Тикунов В.С. (ред.) Основы геоинформатики. В 2 книгах. Книга 1

Подождите немного. Документ загружается.

ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

ОСНОВЫ

ГЕОИНФОРМАТИКИ

В двух книгах

Книга 1

Под редакцией проф. В.СТИКУНОВА

Допущено

Министерством образования Российской Федерации в качестве

учебного пособия для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по специальности 013100 «Экология»

и направлению 511100 «Экология и природопользование»

Москва

academ'a

2004

УДК 91(075.8)

ББК 26.8я73

0-75

Авторы:

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

И.К.Лурье, И.А.Рыльский, А.М.Трофимов, М.Э.Флейс, В.Б.Яровых

Рецензенты:

акад. РАН, д-р техн. наук, проф. В.Г.Бондур (Московский

государственный университет геодезии и картографии);

д-р техн. наук, проф. Д В.Лисицкий (зав. кафедрой картографии

Сибирской государственной геодезической академии);

д-р геогр. наук, проф. В.З.Макаров (зав. кафедрой физической географии

и ландшафтной экологии Саратовского государственного университета)

Основы геоинформатики: В 2 кн. Кн.

Учеб. пособие для

0-75 студ. вузов / Е.Г.Капралов, А.В.Кошкарев, В.С.Тикунов и

др.; Под ред. В.С.Тикунова.

—

М.: Издательский центр «Ака-

демия», 2004. — 352 е., [16] с. цв. ил.: ил.

ISBN 5-7695-1443-4

В учебном пособии освещены общие вопросы геоинформатики,

функциональные возможности географических информационных систем

(ГИС), принципы проектирования, аппаратно-программные средства

реализации, интеграции данных и технологий, особенности интеллек-

туализации ГИС и систем поддержки принятия решений и др. Особое

внимание уделено блокам моделирования и визуализации данных, а

также прикладным аспектам геоинформатики с изложением опыта

использования ГИС и анализом литературы.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специ-

альности «Экология».

УДК 91(075.8)

ББК 26.8я73

О Коллектив авторов, 2004

ISBN 5-7695-1443-4 (ки. 1) © Образовательно-издательский центр «Академия», 2004

ISBN 5-7695-1716-6 © Оформление. Издательский центр «Академия», 2004

ПРЕДИСЛОВИЕ

В географии и других науках о Земле и обществе, имеющих

дело с пространственными данными, сложилась ситуация, когда

информационный «взрыв» соседствует с информационным «го-

лодом». Одни специалисты сетуют на ограниченность сведений,

что ведет к упрощению описаний, гипотетичности исследований,

их некондиционности и т.д., другие, наоборот, не успевают «пе-

релопатить» горы материала. Парадокс? Вряд ли, скорее объек-

тивная картина стихийно сложившейся реальности. Даже распо-

лагая определенными данными, рационально ли мы ими распо-

ряжаемся и их используем? К сожалению, в большинстве случаев

нет. Сложно получить сведения об уже накопленных материалах,

затруднены обмен и доступ к ним (ведомственные барьеры, ре-

жимные ограничения и неупорядоченность данных препятствуют

рациональному и эффективному использованию информацион-

ных ресурсов).

В настоящее время во многих вузах страны открыты специали-

зации по геоинформатике; географам, геологам, почвоведам, эко-

логам и студентам, изучающим дисциплины не только о Земле,

но и обществе, читается курс «Геоинформатика». Более того, ста-

ли появляться специализированные средние учебные заведения и

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

создан межшкольный центр развития геоинформационных тех-

нологий. Опубликована серия учебников и учебных пособий (до-

полняемых рядом монографических изданий, материалов кон-

ференций), но, несмотря на это, издание, которое бы охватыва-

ло практически все современные аспекты геоинформатики и ос-

новные области ее применения, в России до сих пор отсутствует.

В связи с этим в целях систематического и полного изложения

материала к написанию данного учебного пособия были привле-

чены ведущие специалисты из самых различных областей науки и

производства.

Пособие состоит из двух книг (шесть разделов). Первый раздел

вводит читателя в сферу геоинформатики и начинается с понятия

о географических информационных системах (ГИС). Представле-

ние о ГИС как об информационных системах, оперирующих про-

странственно-координированными (пространственными, геогра-

фическими) данными, уже давно и достаточно прочно вошло в

научный обиход. Но логика изложения материала с использова-

нием конкретных примеров позволяет понять технику проектиро-

вания ГИС, представить их функциональные возможности и внут-

реннее устройство, а главное — убедиться в практической целе-

сообразности решения многих практических задач в среде ГИС.

Далее изложение следует установившейся традиции классифика-

ции ГИС по разным основаниям, включая пространственный (про-

странственно-временной) охват, предметную область информа-

ционного моделирования, проблемную ориентацию, их структур-

но-функциональные и прикладные особенности.

Первоначальных сведений о ГИС оказывается достаточно для

того, чтобы в этом разделе обсудить существо геоинформатики

как науки, технологии и индустрии, определить ее предмет и

метод, место в системе наук, взаимодействие с другими науками

и технологиями, подчеркнуть ее роль интегратора всех иных гео-

технологий, подробно остановившись на отношениях геоинфор-

матики и картографии как двух самодостаточных, в чем-то аль-

тернативных и взаимодополняющих средств пространственного мо-

делирования реальности. Теория и методология геоинформатики,

еще не вполне сформировавшиеся, в основном базируются на обоб-

щении и осмыслении эмпирического опыта внедрения геоинфор-

мационных технологий в самые разнообразные сферы человече-

ской деятельности. В этом плане важна характеристика истории

становления геоинформатики с ее периодами роста, разочарова-

ний, смены приоритетов и формирования теоретической базы,

методологии, сфер приложения и т.д.

Во втором, ключевом, разделе книги изложены функциональ-

ные возможности важнейших технологических блоков ГИС. Пер-

вый блок этого раздела связан с регистрацией, вводом и хранени-

ем данных, характеристикой средств формирования баз данных,

созданием систем управления ими. В деятельности, связанной с

использованием пространственно-координированных данных,

традиционно применяются литературные, статистические, кар-

тографические, аэро- и космические материалы. Их подборка, си-

стематизация, накопление, хранение и обработка для последу-

ющего использования осуществляются, как правило, в машин-

ной среде.

Глава о моделях пространственных данных — одна из наибо-

лее важных в книге. Модель данных — это свод правил, по кото-

рым конструируются более сложные пространственные объекты

из более простых или элементарных, если угодно — язык описа-

ния пространственных данных. Среди множества их моделей (пред-

ставлений) можно выделить базовые, «канонические», отшли-

фованные временем и реализованные в подавляющем боль-

шинстве современных программных средств ГИС. Это вектор-

ные, растровые, регулярно-ячеистые и квадротомические. Со-

временная практика предлагает множество вариантов канони-

ческих моделей, ведутся эксперименты с их многомерными рас-

ширениями. Большие перспективы сулит объектно-ориентиро-

ванный подход к моделированию пространственных данных. В этой

главе рассмотрены модели аналого-цифрового преобразования

данных, состоящие из трех крупных блоков: цифрование, обес-

печение качества оцифрованных материалов и интеграция раз-

нородных цифровых материалов. Охарактеризованы базы и бан-

ки данных, а также системы управления ими.

Второй блок раздела объединяет операции, связанные с ана-

лизом пространственно-временных явлений. Это прежде всего функ-

ции: организации выбора объектов по тем или иным условиям;

редактирования структуры и информации в базах данных; картог-

рафической визуализации; построения буферных зон; анализа

наложений; сетевого анализа; картометрические функции и др.

Здесь же вкратце рассмотрены многообразные направления спе-

циализированного анализа, например ориентированного на воп-

росы геологии или географии: метод размытых (нечетких) мно-

жеств, нейронных сетей, теория хаоса, катастроф, фрактальный

анализ. Методы классификации ввиду их важности для многих наук

о Земле, имеющих дело с пространственно-координированными

данными, занимают особое положение, поэтому выделены в спе-

циальную главу.

В особую группу геомоделирующих функций ГИС также приня-

то выделять цифровое моделирование рельефа (ЦМР). Опыт созда-

ния и использования ЦМР, наследующий традиции и методики

ранних этапов развития геоинформатики и автоматизированной

картографии, богат примерами решения разнообразных научных

и научно-прикладных задач, в том числе на основе ЦМР нацио-

нального масштаба (две из них — ЦМР Дании и США

—

подроб-

но проанализированы). Многоцелевое использование ЦМР осно-

вано на функциях их обработки программными средствами ГИС и

включает расчет производных морфометрических характеристик

(углов наклона и экспозиций склонов), оценку формы склонов,

экстракцию из ЦМР сети тальвегов и водоразделов и иных струк-

турных элементов, оценку зон видимости/невидимости, построе-

ние трехмерных изображений. Завершает второй блок глава по ма-

тематико-картографическому моделированию в рамках информа-

ционных технологий. Этот вид моделирования позволяет органи-

чески комплексировать математические и картографические моде-

ли в системе «создание — использование карт» для конструирова-

ния или анализа тематического содержания карт. Охарактеризована

методика создания элементарных и сложных (цепочкообразных,

сетевых и древовидных) математико-картографических моделей.

Третий блок второго раздела касается вывода и документиро-

вания результатов обработки данных. Здесь прежде всего рас-

сматриваются методы картографической визуализации. Разумеет-

ся, программные средства ГИС далеко не самый лучший (эффек-

тивный, 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 изложен также материал 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 картографические

анимации карт, анаморфоз и виртуально-реальностных изобра-

жений. Анимации развития явлений в пространстве и времени

позволяют отображать процессы их эволюции и др.

В третьем разделе характеризуются требования и этапность про-

ектирования ГИС. Разработка любой геоинформационной си-

стемы — это сложный процесс, включающий определение це-

лей ее создания, задач, решаемых с помощью системы, структу-

ры системы, организации данных, подбора программного обес-

печения, создание организационных механизмов накопления и

использования информации и т.п. Большой объем раздела зани-

мает обзор наиболее распространенных аппаратных и программ-

ных средств. Вкратце проанализированы организационные аспек-

ты, а также инфраструктуры пространственных данных (ИПД).

