Кузнецов О.Л., Никитин А.А., Черемисина Е.Н. Геоинформатика и геоинформационные системы

Подождите немного. Документ загружается.

Определение геометрических объектов высокого уровня. К таким

объектам относятся объекты, которые должны быть вычислены на основе

уже введенных точечных, линейных и площадных объектов.

Два основных типа точечных объектов высокого уровня – это цен-

троиды и узлы. Центроид определяется как точка в географическом центре

области или полигона, например, центр землетрясений в области, содержа-

щей точечные центры мелких и средних землетрясений. Простые или гео-

графические центры в векторных моделях вычисляются по правилу четы-

рехугольников, которые делят многоугольник на некоторое число перекры-

вающихся четырехугольников. Затем вычисляются центры или центральные

координаты каждого четырехугольника и, наконец, их взвешенное среднее.

Через интерполяцию на основе центроидов строятся изолинии или поверх-

ности, например, разной балльности землетрясений.

Узлы, как точечные объекты высокого уровня, важны не сами по се-

бе, а как некоторые отметки на линейных и площадных объектах. Узлы не

существуют как объекты в растровых моделях ГИС, но атрибутивные узлы

вводятся для указания на изменение атрибутов, возможность их идентифи-

кации важна для многих процедур работы с атрибутами. В общем случае уз-

лы кодируются явным образом в процессе ввода и идентифицируются про-

стыми процедурами поиска в ГИС.

Другие характеристики распределения точечных объектов, такие как

равномерность или случайность, могут быть использованы для определения

областей как специфических сообществ, т.е. областей, имеющих общую

картину распределений.

Три типа линий важны для обозначения объектов высокого уровня. К

ним относятся границы, контуры и сети. Линии в виде границ предпола-

гают при их пересечении существенные изменения одного или многих атри-

бутов местности.

Линейные объекты высокого уровня – это не просто изображения ли-

нейных объектов или границ между областями, а особые структуры, кото-

рые вместе с узлами образуют сети. Сеть – это набор соединенных линей-

ных объектов, вдоль которых возможно движение от одного узла к другому.

Сети позволяют моделировать множество видов потока: воды, лавы и

т.д. Растровые модели ГИС не подходят для работы с сетями, поскольку не

имеют средств явного их описания.

Сети могут быть прямолинейными, как тектонический разлом, дре-

вовидные, как речная сеть, и контуры, как ведущие в исходную точку пере-

сечения тектонических нарушений. В направленной сети поток может

иметь лишь одно направление (реки текут вниз по склону), а в ненаправ-

ленной сети поток может двигаться в любом направлении.

Все векторные модели ГИС обладают возможностью хранения атри-

бутов и моделирования потоков.

Площадные объекты высокого уровня используются для определения

регионов со сходными географическими или геологическими характеристи-

ками. Выделение таких регионов основано на атрибутах, определяющих ка-

ждый полигон или набор полигонов, в которых главным компонентом явля-

ется какой-либо один или несколько атрибутов, например, возраст геологи-

ческих образований. Регионы могут различаться не только своими атрибу-

тами, но и своей конфигурацией в пространстве. Выделяют сплошные (од-

носвязные), фрагментарные (не односвязные) и перфорированные (с отвер-

стиями внутри полигона) полигоны. Для измерения длины линейных объек-

тов, определения периметров и площадей областей (контуров) используются

достаточно простые математические приемы.

Классификация объектов зависит от типов объектов, которые долж-

ны быть сгруппированы. Существуют раздельные классификации для гео-

логических формаций, почв, растительности и т.д. С этой целью чаще всего

используются методы математической логики, главных компонент и фак-

торного анализа, метод К – средних (или метод динамических сгущений)

[4,26]. Кроме того, применяются также различные фильтры в скользящих

окнах: фильтры низких частот для выявления региональных и фоновых со-

ставляющих, фильтры высоких частот для усиления градиентных участков и

подавления мелких флуктуаций и шума, для подчеркивания ориентации

объектов реализуются анизотропные фильтры.

Для классификации поверхностей используются такие характеристи-

ки трехмерных поверхностей, как уклон, азимут, форма, взаимная види-

мость, которые могут применяться и в векторных и в растровых моделях

ГИС в зависимости о сложности программного обеспечения.

