Программное обеспечение гис. Виды программного обеспечения.

План.

1. Программное обеспечение ввода данных.

2. Системы управления базами данных. Понятие базы данных. Использование баз данных в ГИС.

3. Программы преобразования, обработки и анализа данных.

4. Программное обеспечение вывода информации.

5. Краткая характеристика существующих ГИС.

1.

Программное обеспечение ввода данных — это:

1. Драйверы устройств цифрования или сканирования. Обычно это средства видеоэкранного редактирования (графические или картографические редакторы) и конверторы для экспорта и импорта цифровых данных, представленных в форматах иных программных средств ГИС.

2. Системы управления базами данных (СУБД).

База данных (БД) — одно из центральных понятий ГИС. БД входит и в подсистему ввода данных, и в подсистему хранения и обработки информации, и в подсистему вывода. Остановимся на этом вопросе подробнее.

2.

Под БД понимается совокупность цифровых данных, представленных в виде, пригодном для обработки автоматическими средствами.

Основной характерной чертой базы данных является независимость организации и хранения данных от прикладных программ, в которых они используются. Эта независимость означает, что изменения данных не приводит к необходимости модифицировать прикладные программы и наоборот. Т.е. база данных в отличие от обычного файла ориентирована на интегрированные требования разных приложений (задач) а не на одну программу. База данных имеет следующие важные свойства:

• скорость доступа к информации;

• полная доступность к информации;

• гибкость;

• целостность данных.

Для решения проблемы управления базами данных были развиты две концепции:

1. система управления базами данных (СУБД),

2. администратор базы данных. Администратор базы данных — это лицо или целое подразделение, ответственное за общее состояние базы данных, функционирование средств управления базой данных и интерфейсов.

Создание БД и обращение к ним по запросу осуществляется с помощью СУБД.

СУБД — это комплекс программ и языковых средств, предназначенных для создания, ведения и использования БД. Базы данных в зависимости от способа организации данных и их структуры делятся на иерархические, сетевые и реляционные. Большинство современных коммерческих СУБД относятся к реляционному типу, то есть поддерживающему реляционные модели данных.

	А1	А2	А3
О1
О2
О3

Реляционная база данных — это набор «плоских» (двумерных) таблиц (отношений — relation), которые состоят из экземпляров записей одинаковой структуры — кортежей, содержащих элементарные данные — атрибуты, образующие столбцы — домены.

Реляционную модель данных можно наглядно представить в виде прямоугольной таблицы, где для каждого объекта (О₁, О₂, ... О_n) в столбцах приводятся их характеристики, которые обычно называются атрибутами (А₁, А₂, ... А_n).

Связи между отношениями обеспечиваются перекрывающимися (общими) столбцами.

Структура базы данных в общем случае специфична для каждого конкретного проекта. В каждом конкретном случае в результате анализа задач определяется, какие необходимы таблицы, какие они должны содержать строки, какими столбцами перекрываться между собой.

П ри использовании ГИС в картографии, в реляционных БД содержатся два типа данных: графические и атрибутивные (или семантические).

В графической базе данных хранится так называемая графическая или метрическая основа карты в цифровом виде. Атрибутивная база данных содержит в себе определенную смысловую нагрузку карты и дополнительные сведения, которые относятся к пространственным данным, но не могут быть прямо нанесены на карту — это описание территории или информация, описывающая качественные характеристики объектов (атрибуты). Таблица, содержащая атрибуты объектов, называется таблицей атрибутов.

Картографическая атрибутивная (семантическая) информация — информация в цифровом или текстово-графическом виде о количественных и качественных характеристиках объектов или явлений.

Итак, следует иметь в виду, что в реальных ГИС — не программных продуктах, а функционирующих системах, в базах данных хранятся не только данные цифровых карт, но иная информация, не имеющая непосредственного отношения к карте, ее содержанию и технологии создания. Тем не менее, эти данные имеют в общем случае связи с данными, содержащимися непосредственно в цифровой карте. Например, содержание цифровой карты относительно земельных участков ограничивается набором таких атрибутов, как кадастровый номер и фактическая площадь. Однако в результате проводимой одновременно с созданием карты инвентаризации земель территории собирается подробная информация по каждому земельному участку, их владельцам, которая может быть представлена отдельной таблицей или несколькими таблицами, связанными с таблицей цифровой карты столбцом «кадастровый номер участка»

СУБД поддерживают следующие операции:

ввод данных, хранение данных, манипулирование (добавление, удаление) данными, обработка запросов, поиск, выборка, сортировка, обновление, сохранение целостности, защита данных от несанкционированного доступа или потери.

Если непосредственно обратиться к таблице реляционных данных, то допустимы следующие операции, то допустимы следующие операции.

Применительно к колонкам: добавить новую (add item); удалить (drop item).

Применительно к записям: добавить (add); отсортировать по одному из правил сортировки (sort); выбрать по логическим условиям (reselect).

Применительно к отдельным элементам: изменить содержание элемента (update).

