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

Подождите немного. Документ загружается.

– строка кнопок расположена под строкой меню в окне Arc View и

включает кнопки, обеспечивающие быстрый доступ к различным

средствам управления;

– строка инструментов (средств) расположена под строкой кнопок в

окне Arc View . Щелчком выбирает требуемый инструмент. Для вы-

яснения действия инструмента следует передвинуть на него курсор

без щелчка, при этом можно будет увидеть описание инструмента в

строке состояния в нижней части окна прикладной программы Arc

View. Строка инструментов показывает масштаб вида, положение

координат мыши, число записей, выбранных на данный момент в

таблице.

Вид – это интерактивная карта, которая позволяет показывать, иссле-

довать и анализировать географические данные в Arc View . Вид может

включать одни и те же данные. Разные пользователи могут создавать разные

виды с одними и теми же данными.

Вид является набором тем. Тема представляет набор географических

объектов из определенного источника географических данных.

Пространственные данные, как покрытие Arc Info или шейпфайл Arc

View, включают несколько разных объектов: полигоны, метки и т.д., но ка-

ждый раз один из классов включается в тему.

Шейпфайл Arc View представляет точечные, линейные и полигонные

объекты.

Проект в Arc View представляет собой файл, который система соз-

дает для организации определенного вида работы. Проекты обеспечивают

легкое хранение любой комбинации взаимосвязанных компонентов – ви-

дов, таблиц, диаграмм, макетов и программ в одном удобном месте. Проект

включает в себя эти компоненты, а также одержит ссылки на информацию о

пространственных и табличных атрибутах, с которыми работает пользова-

тель.

Когда открывается проект Arc View, то открывается один файл, со-

держащий ссылки на географические данные и внешние таблицы, а также

виды, макеты, диаграммы, программы и другие компоненты.

Более простой в эксплуатации, но достаточно распространенной в

России системой является MapInfo. MapInfo – географическая информаци-

онная система, обеспечивающая ввод и представление картографических

данных в виде карт с привязкой таблиц к картографическим объектам. Ma-

pInfo решает задачи географического анализа по отображению таких дан-

ных, как точки, границы, тематически выделенныех области.

MapInfo содержит в таблицах всю информацию – графическую, тек-

стовую и др., каждая таблица является группой файлов – компонентов, каж-

дый из которых содержит информацию одного типа: графические объекты,

базу данных, индексы.

Доступ к данным оформляется через запросы, в том числе к удален-

ным БД непосредственно из MapInfo. В итоге система совмещает такие пре-

имущества обработки данных, которыми обладают базы данных, нагляд-

ность карт, схем и графиков.

Компьютерная карта, как и в других ГИС, состоит из слоев, в кото-

рых находятся различные объекты (точечные, линейные, полигональные и

подписи).

Слои можно представить в виде прозрачных пленок, расположенных

друг на друге. Создав карту из слоев, можно затем настроить каждый слой в

отдельности, добавлять новые слои, перетасовать или удалить уже сущест-

вующие слои, при этом в MapInfo можно использовать ряд БД типа dBASE,

Lotus, Microsoft Excel и Microsoft Access.

На примере MapInfo проиллюстрируем работу с картой, как набором

слоев. Слои как уже отмечалось, используются для объединения различных

данных в единую карту, а также для создания единой географически взаи-

мосвязанной картины пространственной информации.

MapInfo размещает на слоях четыре вида объектов (кроме растро-

вых):

1) точечные объекты: скважины и т.п.;

2) линии, дуги и ломаные, к которым относятся незамкнутые объекты,

имеющие длину: реки, дороги, коммуникации и т.п.;

3) области в виде замкнутых многогранников, эллипсов и прямоуголь-

ников, представляющие отдельные территории, районы, зоны бедст-

вий и т.п.;

4) текстовые объекты: названия населенных пунктов, подписи к геогра-

фическим объектам, заголовки карт и любые другие тексты.

Работа с картой как набором слоев.

Для работы с картой, как набором слоев следует использовать диалог

Управление слоями для изменения порядка слоев, их добавления и удале-

ния, а также изменения параметров, определяющих, когда и как слои ото-

бражаются. Сначала откроем несколько карт:

1) Выберите Файл/Открыть. В диалоге Открыть таблицу можно

выбрать сразу несколько файлов, удерживая нажатой клавишу <Ctrl>.

2) Нажмите Открыть. Окно карты откроется с несколькими слоями.

