Гис – технологии создания цифровых тематических карт

Free Powerpoint Templates

Географическая информационная система (ГИС) определяется как современная компьютерная технология для картографирования и анализа объектов реального мира, а также событий, происходящих на нашей планете, в нашей жизни и деятельности, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ и отображение информации любого вида.

Научные, технические, технологические и прикладные аспекты проектирования, создания и использования ГИС изучаются геоинформатикой.

ГИС — это система аппаратно-программных средств и алгоритмических процедур, созданная для цифровой поддержки, пополнения, управления, манипулирования, анализа, математико-картографического моделирования и образного отображения географически координированных данных.

Географические информационные системы (ГИС) — это особые аппаратно-программные комплексы, обеспечивающие сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных (Берляндт, 2001).

К географически координированным данным (Geographically referenced data) относятся:
— географическая широта и долгота;
— прямоугольные координаты X и Y;
— высотное положение объектов;
— местоположение, зафиксированное на карте;
— почтовые адреса;
— почтовые индексы и иные коды, идентифицирующие предварительно разграниченные участки территории.

Появление и развитие ГИС стало возможным благодаря таким научным дисциплинам как: география, геодезия, картография, топография, информатика, математика, дистанционное зондирование Земли, фотограмметрия, статистика, теория управления.
Первые ГИС были созданы в Канаде, США и Швеции для изучения природных ресурсов в середине 1960-х годах, а сейчас в промышленно развитых странах существуют тысячи ГИС, исполь­зуемых в экономике, политике, экологии, управлении и охране природных ресурсов, кадастре, науке, образовании и т.д. Они интегрируют картографическую информацию, данные дистанцион­ного зондирования и экологического мониторинга, статистику и переписи, гидрометеорологические наблюдения, экспедиционные материалы, результаты бурения и др.
В создании ГИС участвуют многие международные организа­ции (ООН, ЮНЕСКО, Программа по окружающей среде и др.), правительственные учреждения, министерства и ведомства, кар­тографические, геологические и земельные службы, частные фир­мы, научно-исследовательские институты и университеты. Во многих странах образованы национальные и региональные органы, в задачи которых входит развитие ГИС и автоматизированного картографирования, а также определение государственной политики в облас­ти геоинформатики.
В государственных программах России много внимания уделя­ется развитию геоинформационных технологий для картографи­рования, а также созданию ГИС разного ранга и назначения для целей управления. В крупнейших городах России — Москве, Санкт-Петербурге, Екатеринбурге, Новосибирске, Иркутске и Хабаров­ске — созданы центры геоинформации. К ним привязывают мест­ные ГИС и центры сбора аэрокосмических данных. В единую ГИС-инфраструктуру России постепенно включают базы и банки данных научных институтов и университетов.

Глобальные (масштабы от 1:1000.000 до 100.000.000);
Национальные (1:1000.000 — 1:10.000.000);
Региональные (1:100.000 — 1:2500.000);
Муниципальные (1:1000 — 1:100.000);
Локальные (заповедники, национальные парки и др.).

Классификация ГИС по тематике:

Земельные информационные системы (ЗИС),
Кадастровые (КИС),
Экологические (ЭГИС),
Учебные,
Морские и многие иные системы.
ГИС ресурсного типа - одни из наиболее распространенных в географии. Они создаются на основе обширных и разнообразных по тематике информационных массивов и предназначены для инвентаризации, оценки, охраны и рационального использования ресурсов, прогноза результатов их эксплуатации

Работающая ГИС включает в себя пять ключевых составляющих:
аппаратные средства,
программное обеспечение,
данные,
исполнители
методы

Это компьютер, на котором запущена ГИС. В настоящее время ГИС работают на различных типах компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров.

Содержит функции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации. Ключевыми компонентами программных продуктов являются: инструменты для ввода и оперирования географической информацией; система управления базой данных (DBMS или СУБД); инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения); графический пользовательский интерфейс (GUI или ГИП) для легкого доступа к инструментам и функциям.

