ГИС-технологии в прикладной механике

Документ № 3 к экзамену

по современным информационным технологиям

магистранта Соловьева Валерия Александровича.

гИС-ТЕХНОЛОГИИ В ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКЕ.

Введение

В том, что владение точной и достоверной информацией есть важнейшее условие достижения успеха, уже никого не нужно убеждать. Но еще более важно уметь работать с имеющейся информацией. Методы работы с данными постоянно совершенствуются, и теперь уже привычно видеть документы, таблицы, графики, чертежи и картинки на экране компьютера. При помощи компьютера мы создаем и изменяем, извлекаем и анализируем данные. Одним из типов документов, в который компьютер вдохнул новую жизнь, стала и географическая карта.

 Существуют виды деятельности, в которых карты - электронные, бумажные или хотя бы представляемые в уме - незаменимы. Ведь многие дела невозможно начать, не выяснив предварительно, ГДЕ находится точка приложения наших усилий. Даже в быту мы ежечасно и иногда даже ежеминутно работаем с информацией о географическом положении объектов; магазин, детский сад, метро, работа, школа… Пространственное мышление естественно для нашего сознания.

 Последние десятилетия ознаменовались бумом в области применения карт, и связано это с возникновением Географических Информационных Систем, воплотивших принципиально новый подход в работе с пространственными данными.

Геоинформационные технологии в настоящее время приобрели необычайную актуальность и получили широкое распространение [3],[4].

О значении геоинформационных систем (ГИС) в жизни современного общества можно судить по тому вниманию, которое уделяется им на государственном уровне в развитых странах. Во многих из них созданы специальные информационные центры и сотни ГИС самого разного назначения: земельные, кадастровые, муниципальные, ресурсные, экологические, океанологические, навигационные и т. д. В ряде стран мира образованы особые национальные и региональные учреждения, в задачи которых входит развитие ГИС и оперативного автоматизированного картографирования, координация программ получения, обработки и распределения геоинформации, создание сетей ГИС, исследование юридических норм функционирования геоинформации и многое другое. ГИС изучают в школах, средних и высших учебных заведениях.

Одним из главных достижений ГИС является наиболее “естественное” (с точки зрения человека) представление как собственно топологии, описывающей расположение объектов в пространстве, так и соответствующей атрибутивной информации, имеющей отношение к объектам.

Но всегда следует помнить, что ГИС в чистом виде это только набор универсальных инструментов, по-разному применяемых специалистами для их решения. Поэтому важно понимать то, каким образом можно увеличить эффективность деятельности предприятия или организации с помощью ГИС и уметь выполнять моделирование различных процессов и явлений путем эффективного их использования. ГИС являются средством, помогающим ускорить и повысить эффективность процедуры принятия решений, обеспечивают ответы на запросы и функции анализа пространственных данных, представление результатов анализа в наглядном виде. Использование ГИС позволяет улучшить их внутреннюю интеграцию: улучшить управление как собственно организацией, так и ее ресурсами на основе топологического (географического) объединения имеющихся данных, создает возможности совместного использования данных и их согласованной распределенной модификации.

Сегодня геоинформационные системы рассматривают в более широком смысле, чем во время их возникновения и развития: в аббревиатуре ГИС приставка “гео-” является производной от понятия “земля вообще”, а не только в географическом значении.

Геоинформационные системы сегодня представляют собой программные комплексы, обеспечивающие сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координатных данных; интеграцию данных и знаний о территории от земной поверхности до значительных глубин для их эффективного использования при решении научных и прикладных геозадач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением окружающей средой и территориальной организацией общества.

Для выполнения своего предназначения как информационной системы ГИС должны позволять собирать новую информацию и обновлять уже имеющуюся, манипулировать с накопленной информацией, производить пространственный и временной анализ, а также выдавать полученные результаты как в компьютерном, так и в традиционном, привычном для большинства людей виде карт, таблиц и графиков. ГИС представляют собой компьютерные технологии для картографирования, анализа и моделирования объектов реального мира, а также событий, происходящих в различных сферах экосистем.

Перспективы использования ГИС в картографии весьма широки. Имеется возможность составления производных карт по имеющимся картам и моделям (например, на основе карт рельефа, получение морфологических карт; построение карт изменений на основе разновременных карт). ГИС позволяет согласовывать тематические карты.

ГИС обладает мощными средствами моделирования и, кроме того, обладает средствами прикладного использования моделей, выполнения пространственного прогноза и получения различных картин визуализации выполненного анализа.

ГИС предоставляет обычным базам данных совершенно новую функциональность, используя пространственные взаимоотношения между объектами.

ГИС – это и аналитические средства для работы с любой координатно-привязанной информацией. Такие системы снимают очень много проблем. Они обеспечивают управление процессом визуализации. Так, например, планшеты в маркшейдерском отделе информационно очень насыщенные. Такое “нагромождение” информации мешает их (планшетов) эффективному анализу. В ГИС карта является динамической, то есть всегда имеется возможность не только убирать часть ненужной конкретному специалисту информации, но и через графический интерфейс опрашивать многочисленные источники, собирающие информацию в реальном масштабе времени, синхронизировать визуализацию с изменениями в этих источниках.

