Никитина Ю.В. Никитин В.Н. Курс лекций Геоинформационные системы

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное общеобразовательное учреждение высшего

профессионального образования

«СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

Кафедра фотограмметрии и дистанционного зондирования

Курс лекций по дисциплине

«Геоинформационные системы»

для подготовки дипломированных специалистов

по направлению

120200 – Фотограмметрия и дистанционное

зондирование

по специальностям

120202 – Аэрофотогеодезия

120201 – Исследование природных ресурсов аэрокосмическими средствами

Исполнители:

Никитина Ю.В., к.т.н., ст. преп. кафедры

фотограмметрии и ДЗ СГГА;

Никтитн В.Н., к.т.н., доцент кафедры

фотограмметрии и ДЗ СГГА

Новосибирск

2008

г.

Лекция 1

Определение и классификация ГИС

Назначение ГИС

ГИС – это инструмент управления.

Общепризнано, что география доминирует в 70% объёма всей циркулирующей ин-

формации. ГИС позволяет принимать решения на основе географической информации. В от-

личие от других типов инструментов обработки информации, ГИС понимает концепцию ме-

стоположения, так как базируется на информации, привязанной к координатам на карте, и

позволяет представить её в графическом виде для интерпретации и принятия решений по

управлению.

Примерами использования ГИС являются: моделирование ситуации для принятия ре-

шения о месте открытия нового магазина, контроль за состоянием освещения территории

или за санитарной обстановкой путём анализа местоположения мусорных ящиков в пяти ми-

нутах ходьбы от «Макдонольдса».

Сейчас ГИС используются местными властями, агентствами по контролю за окру-

жающей средой, службами быстрого реагирования и коммунального хозяйства, в сферах де-

ловой активности.

Определения ГИС

Точное определение ГИС дать очень сложно, поскольку при работе она может рас-

сматриваться на нескольких уровнях и для различного применения будет означать разные

вещи.

Значение №1.

ГИС – набор программных инструментов, используемых для ввода, хранения, мани-

пулирования, анализа и отображения географической информации.

Это техническое определение, отражающее историю развития ГИС как объединения

средств автоматизации проектирования (САПР) с цифровой картографией и программами баз

данных.

Значение №2.

ГИС – аппаратно-программный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий

сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координатных данных,

интеграцию данных, информации и знаний о территории для их эффективного использования

при решении научных и прикладных задач, связанных с инвентаризацией, анализом, модели-

рованием, прогнозированием, управлением окружающей средой и территориальной органи-

зацией общества.

Данные (лат. datum – факт) – совокупность фактов и сведений, представленных в ка-

ком-либо формализованном виде для их использования в науке и других сферах человече-

ской деятельности.

Под данными в среде ГИС понимаются вещи, известные об объектах реального мира;

результаты наблюдений и измерений этих объектов. Элемент данных содержит три главные

компоненты: атрибутивные сведения, которые описывают сущность, характеристики, пере-

менные, значения его квалификации; географические сведения, описывающие его положение

в пространстве относительно других данных; временные сведения, описывающие момент или

период времени, репрезентирующие элемент данных.

Данные выступают как сырьё, которое путём обработки можно превратить в инфор-

мацию, т.е. данные – это строительный элемент в процессе создания информации.

Информация – всё, что может быть сообщено.

Существующая информация – сведения, которые можно сообщить о каком-то объекте

(явлении).

Передаваемая информация – сообщаемые по каналу информации сведения.

Знания – интерпретация информации.

Классификация ГИС

Классификация ГИС возможна по нескольким основаниям:

– пространственному охвату;

– объекту и предметной области информационного моделирования;

– проблемной ориентации;

– уровню управления;

– по целям;

– по моделям данных;

– по архитектурным принципам;

– функциональным возможностям;

– и др.

По пространственному охвату различают:

– глобальные, или планетарные, ГИС;

– субконтинентальные;

– национальные (часто имеющие статус государственных);

– межнациональные;

– региональные;

– субрегиональные;

– локальные.

