КОНСПЕКТЫ ЛЕКЦИЙ
по дисциплине «Геоинформационные системы»
280201.65 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов»
г. Владивосток
2013
Модуль 1. Понятия об информационных и геоинформационных системах. Структура и функциональные возможности ГИС (4 часа)
Тема 1. Понятия об информационных и геоинформационных системах. Структура и функциональные возможности ГИС
Лекция 1.Информационной системой является автоматизированная система, предназначенная для хранения, обработки и представления данных в удобном виде.
Информационные системы существовали с момента появления общества, поскольку на любой стадии развития общество требует для своего управления систематизированной, предварительно подготовленной информации. Особенно это касается разнообразных производственных процессов, так как они жизненно важны для развития общества. Они совершенствуются наиболее динамично, и по мере их развития усложняется и управление ими, что стимулирует совершенствование и развитие информационных систем.
В общем случае структуру информационной системы можно представить в виде совокупности отдельных ее частей, называемых подсистемами.
Подсистема — это часть системы, выделенная по какому-либо признаку.
Для системы характерны следующиеосновные свойства:
- сложность;
- делимость;
- целостность;
- многообразие элементов и различие их природы;
- структурированность.
Развитие информационных систем привело к появлению геоинформационных систем. Отличием и сущностью ГИС является то, что в таких системах объекты и явления рассматриваются с точки зрения их размещения на поверхности Земли (или относительно поверхности Земли), т.е. информация в ГИС специальным образом пространственно привязана. Именно это отличает геосистемы от других природных, социальных и смешанных систем и позволяет рассматривать ГИС как инструмент моделирования геосистем. Основой для интеграции такой информации, т.е. теоретической и практической основой любой ГИС, является базовая карта или система карт. Кроме того, с помощью карт во многих случаях осуществляется отображение информации для различных приложений. Каждая карта должна создаваться в определенной геодезической системе координат, в принятой картографической проекции, в заданной системе размерностей с использованием теории, методов и технологий соответствующих научных дисциплин.
Геоинформационные системы в отличие от информационных систем обеспечивают возможность для решения широкого спектра задач из различных областей знаний. Используя системный подход, рассмотрим применение ГИС с различных позиций:
ГИС как класс автоматизированных систем;
ГИС как система управления;
ГИС как автоматизированная информационная система;
ГИС как геосистемы;
ГИС как системы, использующие базы данных;
ГИС как системы моделирования;
ГИС как системы получения проектных решений;
ГИС как система представления информации;
ГИС как интегрированная система;
ГИС как прикладная система;
ГИС как система массового пользования;
Лекция 2.На основе методов системного анализа дается обобщенная оценка типичных признаков принадлежности информационной системы к классу ГИС и ее отличительных свойств.
Для анализа обобщенной ГИС даются основные понятия иерархии информационной интегрированной системы.
Верхним уровнем понятий является интегрированная система – независимый комплекс, в котором выполняются все процессы обработки, обмена и представления информации. Схема системы включает в себя системные уровни, подсистемы, процессы, задачи.
Система может быть полной и неполной.
Полной будем называть ту систему, которая в процессе работы осуществляет технологический цикл, включающий следующие процессы:
- ввод (или возможность ввода) всех видов информации данной предметной области для решения задач, поставленных перед системой;
- обработку информации с привлечением набора существующих средств, применяемых для решения данного класса задач;
- вывод или представление данных в форматах вывода согласно заданию без использования других систем.
Неполной называют систему, которая осуществляет частичную обработку данных, частичный ввод данных или использует другие системы в процессе обработки.
Более низким уровнем по отношению к системе является системный уровень. Этот термин определяет часть системы, объединяющую подсистемы и процессы обработки по функциональным и технологическим признакам. Системный уровень может включать от одной до нескольких подсистем.
Подсистему определим как часть системы, объединенную по функциональным методам обработки данных, включающим разные алгоритмы и способы моделирования. Подсистема может быть локальной или распределенной.