Сегодня ГИС стали обычным инструментом для решения широкого круга задач в различных областях деятельности. На их базе создаются системы управления коммунальным хозяйством, проектируются дороги, осуществляется городское планирование, создаются земельные кадастры, оцениваются запасы полезных ископаемых, решаются оптимизационные задачи. Их широко используют в архитектуре и строительстве, в геологии и геофизике, в медицине и социологии, и при добыче полезных ископаемых.

Требования к ГИС-технологиям можно сформулировать следующим образом: обеспечение ввода, контроля, хранения и отображения геоданных, преобразование, синтез, анализ и интерпретация координатно-привязанных данных, моделирование и распознавание природных объектов, прогноз картографируемых ситуаций и полезных ископаемых. При этом исходной информацией являются возможные карты качественных и количественных характеристик территории, схемы дешифрования и интерпретации геофизических данных, цифровые массивы данных геофизических и геохимических съемок, аэро- и космоснимки, фотографии и текстовые описания объектов. То есть речь идет о программных системах, которые, кроме возможностей оперирования пространственными данными, имеют также средства решения разнообразных геомониторинговых задач по комплексу разнородных данных.

Следует понимать, что ГИС-технологии это не только использование конкретной ГИС, но и весь цикл работ по обеспечению системы достоверной и актуальной информацией, а также ее взаимодействия с другими системами, используемыми наряду с ГИС в процессе решения поставленной задачи. Поскольку в различных областях деятельности нужна различная по степени подробности, достоверности и способам получения информация, то предложить решение на все случаи жизни невозможно, так же как создать оптимальную систему раз и навсегда. Нужно обеспечить преемственность, уменьшить потери информации при переходе к новому периоду развития.

ГИС уже давно перестали рассматриваться как только специальный инструментарий для выполнения научных исследований. Геоинформатика – наука прикладная, решающая проблемы других, тематических областей. Даже самые полнофункциональные ГИС не могут учесть потребности всех и каждого. Реальные же применения имеют свою специфику, которая может сильно расходиться с тем, что предлагали разработчики системы. Наращиваемая функциональная часть – вот одна из важнейших черт современных геоинформационных систем.

Уже много лет геоинформационные системы успешно применяются в различных областях человеческой деятельности - для анализа, например, экологической обстановки, выбора расположения точек розничной торговли и, в том числе, добычи, транспортировки и переработки нефти и газа. Так как настоящий диплом посвящен именно вопросам создания ГИС для трубопроводов, на них и сосредоточимся, пытаясь найти пути разработки подобных геоинформационных систем с наименьшими затратами, достигая при этом эффективного результата. Поняв, как создать такую ГИС, мы заложим фундамент энтузиазма, который требуется для каждого успешного дела. Общая идея заключается в том, что использование ГИС позволяет сделать эксплуатацию любого трубопровода более выгодной и безопасной.
Информация, необходимая при создании ГИС для трубопровода много лет назад базовой карты с нанесенным маршрутом трубопровода было вполне достаточно для решения всех вопросов. В конце концов, нужно было всего лишь положить трубу на землю и переместить добытый вами продукт из точки А в точку В. При этом не нужно было ни решать проблемы защиты окружающей среды, например. Сегодня ситуация радикально изменилась. Кроме всех регулирующих документов, требования которых должны быть удовлетворены, компания, владеющая трубопроводом, должна как можно больше знать о своем имуществе. Хорошо спроектированная ГИС для трубопровода может помочь найти верное решение в сложной ситуации. Кроме того, эта система позволяет решать ежедневные вопросы, возникающие в ходе эксплуатации трубопровода

В России и в Республике Беларусь ситуация с разработкой, распространением и внедрением ГИС-технологий весьма неоднозначная. Перед системным интегратором ГИС-системы обычно стоит “сверхзадача”: от постановки задач пользователя, выбора аппаратных платформ и программного обеспечения до адаптации программного обеспечения под конкретную информационную систему. Поэтому для успешного внедрения на “нашем рынке” необходимо обладать максимально “свежей”, широкой и достоверной информацией о тенденциях развития геоинформационных технологий, степени их реализации в коммерческих продуктах, точного понимания областей применения различных ГИС-пакетов и степени их поддержки производителями.

БАЗОВЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПОНЯТИЯ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ

1. Географическая информационная система

 Географическая информационная система (ГИС) - это возможность нового взгляда на окружающий нас мир. Если обойтись без обобщений и образов, то ГИС - это современная компьютерная технология для картирования и анализа объектов реального мира, также событий, происходящих на нашей планете. Эта технология объединяет традиционные операции работы с базами данных, такими как запрос и статистический анализ, с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эти возможности отличают ГИС от других информационных систем и обеспечивают уникальные возможности для ее применения в широком спектре задач, связанных с анализом и прогнозом явлений и событий окружающего мира, с осмыслением и выделением главных факторов и причин, а также их возможных последствий, с планированием стратегических решений и текущих последствий предпринимаемых действий.
Создание карт и географический анализ не являются чем-то абсолютно новым. Однако технология ГИС предоставляет новый, более соответствующий современности, более эффективный, удобный и быстрый подход к анализу проблем и решению задач, стоящих перед человечеством в целом, и конкретной организацией или группой людей, в частности. Она автоматизирует процедуру анализа и прогноза. До начала применения ГИС лишь немногие обладали искусством обобщения и полноценного анализа географической информации с целью обоснованного принятия оптимальных решений, основанных на современных подходах и средствах.
В настоящее время ГИС - это многомиллионная индустрия, в которую вовлечены сотни тысяч людей во всем мире. ГИС изучают в школах, колледжах и университетах. Эту технологию применяют практически во всех сферах человеческой деятельности - будь то анализ таких глобальных проблем как перенаселение, загрязнение территории, сокращение лесных угодий, природные катастрофы, так и решение частных задач, таких как поиск наилучшего маршрута между пунктами, подбор оптимального расположения нового офиса, поиск дома по его адресу, прокладка трубопровода на местности, различные муниципальные задачи.

