Понятие геоинформатики.

В современном обществе, чем большее количество информации имеется в Вашем распоряжении, тем проще будет принять обоснованные решения и эффективные действия

Методы получения информации приобретают все более индустриальный характер. Объемы требуемой и собираемой информации колоссально возрастают, и, естественно, требуют для обеспечения своего рационального использования привлечения современных, базирующихся на компьютерных технологиях средств как для ее обработки и анализа, так и для организованного хранения, поиска нужной информации и другого манипулирования ею. В противном случае было бы неизбежно наступление информационного кризиса, связанного с утерей способности эффективно использовать имеющуюся информацию.

Совокупность этих средств и методов обращения с информацией, называется информационными технологиями и является предметом рассмотрения информатики (общей информатики).

Программные и технические средства, реализующие информационные технологии на практике, очень многообразны. Те из них, которые предназначены для обеспечения доступа к информационным ресурсам - ввода информации, хранения ее, модификации, осуществления поиска необходимой информации и ее представления в нужном виде, называются информационными системами (информационно-поисковыми системами, ИПС).

Современные информационные системы, как правило, являются цифровыми, то есть, основаны на использовании компьютерной техники, и информация в них находится в цифровом виде. Информационные системы, как правило, создаются с использованием специального программного обеспечения, называемого системами управления базами данных (СУБД), а сами упорядоченные массивы данных, организованные с помощью СУБД, называются базами данных.

Существуют специализированные пространственные информационные системы для работы с информацией об объектах и явлениях, которые имеют привязку к определенной позиции в пространстве, с информацией о тех объектах и явлениях, для которых важную роль играет их положение, форма, размеры, взаиморасположение по отношению к другим объектам и явлениям. Такие системы относятся к классу геоинформационных систем. Термин "пространственный", который мы употребили выше, имеет в данном контексте, достаточно, общий смысл. Важно, что объекты привязаны к некоторой координатной системе, возможно, местной и условной, и этот факт признается существенным и используется системой при организации данных и их использовании.

Специфический отдел информатики, имеющий дело с такой пространственно привязанной информацией, называется геоинформатикой. Соответственно выделяются и геоинформационные технологии, как совокупность методов и приемов для манипулирования пространственными данными, их представления и анализа. Как общая информатика имеет дело с общими свойствами информации и универсальными ее свойствами, а не со специфическими для конкретной предметной области, так и общая геоинформатика имеет дело с общими свойствами пространственной информации, независимо от конкретного ее содержания. И как для общей информатики существуют развивающиеся на ее пересечениях с конкретными предметными областями и научными дисциплинами ее специфические ветви, так и для геоинформатики также можно говорить о существовании или возможном появлении таких специфических ветвей - геологическая геоинформатика, геоинформатика в археологии, геоинформатика на железнодорожном транспорте.

В настоящее время геоинформационные системы используют:

Естественные науки и производство для учета минеральных, лесных, водных ресурсов, потребностей представителей флоры и фауны;

Медицина для анализа здоровья населения;

Бизнес – для маркетинга товаров, анализа различных потребностей населения;

Полиция и службы экстренного реагирования для анализа криминальных ситуаций и вычисления оптимальных маршрутов с целью скорейшей реакции на вызов;

Местные власти – создание планов роста и развития территорий, зонирование территорий, и многое другое.

Возникновение и бурное развитие ГИС было предопределено богатейшим опытом топографического и, особенно, тематического картографирования, успешными попытками автоматизировать картосоставительский процесс, а также революционным достижениями в области компьютерных технологий, информатики и компьютерной графики.

Первый безусловный крупный успех становления геоинформатики и ГИС - это разработка и создание Географической Информационной Системы Канады (Canada Geographic Information System, CGIS). Начав свою историю в 60-х годах, эта крупномасштабная ГИС поддерживается и развивается по сей день.

"Отцом" ГИС Канады считается Роджер Томлинсон (Roger Tomlinson), под руководством которого были разработаны и реализованы многие концептуальные и технологические решения.

Геоинформационные системы Канады обязаны своему возникновению Министерству лесного и сельского хозяйства Канады. В начале 60х годов 20 века перед Министерством встала задача учета земельных ресурсов и составления прогноза использование последних на ближайшие 10-20 лет. Эти задачи должны быть выполнены так, чтобы можно было разработать стратегию управления земельными ресурсами, для эксплуатации без ущерба для окружающей среды и будущих поколений. Правительственные топографы подсчитали, что составление карт ресурсов на столь большую площадь потребовало бы больше опытных картографов, чем имелось на тот момент.

Таким образом, новоиспеченному Отделению информационных систем регионального планирования, финансируемому федеральным правительством Канады было поручено создание того, что стало первой в мире геоинформационной системой (CanGIS – Канадская географическая информационная система.). Ее первоначальной задачей были классификация и нанесение на карту земельных ресурсов Канады. Интересно, что выходными данными первой ГИС были не картографические материалы, а обобщенные результаты исследований, представленные в виде таблиц.

Большое воздействие на развитие ГИС оказала Гарвардская лаборатория компьютерной графики и пространственного анализа ( Harvard Laboratory for Computer Graphics & Spatial Analysis) Массачусетского технологического института. Ее основал в середине 60-х годов Говард Фишер (Howard Fisher) с целью разработки программных средств многофункционального компьютерного картографирования, которые стали существенным шагом в алгоритмическом совершенствовании ГИС

В результате этих работ появился и стал быстро развиваться новый класс графического программного обеспечения для отображения и анализа картографической информации- геоинформационные системы. Со временем сфера применения ГИС вышла далеко за пределы компьютерной графики.

