История возникновения ГИС. Первыми попытками применения автоматизации в картографии были достаточно простые картографические изображения в виде картограмм, выводимых на печатное устройство. Позднее появились банки географической информации. С течением времени накапливался опыт сбора, хранения и управления данными, создавались библиотеки программ, решающих стандартные задачи, затем появились географические информационные системы. Первые из них предназначались для решения узкоспециализированных задач, в основном земельного кадастра и инвентаризации земель. ГИС в их современном понимании появились в Швеции в середине 1960-х гг., а по0настоящему бурное развитие ГИС-технологии получили только в последние 15-20 лет. Основной причиной такого скачка, явилось развитие вычислительной техники и снижение стоимости компьютерного оборудования.
Причиной более широкого использования ГИС стала идея рассмотрения пространственной информации в качестве связующего звена для данных, получаемых из многочисленных источников: планов застроек, топографический и аналитических карт….Предполагалась, что построенная на этой основе программа даст возможность моделировать природные процессы и воздействия человека на ОС. Быстрое изменение значительной части географических данных с течением времени стало еще одним толчком к развитию ГИС, поскольку использование бумажных карт становилось все более и более неудобным.
Классификации ГИС. Существуют программы, близкие к ГИС по функциям, которые нередко причисляют к ГИС и применяют вместо них.
CAD – системы для автоматизированного проектирования с использованием средств машинной графики. Это старая, очень хорошо развитая область применения программного обеспечения. Первоначально CAD использовались как двухмерные системы, обеспечивающие только автоматизацию выпуска конструкторской документации на изделия. Дальнейшая их эволюция связанна с введением трехмерных моделей объектов и операций над ними (перенос, поворот и т.д.). CAD поддерживают большой список устройств ввода/вывода, позволяют работать со слоями.
Mapping (картографические системы) – специально предназначена для профессионального производства карт. Они не нацелены на управление данными в течение длительного периода времени и практически лишены средств анализа. Однако хорошо справляются с производством стандартных карт, например, морских или топографических, где все элементы содержания известны заранее и хранятся в специальных библиотеках, содержащих сам символ и его код. Здесь регламентируется все, вплоть до заливок, штриховок, видов и размеров шрифта. Изображение наносится на карту в строгом соответствии с принятыми условными знаками.
- По функциональности:
1. Закрытые ГИС. Не допускают возможностей расширения. Плюсом является чрезвычайно низкая цена. У них отсутствуют встроенные языки, не предусмотрено написание приложений, диапазон задач, которые они решают, невозможно расширить. Чаще всего их вообще невозможно изменить, поэтому они имеют низкую цену и короткий жизненный цикл.
2. Открытые ГИС. «Открытые системы» означает открытость для пользователя, легкость приспособления, расширения, изменения, адаптацию к новым форматам, изменившимся данным, связь между существующими приложениями. Системы этого типа имеют встроенный язык программирования, который позволяет пользователю дописать необходимые функции.
3. Универсальные ГИС. Не только имеют встроенный язык программирования, но и обладают модульной структурой, которая позволяет собрать из отдельных модулей такую комплектацию системы, которая нужна конкретному пользователю. Пользователь при помощи набора модулей и аппарата построения приложений может создать наилучшие системы для их выполнения.
- По предметной области:
1. для целей управления: городов (муниципальные) и областей (областные);
2. природоохранные;
3. кадастровые: земельные (ЗИС), лесные, водные;
4. для целей предотвращения ЧС;
5. дорожные сети;
6. учебные и т.п.
- По территориальному охвату:
1. глобальные;
2. планетарные;
3. субконтинентальные;
4. национальные;
5. региональные;
6. субрегиональные;
7. локальные или местные.
Модели данных. Растровая модель. Вся исследуемая территория отображается в виде пространственных ячеек, образующих регулярную сеть. В ячейке модели содержится одно значение, усредняющее характеристику всего участка поверхности объекта. Единицей растровой модели данных является пиксель, минимальная единица изображения на экране монитора, с которой компьютер может работать как с отдельным элементом. Из множества значений пикселей складывается целое растровое представление, описывающее всю территорию в целом, без пропусков информации, часть из которой в связи с этим является избыточной. Эти модели наиболее пригодны для описания непрерывных явлений и очень требовательны к машинным ресурсам. Достоинством является легкое получение растрового файла в результате процесса сканирования. Каждый пиксель кроме своего положения в матрице хранит какой-нибудь атрибут, обычно цвет, который можно заменить кодом. С кодом может быть связана таблица атрибутов неограниченного размера. Каждый тип объектов растровой модели помещается в свой слой и карта, таким образом, превращается в набор слоев, операции с которыми производятся «попиксельно».