Применительно к таблице в целом: выбрать нужную таблицу в БД (select); сохранить таблицу (save); уничтожить (erase).

Это в ArcInfo.

Доступ ко многим БД осуществляется с помощью специального языка структурированных запросов SQL (Structured Query Language), или шаблону QBE (Query By Example). Большинство программных средств ГИС имеют свои СУБД. В то же время существуют автономные, коммерческие СУБД: dBase, FoxBASE, Informix, Ingress, Oracle, Sybase. Наиболее распространены dBase и Oracle. Информация из автономных БД может импортироваться в большинство коммерческих ГИС.

Операции реструктуризации базы данных поддерживаются далеко не везде. Так, в известном продукте ArcView после того, как база создана, нельзя даже переназначить имена полей — пользователю остается только задать вместо истинных имен полей псевдонимы или «спрятать» от пользователя отдельные поля в таблице. При этом никаких изменений в самой БД реально не происходит.

В ГИС MapInfo еще на этапе цифрования, как только указаны координаты какой-либо точки, система автоматически создает скрытую от пользователя запись, в которой содержатся, по крайней мере, два поля: идентификатор и координаты этой точки. При сохранении этих данных система создает таблицу, в которой в дальнейшем будут храниться различные графические объекты и атрибутивные данные.

При работе с ГИС MapInfo вносить изменения в структуру таблиц можно непосредственно во время работы: добавлять и удалять поля, изменять их порядок и названия, тип и размер любого поля.

3.

Программы преобразования, обработки и анализа данных.

Эти программы составляют ядро геоинформационных технологий. К ним относятся программы, обеспечивающие:

1. операции переструктуризации данных;

2. трансформацию проекций и изменение системы координат;

3. операции вычислительной геометрии;

4. оверлейные операции (наложение разноименных и разнотипных слоев данных)

5. общие аналитические, графоаналитические и моделирующие функции.

1. Переструктуризации данных — это операции преобразования данных из векторного представления в растровое представление и обратно. Алгоритм векторно-растрового преобразования довольно прост.

а) векторное изображение: набор векторных полигонов с их номерами;

б ) регулярная квадратная сетка накладывается на исходное векторное изображение. Принадлежность ячейки и полигона в целом определяется положением его геометрического центра.

в) и г) Каждая ячейка получает номер своего полигона.

Все это выполняется автоматически, машиной.

Существует множество программ для работы с растрами и обработки растровых данных. Например, серия программ: RasterArts, (Spotlight, RasterDesk, Vectory, ColorProcessor) и другие, которые содержат большой набор инструментов для обработки растрового материала (фильтры, калибровку, трансформацию, редактирование и автоматическую векторизацию). Специальные векторизаторы (наиболее распространенные) — MapEdit, EasyTrace — предназначены для автоматизированной или полуавтоматизированной векторизации цветного или ч/б растрового изображения. Они очень удобны, если исходное изображение — расчлененное.

Программы обработки растровых данных помогают:

• исправить метрические погрешности сканера и искажения любой другой природы (ScanCorrect);

• подготовить растровый файл отсканированной карты к векторизации путем уменьшения цветовой гаммы (например, исправить разный цвет у одинаковых фоновых знаков) — Magic Map;

• осуществить цветокалибровку файлов к цветопечати, чтобы минимизировать искажения цветов при печати изображения — AccuPrint.

Среди других операций реструктуризации данных выделяются операции фрагментации или дефрагментации слоев, включая сшивку фрагментов при полистном цифровании исходных карт.

2. Трансформация проекций и изменение системы координат. Сюда входят:

операции пересчета координат пространственного объекта;

операции укладки объектов в систему опорных точек с использованием линейных или аффинных преобразований

трансформация картографической проекции — наиболее часто используемая операция. Необходимость этой операции проявляется при использовании карт, составленных в разных проекциях, для составления, например, электронного атласа.

Коммерческие программные продукты высокого уровня обязательно содержат блок преобразования проекций.

3. Операции вычислительной геометрии. Программные средства ГИС предоставляют пользователю возможность производить некоторые картометрические операции:

• расчет площадей;

• расчет длин ломаных линий;

• расчет координат центроидов и ряд других.

4. О верлейные операции.

Например, наложение 2-х разноименных слоев — это типичная оверлейная операция.

Наложение двух разноименных слоев с генерацией производных объектов, возникающих при их геометрическом наслоении. Но! Большие затраты времени на поиск координат всех пересечений.

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 местоположении землевладения со ставками земельного налога.

5. Общие аналитические, графоаналитические и моделирующие функции — это:

• расчет и построение так называемых буферных зон, то есть областей, ограниченных эквидистантными линиями — линиями равного отстояния;

• анализ сетей (классические оптимизационные задачи: определение кратчайших путей) и задачи на сетях. Эти операции очень часто используются коммерческими предприятиями для решения транспортных задач (так называемые «задачи коммивояжера»;

• цифровое моделирование рельефа на основе значений плановых и высотных координат множества точек. Это — возможность рассчитать углы наклона, составить экспозицию склонов, вычислить площади поверхности рельефа, объем, нарисовать (сгенерировать) горизонтали или профиль;

• картографическая графика — это: возможность воспроизведения монохромных и цветных карт, выбор и изменение палитры цветовых заливок, штриховок, крапа; редактирование и использование различных способов картографического изображения; создание новых знаков (обычно выбор условных знаков ограничен, и их необходимо добавлять); размещение и редактирование легенды; возможность размещать карты-врезки, графики, таблицы — т.е. выполнять полную компоновку.