Понятие геоинформационных систем.

Географические информационные системы (ГИС) позволяют проводить сбор, хранение, анализ и картирование любых данных об объектах и явлениях на основе их пространственного положения.

В наиболее общем смысле, геоинформационные системы это инструменты для обработки пространственной информации, обычно явно привязанной к некоторой части земной поверхности и используемые для управления ею. Это рабочее определение не является ни полным, ни точным. Как и в случае с географией, термин трудноопределим и представляет собой объединение многих предметных областей. В результате, нет общепринятого определения ГИС.

Отсутствие общепринятого определения привело к значительному недопониманию того, что такое ГИС, каковы их возможности и для чего такие системы могут применяться. Это привело к тому, что некоторые пользователи полагают, например, что нет разницы между компьютерной картографией, компьютерным черчением и собственно ГИС. Поскольку графические интерфейсы всех трех систем могут выглядеть одинаково как для случайного, так и для опытного наблюдателя, легко предположить, что эти системы, при небольших различиях, в принципе, - одно и то же. Но любой, кто попытается анализировать карты, скоро поймет, что системы компьютерной картографии, придуманные для создания карт из графических примитивов (геометрических фигур) в сочетании с описательными атрибутами, прекрасно подходят для отображения карт, но обычно не содержат аналитических возможностей ГИС.

Аналогично, для чисто картографических целей желательно использовать именно систему компьютерной картографии, разработанную специально для ввода, организации и вывода картографических данных, нежели продираться через мириады аналитических функций мощной профессиональной ГИС всего лишь для создания простой карты. Системы компьютерного черчения, специально разработанные для создания графических изображений, не привязанных к внешним описательным данным - прекрасный инструмент для архитектора, ускоряющий производство архитектурных чертежей и упрощающий их редактирование. Эти системы никаких картографических задач не решают.

Определение ГИС, сформулированное разработчиками ведущего программного обеспечения в области ГИС, а именно компанией ESRI (Институт исследования систем окружающей среды, г. Редланс, Калифорния, США) звучит так:

Эта современная компьютерная технология обеспечивает интеграцию баз данных и операций над ними, таких как их запрос и статистический анализ, с мощными средствами представления данных, результатов запросов, выборок и аналитических расчетов в наглядной легко читаемой картографической форме.

Виды геовизуализации.

Географическая информация представляется в виде серий наборов географических данных, которые моделируют географическую среду посредством простых обобщенных структур данных.

Географическая информационная система поддерживает несколько видов современных инструментальных средств для работы с географической информацией:

1. Вид Базы Геоданных: ГИС - это пространственная база данных, содержащая наборы данных, которые представляют географическую информацию в контексте общей модели данных ГИС (векторные объекты, растры, топология, сети и т.д.).

2. Вид Геовизуализации: ГИС - это набор интеллектуальных карт и других видов, которые показывают пространственные объекты и отношения между объектами на земной поверхности. Могут быть построены разные виды карт, и они могут использоваться как “окна в базу данных” для поддержки запросов, анализа и редактирования информации.

3. Вид Геообработки: ГИС - это набор инструментов для получения новых наборов географических данных из существующих наборов данных. Функции обработки пространственных данных (геообработки) извлекают информацию из существующих наборов данных, применяют к ним аналитические функции и записывают полученные результаты в новые производные наборы данных.

ArcGIS®: ArcMap, ArcCatalog, ArcTool

В программном обеспечении ESRI® ArcGIS® эти три вида ГИС представлены каталогом (ГИС как коллекция наборов геоданных), картой (ГИС как интеллектуальный картографический вид) и набором инструментов (ГИС как набор инструментов для обработки пространственных данных). Все они являются неотъемлемыми составляющими полноценной ГИС и в большей или меньшей степени используются во всех ГИС-приложениях.

Пространственные данные: модели данных.

Реальные географические объекты могут быть представлены в базе данных разными способами, или моделями.

Наборы данных могут представлять собой:

Упорядоченные наборы векторных объектов. Например, земельные участки обычно представляются как полигоны, улицы - как центральные линии, скважины - как точки, и т.д.

Наборы растровых данных, такие как цифровые модели рельефа или изображения

Пространственные сети

Топография местности и другие поверхности

Наборы данных геодезической съемки

Прочие типы данных, такие как адреса, названия мест, описательная картографическая информация.

Пространственные данные: атрибуты и символы.

Помимо географических представлений, наборы данных ГИС включают традиционные табличные данные, описывающие географические объекты. Эта описательная информация называется атрибутами объектов. Атрибуты часто не имеют прямых указаний на пространственное размещение, поэтому атрибуты называют непространственной информацией

Например, реальный объект на поверхности земли – отдельно стоящее дерево - представляется в базе данных как точечный пространственный элемент и имеет некоторые характеристики (свойства). Эти характеристики, иначе атрибуты, сообщают нам принадлежность дерева к определенному классу, семейству, поду, виду, высоту и возраст дерева. Все эти описательные характеристики хранятся в одном месте - в атрибутивной таблице.

На интерактивной карте пространственный объект «дерево» отображается с помощью символа. Вид символа (его форма или цвет) может определяться значением атрибута.

Любая ГИС обеспечивает динамическую связь между пространственным элементом, его атрибутами и символом. Это означает, что изменение свойств картографируемого объекта приводит к изменением в атрибутивной таблице и к замене символа. Если пространственный элемент удаляется из базы данных, то удаляется соответствующая ему запись в таблице атрибутов и символ с карты.

Пространственные данные: взаимосвязь графических объектов и их атрибутов.