Для представления поверхности внутри компьютера как в растровых,

так и векторных ГИС используют цифровые модели местности или циф-

ровые модели рельефа (ЦМР). ЦММ или ЦМР являются моделями изобра-

жений, которые базируются либо на точках, либо на линиях (изолиниях).

Последние создаются сканированием или оцифровкой существующих изо-

линий.

Целью таких моделей является извлечение формы поверхности из

имеющихся линий. После ввода данные представляются как линейные объ-

екты, либо как полигоны с определенной высотой в качестве атрибута. На

такой модели данных неудобно определять уклон и часть её преобразуют в

точечную модель, называемой дискретной матрицей высот.

Эта матрица соответствует методу точечного изображения поверхно-

сти, при котором каждая точка имеет одно значение высоты, что аналогично

дискретизации любого геофизического поля.

Нерегулярные сети преобразуются в модель TIN двумя способами.

При первом используются сами точки сети в качестве вершин треугольных

граней TIN и при этом не требуется ввод дополнительных данных. При вто-

ром способе расстояния между точками и их значения высот используются

для интерполяции значений вершин регулярной матрицы треугольных гра-

ней TIN, но естественно, что интерполированные значения не так точны, как

измеренные. Для интерполяции могут быть реализованы: линейная интер-

поляция, метод обратных взвешенных расстояний на базе сплайнов и кри-

кинг, оптимизирующий процедуру интерполяции на основе статистических

(корреляционных) связей.

К пространственному анализу изучаемых объектов в ГИС относится

наложение топологических покрытий. Наложение покрытий – это про-

цесс, реализующий способность ГИС комбинировать картографическое

представление тематической информации одного содержания с другой. На-

пример, наложение речной и дорожной сетей на карту геологического со-

держания, наложение геологических карт различного содержания: литоло-

гии, разломной тектоники и соответствующих им легенд и т.д.

Наложение покрытий часто обеспечивает новое содержание при ин-

терпретации геоданных и геообъектов, поскольку могут возникать новые

гипотезы, теории и законы корреляции данных и объектов.

Операции векторного наложения по сравнению с растровым облада-

ют преимуществом компьютерной картографии, поскольку при этом созда-

ются картографические продукты, аналогичные традиционным, рисованным

от руки картам.

Наиболее распространенным наложением в ГИС является топологи-

ческое векторное наложение, обусловленное возможностью программной

реализации отслеживания пространственной связи между различными объ-

ектами.

Вывод результатов пространственного анализа данных и объек-

тов представляет конечный продукт ГИС. Этот вывод реализует отображе-

ние результатов анализа и зависит от типа выходного устройства, обеспечи-

вающего вывод на бумагу, на пленку, на магнитные носители с долговре-

менным хранением, либо на экран для демонстрации результатов анализа

или предварительного их просмотра.

В настоящее время в ГИС преобладает картографическое представ-

ление результатов.

ГИС позволяет издавать самые разнообразные карты, определяемые

их назначением: общегеографические, топографические, геологические,

геохимические и т.д.

При составлении тематических карт следует обеспечить читаемость,

анализируемость и интерпретируемость. Это приводит к необходимости

устранения «ненужных» объектов.

После устранения лишних объектов, не относящихся к конкретной

тематике карты, требуется принять решения о выборе, обработке и генера-

лизации выходных данных и об использовании соответствующих символов

для отображения данных таким образом, чтобы пользователю они были по-

нятны. При этом большую роль играет дизайн карты. Первый шаг в про-

цессе дизайна карты состоит в выборе типа карты, размещаемых на ней объ-

ектов и общего вида карты, что реализуется на интуитивном уровне. Далее

следует выбрать символы, легенды для отображения объектов, интервалы

классов, цвета, типы линий и другие графические элементы, что обычно

можно реализовать на эскизе экрана ЭВМ. На эскизе можно отметить раз-

меры объектов и расстояние между ними, которые затем вводятся в про-

грамму.

Заключительная стадия процесса дизайна состоит в точной настрой-

ке, когда вносятся небольшие изменения в общий план карты. Основным

моментом является создание прототипа на экране монитора перед выводом

на печать, поскольку принтеры и плоттеры работают медленнее экрана мо-

нитора. При этом надо учесть возможные различия изображений на экране и

на бумаге, которые возникают из-за использования специальных языков

управления периферийными устройствами. Например, при выводе текста

часто шрифты в компьютере и в принтере несколько различаются, что при-

водит к наложению или сдвигу надписей, не наблюдаемых на экране. Кроме

того, может возникнуть замена ряда символов, коды которых различны в

компьютере и в принтере. Другая часто встречающаяся проблема состоит в

несоответствии цветов. Например, заметно различающиеся на экране мони-

тора цвета оказываются одинаковыми на бумаге. Для устранения такого не-

соответствия полезно предварительно вывести уменьшенную копию карты

или её часть и при необходимости ввести коррективы перед окончательной

печатью результатов.