Распределенной будем считать подсистему, состоящую из фрагментов, которые располагаются на различных узлах сети компьютеров, возможно, управляются различными системами и допускают участие в работе нескольких пользователей из разных узлов сети.
В отличие от распределенной локальная подсистема сгруппирована в одной точке сети и, как правило, обслуживается одним пользователем.
В подсистему входит процесс обработки данных – совокупность методов, обеспечивающих реализацию алгоритма обработки или одного метода моделирования, решающего одну или несколько задач обработки данных. Он подразделяется на локальный, системный и распределенный.
Значение терминов локальный и распределенный аналогично значению их для подсистем. Системный процесс предназначен для обслуживания систем; как правило, он является «прозрачным» (т.е. незаметным) для пользователя.
Задача как элемент системы определяется простейшим циклом обработки типизированных данных. В этом контексте задача может быть связана с алгоритмами обработки (с вычислениями) или технологическими процессами, не связанными с вычислениями типа ввода данных, формирования данных, визуального контроля данных, функционирования автоматизированных датчиков или устройств и т.п.
Для системного анализа обобщенной ГИС целесообразно использовать положения общей теории систем (ОТС), обоснованные в работах М.ДЖ. Месаровича и Ю.А. Урманцева, и методы структурного анализа, широко применяемые при разработке программных проектов и систем.
Процесс разработки ГИС интерпретируется как поиск оптимальной структуры системы путем разбиения ее на подсистемы. При этом реализуется концепция разработки «сверху вниз».
Построение схемы обобщенной ГИС можно осуществить на основе анализа входных/выходных информационных потоков, функционирующих в автоматизированной системе.
Совокупность входных и выходных данных ГИС может быть представлена в виде независимых технологических совокупностей трех групп: сбора, моделирования и хранения, представления.
Модуль 2. Место ГИС среди других автоматизированных систем (2 ч)
Лекция 3.Автоматизированная обработка информации в ГИС предполагает использование ряда технологических процессов из различных смежных предметных областей: фотограмметрии, САПР, АСНИ и т.д. В силу этого целесообразно рассмотреть технологии функционирования достаточно апробированных автоматизированных систем, таких как АСНИ, САПР, АСИС, экспертные системы (ЭС), что позволит при оптимальном учете их специфики использовать технологические достижения и решения, применяемые во всех исследуемых предметных областях.
АСНИ технологически настроена на сбор и первичную обработку разнообразной информации, что является также и потребностью ГИС. По этой причине можно рассматривать АСНИ как систему, наиболее близкую к ГИС на этапах сбора и первичной обработки данных.
По формам организации АСНИ делятся на три группы: специальные, локальные и глобальные. По функциям можно также выделить три группы АСНИ: информационно-поисковые, подсказывающие и обучающие; расчетные на основе модельного машинного эксперимента; экспериментальных исследований.
Технологии САПР служат основой интеграции всех прочих технологий в ГИС. Основное назначение САПР – получение оптимальных проектных решений – отвечает требованиям ГИС на уровне моделирования и хранения (формирования ЦММ) и проектирования (карт) на основе уже собранной, унифицированной информации.
Проектирование в САПР осуществляется путем декомпозиции проектной задачи с последующим синтезом общего проектного решения. В процессе синтеза проекта используются функциональные ресурсы базы данных в условиях диалогового взаимодействия проектировщиков с комплексом средств автоматизации проектирования.
Технологии проектирования в САПР базируются на следующих принципах:
использование комплексного моделирования;
интерактивное взаимодействие с цифровой моделью;
принятие проектных решений на основе математических моделей и проектных процедур, реализуемых средствами вычислительной техники;
обеспечение единства модели проекта на всех этапах и стадиях проектирования;
использование единой информационной базы для автоматизированных процедур синтеза и анализа проекта, а также для управления процессом проектирования;
проведение многовариантного проектирования и комплексной оценки проекта с применением методов оптимизации;
обеспечение максимальной инвариантности информационных ресурсов, их слабой зависимости от конкретной области применения, простоты настройки на отраслевую специфику.
