- •Оглавление
- •Введение
- •1.1. Определения и задачи геоинформатики
- •1.2.1. Определение и толкование базовых понятий геоинформатики
- •1.3. Общее представление о ГИС
- •1.4. Основные этапы развития ГИС
- •1.5. География и ГИС
- •2.1. Типы и источники пространственных данных
- •2.2. Проектирование географических баз данных
- •2.2.1. Требования к базе данных
- •2.2.2. Этапы проектирования базы данных
- •2.3. Представление пространственных объектов в БД
- •2.3.1. Выбор модели пространственной информации
- •2.3.2. Особенности представления пространственных объектов в БД
- •2.3.3. Позиционная и семантическая составляющие данных
- •2.4. Системы управления базами данных в ГИС
- •2.4.1. Функции СУБД
- •2.4.2. Задачи и функции СУБД в ГИС
- •2.4.3. Базовые понятия реляционных баз данных
- •2.4.4. Язык реляционных баз данных SQL — функции и основные возможности
- •2.4.5. Объектно-ориентированные и реляционные структуры БД
- •2.4.6. СУБД в архитектуре «клиент-сервер»
- •2.5. Организация и форматы данных
- •2.6. Качество данных и контроль ошибок
- •2.6.1. Типы ошибок в данных и их источники
- •2.6.2. Позиционная точность данных
- •3.1. Требования к техническому и программному обеспечению ГИС
- •3.3. Характеристика технических средств ГИС
- •3.4. Технологии ввода графической информации
- •3.5. Преобразования форматов данных
- •3.7. Общая характеристика программных коммерческих ГИС-пакетов
- •4.1.1. Пространственная привязка данных и преобразование проекций
- •4.1.2. Алгоритмы трансформирования геоизображений
- •4.1.3. Определение координат контрольных точек
- •4.1.4. Оценка ошибок трансформирования
- •4.2. Дискретная географическая привязка данных
- •4.3. Операции с данными в векторном формате
- •4.3.1. Представление пространственных объектов и взаимосвязей
- •4.3.2. Алгоритмы определения пересечения линий
- •4.3.3. Способы вычисления длин линий, периметров и площадей полигонов
- •4.3.4. Алгоритм «точка в полигоне»
- •4.3.5. ГИС-технологии пространственного анализа
- •4.3.6. Операции оверлея полигонов
- •4.4. Хранение и преобразование растровых данных
- •4.4.1. Кодирование и сжатие информации
- •4.4.2. Иерархические структуры данных. Дерево квадрантов
- •4.4.3. Операции с растровыми слоями БД
- •4.4.4. Технологии анализа данных, основанные на ячейках растра
- •4.5. ГИС-технологии совмещения и оценки пригодности данных
- •5.1. Методы пространственного анализа
- •5.1.1. Классификация объектов путем группировки значений их признака
- •5.1.2. Методы интеграции признаков для исследования взаимосвязей и классификации объектов
- •5.1.3. Исследование взаимосвязей объектов с использованием операций оверлея слоев
- •5.1.4. Выбор объектов по пространственным критериям. Построение запросов
- •5.1.5. Анализ сетей
- •5.1.6. Тематическое согласование слоев
- •5.2. Методы пространственного моделирования
- •5.2.2. Подготовка исходных данных для создания модели
- •5.2.3. Интерполяция по дискретно расположенным точкам
- •5.2.4. Построение статистических поверхностей
- •5.2.5. Определение местоположения и оптимального размещения объектов
- •5.2.6. Моделирование пространственных распределений
- •5.2.7. Интерполяция по ареалам
- •5.3. Применение пространственных моделей
- •5.4. Обеспечение принятия пространственных решений
- •5.4.1. Методы обеспечения поддержки принятия решений
- •5.4.2. Понятия нечетких географических объектов и нечетких множеств
- •5.4.3. Экспертные подсистемы ГИС
- •6.1. Разработка ГИС-проекта
- •6.2. Общие вопросы проектирования базы данных ГИС
- •6.3. Учет особенностей моделей данных и функциональных средств ГИС
- •Глава 7. Задачи и методы геоинформационного картографирования
- •7.1. Определения, особенности и задачи геоинформационного картографирования
- •7.2. Основные этапы развития методов и средств автоматизации в картографии
- •7.3. Географические основы ГК
- •7.4. Структура системы геоинформационного картографирования
- •7.5.1. Задачи проектирования картографических БД
- •7.5.2. Качество цифровых карт
- •7.6.1. Электронные и компьютерные карты
- •7.6.2. Графические стандарты
- •7.6.3. Спецификация цвета и цветовые палитры
- •7.6.4. Компоновка электронных и компьютерных карт
- •7.7. Методы геоинформационного картографирования
- •7.7.2. Создание тематических карт на основе методов пространственного моделирования в ГИС
- •7.8. Автоматизированная генерализация тематических карт
- •7.8.1. Семантическая и геометрическая генерализация
- •7.8.2. Элементы генерализации линий
- •7.8.3. Использование теории фракталов
- •7.9. Формализация и алгоритмизация процесса картографирования
- •7.9.1. Картометрические функции
- •7.9.2. Определение положения центральной точки полигона и скелетизация
- •7.9.3. Построение системы картографических знаков и размещение надписей
- •7.10. Новые направления и технологии геоинформационного картографирования
- •7.10.1. Оперативное картографирование и картографические анимации
- •7.10.2. Картография и Интернет
- •Глава 8. Цифровая обработка изображений для создания баз данных ГИС и тематических карт
- •8.1. Применение данных дистанционного зондирования в ГИС и тематическом картографировании
- •8.2. Методы цифровой обработки космических снимков
- •8.3. Методы дешифрирования, основанные на преобразовании спектральных яркостей
- •8.3.1. Спектральное пространство и дешифровочные признаки
- •8.3.2. Синтез изображений и анализ главных компонент
- •8.3.3. Производные дешифровочные признаки
- •8.4. Алгоритмы классификации
- •8.4.1. Правила и типы автоматизированной классификации
- •8.4.2. Алгоритмы контролируемой классификации
- •8.4.3. Алгоритмы неконтролируемой классификации
- •8.4.4. Оценка результатов классификации
- •8.5. Алгоритмы выполнения географического анализа по космическим снимкам
- •8.5.1. Изучение динамики явлений (объектов) по картам и снимкам
- •8.5.2. Изучение географических объектов с использованием методов нечеткой и экспертной классификации
- •Литература
- •Учебники и учебные пособия
- •Монографии
- •Справочники и руководства
- •Предметный указатель
73. Географические основы ГК |
269 |
терной картографии: высокие капитальные затраты, хотя и сократившиеся к настоящему времени; компьютерные методы все еще не обеспечивают производство высококачественных карт — ощущается потеря уважения к картографическим традициям и, следовательно, увеличивается производство «карт-подделок».
Один из магистральных путей совершенствования геоинформационного картографирования — опора на опыт отечественной школы географической картографии.
7.3. Географические основы ГК
Наследуя структуру традиционного географического картографирования, ГК включает отраслевое и комплексное, аналитическое и синтетическое направления. В соответствии с классификациями, принятыми в картографии, в ГК выделяют виды и типы картографирования. Его можно разделять по пространственному охвату, масштабу, назначению, степени синтеза и иным основаниям [Картоведение, 2003].
При постоянно наблюдаемых проявлениях стремительного прогресса программно-аппаратного и информационного обеспечения ГК, сравнительной простоты и распространенности компьютерного картографирования, доступности для пользователей, не имеющих достаточной географо-картографической подготовки, все более очевидной становится необходимость его содержательного географического обоснования [География, общество, окружающая среда, 2004].
Развитие ГИС и ГК дает географии и родственным ей наукам о Земле и обществе уникальный шанс действительно стать основой передовой научной технологии, базой для развития геоинформационной (географической информационной) индустрии [Берлянт, 1996]. Для этого необходимо сосредоточить усилия географов не столько на аппартатно-программном, сколько именно на географическом обеспечении ГИС-технологий и ГК. Они необходимы именно для географического анализа и отображения структурных закономерностей, динамики и взаимосвязей природных, социальных, экономических и экологических явлений на основе имеющегося обилия фактических данных, которые трудно не только обработать даже с применением компьютерных технологий, но и осмыслить без подробного географического анализа.
2 7 0 |
Глава7. Задачи и методы геоинформационного картографирования |
Традиции отечественной школы атласного картографирования — опыт комплексных географических исследований и системного тематического картографирования — служат основанием при разработке проблем ГК. Геоинформационное картографирование возникло и развивается как прямое продолжение комплексного, синтетического — системного картографирования в новой геоинформационной среде.
Комплексные географические исследования всегда предусматривали изучение генезиса, состояния и тенденций развития геосистем. В разных отраслях географии накоплен обширный арсенал методов изучения конкретных объектов и процессов. Многие из них реализуемы с применением ГИС-технологий. Это методы географического моделирования геосистем и их компонентов, районирования, классификации, структурного и типологического анализа, выявления корреляционных взаимосвязей, ведущих факторов размещения и развития объектов и процессов (см. главу 5).
Основанные на принципах географической интерполяции и экстраполяции, такие методы позволяют продолжать выявленные закономерности в будущее время и на неизученные объекты, способствуют решению в ГК задач географического прогноза и мониторинга. Приемы ключевых исследований, детальных в пределах эталонных участков, обеспечивают возможность автоматического выполнения контролируемой классификации и распознавания объектов. Их достоверность находится в прямой зависимости от географической репрезентативности выбранных ключей (эталонов).
Принципы комплексирования и оптимизации набора источников информации — карт, снимков, полевых наблюдений, статистических данных и др. и приемов их анализа — это одно из достижений методики географических исследований. Поэтому повышение надежности ГИС и ГК связано с разработкой географически достоверных критериев рационального, т. е. целесообразно ограниченного комплекса данных и набора методов, поскольку до сих пор проявляется стремление к максимально полному использованию имеющихся в распоряжении источников, невзирая на их избыточность, взаимозависимость или даже противоречивость.
Методы географической индикации, давно применяемые в комплексных географических исследованиях, приобрели особое значение для ГК и ГИС-технологий. Индикация позволяет по совокупности
73. Географические основы ГК |
271 |
характерных внешних признаков судить о явлениях, скрытых от непосредственного наблюдения. Ландшафтно-индикационные методы эффективны при картографировании почв и ландшафтов, выявлении ареалов заболеваний и поиске полезных ископаемых, обнаружении радиоактивного загрязнения и зон тектонических разломов, оценке качества грунтовых вод и изменений климата, при дешифрировании снимков. Наиболее значимые индикационные признаки — рисунок изображения, его морфологический облик, структурно-текстурные особенности и топологические связи. По сути дела, речь идет о принятии решений относительно наличия и свойств какого-либо объекта по набору косвенных признаков, представленных на картах и снимках, — задача, типичная для ГИСтехнологий. Географическая индикация особенно востребована для формирования баз знаний, разработки правил и методик принятия решений и, следовательно, для географического обеспечения ГК в целом.
Сходства и аналогии между атласами как системными географи- ческими произведениями и ГИС прослеживаются по многим линиям. Они одинаковы по пространственному охвату (от глобального до муниципального), тематике (геологические, экологические и т. п.), назначению (научно-справочные, учебные, навигационные и др.). Атласы и ГИС могут быть комплексными или узко отраслевыми, иначе говоря, проблемно-ориентированными. Общая структура ГИС, отдельных блоков и слоев информации во многом повторяет структуру атласов и их разделов. Нередко ГИС имеют своим прототипом традиционные «бумажные» атласы либо создаются как продолжение и расширение электронных атласов.
