Метод геоинформационных систем в географической науке

• позиционно точной

• достоверной

• легко обновляемой

• доступной для любых пользователей» [27, с.147-148].

Как правило, ГИС создаются на основе уже существующих систем управления базами данных (СУБД). СУБД выполняет множество функций, которые в противном случае следовало бы программировать в ГИС. Сложность и разнообразие представления данных в ГИС, различимость в представлении позиционной и атрибутивной составляющей информации, необходимость ее обработки в контексте пространственной близости предъявляют своеобразные и повышенные требования к СУБД по сравнению с традиционной формой их использования.

Учебник по геоинформатике под редакцией В.С. Тикунова выделяет следующие обязательные требования к СУБД:

• управление данными во внешней памяти (на дисках);

• управление данными в оперативной памяти с использованием дискового КЭШа;

• работа с графическими объектами

• журнализация изменений, резервное копирование и восстановление базы данных после сбоев;

• поддержка языков БД (язык определения данных, язык манипулирования данными) [13, с. 90].

Сайт Академии САПР и ГИС вводит новые расширенные актуальные требования к СУБД:

• В рамках одной программы сканирование графического материала, его масштабирование и расположение в базе в качестве растровой подложки в заданном месте;

• Принятие материалов топогеодезических измерений со всех известных в стране тахеометров (тахеометр — геодезический прибор для измерения расстояний, горизонтальных и вертикальных углов) и их обработка;

• Подготовка и выдача на печать картографического и текстового материала любого масштаба, площади и сложности;

• Отображение единожды занесенного объекта в любых масштабах в соответствии с требованиями нормативной документации;

• Получение и обработка сведений из других программных продуктов, а также выдача их обратно;

• Интегрирование данные различных государственных структур — архитектур, землеустройств и пр.;

• Конечному пользователю — ее самостоятельная адаптация под конкретные задачи благодаря открытой форме прикладной базы данных;

• Оперирование, как сведениями уровня муниципальных образований, так и федерального уровня в одной системе хранения данных, поскольку территориальные размеры обработки графической информации не ограничены.

• Интеграция подсистемы документооборота, возможность создания документов с извлечением и преобразованием информации из базы данных, без перехода к другим программным продуктам, что значительно упрощает выпуск, хранение и поиск различной документации [2].

3.2. Геоанализ и моделирование.

3.2.1. Общие аналитические операции и методы пространственно-временного моделирования.

Несмотря на то, что хранящиеся в ГИС сведения представляют собой основную ценность, они приносят реальную пользу только при из использовании для решения прикладных задач. Каждая ГИС наряду с модулями для ввода и вывода данных обязательно имеет средства, предназначенные для выполнения общих функций пространственного анализа и решения специфических задач пользователя.

Н.В. Коновалова и Е.Е. Капралов приводят необходимость пространственного анализа в целях выявления следующих отношений:

1) Территорий, обладающих определенным набором свойств

2) Закономерностей в структуре или особенностей распределения объектов, а так же их характеристик в пространстве.

3) Наличия и вида взаимосвязей в пространственном распределении нескольких классов объектов или отдельных характеристик

4) Тенденции развития явлений в пространстве и во времени [26, с.98-99].

Учебник по геоинформатике под редакцией В.С. Тикунова анализирует основные аналитические операции и методы пространственно-временного моделирования.

•  Функции работы с базами данных

•  Формирование и редактирование пространственных данных

Web-сайт ГИС-Ассоциации приводит пример операций ввода/вывода на системе ArcViewe GIS:

- разбиение полигонов линиями

- слияние полигонов

- вычитание полигонов

- получение пересечений полигонов [14].

В системе MapInfo Professional, по словам Ю.К. Королева, предусмотрены также операции «Совмещение и генерализация»:

- совмещение узлов разных объектов

- разреживание узлов/генерализация

- удаление избыточных полигонов [27, с.179].

• Геокодирование (привязка к карте объектов, расположение которых в пространстве задается сведениями из таблиц БД)

• Картометрические функции (функции вычисления площадей, длин, периметров, площадей реальных поверхностей, объемов, заключенных между поверхностями) [см. там же, с.180].

А.М. Трофимов приводит пример применения функции при расчете расстояния между двумя точками на плане. Расстояние может быть вычислено по теореме Пифагора.

, где  d – расстояние между точками M1 (x1,y1,z1) M2 (x2,y2,z2) [51, с. 96].

При вычислении того же расстояния между двумя точками на сфере В.С. Тикунов предлагает воспользоваться формулами сферической тригонометрии:

, где L - расстояние между двумя точками на сфере, R – радиус, θ1 и θ2 – широты («вертикальный» угол), а φ1 и φ2 - долготы («горизонтальный» угол) [13, с. 226].

• Создание моделей поверхностей и анализ растровых изображений

Сайт Академии САПР и ГИС в модуле для анализа и трехмерного отображения данных «Поверхность» в MapInfo 5.5 выделяет следующие задачи:

- построение поверхности (матрицы высот) по триангуляции Делоне

- построение двойственной к триангуляции системы планарного разбиения

- построение изолиний по поверхностям

- визуализация данных о значении в узлах поверхности

- отсечение части поверхности

- построение профилей по поверхности [2].

Аналогичный модуль ArcView GIS Spatial Analyst рассматривается на Web-сайте ГИС-Ассоциации:

- вычисление углов наклона исходной поверхности к поверхности относимости для каждой точки поверхности

- расчет зон прямой видимости

- трехмерная визуализация поверхности

- выполнение арифметических операций с поверхностями [14].

• Построение буферных зон

• Оверлейные операции

• Сетевой анализ (решение задач на пространственных сетях связных линейных объектов).

• Агрегирование данных (переход к собирательным, обобщенным характеристикам объектов, сгруппированным по различным критериям).

• Зонирование (построение новых объектов – зон).

• Специализированный анализ.

• Фрактальный анализ (описание и моделирование географических процессов и явлений, порождающих структуры).

• Теория хаоса (позволяет определить, насколько хаотичное поведение отдельных звеньев пространственных структур способно повлиять на пределы нормальных вариаций их параметров).

• Теория катастроф (оценка не только стабильности форм, но и их появление, развитие, исчезновение) [13, с. 189].

3.2.2. Цифровое моделирование рельефа (местности). Математические алгоритмы.

В последнее время без использования цифровых моделей рельефа (ЦМР) не обходятся многие ГИС-проекты.

Web-сайт ГИС-Ассоциации трактует определение ЦМР (Англ.: Digital terrain model, DTM; digital elevation model, DEM; Digital Terrain Elevation Data, DTED, синоним ЦМР) как «средство цифрового представления 3-мерных пространственных объектов в виде трехмерных данных (three-dimensional data, 3-dimensional data, 3-D data, volumetric data) как совокупности высот (heights, spotheights) или отметок глубин (depths, spotdepths) и иных значений аппликат (координаты Z) в узлах регулярной сети с образованием матрицы высот (altitude matrix), нерегулярной треугольной сети (TIN) или как совокупность записей горизонталей (изогипс, изобат) или иных изолиний (contours, contour lines, isolines, isarithms, isarithmic lines)» [14].

Иное определение дает ГОСТ 22268 76. (Геодезия. Термины и определения. С.13): «Цифровая модель местности (математическая модель местности – digital terrain model)

1. цифровое представление пространственных объектов, соответствующих объектовому составу топографических карт и планов, используемое для производства цифровых топографических карт;

2. множество, элементами которого являются топографо-геодезическая информация о местности и правила обращения с ней» [15, c.3] .

Сайт Академии САПР и ГИС определяет цифровую модель местности (Digital Terrain Model (DTM) как «цифровую форму представления земной поверхности в виде сети (матрицы) высот или списка трехмерных координат X, Y, Z» [2].

Согласно определению А.М. Трофимова, цифровая модель местности (ЦММ) – «цифровая картографическая модель, содержащая данные об объектах местности и ее характеристиках» [51, с.54].