3) Выберите Карта/Управление слоями. Появится диалог Управле-

ние слоями.

При этом описание слоев имеет определенный символ в виде флажка.

Флажки обозначают следующе:

Флажок

Описание

Видимый

По умолчанию каждый слой является видимым. Чтобы

сделать слой невидимым, снимите флажок Видимый.

Изменяе-

мый

По умолчанию все слои являются нередактируемыми.

Это значит, что Вы не можете сделать какие-либо измене-

ния над объектами карты, например, изменить форму, уда-

лить или добавить новые объекты на карту. Чтобы сделать

слой изменяемым, выставьте флажок в этой колонке.

Доступ-

ный

По умолчанию все слои являются доступными. Это зна-

чит, что Вы можете выбрать объекты на карте, используя

один из инструментов выбора. Чтобы сделать слой не-

доступным, снимите флажок для слоя Доступный.

Подпи-

сывание

Для того, чтобы включить режим автоматического подпи-

сывания слоя, выставьте соответствующий флажок. Для

того, чтобы изменить настройки автоматического подпи-

сывания, нажмите кнопку Подписи.

MapInfo пытается логично разместить таблицы (как слои) в окне кар-

ты, когда открываются таблицы, и учитывает тип картографических объек-

тов, находящихся в них. Когда MapInfo находит слой, содержащий преиму-

щественно текст, то помещает его на самый верх. Под текстовым слоем Map

Info поместит слой с точечными объектами, затем – с линейными, а в самом

низу будет находиться слой с полигональными объектами (областями).

Если поместить слой с изолиниями над слоем с разломами, слой раз-

ломов станет не виден.

1. Выберите слой Изолинии.

2. Нажмите кнопку Вверх, чтобы поместить слой в середину.

3. Нажмите ОК.

Обратите внимание, что слой разломов стал не виден.

Если открыть две таблицы, содержащие один и тот же тип картогра-

фических объектов, первая открытая таблица будет помещена вниз, а сле-

дующий слой будет помещен поверх первого.

Чтобы показать полностью все объекты, находящиеся на слое карты,

используйте команду Показать слой полностью.

– Выберите Карта/Показать слой полностью. Появится диа-

лог/Показать полностью.

– Из списка слоев выберите слой, который нужно показать целиком.

Запомните один из вариантов – Все слои.

– Нажмите ОК.

Подписи на карте.

С помощью MapInfo можно создать подписи на картах, создать заго-

ловок для карты и нанести на карту другие описательные тексты. Для этого

неоднократно потребуется показывать на карте наименования объектов кар-

ты.

Для того чтобы нанести подписи на карту, можно воспользоваться

инструментом Подпись.

Помимо рассмотренного выше семейства ГИС MapInfo и ArcView

существует еще множество ГИС-продуктов (ErrMapper, AutoCAD и т.д.),

которые также создаются, ориентируясь на достаточно широкий круг по-

требителей, поэтому для решения конкретных геологических задач необхо-

дима разработка специализированного программного обеспечения. Подоб-

ные ГИС-технологии являются специализированными или объектно-

ориентированными в отличие от универсальных ГИС.

Прогресс в развитии аппаратных средств персональных компьютеров

и постоянное расширение средств и возможностей графики позволяет ис-

пользовать при решении геологических задач мощный инструмент в виде

3D-ГИС. Введение третьей координаты Z обеспечивает выявление тех зако-

номерностей, которые обычно скрыты при их отображении на плоских про-

филях и картах. В то же время они могут быть реализованы на базе трех-

мерного моделирования с использованием ГИС-технологий.

Современные 3D-ГИС-технологии реализованы в одном из популяр-

ных пакетов ArcView 3D Analyst. Этот пакет нашел широкое применение в

геоморфологии по изучению рельефа местности. 3D Analyst предназначен

прежде всего для того, чтобы обеспечить пользователю возможность трех-

мерного и перспективного отображения, моделирования и анализа поверх-

ностей. Для поддержания таких функций пакет включает в себя приемы

создания и работы с триангуляционными нерегулярными сетями – TIN. Как

отмечалось TIN (triangulated irregular network) – линейная нерегулярная сеть

– система неравносторонних треугольников, соответствующая триангуля-

ции Делоне, обеспечивающая построение цифровой модели рельефа в виде

набора высотных отметок в узлах сети, при котором модель рельефа заменя-

ется многогранной поверхностью.