Все перечисленные принципы приемлемы для моделирования и проектирования в ГИС.
Автоматизированная справочно-информационная система (АСИС) использует ЭВМ на этапах ввод, обработки и выдачи справочных данных по различным запросам потребителей. Она представляет собой развитие информационно-поисковых систем, обеспечивающих ранее выполнение функций автоматизации архивов и информационного поиска.
Для современных АСИС характерны преимущества системного направления развития:
многофункциональность, т.е. способность решать разнообразные задачи;
одноразовость подготовки и ввода данных;
независимость процесса сбора и обновления (актуализация) данных от процесса их использования прикладными программами;
независимость прикладных программ от физической организации базы данных;
развитие средства лингвистического обеспечения.
Все это технологически совместимо с представлением информации в ГИС.
Экспертные системы можно рассматривать как класс автоматизированных информационных систем, содержащих базы данных и базы знаний, способных осуществлять анализ и коррекцию данных независимо от санкции пользователя, анализировать и принимать решения, как по запросу, так и независимо от запроса пользователя и выполнять ряд аналитически-классификационных задач. В частности, ЭС должны разбивать входную информацию на группы, консультировать, делать выводы, ставить диагноз, обучать прогнозированию, идентифицировать, интерпретировать и т.д.
Основными преимуществами ЭС перед другими автоматизированными системами являются:
возможность решения оптимизации или получения оценок новых классов трудноформализуемых задач, реализация которых на ЭВМ до недавнего времени считалась затруднительной и невозможной;
обеспечение возможности пользователю-непрограммисту вести диалог на естественном языке и применять методы визуализации информации для эффективного использования ЭВМ и решения задач в своей предметной области;
накопление данных, знаний, правил использования знаний, правил самообучения ЭС для получения все более достоверных и квалифицированных выводов или решений, включая не санкционированные пользователем;
решение вопросов или проблем, которые сам пользователь не в состоянии решить либо из-за отсутствия у него информации, либо из-за ее многообразия, либо из-за длительности обычного решения даже при помощи ЭВМ;
возможность создания индивидуальных специализированных ЭС за счет использования развитых инструментальных средств и личного опыта пользователя-разработчика этой системы.
Экспертные системы должны служить составной частью ГИС как систем принятия решений.
Модуль 3. Особенности организации данных в ГИС (4 ч)
Лекция 4.ГИС использует разнообразные данные об объектах, характеристиках земной поверхности, информацию о формах и связях между объектами, различные описательные сведения.
Для того чтобы полностью отобразить геообъекты реального мира и все их свойства, понадобилось бы бесконечно большая база данных. Поэтому, используя приемы генерации и абстракции, необходимо свести множество данных к конечному объему, легко поддающимуся анализу и управлению. Это достигается применением моделей, сохраняющих основные свойства объектов исследования и не содержащих второстепенные свойства. Поэтому первым этапом разработки ГИС или технологии ее применения является обоснование выбора моделей данных для создания информационной основы ГИС.
Целостность, непротиворечивость и оптимальность этой общей модели ГИС обусловливается обоснованным выбором составляющих частей модели.
Модели объектов ГИС, хранящиеся в базах данных, состоят из более простых частей, которые принято называть моделями данных. В свою очередь, модели данных в ГИС имеют сложную многоуровневую структуру, в которой нижние уровни состоят из элементарных (атомарных) моделей данных. Из элементарных моделей конструируются более сложные. Конструирование, или проектирование сложных моделей на основе более простых, зависит от выбора структуры сложной модели, от типа связей в сложной модели и от качественных характеристик элементарных моделей.
Проблема организации базы данных в ГИС сводится к решению ряда задач, первой из которых является организация моделей объектов. Это определяет необходимость предварительного анализа свойств элементарных моделей данных, составляющих более сложные модели в БД, и выбора базовых теоретических моделей с учетом конкретной предметной области задач ГИС. Такой подход позволяет оптимизировать создание информационной основы и процессы обработки данных в БД.
Координатные данные, составляющие один из основных классов геоинформационных данных, используют для указания местоположения на земной поверхности.
Для отображения положения точек поверхности на плоскости используют различные математические модели поверхности и различные системы координат. На практике применяют два основных типа координат: плоские и сферические. Реже применяют криволинейные или полярные.
Одних координатных данных недостаточно для картографической или сложной графической информации. Картографические объекты, кроме метрической, обладают некоторой присвоенной им описательной информацией (название политических единиц, городов и рек). Характеристики объектов, входящие в состав этой информации, называют атрибутами. Совокупность возможных атрибутов определяет класс атрибутивных моделей ГИС.
Лекция 5.Инфологическая модель является базовой моделью данных, используемой в ГИС. Она дает формализованное описание проблемной области независимо от структур данных.
Одно из главных понятий инфологической модели – объект. Это понятие связано с событиями: возникновение, исчезновение и изменение. Объекты могут быть атомарными или составными.
Целью инфологического моделирования является формализация объектов реального мира предметной области и методов обработки информации в соответствии с поставленными задачами обработки и требованиями представления данных. Выполняется при обеспечении наиболее естественных для человека способов сбора и представления информации.
Основными компонентами инфологической модели являются:
описание предметной области;
описание предметов обработки;
описание информационных потребностей пользователя.
Инфологическая модель носит описательный характер. В силу некоторой произвольности форм описания в настоящее время не существует общепринятых способов ее построения. Используют аналитические методы, методы графического описания, системный подход.
Иерархическая модель относится к наиболее простым структурно определенным моделям. В этой модели данных связи между ее частями являются жесткими, а ее структурная диаграмма должна быть упорядоченным деревом. При этом, для описания различных уровней модели используют следующие понятия: корень, ствол, ветви, листья и лес.
Схемным представлением иерархической модели является граф, включающий два типа элементов: дуги и узлы.
Узлы соединяются между собой дугами. Дуги соответствуют функциональным связям и должны быть всегда направлены от корня в листья дерева, т.е. они являются ориентированным графом. Такая структура называется иерархическим деревом или деревом определения.
В иерархических моделях данных существует два внутренних ограничения. Первое ограничение – все типы связей должны быть фукнциональными, второе – структура связей должна быть древовидной. Следствием этих ограничений является необходимость соответствующей структуризации данных. В силу функциональности связей запись может иметь не более одной исходной записи любого типа, т.е. связь должна иметь жесткий вид – один ко многим.
Недостатком иерархической модели является снижение времени доступа при большом числе уровней, поэтому в ГИС не используются модели при большом числе уровней (более 10). Однако иерархические модели довольно устойчиво применяются для составления различного рода классификаторов.
Квадротомическое дерево относится к иерархической структуре данных и используется для накопления и хранения географической информации.
Технология построения квадротомического дерева основана на рекурсивном разделении квадрата на квадранты и подквадранты до тех пор, пока все подквадранты не станут однородными по отношению к значению изображения (цвета) или пока не будет достигнут предопределенный заранее наименьший уровень разрешения.
Преимущество такой структуры состоит в том, что регулярное разделение обеспечивает накопление, восстановление и обработку данных простым и эффективным способом. Простота проистекает из геометрической регулярности разбиения, а эффективность достигается за счет хранения только узлов с данными, которые представляют интерес.
Первые приложения моделей квадротомических деревьев в основном были разработаны для обработки изображений. Из этой области данная модель была перенесена в ГИС и стала использоваться для хранения географических данных.
В современных информационных системах и базах данных наиболее широко представлены реляционные модели. Термин «реляционный» указывает, прежде всего на то, что такая модель хранения данных построена на взаимоотношении составляющих ее частей, которые удобно хранить в виде таблицы. Таблица состоит из строк и столбцов и имеет имя, уникальное внутри базы данных. Информация в реляционной модели данных представлена в виде совокупности взаимосвязанных таблиц, которые принято называть отношениями и реляциями.