Среди характерных свойств атласов, которые должны быть внедрены в проектирование БД ГИС и в методику геоинформационного картографирования, следует выделить:
•общность географических основ и базовых карт;
•согласование легенд, шкал и градаций;
•соблюдение, по возможности, единого уровня генерализации, цензов и норм отбора;
•единство изобразительных средств и дизайна;
•взаимное согласование карт;
•приуроченность содержания к определенной дате (согласование данных во времени).
2 7 2 Глава 7. Задачи и методы геоинформационного картографирования
При проектировании и создании баз данных геометрическое согласование по проекциям и масштабу — достаточно легко решаемая задача, тогда как увязка тематического содержания разных слоев в процессе картографирования — узловая и достаточно сложная проблема (см. параграф 5.1.6).
С географическим обоснованием и выполнением согласования карт при ГК неразры вно связан выбор основы и базовой карты, которые служат каркасом для географической привязки и координирования всех данных, вводимых в ГИС, совмещения информационных слоев и последующего анализа с применением процедур оверлея. В зависимости от тематики и проблемной ориентации ГК в качестве базовых могут быть избраны следующие основы [Картоведение, 2003]:
•карты административно-территориального деления;
•топографические и общегеографические карты;
•кадастровые карты и планы;
•фотокарты, ортофотопланы местности;
•ландшафтные карты;
•карты природного районирования и схемы природных контуров;
•карты использования земель.
Возможны и комбинации этих основ, например, сочетание ландшафтных карт с топографическими, где рельеф передан горизонталями, или фотокарт с картами использования земель и т. п.
7.4. Структура системы геоинформационного картографирования
На разработку структуры и создание автоматизированных картографических систем (АКС) с конца 70-х гг. были направлены значительные усилия картографов, математиков, программистов, специалистов по электронной технике. Считалось, что решение технических проблем позволит решить все задачи автоматизации в картографии. И действительно, мониторы и другие устройства графического ввода-вывода, постоянно развиваясь в достижении графического совершенства, оказали существенное влияние на развитие АКС и ГИС и далее — систем геоинформационного картографирования.
7.4. Структура системы геоинформационного картографирования |
273 |
По составу компьютерных средств современные системы геоинформационного картографирования практически ничем не отличаются от ГИС, которые по «техническому» определению являются системами, состоящими из подсистем ввода, хранения, обработки и вывода информации. Набор их технических и программных средств, в основном, сформировался (описание см. в разделе 3.1).
Основные отличительные особенности систем геоинформационного картографирования и ГИС содержатся в подсистемах хранения, обработки и вывода информации. Они связаны с содержанием базы данных и набором программ для моделирования, анализа и отображения информации с целью создания карт.
В системе ГК база данных должна быть преимущественно картографической специализации, представляющей собой упорядоченное множество взаимосвязанных цифровых карт в составе системы геоинформационного картографирования.
Цифровая карта — цифровая модель карты, созданная путем цифрования картографических источников, фотограмметрической обработки данных дистанционного зондирования, цифровой регистрации данных полевых съемок или иным способом в отличие от цифровых пространственных данных в ГИС и цифровых моделей местности.
Как уже отмечалось (см. параграф 2.3.2), цифровые карты содержит не атрибуты моделируемых ими объектов реальности, а свойства картографических знаков, выражающих эти атрибуты графически. Основное назначение цифровых карт — компьютерное картографирование (изготовление бумажных карт).
Цифровая картографическая информация может организовываться в картографические БД, картографические банки данных.
Картографическая база данных — совокупность взаимосвязанных картографических данных. Они формируются для каждой предметной области исследования, для которой создаются или создавались ранее цифровые карты, образуя в совокупности картографический банк данных.