При создании карты требуется оценка вида графических примитивов,

в качестве которых выступают точечные, линейные и площадные объекты.

С целью различения этих объектов.

Для их различения можно использовать форму, размер, ориентацию и

цвет объектов, а для площадных объектов и штриховку разной ориентации.

Для улучшения графического представления объектов следует уде-

лять внимание таким характеристикам дизайна, как визуальный контраст,

разборчивость, отношение основного изображения и фона, иерархическая

структура.

Наконец, при выводе тематических карт учитываются внешние фак-

торы картографического дизайна, к которым относятся:

– назначение карты, обеспечивающей её достаточную простоту с со-

хранением общей целевой ориентации;

– эргономика, реализующая адекватность изображения целевой ориен-

тации карты путем выбора соответствующей формы представления

при отсутствии двусмысленности понимания содержания объектов;

– реализм, означающий, что каждая область имеет собственные харак-

теристики, которые налагают ограничения на применимость крите-

риев дизайна.

При построении геологических карт обычно участвуют области со

смежными структурами, поэтому априорное знание возможных ограниче-

ний обеспечивает выбор оптимальной стратегии дизайна.

Среди других факторов картографического дизайна выделяют:

– наличие значительного объема результирующих данных, что требует

использования их подразделительной иерархии с помощью цветов и

различных типов штриховки;

– масштаб карты также влияет на представление результатов, от кото-

рых требуется их упрощение и обобщение (генерализация);

– пользователи выходных документов ГИС могут быть специалистами,

а могут не иметь знаний в области географии и картографии. Для по-

следних возникает необходимость существенного упрощения пред-

ставления карт.

Помимо карт, среди выходных документов ГИС ряд данных пред-

ставляется в виде таблиц и отдельных графиков, которые способствуют

лучшему пониманию и восприятию картографических результатов. Табли-

цы в ГИС чаще всего встречаются в легендах карт, обеспечивающих связь

атрибутивных данных с графическими объектами карты и как распечатки

значений атрибутов объектов.

5.3 Современные географические информационные системы

В настоящее время широкое применение как за рубежом, так и в Рос-

сии получили географические информационные системы (ГИС) семейства

Arc Info и Arc View, созданные Институтом исследования систем окружаю-

щей среды, (ESRI, Калифорния, США) ведущим на рынке ГИС-продуктов.

Эти системы представляют стандартные или универсальные современные

ГИС-технологии, предназначенные для решения задач природопользования

и недропользования.

Одновременно именно указанные ГИС-технологии послужили осно-

вой для разработки отечественных геоинформационных систем ГИС-ПАРК

[10]и ГИС-ИНТЕГРО [35], рассмотренных в следующих разделах учебника.

Популярность ГИС Arc Info и Arc View определяется тем, что они

представляют готовый набор средств, который может быть сразу использо-

ван при создании широкого спектра карт различного назначения. С помо-

щью Arc View легко получить доступ к данным формата шейп-файла (фор-

мат Arc View), формата Arc Info, а также использовать данные других фор-

матов и баз данных. Кроме того, в уже готовую карту можно добавлять таб-

личные данные, такие, как файлы dBASE, и данные, хранящиеся на серверах

баз данных с целью их отображения на экране, делать запросы, производить

расчеты и представлять данные графически. Arc View явилась развитием

системы Arc Info, первая версия которой относится к 1982г.

Структура системы Arc GIS Arc Info состоит из двух независимо ус-

танавливаемых программных пакетов – Arc Info Workstation и Arc Info Desk-

top. Последний пакет в свою очередь состоит из трех базовых модулей: Arc

Map – отображение, редактирование и анализ данных, создание карт; Arc

Catalog – доступ к данным и управление ими; Arc Toolbox – инструменты

расширенного пространственного анализа, управления проекциями и кон-

вертации данных.

Система расширяется за счет подключения дополнительных модулей

расширения.