Связь объектов на карте с их атрибутами является одним из основных принципов работы ГИС и главным фактором ее эффективности. Благодаря связи объектов карты и атрибутов вы можете иметь доступ к атрибутам для любого объекта или определять местоположение любого объекта по его атрибутам.

Например, мы хотим узнать, какие станции метро располагаются на территории Восточного округа г.Москвы. Для этого обращаемся к системе с запросом (проще говоря, задаем ей вопрос), в ответ на который система показывает (в данном случае подсвечивает желтым цветом) строки, удовлетворяющие данному запросу. Одновременно на интерактивной карте подсвечиваются объекты, соответствующие выбранным записям атрибутивной таблицы.

Любая система работает и в обратном направлении. Простым щелчком мыши на интересующем нас объекте (или при выборе нескольких объектов) мы может получить полную информацию о нем (о них).

Пространственные данные: тематические слои и наборы данных.

ГИС организует пространственные данные в серии тематических слоев и таблиц. Тема- совокупность однородных географических объектов, например, дорог, рек, участков или природных достопримечательностей. Наборы данных обычно связаны единым географическим положением, им приписываются реальные координаты, и их можно накладывать друг на друга в произвольной комбинации, составляя интерактивные карты различного содержания.

Пространственные данные: принцип послойной организации данных.*/8

Теоретически все данные можно хранить как единую совокупность объектов и их атрибутов, образно говоря, в одной куче. Но управлять таким массивом данных очень трудно. Практика информационных систем показала, что чем более специализированы наборы данных, тем легче ими управлять и получать доступ к ним.

Любая ГИС очень легко позволяет нам подгружать и выгружать различные тематические слои в произвольной комбинации. Причем целостность всей базы данных не нарушается.

Послойная организация данных существенно увеличивает эффективность работы всей системы и является вторым основополагающим принципом работы ГИС.

Пространственные отношения: топология и сети.

Пространственные отношения, такие как топология, также являются важными частями базы данных ГИС. Топология применяется для контроля за общими границами между пространственными объектами, для определения и исполнения правил целостности данных, а также для поддержки пространственных запросов (например, чтобы определить смежность и связность объектов). Топология также используется для расширенного редактирования и построения пространственных объектов на основе других геометрических элементов (например, для построения полигонов из линий).

Некоторые примитивные объекты существуют самостоятельно и имеют определенную атрибутивную информацию, другие, более сложные наборы данных. Например, речная сеть, содержит не только информацию о ширине реки и ей подобную, но и показывает возможное направление движения. Эта информация должна быть сообщена каждому отрезку, чтобы сообщать пользователю об изменении направления течения. Дополнительные коды, могут содержать данные об узлах, соединяющих эти отрезки. Это могут быть впадения притоков, разветвление основного русла и тп. Дополнительные атрибуты определяют по всей сети присущие реальности взаимоотношения, которые этой сетью моделируются. Такая информация о связности и пространственных отношениях объектов называется топологической.

Вид визуализации пространственных данных (геовизуализация)

Геовизуализация подразумевает работу с картами и другими видами географической информации, в том числе с интерактивными картами, 3D сценами, итоговыми диаграммами и таблицами, видами с показателями времени, схематическими видами сетевых отношений.

Для большинства ГИС-приложений интерактивные карты – это основной интерфейс в котором работают пользователи. Они доступны на многих уровнях: от карт для беспроводных мобильных клиентов до Web-карт в браузерах и карт в мощных настольных ГИС-приложениях.

Карты в ГИС во многом схожи со статичными бумажными картами, но к тому же они интерактивны, то есть вы можете взаимодействовать с ними. Интерактивную карту можно уменьшать и увеличивать, причем при определенных масштабах некоторые слои на карте могут появляться или исчезать. Вы можете применять условные знаки для отображения слоев карты на основе любого выбранного набора атрибутов. При указании географического объекта на интерактивной карте можно получить о нем дополнительную информацию, строить пространственные запросы и проводить анализ. Например, можно найти все магазины определенного типа недалеко от школ (например, в радиусе 200 м) или все заболоченные участки на расстоянии до 500 м от выбранных дорог. Кроме того, многие пользователи ГИС посредством интерактивных карт проводят редактирование данных и создают пространственные представления объектов.

Помимо карт, в базах данных ГИС используются другие интерактивные виды, такие как временные срезы, глобусы и схематические чертежи. Разработчики часто встраивают карты в пользовательские приложения, и многие пользователи публикуют в Интернете Web-карты, предназначенные для использования в ГИС.

Вид геообработки.

ГИС представлены коллекцией наборов географических данных и операторами (инструментами), применяемыми к этим наборам данных. Инструменты ГИС являются строительными блоками для выполнения многошаговых операций. Инструмент применяет операцию к некоторым имеющимся данным с целью получения новых данных. Операции, соединенные в единую цепочку, формируют модель процесса обработки данных. Создание и применение подобных процедур и называется геообработкой.

Возможность автоматизации и повторного выполнения таких рабочих процессов является сильной стороной ГИС. Она широко применяется в многочисленных ГИС-приложениях и сценариях работы с данными.

Полноценная ГИС содержит обобщенную добротную информацию и широкий набор ГИС-операторов для работы с этой информацией. Так, например, система ArcGIS обладает богатым ГИС-языком с тысячами операторов, которые работают в среде ГИС с различными типами географических данных.

Подсистемы ГИС.

Майкл ДеМерс, автор книги «Географические информационные системы. Основы» дает следующее определение ГИС через подсистемы, которые ее образуют:

1. ГИС представляет собой набор подсистем, ее образующих. В соответствии Подсистема сбора данных, которая собирает и проводит предварительную обработку данных из различных источников. Эта подсистема также отвечает за преобразование различных типов пространственных данных (например, от изолиний топографической карты к модели рельефа ГИС).

