Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Геоинформатика_1 / Учебник_Тикунов_FULL

.pdf
Скачиваний:
208
Добавлен:
13.02.2015
Размер:
6.57 Mб
Скачать

Виханский 0. С, Голиченков А. К., Гусев М. В., Добреньков В. И., Донцов А. И., Засурский Я. Н., Зинченко Ю. П. (ответственный секретарь), Камзолов А. И. (ответственный секретарь), Карпов С. П., Касимов Н. С, Колесов В. П., Лободанов А. П., Лунин В. В., Лупанов 0. Б.,

Мейер М. С, Миронов В. В. (заместитель председателя), Михалев А. В., Моисеев Е. И., Пушаровский Д. Ю., Раевская 0. В., Ремнева М.Л., Розов Н.Х.,

Салецкий А. М. (заместитель председателя), Сурин А. В., Тер-Минасова С. Г., Ткачук В. А., Третьяков Ю.Д., Трухин В. И., Трофимов В.Т. (заместитель председателя), Шоба С. А. Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова

ГЕОИНФОРМАТИКА

Под редакцией проф. B.C.Тикунова

Лопушено Министерством образования и науки Российской Фелераиии вкачествеучебникадлястулентоввысших

учебныхзавелений, обучающихсяпо спеииальностям

012500 «География», 013100 «Природопользование», 013600 «Геоэкология», 351400 «Прикладная информатика {по областям)»

Москва

«Академия»

2005

1

УДК 91(075.8) ББК26.8я73

Г35

Печатается по решению Ученого совета Московского университета

Авторы:

<

Е.Г.Капралов, А.В.Кошкарев, В.С.Тикунов, В.В.Глазырин, А.В.Заварзин, С.С.Замай, И.К.Лурье, В.А.Охонин, В.И.Пырьев, И.А.Рыльский, В.И.Семин, Б.Б.Серапинас, А.В.Симонов, А.М.Трофимов, М.Э.Флейс, О.Э.Якубайлик, В.Б.Яровых

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф., акад. РАН В.Г.Бондур; д-р техн. наук, проф. Д. В. Лисицкий; д-р геогр. наук, проф. В. 3. Макаров

Геоинформатика: Учеб. для студ. вузов / Е.Г.Капралов, Г35 А. В. Кошкарев, В. С. Тикунов и др.; Под ред. В. С. Тикунова. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 480 с, [8] с. цв. ил.: ил. (Классический университетский учебник) ISBN 5-7695-1924-Х

В учебнике освещены общие вопросы геоинформатики, функциональные возможности географических информационных систем (ГИС), принципы проектирования, интеграции данных и технологий, особенности интеллектуализации ГИС и систем поддержки принятия решений. Вместе с учебным пособием «Сборник задач и упражнений по геоинформатике», дополненным компакт-диском, составляет учебный комплект.

Для студентов экологических, географических, геологических и других специальностей, изучающих и использующих географические информационные системы.

©Коллектив ав горов, 2005

®Об|>адовател: но-издательский центр «Академия», 2005

©Оформление. Издательский центр «Академия», 2005

2

Содержание

 

Введение........................................................................................................................................................................

5

Глава 1 ВВЕДЕНИЕ В ГЕОИНФОРМАТИКУ............................................................................................

10

1.1. Понятие географической информационной системы........................................................................

10

1.2. Геоинформатика: наука, технология, индустрия.................................................................................

21

1.3. Периодизация развития геоинформатики............................................................................................

29

Глава 2. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ГИС....................................................................

37

2.1. Ввод, предобработка и хранение данных.............................................................................................

37

2.1.1. Источники данных..............................................................................................................................

37

2.1.2. Модели пространственных данных..............................................................................................

47

2.1.3. Аналого-цифровое преобразование данных................................................................................

64

2.1.4. Базы данных и управление ими.......................................................................................................

79

2.2. Геоанализ и моделирование..................................................................................................................

105

2.2.1. Общие аналитические операции и методы пространственно-временного

 

моделирования............................................................................................................................................

105

2.2.3. Цифровое моделирование рельефа ............................................................................................

154

2.2.4. Математико-картографическое моделирование........................................................................

173

2.3. Визуализация данных..............................................................................................................................

185

2.3.1. Картографическая визуализация.................................................................................................

185

2.3.2. Изображения в неевклидовой метрике........................................................................................

