Тема 1. Функциональные возможности ГИС Занятие 2. Ввод, предоб- работка и хранение данных Тема 1. Функциональные возможности ГИС Занятие 2. Ввод, предоб- работка и хранение данных

Цель занятия: студент должен получить представление о типах дан- ных и процессе их аналого-цифро- вого преобразования.

ПЛАН ЛЕКЦИИ Ведение 1. Источники данных и их типы: картографические, статистические, дистанционного зондирования. 2. Модели пространственных данных. 3. Аналого-цифровое преобразо- вание данных. Заключение.

1. Капралов, Е.Г. Основы геоин- форматики. В двух книгах. [Текст] / Е.Г. Капралов, А.В. Кошкарев, В.А. Ти- кунов / Под ред. В.С. Тикунова. – М.: Академия, Книга 1, гл. 4. §§ 1-3. Список литературы

ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ К ЗАЧЕТУ Понятия: данные, информация, знания; различия между ними. Основные источники данных в ГИС и их типы. Понятие базы данных. Разновид- ности баз данных. Ввод данных. Технологии ввода. Основные функции обработки и анализа данных в ГИС. Разновидности растрового и век- торного представления данных.

ВВЕДЕНИЕ Данные - факты и сведения, представленные в каком-либо формализованном виде. Первичные данные это дан- ные, полученные информацион- но - измерительной системой в определенный момент времени и поэтому они уникальны, т.е. не воспроизводимы.

В среде ГИС широко используются пространственные (географические) данные. Этот вид данных харак- теризуется тремя главными компонен- тами: атрибутивными, географичес- кими и временными сведениями.

Атрибутивные сведения описыва- ют сущность, характеристики, пере- менные, значения; географические сведения описывают положение эле- мента данных, временные сведения описывают момент или период вре- мени, связанный с этим элементом данных.

Источники пространственных дан- ных для ГИС - основа их информаци- онного обеспечения. В стоимости раз- рабатываемых ГИС-проектов порядка 90% занимают расходы на приобрете- ние данных. По оценкам специалис- тов до 70% всех данных, которые составляют информационные ресур- сы наций, регионов, ведомств, имеют пространственную привязку, т.е. могут быть сопоставлены с определенными географическими координатами.

Информационное обеспечение ГИС остается крайне трудоемким делом. Это связано с тем, для использования в среде ГИС требуется цифровая форма данных, а большинство данных находится в аналоговом виде (топографические карты, статисти- ческие табличные отчеты, тексты).

Для анализа и оценки различных типов источников данных, необходи- мо отметить их общие свойства: про- странственный охват, масштабы, раз- решение, качество, форму существо- вания (аналоговая или цифровая), пе- риодичность поступления, актуаль- ность и обновляемость, условия и стоимость получения, доступность, форматы представления, соответст- вие стандартам.

Пространственным данным, их источникам, моделированию и преоб- разованию посвящена настоящая лек- ция.

1. Источники данных и их типы: картографические, статистические, дистанционного зондирования ГИС оперирует различными упоря- доченными наборами данных. Среди них различают картографические, ста- тистические, аэрокосмические, которые преобразуются и вводятся в ГИС либо заимствуются из других геоинформаци- онных систем. Помимо этого могут быть использованы данные специально про- водимых полевых съемок, а также текс- товые источники.

Картографические источники данных. Использование географических и тематических карт как источников исходных данных для формирования БД удобно и эффективно по ряду причин. Во-первых, атрибутивные характеристики, полученные из кар- тографических источников, имеют тер- риториальную привязку.

Во-вторых, в них нет пропусков, «белых» пятен в пределах изобра- жаемой территории. В-третьих, сейчас имеются техно- логии перевода этих материалов в цифровую форму. Картографические источники отличаются большим раз- нообразием: помимо общегеографи- ческих и топографических карт име- ются сотни типов тематических карт.

В настоящее время эта инфор- мация содержится в многочисленных каталогах хранилищ карт, которые доступны и через Интернет.

Общегеографические карты делят- ся на: топографические (1: и крупнее), обзорно-топографические (от 1: до 1: ), обзорные (мельче 1: ). Примеры топо- карт приведены на рис. 1-3.

Рис. 1. Топографическая карта района хребта Иремель. М 1:

Рис. 2. Обзорно-топографическая карта центральной части Челябинской области. М 1:

Рис. 3. Обзорная карта УрФО. М 1: (в 1 см 100 км)

Тематическим картами являются: - политические, административные; - природы (геологические, геофизи- ческие, рельефа земной поверхности и дна океанов, гидрологические, мете- орологические, почвенные, геоботани- ческие, зоогеографические и др.);

- экономики (общеэкономические, промышленности или сельскохозяй- ственного производства, трудовых ресурсов, лесного хозяйства, транс- порта, строительства, торговли и др.); - народонаселения; - исторические и т.д.

В 90-е годы прошлого века в России была произведена значитель- ная работа по преобразованию анало- говой информации общегеографичес- ких, топографических и геологических карт в цифровой (векторный) вид.

Для выполнения этих работ в Роскартографии были созданы цент- ры геоинформатики (Росгеоинформ, ГосГИСЦентр, СевЗапГеоинформ, Сиб- геоинформ, Уралгеоинформ, Дальгео- информ), которые выполнили цифро- вание карт масштаба 1: и 1: Результаты работы хранят- ся и поддерживаются в актуальном состоянии в Фонде цифровой карто- графической информации в ГосГИС- Центре.

Созданием цифровых карт практи- чески всех перечисленных типов занимаются в соответствующих ведомствах. Например, геологические карты в цифровом виде создают региональные информационно-ком- пьютерные центры Министерства природных ресурсов.

Вся работа по созданию циф- ровых геологических карт выпол- няется с использованием нескольких ГИС: ArcInfo, ArcView (ESRI, Inc.); Mapinfo Professional (Mapinfo Corp.); ГИС «Парк» (Ланэко); GeoGraph / GeoDraw (ЦГИ ИГ РАН).

Важным источником цифровой кар- тографической информации становится Интернет: это либо продажа данных (в основном для навигационных систем (сайты Ингит, C-Map)), либо предостав- ление данных для размещения собст- венной информации (e-atlas.ru, nacarte.ru)

Статистические источники данных. Другим важным источником дан- ных для ГИС являются статистичес- кие материалы, имеющие цифровую форму. Особо следует выделить госу- дарственную статистику.

Основное ее назначение – дать представление об изменениях в хозяйстве, составе населения, уровне его жизни, развитии культуры, нали- чии материальных резервов и их ис- пользовании, соотношении различ- ных отраслей хозяйства и т.д.

Для получения государственной статистики на территории страны обычно используется единая мето- дика ее сбора; различные министер- ства проводят сбор собственных статистических материалов.

Для упорядочения всей совокуп- ности данных государственной служ- бой определены следующие отрасли статистики: 1) промышленности, 2) природных, 3) технического прог- ресса, 4) сельского хозяйства и заго- товок, 5) капитального строительства, 6) транспорта и связи, 7) торговли, 8) труда и заработной платы, 9) населе- ния, здравоохранения и социального обеспечения,

10) народного образования, науки и культуры, 11) бюджетов населения, 12) жилищно-коммунального хозяйст- ва и бытового обслуживания населе- ния, 13) материально-технического снабжения и переписей, 14) финансов. Каждая из отраслей характеризу- ется набором показателей.

Статистические материалы могут быть получены в Госкомстате России или взяты из официальных статисти- ческих изданий, выпускаемых в традиционном и электронном виде, например: «Вопросы статистики» (ежемес.), «Статистическое обозрние» (ежекварт.), «Социально-экономичес- кое положение России» (ежемес.).

Ежегодно выпускаются статисти- ческие сборники «Россия в цифрах», «Регионы России», «Инвестиции в России», «Труд и занятость в России», «Охрана окружающей среды в России» и др.

Данные дистанционного зондиро- вания являются одним из важных ис- точников данных для ГИС. Это все ти- пы данных, получаемых с носителей космического и авиационного базиро- вания, а также фототеодолитная съемка, сейсмо- и электромагнито- разведка недр, гидроакустическая съемка рельефа морского дна и дру- гие способы, основанные на регистра- ции собственного или отраженного сигнала волновой природы.

Космические снимки начали пос- тупать с 60х годов. Виды материалов космической съёмки разнообразны, так как существует две технологии их получения: фотографирование и ска- нирование. Дистанционное зондиро- вание осуществляется специальными приборами – датчиками, которые мо- гут улавливать отраженное или испус- каемое естественное излучение (пассивные) либо самостоятельно испускать сигнал и фиксировать его отражение (активные).

К пассивным относятся оптичес- кие или сканирующие устройства, которые действуют в диапазоне отра- женного солнечного излучения (включая УФ, видимый и ближний ИК диапазон).

К активным – радарные устрой- ства, сканирующие лазеры, микровол- новые радиометры. Результаты дистанционных измерений представ- ляют собой зарегистрированные в аналоговой или цифровой форме характеристики электромагнитного из- лучения, отраженного от участков зем- ной поверхности или собственного излучения этих участков.

Наиболее широкое применение находят снимки в видимом и ИК диапазоне. В 70-80х годах снимки советских спутников «Ресурс-Ф», «Об- лик», «Комета» с лучшими в мире ха- рактеристиками обеспечивали оте- чественных потребителей в доста- точном объеме.

Однако в 90-х годах запуски спут- ников почти прекратились из-за отсут- ствия финансирования. В настоящее время информацию нашим потреби- телям предоставляют в основном зарубежные спутники двойного назна- чения и ресурсные спутники.

Таблица 1. Действующие спутники среднего и высокого разрешения развития. Landsat-7, Terra, Aqua, Iconos-2, Quick Bird-2, OrbView-3 США IRS-1C, IRS -1D, TESИндия Spot-4, -5Франция EROS-1AИзраиль ALOSЯпония ERS-2, Rapid EyeЕвропа, Германия Zi Yuan-1, Zi Yuan-2Китай Ресурс-П, Монитор-Э, АрконРоссия

Фотографирование проводится в видимом, инфракрасном и радиодиа- пазонах (микроволновом и ультрако- ротковолновом). ИК-диапазон исполь- зуется для съёмки в ночных условиях и получения дополнительной инфор- мации по сравнению с видимым диа- пазоном, а радиодиапазон – для съём- ки в условиях сильной облачности. Радиолокационное зондирование Земли используется для топографи- ческой съёмки рельефа.

В последние годы стали широко использоваться глобальные системы позиционирования, которые дают воз- можность определять координаты с точностью до нескольких метров. В сочетании с портативными компью- терами со специализированным прог- раммным обеспечением обработки данных такие приемники можно ис- пользовать в полевых условиях. На рис. 4 и 5 показаны аэро- и космичес- кие снимки.

Рис. 4. Аэрофотоснимок района южнее г. Миасс.

Рис. 5. Космический снимок юга России и Средней Азии.

2. Модели пространственных данных Информационной основой ГИС являются цифровые представления (модели) реальности. ГИС моделирует пространственные объекты. Цифровая модель пространст- венного объекта - цифровое представ- ление объекта местности, содержащее его местоуказание и набор свойств (характеристик, атрибутов).

Множество цифровых данных о пространственных объектах образует пространственные данные, которые состоят из позиционной и атрибутив- ной составляющих. Базовые (элементарные) типы пространственных объектов: - точка (точечный объект) - 0-мер- ный объект, характеризуемый плано- выми координатами;

линия (линейный объект) - 1-мер- ный объект, образуемый последова- тельностью точек с известными пла- новыми координатами; - пиксел (пиксель, пэл) - 2-мерный объект, элемент цифрового изобра- жения; элемент дискретизации коор- динатной плоскости в растровой мо- дели данных ГИС;

- область (полигон, контур, контур- ный объект) - 2-мерный (площадной) объект, внутренняя область, ограни- ченная замкнутой последовательнос- тью линий, и идентифицируемая внут- ренней точкой (меткой); - ячейка (регулярная ячейка) - 2- мерный объект, элемент разбиения земной поверхности линиями регуляр- ной сети;

- поверхность (рельеф) - 2-мерный объект, определяемый не только коо- рдинатами, но и аппликатой Z, которая является атрибутом объекта; оболоч- ка тела; - тело - 3-мерный (объёмный) объ- ект, описываемый тройкой (трип- летом) координат, включая аппликату Z, и ограниченный поверхностями.

Общее цифровое описание прост- ранственного объекта состоит из: наи- менования; указания местоположе- ния; набора свойств (атрибутов) и др. (отношения с другими объектами, пространственное поведение). Управление атрибутивными дан- ными осуществляется системой уп- равления базами данных (СУБД), по- зиционные данные управляются дру- гими средствами.

Связь между позиционной (гео- метрической) составляющей прост- ранственного объекта и его атрибу- тивной (описательной) частью через идентификатор. В современных ГИС применяется также интегрированный подход, при котором оба вида данных хранятся и управляются в среде СУБД.

Способы организации цифровых описаний пространственных данных принято называть моделями прост- ранственных данных. Существует три типа таких моделей: модели дискрет- ных объектов, непрерывных полей и сетей.

В практике геоинформатики определился набор базовых моделей пространственных данных, исполь- зуемых для описания объектов раз- мерности не более двух: растровая, регулярно-ячеистая (матричная), квад- ротомическая, векторная. Этот список не содержит моделей трёхмерных данных, в частности рельефа.

Растровая модель данных Растр (прямоугольная решётка) разбивает изображения на неделимые элементы пиксели (picture element). Позиционная часть в матрице, семан- тическая часть - каждому пикселю со- поставляется характеристика – цвет. Пространственные объекты в раст- ровой модели данных разбиваются на аналогичные пикселям элементы, упо- рядоченные в виде прямоугольной мат- рицы.

С каждым кодом пикселя может быть связан неограниченный по дли- не набор (таблица) атрибутов, каждый из которых может быть развернут в производный слой с размерностью исходной матрицы.

Таким образом, становится не обязательным разделение данных на позиционную и семантическую сос- тавляющие, отпадает необходимость в особых средствах хранения пози- ционной и атрибутивной частей данных, упрощаются аналитические операции, многие из которых сводят- ся к попиксельным операциям с набо- ром растровых слоев.

В ГИС растрового типа достаточно просто могут быть реализованы опе- рации пространственного анализа, включая функции картографической алгебры. В ГИС растрового типа легко интегрировать программные продук- ты ГИС со средствами цифровой об- работки данных дистанционного зон- дирования, которые являются одним из важных источников данных для ГИС.

Существенным недостатком раст- ровой модели является значительный объём машинной памяти, которая требуется для хранения данных. Для преодоления этого недостатка ис- пользуются способы сжатия данных.

Векторные модели данных (два типа) используются для цифрового представления точечных, линейных и площадных объектов по аналогии с топографией. Векторная нетопологическая модель. Представление точечных, линей- ных, полигональных объектов по ана- логии с картографией.

Множество точечных объектов в слое представляется в виде последо- вательности записей, каждая из кото- рых содержит идентификатор и коор- динаты X и Y. Линейные объекты описываются последовательностью координатных пар. Так же описыва- ются границы площадных (полиго- нальных) объектов.

В соприкасающихся полигонах об- щие стороны описываются дважды (модель «спагетти»). Данная модель неэффективна, поскольку избыточна. Положительнач сторона – она поддерживается недо- рогими программными средствами настольного картографирования.

Векторная топологическая модель Эта модель возникла в связи с необходимостью описания полиго- нальных объектов (линейно-узловая модель).

Топология - раздел математики, изучающий топологические свойства фигур, т.е. такие свойства, которые не изменяются при любых деформациях, производимых без разрывов и скле- иваний (размерность, замкнутость, связность и др.).

Главные примитивы топологичес- кой модели: промежуточная точка; сегмент; узел; дуга; полигон. Существует несколько форм поли- гонов: простой, внутренний (остров, анклав), составной, универсальный (внешняя область). Описание полиго- на в векторной топологической моде- ли состоит из множества узлов, дуг и полигонов.

Сетевая модель Эта модель позволяет решать специфические задачи, например, оптимизации перевозок, планирова- ния маршрутов и диспетчеризации мобильных транспортных средств; управления сетями инженерных ком- муникаций: водо-, газо-, энергоснаб- жения.

Обычно программные средства ГИС поддерживают одну, реже две модели пространственных данных.

3. Аналого-цифровое преобразование данных Наличие цифровых карт на тер- риторию страны – одно из условий успешной реализации крупных геоин- формационных проектов. Обычно создание таких карт выполняется в рамках национальных программ внед- рения средств автоматизации и циф- рового картографирования в соо- тветствующей отрасли.

Строго говоря, цифровая карта является не картой, а её цифровой моделью. В геоинформатике существует понятие цифровая карта - основа. Это карта, близкая по своему содержанию к карте-основе и используемая для позиционирования тематических сло- ёв пространственных данных в ГИС.

Наиболее распространена ЦКО в векторном формате. Цифрование происходит с помощью дигитайзера с ручным обводом (использовались до середины 90-х годов) или методом сканирования оригиналов с после- дующей векторизацией. Растровая ЦКО формируется ме- тодом сканирования топокарты.

Процесс аналого-цифрового пре- образования данных содержит три крупных блока: цифрование; обеспе- чение качества оцифрованных мате- риалов; интеграция разнородных ци- фровых материалов. Цифрование - процесс перевода исходных (аналоговых) картографи- ческих материалов в цифровую фор- му. Существует два его метода: дигитайзерный ввод и использование растрового изображения.

Для обеспечения качества оциф- рованных материалов необходимо подбирать свежую карту-основу дос- таточно крупного масштаба, использо- вать данные ДЗЗ, а при необходимос- ти и уточнение ситуации на местности. Качество цифровой карты определя- ется рядом характеристик, важнейшие из которых: информативность, точ- ность, полнота, корректная внутрен- няя структура.

Корректность внутренней струк- туры означает точное совпадение кон- туров различных слоёв цифровой карты. Кроме того, показателем кор- ректной структуры ЦК является спо- собность обеспечить решение перс- пективных задач, т.е. задач, которые не ставились в момент написания технического задания.

Интеграция разнородных цифро- вых материалов проводится с целью создания единой цифровой картогра- фической основы (ЕКО). Этот процесс заключается в согласовании разно- родных информационных слоев (тематических карт) по системе ко- ординат, территориальному охвату, масштабу, формату, системам услов- ных знаков и т.д.

Тематические карты одинакового масштаба имеют разную степень генерализации. Это различие возрас- тает при использовании тематических карт разного масштаба. Поэтому мас- штаб тематических карт, используе- мых для создания ЕКО, не должен отличаться более чем в 10 раз.

З А К Л Ю Ч Е Н И Е На занятии вы познакомились с типами источников данных ГИС, спо- собами их цифрового моделирования и методами создания единой цифро- вой картографической основы.