2. Подсистема хранения и выборки данных, организующая пространственные данные с целью их выборки, обновления и редактирования.

3. Подсистема манипуляции данными и анализа, которая выполняет различные задачи на основе этих данных, группирует и разделяет их, устанавливает параметры и ограничения и выполняет моделирующие функции.

4. Подсистема вывода, которая отображает всю базу данных или часть ее в табличной, диаграммной или картографической форме.

Это разделение легко сравнить с традиционными бумажными картами, особенно если рассмотреть этапы картографического процесса.

Традиционная картография и ГИС: сравнение функций

При традиционной технологии картограф собирает карту из точек, линий и областей на физическом носителе, таком, как бумага или пластик. Информация берется из таких источников, как аэрофотосъемка, цифровое дистанционное зондирование, геодезические работы, словесные описания и зарисовки, данные статистики и т.д. Компьютерный аналог использует электронные устройства для записи, или кодирования точек, линий и областей в компьютерную систему. Источники данных часто те же, что и в традиционной технологии, но сейчас включают и широкий спектр цифровых источников: готовые цифровые карты, цифровые модели рельефа, цифровые ортофотоснимки и многие другие. Хотя механизмы этих технологий различаются, используемые в реальности методы удивительно похожи.

В традиционном картографическом методе сама карта является средством хранения и выборки информации. Точки, линии и области, которые нанесены на карту, хранятся там для выборки их читателем карты. Говорят, что карта — наиболее компактный носитель для хранения пространственно привязанной информации и возможно, является наиболее сложным графическим изобретением. Нередко даже, насыщенность и сложность карты мешают пользователю извлекать из нее информацию. В ГИС подсистема хранения и выборки имеет значительные преимущества перед картой в том, что можно делать запросы, возвращающие только нужную информацию. В общих словах, эта подсистема хранит либо явно, либо неявно, геометрические координаты точечных, линейных и площадных геометрических объектов и связанные с ними характеристики (атрибуты). Компьютерные методы поиска естественным образом присущи самому программному обеспечению ГИС.

В картографическом методе нет прямого аналога и для подсистемы анализа, за исключением того, что карта является фундаментальным инструментом анализа пространственно-связанных данных. Традиционная карта требует применения линейки для измерения расстояния, транспортира для определения направления, и сетки или планиметра для измерения площади. Более того, человек, анализирующий карту, ограничен графическими методами, использованными для представления данных на листе бумаги или пластика.

Подсистема анализа является «сердцем» ГИС. Анализ карт дает импульс для поиска новых, более удобных, быстрых и мощных методов, способствует рождению новых гипотез, поскольку на уже привычные и знакомые данные мы может взглянуть с другой стороны.

ГИС – анализ использует потенциал современных компьютеров для измерения, сравнения и описания информации, хранящейся в базах данных. В случае традиционной картографии входные данные используются один раз и представляются на карте в уже обработанном, проинтерпретирован и классифицированном виде. При этом читатель карты ничего не знает о методах и способах получения и обработки данных.

ГИС имеют быстрый доступ к исходным данным и позволяют агрегировать и классифицировать данные много раз, обрабатывать одни и те же данные многими способами в зависимости от поставленной задачи. Как правило, обработанные данные становиться исходными для дальнейшего анализа. ГИС не только не ограничены в видах используемой информации, но и способны комбинировать выбранные наборы данных уникальными и ценными способами, далеко выходящими за рамки простого листа с изображенной картой.

Значительным различием между ГИС и картографией, помимо акцента при анализе в ГИС, являются способы представления результатов. Хотя многие пользователи, возможно большинство, все же используют картографическое представление, в современных ГИС есть много иных возможностей. Типичным примером некартографического представления являются распечатки таблиц, гистограмм или графиков. Дополнительно, на поля карты или в таблицы и графики можно поместить хранимые в цифровой форме фотографии выбранных мест.

Наиболее распространенным методом нетрадиционного картографического вывода является анимация. Популярность анимации, особенно 3-х мерной, заключается в ее высокой наглядности. Кроме того, зрение человека гораздо лучше замечает движущиеся объекты, чем неподвижные, что, безусловно, помогает выявлению взаимодействия объекта и его окружения.

Кроме картографического или графического вывода, современные системы обладают и альтернативными формами вывода. Типичным примером альтернативного вывода является использование ГИС в службах спасения. Если вызов требует тушения пожара, то ГИС позволяет вместе с принятием вызова оператором определить ближайшую к указанному адресу пожарную часть и направить в нее электронный сигнал тревоги. Т.е. в данном случае выводом ГИС будет не карта, а звуковой сигнал и световой сигнал. Кроме того, та же ГИС может определить кратчайший маршрут для пожарной машины, а саму карту дополнить маршрутным листом, в котором перечислены улицы, перекрестки и иные отметки, позволяющие пройти маршрут без помощи карты.