1.2 Как работает ГИС

ГИС хранит информацию о реальном мире в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе географического положения. Этот простой, но очень гибкий подход доказал свою ценность при решении разнообразных реальных задач: для отслеживания передвижения транспортных средств и материалов, детального отображения реальной обстановки и планируемых мероприятий, моделирования глобальной циркуляции атмосферы.
Любая географическая информация содержит сведения о пространственном положении, будь то привязка к географическим или другим координатам, или ссылки на адрес, почтовый индекс, избирательный округ или округ переписи населения, идентификатор земельного или лесного участка, название дороги и т.п. При использовании подобных ссылок для автоматического определения местоположения или местоположений объекта (объектов) применяется процедура, называемая геокодированием. С ее помощью можно быстро определить и посмотреть на карте где находится интересующий вас объект или явление, такие как дом, в котором проживает ваш знакомый или находится нужная вам организация, где произошло землетрясение или наводнение, по какому маршруту проще и быстрее добраться до нужного вам пункта или дома.

Векторная и растровая модели. ГИС может работать с двумя существенно отличающимися типами данных - векторными и растровыми. В векторной модели информация о точках, линиях и полигонах кодируется и хранится в виде набора координат X,Y. Местоположение точки (точечного объекта), например буровой скважины, описывается парой координат (X,Y). Линейные объекты, такие как дороги, реки или трубопроводы, сохраняются как наборы координат X,Y. Полигональные объекты, типа речных водосборов, земельных участков или областей обслуживания, хранятся в виде замкнутого набора координат. Векторная модель особенно удобна для описания дискретных объектов и меньше подходит для описания непрерывно меняющихся свойств, таких как типы почв или доступность объектов. Растровая модель оптимальна для работы с непрерывными свойствами. Растровое изображение представляет собой набор значений для отдельных элементарных составляющих (ячеек), оно подобно отсканированной карте или картинке. Обе модели имеют свои преимущества и недостатки. Современные ГИС могут работать как с векторными, так и с растровыми моделями.
Задачи, которые решает ГИС. ГИС общего назначения, в числе прочего, обычно выполняет пять процедур (задач) с данными: ввод, манипулирование, управление, запрос и анализ, визуализацию.

Ввод. Для использования в ГИС данные должны быть преобразованы в подходящий цифровой формат. Процесс преобразования данных с бумажных карт в компьютерные файлы называется оцифровкой. В современных ГИС этот процесс может быть автоматизирован с применением сканерной технологии, что особенно важно при выполнении крупных проектов, либо, при небольшом объеме работ, данные можно вводить с помощью дигитайзера. Многие данные уже переведены в форматы, напрямую воспринимаемые ГИС-пакетами.

Манипулирование. Часто для выполнения конкретного проекта имеющиеся данные нужно дополнительно видоизменить в соответствии с требованиями вашей системы. Например, географическая информация может быть в разных масштабах (осевые линии улиц имеются в масштабе 1: 100 000, границы округов переписи населения - в масштабе 1: 50 000, а жилые объекты - в масштабе 1: 10 000). Для совместной обработки и визуализации все данные удобнее представить в едином масштабе. ГИС-технология предоставляет разные способы манипулирования пространственными данными и выделения данных, нужных для конкретной задачи.

Управление. В небольших проектах географическая информация может храниться в виде обычных файлов. Но при увеличении объема информации и росте числа пользователей для хранения, структурирования и управления данными эффективнее применять системы управления базами данных (СУБД), то специальными компьютерными средствами для работы с интегрированными наборами данных (базами данных). В ГИС наиболее удобно использовать реляционную структуру, при которой данные хранятся в табличной форме. При этом для связывания таблиц применяются общие поля. Этот простой подход достаточно гибок и широко используется во многих, как ГИС, так и не ГИС приложениях.

