Геоинформационная система "Компас-2" и возможности её использования для ведения природных ...

Проблемная ориентация ГИС. Важное свойство ГИС как модели геосистемы (реальности) - ее содержательное соответствие решаемой проблеме, т.е. научно обоснованное отображение главных особенностей действительности с учетом генезиса, внутренней и внешней структуры, иерархии объектов. Выполняя роль и научно-справочной системы, ГИС является сводом и обобщением научных знаний об отображенных в ее тематической базе данных природных и социально-экономических явлениях, предназначенным для глубокого изучения их особенностей с целью научного исследования и различной практической деятельности. Поэтому проблемы, решаемые ГИС, в конечном счете, сводятся к набору географических задач, различающихся по цели и методам решения. Основные прикладные области ГИС - инвентаризация и слежение за состоянием природной среды, городское планирование и управление, земельные ресурсы и кадастр.

При решении инвентаризационных задач ГИС-технологий позволяют максимально эффективно использовать разные источники информации: полевые обследования, оперативная аэрокосмическая съемка, карты.

Решение различного рода оценочных задач с использованием ГИС-технологий также становится более эффективным. Например, в задачах экологической оценки территории совмещают территориально привязанные атрибутивные параметры (табличные данные, данные выборочных полевых обследований) антропогенного воздействия или его интенсивности. Примером таких задач служат оценка качества сельскохозяйственных земель на основе совмещения карт ландшафтов и использования земель и реализации алгоритма балльной оценки компонентов ландшафта.

В основе решения динамических задач, трактуемых как изучение и картографирование изменений в природе, природопользовании и антропогенном воздействии на природу, лежит сопоставление разновременных материалов: полученных в разные годы результатов аэрокосмических съемок, карт, фиксирующих состояние исследуемого объекта на разные даты, либо разновременных картографических и съемочных материалов. Поскольку при этом используются разнообразные материалы, необходимым этапом является приведение их к геометрически сопоставимому виду - единому масштабу и проекции, т.е. взаимное трансформирование, что составляет важный элемент ГИС-технологии. После геометрического совмещения выполняется тематическое совмещение материалов. Для выявления изменений границ или замещения 2-3 объектов применяют, как правило, технологии, носящие названия "оверлей" и "рекласс". При исследовании изменений большого числа объектов, нескольких временных срезов, эволюции исследуемых объектов их различия представляют обычно в виде матрицы - "матрицы динамики".

Основа решения прогнозных задач - выявление тенденций и темпов динамики процессов, поэтому на первый план выходят ГИС-технологии моделирования, и в первую очередь математико-картографического моделирования. Ряд параметров моделей функционирования геосистем, пространственно-временная изменчивость природных и антропогенных объектов могут быть определены по снимкам.

Эффективность моделирования связана с необходимостью создания банков данных наземной, картографической и аэрокосмической информации, с автоматизированными методами интерпретации и отображения информации. В этих задачах наиболее полно проявляется интеграция методов географии, картографии, аэрокосмического зондирования и геоинформатики.

2.6.География и ГИС

Проникновение ГИС в практику научных географических исследова­ний началось с самого начала их развития в зарубежных странах. География посвящена изучению мира и места человека в нем и имеет длительные традиции пространственного анализа, обеспечивает методы для проведения такого анализа, предлагает пространственный взгляд на любое исследование. Общеизвестно, что географическая информация (география) доминирует в 70% объема циркулирующей информации. В отличие от других типов средств обработки информации, ГИС отражает концепцию геопространства, так как базируется на информации, привязанной к пространственным координатам и позволяет представить ее в графическом виде для интерпретации и принятия решений по управлению.

Бытует мнение, что широкое распространение ГИС и опыт их эксплуатации в различных сферах деятельности существенно упрощают задачи географии, сводя их к заимствованию, усвоению и воспроизведению накопленного опыта - задаче сугубо технической. В действительности совокупности географической (или потенциально географической) ин­формации системы не образуют.