Регулярно-ячеистая модель. Эта модель одна из самых старых. Формально похожа на растровую, поскольку в результате наложения регулярной сетки на картографируемую территорию, разбивает ее на участки. Сетка может быть как квадратной, так и любой другой правильной формы – с треугольными, шестиугольными и другими ячейками. Объект в этой модели представлен в виде совокупности ячеек регулярной сети с присвоенными им значениями класса объекта. Данные здесь иерархически организованны, причем каждый нижний уровень имеет меньший размер ячейки и описывает меньшую по размеру территорию земной поверхности.
Квадратомическая модель. Это еще одна вариация растровой модели, которая пыталась ликвидировать ее главный недостаток – большой объем и обеспечить при этом быстрый доступ к данным. В основе этой модели лежит разбиение территории на вложенные друг в друга ячейки, которые на каждом последующем шаге разбиваются на 4 части с образованием иерархической древовидной структуры. Рекурсивное деление квадрата на 4 части продолжается только в том случае, если территория, которую он описывает, содержит различающиеся по какому-либо признаку участки. Если участок однороден, то его деление прекращается. Процесс будет идти до тех пор, пока все участки не станут однородными по коду (цвету) или пока не будет достигнуто заранее заданное разрешение.
Сетевая модель. Сети состоят из 2х видов объектов: узлов и дуг. Узлом называется начальная или конечная точка дуги. Дуга – последовательность сегментов, имеющая начало и конец в узлах. Кроме них в этой модели хранятся указатели, определяющие местоположение связанных объектов – от какого узла к какому осуществляется движение. При помощи этой модели легко и естественно могут быть представлены транспортные задачи. В ней каждый объект может иметь несколько «подчиненных» и несколько «вышестоящих» объектов, реализуя связь «многое-ко-многим».
Векторная модель. Это одна из первых моделей. Векторные модели задаются перечислением координат линий, отрезков и площадей объектов, составляющих ее содержание. Точка задается в виде пары координат x, y. Ломанная линия – в виде последовательности координат x1, y1, x2, y2…. Площадь, как и линия, задается в виде последовательности координат, но ее последняя точка совпадает с первой, что гарантирует замкнутость фигуры, вычисление площади и заливку внутреннего контура. Преимущество – требование меньшей памяти для хранения и меньших затрат времени на обработку, а главное – более высокая точность позиционирования по сравнению с растровыми модели.
Объектно-ориентированная модель. Наиболее сложная. Она пытается моделировать не карту, а реальный мир, строя модель, которая ближе к естественному восприятию. В этой модели постулируется то, что все в мире является объектом. Каждый объект является представителем класса, который выражает общие свойства объектов. В классе задается поведение объекта. Тем самым все объекты, которые являются экземплярами одного класса, могут выполнять одни и те же действия, то есть обладать инкапсуляцией. Этим понятием обозначается объединение в объекте его свойств и возможных над ним операций. Классы организованны в единую древовидную структуру с общим корнем, называемую иерархией наследования. Дочерний класс наследует атрибуты родительского класса, расположенного выше в иерархическом дереве. Этот механизм называется механизмом наследования. Память и поведение, автоматически доступны любому классу, расположенному ниже в древе. Все экземпляры одного класса будут вести себя одинаковым образом в ответ на одинаковые запросы. Вычисления и сообщения осуществляются путем взаимодействия между объектами, при котором один объект требует, чтобы другой выполнил некое действие. Объект проявляет свое поведение путем вызова метода в ответ на сообщение. Интерпретация сообщения зависит от объекта и может быть различной для различных классов объектов. Явление, когда объекты разных классов будут сходным образом реагировать на один и тот же метод, называют полиморфизмом. Достоинства – более аккуратный и точный поиск ошибок, более естественное представление данных, когда вместо точек, линий и площадей пользователь работает с городами, дорогами, озерами.
Области применения ГИС. ГИС применимы везде, где используются карты или информация, имеющая пространственную привязку. Это картографирование земли и недвижимости, планирование землепользования, анализ пригодности земель. Особой областью применения ГИС является картография. ГИС и картография настолько слились, что о геоинформатике часто говорят как о цифровой картографии. Управление на транспорте, планирование и оптимизация перевозов, организация новых транспортных маршрутов – область применения специализированных сетевых ГИС.
Структура и составные части ГИС. ГИС имеет следующие компоненты:
1) Система ввода – программное обеспечение (ПО), предназначенное для получения данных через устройства ввода, к которым относится дигитайзер, электронные теодолиты. Информация также может вводиться с клавиатуры и других устройств.
2) Графическая и тематическая базы данных – наборы данных, хранящиеся на магнитных или оптических носителях. В графических базах находится пространственная информация, в тематических – семантическая, то есть те данные, которые относятся к пространственным, но не могут быть непосредственно нанесены на карту.
3) Система визуализации – ПО, генерирующее изображение для вывода его на монитор в виде карт, таблиц, схем.
4) Система управления и обработки – ПО управления данными, при помощи которой происходит их поиск, сортировка, удаление и т.д.
5) Система вывода – ПО для представления результатов в виде, удобном пользователю. Данные могут быть выведены на монитор, распечатаны на принтере.
