Структура современных гис.

Для большинства геоинформационные системы стали не более чем инструментом решения повседневных задач. На сегодня очевидна необходимость в массовых ГИС класса desktop. Одним из важнейших критериев этой массовости является наличие версии программного продукта для PC-платформ, так как таковыми считаются около 60 % компьютеров в мире, и, наверное, 80 % в России. Другой важный критерий - цена, что особенно актуально для нашей страны.

Из систем указанного класса в России наиболее известны следующие: ArcView, ArcInfo фирмы ESRI, MapInfo корпорации MapInfo, Atlas GIS из Strategic Mapping Inc., GeoGraph из ЦГИ ИГ РАН, ГИС Карта 2011 из ЗАО КБ «Панорама», Sinteks/Tri фирмы Трисофт, WinGIS от Progis.

Первое, с чего может начать пользователь при выборе ГИС - это следующие вопросы: какие форматы пространственных данных система поддерживает?, какие базы данных могут быть просмотрены?, как эти два типа информации могут быть связаны друг с другом, или с другой информацией?

1. Из пространственных данных во всех рассмотренных системах применяются векторные карты и растры.

Векторная модель данных

• Основана на векторах (направленных отрезках прямых)

• Базовой основой является точка

• Объекты создаются путем соединения точек прямыми линиями или дугами

• Площади определяются набором линий

• Представляет собой объектно-ориентированную систему

Рис.1 Пример векторного представления пространственных объектов

Безразмерные типы объектов

• Точка - определяет геометрическое положение

• Узел - топологический переход или конечная точка, также может определять местоположение

Примечание: атpибуты в базах данных - позиционные [строго привязанные к конкретному объекту] (метpические [размерные], топологические [определяют место положение объекта]) и непозиционными (тематические, семантические [форма представления объекта]).

Одномерные типы объектов

• Линия - одномерный объект

• Линейный сегмент - прямая линия между двумя точками

• Строка - последовательность линейных сегментов

• Дуга - геометрическое место точек, которые формируют кривую, определенную математической функцией

• Связь - соединение между двумя узлами

• Направленная связь - связь с одним определенным направлением

• Цепочка - направленная последовательность непересекающихся линейных сегментов или дуг с узлами на их концах

• Кольцо - последовательность непересекающихся цепочек, строк, связей или замкнутых дуг

Рис. 2 Пример слоев, составленных из пространственных объектов линейного типа

Двумерные типы объектов

• Область - ограниченный непрерывный объект, который может включать или не включать в себя собственную границу

• Внутренняя область - область, которая не включает собственную границу

• Полигон - область, состоящая из внутренней области, одного внешнего кольца и нескольких непересекающихся, не вложенных внутренних колец

• Пиксель - элемент изображения, который является самым малым неделимым элементом изображения

Рис. 3 Примеры слоев, составленные из пространственных объектов

полигонального типа

Растровая модель данных

• Разбивает всю изучаемую территорию на элементы регулярной сетки или ячейки.

• Каждая ячейка содержит только одно значение.

Растры представляют привычные для нас сплошные изображения. Это обычно бывают аэро- или космические снимки, хотя растры могут представлять и статистическую информацию - распределение чего-либо на территории. В ГИС класса desktop не требуются изощренные возможности обработки изображений. Растры просто отображаются как подложка под векторными слоями карты. С точки зрения карты растр - такой же слой, только он должен лежать ниже всех векторных слоев. В качестве растров в большинстве систем берутся картинки в хорошо известных форматах BMP, GIF, TIFF, JPEG, Targa, PCX и др. Если качество исходной информации, например карты, не очень хорошее, то необходима ее коррекция.

Коррекция изображения в ГИС является необязательной возможностью. Иногда может только понадобиться отредактировать палитру изображения с индексированными цветами или, очень редко, возникает необходимость корректировать яркость или контраст растра в составе карты. Для этого существуют мощные специализированные средства image processingа (графические редакторы - Photoshop, Paint, CorelDraw и т.д.). Однако, в принципе, следует знать, что в настольных ГИС есть некоторые минимальные средства работы с растрами.

Каждая из моделей имеет свои преимущества:

2. Множество слоев в карте перекрывается при ее отображении, и требуется как-то отличать содержимое карты. Для этого используется легенда карты - информация о внешнем виде объектов. Отображение будет различным в зависимости от того, к какому слою принадлежат объекты на карте. Легенда несет в себе информацию о том, каким цветом и каким заполнителем следует в отдельно взятых слоях закрасить полигоны, каким типом линии провести линейные объекты, какими значками показать точки и т.д.

Рис. 4 Способы отображения пространственных объектов на карте

Объекты ГИС представляют объекты реального мира. Каждый объект имеет месторасположение, форму представления (точка, линия или полигон), а также символ (картографический знак), помогающий идентифицировать объект и получить о нем информацию.