Географическое разнообразие реального мира бесконечно сложно, но в то же время оно может быть представлено в виде отдельных элементов или объектов. Преимущество ГИС состоит в том, что она позволяет рассматривать объекты в их географическом окружении и исследовать взаимосвязи между объектами, а изучение взаимосвязей и взаимозависимостей - основа географического моделирования. Возможности ГИС для быстрого и точного совмещения различных срезов информации становятся действенным инструментом ее анализа. Значение ГИС для географии определил А. М. Берлянт: "Развитие ГИС дает современной географии уникальный и может быть единственный за всю ее историю шанс действительно стать основой передовых технологий в науках о Земле, концептуальной базой, на которую может опереться геоинформационная индустрия, одним из стержневых направлений информатизации общества на всех уровнях, начиная со школ".

2.7.ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ И ЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ В БАЗАХ ДАННЫХ ГИС

Географические данные принадлежат к различным типам: изображения (снимки, карты, рисунки), тексты, координаты, сложные объекты. Набор необходимой географической информации, представление данных в ГИС и их отображение определяются тематикой решаемых задач, составляемых карт, источниками пространственно определенной информации, используемыми техническими и программными средствами перевода данных в цифровую форму, их хранения и картографической визуализации. Рассмотрим принципы построения информационного обеспечения ГИС.

2.7.1.Источники пространственных данных

Совокупность цифровых данных о пространственных объектах образует множество пространственных данных и составляет содержание баз географических данных. Данные, необходимые для создания информационного обеспечения ГИС и входящие в БД, можно подразделить на две группы - первичные и вторичные.

Первичные данные - это данные, которые измерены непосредственно, например, путем выборочного обследования в полевых условиях или путем дистанционного зондирования. При этом "плотность" обследования определяет так называемое разрешение данных. Например, если пространственная выборка осуществляется через 1 км, останутся незафиксированными изменения, размер которых меньше 1 км, хотя выборка должна отражать характеристики, свойственные всем точкам территории. Разрешение данных, получаемых путем дистанционного зондирования, определяется автоматически и зависит от технических характеристик съемки.

К стандартным методам выборочного обследования относятся случайные, систематические (ключевые) и расслоенные (районированные) выборки.

При случайной выборке могут быть с одинаковой вероятностью выб­раны любые точки или любые моменты времени, а при систематической выборке придерживаются определенных правил (например, через 1 км), которые, однако, не должны оказывать влияния на результат анализа. При расслоенной выборке эксперт заранее исходит из того, что имеющаяся совокупность состоит из различных подмножеств, проводя выборку по каждому из них, чтобы добиться адекватного отражения всех их параметров. Например, если известно, что на части территории рельеф более расчлененный, она обследуется с большей плотностью, что позволяет дать более точное представление о характере рельефа. Если необходима репрезентативная выборка всей совокупности, то выборки по каждому подмножеству включаются в нее с соответствующими весами.

Вторичные данные получают из уже имеющихся карт, таблиц или других баз данных.

Как и карты, различают данные:

о природных ресурсах и окружающей среде;

экономические и социально-экономические;

географической привязки.

Данные о природных ресурсах и окружающей среде можно подразделить на тематические и топографические.

Большую часть тематических данных получают по тематическим кар­там, а также аэро- и космическим снимкам. Дешифрирование снимков позволяет создать множество типов тематических карт (а также слоев БД ГИС), например, карт растительности, почвенного покрова, сельско­хозяйственных культур, использования земель. Другими источниками таких данных служат, например, метео и экологические наблюдения, мониторинг, лабораторные исследования и т.п.

Источником топографических данных служат топографические съем­ки и карты. Данные этого типа имеются и в цифровой форме, например, Роскартографией созданы цифровые карты 1:1 000 000 и 1:200 000 масштабов для всей территории России и выборочно - более крупных масштабов.

Данные о природных ресурсах относительно стабильны и не нужда­ются в частом обновлении в БД; пространственное разрешение может быть не очень большим.

Экономические и социально-экономические данные. К ним относятся данные о взаимодействии природы и общества, населении, деятельности населения, а также о пространстве и/или структурах, используемых для осуществления этой деятельности. Данные могут быть обобщены по временным интервалам или по социально-экономическим показателям.

Источниками социально-экономических данных служат в основном государственная статистика и административная отчетность (надежные данные, но, как правило, они конфиденциальны, доступ к ним ограничен) и тематические карты. Ведомственная информация может поставляться в цифровой форме на коммерческой основе, однако она часто имеет особый географический охват или специфическое обобщение.

Социально-экономические данные малопригодны для баз данных ГИС, если отсутствует достоверная информация об их пространственном размещении. Пространственная привязка информации позволяет обобщать данные по географическому принципу, например, переходить от данных по отдельным городам к данным о регионе. Социально-экономические данные быстро меняются и устаревают.

Еще один тип данных, появившийся вследствие развития ГИС - это данные географической привязки - географические материалы, пред­ставленные в виде базовых карт территориальных единиц и атласов, а также цифровые материалы - файлы границ, данные многоцелевого кадастра, координатные данные, получаемые системами спутникового по­зиционирования.

Вместе с данными нужно получать и так называемые метаданные. Метаданные должны содержать информацию о проекции, географической основе и базовой карте, уровне генерализации, цензе и норме отбора объектов картографирования, дизайне, данные о времени создания или переиздания карты и давать дополнительную информацию о процедурах сбора и компиляции данных, системах кодирования и точности приборов. В метаданных необходимо указывать все примененные способы преобразования данных и их точности. Наличие метаданных позволяет пользователю получить представление о достоверности информации, а их отсутствие часто ведет к неправильной трактовке и ложным представлениям отечности самих данных.

Широкие возможности для получения данных открывают компью­терные сети. В сети Internet: в настоящее время распространяются элек­тронные карты и атласы (туристические, тематические карты и атласы, созданные для презентаций), отсканированные печатные карты и снимки, мультимедийные изображения, динамические карты, например, си­ноптические.

Снимки и карты могут довводиться в ГИС по мере надобности. В силу ограниченности технических ресурсов данные могут храниться как в цифровом, так и не цифровом виде (традиционные карты, снимки).

Общее представление об информационной обеспеченности территории должна давать информационно-поисковая система, которую целесообразно включить в структуру ГИС.

Анализ общего состава данных - геокодированной информации, необходимого для создания функционирующей ГИС, показывает, что для его определения необходимо ответить на ряд вопросов:

имеется ли возможность сбора, хранения и обновления географической информации?;

каковы ожидаемые объемы данных и каковы их форматы?;

какой объем данных необходимо преобразовать в цифровую форму, сколько времени это замет и сколько будет стоить?;

каковы качество данных, надежность информации?;

какого рода затруднения могут возникнуть при обработке информации?

2.7.2.Проектирование географических баз и банков данных

Выявление географических объектов и явлений и последующий выбор адекватного представления данных о них являются составной частью процесса, именуемого проектированием базы данных.

В ГИС пользователь рассматривает реальный мир через призму те­матической базы данных. Измерения и выборки, содержащиеся в базе данных, должны как можно полнее и точнее соответствовать предмету исследования и его основным характеристикам. Представление данных должно учитывать типы их возможных преобразований. К созданию БД ГИС предъявляются высокие требования, связанные с пространственной формой организации и представления данных.

Требования к базе данных. База данных должна быть:

согласованной по времени - хранящиеся в ней количественные данные должны соответствовать определенному времени, быть актуальными;

полной, достаточно подробной для предполагаемого создания ГИС или картографического произведения; категории данных и их подразделения должны включать все необходимые сведения для осуществления анализа или математико-картографического моделирования исследуемого объекта или явления;

позиционно точной, абсолютно совместимой с другими данными, ко­торые могут добавляться в нее;

достоверной, правильно отражающей характер явлений, для этого необходимо четко определить включенные в нее атрибуты явлений;

легко обновляемой;

доступной для любых пользователей.

Проектирование базы данных. В процессе проектирования БД обычно выделяют три основных уровня: концептуальный, логический и физический.

Концептуальный уровень не зависит от имеющихся аппаратных и программных средств. Для БД ГИС он связан с концептуальной моделью географических данных и включает: описание и определение рассматриваемых объектов; установление способа представления географических объектов в базе данных; выбор базовых типов пространственных объектов - точки, линии, ареалы, ячейки растра; решение вопроса о способе представления размерности и взаимосвязей реального мира в БД (например, следует ли показать здание ареалом или точкой).

Логический уровень определяется имеющимися программными средствами и практически не зависит от технического обеспечения. Он включает разработку логической структуры элементов базы данных в соответствии с системой управления базами данных (СУБД), используемой в программном обеспечении. СУБД представляет собой три взаимосвязанные компоненты: командный язык для выполнения требуемых операций с данными (ввод, вывод, модификация), интерпретирующую систему (или компилятор) для обработки команд и перевода их на язык машины, интерфейс пользователя для формирования запросов к БД (выборки нужных данных).

Наиболее распространенными логическими структурами - моделями БД и их СУБД - являются иерархическая, сетевая, реляционная.

2.7.3.Позиционная и семантическая составляющие данных

Пространственные данные традиционно подразделяются на две взаимосвязанные составляющие - позиционные и непозиционные данные.

Позиционная информация описывает положение географических объектов (или пространственную форму) в координатах двух- и трехмерного пространства - декартовых (x,y,z) или географических.

К непозиционной информации относятся качественная характеристика пространственных объектов (семантика) и статистика; эта информация называется атрибутивной и представляется в виде текстовых или числовых параметров. Она соответствует тематической форме данных или кодированному представлению взаимосвязей объектов (топологии). Почти всегда тип объекта маркируется и опознается по его атрибутивным параметрам (дорога имеет название и идентифицируется по ее классу - грунтовая, шоссе). Обычно атрибутивная информация не имеет пространственного характера, хотя некоторая ее часть может иметь связь с пространственной природой изучаемого объекта; например, площадь, периметр.

В качестве атрибутивной информации часто выступает время (вре­менная форма), которая может отражаться несколькими способами: указанием временного периода существования объектов, соотнесением информации с определенными моментами времени, указанием скорости движения объектов.

Количественные атрибуты создаются в соответствии с номинальными, порядковыми, интервальными или пропорциональными шкалами измерений. Важно знать, какие шкалы измерений использованы для данных, поскольку это определяет характер возможных математических операций с ними.

Кратко составляющие пространственных данных называют геометрией и атрибутами.

2.7.4.Представление точечных, линейных и площадных объектов в базе данных и на цифровой карте

В БД ГИС картографические источники и итоговые карты представля­ются в виде цифровых карт, каждая из которых является "цифровой моделью карты, созданной путем цифрования картографических источников, фотограмметрической обработки данных дистанционного зондирования, цифровой регистрации данных полевых съемок". Отличие таких карт от традиционных изображений состоит в том, что она, как и БД, недоступна непосредственному восприятию человеком как карта. Поэтому важно знать, как географические объекты представляются в БД и на цифровой карте.

Любая БД состоит из цифровых представлений дискретных объектов. Содержание карты можно хранить в БД в виде цифровой карты, превратив объекты карты в объекты базы данных. Правда, всегда нужно помнить, что многое из показанного на картах умозрительно и не существует в реальном мире: горизонталей в природе не существует, а вот дома и озера - это реальные объекты.

Итак, географические объекты, моделируемые с помощью карты или ГИС, имеют три формы представления:

объект в действительности;

объект, представленный в базе данных (некоторые авторы вводят для таких объектов наименование предмет);

знак, который используется для показа объекта (предмета) на карте или на другом графическом изображении.

Мы будем во всех случаях использовать наименование "объект", поскольку о чем идет речь обычно понятно из контекста.

Предназначенный для отражения в БД или цифровой карте объект - это явление действительности, последнее в ряду подразделения однотипных явлений при выборе "элементарных кирпичиков" для информационного моделирования; например, город можно считать объектом, при его подразделении составные части уже не будут городами, они будут районами, кварталами и т. п.

Объект в БД - это цифровое представление всего реального объекта или его части. Способ цифрового представления объекта зависит от назначения ГИС, масштаба исследования, его задач и других факторов, например, географически город может быть представлен в виде точки, если рассматриваемая территория имеет масштабы материка; если речь идет о базе географических данных области, тот же город может быть представлен ареалом.

Сходные явления, информация о которых хранится в базе данных, определяются как типы объектов - любая группа сходных явлений, которые должны иметь одинаковую форму хранения и представления, например, дороги, реки, высоты, растительность; тем самым обеспечивается основа для формирования общего атрибута явлений. Каждый тип объектов должен быть точно определен, это помогает выявить перекрывающиеся категории данных, вносит ясность в содержание базы данных.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9