Запрос и анализ. При наличии ГИС и географической информации Вы сможете получать ответы простые вопросы (Кто владелец данного земельного участка? На каком расстоянии друг от друга расположены эти объекты? Где расположена данная промзона?) и более сложные, требующие дополнительного анализа, запросы (Где есть места для строительства нового дома? Каков основный тип почв под еловыми лесами? Как повлияет на движение транспорта строительство новой дороги?). Запросы можно задавать как простым щелчком мышью на определенном объекте, так и с посредством развитых аналитических средств. С помощью ГИС можно выявлять и задавать шаблоны для поиска, проигрывать сценарии по типу “что будет, если…”. Современные ГИС имеют множество мощных инструментов для анализа, среди них наиболее значимы два: анализ близости и анализ наложения. Для проведения анализа близости объектов относительно друг друга в ГИС применяется процесс, называемый буферизацией. Он помогает ответить на вопросы типа: Сколько домов находится в пределах 100 м от этого водоема? Сколько покупателей живет не далее 1 км от данного магазина? Какова доля добытой нефти из скважин, находящихся в пределах 10 км от здания руководства данного НГДУ? Процесс наложения включает интеграцию данных, расположенных в разных тематических слоях. 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 землевладении со ставками земельного налога.

Визуализация. Для многих типов пространственных операций конечным результатом является представление данных в виде карты или графика. Карта - это очень эффективный и информативный способ хранения, представления и передачи географической (имеющей пространственную привязку) информации. Раньше карты создавались на столетия. ГИС предоставляет новые удивительные инструменты, расширяющие и развивающие искусство и научные основы картографии. С ее помощью визуализация самих карт может быть легко дополнена отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками и таблицами, фотографиями и другими средствами, например, мультимедийными.
Связанные технологии. ГИС тесно связана рядом других типов информационных систем. Ее основное отличие заключается в способности манипулировать и проводить анализ пространственных данных. Хотя и не существует единой общепринятой классификации информационных систем, приведенное ниже описание должно помочь дистанциировать ГИС от настольных картографических систем (desktop mapping), систем САПР (CAD), дистанционного зондирования (remote sensing), систем управления базами данных (СУБД или DBMS) и технологии глобального позиционирования (GPS).
Системы настольного картографирования используют картографическое представление для организации взаимодействия пользователя с данными. В таких системах все основано на картах, карта является базой данных. Большинство систем настольного картографирования имеет ограниченные возможности управления данными, пространственного анализа и настройки. Соответствующие пакеты работают на настольных компьютерах - PC, Macintosh и младших моделях UNIX рабочих станций.
Системы САПР способны чертежи проектов и планы зданий и инфраструктуры. Для объединения в единую структуру они используют набор компонентов с фиксированными параметрами. Они основываются на небольшом числе правил объединения компонентов и имеют весьма ограниченные аналитические функции. Некоторые системы САПР расширены до поддержки картографического представления данных, но, как правило, имеющиеся в них утилиты не позволяют эффективно управлять и анализировать большие базы пространственных данных.
Дистанционное зондирование и GPS. Методы дистанционного зондирования - это искусство и научное направление для проведения измерений земной поверхности с использованием сенсоров, таких как различные камеры на борту летательных аппаратов, приемники системы глобального позиционирования или других устройств. Эти датчики собирают данные в виде изображений и обеспечивают специализированные возможности обработки, анализа и визуализации полученных изображений. Ввиду отсутствия достаточно мощных средств управления данными и их анализа, соответствующие системы вряд ли можно отнести к настоящим ГИС.
Системы управления базами данных предназначены для хранения и управления всеми типами данных, включая географические (пространственные) данные. СУБД оптимизированы для подобных задач, поэтому во многие ГИС встроена поддержка СУБД. Эти системы не имеют сходных с ГИС инструментов для анализа и визуализации.

1.3 Какие бывают ГИС

Существуют самые разнообразные компьютерные системы и отдельные программы, которые принято относить к ГИС. Самые компактные и маленькие помещаются на дискетах и заменяют обычные печатные городские справочные издания. На них можно просматривать и искать информацию, но нельзя помещать свою. С другой стороны, если перед вами стоят профессиональные задачи, требующие применения картографических знаний и технологий, то в вашем распоряжении мощные специализированные рабочие станции и комплексы.

 Если же вы хотите полноценно и интерактивно работать с картами, не приобретая картографического образования и разумно вкладывая средства, то лучшим решением будет выбрать ГИС, спроектированную для нужд обычного пользователя и снабженную привычным графическим интерфейсом. Такие ГИС удачно сочетают мощь и простоту в использовании. Вы можете, начав с естественных и несложных операций, постепенно подниматься до профессионального уровня, повышая на каждом шагу эффективность своей работы.

 Кроме многофункциональных ГИС, существуют также узкоспециальные, применяются в отдельных областях деятельности и требуют специального оборудования и методов обработки данных.

Примером многофункциональной ГИС является ArcView, MapManager.