Дополнительные модули Arc Info Workstation: ARC COGO – осуще-

ствляет поддержку координатной геометрии (набор средств и функций для

работы с геодезическими данными), ее интеграцию с ARC/INFO; ARC GRID

- добавляет возможности растрового моделирования в модель данных

ARC/INFO и превращает ее в интегрированную векторно-растровую ГИС

имеет мощный набор средств анализа и управления непрерывно распреде-

ленными числовыми и качественными признаками, представляемыми в виде

регулярных моделей, а также моделирования сложных процессов; ARC TIN

– предназначен для моделирования в среде ARC/INFO топографических по-

верхностей, например рельефа местности, или физических поверхностей,

таких, как плотность населения, электромагнитные поля, уровень шума.

Модель TIN (нерегулярная триангуляционная сеть) – удобный и эффектив-

ный способ представления поверхностей в трехмерном пространстве в виде

триангуляционной сети или регулярной матрицы точек; ARC NETWORK –

предназначен для моделирования и анализа топологически связанных объ-

ектов в виде пространственных сетей, оценки и управления ресурсами, рас-

пределенными по сетям, и процессами в таких сетях; Arc Scan – предназна-

чен для ввода картографических данных со сканеров; Arc Express – карди-

нально повышает скорость визуализации изображений на дисплее и опера-

тивность работы с наборами данных на рабочих станциях в среде X–

Windows; Arc Press – программный растеризатор – система, преобразующая

векторную, растровую или смешанную векторно-растровую графику в фор-

мат растрового устройства вывода, растр заданного разрешения и размера.

Он обеспечивает быструю высококачественную распечатку карт и изобра-

жений на растровых устройствах вывода, таких, как струйные и электроста-

тические плоттеры, сведения об использовании данных.

Внутренние форматы графических данных – покрытия ARC/INFO

(векторный топологический), TIN, GRID, объектно-ориентированная модель

хранения данных, shapes dнутренний формат баз данных – INFO, база гео-

данных, Shapes Характеристика интерфейса и открытость системы

Пользовательский интерфейс – стандартный Windows с фиксируе-

мыми панелями инструментов, поддержка Х-Windows, OSF/Motif и OPEN

LOOK на Unix, дублирование команд из командной строки для Arc Info

Workstation

Возможность модификации пользовательского интерфейса-Arc Info

Desktop включает в себя множество средств настройки трех уровней: на-

стройка через меню, не требующая дополнительного программирования;

написание приложений внутри приложений Arc Info Desktop; профессио-

нальная разработка приложений.

Достоинства системы:

– совершенные средства для создания карт, ввода, редактирования и

преобразования данных;

– поддержка топологической и сетевой моделей данных;

– широкий спектр функций пространственного анализа;

– поддержка СОМ технологии, распределенные ресурсы; распределен-

ное управление данными;

– полная интеграция с системами управления реляционными базами

данных (СУБД);

– настраиваемый пользовательский интерфейс и макрокоманды, стан-

дартная среда настройки, возможность создания пользовательских

объектов и собственных моделей данных;

– дружественный интерфейс (выполнение многих задач с помощью

встроенных Мастеров).

Техническое и программное обеспечение Arc View включает:

– интерфейс пользователя, реализующий работу с видами, таблицами,

диаграммами, макетами и программами, хранящимися в одном фай-

ле, названном проектом. В Arc View одновременно работа ведется с

одним проектом. Проекты дают возможность хранить вместе все

компоненты, необходимые для решения определенных задач;

– окно Arc View служит в качестве структуры для всех операций Arc

View;

– окно проекта. При создании нового проекта или открытии уже

имеющегося в окне Arc View появляется окно Проект. Оно содер-

жит перечень всех компонентов проекта и дает возможность управ-

лять ими. Для открытия конкретного компонента следует дважды

щелкнуть на имени компонента;

– окно вида, таблицы, диаграммы, макеты, программы. Все окна, кото-

рые открыты внутри окна Arc View, перечислены в конце окна меню

в зоне меню. Этот список включает окно Проект. Для активизации

окна следует щелкнуть внутри него, на его зоне заголовка или вы-

брать его из списка меню Window в верхней части окна Arc View.

Интерфейс пользователя Arc View изменяется в соответствии с тем,

что находится в активном окне;

– строка меню, содержание которой изменяется в соответствии с тем,

что находится в активном окне;