Традиционная картография и ГИС: сравнение функций
Карта	ГИС
подсистемы ввода
Ввод: запись (компиляция) на бумаге - точки - линии - области.	Ввод: запись (кодирование) в память компьютера - точки - линии - области.
Источники - Аэрофотосъемка - Дистанционное зондирование - Геодезические работы - Словесные описания и зарисовки - Статистические данные и др.	Источники – то же, что и для карт, а также - Готовые цифровые карты - Цифровые модели местности и рельефа - Цифровые аэро- и космоснимки - Данные лазерного сканирования - Цифровые базы данных - Данные, полученные через Internet
подсистема хранения и выборки
Точки, линии и области рисуются на бумаге с помощью символов.	Точки, линии и области хранятся как ячейки растра или координаты и идентификаторы в компьютере. Таблицы атрибутов связаны с геометрией.
Выборка- это просто чтение карты.	Выборка требует эффективных методов компьютерного поиска.
подсистема анализа
Требуется линейка, планиметр, транспортир и другие инструменты, используемые человеком – аналитиком.	Используются возможности компьютера для измерения, сравнения и описания информации в базе данных.
Возможности ограничены данными, сгруппированными и представленными на бумажной карте.	Обеспечивает быстрый доступ к исходным данным, позволяет группировать и переклассифицировать данные для дальнейшего анализа. Одни и те же данные могут быть использованы многократно.
подсистемы вывода
Только графическое представление.	Карта – лишь один из видов вывода.
Многие формы карт.	ГИС предоставляет практически неограниченные возможности в создании карт.
Модификации могут включать картограммы и др.	Включает также таблицы, графики, диаграммы, изображения и др. Нетрадиционные формы вывода: интерактивный вывод, передача баз данных, видео и др.

Нетрадиционная формы вывода: публикация картографических данных в Internet.

В настоящее время, мы наши карты можем не только распечатать или передать пользователю на диске или другом носителе информации, но и опубликовать в Интернете. Это совершенно новый способ передачи географической информации, поскольку речь идет не только о передаче карт в виде картинок (например, в формате JPG или TIFF), а о полноценных электронных интерактивных картах, которые можно не только просматривать и масштабировать, но и анализировать посредством запросов и других операций, использовать в своей повседневной работе.

Географическое знание изначально является распределенным и слабо интегрированным. Вся необходимая информация редко содержится в отдельном экземпляре базы данных.

Пользователи ГИС вынуждены взаимодействовать друг с другом с целью получить недостающие части имеющихся у них ГИС-данных.

Таким образом, помимо публикации и обмена данными ГИС, пользователи все шире используют Интернет для сбора, структурирования, применения и управления географическим знанием. Это явление - одна из наиболее ярко выраженных тенденций развития современных ГИС.

В состав ГИС-сети входят три основных строительных блока:

• Порталы каталогов метаданных, где пользователи могут провести поиск и найти ГИС-информацию в соответствии с их потребностями

• ГИС-узлы, где пользователи публикуют наборы ГИС-информации

• Пользователи ГИС, которые ведут поиск, выявляют, обращаются и используют опубликованные данные и сервисы.

С одной стороны, развитие ГИС-сетей приобретает важное значение в распространении накопленных географических знаний. С другой стороны оказывает огромное влияние на развитие ГИС и других информационных технологий во всем мире.

Тема 2. Данные в гис. Модели данных

Пространственные элементы. Описание пространственных элементов. Способы представления географического пространства. Модели данных: векторная, растровая. В лекции использованы материалы И.Ю. Черновой (КГУ)

Пространственные элементы, представляемые на карте элементы, как природного происхождения, так и являющиеся результатом человеческой деятельности, называются объектами карты, или просто объектами.

Пространственные объекты окружающего мира легко можно разделить на 4 типа. Они представляют большинство природных и социальных элементов, которые мы встречаем каждый день. В ГИС объекты реального мира в основном представляются первыми тремя указанными типами объектов. Точки, линии и области представляются соответствующими символами, поверхности представляются путем добавление третьего измерения к исходным данным (высоты) либо специальными компьютерными средствами.

Точечные объекты – это объекты, которые в заданном масштабе не имеют длины и ширины и местоположение определяется только парой координат. В качество точечных объектов можно представить отдельно стоящие деревья, дома, населенные пункты, перекрестки дорог и т.д. О таких объектах говорят, что они дискретные, каждый их них в определенный момент времени может занимать только одну точку пространства.

Линейные объекты - это объекты, которые в заданном масштабе карты имеют длину, но не имеют ширины. Они представляются как бы одномерными в нашем пространстве. Такими объектами могут быть дороги, реки, границы, любые другие объекты, которые имеют большую протяженность, но небольшую ширину. Именно масштаб определяет порог, при пересечении которого мы считаем их объектами, не имеющими ширины.

Для линейных объектов, в отличии от точечных, мы можем указать пространственный размер простым определением их длины.

Площадные объекты (полигоны) – это объекты, которые при заданном масштабе имеют и длину и ширину («двумерные объекты»). Примерами полигонов может быть территория государства, города, озера и т.д. Границей полигональных объектов является линия, которая начинается и заканчивается в одной точке. Полигональные объекты имеют несколько характеристик: местоположение линии, определяющей полигон, форма и ориентация линии, величины периметра и площади полигона.

Добавление третьего измерения к полигональным объектам позволяет наблюдать и фиксировать поверхности (холмы, долины, скалы и тд). Поверхности могут описываться с указанием местоположения, занимаемой площади, ориентации и с добавлением третьего измерения, высот. Поверхности состоят из бесконечного числа точек со значениями высот. Мы считаем, что они непрерывны, поскольку эти точки распределены без разрывов, непрерывно, по всей поверхности. Использование таких вычислений весьма полезна, когда необходимо узнать, каков объем воды в водоеме, объем выбранного материала в карьере и т.д. Таким образом, поверхности являются 3-х мерными пространственными объектами.

Значения атрибутов. Шкалы измерений.

Геометрические примитивы – точки, линии, полигоны, помогают показать на карте объекты реального мира. Используя их, мы можем показать местоположение объекта и его форму. Но для того, чтобы совокупность геометрических объектов получила информативность карты, каждый из них должен обладать определенным набором описательных характеристик, интересных для пользователя, или атрибутов.

Использование атрибутов объектов определяется возможностью их измерения и сравнения с другими подобными объектами.

Существует устоявшаяся основа для измерения практически всех видов данных, в том числе и географических. Это шкалы измерения данных, которые простираются от простого наименования объектов до высокоточных измерений, позволяющих непосредственно сравнивать качества различных объектов. Использование определенной шкалы будет определяться отчасти тем, что мы классифицируем, отчасти тем, что мы хотим знать, отчасти нашими возможностями производить измерения при заданном масштабе наблюдения.

В таблице представлена связь шкал измерений с тремя типами географических объектов.

Номинальная шкала позволяет показать различные категории схожих объектов. Все объекты с одинаковым значением в чем-то похожи и отличаются от других объектов. Например: категории дороги: автострады, шоссе, второстепенные местные дороги. В номинальной шкале мы можем сказать, что объекты разных категорий различны, но как они отличаются – нет. Эта система не позволяет делать прямого сравнения объектов, за исключением определения тождества. Значение категорий можно представить, используя числовые коды или текст.

Для проведения более тонкое сравнение объектов используют порядковую (ранговую) шкалу. Порядковые (ранговые) шкалы позволяют расположить объекты по порядку, от большего к меньшему на качественном уровне (больше – меньше, светлее – темнее, лучше- хуже). Ранги представляют собой качественную или относительную величину и используются в случае, когда нет возможности провести точные измерения (например, территории, ранжированные для проведения отдыха – замечательный, хороший, средний, плохой). Поскольку оценка по рангам относительна, то при сравнении ориентируются только на установленный порядок, не зная абсолютного различия между рангами. Типичным примером является шкала Мооса для измерения твердости минералов. Можно назначать ранги, основываясь на атрибуте, (только тип или категория), а также на комбинации атрибутов. Например, классифицировать почвы по набору атрибутов –тип увлажнения + определенная пригодность для сельского хозяйства по набору признаков.

Другим ограничением порядковых (ранговых) шкал является то, что используя их мы не можем сравнить объекты количественно: по Шкале Мооса твердость гипса – 2, корунда - 9, алмаза- 10. Абсолютная же микротвердость этих минералов имеет следующие значения: гипса – 2,6 Па, корунда- 2 060Па, алмаза- 10 060 Па. Используя порядковую шкалу Мооса мы может только сказать, что алмаза тверже корунда и гипса, но утверждать, что алмаз тверже гипса в 5 раз, а корунд мягче алмаза всего на 1 было бы совсем неверно.

Самые точные измерения можно получить для атрибутов, измеренных в интервальной шкале, или шкале отношений, в которых измеряемым величинам приписывают численные значения. Атрибуты, измеренные в данных шкалах позволяют количественно сравнить объекты между собой. В данных шкалах можно измерить численность, количество и относительные значения параметров.

Численность и количество - показывают общие оценки. Численность представляет реальное число объектов на карте. Количество может быть любой измеренной величиной, связанной с объектом, например, число студентов в ВУЗе. Использование численности и количества позволяет узнать реальное значение каждого объекта, а также его реальную характеристику в сравнении с другими объектами.

Относительные значения – показывают взаимосвязь между двумя количественными величинами, и получаются делением одной величины на другую для каждого объекта. Использование относительных значений сглаживает разницу между большими и малыми регионами, или регионами с большим и малым числом объектов, при этом на карте будет более точно отображаться распределение объектов.

В качестве примера можно привести изучение температуры почвенного покрова в зависимости от содержания органического вещества в почвах. При сравнении карты-схемы Температура почв с картой распространения почв, мы знаем, что почвы светлые, бедные органическим веществом имеют температуру ниже, в интервале 8-15 0С (средняя температура - 140С). Почвы темные, богатые органическим веществом имеют температуру в интервале 20-240С (средняя температура – 23 0С). Теперь, имея среднюю температуру разных видов почв мы можем градуировать разницу между видами почв.

Существует некоторое ограничение при выполнении сравнений в интервальной шкале. При сравнении средней температуры почв мы получаем разницу в 9 0С. Но сказать, светлая почва в полтора раза холоднее темной мы не можем, так как начало шкалы Цельсия не является абсолютным нулем и связано с термодинамическими свойствами воды. Для такого сравнения необходимо перевести все величины в шкалу, где ноль представляет действительное начало температур, в шкалу Кельвина (К= 273 + 0С). Полученные результаты, 287 К и 296 К, не позволяют сказать, что температуры почв отличаются в полтора раза.

В результате перехода от шкалы Цельсия к шкале Кельвина мы перевели изучаемые величины в наиболее «количественную» шкалу измерений - шкалу отношений.

Данные в номинальной и порядковой (ранговой) шкалах являются дискретными значениями (одно и то же значение могут иметь несколько объектов). Данные в шкале интервалов/отношений (численность, количество и относительные величины)относятся к разряду непрерывных данных.

Способы представления географического пространства.

Многие реальные географические объекты имею форму с четким контуром. Говорят, что такие объекты дискретны. У дискретного объекта есть известная определенная граница. Можно точно определить, где объект начинается, и где он заканчивается. Озеро - это дискретный объект на карте ландшафта. Можно точно определить границу воды и суши. Другие примеры дискретных объектов: дороги, здания, участки. Дискретные объекты обычно бывают искусственными (созданными человеком) и обычно описываются векторным типом данных.

Непрерывные данные описывают объекты или явления, которые существуют в каждой точке пространства. Одним из типов непрерывных данных могут быть значения высот над уровнем моря. Примеры поверхностей такого типа - это распределение концентрации соли в почве или воде, уровня загрязнения от выброса загрязняющего вещества или ядерного реактора, огня от лесного пожара. На поверхности, отражающей концентрацию явления на рисунке справа, концентрация в любой точке будет функцией от способности явления двигаться через среду. Непрерывные данные обычно описываются растровым типом данных.