ГИС способна моделировать объекты и процессы, протекающие не только на суше

(территории), но и на акваториях морей, океанов и внутренних водоёмов (акватории). Напри-

мер, ГИС Чёрного моря (МГУ), ГИС для мониторинга глубоководного газопровода «Голубой

поток», средства морской навигации.

Менее известны системы, описывающие воздушное пространство (аэроторию): авиа-

навигационные системы, системы планирования и выполнения аэросъёмок.

Существуют ГИС для управления полётами в космическом пространстве.

По объектам информационного моделирования ГИС делятся на изучающие:

– феномены реальности (лес, земля, вода, население, хозяйство);

– процессы (наводнения, загрязнения окружающей среды, миграционные процессы);

– нематериальные объекты или идеи.

Классификация по проблемной ориентации:

– инженерно-технические (проектирование сооружений);

– имущественные для обработки кадастровых данных (учёт земельной собственно-

сти);

– обобщённые тематические и статистические системы картографирования для

управления естественными ресурсами;

– библиографические, содержащие каталогизированную информацию о множестве

географических документов;

– географические базы данных, содержащие информацию о географических объек-

тах;

– системы цифровой обработки данных дистанционного зондирования (ДДЗ) Земли;

– интерактивные системы обучения в области наук о Земле.

Классификация по уровню управления:

– федеральные;

– региональные;

– специальные – используемые для информационных потребностей конкретных от-

раслей народного хозяйства.

Классификация по целям:

– многоцелевые (общегеографические, мониторинг окружающей среды);

– тематические (водных ресурсов, лесопользования, землепользования и т.п.);

– специализированные (информационно-справочные системы по отраслям).

Программные средства ГИС можно различать и классифицировать по целому ряду па-

раметров.

Классификация по типу (модели) данных:

– векторные;

– растровые;

– гибридные или интегральные.

Классификация по архитектурным принципам:

– закрытые;

– открытые.

Закрытые системы позволяют выполнять только те операции с данными, на которые

они настроены во время покупки. В случае незначительного изменения решаемой задачи та-

кие системы часто оказываются неспособными их решать. В большинстве случаев закрытые

системы вообще невозможно изменить, поэтому они имеют низкие цены и короткий жизнен-

ный цикл.

Открытые системы подразумевают открытость для пользователя, такие системы име-

ют специальные средства, обычно языки программирования, предназначенные для создания

дополнительных приложений, т.е. нужных пользователю функций обработки данных. Воз-

можность расширения открытых систем позволяет использовать их и при развитии решаемых

задач в будущем. Эти системы обычно дороги, но имеют большой жизненный цикл.

По функциональным возможностям ГИС можно разделить на три группы:

– инструментальные или полнофункциональные. Это мощные универсальные сете-

вые системы, такие как ArcInfo и ERDAS;

– настольные, или системы конечного пользователя. К этой группе относятся Map-

Info, IDRISI, WinGIS, ArcView, GeoGraph;

– узкоспециализированные информационные системы.

Контрольные вопросы

1. Первое определение ГИС (программное).

2. Второе определение ГИС (комплексное).

3. Классификация ГИС по пространственному охвату.

4. Классификация ГИС по функциональным возможностям.

Лекция 2

Геоинформатика

Современные тенденции всё более широкого внедрения геоинформационных систем в

науки о Земле (географию, геологию, биологию, почвоведение и т.д.), а также в тесно связан-

ными с ними социально-экономические науки приводит к дальнейшему интенсивному разви-

тию геоинформационных методов исследования, которые базируются на геоинформатике.

Геоинформатика – наука, технология и производственная деятельность, которая свя-

зана с разработкой и использованием ГИС.

Данный комплекс формируется на стыке географии, информатики, теории информа-

ционных систем, картографии и других дисциплин с привлечением общенаучных методов

познания, в частности системного подхода, а также с использованием новейших достижений

в области вычислительной техники.

Ближайшее окружение геоинформатики образуют картография и дистанционное зон-

дирование. В разные периоды времени предлагались различные модели, описывающие ха-

рактер связи этих трёх наук и технологий:

– линейная модель ДЗ – ГИС – К;

– доминирование картографии К (ДЗ – ГИС);

– доминирование геоинформационных систем ГИС (ДЗ – К);

– модель тройного взаимодействия.

В итоге пришли к выводу, что наиболее верной является последняя модель.

Научно-познавательный аспект геоинформатики заключается в том, что геоинформа-

тика отображает и исследует реальный мир (например, природные, общественные и природ-

но-общественные геосистемы), используя для этого свои особые средства и методы путём

создания и изучения цифровой информационной модели геосистемы.

Технологический аспект геоинформатики заключается в том, что она занимается тех-

нологией сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения геоинформации

для решения задач инвентаризации, оптимизации и управления геосистемами.

Как производство геоинформатика проявляет себя при создании аппаратных средств и

программных продуктов, включая создание банков данных, систем управления, инструмен-

тария ГИС разного целевого назначения и проблемной ориентации.

Геоинформатика – наиболее перспективная информационная технология 90-х годов,

т.к. она стремительно внедряется, обширно применяется, включена в ряд крупнейших госу-

дарственных программ последних лет.

История развития ГИС

Историю геоинформатики можно разделить на 4 нечётко выраженных периода:

– Этап 1. 60-е годы.

Накопление новой наукой техники и опыта. В 1963-1971 гг. создана Канадская ГИС

для анализа данных инвентаризации земель Канады в области рационального землепользова-

ния. Впервые для создания карт использовался сканер. Создана технология массового цифро-

вания карт. Впервые выполнялось наложение и измерение площадей. Впервые использова-

лась абсолютная система координат и была создана база данных на основе тематических сло-

ёв. Впервые в число атрибутов операционных объектов введены признаки пространства. Для

указания местоположения объекта стали использоваться координаты центроидов.

В Швеции разрабатывается ГИС для автоматизации учёта земельных участков и не-

движимости. Основная функция ГИС состояла во вводе в машинную среду первичных учёт-

ных документов для хранения и регулярного обновления данных, достаточно простой (на се-

годняшний взгляд) обработки, включающей агрегацию данных и генерацию итоговых отчёт-

ных статистических табличных документов.

Считается, что первая автоматизированная картографическая система была создана в

Великобритании в 1964 г.

В мире разрабатывается программное обеспечение для автоматизированного карто-

графирования, сформировалось понятие пространственных объектов. Оформились две аль-

тернативные линии представления – растровые и векторные структуры, включая топологиче-

ские линейно-узловые направления. Поставлены и решены задачи, образующие ядро геоин-

формационных технологий: наложение разноимённых слоёв, генерация буферных зон, поли-

гонов Тиссена, определение принадлежности точки полигону, операции вычислительной

геометрии.

Функциональная ограниченность ГИС первого поколения имела и чисто технические

причины: неразвитость переферийных устройств, пакетный режим обработки данных на

крупных и мощных, но очень дорогих ЭВМ, непереносимость программного обеспечения,

критичность вычислительных ресурсов по отношению к объёмам данных и времени испол-

нения задач.

– Этап 2. 70-е годы.

Отработка методик структурирования пространственных данных. Общность тех-

нической базы, структурно-функциональное единство или подобие автоматизированных кар-

тографических систем и ГИС создали в 70-х годах предпосылки к их будущей интеграции,

породив «картоцентрический» взгляд на геоинформатику. Большинство ГИС этого периода

включает в свои задачи создание карт или используют картографические материалы как ис-

точник исходных данных. Международным географическим союзом была поведена инвента-

ризация 85 полнофункциональных ГИС и несколько сот программных средств для манипу-

лирования пространственными данными, машинной и картографической графики. В России

сформировалось новое направление – математико-картографическое моделирование. Цифро-

вая картографическая продукция почти не отличается от традиционных карт.

– Этап 3. 80-е годы.

Эпоха зрелости ГИС. Широкое распространение персональных компьютеров открыли

ГИС для массового пользователя. Отдельные компьютерные программные пакеты трансфор-

мируются в единую связанную систему. Созданные компьютерные локальные и глобальные

сети революционно изменили доступ к базам данных. Появилась геоинформационная инду-

стрия. Создание ГИС основывается не на уникальных разработках, а на адаптации универ-

сальных продуктов применительно к анализируемым проблемам. Именно в этот период поя-

вилась ГИС ArcInfo. Существенно раздвигается круг решаемых задач. Осваиваются новые

источники данных для ГИС: данные дистанционного зондирования – Landsat, Spot, данные

глобальных систем позиционирования. Цифровые методы обработки изображений интегри-

руются с системами автоматизированной картографии и ГИС.

– Этап 4. 90-е годы.

Развитие мультимедийных технологий. Большинство карт преобразуется в цифровые

модели. Происходит развитие моделирования: внедрение теории фракталов, катастроф, хаоса

в географии, применение нейронных сетей для многомерных классификаций и прогнозиро-

вания. Появились примеры интеграции ГИС и Интернет. Большое внимание уделяется ин-

теллектуальному анализу данных (data mining).

Контрольные вопросы

1. Определение Геоинформатики.

2. Модели, описывающие взаимодействие ДЗ – ГИС – К.

3. 1-й этап развития ГИС.

4. 3-й этап развития ГИС.

Лекция 3

Источники данных для ГИС

При анализе информации, необходимой для успешного функционирования создавае-

мой ГИС, должны быть рассмотрены вопросы её доступности, стоимости, полноты, точности,

а также состава и структуры данных.

Затраты на информационное обеспечение геоинформационных систем достигают 90%

от их общей стоимости.

При создании ГИС и её функционировании широко используются 3 основных источ-

ника данных:

– картографические;

– статистические;

– дистанционного зондирования.

Кроме того, могут использоваться литературные (текстовые) источники и данные спе-

циально проводимых полевых исследований и съёмок.

Картографические источники

Достоинствами картографической информации являются:

– чёткая территориальная привязка;

– отсутствие белых пятен в пределах отображаемой территории;

– возможность ввода в компьютер.

Недостатком картографической информации является наличие устаревших данных.

Помимо общегеографических и топографических карт насчитывают десятки и даже

сотни типов различных тематических карт. Рассмотрим их основные классы.

1. Общегеографические карты делятся на: топографические (масштаб 1:200 000 и

крупнее), обзорно-топографические (масштаб от 1:200 000 до 1:1 000 000) и обзорные (мель-

че 1:1 000 000).

Все эти карты содержат разнообразные сведения о рельефе, гидрографии, почвенно-

растительном покрове, населённых пунктах, хозяйственных объектах, путях сообщения, ад-

министративных границах. В геоинформатике карты этого класса служат для двух целей: по-

лучения информации об указанных объектах местности и их географической привязки. К

этой группе источников данных также относятся фотокарты и космофотокарты – полиграфи-

ческие оттиски с фотопланов, составленные по результатам аэро- или космической съёмки, с

нанесённой на них картографической нагрузкой, обычной для общегеографических карт.

2. Карты природы. Эта наиболее разнообразная по тематике группа карт включает кар-

ты геологического строения и ресурсов недр, геофизические, рельефа земной поверхности и

дна океанов, метеорологические и климатические, гидрологические и океанографические,

почвенные, геоботанические, зоогеографические, медико-географические, ландшафтные и

общие физико-географические, охраны природы.

Среди карт земной коры и её ресурсов выделяют: геологические, тектонические, чет-

вертичных отложений, новейшей тектоники, полезных ископаемых, гидрологические, инже-

нерно-геологические и т.п.

Среди геофизических карт можно выделить карты магнитного поля (магнитной ано-

малии, магнитного склонения, вековой ход, элементов геомагнитного поля), карты гравита-

ционного поля (вертикальное движение земной коры, изменение силы тяжести, строение

земной коры, гравиметрические карты), карты сейсмических явлений и вулканизма (сейсми-

ческое районирование, землетрясения, цунами, вулканы). Группу карт рельефа составляют:

гипсометрические, морфометрические, углов наклона местности, экспозиции склонов, гори-

зонтального расчленения рельефа, геоморфологические карты.

3. Карты народонаселения. В данной группе карт выделяют следующие основные сю-

жеты: размещение населения по территории и расселение, этнографическая и антропологиче-

ская характеристика народонаселения, демографическая характеристика, социально-

экономическая характеристика.

4. Карты экономики. Здесь выделяют:

– карты промышленности с подразделением на добывающую и обрабатывающую, а

также детальные отраслевые;

– карты сельского хозяйства (земельных фондов, трудовых ресурсов, материально-

технической базы, земледелия и животноводства);

– карты лесного хозяйства;

– карты транспорта и связи;

– карты строительства (капитального строительства, строительных и монтажных ор-

ганизаций, материально-технической базы, территориальных комплексов строи-

тельства);

– карты торговли и финансов;

– общеэкономические карты.

5. Карты науки, подготовки кадров, обслуживания населения. Данный класс карт свя-

зан с картами народонаселения и экономики. Сюда относят карты образования, науки, куль-

туры, здравоохранения, физкультуры и спорта, бытового и коммунального обслуживания,

туризма и некоторые другие.

6. Политические, административные и исторические карты.

7. Экологические карты: биоэкологические, геолого-экологические, географо-

экологические, общие экологические. Кроме того, среди карт природы и социально-

экономических карт могут быть выделены сюжеты, имеющие экологический уклон.

Следует отметить особую роль серий карт и комплексных атласов, где сведения при-

водятся в единообразной, систематизированной, взаимно согласованной форме: по проекции,

масштабу, степени генерализации, современности, достоверности и другим параметрам. Та-

кие наборы карт особенно удобны для создания тематических ГИС.

Данные дистанционного зондирования

Основные достоинства данных дистанционного зондирования:

– объективность;

– обзорность;

– оперативность;

– периодичность (регулярность поступления);

– разнообразие по разрешению и видам съёмки;

– возможность получения непосредственно в цифровом виде.

Недостатки:

– наличие различных (геометрических, радиометрических) искажений;

– «перенасыщенность» информацией;

– белые пятна.

Материалы дистанционного зондирования являются основным источником данных

для ГИС.

К ДДЗ относятся все типы данных, получаемых с аппаратуры космического и авиаци-

онного базирования. К дистанционным (бесконтактным) методам съёмки помимо аэрокос-

мических относятся разнообразные измерительные системы морского и наземного базирова-

ния, включая, например, фототеодолитную съёмку, сейсмо-, электромагнитную разведку и

иные методы геофизического зондирования недр, гидроакустические съёмки рельефа мор-

ского дна с помощью гидролокаторов бокового обзора, иные способы, основанные на регист-

рации собственного или отражённого сигнала волновой природы.

Аэрофотосъёмка в нашей стране регулярно выполняется с 30-х годов. Сейчас накоп-

лен фонд снимков, полностью покрывающий территорию, а для многих районов – с много-

кратным перекрытием, что особенно важно при изучении динамики объектов поверхности.

Материалы аэрофотосъёмки используются для топографического картографирования терри-

тории страны, а также широко применяются в геологии.

Космические снимки начали поступать с 60-х годов и к настоящему времени их фонд

исчисляется десятками миллионов. В качестве примера можно привести спутники США:

Landsat, NOAA, QuickBird; французский спутник SPOT; российские: Ресурс-Ф, Ресурс-О,

Метеор-3М, Ресурс-ДК .