Особенности ввода пространственной информации. Информация в векторной ГИС представляется в виде пространственных объектами, базовыми типами которых являются точки, линии и полигоны; растровые ГИС оперируют пикселями и ячейками; специализированные в качестве объектов могут рассматривать поверхности в целом. Пространственные объекты определяются указанием своего местоположения, уникальным номером, набором присущих им свойств и теми отношениями, в которые они вступают при взаимодействии с другими объектами. Объекты ГИС объединяются в слои. Слои могут быть смысловыми, в которых информация, может быть представлена как комбинация слоев рельефа, дорог, гидрографии, границ, растительности. Тогда в каждом слое будут находиться объекты, относящиеся к одной категории. При определении состава слоев и их объектного содержания исходят из конкретной задачи, решаемой в ГИС. То разделение информации на слои, которое хорошо для одной задачи, необязательно будет хорошо для другой. Поскольку со слоем связывается лишь одна таблица , то те объекты , для которых набор атрибутов должен быть разным, должны быть разнесены в разные слои, имеющие таблицы с конкретным набором атрибутов для каждого типа.
Создание баз данных (БД). ГИС оперирует 2 типами баз данных – графическими (пространственными) и тематическими (семантическими), связанными обычно через уникальный идентификатор объекта. Базу данных можно определить как совокупность данных, организованных по определенным правилам, устанавливающим общие принципы описания, хранения и манипулирования данными, что обеспечивает централизованное управление, соблюдение стандартов, безопасность и целостность данных, сокращает их избыточность и устраняет противоречивость. Создание базы данных и обращение к ней осуществляется с помощью системы управления базами данных (СУБД), которые предназначены для манипулирования данными с помощью ресурсов компьютера. Они выполняют функции формирования наборов данных, поиска, сортировки и корректировки. Последовательность операций над БД, рассматриваемой СУБД как единое целое, называется транзакцией. При выполнении транзакции СУБД фиксирует во внешней памяти изменения, которые произошли в БД. Каждая транзакция должна начинаться при целостном состоянии БД и оставлять ее в таком же состоянии после своего завершении. Одним из основных требований к СУБД является требование надежности хранения данных во внешней памяти, то есть способности восстановления после аппаратного или программного сбоя. Для того чтобы восстановление стало возможным, необходимо наличие некоторой избыточной информации, которое осуществляется при создании и сохранении журнала изменений БД. Журналом называют недоступную пользователю часть БД, где фиксируются все ее изменения и проведенные транзакции, успешно завершенные до момента сбоя.
Метаданные. Метаданными называются данные о данных – это каталоги, справочники, реестры и др. Разработка структуры метаданных сложная задача. Каждый этап процесса создания карты предъявляет свои требования к качеству и должен быть отражен в сопровождающей цифровую карту документации. Начальным разделом метаданных является общая информация, описывающая подходы к качеству, заложенные в цифровой карте. Метаданные должны включать сведения об определениях объектов и принципах их выделения, давать информацию о том, что скрывается за краткими заголовками полей таблиц или именами полей в базе данных.
Вне зависимости от того, предполагается печатать карту или нет, метаданные должны содержать пояснения к цветной легенде карты и условным знакам, правила, по которым проводились границы объектов. Особое значение приобретают пояснения к отсутствующим значениям в атрибутах и того, что служит причиной их отсутствия, поскольку это может происходить по разным причинам. Метаданные могут представлять собой весьма обширное описание, но некоторый минимальный перечень информации необходим при работе с любой базой данных в ГИС. его называют также паспортом карты.
Классификаторы. Для стандартизации процесса обработки пространственных и атрибутивных данных ГИС используются информационные классификаторы. В классификаторах излагаются обязательные правила регистрации и описания пространственной и непространственной информации. Особую актуальность приобретают классификаторы в условиях массовой доступности коммерческих ГИС-пакетов отечественных и зарубежных производителей. В настоящее время все организации пользуются разными классификаторами объектов, хотя в их основе, как правило, лежит один и тот же восьмизначный классификатор ВТУ, изданный в 1985 г. и предназначавшийся для бумажных карт. Идея классификатора - дать единый составной код объектам топокарты, облегчающий определение их положения в единой иерархической структуре на основе родовой принадлежности, и установление параметров групп, к которым они принадлежит. Те характеристики, которые не укладываются в цифровое кодовое представление, например собственное название населенного пункта или высотное значение горизонтали, - выносятся в дополнительные атрибуты объекта. Отход от идеи иерархического классификатора снижает эффективность его использования в ГИС (при поиске класса объекта, применении общего значка для группы и т. п.). Разнобой в построении классификаторов порождает отнесение одних и тех же объектов к разным классам, группам и, соответственно, помещение их в разные тематические слои. Многие объекты теряют свою целостность и связность, а в ряде случаев - и суть.
Поиск информации. Ничего не нашла…