§ 15. Геоинформационные системы и особенности моделирования земной поверхности

15.1. Основные понятия и организация гис

Развитие средств вычислительной техники совместно с достижениями в области космических технологий привели к буму в развитии картографии, связанному с появлением географических информационных систем (ГИС).

ГИС - программно-аппаратный комплекс, предназначенный для сбора, управления, анализа и отображения пространственно-распределенной информации.

Общие задачи ГИС, связанные с анализом и визуализацией данных:

1. Запрос и анализ. При наличии ГИС и географической информации можно получать ответы на простые вопросы типа «Кто владелец данного участка местности?», «На каком расстоянии друг от друга расположены точки земной поверхности?», «Где находится ближайший объект выбранного класса?» и более сложные запросы, требующие дополнительного анализа («Где есть места для строительства новых объектов?», «Как повлияет на транспортные потоки строительство новой железнодорожной магистрали?»).

Задача анализа предполагает применение процессов буферизации и наложения. Буферизация применяется при анализе взаимного расположения объектов друг относительно друга и позволяет ответить на вопросы типа: «Сколько железнодорожных переездов находится в радиусе 50 км от станции?», «Какова интенсивность движения на дороге на участке, находящемся в пределах 5 км от данной транспортной развязки?». Процесс наложения включает интеграцию данных, расположенных в разных тематических слоях. В простейшем случае это операция отображения, но при ряде аналитических операций данные из разных слоев объединяются физически. Наложение, или пространственное объединение, позволяет, например, интегрировать данные о почвах, уклоне, растительности и землевладении со ставками земельного налога.

2. Визуализация. Для многих типов пространственных операций конечным результатом является представление данных в виде карты или графика. Карта - это эффективный и информативный способ хранения, представления и передачи географической информации. ГИС предоставляет новые инструменты, расширяющие и развивающие искусство и научные основы картографии. С ее помощью визуализация самих карт может быть легко дополнена отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками и таблицами, фотографиями и другими средствами, в т.ч. мультимедийными.

3. Принятие обоснованных решений. ГИС - это средство, помогающее ускорить и повысить эффективность процедуры принятия решений, обеспечивающее ответы на запросы и функции анализа пространственных данных, представления результатов анализа в наглядном и удобном для восприятия виде. ГИС помогает, например, в решении таких задач, как предоставление разнообразной информации по запросам органов планирования, выбор оптимальных (с разных точек зрения и по разным критериям) мест для размещения объектов и т.д. Требуемая для принятия решений информация может быть представлена в лаконичной картографической форме с дополнительными текстовыми пояснениями, графиками и диаграммами.

4. Создание карт. Процесс создания карт в ГИС намного более прост и гибок, чем в традиционных методах ручного или автоматического картографирования. Он начинается с создания базы данных. На основе таких баз данных можно создавать карты (в электронном виде или как твердые копии) на любую территорию, любого масштаба, с нужной нагрузкой, с ее выделением и отображением требуемыми символами. В любое время база данных может пополняться новыми данными (например, из других баз данных), а имеющиеся в ней данные можно корректировать по мере необходимости.

На транспорте ГИС могут использоваться для решения трех групп задач:

• управление инфраструктурой и ее развитие;

• управление парком подвижных средств и логистика;

• управление движением.

В настоящее время на железнодорожном транспорте ГИС успешно применяются для управления недвижимым имуществом, управления объектами инфраструктуры (энергоснабжение, путевое хозяйство, сигнализация и связь), слежение за поездами и грузами, анализ грузопотоков, мониторинг и реагирование на чрезвычайные ситуации, информирование пассажиров, маркетинг, оценка рисков, планирование развития сети, распределение средств на ремонт и развитие и т.д.

Основным преимуществом ГИС является наиболее «естественное» (для человека) представление как собственно пространственной информации, так и любой другой информации, имеющей отношение к объектам, расположенным «в пространстве» (т.н. атрибутивной информации).

Пространственная информация в ГИС может быть представлена в растровом и векторном видах. Растр применяется в основном там, где пользователей не интересуют отдельные пространственные объекты, а интересует точка пространства как таковая с ее характеристиками (высотная отметка или глубина, влажность или тип почв, точка принадлежит дороге или находится вне ее и т.п.)

Векторные данные исторически используются в большинстве ГИС для представления информации, которая имеет объектную природу и нуждается в анализе и манипулировании. Наличие атрибутов позволяет интерпретировать информацию, например, как тип почв, гидрологическую сеть или жилые строения. Такая информация обычно хранится в сопутствующих базах данных.

Для большинства ГИС-программ требуется, чтобы данные были представлены в векторной модели, хотя в ряде систем допускается использование растра в качестве «подложки» или в качестве атрибута (иллюстрации), например, таким образом может быть использовано изображение или фотография здания. Многие ГИС используют растровую модель для представления информации о непрерывных полях (рельефе, температуре, давлении и т.п.).

Таким образом, в ГИС данные делятся на две категории:

• пространственные (местоположение);

• непространственные (атрибуты).

Пространственные данные включают географические объекты, представляемые точками, дугами и полигонами, которые хранятся в виде последовательности пар координат х,у.

Точки на карте моделируют точечные объекты окружающего мира: деревья, фонарные столбы и другие предметы, расположение которых описывается единственной точкой.

Дугами являются те реальные объекты, которые можно рассматривать как линии. Дуга состоит из отрезков линий и дуг окружностей. В реальном мире дуга может быть дорогой, рекой, ЛЭП или подземной коммуникацией, например, водопроводной и канализационной системой.

Полигоны - это замкнутые области, которые представляют однородные по некоторым критериям участки. Полигонами обозначают типы почв, избирательные округа, земельные участки или контуры зданий.

Однако, дополнительную информацию, касающуюся пространственных связей между объектами, человек интерпретирует мысленно. Например, по карте городских улиц он может найти необходимый ему маршрут или распознать два смежных земельных участка и улицу, на которой они расположены. Человек интерпретирует эти связи, распознавая связанные линии вдоль маршрута, определяя участки, ограниченные этими линиями, или определяя соседние участки.

На цифровых картах такие связи описываются с помощью топологии. Топология - это математическая дисциплина, занимающаяся определением пространственных связей. Применительно к картам, топология определяет связи между объектами, устанавливает соседство полигонов и представляет один объект, например участок, в виде набора других объектов (например, линий). При использовании топологии данные хранятся более эффективно. Поэтому обработка данных ускоряется, и становится возможным обрабатывать наборы данных больших размеров. При наличии топологических связей можно выполнять различные операции анализа, в частности, моделирование потоков посредством связывания линий в сеть, объединение смежных полигонов с одинаковыми характеристиками и наложение географических объектов. Основные топологические концепции ГИС, как правило, заключаются в следующем:

• дуги соединяются между собой в узлах (связность);

• дуги, ограничивающие фигуру, определяют полигон (определение фигуры, площадки);

• дуги имеют направление, а также левую и правую сторону (непрерывность).

По определению, внутренние точки (пары х,у), называемые вершинами (vertices), задают форму дуги. Конечные точки дуги называются узлами (nodes). Каждая дуга имеет два узла: начальный узел (from-node) и конечный узел (to-node). Дуги могут соединяться только в конечных точках.

Полигоны представляются последовательностями координат х,у, которые соединяются, образуя границу площадного объекта. Некоторые системы хранят полигоны в этом формате. Другие хранят дуги, определяющие полигон, а не замкнутые наборы пар координат х,у. Список дуг, образующих каждый полигон, в этом случае также хранится и при необходимости используется для создания полигона (например, при его рисовании). Хотя дуга может входить в списки дуг нескольких полигонов, все же каждая из них хранится только в одном месте. Такой способ хранения дуг уменьшает количество данных и исключает перекрывание границ соседних полигонов.

Картографические объекты логически организуются в наборы слоев или тем информации. Базовая карта может быть представлена слоями гидрографии, почв, скважин и административных границ. Кроме того, более мелкие территории, обычно соответствующие листам карты, часто могут комбинироваться в более крупные единицы или «исследуемые области».

Атрибутивные данные могут включать идентификатор объекта, любую описательную информацию, изображение и многое другое. Способы представления атрибутивной информации различны: это может быть числовое значение датчика, таблица из базы данных (как локальной, так и удаленной) о характеристиках объекта, его фотография или реальное видеоизображение.

ГИС - это не только и не столько информационные системы для географии, а информационные системы с географически организованной информацией. В простейшем варианте геоинформационные системы - это сочетание обычных баз данных (атрибутивной информации) с электронными картами. Основная идея ГИС - связь данных на карте и в обычной базе данных.

Но ГИС, как отмечалось выше, - это и аналитические средства для работы с любой координатно-привязанной информацией. В принципе, ГИС можно рассматривать как некое расширение концепции баз данных. В этом смысле ГИС фактически представляет собой новый уровень и способ интеграции и структурирования информации.

В окружающем нас мире большая часть информации относится к объектам, для которых важную роль играет их пространственное положение, форма и взаиморасположение. Поэтому ГИС во многих применениях значительно расширяют возможности обычных СУБД, как минимум предоставляя дополнительные удобства пользования и наглядность, картографический интерфейс для организации запроса к базе данных («Что это?») и средства генерации «картографического отчета» («Где это находится?»). Но ГИС придает обычным СУБД и новую функциональность, использующую пространственные взаимоотношения между объектами («Что рядом?», «Какой путь короче?», «С какими объектами связан или граничит данный объект?», «Какие объекты пересекаются (накладываются), и в какой мере?»).

Связывание объектов и атрибутов. В связывании графических (пространственных) и табличных (описательных) данных заключается преимущество ГИС. Существует три заслуживающие особого внимания характеристики этой связи:

• однозначность («один-к-одному») связи между объектами карты и записями в таблице атрибутов объектов;

• связь между объектом и записью поддерживается с помощью уникального идентификатора, присваиваемого каждому объекту. Для полигонов идентификатор присваивается идентификационной точке;

• уникальный идентификатор физически хранится в двух местах: в файлах, содержащих пары координат х,у, и в соответствующей записи в таблице атрибутов объектов.

Таким образом, номер объекта связывает его атрибуты с координатами, поддерживая связь типа «один-к-одному» между записями координат и атрибутов. После того, как такая связь установлена, можно обращаться к карте для получения атрибутивной информации об объектах или создавать карту на основе атрибутов, хранящихся в таблице атрибутов объектов.

ГИС предлагает новый путь развития картографии. Преодолеваются основные недостатки обычных карт - их статичность и ограниченная емкость как носителя информации. В последние десятилетия бумажные карты из-за перегруженности информацией становятся нечитабельными. ГИС же обеспечивает управление визуализацией информации. Появляется возможность выводить (на экран, на твердую копию) только те объекты или их множества, которые интересуют нас в данный момент. Фактически осуществляется переход от сложных комплексных карт к серии взаимоувязанных частных карт. При этом улучшается структурированность информации, а, следовательно, повышается эффективность ее обработки и анализа.

В ГИС карта становится действительно динамическим объектом в смысле:

• изменяемости масштаба;

• преобразования картографических проекций;

• варьирования объектным составом карты (что выводится);

• возможности "опрашивать" через карту в режиме реального времени многочисленные базы данных;

• изменения способа отображения объектов (цвет, тип линии, символ и т.п.) в зависимости от содержимого баз данных;

• легкости внесения любых изменений.