Капралов Е.Г., Кошкарев А.В., Тикунов В.С. и др. Геоинформатика

Подождите немного. Документ загружается.

Серия

КЛАССИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТСКИЙ УЧЕБНИК

основана

в 2002

году

по

инициативе ректора

МГУ им. М.В. Ломоносова

академика

РАН

В.А. Садовничего

и посвяшена

250-летию

Московского университета

КЛАССИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТСКИЙ УЧЕБНИК

Редакционный совет серии

Председатель совета

ректор Московского университета

В.А. Садовничий

Члены совета:

Виханский 0. С,

Гол

иченков А. К., Гусев

М.

В.,

Добренькое

В.

И., Донцов А. И., Засурский Я. Н.,

Зинченко

Ю.

П. (ответственный секретарь),

Камзолов А. И. (ответственный секретарь),

Карпов

С.

П., Касимов

Н.

С, Колесов

В.

П.,

Лободанов А. П., Лунин

В. В.,

Лупанов 0. Б.,

Мейер М.С., Миронов

В.

В. (заместитель председателя),

Михалев А. В., Моисеев Е. И., Пушаровский Д. Ю.,

Раевская О.В., Ремнева М.Л., Розов Н.Х.,

Салецкий

А.

М.

(заместитель председателя), Сурин А. В.,

Тер-Минасова

С.

Г., Ткачук

В.

А.,

Третьяков

Ю.

Д.,

Трухин

В.

И.,

Трофимов

В.

Т.

(заместитель председателя), Шоба

С.

А.

ГЕОИНФОРМАТИКА

Под редакцией проф. В.С.Тикунова

Лопушено

Министерством образования и науки Российской Фелераиии

в качестве учебника лля стулентов высших учебных завелений,

обучающихся по специальностям

012500

«География», 013100

Приролопользование», 013600

«Геоэкология», 351400 «Приклалная информатика {по областям)»

Москва

«Академия»

2005

УДК

91(075.8)

ББК 26.8я73

Г35

Печатается

по

решению

Ученого совета Московского университета

Авторы:

Е.Г.Капралов, А.В.Кошкарев, В.С.Тикунов, В.В.Глазырин, А.В.Заварзин,

С.С.Замай, И.К.Лурье, В.А.Охонин, В.И.Пырьев, И.А.Рыльский,

В.И.Семин, Б.Б.Серапинас, А.В.Симонов, А.М.Трофимов, М.Э.Флейс,

О.Э.Якубайлик, В.Б.Яровых

Ре

цен

зенты:

д-р техн. наук, проф., акад.

РАН

В.Г.Бондур;

д-р техн. наук, проф.

Д. В.Лисицкий;

д-р геогр. наук, проф.

В.

Макаров

Геоинформатика: Учеб.

для

студ. вузов

Е.Г.Капралов,

Г35 А. В. Кошкарев, В. С. Тикунов

др.; Под ред.

В.

С.Тикунова. —

М: Издательский центр «Академия»,

2005. — 480 с, [8] с. цв.

ил.:

ил.

(Классический университетский учебник)

ISBN

5-7695-

1924-Х

В учебнике освещены общие вопросы геоинформатики, функциональ-

ные возможности географических информационных систем (ГИС), прин-

ципы проектирования, интеграции данных

технологий, особенности

ин-

теллектуализации

ГИС

систем поддержки принятия решений. Вместе

учебным пособием «Сборник задач

упражнений

по

геоинформатике»,

дополненным компакт-диском, составляет учебный комплект.

Для студентов экологических, географических, геологических

других

специальностей, изучающих

использующих географические информаци-

онные системы.

УДК

91(075.8)

ББК 26.8я73

2005

ISBN

5-7695-1924-Х О Оформление. Издательский центр «Академия»,

2005

Уважаемый читатель!

Вы открыли одну из замечательных книг, изданных в серии

«Классический университетский учебник», посвященной 250-ле-

тию Московского университета. Серия включает свыше 150 учеб-

ников и учебных пособий, рекомендованных к изданию Учеными

советами факультетов, редакционным советом серии и издавае-

мых к юбилею по решению Ученого совета МГУ.

Московский университет всегда славился своими профессора-

ми и преподавателями, воспитавшими не одно поколение сту-

дентов, впоследствии внесших заметный вклад в развитие нашей

страны, составивших гордость отечественной и мировой науки,

культуры и образования.

Высокий уровень образования, которое дает Московский уни-

верситет, в первую очередь обеспечивается высоким уровнем на-

писанных выдающимися учеными и педагогами учебников и учеб-

ных пособий, в которых сочетаются как глубина, так и доступ-

ность излагаемого материала. В этих книгах аккумулируется бес-

ценный опыт методики и методологии преподавания, который

становится достоянием не только Московского университета, но

и других университетов России и всего мира.

Издание серии «Классический университетский учебник» на-

глядно демонстрирует вклад, который вносит Московский уни-

верситет в классическое университетское образование в нашей

стране, и, несомненно, служит его развитию.