Здесь читатель познакомится с одной из примечательных и мно-

гообещающих тенденций развития прикладной геоинформатики

на рубеже веков, еще раз отметив большую интегрирующую и

системообразующую роль геоинформационных технологий в про-

странственно-информационном обустройстве крупных террито-

рий. Национальные инициативы ряда стран рассматриваются как

часть более общего процесса глобализации геоинформационных

ресурсов и индустрий, обозначенной в проекте Глобальной ИПД.

В четвертом разделе изложены способы интеграции методов

дистанционного зондирования и спутникового позиционирова-

ния в геоинформационной среде. Охарактеризованы сетевые тех-

нологии и комплексные мультимедийные системы в трех ипоста-

сях: как идея, т.е. способ хранения, организации и передачи ин-

формации различного типа; как оборудование, которое позволя-

ет работать с информацией различной природы и доставлять ее

потребителю, и, наконец, как продукт, составленный из данных

всевозможных типов, объединенных некоей общей идеей, и пред-

ставляющий интерес для конечного пользователя.

Пятый раздел посвящен аспектам интеллектуализации геоин-

форматики. 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 ряде наук. В данном раз-

деле прежде всего рассмотрены экспертные системы и нейросети.

Важнейшее практическое приложение методов искусственного

интеллекта происходит через формирование систем поддержки

принятия решений. Они позволяют обеспечить моделирование

альтернативных решений на разных этапах принятия решений,

их анализ и выбор вариантов, удовлетворяющих поставленным

условиям. Здесь же охарактеризованы атласные информационные

системы для комплексных исследований территорий и разработ-

ки сценариев их развития.

В заключительном, шестом, разделе освещены разнообразные

прикладные аспекты геоинформатики. Читатель познакомится с

приложениями ГИС-технологий к различным предметным об-

ластям — геологии, земельному кадастру, лесной отрасли, эко-

логии, муниципальному управлению, эксплуатации инженерных

коммуникаций, деятельности силовых структур. Для эколога эти

аспекты важны, поскольку только здесь ставятся и решаются наи-

более сложные и наукоемкие задачи, шлифуется инструмента-

рий геоинформатики, закладываются «точки роста» новых геоин-

формационных идей и именно в этих областях может быть реа-

лизован в полной мере потенциал эколога-профессионала, кото-

рому в первую очередь адресована книга. В разделе дается характе-

ристика наиболее известных региональных геоинформационных

проектов.

Далее анализируется рынок геоинформационных продуктов и

услуг. Экспансия ГИС-технологий в 80-х годах прошлого века по-

родила геоинформационную индустрию и геоинформационный

рынок, достаточно четко сегментированный и чрезвычайно ди-

намичный. Появилась профессия «геоинформатик». Профессиона-

лов различной специализации в области ГИС готовят тысячи ву-

зов, геоинформационное образование стало гарантом успешного

трудоустройства выпускников и их карьеры в сфере геоинформа-

ционно-телекоммуникационного бизнеса.

Учебное пособие снабжено словарем, поясняющим значение

базовых терминов геоинформатики, смежных с ней отраслей зна-

ний (219 словарных статей с толкованием нормализованных тер-

минов, включая 60 отсылок с их допустимыми синонимами и

аббревиатурами) и некоторых латинских сокращений (49). Значи-

тельная часть словарного материала заимствована из учебно-спра-

вочного пособия «Понятия и термины геоинформатики и ее ок-

ружения» (А.В.Кошкарев, 2000) и «Толкового словаря основных

терминов геоинформатики»

(Геоинформатика, 1999) и воспро-

изведена в списке терминов в переработанном и отредактирован-

ном виде. Введены термины, ранее не зафиксированные словаря-

ми. Заголовочные термины словарных статей снабжены их сино-

нимами и английскими эквивалентами.

Предисловие, гл.

и 3 написаны А.

В.

Кошкаревым и В. С. Тику-

новым; гл. 2, подразд. 4.2., 5.3 и 6.1 — А. В. Кошкаревым; подразд.

4.1 — Е.

Г.

Капраловым и В.

С.

Тикуновым; подразд. 4.3

—

В. Б.Яро-

вых, М.Э.Флейс и А. В. Кошкаревым; подразд. 4.4 — И. К Лурье;

подразд. 5.1 — Е.Г.Капраловым, В.С.Тикуновым и А.М.Трофи-

мовым; подразд. 5.2

—

А.

В.

Заварзиным и В.

С.

Тикуновым; подразд.

5.4 и 6.2

—

В.

С.

Тикуновым; подразд. 6.3

—

И.

А.

Рыльским; подразд.

6.4 — И.

А.

Рыльским и В. С. Тикуновым.

Замечания и пожелания по совершенствованию учебного по-

собия Вы можете сообщить редактору книги В.С.Тикунову по

адресу: 119992, Москва, МГУ, географический факультет. Тел.:

(095) 939-13-39. Факс: (095) 932-88-36. Электронная почта —

tikunov@geogr.msu.su

Здесь и далее рекомендуемая литература выделена полужирным шрифтом.