1.4 Компоненты ГИС

Работающая ГИС включает в себя пять ключевых составляющих: аппаратные средства, программное обеспечение, данные, исполнители и методы.
Аппаратные средства. Это компьютер, на котором запущена ГИС. В настоящее время ГИС работают на различных типах компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров.
Программное обеспечение ГИС содержит функции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации. Ключевыми компонентами программных продуктов являются: инструменты для ввода и оперирования географической информацией; система управления базой данных (DBMS или СУБД); инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения); графический пользовательский интерфейс (GUI или ГИП) для легкого доступа к инструментам.
Данные. Это вероятно наиболее важный компонент ГИС. Данные о пространственном положении (географические данные) и связанные с ними табличные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем, либо приобретаться у поставщиков на коммерческой или другой основе. В процессе управления пространственными данными ГИС интегрирует пространственные данные с другими типами и источниками данных, а также может использовать СУБД, применяемые многими организациями для упорядочивания и поддержки имеющихся в их распоряжении данных
Исполнители. Широкое применение технологии ГИС невозможно без людей, которые работают с программными продуктами и разрабатывают планы их использования при решении реальных задач. Пользователями ГИС могут быть как технические специалисты, разрабатывающие и поддерживающие систему, так и обычные сотрудники (конечные пользователи), которым ГИС помогает решать текущие каждодневные дела и проблемы.
Методы. Успешность и эффективность (в том числе экономическая) применения ГИС во многом зависит от правильно составленного плана и правил работы, которые составляются в соответствии со спецификой задач и работы каждой организации.

 1.5 Функциональность ГИС.

Делать пространственные запросы и проводить анализ. Способность ГИС проводить поиск в базах данных и осуществлять пространственные запросы позволила многим компаниях сэкономить миллионы долларов. ГИС помогает сократить время получения ответов на запросы клиентов; выявлять территории подходящие для требуемых мероприятий; выявлять взаимосвязи между различными параметрами (например, почвами, климатом и урожайностью с/х культур); выявлять места разрывов электросетей. Риэлторы используют ГИС для поиска, к примеру, всех домов на определенной территории, имеющих шиферные крыши, три комнаты и 10-метровые кухни, а затем выдать более подробное описание этих строений. Запрос может быть уточнен введением дополнительных параметров, например стоимостных. Можно получить список всех домов, находящих на определенном расстоянии от определенной магистрали, лесопаркового массива или места работы.
Улучшить интеграцию внутри организации. Многие применяющие ГИС организации обнаружили, что одно из основных ее преимуществ заключается в новых возможностях улучшения управления собственной организацией и ее ресурсами на основе географического объединения имеющихся данных и возможности их совместного использования и согласованной модификации разными подразделениями. Возможность совместного использования и постоянно наращиваемая и исправляемая разными структурными подразделениями база данных позволяет повысить эффективность работы как каждого подразделения, так и организации в целом. Так, компания, занимающаяся инженерными коммуникациями, может четко спланировать ремонтные или профилактические работы, начиная с получения полной информации и отображения на экране компьютера (или на бумажных копиях) соответствующих участков, например водопровода, и заканчивая автоматическим определением жителей, на которых эти работы повлияют, и уведомлением их о сроках предполагаемого отключения или перебоев с водоснабжением.
Принятие более обоснованных решений. ГИС, как и другие информационные технологии, подтверждает известную поговорку о том, что лучшая информированность помогает принять лучшее решение. Однако, ГИС - это не инструмент для выдачи решений, а средство, помогающее ускорить и повысить эффективность процедуры принятия решений, обеспечивающее ответы на запросы и функции анализа пространственных данных, представления результатов анализа в наглядном и удобном для восприятия виде. ГИС помогает, например, в решении таких задач, как предоставление разнообразной информации по запросам органов планирования, разрешение территориальных конфликтов, выбор оптимальных (с разных точек зрения и по разным критериям) мест для размещения объектов и т. д. Требуемая для принятия решений информация может быть представлена в лаконичной картографической форме с дополнительными текстовыми пояснениями, графиками и диаграммами. Наличие доступной для восприятия и обобщения информации позволяет ответственным работникам сосредоточить свои усилия на поиске решения, не тратя значительного времени на сбор и осмысливание доступных разнородных данных. Можно достаточно быстро рассмотреть несколько вариантов решения и выбрать наиболее эффектный и эффективный.
Создание карт. Картам в ГИС отведено особое место. Процесс создания карт в ГИС намного более прост и гибок, чем в традиционных методах ручного или автоматического картографирования. Он начинается с создания базы данных. В качестве источника получения исходных данных можно пользоваться и оцифровкой обычных бумажных карт. Основанные на ГИС картографические базы данных могут быть непрерывными (без деления на отдельные листы и регионы) и не связанными с конкретным масштабом. На основе таких баз данных можно создавать карты (в электронном виде или как твердые копии) на любую территорию, любого масштаба, с нужной нагрузкой, с ее выделением и отображением требуемыми символами. В любое время база данных может пополняться новыми данными (например, из других баз данных), а имеющиеся в ней данные можно корректировать по мере необходимости. В крупных организациях созданная топографическая база данных может использоваться в качестве основы другими отделами и подразделениями, при этом возможно быстрое копирование данных и их пересылка по локальным и глобальным сетям.

Существуют различные определения основных понятий в области геоинформационных технологий. Учитывая это, рассмотрим наиболее часто употребляемые и встречающиеся варианты основных определений. Для понятий, употребляемых в англоязычной литературе, приведены их эквиваленты на английском языке.

Классические программные средства ГИС используют понятие слоя, определяемого как множество пространственных объектов одного типа (дорог, водных потоков и т. д.). В более широком смысле однотипность объектов определяется возможностью задания одинакового набора атрибутов и построения той или иной топологии.

Во многих случаях наиболее сложной частью формирования данных в ГИС является их “соотнесение с местом” – этот процесс известен как геокодирование. В определенном наборе данных должен существовать элемент, определяющий его положение. Этот элемент, определяющий место, известен как его геокод.