Решение этой благородной задачи было бы невозможно без

активной помощи со стороны издательств, принявших участие в

издании книг серии «Классический университетский учебник». Мы

расцениваем это как поддержку ими позиции, которую занимает

Московский университет в вопросах науки и образования. Это

служит также свидетельством того, что 250-летний юбилей Мос-

ковского университета — выдающееся событие в жизни всей на-

шей страны, мирового образовательного сообщества.

Ректор Московского университета

академик РАН, профессор

В,

А. Садовничий

Введение

В науках о Земле и обществе, имеющих дело с пространствен-

ными данными, сложилась интересная ситуация — информаци-

онный «взрыв» соседствует с информационным «голодом». Часть

специалистов сетует на ограниченность сведений, что ведет к уп-

рощению описаний, гипотетичности исследований, их неконди-

ционности и т.

д.,

другие, наоборот, не успевают переработать горы

материала. Парадокс? Вряд ли, скорее объективная картина сти-

хийно сложившейся реальности. Даже располагая определенными

данными, рационально ли мы ими распоряжаемся и используем

их? К сожалению, в большинстве случаев нет. Сложно получить

сведения об уже накопленных материалах, затруднен обмен и до-

ступ к ним — ведомственные и даже личные барьеры, режимные

ограничения и неупорядоченность данных препятствуют рацио-

нальному и эффективному использованию информационных ре-

сурсов.

В настоящее время во многих вузах страны открыты кафедры со

специализациями по геоинформатике; экологам, географам, гео-

логам, почвоведам и другим студентам, изучающим дисциплины

не только о Земле, но и об обществе, читается курс «Геоинформа-

тика». Более того, стали появляться не только специализирован-

ные средние учебные заведения, но даже общеобразовательные

школы. В одной из таких школ (№ 8 г. Ханты-Мансийска) создан

Межшкольный центр развития геоинформационных технологий.

Опубликована серия учебников и учебных пособий (дополняемых

рядом монографических изданий, материалов конференций), но,

несмотря на это, издания, которое бы охватывало практически

все современные аспекты геоинформатики, до настоящего време-

ни в России нет.

Поставленные цели требовали от авторов достаточно система-

тического изложения материала, причем не только преподавате-

лями, но и практиками, что побудило привлечь к написанию учеб-

ника большое количество ведущих специалистов из самых различ-

ных областей науки, производства. Для более детального ознаком-

ления с материалом можно обратиться к учебному пособию «Ос-

новы геоинформатики» [Е.Г.Капралов, А.В.Кошкарев, В.С.Тику-

нов и др.,

2004]'.

Здесь и далее рекомендуемая литература выделена полужирным шрифтом.

Учебник состоит из пяти глав. Первая вводит читателя в сферу

геоинформатики и начинается с понятия о географических ин-

формационных системах (геоинформационных системах, ГИС).

Представление о ГИС как об информационных системах, опери-

рующих пространственно-координированными (пространственны-

ми,

географическими) данными, уже давно и достаточно прочно

вошло в научный обиход. Но логика изложения материала с ис-

пользованием конкретных примеров позволяет понять технику

проектирования ГИС, представить их функциональные возмож-

ности и внутреннее устройство, а главное — убедиться в практи-

ческой целесообразности решения многих практических задач в

среде ГИС. Далее изложение следует по установившейся традиции

классификации ГИС по разным основаниям, включая простран-

ственный (пространственно-временной) охват, предметную об-

ласть информационного моделирования, проблемную ориентацию,

их структурно-функциональные и прикладные особенности.

Этих первоначальных сведений о ГИС оказывается достаточно

для того, чтобы в следующем подразделе обсудить существо геоин-

форматики как науки, технологии и индустрии, определить ее пред-

мет и метод, место в системе наук, направления взаимодействия с

другими науками и технологиями, подчеркнуть ее роль интеграто-

ра всех иных геотехнологий, подробно остановившись на отноше-

ниях геоинформатики и картографии как двух самодостаточных,

альтернативных и взаимодополняющих средств пространственно-

го моделирования реальности. Теория и методология геоинформа-

тики, еще не вполне сформировавшиеся, в существенной мере

покоятся на обобщении и осмыслении эмпирического опыта вне-

дрения геоинформационных технологий в самые разнообразные

сферы человеческой деятельности. В этом плане важна краткая ха-

рактеристика истории становления геоинформатики с ее периода-

ми роста, разочарований, смены приоритетов и формирования

теоретической базы, методологии, сфер приложения и т.д.

Во второй главе изложены функциональные возможности важ-

нейших технологических блоков ГИС. В первом подразделе главы

приведены сведения о регистрации, вводе и хранении данных,

характеристике средств формирования баз данных, создании сис-

тем управления ими. В деятельности, связанной с использованием

пространственно-координированных данных, традиционно при-

меняются литературные, статистические, картографические, аэро-

и космические материалы. Их подборка, систематизация, накоп-

ление, хранение и обработка для последующего использования

осуществляются, как правило, в машинной среде.

Модели пространственных данных — один из ключевых под-

разделов второй главы. Модель данных — это свод правил, по ко-

торым конструируются сложные пространственные объекты из бо-

лее простых или элементарных, иначе — язык описания простран-

ственных данных. Среди множества моделей (представлений) можно

выделить базовые, «канонические», проверенные временем и реа-

лизованные в подавляющем большинстве современных программ-

ных средств ГИС. Это векторные, растровые, регулярно-ячеистые

и квадротомические. Современная практика предлагает множество

вариантов канонических моделей, ведутся эксперименты с их мно-

гомерными расширениями. Большие перспективы сулит объектно-

ориентированный подход к моделированию пространственных дан-

ных. Рассмотрены модели аналого-цифрового преобразования дан-

ных, состоящие из трех крупных блоков: цифрования, обеспече-

ния качества оцифрованных материалов и интеграции разнород-

ных цифровых материалов. Охарактеризованы базы и банки дан-

ных, а также системы управления ими.

Во втором подразделе представлены операции, связанные с

анализом пространственно-временных явлений. Это прежде все-

го функции организации выбора объектов по тем или иным ус-

ловиям, функции редактирования структуры и информации в базах

данных, функции картографической визуализации, картометри-

ческие функции, функции построения буферных зон, анализа

наложений, функции сетевого анализа и др. Здесь же кратко рас-

смотрены многообразные аспекты специализированного анали-

за, например, ориентированного на вопросы геологии или гео-

графии: метод размытых (нечетких) множеств, нейронных се-

тей,

теория хаоса, катастроф, фрактальный анализ. Особое мес-

то,

ввиду важности для многих наук о Земле, имеющих дело с

пространственно-координированными данными, занимают ме-

тоды классификаций, поэтому они выделены в специальный под-

раздел.

К особой группе геомоделирующих функций ГИС также при-

нято относить цифровое моделирование рельефа (ЦМР). Опыт

создания и использования ЦМР, наследующий традиции и ме-

тодики ранних этапов развития геоинформатики и автоматизи-

рованной картографии, богат примерами решения разнообраз-

ных научных и научно-прикладных задач, в том числе на основе

ЦМР национального масштаба. Многоцелевое использование ЦМР

основано на функциях их обработки программными средствами

ГИС и включает расчет производных морфометрических характе-

ристик (углов наклона и экспозиций склонов), оценку формы

склонов, экстракцию из ЦМР сети тальвегов и водоразделов и

иных структурных элементов, оценку зон видимости/невидимос-

ти,

построение трехмерных изображений. Завершает блок мате-

риал по математико-картографическому моделированию в рам-

ках информационных технологий. Этот вид моделирования по-

зволяет органически комплексировать математические и картог-

рафические модели в системе «создание-использование карт» для

конструирования или анализа тематического содержания карт.

Охарактеризована методика создания элементарных и сложных

(цепочкообразных, сетевых и древовидных) математико-картог-

рафических моделей.

Третий подраздел второй главы касается вывода и документи-

рования результатов обработки данных. Здесь прежде всего рас-

сматриваются методы картографической визуализации. Разумеет-

ся,

программные средства ГИС — далеко не самый лучший (эф-

фективный, дешевый и удобный) инструмент для производства

карт, наследующих принципы и традиции «докомпьютерного» этапа

картосоставления и картоиздания. Для этих целей разработаны и с

большим успехом применяются автоматизированные картографи-

ческие системы, системы настольного картографирования и гра-

фические редакторы. В данном блоке помещены также материалы

о нетрадиционных формах визуализации, в первую очередь об ана-

морфозах. Рассмотрены методы создания линейных, площадных и

объемных анаморфоз. Очень важны и наглядны виртуально-реаль-

ностные изображения, позволяющие имитировать облеты, объез-

ды территории на виртуальном самолете, вертолете, автомобиле в

реальном времени, совершать движения в какой-либо среде (на-

пример, погружение под воду с имитацией эффектов освещения

и динамики движения) и т.д. Завершают главу анимации карт,

анаморфоз и виртуально-реальностные изображения. Анимации

развития явлений в пространстве и во времени позволяют отобра-

жать процессы их эволюции и др.

В третьей главе изложены способы интеграции методов дистан-

ционного зондирования и спутникового позиционирования в гео-

информационной среде. Охарактеризованы сетевые технологии и

комплексные мультимедийные системы в трех ракурсах: как идея,

т.е.

способ хранения, организации и передачи информации раз-

личного типа; как оборудование, которое позволяет работать с

информацией различной природы и доставлять ее потребителю и,

наконец, как продукт, составленный из данных всевозможных

типов, объединенных общей идеей и представляющий интерес для

конечного пользователя.

Четвертая глава посвящена аспектам интеллектуализации гео-

информатики. ГИС все чаще стали применяться в качестве инстру-

ментария, позволяющего более объективно принимать решения в

самых разных областях человеческой деятельности, что привело к

интеллектуализации геоинформатики. Геоинформатика стала так-

же средством получения новых знаний в целом ряде наук. Здесь

прежде всего рассмотрены экспертные системы и нейросети. Важ-

нейшее практическое приложение методов искусственного интел-

лекта происходит через формирование систем поддержки приня-

тия решений. Они позволяют обеспечить моделирование альтерна-

тивных решений на разных этапах, их анализ и выбор вариантов,

удовлетворяющих поставленным условиям.