• Точки представляют собой объекты с конкретным местоположением, имеющие слишком малый размер, чтобы быть определяемыми как площади, например: скважины, железнодорожные станции, школы.

• Линии представляют собой объекты, имеющие длину, но являющиеся слишком узкими, чтобы быть определяемыми как площади, например: магистрали, реки, железные дороги.

• Полигоны представляют собой объекты, имеющие слишком большой размер, чтобы обозначаться точками или линиями, например: земельные участки, территории торговых зон, округа, штаты, страны.

Существуют символы для точек, символы для линии и символы полигонов.

• Символы для точек часто выглядят как обозначаемые ими объекты. Например, символом школы может быть домик, а аэропорта - изображение аэроплана.

Рис. 5 Картографическое отображение точечных объектов

• Линейные символы включают толстые или тонкие, сплошные пли штриховые линии различных цветов.

Рис. 6 Картографическое отображение линейных объектов

• Полигональные символы включают цвета и образцы для заливки форм. Некоторые цвета могут находиться в естественной связи с представленными ими объектами, к примеру, синий - для океана и зеленый - для парков.

Рис. 7 Картографическое отображение площадных объектов

3. Но мало просто различить слои - надо также правильно расположить и организовать карту. Для расположения карты применяются географические проекции.

Картографическая проекция осуществляет перенос координат со сферической поверхности земного шара на плоскость карты. Подобный процесс порождает искажения формы, площади, расстояния и направления. Существует несколько разновидностей картографических проекций, которые различаются по степени своей пригодности для представления определенных частей земной поверхности. Некоторые картографические проекции сводят к минимуму искажения по одному параметру за счет увеличения искажения по другим параметрам, в то время как другие картографические проекции пытаются минимизировать все искажения в равной степени.

Проекция, которая называется проекцией Меркатора, является равновеликой, то есть сохраняющей формы в пределах небольших площадей. Проекция Мольвейде является проекцией равных площадей, то есть стремится к сохранению свойств площади. Проекция Робинсона представляет собой пример компромиссной проекции: она пытается уменьшить искажение по нескольким параметрам и в то же время не сохраняет точность ни по одному из параметров. Проекция Робинсона уменьшает искажения формы и площади.

Средства задания типа проекции встроены прямо в ГИС.

Организация карты подразумевает тот вид карты, который появится перед конечным пользователем или на бумаге, то есть какие элементы и как будут изображаться в зависимости от масштаба карты. Весьма полезна возможность при увеличении масштаба показать какие-то более мелкие объекты, более детализировать увеличенный фрагмент карты. В большинстве ГИС можно задать, какие объекты, при каких масштабах будут видны, а при каких скрыты. Другими словами, наличие функций генерализации картографических изображений обязательно для современных ГИС.

В процессе генерализации картографического изображения производится отбор картографируемых явлений, обобщение качественных и количественных характеристик, упрощение плановых очертаний изображаемых объектов, замена отдельных объектов их собирательными обозначениями.

Отбор картографируемых явлений - это ограничение содержания карты необходимыми явлениями и объектами и исключение прочих (даются только необходимые с точки зрения назначения карты, тематики, масштаба и географических особенностей территории). Отбор производится путем установки цензов, т. е. границ отбора объектов разных категорий.

Обобщение количественных характеристик состоит в переходе от непрерывной шкалы к ступенчатой и далее в укрупнении интервалов (ступеней). Иллюстрацией может служить сокра­щение числа ступеней в группировке населенных пунктов по их людности, при котором интервалы ступеней расширяются.

Обобщение качественных характеристик - означает сокращение качественных различий в данной категории объектов: во-первых посредством замены дробных классификаций обоб­щенными (леса хвойные, лиственные, смешанные на просто леса); во-вторых, в результате исключения низших ступеней классификации (при характеристике населенных пунктов по ад­министративному признаку путем исключения особых знаков для центров районов и сельсоветов).

Продумывая структуру электронной карты, нужно помнить и о вложенности электронных карт. Некоторые системы предоставляют возможности hot linkа - горячей связи, или открытия нового документа при "нажатии" на объект на карте. Простой пример, когда это может понадобиться - карты страны с городами, где можно также получить крупномасштабную карту каждого отдельного города.

4. Очень немного задач, в которых применение ГИС ограничивалось бы только отображением цифровых карт и растров. Требуются, как правило, хотя бы самые минимальные средства обработки этих данных. В зависимости от калибра системы это могут быть запросы различной сложности, как к графическим объектам, так и к базе данных.

Пространственные запросы (запросы к графическим объектам) являются одной из главных задач любой ГИС. Самый простой и известный из них - ручное выделение объектов на карте, когда Вы "мышью" выделяете один или несколько объектов. При этом подсвечиваются объекты, а также связанные с ними записи атрибутивной таблицы. Более серьезные задачи решаются с помощью оверлейных операций и буферных зон.

