется только одно географическое местоположение (например, широта / долгота).

- линия (дуга) (состоит из серии связанных друг с другом точек. Она имеет только длину без ширины.

- полигон (площадь) (площадь ограниченная замкнутой линией. Полигон расположен на плоскости и соответственно имеет 2 размера: длину и ширину) [26, с.169].

2) Описательные (неграфические) данные

Второй тип данных, используемый в ГИС, не является графическим. Это описательная информация, которая хранится в базе данных об объектах (точка, линия, площадь) расположенных на карте.

Описательная информация называется атрибутом. Каждый атрибут имеет набор возможных значений относящихся к нему [см. там же].

Среди источников данных, широко используемых в геоинформатике, как отмечают Л.М. Бугаевский и В.Я. Цветков В.Я, наиболее часто привлекаются картографические, статистические и аэрокосмические материалы.

Использование географических карт как источников исходных данных для формирования тематических структур баз данных «удобно и эффективно по ряду причин. Сведения, считанные с карт, обладают следующими достоинствами:

- имеют четкую территориальную привязку

- в них нет пропусков, “белых пятен” в пределах изображаемой территории

- они в любой своей форме возможны для записи на машинные носители информации» [8, с.188-189].

Материалы аэрофотосъемки используются в основном для топографического картографирования, также широко применяется в геологии, в лесном хозяйстве, при инвентаризации земель. Космические снимки начали поступать с 60 - х годов и к настоящему времени их фонд исчисляется десятками миллионов.

Обратившись к статистическим материалам, имеющим цифровую форму, можно сказать, что они удобны для непосредственного использования в ГИС, среди которых особое место занимает государственная статистика. «Основное ее предназначение, говорит В.Я. Цветков, - дать представление об изменениях в народном хозяйстве, составе населения, уровне его жизни, развитии культуры, учете недвижимости, наличии материальных резервов и их использовании, соотношении в развитии различных отраслей хозяйства и др.». [см. там же, с.189].

А.В. Кошкарев и В.С. Тикунов также рассматривают основные блоки источников данных для ГИС:

1) Картографические источники:

- общегеографические карты

- карты природы

- карты народонаселения

- карты экономики

- карты науки, подготовки кадров, обслуживания населения

- политические, административные и исторические карты

- серии карт и комплексные атласы

2) Материалы дистанционного зондирования

- аэрофотосъемка

- космические снимки

- фотографические съемки

- телевизионные и сканерные снимки со спутников двойного назначения

- тепловые инфракрасные снимки

3) Статистические материалы

- гидрологические и метеорологические данные

- текстовые материалы

- материалы исследований

- материалы из государственных кадастров

В ГИС редко используются только один вид данных. Чаще всего это сочетание разнообразных данных на какую-либо территорию [29, с. 112].

3.1.2. Модели организации пространственных данных.

Существуют две точки зрения на организацию пространственных данных в ГИС.

Украинский образовательный сайт в разделе ГИС выделяет следующие типы пространственных данных (рис.2):

- векторная модель данных основывается на представлении карты в виде точек, линий и плоских замкнутых фигур.

- растровая модель данных основывается на представлении карты с помощью регулярной сетки одинаковых по форме и площади элементов. [40].

Рис. 2. Растровая и векторная модели пространственных данных.

В ином аспекте рассматривают модели пространственных данных Л.М. Бугаевский и В.Я. Цветков: «Самой распространенной моделью организации данных является слоевая модель». (рис.3) Суть модели в том, что «осуществляется деление объектов на тематические слои и объекты, принадлежащие одному слою». Часто один тематический слой делится еще и по горизонтали – по аналогии с отдельными листами карт. Это делается для «удобства администрирования БД и во избежание работы с большими файлами данных». [8, c. 173]

Рис.3. Пример слоевой организации данных.

В рамках слоевой модели существует две конкретных реализации: векторно-топологическая и векторно-нетопологическая модели.

• ГИС на основе векторной модели представления данных (векторно-топологическое представление и векторно-нетопологическое) приводят Л.И. Василевский и П.М. Полян. В этом случае цифровое представление точечных, линейных и полигональных пространственных объектов осуществляется в виде набора координатных чисел. (рис.4) [11, c.57-58].

Рис.4. Пример структуры, описываемой векторной моделью. 1 – жилой район, 2 – водоем, 3 – сельскохозяйственные земли.

• К.Н. Дьяконов представляет ГИС на основе растровой модели представления данных (регулярно-ячеистое представление и квадротомическое представление). В таких ГИС цифровое представление географических объектов формируется в виде совокупности ячеек растра (пикселей) с присвоенным им значением класса объекта (рис.5) [20, c. 75].

Рис.5. Пример структуры, описываемой растровой моделью. 1 – жилой район, 2 – водоем, 3 – сельскохозяйственные земли.

Как отмечает В.С. Тикунов, «наряду со слоевой моделью используют объектно-ориентированную модель. В этой модели используется иерархическая сетка (топографический классификатор)» (рис. 6) [5, c.197].

Рис.6. Пример топографического классификатора.

В объектно-ориентированной модели акцент делается на положение объектов в какой-либо сложной иерархической схеме классификации и на взаимоотношения между объектами. Этот подход менее распространен, чем слоевая модель по причине трудности организации всей системы взаимосвязей между объектами.

Следует отметить, что современные геоинформационные системы обычно работают с векторной и с растровой моделями представления данных.

3.1.3. Ввод данных в ГИС.

Ввод данных – это процедура, связанная с кодированием данных в компьютерно-читаемую форму и их записью в базу данных ГИС.

Ю.К. Королев выделяет 4 основных способа ввода данных в ГИС:

Первый способ – это ввод информации при помощи клавиатуры. Этот тип ввода, главным образом, используется для атрибутивных данных. Обычно ввод с клавиатуры совмещают с ручной оцифровкой.

Второй способ ввода – ручная оцифровка при помощи дигитайзера. Этот способ «наиболее широко используется для ввода пространственных данных с традиционных карт». Эффективность и качество оцифровки зависит от качества программного обеспечения оцифровки и умения оператора. Данный способ требует больших временных затрат и допускает наличие ошибок.

Следующий способ ввода – сканирование карт, позволяющее получать их цифровое изображение. Современные высокоразрешающие сканеры позволяют сканировать карты с разрешением около 20 микрон (0.02 мм). «Полученный цифровой снимок нуждается в обработке и редактировании для улучшения качества». При этом изображение преобразовывают в векторный формат. Сканированные изображения могут непосредственно использоваться для производства карт.

Кроме того, есть еще один способ ввода данных в ГИС – ввод существующих цифровых файлов. «Наборы таких данных должны быть доступны, а получение данных должно осуществляться при помощи сетевых технологий. Приобретение и использование существующих цифровых наборов данных является наиболее эффективным способом заполнения ГИС» [27, c.145].

В учебнике по геоинформатике под редакцией профессора В.С. Тикунова представлена современная классификация способов ввода информации в ГИС:

• Дигитайзерный ввод (основной объем работ выполняется оператором в ручном режиме)

• Полуавтоматический режим ввода (фиксируются пары координат Х и Y через заданный интервал времени или через определенное расстояние)

•  Векторизация растра (автоматическая, полуавтоматическая, ручная)

•  Сканирование [13, с.88].

3.1.4. Базы данных и управление ими.

Совокупность цифровых данных о пространственных объектах, образующая множество пространственных данных, составляет содержание баз географически данных и определяет принципы построения информационного обеспечения ГИС.

Ю.К. Королев предъявляет следующие требования к базе данных. «База должна быть:

• согласованной по времени

• полной, подробной