Это вероятно наиболее важный компонент ГИС. Данные о пространственном положении (географические данные) и связанные с ними табличные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем, либо приобретаться у поставщиков на коммерческой или другой основе. В процессе управления пространственными данными ГИС интегрирует пространственные данные с другими типами и источниками данных.

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

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

Сердцевину всякой ГИС составляет автоматизированная картографическая система (АКС) — комплекс приборов и программных средств, обеспечивающих создание и использование карт (Берляндт, 2001). АКС состоит из ряда подсистем (блоков), важнейшими из которых являются подсистемы ввода, обработки и вывода информации (рис. 1).

Структура ГИСИнформа-ционные слои ГИС

Структуру ГИС обычно представляют как набор информаци­онных слоев, которые объединены на основе географического положения (рис. 2). К примеру, основные слои содержат данные о рельефе, гидрографии, дорожной сети, на­селенных пунктах, почвах, растительном покрове и т.д. Условно эти слои можно рассмат­ривать в виде «этажерки», на каждой полочке которой хранится карта или цифровая информация по определенной теме.
Информационные слои ГИС
Можно также сказать, что каждый слой содержит информацию об одном элементе содержания географической карты, например о реках. Более того, информация о речной сети может быть разбита на несколько информационных слоев, например: главные реки, притоки 1 порядка, притоки 2 порядка.
Условно также можно представить ГИС как стопку прозрачных листов-слоев, каждый из которых содержит информацию об определенных объектах, которая может быть визуализирована как элемент карты. Эти прозрачные слои накладываются друг на друга, что позволяет выявлять взаимосвязи между объектами.
Интересно, что одним из первых удачных опытов использования принципа комплексирования (совмещения и наложения) пространственных данных с помощью согласованного набора карт датируется XVIII веком! Французский картограф Луи-Александр Бертье использовал прозрачные слои, накладываемые на базовую карту для показа перемещения войск в сражении под Йорктауном.
В процессе решения поставленных задач слои анализируют по отдельности или совместно в разных комбинациях, выполняют их взаимное наложение (оверлей) и районирование, рассчитывают корреляции и т.п. Скажем, по данным о рельефе можно построить производный слой углов наклона местности, по данным о дорож­ной сети и населенных пунктах — рассчитать степень обеспечен­ности территории дорожной сетью и сформировать новый слой.

При создании ГИС главное внимание всегда уделяют выбору географической основы и базовой карты, которая служит карка­сом для последующей привязки, совмещения и координирования всех данных, поступающих в ГИС, для взаимного согласования информационных слоев и последующего анализа с применением оверлея. В зависимости от тематики и проблемной ориентации ГИС в качестве базовых могут быть избраны:
— карты административно-территориального деления;
— топографические и общегеографические карты;
— топографические планы;
— кадастровые карты и планы;
— фотокарты и фотопортреты местности;
— ландшафтные карты;
— карты природного районирования и схемы природных кон­туров;
— карты использования земель.
Возможны и комбинации указанных основ, например ландшаф­тных карт с топографическими или фотокарт с картами использова­ния земель и т.п. В каждом конкретном случае выбор и дополнитель­ная подготовка базовой карты (например, ее разгрузка или нанесе­ние дополнительной информации) составляют центральную задачу этапа географо-картографического обоснования ГИС.

Векторные карты, соответствующие разграфке

Пользовательские векторные карты

Растровые карты

Матрицы высот рельефа

Матрицы и растры качеств

Аэро- и космические фотоснимки и фотодокументы

ГИС хранит информацию о реальном мире в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе географического положения.
Типы данных возможны в двух различных представлениях: векторных и растровых. И если растровое - это отсканированная карта или картинка, то векторное представление хранит информацию о предметах в виде наборов координат.
Послойное представление пространственных объектов в ГИС имеет прямые аналогии с поэлементным разделением тематического и общегеографического содержания карт.