Программы поддержки интерфейса. Интерфейс — это совокупность средств и правил, обеспечивающая взаимодействие вычислительных систем, входящих в их состав устройств, программ, а также пользователя системы. Взаимодействие пользователя с системой осуществляется на основе интерфейса пользователя. Удобный способ взаимодействия с устройствами компьютера обеспечивает операционная система (ОС), которая загружается в компьютер при его включении.

ОС — это совокупность программных средств, обеспечивающих управление аппаратными ресурсами компьютера и взаимодействие программных процессов с аппаратурой, другими процессами и пользователем. ОС управляет памятью, вводом-выводом, файловой системой, взаимодействием процессов, осуществляет защиту, учет использования ресурсов и т.п.

Распространенные ОС: Windows, MS-DOS, UNIX, OS/2. Активно внедряется в нашу жизнь LINUX.

4.

Программное обеспечение вывода информации.

Результаты обработки данных должны быть представлены в наглядном виде (визуализированы). Программные средства ГИС обычно включают достаточно широкий набор средств генерации выходных данных. Вывод информации осуществляется с помощью специальных программ (в том числе драйверов технических устройств).

Большинство мощных коммерческих программных продуктов, в которых реализованы функциональные возможности ГИС, обладают многими из перечисленных типов программного обеспечения для ввода данных, управления БД, преобразования, обработки и анализа данных, вывода картографической информации.

5.

Рассматривая современные ГИС, необходимо учитывать, что возможности различных классов этих систем неодинаковы. Можно выделить три группы ГИС.

Первые — это мощные, ориентированные на рабочие станции или мощные ПК и сетевую эксплуатацию системы, обрабатывающие колоссальные объемы информации, имеющие разнообразные средства ввода (от дигитайзеров и сканеров до станций обработки космических снимков) и вывода, имеющие развитые средства документирования, которые позволяют, в том числе, создавать любые карты. Яркими представителями этого класса являются ГИС фирм INTERGRAPH, PROGIS, ESRI. Эти системы имеют универсальный характер, позволяющий использовать их с одинаковым успехом в различных отраслях (GEOMEDIA, MGE, ArcInfo и др.).

Вторую группу составляют настольные геоинформационные системы, которые обладают несколько меньшими возможностями, чем описанные выше системы, и предназначены для решения, в первую очередь, научных задач, но могут быть использованы и при решении задач управления. В этих системах нет столь жестких требований к качеству и разнообразию средств визуализации, объемам обрабатываемой информации, защите информации и ее сохранности. Эти системы доступны большинству коллективов и могут работать в любом малом офисе. Типичными представителями таких систем являются MapInfo, Atlas GIS, ArcView и др.

В этом классе систем надо особенно выделить урезанные версии крупных ГИС (INTERGRAPH и др.). Поскольку первоначально эти системы создавались для мощных графических станций, при переносе на менее мощный компьютер не учитывались ограничения по размеру памяти и быстродействию, характерные для персональных компьютеров. Поэтому такие программные продукты обладают меньшим набором возможностей по сравнению с версиями этой же системы для рабочих станций и значительно уступают по быстродействию ГИС, созданным специально для персональных компьютеров. Однако у них есть существенный плюс — совместимость с аналогичными версиями для рабочих станций и всесторонняя поддержка фирмами-производителями.

Третью группу составляют системы для домашнего и информационно-справочного использования. Это наиболее закрытые системы, которые либо не допускают вовсе внесения изменений в информацию или допускают незначительное ее изменение, например, редактирование записей в базе данных или внесение новых записей. Это дешевые системы, которые представляют очень скромные требования к ПК.

Выбор конкретной системы для пользователя возможен только тогда, когда он ясно представляет себе, какие задачи необходимо решить при помощи ГИС, какие результаты он хочет получить в итоге, насколько велик объём обрабатываемой информации, насколько часто придется решать новые задачи, и сколь существенны изменения при подходе к их решению.

Самыми распространенными и мощными ГИС являются:

ArcInfo (фирмы Esri; фирма находиться в Калифорнии). Эта система стала распространяться в мире с 1982 года. Она самая ранняя, следовательно, и самая «навороченная»; ArcView (Esri) — с1983 года. На основе этих программ создан первый электронный атлас «Наша земля», в который вошли более 200 карт масштабов от 1:1000000 до 1:10000000,космические снимки, слайды;

MapInfo Professional (MapInfo Corporation, USA).

Отечественные: GeoDraw, ГеоГраф/ГеоКонструктор.

Подробнее см. в «…Учебном пособии» Раклова В.П.

Лекция №4