Области применения ЦМР очень разнообразны. Среди них А.В. Кошкарев и В.С. Тикунов выделяют следующие:

- вычисление уклонов и экспозиции склонов, что важно в строительстве дорог и продуктопроводов, сельском хозяйстве при выборе полей под культуры с разными требованиями к освещенности и др.;

- анализ поверхностного стока на территории;

- моделирование затопления территорий;

- анализ видимости, который используют при планировании коммуникационных сетей, в военном деле и других отраслях;

- ортокоррекция изображений;

- измерение площадей и объемов, получение профилей поверхности;

- просмотр данных в трех измерениях, создание виртуальных полетов над местностью и светотеневых моделей [29, c.155].

Ю.К. Королев, в первую очередь, видит область применения для ЦМР в «получении производных морфометрических или иных данных, включая:

- вычисление углов наклона и экспозиции склонов;

- анализ видимости/невидимости;

- построение трехмерных изображений;

- оценку формы склонов, выпуклость/вогнутость (convexity/concavity);

- вычисление (положительных и отрицательных) объемов (cut/fill analysis);

- генерацию линий сети водоразделов (ridges, ridge-lines, watersheds);

- построение изолиний по множеству значений высот (line fitting, surface fitting);

- автоматизацию аналитической отмывки рельефа (hill shading);

- цифровое ортотрансформирование»; [27, с.184-185].

Н.В. Коновалова и Е.Г. Капралов добавляют, что «цифровые модели рельефа могут быть использованы для моделирования потока воды или других движений, например, для запуска имитации лавин и оползней, или на землю исследования, посвященные использованию транспортной системы планирования и геологические приложения». Другие области применения включают «создание физических поднятых-рельефных карт, программы или другие визуализации и моделирования приложений». Цифровые модели местности, также включены в географические информационные системы [26, с.189].

В цифровом моделировании рельефа широко используются математические алгоритмы. Создание ЦМР базируется на использовании математического аппарата. От правильного его примене­ния зависит не только адекватность построенной модели, но и оптимальность затрат ресурсов машинной памяти и времени вы­числения.

Рассмотрим некоторые примеры таких алгоритмов.

О.Р. Мусин предлагает локальный интерполяционный алгоритм, построенный на триангуляции Делоне. Через три точки в пространстве проходит плоскость, уравнение которой является многочленом первой степени по своим переменным.

Уравнение этой плоскости может быть записано через определитель следующим образом: [35, с.30-31]

Метод весового среднего или модифицированный метод скользящего окна (локальный аппроксимационный) рассматривает А.М. Трофимов. «Для получения значения z в точке с координатами х, у выполним следующий алгоритм»:

1. Выберем из исходных точек те, которые расположены на плоскости аргументов ближе других от точки с координатами (х, у). Обозначим номера этих точек t1, t2,…tm.

2. Вычислим z по формуле:

где dti — вес точки ti, который может быть равен величине, обрат­ной расстоянию между точкой (х, у) и точкой (хti, уti) [51, с. 121-122].

Естественно, что здесь приведены только некоторые примеры из большого многообразия алгоритмов, используемых в различных задачах восстановления значений рельефа (функций) по множеству исходных точек, полученных в результате измерений.

Примеры применения математических алгоритмов см. главу 4.

3.2.3. Математико-картографическое моделирование.

Wikipedia - электронная энциклопедия определяет математико-картографическое моделирование как «построение и анализ математических моделей по данным, снятым с карты; создание новых производных карт на основе математических моделей» [12].

Под математико-картографическим моделированием учебник по геоинформатике под ред. В.С. Тикунова по­нимает «органическое комплексирование математических и кар­тографических моделей в системе «создание - использование карт» для конструирования или анализа тематического содержания карт» [13, с.167].

Математико-картографические модели могут быть элементарны­ми, выражающимися следующим образом:

исходные данные + математическая модель =

= результат моделирования.

Основываясь на данных положениях, А.М. Трофимовым была разработана классификация элементар­ных математико-картографических моделей: