Шипулин В.Д. Основные принципы геоинформационных систем. Уч. пособие

Подождите немного. Документ загружается.

5.6.3.2

Функции распространения 316

5.6.3.3

Функции распределения 320

5.6.4

Контрольные вопросы и задания для

самостоятельной работы

321

5.7

Функции связности 322

5.7.1

Определение и характеристика сети 322

5.7.2

Нахождение лучшего пути 324

5.7.3

Разделение сети 325

5.7.4

Контрольные вопросы и задания для

самостоятельной работы

329

ПОСЛЕСЛОВИЕ 330

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ 332

Использованная литература 332

Рекомендуемая литература для самостоятельного

изучения

336

ПРЕДИСЛОВИЕ

Интерес к географическим информационным системам (ГИС),

геоинформационным технологиям и геоинформационной науке имеет

чрезвычайный рост в последние годы благодаря полученным на их

основе эффективным решениям во многих областях человеческой

деятельности. С их помощью решаются локальные, региональные и

глобальные задачи устойчивого развития территорий, использования

природных ресурсов, охраны окружающей среды, обеспечения

общественной безопасности. Современные геоинформационные

системы расширяют методы исследования нашего мира, предоставляя

цифровые инструменты для организации и оперирования

пространственными данными, моделирования происходящих в

пространстве процессов, визуализации этих данных, моделей и

процессов с помощью развитых компьютерных средств,

специализированных инструментов обработки и анализа геоданных.

Исследователи от разнообразных академических дисциплин

используют пространственное мышление и инструменты ГИС для

развития явных пространственных моделей на разных масштабных

уровнях. Они используют геоинформационные системы как средство

понимания мира, описывая и объясняя отношения человечества к

реальному миру. Широкий общественный интерес к этой теме

подогревается популярными приложениями подобным картам Google,

персональным спутниковым навигационным устройствам, Интернет

картографическим сервисом MapQuest, и т.п. Пользователи ГИС все в

большей мере анализируют сущности и явления реального мира,

интегрируя информацию из разных источников с цифровыми картами

веб-сервисов, таких как, например, Google Earth и MS Virtual Earth.

В ответ на этот вызов научно-технического прогресса развивается

область ГИС-образования. В вузах для ряда специальностей введены

отдельные курсы по геоинформационным системам или

геоинформатике, а для специальностей по информационным

технологиям - соответствующие специализации. В 2001 году

решением Кабинета Министров Украины в перечень специальностей

введена специальность "Геоинформационные системы и технологии".

В мире выходит огромное количество статей, материалов

конференций, книг по многочисленным темам геоинформационных

систем и технологий, которые предназначены в большей мере для

специалистов ГИС или конечных пользователей популярного

программного обеспечения ГИС, чем для начинающих. Поэтому есть

необходимость в этом "океане" знаний выделить ключевые концепции

и принципы ГИС и донести их разнообразной аудитории студентов в

форме учебной литературы.

Предлагаемое вниманию читателя пособие охватывает учебную

дисциплину "Основы ГИС" специальности "Геоинформационные

системы и технологии". Пособие призвано способствовать созданию

теоретической базы изучения ГИС. В пособии представлены основные

концепции, положения, понятия, принципы построения и

функционирования географических информационных систем. Пособие

не является практикумом по освоению программного обеспечения

ГИС. Пособие построено из расчета того, что в соответствии с

учебным планом специальности: 1) студенты уже имеют

определенную подготовку по компьютерным дисциплинам и

дисциплинам, изучающим земное пространство, 2) после изучения

основ ГИС студенты получат знания по развитым технологиям ГИС,

выполнению геоинформационного анализа, дистанционному

зондированию Земли, приложениям ГИС в различных областях.

Сегодня в мире разработано огромное количество программных

продуктов ГИС. В рамках пособия даже краткий обзор программных

продуктов ГИС в виде перечня характеристик или функций не может

создать адекватную картину программного вооружения ГИС. Темпы

создания нового программного обеспечения ГИС или модернизации

созданного столь высоки, что существует опасность освещения в

пособии устаревших решений. Настоящее пособие построено в

большей мере в контексте решений Института исследования систем

окружающей среды (Environmental Systems Research Institute - ESRI),

который создал наиболее развитое и распространенное в мире

программное обеспечение ГИС.

Пособие состоит из пяти частей, каждая из которых отображает

определенную предметную область знаний о географических

информационных системах. Эти части являются модулями -

однородными по тематике структурными единицами для изучения

учебной дисциплины. Пособие построено таким образом, чтобы в

логической последовательности вводить читателя в мир ГИС.

Первая часть "Введение в географические информационные

системы" начинается с рассмотрения фундамента знаний о

географических информационных системах - понятийной базы теории

систем, общих закономерностей развития и функционирования

систем. В разделе представлена общая характеристика географических

информационных систем, дано определение ГИС, рассмотрены общая

характеристика компонентов ГИС и отличительных функций ГИС.

Как ГИС-парадигма представлена единая система базовых понятий и

определений на основе устоявшихся взглядов, которая является

каркасом представления предметной области геоинформационных

систем и технологий.

Вторая часть "Компьютерные модели географических объектов"

содержит определение географических объектов и их видов,

определение географической информации и географических данных. В

отдельных разделах этой части рассматриваются принципы

построения и характеристики базовых компьютерных моделей

географических объектов - векторных, растровых, триангуляционных,

которые проверены временем и реализованы в подавляющем

большинстве современных программных продуктов ГИС.

Третья часть "Сбор и подготовка географических данных"

начинается с рассмотрения источников географических данных,

важнейших характеристик данных, системного подхода к

предварительной обработке исходных данных. Большое внимание

уделяется проблемам классификаций, которые лежат в основе

эффективной работы геоинформационных систем. Значительное место

отводится рассмотрению систем координат реального земного

пространства и картографическим проекциям как фундаменту

построения ГИС.

Четвертая часть "Организация данных в геоинформационных

системах" посвящена рассмотрению проблем системной организации

данных. Особое внимание уделено двум распространенным моделям

организации данных - геореляционной модели и объектно-

ориентированной модели данных.

Пятая часть "Основы геопространственного анализа" является

заключительным модулем, который знакомит читателя с тем, что

называют "сердцем" ГИС. Эта часть включает общую характеристику

и методологию геопространственного анализа. На основе

распространенной классификации рассмотрены базовые

аналитические средства, которые являются опорой

геопространственного анализа - функции измерений, выбора данных,

классификации, оверлейные функции, функции окрестности, функции

связности.

Для создания пособия использован обширный набор литературных

источников, многие из которых сами по себе могут быть интересными

объектами изучения.

Предлагаемое пособие написано на основе многолетнего опыта

преподавания курса "Основы ГИС" для студентов специальности

"Геоинформационные системы и технологии", а также для будущих

градостроителей, экологов, менеджеров в Харьковской национальной

академии городского хозяйства. Использован опыт академии

разработок и внедрения ГИС-проектов для города Харькова и других

городов. Пособие может быть полезным студентам специальностей

компьютерных наук, а также специалистам в областях управления

территориями, земельными ресурсами и недвижимостью,

коммунальным хозяйством, транспортной инфраструктурой, в

областях энергетики, экологии, в областях разработки, создания или

исследования сложных пространственных комплексов.

Часть 1

ВВЕДЕНИЕ

В ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ

ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Раздел 1.1

КОНЦЕПЦИЯ СИСТЕМ

Определение термина "Географическая информационная система"

требует в первую очередь рассмотрения понятия "Система" и его

основных концептов. Это важно потому, что понятийная база теории

систем, общие закономерности развития и функционирования систем

являются фундаментом знаний о географических информационных

системах.

1.1.1 Сложность и взаимозависимость частей нашего мира

Прогресс в изучении окружающего нас мира приводит к

представлениям о все большей сложности и взаимозависимости его

частей.

Сложность – это совокупность огромного числа различных

объектов. Сложность определяется обилием связей. Следует различать

простую и трудную проблемы.

 Простая проблема имеет одно решение (например, развязывание

узла на веревке может быть трудным).

 Сложная проблема имеет много возможных решений [1].

Проблемы не существуют изолированно, являются ли они

социальными, политическими или экономическими. Пример:

экономика зависит от энергетики и др. ресурсов, энергоресурсы – от

политики, политика – от силы; и наоборот, политика зависит от

экономики. Проблемы не могут быть выделены из целого, объяснены

по отдельности, а затем интерпретированы для объяснения целого.

Среда, в которой возникают проблемы, сама по себе не является

статичной. Она динамична, так как всегда изменяется, подвергаясь

внешним и внутренним воздействиям. Среда меняется,

взаимодействует вместе со своими проблемами и их решениями в

физическом и концептуальном пространстве. Среда меняется во

времени, так как на нее влияют события.

В последнее время для многих областей науки и техники

характерен переход от разработки отдельных объектов к созданию

сложных комплексов. Вырос масштаб проблем, комплексность и

сложность проблем, стоимость их решения. Потребность решения

сложных проблем породила необходимость в универсальной

методологии, которая позволяет с единых позиций выполнить анализ

и синтез сложных объектов. В связи с этим получила развитие

методология, в основу которой положена концепция систем.

1.1.2 Исторический аспект

Первые представления о системах возникли в античной

философии [1]. В древнегреческой философии и науке (Эвклид,

Платон, Аристотель) разрабатывалась идея системности знания.

Философы всех эпох по-своему использовали понятия системы.

Принцип системной природы знаний разрабатывались в классической

философии (Спиноза, Шеллинг, Гегель…).

В 19 веке понятия системы уже используется во многих областях

конкретно-научного знания и общенаучного знания. Ф. Энгельс в

работе "Диалектика природы" пишет: " Вся доступная нам природа

образует некоторую систему, некоторую совокупную связь тел,

причем мы понимаем здесь под словом "тело" все материальные

реальности, начиная от звезды и кончая атомом.… В том

обстоятельстве, что тела находятся во взаимной связи, уже заключено

то, что они взаимодействуют друг на друга, и это их взаимное

воздействие друг на друга и есть именно движение. Движение

несотворимо и неуничтожимо. Этот вывод стал неизбежным, лишь

только люди познали вселенную, как систему, как взаимную связь

тел".

В 20 веке многие крупные ученые внесли свой вклад в развитие

системных представлений, в их числе В.И. Вернадский, А.А. Богданов

и другие.

Объединение системных представлений в особую область знания

связывают с именем австрийского биолога Людвига фон Берталанфи,

который в конце 40-х годов 20 века выступил с программой

построения "общей теории систем". Дополнительно к этой программе

в 50-70 годах был выдвинут ряд общесистемных концепций и

определений понятия система. Неоценимый вклад в системные

исследования внесли американские ученые М. Месарович, Р. Акоф,

английский кибернетик У. Р. Эшби, советские ученые А. И. Уемов,

И. В. Блауберг, В. Н. Садовский, Э. Г. Юдин, А. Н. Аверьянов и

другие.

1.1.3 Определения понятия "Система"

Система – универсальное понятие, пригодное для обозначения

разнообразных объектов любой природы. Известен ряд определений

системы. Вот некоторые из них:

 Система – есть комплекс взаимодействующих элементов [2]

 Система –– (от греческого systema - целое, составленное из частей;

соединение) – это совокупность элементов, находящихся в

отношениях и связях друг с другом, которые образуют

определенную целостность, единство [3, с.610].

 Система – есть отграниченное множество взаимодействующих

элементов. [4, с.43]

 Система – есть множество взаимосвязанных элементов [5]

 Система – есть то, что решает проблему. [6]

Понятие "система" имеет теснейшую взаимосвязь с понятиями

целостности, структуры, связи, элемента, отношения, подсистемы.

Наличие связей и отношений между элементами системы является

определяющим, ключевым.

Практически каждый объект, процесс, явление может быть

рассмотрен как система. Примеры систем:

 Солнечная система, транспортная система, система счисления,

система Станиславского, экономическая система, геологическая

система, система понятий, нервная система, система химических

элементов Менделеева, система математических уравнений…

 Системами являются язык, комбайн, мозг, телефонная сеть,

вычислительная машина, человек, академическая группа,

факультет, институт, система образования, общество людей,…

 Город – сложная динамическая социальная система. Эта система

может быть представлена взаимодействующими подсистемами

городского хозяйства. Специалист должен знать и уметь

анализировать структуры, взаимосвязи, критерии оценки

функционирования систем городского хозяйства для принятия

решений при планировании, проектировании, создания и

управления систем.

 Программный продукт.

 Географическая информационная система.

Понятие система имеет чрезвычайно широкое применение.

Рассмотрение объекта или совокупности объектов, среды как системы

позволяет на основании общих закономерностей развития и

функционирования систем конструировать сложные системы,

определять взаимосвязи между элементами системы, эффективно

решать сложные проблемы.

1.1.4 Системные исследования

Под системными исследованиями понимается вся совокупность

научных и технических проблем, которые сходны в понимании и

рассмотрении исследуемых ими объектов как систем, т.е. множеств

взаимосвязанных элементов, выступающих как единое целое.

Системные исследования представлены тремя системными областями:

 Системный подход (СП) – общенаучное методологическое

направление, разрабатывающие методы и способы исследования

сложноорганизованных объектов; СП основанный на

рассмотрении объектов изучения в виде систем. СП – сердцевина

системных исследований.

 Системный анализ (СА) - методология, ориентированная на

решения крупных проблем практически прикладного характера,

основанная на концепции систем. В центре СА, операция

сравнения альтернатив решения проблем и выбора альтернативы.

 Общая теория систем (ОТС) – научная дисциплина, которая

изучает различные явления, отвлекаясь от их конкретной природы,

и считывается лишь на формальных взаимосвязях между

различными составляющими их факторами, между наблюдениями,

признаками и свойствами. Задачи ОТС:

разработка обобщенных моделей систем;

построение логико-методологического аппарата;

создание обобщенных теорий систем различного типа.

1.1.5 Элементы систем

Система или любая ее часть может быть расчленена на элементы.

Под элементом системы понимают такую ее часть, которая не

подлежит дальнейшему расчленению, является надежной с точки

зрения процесса функционирования системы. Элемент - это

составная неделимая часть целого.

Элементы системы обладают определенными свойствами.

Элементами могут быть предметы, явления, знания, методы.

Примеры элементов систем:

 химические элементы системы Менделеева;