Картографический банк данных (КБнД), или банк цифровых карт, — это информационная система централизованного хранения и коллективного использования картографической информации, которая содержит совокупность картографических баз данных, СУБД и комплекс прикладных программ.
2 7 4 |
Глава 7. Задачи и методы геоинформационного картографирования |
Процесс создания карт в ГИС намного более гибок, чем в традиционных методах ручного или автоматического картографирования. Он начинается с создания картографической базы данных, к достоинствам которых можно отнести следующие свойства:
•непрерывность (без деления на отдельные листы и регионы как карты);
•возможность создания карт (в электронной или бумажной форме) на любую территорию, задаваемого масштаба, с нужной нагрузкой, с ее отображением требуемыми символами;
•легкость пополнения новыми данными (например, из других баз данных), а имеющиеся в ней данные можно корректировать по мере необходимости;
•быстрое копирование данных и их пересылка по локальным и глобальным сетям.
Другое отличие системы ГК и ГИС заложено в блоке обработки информации — наборе программных функций. В системе ГК программные функции обеспечивают автоматизированное создание карт и их воспроизведение в бумажной форме, но могут не обладать развитыми возможностями пространственного анализа и моделирования, необходимого для ГИС.
Современная тенденция проявляется в использовании в обеих системах одних и тех же программных комплексов — ГИС-пакетов. а также распространенных графических пакетов программ, что снимает необходимость создания специализированных систем ГК. Чаще это понятие применяют, когда хотят подчеркнуть основную задачу — создание компьютерной карты в традиционном виде и наличие устройств вывода такой карты (в ГИС созданные картографические слои хранятся в БД и могут при необходимости выводиться в виде картографического изображения только на экран монитора — в виде электронной карты).
Рынок коммерческих ГИС-пакетов, обладающих развитыми функциями создания карт, обширен и продолжает наращиваться, особенно в направлении настольных картографических систем. Наибольшее распространение как картографические получили ГИС-пакеты, произведенные в США: ArcView (ESRI) и Maplnfo (Maplnfo Corporation), а также профессиональные ГИС-пакеты
7.4. Структура системы геоинформационного картографирования |
2 7 5 |
ArcGIS и GeoMedia. Из отечественных разработок наиболее распространены пакеты GeoDraw и GeoGraph Центра геоинформационных технологий ИГ РАН, ГИС «Карта-2005».
Для систем геоинформационного картографирования важны требования к подсистеме графического вывода. Они должны выбираться с учетом: возможности работы с большими изображениями, качества цветопередачи, отсутствия геометрических искажений, визуального качества создаваемых карт и т. п.
Поскольку процесс создания цифровой и компьютерной карты длителен и утомителен, особенно для глаз, нужно уделять должное внимание выбору монитора. Технические характеристики их описаны в разделе 3.3. В настоящее время в качестве пригодных для рабочего места картографа могут считаться жидкокристаллические мониторы (ЖКМ) с размером экрана не менее 19 дюймов.
ЖКМ обладают рядом преимуществ перед ЭЛТ-мониторами, среди которых:
•каждый пиксел формируется индивидуально, что обеспечивает абсолютную фокусировку, ясность и четкость; отсутствие мерцания и следа от движущихся объектов;
•отсутствие ошибок совмещения цвета и геометрических искажений;
•шаг пикселов зависит только от их размера, а не от расстояния между ними, поэтому изображение получается более целостным и гладким;
•входной сигнал может быть как аналоговым, гак и цифровым;
•ЖКМ имеют пониженное потребление энергии и теплоотдачи.
Разрешение ЖК экранов стремится к показателям лазерных принтеров, достигая шага пикселов 0,18 мм.
Принтеры и плоттеры должны быть высокого геометрического разрешения с расширенными возможностями управления цветом.
Перьевые графопостроители создают векторные изображения путем перемещения пера под управлением компьютера. Большинство устройств дискретно — линия рисуется большим количеством движений заданной длины в заданных направлениях. Для смещений существует только восемь направлений, однако размер шага настолько