Так как “реальный мир” слишком сложен и многогранен для его отображения в виде цифровой модели в компьютерном представле-нии, то в пространственной базе данных необходимо введение некоторых упрощений. Эти упрощения и допущения и определяют вид модели данных. В этом представлении данных для упрощенного описания “реального мира” используются такие элементы, как: точка, линия, область, поверхность.

В дальнейшем к пространственным геометрическим данным присоединяются атрибутивные (описательные) данные. Объединение пространственных и атрибутивных данных является одной из ключевых концепций ГИС.

Цифровая модель местности (digital terrain model) – модель земной поверхности или ее элементов, отражающая пространственную определенность и структурную подробность объектов местности, сформированной в цифровой форме.

Цифровая модель карты – логико-математическое описание в цифровой форме объектов земной поверхности и отношений между ними, сформированное с учетом картографической генерализации в принятых для карт проекции, разграфке, системах координат и высот.

Цифровая карта местности – цифровое описание в принятой для карты проекции, разграфке, системе координат и высот, по точности и содержанию соответствующая карте определенного масштаба.

Цифровая модель рельефа (digital terrain model); digital elevation model; digital terrain elevation data) – цифровое представление трехмерных пространственных объектов в виде трехмерных данных как совокупности высотных отметок или отметок глубин и иных значений аппликат (координаты Z) в узлах регулярной сети с образованием матрицы высот, нерегулярной треугольной сети (TIN), или как совокупности записей горизонталей или иных изолиний.

Электронная карта местности – цифровая карта местности (цифровая модель карты), подготовленная для визуального отображения объектов местности в установленной системе условных знаков на экране монитора или графической копии.

Цифровое представление карт может быть в векторном и растровом форматах.

Под растровой формой (raster geographic data model) представления понимается способ представления картографического изображения в виде матрицы, элементами которой являются коды цветов в каждой ее точке. Растровая модель данных основывается на делении “реальной картины” с помощью регулярной сетки одинаковых элементов. В последующем, каждому из элементов сетки присваивается определенная величина, соответствующая атрибуту данной области этого элемента. Например, в наборе данных о почве элементу сетки присваивается значение “216”, которое, в свою очередь, означает “глину”.

Область, представляемая каждым из элементов, может быть от нескольких метров до нескольких километров и имеет название разрешающей способности сетки. Для более высокого разрешения сетки необходимо большее число элементов, представляющих данную область.

Под векторной (линейной) формой (vector geographic data model) представления понимается способ представления метрической картографической информации в виде набора векторов заданной (или произвольной) длины и ориентации, описывающих форму и местоположение объекта. Цифровые модели, созданные в векторной (линейной) форме представления данных, называются векторными цифровыми моделями местности, цифровыми моделями карты, цифровыми картами местности, электронными картами местности – это векторные модели.

В векторном представлении данных точки являются вершинами. Вершины соединяются между собой линиями, называемыми сегментами или дугами. В точке соединения нескольких сегментов вершина называется узлом. Набор сегментов вокруг одного узла образует область или полигон.

Векторно-топологическое представление (arc-node model) – синоним линейно-узловое представление – разновидность векторного представления линейных и полигональных пространственных объектов, описывающего не только их геометрию, но и внутри объектовые топологические отношения между полигонами, дугами и узлами.

Узел (node) – начальная или конечная точка дуги в векторно-топологическом представлении пространственных объектов типа линии или полигона; списки узлов содержат атрибуты, устанавливающие топологическую связь со всеми замыкающимися в узле дугами.

Дуга (arc) – элементарный геометрический объект географической базы данных ГИС, который определяет местоположение соответствующего линейного реального пространственного объекта или его части, а также границы полигона или его фрагмента.

Полигон (polygon) – элементарный геометрический объект географической базы данных ГИС, который определяет местоположение соответствующего площадного реального пространственного объекта.

Объект цифровой модели карты (местности) – это объект, метрическое и семантическое описание которого на карте не меняется на всем его протяжении.

Электронная карта (electronic map) – растровая копия карты определенного масштаба. Электронная карта относится к позиционному представлению изображения. В ней отсутствует понятие «объект» и имеется, как правило, только метрическое описание, содержащее значения уровней градаций яркости в элементах прямоугольного разложения плоскости изображения.

Элементарный объект карты – картографический объект, определяемый в соответствии с картографическим классификатором.

Геокодирование (geokoding) – метод и процесс позиционирования пространственных объектов относительно некоторой системы координат и их атрибутирования.

Сшивка (map join) – автоматическое объединение двух и более смежных векторных цифровых карт или картографических слоев, а также монтаж отдельных цифровых снимков или иных цифровых изображений в растровом формате в единую карту, изображение, слой.

Операция, обратная сшивке, носит название нарезки или фрагментирования.

Генерализация пространственных данных (spatial data generalisation) – обобщение позиционных и атрибутивных данных о пространственных объектах в ГИС в автоматическом или интерактивном режимах с использованием операторов генерализации, в том числе картографической генерализации (упрощение, сглаживание, утоньшение линий, разрядка, отбор, переклассификация, слияние, маскирование и другие).