Современные виды съёмок имеют ряд преимуществ:

– получение информации в диапазоне электромагнитного спектра, недоступного не-

посредственному восприятию человека;

– одновременный сбор данных сразу в нескольких частотных диапазонах;

– возможность сбора данных в условиях, неблагоприятных для визуального наблю-

дения (например, радиолокационная съёмка в условиях облачности).

Статистические данные

Статистические данные являются важнейшим источником информации для различных

социально-экономических ГИС. Особое место среди этого вида данных занимает государст-

венная статистика. Её назначение – дать представление об изменениях в народном хозяйстве,

составе населения, уровне его жизни, развитии культуры, наличия материальных резервов и

их использовании, соотношения в развитии различных отраслей хозяйства и многое другое.

Для получения государственной статистики на территории страны используется еди-

ная методика её сбора и представления. В России кроме Госкомстата страны эту работу про-

водят также некоторые отраслевые министерства. Статистическая отчётность различается по

периодичности: суточная, недельная, полумесячная, квартальная, полугодовая и годовая.

Кроме того, отчётность может быть единовременной.

Для упорядочивания всей совокупности данных государственной службой определены

группы показателей по 14 отраслям статистики: промышленности, природных ресурсов, тех-

нического прогресса и т.д. Для каждой из отраслей разработан обязательный набор показате-

лей. В настоящее время сбор и хранение всей информации автоматизирован, что позволяет

непосредственно использовать её в ГИС.

Огромное количество информации о природных явлениях содержат результаты на-

блюдений, полученных с использованием сетей стационарных, а также передвижных измери-

тельно-наблюдательных и автоматических телеметрических станций. Все эти данные соби-

раются и хранятся в специальных информационных центрах или институтах соответствую-

щего профиля и часто доступны через компьютерные сети. В настоящее время активно ве-

дутся работы по созданию разных тематических международных банков данных с возможно-

стью доступа через Интернет.

Большое информационное значение имеют справочные издания по отдельным типам

географических объектов, например, 40 томный каталог ледников СССР.

Отличительная черта литературных источников или текстовых материалов – отчётов

экспедиций, статей и книг, в том числе тематических монографий – состоит в том, что, имея

большой фактический материал, они не всегда представлены в специально классифициро-

ванном виде и не обеспечивают точную пространственную локализацию данных.

В последнее время в среде ГИС широко используются портативные GPS-приёмники,

позволяющие получать плановые и высотные координаты с высокой точностью, что в соче-

тании с портативными персональными компьютерами и специальным программным обеспе-

чением позволяет использовать их при полевых съёмках. Такая сверхоперативная съёмка осо-

бенно важна при ликвидации последствий стихийных бедствий и техногенных катастроф.

Контрольные вопросы

1. Что входит в понятие «картографические источники»?

2. Назовите особенности данных дистанционного зондирования.

3. Какова периодичность сбора материалов государственной статистики?

4. В чём заключаются недостатки использования текстовых материалов в ГИС?

Лекция 4

Ввод данных в ГИС

Все данные, используемые в ГИС, можно разделить на две большие категории:

– на пространственную информацию

– и на описательную (семантическую, атрибутивную) информацию.

В свою очередь, пространственную информацию можно подразделить на первичную,

т.е. которая может непосредственно использоваться в ГИС, и вторичную, для которой требу-

ется дополнительная обработка. В соответствии с типами моделей данных пространственная

информация также может быть растровой или векторной.

Такое деление данных для ГИС схематически представлено в таблице.

Данные ГИС

Пространственная информация Непрерывная

описательная

информация

первичная вторичная

растровая векторная растровая векторная

- спутники с оп-

тическими ска-

нирующими СС

- РЛСБО

- цифровая фо-

тоаппаратура

- GPS

- полевые на-

блюдения

- сканирование

фотографических

материалов

ЦФС – X,Y,Z

дигитайзер

векторизатор

- датчики

- оптические и

символьные

сканеры

- клавиатура

- голосовой

ввод

Средствами кодирования и оцифровки пространственных данных для ввода их в ком-

пьютер, начиная с ранних стадий развития ГИС, были цифрователи двух основных видов: