Геоинформационные системы Норильский индустриальный институт. Кафедра РМПИ Ст.преподаватель: Березюк Николай Игоревич

Немного истории Три класса программного обеспечения: САПР (Системы автомати- зированного проектирования), AM/FM (Automated mapping/Facilities management) и ГИС (геоинформационные системы) хотя бы отчасти произошли от общего предка - векторного графического редактора. САПР и AM/FM возникли как чертежные пакеты, специализированные векторные графические редакторы. Программные пакеты САПР были в основном ориентированы на конструкторов и разработчиков и предназначены для создания машиностроительных и архитектурных чертежей, электрических схем, не предусматривая вначале особенных интеллектуальных функций. Программное обеспечение AM/FM, будучи очень близко к САПР, было создано для решения задач в первую очередь не проектировщиков, а эксплуатационников, ремонтников. Оно предназначалось для управления инженерными сетями и распределенной производственной инфраструктурой, а также для инвентаризации, работало с плоскими чертежами и схемами, но при этом учитывалось пространственное расположение объектов на местности.

Немного истории (продолжение) Эта особенность приближала пакеты AM/FM к ГИС, но в отличие от систем ГИС, где всегда важна картографическая правильность, метричность пространственных взаимоотношений, для систем AM/FM было более важно такое свойство как топологичность. В программном обеспечении AM/FM, как, впрочем, и в машиностроительном и электронном САПР, в процессе развития этих систем возникла потребность во взаимодействии с базами данных. Только в системах САПР эта тенденция развивалась в сторону баз данных чертежей (системы работы с документами) и баз данных стандартных элементов, комплектующих, которые обслуживают САПР и замкнуты на его внутренние потребности.

Немного истории (продолжение) В AM/FM ярко проявилась необходимость связи с БД, поскольку при работе с инженерными сетями необходим мониторинг состояния объектов (включение/выключение вентилей, замена устройств, сроки ремонта, отслеживание различных ситуаций). Эти системы работали с реальными объектами, меняющими свое состояние во времени, причем необходимо было это состояние отслеживать - как оперативно, так и в виде истории обслуживания. По мере развития систем AM/FM и расширения их функций, а также в связи с параллельным развитием ГИС и все большего пересечения их областей применения, типичные задачи AM/FM стали все больше переходить к ГИС. Все чаще AM/FM создаются на базе стандартных пакетов ГИС - используются их стандартные функции или специально написанные приложения.

Немного истории (продолжение) Первые геоинформационные системы родились как системы аналитического назначения, но массовые ГИС, признанные на рынке как коммерческие пакеты, были, в первую очередь, информационно- поисковыми системами. Приобретая и развивая связь с базами данных (информационно-поисковые, кадастровые системы), они стали сближаться с системами AM/FM, какое-то время сосуществовали, и, наконец, стали их поглощать.

Определение ГИС ГИС-автоматизированная информационная система, предназначенная для обработки пространственно- временных данных, основой интеграции которых служит географическая информация. (географические) Географическая информация описывает объекты реального мира через: (а) их расположение по отношению к определенной системе координат; (расположение выработки в пространстве) (б) их свойства, не связанные с местоположением (такие, как цвет, форма и др. атрибуты), (название выработки, сечение и т. д.) (в) их пространственные взаимосвязи друг с другом (топологические связи). (из штрека 8 пройдены орты 1, 2, 3) Географические данные в ГИС это не просто набор информации, это модель реального мира. (векторная, растровая)

В ГИС осуществляется комплексная обработка информации, которая включает: 1- сбор (ввод); (дигитализация, сканирование, ручной ввод, датчики) 2 - хранение, обновление, обработка; 3 - представление и вывод. В связи с этим следует рассмотреть ГИС с различных позиций.

Как системы управления ГИС предназначены для обеспечения принятия решений по оптимальному управлению землями и ресурсами, городским хозяйством, по управлению транспортом и розничной торговлей, использованию водоемов или других пространственных объектов. При этом для принятия решений в числе других всегда используют картографические данные. В отличие от АСУ в ГИС появляется множество новых технологий пространственного анализа данных. В силу этого ГИС служат мощным средством преобразования и синтеза разнообразных данных для задач управления. Дело в том, что информативность визуальной информации значительно выше, чем например текстовой, или табличной. (пример)(пример)

Как автоматизированные информационные системы ГИС объединяют ряд технологий или технологических процессов известных информационных систем типа автоматизированных систем научных исследований (АСНИ), систем автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированных справочно- информационных систем (АСИС) и др.

Как геосистемы ГИС включают технологии (прежде всего технологии сбора информации) таких систем, как географические информационные системы (ГИС), системы картографической информации (СКИ), автоматизированные системы картографирования (АСК).

Как системы, использующие базы данных, ГИС характеризуются широким набором данных, собираемых с помощью разных методов и технологий. При этом следует подчеркнуть, что они объединяют в себе как базы данных обычной (цифровой) информации, так и графические базы данных. Неграфические базы данных могут быть как встроенные, так и внешние. (чаще всего вы будете иметь дело с реляционными базами данных)

Как системы моделирования ГИС используют максимальное количество методов и процессов моделирования, применяемых в других автоматизированных системах.

Как системы представления информации ГИС являются развитием автоматизированных систем документационного обеспечения (АСДО) с использованием современных технологий мультимедиа. Это определяет большую наглядность выходных данных ГИС по сравнению с обычными географическими картами. Технологии вывода данных позволяют оперативно получать визуальное представление картографической информации с различными нагрузками, переходить от одного масштаба к другому, получать атрибутивные данные в табличной или графовой форме.

Как интегрированные системы ГИС являют собой пример объединения различных методов и технологий в единый комплекс, созданный при интеграции технологий на базе технологий САПР и интеграции данных на основе географической информации.

Как прикладные системы ГИС не имеют себе равных по широте применения, так как используются на транспорте, в навигации, геологии, географии, военном деле, топографии, экономике, экологии, бизнесе и т.д. Благодаря широким возможностям ГИС на их основе интенсивно развивается тематическое картографирование.

Как системы массового пользования ГИС позволяют применять картографическую информацию на уровне деловой графики, что делает их доступными любому школьнику или бизнесмену, не только специалисту географу. Именно поэтому при принятии решений на основе ГИС -технологий не всегда создают карты, но всегда используют картографические данные.

Место ГИС среди других систем АСНИ-автоматизированная система сбора информации. САПР-система автоматизированного проектирования. АСИС-автоматизированная справочно-информационная система. (пример)(пример) АСДО-автоматизированные системы документооборота.

Место ГИС среди других систем (продолжение) Большое распространение получают ГИС как системы принятия решений. Ранее такими системами были АСУ-автоматизированные системы управления. Как можно видеть на рисунке, АСУ полностью интегрирована в ГИС и может рассматриваться как подмножество этой системы.

Выводы Подводя краткий итог всего вышеизложенного можно рассматривать ГИС как новый современный вариант автоматизированных систем управления, использующих большее число методов анализа и принятия решений, причем в первую очередь методы пространственного анализа.

Области применения ГИС Электронные топографические карты. (пример)(пример) ГИС для задач городского хозяйства – (муниципальные ГИС). (пример)(пример) Государственный земельный кадастр. Экология и чрезвычайные ситуации. Обработка данных дистанционного зондирования. Отраслевое планирование и управление промышленностью. Навигационные системы. Системы управления предприятием и многое другое.

Компьютерная технология проектирования и производства (КТПП) Об этих четырех вариантах внедрения и развития информационных технологий на предприятиях говорят чаще и больше, чем о любых других. Охотнее упоминают в специальной литературе. Их можно применять и к информационным системам управления предприятием, и к системам автоматизированного проектирования и электронного документооборота «Быстрое решение тактических задач» 2. «Непрерывное улучшение» 3. «Сфокусированное изменение» 4. «Глобальное изменение»

«Быстрое решение тактических задач» Вариант предусматривает концентрацию усилий предприятия на решении частных и, как правило, автономных задач, оставляя в неприкосновенности существующую на предприятии инфраструктуру. Призван временно ослабить давление повседневных проблем, дать время для выбора и внедрения других вариантов. Минусы такого подхода: отсутствие единого информационного пространства, разнородность, а то и несовместимость подсистем, используемых в различных подразделениях, дублирование функций и данных...

«Непрерывное улучшение» В отличие от предыдущего, этот вариант основан на последовательной модификации или замене отдельных компонентов аппаратного и программного обеспечения, постоянном улучшении методов работы в соответствии с согласованной концепцией и долгосрочными планами развития. Применяется главным образом для предприятий, имеющих достаточно высокий уровень развития информационной системы и функционирующих в относительно стабильных внешних условиях.

«Сфокусированное изменение» Вариант затрагивает наиболее критичные для предприятия процессы и предполагает коренные изменения в технологии, замену аппаратных и программных решений, а также совершенствование организации деятельности. Используется при формировании интегрированной информационной системы предприятия, согласованной со стратегией развития и учитывающей особенности текущего состояния. Требует от руководства предприятия готовности к серьезным преобразованиям, переподготовки персонала, разработки детального технического проекта системы. Способен обеспечить быстрый возврат инвестиций в информационную систему и переход к стратегии "непрерывное улучшение".

«Глобальное изменение» Вариант подразумевает коренную перестройку и реорганизацию технологии работы, часто с полной остановкой производственного процесса, создание заново всей инфраструктуры предприятия, существенные кадровые изменения. Требует значительных инвестиций, связан с повышенным риском, но в случае успеха может обеспечить многократное повышение эффективности работы предприятия.

Краткий обзор ГИС-пакетов Базой для создания ГИС служат так называемые инструментальные пакеты, представляющие программно-технологические комплексы. (пока пакет не заполнен информацией – это еще не ГИС, а только инструмент для ее создания) По стоимости и назначению инструментальные системы представляют собой широкий набор средств от настольных (Desktop GIS ~ $) до комплексных (уровня управления предприятием или корпорацией ~ десятки тысяч $). В настоящее время больщее распространение имеют двумерные (2D) пакеты, тем не менее во многих отраслях возрастает значение модулей для трехмерного (3D) проектирования. Это особенно актуально для тех областей, в которых исходная информация изначально трехмерна, в частности это относится и к горнодобывающей промышленности.

Наиболее известные и широко распространенные универсальные ГИС-пакеты. ArcInfo (ESRI, США) (векторная топологическая модель) ArcView (ESRI, США) (векторная нетопологическая модель) ERDAS Imagine (ERDAS, Inc., США) (растровая модель) MapInfo Profiessional (MapInfo, США) (векторная нетопологическая модель) MicroStation (Bentley System, Inc., США) (3D) ER Mapper (ER Mapping, Австралия) (растровая модель) WinGis (Progis, Австрия) (векторная нетопологическая модель)

Программные продукты на базе AutoCad AutoCAD Map (Autodesk, Inc. США) AutoCAD Land Development Desktop (землеустройство и землепользование) Autodesk Civil Design (гражданское строительство) Autodesk Survey (обработка геодезических данных) Autodesk Map Guide (Web) Собственно AutoCad не является инструментальным средством для создания ГИС. 1 – отсутствие координатной привязки к картографической системе координат; 2 – отсутствие встроенной базы данных, позволяющей вводить непространственные атрибуты.

Обзор ведущих горно- геологических информационных систем (ГГИС) Изначальная ориентировка на решение 3D задач в связи с естественной трехмерностью размещения геопоказателей. Необходимость создания многослойных детальных карт, планов и разрезов масштабного ряда от 1 : 500 до 1 : 5000 Наличие модулей или подсистем решения специальных технологических задач (от подсчета объемов и запасов до календарного планирования и оптимизации добычи)

Другие особенности Практически все ведущие ГГИС имеют ядро в виде собственных СУБД с оригинальным форматом хранения данных, хотя в последнее время наметилась тенденция к переходу на Oracle, MS Ассеss, установлению тесного взаимодействия с другими базами данных через механизм ODBC. Обычный набор пространственных типов данных: точки (points), траектории опробования (dholes), полигоны и полилинии (strings, polygons), сети триангуляции (TIN), регулярные решетки и блоки (grids, blocks), нерегулярные сеточные модели данных и сети конечных элементов (meshes), сплошные объемные тела (solids). Обычный набор рабочих модулей: утилита базы данных, блочное моделирование, каркасное моделирование, геостатистика, трехмерная визуализация, модуль буровых скважин, маркшейдерия и геодезия, проектирование карьера, проектирование подземного рудника.

Datamine Studio (Великобритания) DATAMINE (Datamine International, United Kingdom - распространяется с 1968 г. В настоящий момент выпущена новая версия 4.0 для Windows 98/NT с более удобным интерфейсом пользователя. Системой пользуются несколько тысяч консультационных фирм и горно-рудных предприятий всего мира, в том числе СНГ. Многие эксперты считают ее наиболее мощной и проверенной на практике при проектировании и работе горных предприятий. Имеется весьма обширная документация, частично переведенная на русский язык, однако полной русификации последней версий программы пока нет.

Surpac (Австралия) SURPAK Software International (AUSTRALIA, SSI является быстро развивающейся компанией, которая продала к настоящему моменту более 2800 лицензий по всему миру. Компания образована в 1982 г., разрабатывает программное обеспечение для разведки, планирования горных работ и экологии. Surpac является одним из лидеров создания качественной ЗD-графики для горных приложений, которые работают под Windows 95/NT и на платформе UNIX. Некоторые дополнительные особенности: реализация английского, французского, испанского и немецкого интерфейсов пользователя скоро обещают выпустить версию с меню на русском языке; имеется практическое руководство пользователя с реальными данными, гарантирующее быстрое обучение и продуктивность изучения; система совместима с наиболее популярными СУБД и легка в использовании; цена ниже чем у аналогичных систем, однако составляет более 6 тыс. фунтов стерлингов.

Gemcom (Канада) PC-MINE (Gemcom International, Canada http// Данный пакет программ широко применяется при разработке месторождений меди в Северной и Южной Америке. Новые версии работают под управлением Windows 95/NT. Имеется интерфейс с рядом программ по оптимизации стратегии горных работ по максимуму прибыли, экспорт и импорт соответствующих типов данных в форматы DXF, ARC/INFO, Surfer.

Micromine (Австралия) MICROMINE (Micromine Pty Ltd, AUSTRALIA - Система имеет довольно широкое распространение по всему миру и эксплуатируется на многих крупных горно-рудных предприятиях. В списке клиентов фирмы несколько сот ведущих компаний. Систему отличает современный дружественный интерфейс пользователя, научная обоснованность методических подходов к решению горно-технических задач и высокое качество программной реализации положенных в основу идей. Имеются следующие модули: ядро, контур, цифровая модель поверхности, дисплей I и II, скважина I и II, геология, контроль качества, проектирование рудника, моделирование рудного тела, графопостроение, статистика, линии и контуры, проектирование рудника на пластовых залежах, маркшейдерия I и II, подземные горные работы. Система работает на различных платформах, начиная с 486-го IBM совместимого ПК и заканчивая UNIX-станциями типа SUN.

Vulcan (Австралия) VULCAN (Maptek, AUSTRALIA Модульная программная система для моделирования месторождений, обеспечения ведения открытых и подземных горных работ. Позволяет решать большой круг горно-технических задач, начиная от построения ЦММ для подсчета запасов и кончая оперативным планированием горных работ. Совершенная и реалистичная трехмерная графика. Интерактивный подход к взаимодействию пользователя с компьютером. Перечень решаемых задач практически аналогичен возможностям системы Datamine, отличаясь оригинальной методикой и реализацией эффективных алгоритмов. Например, в последней версии системы имеется интерфейс с аппаратурой 3D лазерной маркшейдерской съемки поверхности горных выработок. Первоначально пакет был предназначен только для работы на мощных графических рабочих станциях фирмы Silicon Graphics Inc. Сейчас имеется версия для Windows NT.

RockWorks2002 (США) Система настольного уровня для реализации небольших проектов. Представляет собой набор модулей геологических инструментов. Широко применяется в учебных заведениях при подготовке геологов и горных инженеров. RockWorks2002 выполняется в Windows98/NT/2000 и доступен с однопользовательскими и сетевыми лицензиями. Доступна демонстрационная версия, функционирующая десять дней. (пример)(пример)

Наше знакомство с ГИС. Многообразие ГИС – пакетов не позволит ознакомится даже с ведущими из них за столь короткий промежуток времени. Однако мы можем попытаться уяснить основные принципы построения моделей реального мира в геоинформационных системах. Поняв эти принципы, вы самостоятельно сможете освоить любой необходимый инструментальный пакет, с которым придется работать. Для дальнейшей работы воспользуемся одним из наиболее простых в освоении и удобных в использовании пакетов – MapInfo Professional. (использование) (использование)

Лицензия 24 июля 2000 г. компании «ЭСТИ МАП» выдана лицензия Федерального горного и промышленного надзора России (Госгортехнадзор России) 00МР 12868, разрешающая использовать программное обеспечение при: строительстве, реконструкции, эксплуатации и консервации предприятий по добыче полезных ископаемых; геологических и геолого-разведочных работах; инженерно- строительных изысканиях, связанных с пользованием недрами; проведении инструментальных наблюдений за процессами сдвижения горных пород и земной поверхности, охраны зданий и сооружений от вредного влияния горных разработок; создании компьютерной графической маркшейдерской документации на нефтегазодобывающих, нефте- и газотранспортирующих предприятиях, а также на предприятиях по добыче калийных солей. лицензиялицензия

Практические занятия На практических занятиях планируется выполнить построение нескольких простых моделей: 1 - построение цифровой модели местности (ЦММ) для участка топографической карты. (пример)(пример) 2 - построение модели распределения полезного компонента на плане опробования. (пример)(пример) 3 – построение 3D модели рудного тела по результатам разведочного бурения. (пример)(пример) 4 – построение 3D модели горной выработки по результатам теодолитной съемки. 5 – построение 3D модели месторождения

Подборка литературы по ГИС Литература