Картам в ГИС отведено особое место. Он начинается с создания базы данных. В качестве источника получения исходных данных можно пользоваться оцифровкой обычных бумажных карт. На основе картографических баз данных можно создавать карты на любую территорию, любого масштаба, с нужной нагрузкой, с ее выделением и отображением требуемыми символами. В любое время база данных может пополняться новыми данными, а имеющиеся в ней данные можно корректировать по мере необходимости.

ГИС общего назначения обычно выполняет пять процедур (задач) с данными:
Ввод. Для использования ГИС данные должны быть преобразованы в подходящий цифровой формат.
Манипулирование. Часто для выполнения конкретных проектов необходимо дополнительно видоизменить имеющиеся данные в соответствии с требованиями вашей системы. ГИС-технология предоставляет различные способы манипулирования пространственными данными, необходимые для конкретных задач.
Управление. В небольших проектах информация может храниться в виде обычных файлов, но при увеличении ее объема и росте числа пользователей для хранения и управления данными эффективнее применять системы управления базами данных (СУБД).
Запрос-анализ. Используя ГИС, становится очень просто получить ответы на такие вопросы, как: "Что будет, если…".
Визуализация. Для многих типов пространственных операций конечным результатом является представление данных в виде карты или графика.

Специальные программные средства, обслуживающие отдельные функциональные группы:
конвертирование форматов;
оцифровку;
векторизацию;
создание и обработку цифровых моделей рельефа;
взаимодействие с системами спутникового позиционирования.

В комплексе с ПО ГИС используются такие программные продукты как:
настольные издательские пакеты (Adobe Page Maker, Quark Xpress, Adobe InDesign);
пакеты статистического анализа (Statistica);
системы управления базами данных (MS Access, Oracle, DBase);
системы автоматизированного проектирования (AutoCAD);
электронные таблицы (MS Excel);
средства цифровой обработки изображений (Adobe Photoshop).

ПО для разработки ГИС можно разделить на три группы:
Системы с широкими возможностями, включающими ввод данных, хранение, сложные запросы, пространственный анализ, вывод данных (ARCINFO).
Программные компоненты или библиотеки, которые содержат в себе ряд полезных функций (MapObjects, GeoConstructor).
Среды разработки ПО на различных языках программирования (Visual C++, Visual Basic, Delphi).

ГИС - универсальная система с множеством функциональных возможностей:
Формирование любые сочетаний слоев.
Просмотр сквозь слои, что упрощает визуальную корреляцию.
«Совмещение» любой тематической карты со структурной поверхностью.
Визуализация любых объектов и данных в 3D пространстве.
Щелчком мыши получить характеристики любых слоев в любой точке.
Произведение математических и статистических расчетов по любым данным, загруженным в ГИС.
Дополнение и корректировка любых данных, загруженных в ГИС.
Загрузка своих данных, любого порядка и сложности.

Трехмерная модель местности в ГИС является полноценной трехмерной картой, которая позволяет выбирать объекты на модели с целью запроса информации об объекте, редактировать их внешний вид и характеристики.
Создание трехмерной модели не требует длительной подготовки, достаточно иметь двухмерную карту и матрицу высот.
Типовые трехмерные модели содержат поверхность рельефа местности, строения, объекты дорожной сети, трубопроводы, колодцы, светофоры, объекты растительности, гидрографии и другие объекты простой формы.

Длительное время картографические данные служили основным источником данных для пространственных баз данных и в том числе для геоинформационных систем.
Карта как информационный носитель выполняет две функции:
позиционную (дает информацию о точном расположении объекта, о его размерах);
атрибутивную (информирует о типе, виде, классе объекта, показывает топологические свойств объектов, их отношений и т.п.).

Топографическая карта

Морская карта

Данные ДЗЗ
(фрагмент космического снимка)

ГИС подразделяют и по проблемной ориентации (тематике). Созданы специализированные земельные информационные системы (ЗИС), кадастровые (КИС), экологические (ЭГИС), учебные, морские и многие иные системы. Одни из наиболее распространенных в географии – ГИС ресурсного типа.