195

2.3.3. Виртуально-реальностные изображения.............................................................................................

217

2.3.4. Картографические анимации..........................................................................................................

229

Глава 3 ГИС КАК ОСНОВА ИНТЕГРАЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДАННЫХ И ТЕХНОЛОГИЙ

...................................................................................................................................................................................

242

3.1. ГИС и дистанционное зондирование..........................................................................................................

242

3.2. ГИС и глобальные системы позиционирования........................................................................................

261

3.3. ГИС и Интернет............................................................................................................................................

278

3.4. Понятие о мультимедиа...............................................................................................................................

293

Глава 4 ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИЯ И ПОДДЕРЖКА ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В ГЕОИНФОРМАТИКЕ

...................................................................................................................................................................................

308

4.1. Технологии искусственного интеллекта и экспертные системы..................................................

308

4.2. Нейронные сети и ГИС............................................................................................................................

318

4.3. Системы поддержки принятия решений....................................................................................................

329

Глава 5 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИС................................................................................................................

345

5.1. Разработка системного проекта ГИС...................................................................................................

345

5.2. Инфраструктуры пространственных данных .....................................................................................

365

5.3. Реализация геоинформационных проектов.......................................................................................

381

Рекомендуемая литература для самостоятельной работы ........................................................................

398

Учебники и учебные пособия..........................................................................................................................

398

Монографии и сборники...................................................................................................................................

398

Цитируемая литература.......................................................................................................................................

400

3

Уважаемый читатель!

Вы открыли одну из замечательных книг, изданных в серии «Классический университетский учебник», посвященной 250-летию Московского университета. Серия включает свыше 150 учебников и учебных пособий, рекомендованных к изданию Учеными советами факультетов, редакционным советом серии и издаваемых к юбилею по решению Ученого совета МГУ.

Московский университет всегда славился своими профессорами и преподавателями, воспитавшими не одно поколение студентов, впоследствии внесших заметный вклад в развитие нашей страны, составивших гордость отечественной и мировой науки, культуры и образования.

Высокий уровень образования, которое дает Московский университет, в первую очередь обеспечивается высоким уровнем написанных выдающимися учеными и педагогами учебников и учебных пособий, в которых сочетаются как глубина, так и доступность излагаемого материала. В этих книгах аккумулируется бесценный опыт методики и методологии преподавания, который становится достоянием не только Московского университета, но и других университетов России и всего мира.

Издание серии «Классический университетский учебник» наглядно демонстрирует вклад, который вносит Московский университет в классическое университетское образование в нашей стране, и, несомненно, служит его развитию.

Решение этой благородной задачи было бы невозможно без активной помощи со стороны издательств, принявших участие в издании книг серии «Классический университетский учебник». Мы расцениваем это как поддержку ими позиции, которую занимает Московский университет в вопросах науки и образования. Это служит также свидетельством того, что 250-летний юбилей Московского университета – выдающееся событие в жизни всей нашей страны, мирового образовательного сообщества.

Ректор Московского университета

 

академик РАН, профессор

В. А. Садовничий

4

Введение

Внауках о Земле и обществе, имеющих дело с пространственными данными, сложилась интересная ситуация – информационный «взрыв» соседствует с информационным «голодом». Часть специалистов сетует на ограниченность сведений, что ведет к упрощению описаний, гипотетичности исследований, их некондиционности и т.д., другие, наоборот, не успевают переработать горы материала. Парадокс? Вряд ли, скорее объективная картина стихийно сложившейся реальности. Даже располагая определенными данными, рационально ли мы ими распоряжаемся и используем их? К сожалению, в большинстве случаев нет. Сложно получить сведения об уже накопленных материалах, затруднен обмен и доступ к ним – ведомственные и даже личные барьеры, режимные ограничения и неупорядоченность данных препятствуют рациональному и эффективному использованию информационных ресурсов.

Внастоящее время во многих вузах страны открыты кафедры со специализациями по геоинформатике; экологам, географам, геологам, почвоведам и другим студентам, изучающим дисциплины не только о Земле, но и об обществе, читается курс «Геоинформатика». Более того, стали появляться не только специализированные средние учебные заведения, но даже общеобразовательные школы. В одной из таких школ (№ 8 г. Ханты-Мансийска) создан Межшкольный центр развития геоинформационных технологий. Опубликована серия учебников и учебных пособий (дополняемых рядом монографических изданий, материалов конференций), но, несмотря на это, издания, которое бы охватывало практически все современные аспекты геоинформатики, до настоящего времени в России нет.