3D-ГИС-технологии в геологии и геофизике применяются для по-

строения объемных (трехмерных) моделей участков земной коры, для элек-

тронной визуализации результатов геолого- геофизических съемок путем

создания цифровых моделей и уже на этой основе для формирования баз

знаний. Двумерный вариант ГИС ArcView был использован для реализации

электронного варианта «Геологического атласа России» масштаба 1: 10 000

000 в Государственном геологическом музее им. Вернадского. При его по-

строении геологические карты сначала были оцифрованы (сканированы),

затем переведены в реальные географические координаты, сформированы

атрибутивные базы данных для каждого тематического цифрового слоя и на

последнем этапе объединены в единую информационную систему.

Каждая карта электронного атласа представлена в меню тематиче-

ской серией, из которой можно получить сведения о перечне атрибутивных

(содержательных) характеристик и объектов, ознакомиться с легендами и

отобразить на экране монитора необходимую информацию для пользовате-

ля.

Для визуализации и работы в интерактивном режиме следует исполь-

зовать версию ArcView GIS 3,0 и более новые версии, в которых организу-

ется быстрый доступ к картам, легендам, таблицам и т.д., при этом многоас-

пектную информацию можно одновременно представить на дисплее компь-

ютера, манипулируя «включение» и «выключение» отдельных тематических

слоев. Кроме того, имеется возможность анализа и совмещения различных

тематических слоев, изменения цветов, штриховки, формы и рисунки знако-

вых обозначений, создания новых картографических композиций путем ис-

пользования атрибутивных баз данных. Трехмерное моделирование на базе

ГИС ArcView является основой многих экологических исследований, для

которых, в частности, актуально создание 3D-анимационных моделей изме-

нения окружающей среды.

Помимо ГИС ArcInfo и ArcView, другой распространенной в мире

системой является AutoCAD Map фирмы Autodesk, специализирующейся на

выпуске программных продуктов для различных областей народного хозяй-

ства (машиностроение, нефтегазовая промышленность, архитектура и т.д.),

включая геоинформационные технологии. Программный продукт AutoCAD

с 1996г. становится базовым для картографии и создания ГИС, предоставляя

пользователю высокую точность и функциональные возможности своего

графического ядра. Кроме того, он дополняется функциями, необходимыми

создателям геоинформационных проектов: поддержка геодезических коор-

динат и проекций, простая связь с внешними СУБД, возможность реализа-

ции векторных и растровых форматов, анализ данных на основе пространст-

венной, графической и атрибутивной информации.

Целый ряд исследований по разработке 3D ГИС-технологий осуще-

ствляется в геологической службе Франции – BRGM, в частности, с целью

построения трехмерных геологических моделей и перехода от геологиче-

ских карт и геологических баз данных к трехмерной геологической карто-

графии. При этом процесс издания трехмерной модели проходит четыре

этапа.

На первом этапе с названием «Распаковка геологических данных»

происходит сбор данных, необходимых для моделирования и поступающих

из различных источников уровней наблюдений. Все эти данные приводятся

к единой структуре, к единому формату.

Второй этап «Предварительная обработка данных» состоит в обра-

ботке геологических данных для согласования отношений между топологи-

ческими слоями (хронология, интрузивные образования и т.д.) и выборке

данных, которые согласуются между собой в рамках геологических форма-

ций. На втором этапе требуется дополнительная информация по району для

правильного построения полигональных поверхностей с использованием

точечных данных для согласования отношений между топологическими

слоями (хронология, интрузивные образования и т.д.) и выборке данных,

которые согласуются между собой в рамках геологических формаций. На

втором этапе требуется дополнительная информация по район для правиль-

ного построения полигональных поверхностей с использованием точечных

данных бурения.

На третьем этапе выполняется проверка ошибки и устраняются по-

грешности, связанные со стыковкой слоев. И, наконец, на четвертом этапе

реализуется непосредственно само трехмерное моделирование. Полученная

в результате геологическая модель позволяет восстанавливать геологиче-

ское строение в любой точке пространства, редактировать изгибы в разрезах

в трехмерном представлении.

Для построения 3D-геологических моделей широко привлекаются

данные сейсморазведки и потенциальных полей, обеспечивающие объем-

ность геоинформации по глубине исследований земной коры.