Существует другой тип непрерывных данных, которые относятся к непрерывным достаточно условно, и могут, в принципе, рассматриваться как дискретные данные. Примером таких данных могут быть данные, отражающие расселение популяций животных или плотность населения людей, распределение потенциальных клиентов магазина и распространение эпидемии, т.к. людям и другим живым организмам свойственно собираться в группы или стаи (т.е. образовывать дискретные объекты), а не расселяться по поверхности Земли равномерно.

Таким образом, многие объекты не являются явно непрерывными или явно дискретными. Создается единая среда представления географических объектов, в которой крайние случаи будут чисто дискретными или чисто непрерывными. Большинство явлений находится где-то между крайностями. Примерами объектов промежуточного типа могут быть типы почв, границы лесов, болот или географические границы рынков сбыта, на которые влияет телевизионная рекламная кампания. Из этого следует, что для представления дискретных данных может быть использована модель непрерывных данных – растровая модель, а для непрерывных данных– векторная модель.

Фактором определения положения объектов в диапазоне от непрерывных до дискретных явлений может быть простота выявления его границ. Если границу между шоссе и окружающими его полями можно определить довольно просто, то граница между болотом и заболоченным лугом определяется не столь очевидно и сетка растра, состоящая из ячеек, позволит представить ее с большей или меньшей точностью, не хуже, чем в векторном способе.

Растровый и векторный - два принципиально разных, но совершенно равноправных способа представления географического пространства, одинаково важны при изучении географического пространства. Выбор модели данных зависит от того, какие объекты мы собираемся исследовать, и какие методы исследования хотим применить.

Векторные модели.

Векторный метод представления данных позволяет создавать точные пространственные координаты явным образом. Это достигается приписыванием точкам пары координат (ХУ) координатного пространства, линиям – связной последовательности пар координат их вершин, полигонам – замкнутой последовательности соединенных линий, начальная и конечная точка которых совпадают.

Векторные объекты представляются в географическом пространстве точками, линиями, полигонами, либо в виде аннотаций. Существуют и более сложные виды геометрии векторных объектов – 3D Мульти-патчи, предназначенные для представления 3х мерных объектов.

Векторная модель данных основана на векторах (направленных отрезках прямых). Базовым примитивом является точка. Векторные линейные объекты создаются путем соединения точек прямыми линиями или дугами. Для описания дуги необходимо хотя бы 2 точки- начальную и конечную, для описания местоположения линейного объекта в пространстве. Если линия является кривой или ломанной, то необходимы дополнительные точки – точки перегиба (вертексы). Чем сложнее линия, тем больше точек требуется для ее описания.

Площадные объекты определяются набором линий. Для набора линий необходимо указывать из форму и ориентацию, а также величину площади, которую занимает описываемая площадь.

Векторная модель показывает геометрию картографических объектов. Чтобы придать свойства объектам, последние связывают с атрибутивными данными, хранящиеся в отдельном файле или в базе данных. В этом случае графические примитивы связываются с атрибутами посредством идентификаторов. Идентификаторы в большинстве случаев недоступны для пользователей и являются одним из ключевых элементов в различных форматах пространственных данных.

Типы векторных моделей данных.

Существует несколько способов объединения векторных структур данных в векторную модель данных. Все способы относятся к одному из двух основных типов векторных моделей данных: топологические векторные модели данных и нетопологические векторные модели данных. Топология – это такой математический аппарат, который описывает пространственные отношения между объектами.

Простые векторные модели, как правило, не используют топологию и хорошо подходят для систем компьютерной картографии. Более продвинутые векторные модели, как правило, основаны на топологии и предназначены для выполнения аналитических операций.

Растровые модели.

Растровый метод использует принципиально другой способ представления географического пространства - разбиение пространства на множество элементов, каждый из которых представляет собой малую, но вполне определенную часть земной поверхности. Такой метод создает растровое изображение. Чаще всего использую квадраты, или ячейки, которые в растровых моделях одинаковы по размеру. Векторная модель представляет объекты дискретными, границы которых в пространстве четко определены, то растровый способ представляет географическое пространство в виде непрерывной поверхности, равномерно поделенной на равные ячейки.

Растры могут содержать информацию трех видов: тематические данные (тип растительности, ориентация или уклон склона и тд); данные дистанционного зондирования (аэрофо- и космосъемка); обычные цветные изображения (сканированные карты или фотографии). Растры используются для представления непрерывной информации: высоты местности, уклонов склонов, растительного покрова, зон распространения загрязняющих веществ и т.д.

Растровое изображение - это обычная двумерная матрица, в ячейках которой находится информация о цвете. Для каждой ячейки существует уникальный адрес, состоящий из номера строки и номера столбца.

Устройство пикселя. Характеризовать ячейку растра (или пиксела «picture element») можно двумя параметрами.

1. размер ячейки

2. количество цветов на ячейку - одна из важных характеристик изображения, которая сказывается на размере растра.

Пиксель имеет как значение, так и пространственное расположение.

В растровых системах есть два способа добавления атрибутивной информации об объектах. Простейшим является присвоение значения атрибута каждой ячейке растра (например, индекс растительности). Но в таком варианте каждая ячейка имеет только одно значение атрибута. Второй подход – связывание каждой ячейки растра с базой данных, так что любое число атрибутов может быть присвоено каждой ячейке растра.