Основными понятиями реляционной модели данных являются: тип данных, домен, атрибут, кортеж, ключ.
Модель данных «сущность-связь» (часто называемая также ER-моделью – по первым буквам английских слов Entity (сущность) и Relation (связь)) дает представление о предметной области в виде объектов, называемых сущностями, между которыми фиксируются связи. Основными понятиями ER-модели являются сущность, связь и атрибут.
В основе модели лежит представление о том, что предметная область состоит из отдельных объектов, находящихся друг с другом в определенных связях. Объекты описываются различными параметрами или атрибутами; однотипные объекты описываются одним и тем же набором параметров и объединяются во множества или классы (сущности). Конкретные объекты, составляющие класс, называются экземплярами соответствующей сущности. Между сущностями идентифицируются взаимосвязи различного вида: один к одному, один ко многим и др.
ER-модели, в связи с наглядностью представления концептуальных схем баз данных, получили широкое распространение в CASE-средствах, предназначенных для автоматизированного проектирования реляционных баз данных.
Основой визуального представления данных при помощи ГИС-технологий служит так называемая графическая среда. Основу графической среды и, соответственно, визуализации базы данных ГИС составляют векторные и растровые модели.
В общем случае модели пространственных (координатных) данных могут иметь векторное или растровое (ячеистое) представление, содержать или не содержать топологические характеристики. Этотподходпозволяетклассифицироватьмоделипотремтипам:
растроваямодель;
векторнаянетопологическаямодель;
векторнаятопологическаямодель.
Все эти модели взаимно преобразуемы. Тем не менее при получении каждой из них необходимо учитывать их особенности. В ГИС форме представления координатных данных соответствуют два основных подкласса моделей – векторные и растровые (ячеистые и мозаичные). Возможен класс моделей, которые содержат характеристики, как векторов, так и мозаик. Они называются гибридными моделями.
Модуль 4.Работа в программах пакета ArcGIS (24 ч)
Тема 1. (2 часа)Начало работы с ArcGIS
Знакомство с пакетом. Модуль ArcCatalog: функциональные возможности, просмотр данных, подключение к данным. Работа с модулем ArcMap: изучение карты, добавление слоев к карте, добавление объектов из базы геоданных, изменение отображения объектов, добавление надписей.
Тема 2. (2 часа)Системы координат и проекции
Запуск карты, соединение с данными. Изменение системы координат. Свойства проекций.
Тема 3 (2 часа)Построение новой карты по существующим темам
Построение карты по соответствующему образцу. Идентификация имеющихся объектов. Работа с атрибутивными таблицами.
Тема 4. (2 часа)Создание таблиц
Создание базы геоданных. Создание новой таблицы. Добавление объектов на карту по их х, y координатам. Подсчет статистик. Построение диаграмм.
Тема 5. (2 часа)Создание тем
Создание и редактирование точечной, линейной и полигонной тем. Правила топологии.
Тема 6. (2 часа)Наборы классов объектов
Создание наборов классов объектов. Подтипы и атрибутивные домены.
Тема 7. (2 часа)Классы отношений
Типы отношений. Правила отношений. Создание класса простых отношений. Создание класса отношений с атрибутами.
Тема 8. (2 часа)Создание топологии
Создание правил топологии. Исправление ошибок согласно правилам топологии.
Тема 9. (2 часа)Запросы
Пространственные и непространственные запросы.
Тема 10 (2 часа)Соединение данных
Соединение таблиц. Соединение данных разных слоев по расположению. Создание нового составного слоя.
Тема 11. (2 часов)Надписи и аннотации
Просмотр и создание надписей. Панель инструментов «Аннотации». Конвертация надписей в аннотации.
Тема 12. (2 часа)Создание проекта
Создание карты. Создание тем. Создание таблицы и добавление данных по координатам на карту. Атрибутивные запросы. Построение диаграмм. Создание компоновки.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет»
(ДВФУ)
Школа естественных наук ДВФУ
|