Картографические проекции (map projection) – математически определенный способ изображения поверхности Земного шара или эллипсоида (или другой планеты) на плоскости.

Пространственно-логические отношения (связи) – признаки, характеризующие взаимное положение объектов на карте (местности) и характер их взаимосвязи. В объектно-ориентированных моделях выделяют следующие основные типы отношений: наложение, входимость, примыкание, соседство.

Наложение – пространственно-логическая связь (ПЛС), которая формируется при полном или частичном совпадении метрики одного объекта с другим (внутренний контур – озеро, дорога – насыпь и т.д.).

Примыкание – ПЛС, которая формируется при примыкании одного объекта к другому на определенном участке их метрического описания (дорога – дорога, контур леса – дорога и т.д.).

Пересечение (intersection) – ПЛС, которая формируется при метрическом пересечении объектов (дорога – дорога, дорога – река и т.д.).

Графическое пересечение – ПЛС, формирующаяся при графическом пересечении на карте одного объекта другим, которые не имеют явной точки пересечения на местности (линия электропередачи – дорога, река – мост и т.д.).

Входимость – ПЛС, которая формируется при полном попадании объекта в область другого объекта (внутренний контур объекта, группа строений в контуре объекта «квартал» и т.д.).

Соседство (heigh bourhood) – ПЛС, которая формируется при расположении объектов на расстоянии друг от друга в пределах заданного ценза (дорога – придорожные сооружения).

В ГИС данные в общем виде делятся на пространственно-геометрические (пространственные) и атрибутивные (связанные с пространственными). Первые представляют собой ассоциативные геометрические аналоги реальных объектов, которые изображаются точкой (символом), линией, контуром (полигоном), а вторые атрибуты, которые могут содержать наименование объекта и любые его характеристики.

Атрибуты объекта (attribute data) – признаки классификации и идентификации объекта в цифровой модели карты. В цифровой модели не может быть объектов с абсолютно одинаковыми атрибутами.

Метрические атрибуты (метрическое описание) объекта – атрибуты, характеризующие местоположение объекта, его форму и ориентацию.

Семантические атрибуты (семантическое описание) объекта – атрибуты, характеризующие качественные и количественные особенности объекта.

Характер локализации объекта – признак, характеризующий форму его цифрового описания (точечный, линейный, площадной, текст).

Площадные объекты (area object) – это объекты, выраженные в масштабе карты.

Линейные объекты (line object, line feature) – это объекты, ширина которых не представлена в масштабе карты.

Точечные объекты (point object) – это объекты, которые не могут быть изображены в масштабе карты.[4]

В бизнесе задействовано огромное количество информации: данные об объемах продаж и клиентах, учет ресурсов, списки адресов, перевозки и транспортные средства и многое другое. Вся эта информация также может быть помещена на электронную карту, и ГИС поможет выявить связи и закономерности, которые не видны в таблицах и графиках.

С помощью ГИС предприниматели могут изучать покупательную способность и предпочтения клиентов. Это дает преимущества в разработке стратегии производства и правильном распределении средств на маркетинговые и рекламные компании.

С помощью ГИС можно изучить и смоделировать тенденции в планируемой зоне коммерческой деятельности, прогноз перспективных территорий, возможные транспортные маршруты многое другое. Базы данных ГИС также помогут производителям отвечать требованиям государственных ГОСТов и другим нормативам.

1.8 Использование ГИС в транспорте

 Стремительно развивающийся рынок требует все больших капиталовложений в развитие транспорта и усовершенствования предоставляемых услуг. Транспортные службы, включая авто и железные дороги, мосты и туннели, воздушные и морские порты, все более широко управляются с помощью ГИС.

 Логистика

 Доставка товаров вовремя и по назначению является целью организаций, занимающихся логистикой. Эффективное управление перевозками грузов требует разработки наиболее оптимальных маршрутов, удобных мест хранения товара, методов отслеживания транспортных средств и грузов, точного и своевременного реагирование на различные ситуации. Процесс усовершенствования и внедрения новых более эффективных подходов перевозки и хранения грузов становится все более ориентированным на использование ГИС.

 ГИС и пассажирские автоперевозки

 Разумные подходы в организации пассажирских перевозок, основанных на надежной информации и современных методах управления позволят увеличить эффективность работы и, соответственно, прибыль транспортных компаний. ГИС используют для:

Авиация - отрасль, которая в настоящее время не может обойтись без ГИС. Применение ГИС обеспечивает надежность и безопасность функционирования различных воздушных служб. В гражданской авиации ГИС используют для:

 ГИС становится незаменим в управления железными дорогами. ГИС используется для работы с ключевой информацией, координации операционной деятельности, ремонта и поддержания железных дорог. Основные функции, которые ГИС выполняет для обеспечения надежности перевозок и рентабельности железнодорожных компаний, включает:

 Для более чем 90% нефтяных компаний в мире, применение ГИС – неотъемлемая часть бизнеса. ГИС используют для поиска нефтяных ресурсов, планирования бурильные работ, определения потенциала нефтяных скважин. ГИС помогает нефтяным компаниям, прокладывать трубопровод, определять местоположение нефтеперерабатывающих заводов, управлять инфраструктурой. ГИС необходим для анализа данных, полученных при аэрофотосъемках, удаленном зондировании, сейсмических исследований, геологических изысканиях и т.д.