Ячейки растра примыкают друг к другу для покрытия всей области. Поэтому мы можем использовать номера ячеек по вертикали и по горизонтали в качестве координат. Для определения местоположения прямоугольного растра в географическом пространства необходимо знать пару координат x, y хотя бы одного угла. В то же время, ячейки или пикселы результатов дистанционного зондирования сразу создаются в некоторой проекции, и для измерения на растр может быть помещена более точная координатная сетка.

Представление пространственных элементов в растровой и векторной моделях данных. Точечные объекты всегда будут представлены целым пикселем, линейные объекты будут представлены цепочкой смежных ячеек, полигоны – областью смежных ячеек.

Главный недостаток представления картографических данных в форме ячеек растра - это потеря точности информации о местоположении объектов. Вместо точных координат точек мы имеем отдельные ячейки растра, в которых эти точки находятся. Здесь мы наблюдаем изменение пространственной мерности, которая состоит в том, что мы изображаем объект, не имеющий измерений (точку), с помощью объекта (ячейки), имеющего и длину, и ширину. Чем меньше ячейка, тем меньше ее площадь, тем точнее она представляет точечный объект.

Легко увидеть, что эта структура данных изображает линии и полигоны ступенчатым образом. Точность представления данных зависит от масштаба и размера ячейки. Чем больше разрешение ячеек, и чем больше ячеек представляют определенную площадь, тем точнее это представление.

Значение ячейки.

Каждой ячейке растра присваивается определенное значение, служащее для идентификации или описания класса, категории, группы, к которым относится ячейка, либо для задания количественной характеристики свойства, которое описывает данный растр. Значение может представлять такие характеристики, как тип или структура почв, класс землепользования, стратиграфические подразделения. Значение может также представлять величину, расстояние или отношение в непрерывной поверхности данных. Высота, величина и направление уклона, уровень шума от аэропорта, величина pH почвы - примеры количественных характеристик.

В растрах, представляющих изображения, значения могут указывать цвет или спектральную отражающую способность. В этом случае каждой ячейке приписывается не одно, а несколько значений (мультиканальный растр).

Значения ячеек могут быть как целые, так и с плавающей запятой. Целочисленные значения удобны для представления значений дискретных данных, а значения с плавающей запятой - для представления непрерывных поверхностей.

Зоны. Любые две или более ячейки с одинаковым значением принадлежат к одной зоне. Зона может состоять из соединенных ячеек, несоединенных ячеек, или из тех и других. Зоны, ячейки которых соединены, представляют отдельные объекты территории, например, здание, озеро, дорогу или линию электропередачи. Каждая ячейка растра принадлежит к определенной зоне. Одни растры состоят из нескольких зон, другие - из множества зон.

Регионы. Каждая группа соединенных ячеек в зоне называется регионом. Зона, состоящая из одной группы соединенных ячеек, включает один регион. Зона может состоять из стольких регионов, сколько нужно для представления объекта; количество ячеек в одном регионе практически не ограничено. В растровом наборе данных на рисунке внизу, Зона 2 состоит из двух регионов, Зона 4 - из трех регионов, а Зона 5 - только из одного региона.

Значение ”Нет данных”. Если ячейке присвоено значение “Нет данных” (No Data), это означает, что данных о заданной характеристике в точке, которую представляет ячейка, либо нет, либо недостаточно. Значение отсутствия данных, иначе называемое пустым значением, обрабатывается всеми операторами и функциями иначе, чем другие значения. В большинстве случаев это значение передается в выходной растр, в других - ее значение формируется на основании значений соседних ячеек.

Для некоторых видов данных, чаще всего непрерывных, значение ячейки представляет измерение в центре ячейки. Пример – растр высот. Для изображения непрерывной поверхности, значения высот на границах ячеек вычисляют путем интерполяции, на основании известных значений ячеек, отнесенных к центральной точке.

В других случаях значение ячейки относится ко всей ее площади - поверхность отображается в виде «ступенек».

Пространственное разрешение растровых изображений.

Растровые изображения в ГИС не имеют понятия масштаба. Изображения характеризуются таким понятием, как геометрическое разрешение растра. Оно характеризует площадь поверхности, изображенное в каждом пикселе. Если длина одной стороны пиксела соответствует 100м на местности, то говорят, что растр имеет геометрическое разрешение 100 м. При длине стороны пиксела, соответствующей 2 м на местности, говорят о растре с 2 метровым разрешением.

Разрешение возрастает при уменьшении размера ячейки, однако обычно за счет увеличения занятого дискового пространства и снижения скорости обработки. Уменьшение ячеек определенной области в два раза требует увеличения дисковой памяти примерно в четыре раза, в зависимости от типа данных и используемой технологии их хранения. Для большинства пользователей эффективность анализа более чем компенсирует потерю разрешения.

Сравнение представления пространственных элементов в растровой и векторной моделях данных. Растровые структуры не обеспечивают точной информации о местоположении, поскольку пространство поделено на дискретные ячейки конечного размера. Вместо точных координат точек мы имеем отдельные ячейки растра, в которых эти точки находятся. В этом случае точка, объект не имеющий измерений, изображается с помощью квадратной ячейки, имеющей длину и ширину; линии – как цепочки ячеек. Эта структура данных изображает линии ступенчатым образом. Таким же образом отображаются полигоны.

Местоположение точки на растре указать точнее, чем положений ячейки - нельзя. Чем больше размер ячейки, тем большую площадь земли она покрывает, тем меньше точность положений пространственных объектов.

Снижение пространственной точности положения объектов – главный недостаток растровой структуры данных. Увеличить точность можно увеличивая разрешение растра. При отображении одной и той же географической области с использованием растровой и векторной модели данных