Зацерковний В.І. та ін. ГІС та бази даних

Геоінформатика як виробництво включає розробку апаратних і ПЗ ГІС, створення баз даних, цифрових карт, додатків. Зазначені підходи представлені в табл. 3.1.

Незважаючи на різні цілі геоінформаційного опрацювання даних, різну якість вихідних матеріалів і різних технологій їх обробки, ГІС повинні забезпечити:

–єдину систему збору й введення геопросторових даних взятих із різних джерел;

–створення, ведення, збереження баз даних на основі відомостей (зведень), що надходять до підсистеми введення;

–генерування нової похідної інформації на основі аналізу, моделювання та синтезу наявних даних;

–підготовку та видачу просторових рішень із використанням сучасних ГІТ.

3.2. Структура ГІС

Під структурою ГІС розуміють сукупність її властивостей, які є істотними, з точки зору здійснюваного дослідження, і які мають інваріантність12 в інтервалі функціонування.

Структура ГІС визначається складом елементів, їх кількістю, розташуванням і взаємозв’язками при виконанні нею функцій. Структуру типових ГІС можна представити у вигляді основних функціональних підсистем (рис. 3.1).

Кожна з підсистем виконує певні функції, і відсутність хоча б однієї з них свідчить про неповноцінність ГІС.

Рис. 3.1. Функціональні блоки ГІС

12Інваріанти (від лат. invarians – незмінний) – величини, співвідношення, властивості тощо, які залишаються сталими.

122

3.2.1. Підсистема введення, підготовки та попередньої обробки інформації

Перед тим, як використовувати структури даних, моделі та ГІС, необхідно перетворити існуючу реальність даних у форму, зрозумілу комп’ютеру. Методи, за допомогою яких буде виконуватись уведення даних, залежать від наявного обладнання і від типу використовуваної ГІС.

По-перше, підсистема введення проектується для перенесення графічних та атрибутивних даних у комп’ютер.

По-друге, вона повинна відповідати хоча б одному з двох фундаментальних методів подання графічних об’єктів – растровому або векторному.

По-третє, вона повинна мати зв’язок із системою збереження й редагування, щоб гарантувати збереження та можливість вибірки того, що буде введено, надавати можливість видалення похибок і внесення змін у разі необхідності.

Основна функціональна задача цієї підсистеми – створення цілісного інформаційного цифрового образу досліджуваного об’єкта (процесу, явища) на основі перетворення географічної інформації в цифровий вид і введення її в комп’ютер.

Джерелами даних можуть бути (рис. 3.1) дані дистанційних досліджень Землі, паперові і цифрові картографічні дані, дані польових тощо.

Значні потенційні можливості для збору даних для ГІС надає GPS (Global Positioning System) – технологія, що створена на основі космічних систем глобальної навігації NAVSTAR (США), Gallileo (ЄС) і ГЛОНАСС (Росія). Ця технологія призначена для збору високоточної цифрової інформації про місцевість, фактичні топографічні дані (географічні координати та позначки висоти рельєфу в певній точці місцевості), при цьому точність вимірів досягає декількох сантиметрів.

Підсистема введення, підготовки та попередньої обробки даних призначена для збору і попередньої обробки даних із різних джерел і відповідає за перетворення різних типів просторових даних (наприклад, від ізоліній топографічної карти до моделі рельєфу ГІС) у цифровий формат.

Задачі підсистеми введення, підготовки та попередньої обробки даних представлені на рис. 3.2.

За оцінками спеціалістів у галузі ГІТ [22], витрати на збір і введення даних при реалізації геоінформаційних проектів у 5–10 разів перевищують витрати на апаратно-програмне забезпечення ГІС. Це пояснюється тим, що існуючі наразі технології автоматизованого введення графічних і текстових даних забезпечують введення не більше 20 % від загального об’єму даних. Тому для ГІС особливе значення має подальший розвиток автоматизованих методів збору та введення всіх типів даних.

123

Задачі підсистеми введення, підготовки та попередньої обробки даних

Рис. 3.2. Задачі підсистеми введення, підготовки та попередньої обробки даних

Для забезпечення можливості імпорту цифрових даних від різних джерел, підсистема введення, підготовки та попередньої обробки інформації ГІС повинна мати програмні засоби розробки інтерфейсів для введення даних різних форматів.

Створення норм зі стандартизації й уніфікації форматів даних, цифрових моделей місцевості, картографічних документів, інтерфейсів має вирішальне значення для успішної реалізації підсистеми збору даних ГІС.

Рис. 3.3. Пристрої введення даних у ГІС

Методи введення можуть бути різними (рис. 3.3):

1) за допомогою клавіатури (миші) комп’ютера (ручне введення).

Використовується, в основному, для введення атрибутивних даних, іноді

124

для введення позиційних даних. Крім того, може застосовуватись при операціях ручного цифрування та як окрема операція;

2)за допомогою геодезичних приладів при здійсненні польових вимірів. Має надзвичайно високий рівень точності проте є одним з найдорожчих методів. Найбільше поширення цей метод отримав для введення даних земельного кадастру;

3)за допомогою дігітайзера при ручному цифруванні. Найбільш поширений метод введення просторових даних із карт. Ефективність методу визначається ПЗ і вмінням та досвідом оператора. Потребує багато часу, допускає багато похибок;

4)за допомогою сканера при скануванні картографічних зображень і знімків дистанційного зондування території. Мінімальний фрагмент карти, який можна відсканувати, не перевищує 0,02 мм. Крім того, знімок, зазвичай, потребує обробки й редагування для покращання якості та маркування для забезпечення взаємозв’язку з атрибутами;

5)за допомогою введення цифрових файлів. Придбання та вико-

ристання існуючих цифрових наборів даних є найбільш ефективним й швидким способом наповнення бази даних ГІС.

Використання комп’ютера та інших електронних пристроїв, наприклад, дігітайзера або сканера, дозволяє здійснювати підготовку вихідних даних для запису та їх кодування для подальшого використання.

Введення даних – процедура кодування даних у форму, яку може прочитати комп’ютер і здійснити їх запис до бази даних ГІС.

Введення даних у ГІС передбачає виконання таких кроків:

•збір даних;

•редагування та "очищення" даних;

•геокодування даних.

Примітка. При подальшому викладенні матеріалу, будемо розглядати традиційну систему організації даних: роздільне подання позиційної (графічної) й атрибутивної (аналітичної, семантичної) інформації та зв’язків між просторовими об’єктами.

Створення цифрової бази даних – найважливіша і найскладніша задача, від якої безпосередньо залежить корисність ГІС. Процес уведення даних у ГІС передбачає три етапи:

–введення просторових даних (цифрування або дігіталізація);

–введення непросторових (атрибутивних) даних;

–встановлення зв’язку між просторовими та непросторовими даними. Два останніх етапи іноді називають попередньою обробкою даних.

Упроцесі такої обробки нагромаджується новий клас даних – метадані (дані про дані). Метадані зазвичай містять інформацію про дату одержання, точність позиціонування, точність класифікації, ступінь повноти, метод, який використовується для одержання та кодування даних.

125

Основними вимогами до підсистеми введення та перетворення даних є такі:

–по-перше, підсистема введення повинна бути спроектована таким чином, щоб забезпечити можливість перенесення графічних й атрибутивних даних у базу даних ГІС;

–по-друге, підсистема введення повинна відповідати хоча б одному

здвох фундаментальних методів подання графічних об’єктів – растровому або векторному;

–по-третє, підсистема введення повинна мати зв’язки з системою збереження й редагування, для гарантування збереження та можливості вибірки того, що буде введено, надавати можливість усунення похибок і внесення за необхідності змін.

Підсистема введення та перетворення даних є вхідним технологічним модулем для ГІТ. На його виході формується набір цифрових даних, який розміщується на машинних (комп’ютерних) носіях інформації і має коректну топологічну й логічну структуру з необхідною точністю та достовірністю.

Перед введенням даних спочатку необхідно визначити, яка ж модель подання даних (векторна або растрова) буде використовуватись, а також чи буде здатна наявна ГІС конвертувати ці типи даних з одного виду в інший. Деякі програми працюють головним чином на растрових структурах даних, тоді як інші оперують векторною інформацією. При виборі тієї чи іншої технології (способу) введення, необхідно:

–проаналізувати характер даних, які підлягають обробці;

–визначити мету введення;

–оцінити вартість програмного продукту;

–прорахувати трудові витрати;

–порахувати потрібну кількість матеріалів тощо.

Правильна підготовка вихідних даних може скоротити витрати й час, необхідні для етапу введення даних до ГІС.

Вхідна інформація для ГІС може отримуватись:

•у польових умовах геодезичними (польовими) методами;

•за допомогою системи глобального супутникового позиціонування.

При русі по орбіті супутник GPS, Gallileo або ГЛОНАСС випромінює

сигнал певної частоти, номінал якої відомий користувачу. Положення штучного супутника Землі (ШСЗ) у кожний момент часу можна вважати також відомим, тому що його можна обчислити на підставі сигналу супутника. Користувач, вимірюючи частоту сигналу, що надійшов, порівнює її з еталонною частотою, обчислюючи таким чином зсув частоти, яка зумовлена рухом супутника. Використовуючи залежність стрімкості кривої частоти від відстані між користувачем і ШСЗ та вимірявши момент часу, можна обчислити координати місця розташування об’єкта;

126

•фотограмметричними методами (використання технології отри-

мання й обробки різних фотознімків; космічне знімання зі штучних супутників Землі; аерофотознімання; знімання з малих носіїв (гелікоптери, авіамоделі); наземне знімання (фототеодоліти, фотокамери), які передбачають застосування попередніх процедур фотограмметричної обробки);

•методами дистанційного зондування (системами з традиційною фотографічною реєстрацією; системами сканування в реальному часі, які передають інформацію на Землю по каналах зв’язку; радіолокаційними (радарними), знімальними системами (опромінення об’єкта активною станцією

йфіксація відбиття випромінювання); системою отримання інфрачервоних (теплових) знімків (фіксуваннявипромінювання в тепловому діапазоні));

•цифруванням паперових карт. Застосування картографічних матеріалів як вихідних даних для формування баз даних зручне й ефективне за низкою причин. По-перше, атрибутивні характеристики, отримані з картографічних джерел, мають територіальну прив’язку; по-друге, в них відсутні пропуски, "білі плями" в межах зображуваного простору (території, акваторії тощо); по-третє, на сьогодні користувачам доступна велика кількість технологій переведення цих матеріалів у цифрову форму;

•з інших ГІС, архівів (каталогів координат) тощо. Джерелами да-

них можуть бути існуючі цифрові карти, цифрові моделі рельєфу, цифрові ортофотознімки тощо.

Інформацією про якість даних можуть слугувати:

– дата отримання;

– точність позиціонування;

– точність класифікації;

– повнота;

– метод, що використовувався для отримання й кодування даних. Для реалізації функції прийому та попередньої обробки даних апа-

ратно-програмні засоби ГІС повинні забезпечити введення та сприйняття даних з різних пристроїв.

Не існує будь-якого одного універсального способу введення даних у ГІС. Вибір методу введення залежить від подальшого використання системи, наявних засобів й типу даних, що вводяться (карти, ДДЗ, дані з наземних пунктів спостереження, статистична інформація тощо), а також структури використання бази даних.

Процес перетворення даних з паперових карт у комп’ютерні файли називається цифруванням.

Проблеми цифрування карт. Кількість похибок у базі даних ГІС безпосередньо пов’язана з рівнем похибок вихідних карт, оскільки карти не завжди адекватно відображають інформацію і не завжди точно передають координатні дані просторових об’єктів. Похибки цифрування представлені на рис. 3.4.

127

Рис. 3.4. Похибки цифрування картографічних зображень

Програмні засоби попередньої обробки даних повинні забезпечувати:

–можливість здійснення векторизації вихідних графічних даних;

–редагування векторизованих даних;

–фільтрацію й стиснення вихідної інформації;

–конвертування даних у необхідні формати.

Підсумовуючи вищенаведене, слід зазначити, що основним функціональним завданням підсистеми введення, підготовки та попередньої обробки інформації є створення цілісного інформаційного цифрового образу досліджуваного об’єкта або явища в просторових межах, тобто формування баз просторових і атрибутивних даних ГІС.

3.2.2. Підсистема збереження, оновлення й керування базами даних

Підсистема збереження, оновлення й керування базами даних призначена для організації просторових даних з метою їх вибірки (обслуговування запитів на інформаційний пошук, які надходять у систему), відновлення та редагування.

Ядром ГІС є база даних, під якою розуміють поіменовану сукупність даних, які відбивають стан об’єкта, його властивості та взаємовідношення з іншими об’єктами, а також комплекс технічних і програмних засобів для ведення цих баз даних.

Підсистема збереження, оновлення й керування базами даних, повністю відповідає уявленням про функції комп’ютера як ефективного засобу для збереження й обробки інформації.

128

Формати даних, що зберігаються в ГІС, представлені на рис. 3.5.

Формати даних,що зберігаютьсяв ГІС

Рис. 3.5. Формати даних, що зберігаються в ГІС

Формування структури ГІС починається з формування баз даних, які ґрунтуються на територіальній (географічній) прив’язці даних.

Для роботи з файлами баз даних необхідна система керування базою даних (СКБД) – один з основних компонентів ГІС, який значною мірою визначає ефективність роботи ГІС. СКБД ГІС здійснює автоматичний пошук у базі даних інформації, необхідної для обробки користувацьких запитів. Можливості СКБД, а також структура бази даних і обсяг інформації, що міститься в ній, фактично визначають рівень складності користувацьких запитів, які система може обробити.

Підсистема зберігає явно або неявно координати просторових (точових, лінійних і площинних) об’єктів і пов’язані з ними описові характеристики (атрибути) та дозволяє створювати запити, які надають користувачеві тільки потрібну, конкретну, контекстнопов’язану інформацію. Підсистема акцентує увагу не на загальній інтерпретації інформації, а на формулюванні адекватних запитів.

Для збереження геометричних (графічних) даних дуже важливою характеристикою ПЗ є набір моделей, які підтримують подання цих даних. Моделі подання метричних даних визначають потенційну можливість і характер операцій просторової обробки інформації в ГІС.

У невеликих проектах просторова інформація може зберігатись у вигляді звичайних файлів. Однак при збільшенні об’єму інформації та кількості користувачів для збереження, структурування й управління даними доцільно використовувати СКБД, серед яких виділяються ієрар-

хічні, мережеві, реляційні та об’єктно-орієнтовані моделі. Серед зазна-

чених моделей, реляційна залишається найбільш поширеною в структурі інструментальних засобів ГІС.

Підсистема збереження, оновлення й керування базами даних – це друга за важливістю складова, яка визначає ефективність роботи ГІС.

129

СКБД ГІС здійснює автоматичний пошук у БД інформації, необхідної для обробки запитів користувачів. Можливості СКБД, а також структура БД і об’єм інформації, що міститься в ній, фактично визначає рівень складності запитів користувачів, які система спроможна опрацьовувати.

Різна природа просторових (графічних) і атрибутивних (семантичних) даних визначає проблему керування цими даними.

У сучасних ГІС розв’язок цієї проблеми здійснюється різним чином, маючи свої переваги та недоліки.

Більшість сучасних ГІС мають дві окремі СКБД (для просторових і семантичних даних). При цьому як СКБД семантичних даних використовується одна з найбільш поширених СКБД реляційного типу (MS Access, Oracle, Ingres, FoxBase, FoxPro, PARADOX тощо). При цьому СКБД семантичних даних повинна мати інтерфейс зі СКБД графічних (картографічних) даних, яка повинна забезпечити:

–збереження і маніпулювання точковими, лінійними і площинними графічними об’єктами;

–багаторівневе (пошарове) подання просторових даних;

–довільну вибірку та відображення будь-яких фрагментів графічних зображень.

Такий підхід має низку недоліків:

• необхідність призначення топологічних зв’язків між просторовими об’єктами та їх атрибутивним описом;

130