Тематическая карта — форма представления знаний с ориентацией на улучшение поиска информации. Стандартизирована в ИСО 13250:2003 (ISO/IEC 13250:2003).
Наглядно может быть представлена в виде ориентированного графа, состоящего из вершин типа «тема» (topic), соединённых рёбрами типа «ассоциация» (association). Также имеется множество «информационных ресурсов» (occurrence). Некоторые «темы» ссылаются на нужные им «информационные ресурсы».
Таким образом, «информационные ресурсы» отделяются от графа «тем» и «ассоциаций», который представляет собой только каталог информации.
Для тематических карт разработан основанный на XML синтаксис «XML Topic Maps» (XTM).

Взаимодействие геоинформатики и картографии стало основой для формирования нового направления - геоинформационного картографирования, суть которого составляет автоматизированное информационно-картографическое моделирование природных и социально-экономических геосистем на основе ГИС и баз знаний.
Четкая целевая установка и преимущественно прикладной характер - вот, пожалуй, наиболее важные отличительные черты геоинформационного картографирования. Согласно подсчетам, до 80% карт, составляемых с помощью ГИС, носят оценочный или прогнозный характер либо отражают то или иное целевое районирование территории.

ГИС-технологии породили еще одно направление - оперативное картографирование, то есть создание и использование карт в реальном или близком к реальному масштабе времени для быстрого (своевременного) информирования пользователей и воздействия на ход процесса.
Оперативные карты предназначаются для инвентаризации объектов, предупреждения (сигнализации) о неблагоприятных или опасных процессах, слежения за их развитием, составления рекомендаций и прогнозов, выбора вариантов контроля, стабилизации или изменения хода процесса в самых разных сферах - от экологических ситуаций до политических событий.

Огромные возможности и порой неожиданные эффекты дают картографические анимации (мультипликации). Это особые динамические последовательности карт-кадров, создающие при демонстрации эффект движения.
Разнообразные модули анимационных программ обеспечивают:
перемещение картографического изображения по экрану;
мультипликационную смену карт-кадров или трехмерных изображений, диаграмм;
изменение вида элементов содержания (объектов, знаков), их размеров, ориентации, мигание знаков и др.;
панорамирование, изменения проекции и перспективы, вращение трехмерных изображений;
масштабирование (зуммирование) изображения или его части, использование эффекта «наплыва» или удаления объекта;
создание эффекта движения над картой («облет» территории), в том числе с разной скоростью и др.

Дальнейшее развитие геоинформационных технологий привело к созданию изображений, сочетающих свойства карты, перспективного снимка, блок-диаграммы и компьютерной анимации. Такие изображения получили название виртуальных.
В машинной графике визуализация виртуальной реальности предполагает, прежде всего, применение эффектов трехмерности и анимации. Именно они создают иллюзию присутствия в реальном пространстве и возможности интерактивного взаимодействия с ним.

Электронные атласы – это удачная альтернатива бумажным. Они позволяют значительно сократить сроки составления, использовать в качестве носителей компакт-диски, применить анимации и мультимедийные средства. Такие атласы содержат карты высокого качества, имеют дружественный интерфейс и обычно снабжены хорошими справочно-поисковыми системами.
Типы электронных атласов:
атласы только для визуального просмотра («перелистывания»), вьюерные атласы;
«интерактивные атласы»
«аналитические атласы»
атласы, размещенные в компьютерных телекоммуникационных сетях, например Интернет-атласы.

В обозримом будущем перспективы развития картографии в науках о Земле связываются прежде всего и почти целиком с геоинформационным картографированием. Внедрение электронных технологий "означает конец трехсотлетнего периода картографического черчения и издания печатной картографической продукции".
Сегодня новые карты и атласы уже не пахнут типографской краской, а подмигивают с экрана яркими огоньками значков и меняют окраску в зависимости от нашего желания и настроения. Возможно, недалеко то время, когда картографические голограммы создадут полную иллюзию реальной местности, а пейзажные компьютерные модели сведут на нет различия между картой и живописным полотном.