Новым этапом развития ГИС-технологий является введение допол-

нительной оси времени, что важно для проведения мониторинговых иссле-

дований и изучения изменения геологических образований в течение геоло-

гического времени. Одной из первых подобных ГИС следует считать отече-

ственную, разработанную в ОАО «Центральная геофизическая экспедиция»

под руководством А.С. Кашика, систему динамической визуализации DV –

SeisGeo [18]. Несмотря на её специализированную направленность на поис-

ки и разработку нефтегазовых залежей, программное обеспечение этой сис-

темы можно рассматривать и как универсальную ГИС, способную решать

широкий круг задач, связанных с необходимостью изменения природных и

геологических процессов во времени.

Технология DV позволяет представлять динамический процесс в ста-

тическом виде, распространяемый при помощи DV на системы большой

размерности.

Для нуль-мерного случая, когда весь процесс привязан к одной точке,

достаточно построить график изменения параметра от времени и изучить

его весь одновременно. Очевидно, что при этом все основные особенности,

как периодичность, тренды и т.д., выявляются непосредственно.

Благодаря возможности работы в DV с многомерными пространства-

ми искусственно вводится в рассмотрение ось времени Т и направляют её

перпендикулярно имеющимся данным.

С целью изучения динамики развития геологических процессов в

общем случае используется четырехмерная метрика (x, y, z, T), при которой

ось глубин совмещается с осью времени через стратиграфическую привязку,

а xy – координаты по площади, z – ось глубины, направленная перпендику-

лярно к земной поверхности, Т – ось геологического времени, направленная

из настоящего (Т=0) в прошлое геологического пространства. В данном

пространстве оси z и Т – независимы, что позволяет расщепить оси времени

и глубины. Это обеспечивает воссоздание в 4D-пространстве динамики

формирования, например, современного строения бассейна. Аналогично все

разномасштабные временные процессы (природные, экологические, антро-

погенные) могут быть рассмотрены с единых позиций, т.е. в метрике четы-

рехмерного пространства – xyzT.

В системе DV-SeisGeo при изучении объектного пространства xyz

рассматриваются трехмерные наборы параметров А(x, y, z), где А – является

одним из геофизических или физических атрибутов. После добавления оси

геологического времени Т переходят к изучению палеореконструкции ис-

ходного параметра (атрибута) А(x, y, z, Т), который уже является четырех-

мерным. Такая функция А(x, y, z, Т) разбивается на четыре трехмерных на-

бора, соответствующих различным значениям по одной из осей и изучать их

последовательно. Например, выбрав ось геологического времени, можно

получить кубы, описывающие распределение параметров в моменты 0,

∆

t, …, T. Всего таких кубов будет Т/

∆

t и каждый из них можно изучать в

пространстве xyz. Совершенно аналогично можно получить x/

∆

x, y/

∆

y и z/

∆

кубов, соответствующих различным (xy, xz, yz) плоским сечениям объектно-

го пространства и изучать их в трехмерных пространствах истории этих се-

чений(xyT, xzT, yzT). Таким образом, изучение всего четырехмерного куба

параметров А(x, y, z, Т) производится во взаимосвязанных трехмерных сече-

ниях пространства xyzТ.

При изучении связанных пространств можно, как обычно, работать в

каждом из них, но за счет их «связанности» выбранные сечения синхрони-

зируются, что позволяет рассматривать параметр А как функцию, завися-

щую от всех четырех координат.

Двигая куб, часто при этом для куба используется термин слайс, в

одном сечении, одновременно перемещаем его образ в двух других и изме-

няем содержание в четвертом сечении. Например, меняя координату Т слай-

са (куба) xy|

T=t

в сечении xyT|

Z=z

, одновременно перемещаем слайсы xz|

T=t

yz|

T=t

в сечениях xzT|

Y=y

и yzT|

X=x

соответственно. В пространстве xyz|

T=t

все

слайсы остаются неподвижными, но изменяется общее для точек этого се-

чения значение функции в зависимости от геологического времени t.

Трехмерные пространства: xyz, обозначим это пространство как Р

xyT или пространство Р

; xzT или пространство Р

; yzT или пространство Р

удобно представлять на экране компьютера шестью взаимосвязанными дву-

мерными сечениями xy, xz, yz, xT, yT, zT.

В других сечениях изменяются значения параметра А. Следователь-

но, в пространстве Р

при Т=0 визуализируются сечениями xy, xz, yz объек-

ты (в частности, геологические тела) и поверхности на заданный момент

времени Т=Т

, а в пространствах Р

– временные геологические про-

цессы (или «тела» временных процессов), графически изображающие зако-

ны формирования тел объектного прстранства во времени по линиям x, y, z