Поставленные цели требовали от авторов достаточно систематического изложения материала, причем не только преподавателями, но и практиками, что побудило привлечь к написанию учебника большое количество ведущих специалистов из самых различных областей науки, производства. Для более детального ознакомления с материалом можно обратиться к учебному пособию «Основы геоинформатики» [Е.Г.Капралов,

А.В.Кошкарев, В.С.Тику-нов и др., 2004]'.

Здесь и далее рекомендуемая литература выделена полужирным шрифтом. 6. Учебник состоит из пяти глав. Первая вводит читателя в сферу геоинформатики и начинается с понятия о географических информационных системах (геоинформационных системах, ГИС). Представление о ГИС как об информационных системах, оперирующих пространственно-координированными (пространственными, географическими) данными, уже давно и достаточно прочно вошло в научный обиход. Но логика изложения материала с использованием конкретных примеров позволяет понять технику проектирования ГИС, представить их функциональные возможности и внутреннее устройство, а главное – убедиться в практической целесообразности решения многих

5

практических задач в среде ГИС. Далее изложение следует по установившейся традиции классификации ГИС по разным основаниям, включая пространственный (пространственно-временной) охват, предметную область информационного моделирования, проблемную ориентацию, их структурно-функциональные и прикладные особенности.

Этих первоначальных сведений о ГИС оказывается достаточно для того, чтобы в следующем подразделе обсудить существо геоинформатики как науки, технологии и индустрии, определить ее предмет и метод, место в системе наук, направления взаимодействия с другими науками и технологиями, подчеркнуть ее роль интегратора всех иных геотехнологий, подробно остановившись на отношениях геоинформатики и картографии как двух самодостаточных, альтернативных и взаимодополняющих средств пространственного моделирования реальности. Теория и методология геоинформатики, еще не вполне сформировавшиеся, в существенной мере покоятся на обобщении и осмыслении эмпирического опыта внедрения геоинформационных технологий в самые разнообразные сферы человеческой деятельности. В этом плане важна краткая характеристика истории становления геоинформатики с ее периодами роста, разочарований, смены приоритетов и формирования теоретической базы, методологии, сфер приложения и т.д.

Во второй главе изложены функциональные возможности важнейших технологических блоков ГИС. В первом подразделе главы приведены сведения о регистрации, вводе и хранении данных, характеристике средств формирования баз данных, создании систем управления ими. В деятельности, связанной с использованием пространственнокоординированных данных, традиционно применяются литературные, статистические, картографические, аэро-и космические материалы. Их подборка, систематизация, накопление, хранение и обработка для последующего использования осуществляются, как правило, в машинной среде.

Модели пространственных данных – один из ключевых подразделов второй главы. Модель данных – это свод правил, по которым конструируются сложные пространственные объекты из более простых или элементарных, иначе – язык описания пространственных данных. Среди множества моделей (представлений) можно выделить базовые, «канонические», проверенные временем и реализованные в подавляющем большинстве современных программных средств ГИС. Это векторные, растровые, регулярно-ячеистые и квадротомические. Современная практика предлагает множество вариантов канонических моделей, ведутся эксперименты с их многомерными расширениями. Большие перспективы сулит объектно-ориентированный подход к моделированию пространственных данных. Рассмотрены модели аналого-цифрового преобразования данных, состоящие из трех крупных блоков: цифрования, обеспечения качества оцифрованных материалов и интеграции разнородных цифровых материалов. Охарактеризованы базы и банки данных, а

6

также системы управления ими.

Во втором подразделе представлены операции, связанные с анализом пространственно-временных явлений. Это прежде всего функции организации выбора объектов по тем или иным условиям, функции редактирования структуры и информации в базах данных, функции картографической визуализации, картометри-ческие функции, функции построения буферных зон, анализа наложений, функции сетевого анализа и др. Здесь же кратко рассмотрены многообразные аспекты специализированного анализа, например, ориентированного на вопросы геологии или географии: метод размытых (нечетких) множеств, нейронных сетей, теория хаоса, катастроф, фрактальный анализ. Особое место, ввиду важности для многих наук о Земле, имеющих дело с пространственно-координированными данными, занимают методы классификаций, поэтому они выделены в специальный подраздел.