Оверлеи - заключаются в частичном или полном пересечении нескольких объектов на карте. Что с чем пересекается, задается при организации запроса, и попавшие под условие пересечения объекты выделяются. Пересечение - частный случай, может быть задано полное попадание объекта в объект, пересечение на заданный процент площади и т.д.

Рис. 8 Пример применения процедуры топологического оверлея "точка-в-полигон" с перестройкой таблицы атрибутов

Буферные зоны организуются логически вокруг графических объектов. Для точки буфером будет обычно круг, для линии и полигона - полигон. Буфер сам не является обычно объектом карты, он лишь служит для выделения пересекших его или целиком лежащих в нем объектов, то есть работает, в конечном счете, с помощью оверлеев.

Рис. 9 Примеры построения буферных зон вокруг пространственных объектов

5. Реальные физические объекты не только существуют, но и обладают некоторыми свойствами. Так, у города есть размер населения, у района - глава администрации, у страны - общая площадь и тип государственного управления. И для хранения всей этой информации применяются атрибутивные таблицы. В них каждому картографическому объекту соответствует запись базы данных, отдельные поля которой - числовые, символьные, логические - определяют различные атрибуты объекта.

Необязательно хранить все атрибутивные данные слоя в одной таблице - можно информацию из разных источников держать в разных таблицах, и связывать их (горизонтально, запись к записи) логически в одну большую таблицу. Для этого можно использовать одинаковое во всех таблицах и в то время уникальное в пределах отдельно взятой таблицы поле - номер объекта. Это важно, поскольку в современном мире информация постоянно меняется, то есть достаточно обновлять только одну из исходных табличек. При выполнении пространственных запросов атрибутика помогает более точно идентифицировать объект - в самом простом случае мы можем указать объект на карте и получить о нем подробную информацию (номер, имя, размер и т.д.) Можно, разумеется, организовывать выбор объектов на карте посредством запросов к атрибутивной таблице, так как мы знаем, что выделение объектов связано с выделением их атрибутивных записей. В любой ГИС можно организовать запрос к атрибутике. Предпочтение отдается двум формам: языку запросов наподобие SQL (Structured Query Language), или шаблону, совпадающие с которым записи и выделяются. Последний называется QBE (Query By Example).

6. Большие массивы информации удобнее организовывать в базы данных – внутренние или внешние. ГИС работает с ними на уровне файлового обмена, и поддерживает только несколько определенных, например dBase. Применение ASCII Delimited обеспечит восприятие Вашей базы данных большинством систем при этом скоростные характеристики при работе с ним весьма низки. Чтобы избежать проблем при росте БД, можно прибегнуть к помощи внешних баз данных.

Технология обмена с ними заключается не в работе с файлами БД, а в обращении к интегратору баз данных. В среде Windows наиболее известный ODBC (Open DataBase Connectivity). Суть состоит в том, чтобы уже интегратор брал на себя проблемы работы или с файлами баз данных, или выполнял свою работу через "большие" СУБД, такие как Oracle, Informix и т. д.

7. Даже самый полнофункциональный ГИС не может учесть потребности всех и каждого. Наращиваемая функциональная часть - вот одна из важнейших черт современных геоинформационных систем. Вы можете создать свою, новую функцию, соединяющую сотню уже существующих в ГИС или наоборот, "облегчать" систему. "Облегчение" системы обычно снижает аппаратные требования пользовательского рабочего места и поможет не запутаться в своей работе самому пользователю. Вот эти причины - наращивание системы и устранение лишних функций - и вызывают необходимость в наличии инструментария, или инструментальных средств разработчика. Сам инструментарий включает две вещи: средства настройки пользовательского интерфейса и создания приложений.

Пользовательский интерфейс - это средства общения программы с человеком. Это "лицо" программы, по нему пользователь составляет первое впечатление о программном продукте. Это, в конечном счете, серьезно влияет на потребительские качества продукта. Удобно организованный интерфейс зачастую не менее важен для пользователя, чем функциональная часть. Типичные возможности настройки интерфейса позволяют изменить главное меню программы, создать новые диалоговые окна программы, определить "горячие клавиши" (hot keys) для убыстрения наиболее часто повторяющихся операций. Настройка удобного интерфейса осуществляется или внутри самого ГИС, или отдельной программой, поставляемой вместе с ним.

Под ГИС-приложениями мы будем понимать специально разработанные для решения каких-то конкретных задач алгоритмы обработки данных. Если обобщить известные средства создания приложений, их можно четко разделить на две неравные группы.

Первая - преобладающая - располагает собственной, встроенной средой разработки, имеет свой оригинальный язык программирования - это ArcView, MapInfo, Sinteks. Такие ГИС живут каждая "внутри себя", то есть и речи не идет о том, чтобы быстро и эффективно перенести приложение с одной ГИС на другую - слишком уж разные языки и идеология построения.

Другая (меньшая) часть ГИС только помогает разработчику создать геоинформационное приложение, а сами среды разработки не несут в себе такого объема многопользовательских функций как наиболее распространенные ГИС.