К особой группе геомоделирующих функций ГИС также принято относить цифровое моделирование рельефа (ЦМР). Опыт создания и использования ЦМР, наследующий традиции и методики ранних этапов развития геоинформатики и автоматизированной картографии, богат примерами решения разнообразных научных и научно-прикладных задач, в том числе на основе ЦМР национального масштаба. Многоцелевое использование ЦМР основано на функциях их обработки программными средствами ГИС и включает расчет производных морфометрических характеристик (углов наклона и экспозиций склонов), оценку формы склонов, экстракцию из ЦМР сети тальвегов и водоразделов и иных структурных элементов, оценку зон видимости/невидимости, построение трехмерных изображений. Завершает блок материал по математикокартографическому моделированию в рамках информационных технологий. Этот вид моделирования позволяет органически комплексировать математические и картографические модели в системе «создание-использование карт» для конструирования или анализа тематического содержания карт.

Охарактеризована методика создания элементарных и сложных (цепочкообразных, сетевых и древовидных) математико-картографических моделей.

Третий подраздел второй главы касается вывода и документирования результатов обработки данных. Здесь прежде всего рассматриваются методы картографической визуализации. Разумеется, программные средства ГИС – далеко не самый лучший (эффективный, дешевый и удобный) инструмент для производства карт, наследующих принципы и традиции «докомпьютерного» этапа картосоставления и картоиздания. Для этих целей разработаны и с большим успехом применяются автоматизированные картографические системы, системы настольного картографирования и графические редакторы. В данном блоке помещены также материалы о нетрадиционных формах визуализации, в первую очередь об анаморфозах. Рассмотрены методы создания линейных, площадных и объемных

7

анаморфоз. Очень важны и наглядны виртуально-реаль-ностные изображения, позволяющие имитировать облеты, объезды территории на виртуальном самолете, вертолете, автомобиле в реальном времени, совершать движения в какой-либо среде (например, погружение под воду с имитацией эффектов освещения и динамики движения) и т.д. Завершают главу анимации карт, анаморфоз и виртуально-реальностные изображения. Анимации развития явлений в пространстве и во времени позволяют отображать процессы их эволюции и др.

В третьей главе изложены способы интеграции методов дистанционного зондирования и спутникового позиционирования в геоинформационной среде. Охарактеризованы сетевые технологии и комплексные мультимедийные системы в трех ракурсах: как идея, т.е. способ хранения, организации и передачи информации различного типа; как оборудование, которое позволяет работать с информацией различной природы и доставлять ее потребителю и, наконец, как продукт, составленный из данных всевозможных типов, объединенных общей идеей и представляющий интерес для конечного пользователя.

Четвертая глава посвящена аспектам интеллектуализации геоинформатики. ГИС все чаще стали применяться в качестве инструментария, позволяющего более объективно принимать решения в самых разных областях человеческой деятельности, что привело к интеллектуализации геоинформатики. Геоинформатика стала также средством получения новых знаний в целом ряде наук. Здесь прежде всего рассмотрены экспертные системы и нейросети. Важнейшее практическое приложение методов искусственного интеллекта происходит через формирование систем поддержки принятия решений. Они позволяют обеспечить моделирование альтернативных решений на разных этапах, их анализ и выбор вариантов, удовлетворяющих поставленным условиям.

В пятой, завершающей, главе характеризуются требования и этап-ность проектирования ГИС. Разработка любой геоинформационной системы – сложный процесс, включающий определение целей ее создания, задач, решаемых с помощью системы, структуры системы, организацию данных, подбор программного обеспечения, создание организационных механизмов накопления и использования информации и т. п. Кратко проанализированы организационные аспекты, а также инфраструктуры пространственных данных (ИПД). Здесь читатель познакомится с одной из наиболее примечательных и многообещающих тенденций развития прикладной геоинформатики на рубеже веков, еще раз иллюстрируя большую интегрирующую и системообразующую роль геоинформационных технологий в пространственно-информационном обустройстве крупных территорий. Национальные инициативы ряда стран рассматриваются как часть более общего процесса глобализации геоинформационных ресурсов и индустрии, обозначенной в проекте Глобальной ИПД. Завершает учебник краткий обзор опыта реализации геоинформационных проектов от глобального до локального уровня.

8

Учебник дополняется «Сборником задач и упражнений по геоинформатике», который позволит закрепить пройденный материал и овладеть практическими навыками работы с геоинформационными системами. Он будет дополнен компакт-диском с иллюстрациями, воспроизведение которых возможно только в электронной среде, и с материалом, необходимым для выполнения практических упражнений.

Предисловие, подразд. 1.1 и 1.3 написаны А. В. Кошкаревым и В.С.Тикуновым; подразд. 1.2, 5.2, 2.1.2 и 2.3.1 – А.В.Кошкаревым; подразд. 2.2.3 – А.В.Кошкаревым и Е.Г.Капраловым; подразд. 5.1, 5.3 и 2.1.1 – Е.Г.Капраловым и В.С.Тикуновым; подразд. 2.1.3 – В.Б.Яровых, М.Э.Флейс и А.В.Кошкаревым; подразд. 3.1 и 2.1.4 – И.К.Лурье; подразд. 2.2.1 – Е.Г.Капраловым, В. С. Тикуновым и А. М. Трофимовым; подразд. 2.2.2 – А. В. Завар-зиным и В.С.Тикуновым; подразд. 2.2.4 и 2.3.2 – В.С.Тикуновым; подразд. 2.3.3 – И. А.Рыльским; подразд. 2.3.4 – И. А.Рыльским и В.С.Тикуновым; подразд. 3.2 – Б.Б.Серапинасом; подразд. 3.3 – А. В. Симоновым; подразд. 3.4 – В. И. Семиным и В. С.Тикуновым; подразд. 4.1 – В.В.Глазыриным, В.С.Тикуновым и О.Э.Якубай-ликом; подразд. 4.2 – С. С. Замаем, В. А. Охониным и О. Э.Якубай-ликом; подразд. 4.3 – В.И.Пырьевым.

В подбор материала и организационную работу с авторами книги, а также в обсуждении учебника большой вклад внесла ГИС-Ассоциация

(www.gisa.ru; www.gisa.gubkin.ru).

Замечания и пожелания по совершенствованию учебника можно сообщить редактору книги В.С. Тикунову по адресу: 119992, Москва, МГУ, Географический факультет.

9

Глава 1 ВВЕДЕНИЕ В ГЕОИНФОРМАТИКУ

1.1. Понятие географической информационной системы

Появление географических информационных систем относят к началу 60-х годов XX в. Именно тогда появились предпосылки и условия для информатизации и компьютеризации сфер деятельности, связанных с моделированием географического пространства и решением пространственных задач. Их разработка связана с исследованиями, проведенными университетами, академическими учреждениями, оборонными ведомствами и картографическими службами.

Впервые термин «географическая информационная система» появился в англоязычной литературе и использовался в двух вариантах,

таких, как geographic information system и geographical information system,

очень скоро он также получил сокращенное наименование (аббревиатуру) GIS. Чуть позже этот термин проник в российский научный лексикон, где существует в двух равнозначных формах: исходной полной в виде «географической информационной системы» и редуцированной в виде «геоинформационной системы». Первая из них очень скоро стала официально-парадной, а вполне разумное стремление к краткости в речи и текстах сократило последнюю из них до аббревиатуры «ГИС».

Очень кратко ГИС определялись как информационные системы,

обеспечивающие сбор, хранение, обработку, отображение и распространение данных, а также получение на их основе новой информации и знаний о пространственно-координированных явлениях. Более полное определение ГИС будет приведено далее после введения основных понятий геоинформатики. Прежде всего обратимся к базовым категориям – данным, информации и знаниям, которые были использованы при определении ГИС.

Термины «данные», «информация» и «знания»1 стали общеупот-

ребительными, постоянно встречаясь в газетах, теле- и радиопередачах, научных и научно-популярных публикациях. Смысл их кажется предельно ясным, и они легко заменяются не только в быту, но и науке такими словами, как «сообщения», «сведения», «сигнал», «материалы» и др. При этом не обращают внимания на то, что эти понятия, имея много общего, заметно разнятся по своей сути.

Под «данными» будем понимать совокупность фактов и сведений, представленных в каком-либо формализованном виде (в количественном или качественном выражении) для их использования в науке или других сферах человеческой деятельности. Иначе говоря: «Данные соответствуют дискретным зарегистрированным фактам относительно явлений, в результате чего мы получаем информацию о реальном мире... Слово

1 Краткое толкование этих терминов, здесь и далее выделяемых курсивом, можно найти в списке терминов, приведенном в конце книги.

10