Внедрение ГИС в нефтегазовой отрасли сталкивается во многом с теми же проблемами, что и в других прикладных областях, но, конечно, есть и свой специфика. В самом первом приближении их можно разбить на организационно-экономические и технические.

 Телекоммуникации – наиболее динамичная отрасль, которая предлагает все более усовершенствованные виды услуг. Решение многих задач в телекоммуникационном бизнесе требует хорошего понимания пространственного расположения клиентов и операционных средств. Для достижения лучшего обслуживания мобильных клиентов компании сотовой телефонной должны располагать приемно-передающие станции так, чтобы избегать конфликтов между соседними станциями, но при этом обеспечивать прямую видимость для распространения сигнала.

2. ArcView

Данный пункт содержит краткое описание основных понятий и базовых функциональных возможностей геоинформационной системы ArcView (Environmental Systems Research Institute, Inc.). Более подробное описание геоинформационной системы ArcView можно получить в [3].

2.1 Основные понятия ArcView.

Вид (View) электронная карта, содержащая основную графическую информацию. Вид (View) состоит из отдельных слоев тем (themes), полный перечень и свойства которых перечислены в таблице содержания (Table of Contents) вида.

Тема (Theme) совокупность однородных графических объектов (точки, линии, полигоны), объединенных по принципу их отображения на карте и соответствующей атрибутивной таблицы (Attributes Table).

Атрибутивная таблица (Attributes Table) специальная таблица, в которой каждому графическому объекту темы соответствует запись базы данных с произвольной информацией о нем. Значения полей атрибутивной таблицы могут использоваться для формирования легенды отображения объектов.

Таблицы (Tables) произвольные табличные данные, доступные в проекте.

Диаграммы (Charts) специальные представления табличных данных в виде графиков, гистограмм.

Компоновки (Layouts) средства определяющие способ представления карт, таблиц, графиков, текста, дополнительного оформления в ArcView.

Тексты программ (Scripts) выполняемые модули, написанные на языке программирования Avenue.

Проект (Project) ASCII файл с расширением APR, содержащий информацию о всех компонентах ArcView сессии (views, tables, charts, layouts, scripts).

2.2. Создание электронных карт.

Электронные карты Arc View создаются на основе простран-ственных данных. Вы можете использовать уже существующие данные (пакет поставляется со специальным набором пространст-венных данных) или подготовить свои. Основные форматы пространственных данных, используемых в Arc View:

2.3 Разработка картографических приложений на языке Avenue.

Avenue является средой пользовательской настройки и разработки программного обеспечения для ArcView При помощи Avenue, объектно-ориентированного, встроенного в языка программирования можно:

Настроить интерфейс пользователя ArcView

Изменить стандартные инструменты ArcView

Создавать новые инструменты

Интегрировать ArcView с другими приложениями

Разрабатывать и распространять конечное приложение вместе с ArcView.

Avenue легок для изучения и применения, не нужно изучать все об Avenue для его использования – например, реорганизация и удаление инструментов в интерфейсе ArcView не требует опыта в программировании. Оперативная справочная система ArcView содержит полное описание языка программирования и практические примеры, которые вы можете копировать в ваши собственные приложения и модифицировать при необходимости.

Остановимся более подробно на основных понятиях и возможностях Avenue. Чтобы начать работу с редактором программ для написания нового приложения, необходимо в окне проекта ArcView выбрать меню Scripts и двойным нажатием открыть окно новой программы.

Программы содержат строки, которые выполняют действия, и комментарии, объясняют, что делает программа. Формат строки действия: Объект.Запрос . Строки комментариев начинаются со знака (‘). Для компиляции написанной программы используется кнопка Compile , для исполнения программы используется кнопка Run.

Запросы совершают действия, происходящие в ArcView. Когда вы нажимаете кнопку или делаете выбор в меню, ArcView посылает запрос объектам. Запрос может создать новый объект, как например, новую тему, когда вы добавляете ее к виду; он может извлечь информацию об объекте, как например, о текущем виде; или может изменить реквизит объекта, например, изменение имени темы или перевод ее в активное состояние.

Приведем примеры наиболее распространенных запросов а Avenue.

В Avenue используются следующие операторы:

If…then…else – выполняет запросы в зависимости от того, равняется выражение true или false.

For Each - повторяет задачу для каждого элемента списка или определенное количество раз.

While – повторяет задачу, пока выражение равно true.

Continue, break, exit – изменяет поток управления, когда идет повторение задач в операторах while или For Each.

Приведем пример готового скрипта. В нем создается тема точечных пространственных объектов. Есть 10 точек. Они лежат на линии x=y в интервале [1,10].

anFTab = FTab.MakeNew(“samples”.AsFileName, Point)

idField = Field.Make(“Id”, #FIELD_DECIMAL,8,0)

anFTab.AddField({idField})

‘Эта программа начинается с создания новой объектной таблицы. Затем она создает новый объект поля для хранения идентификационного номера и добавляет его в объектную таблицу (Avenue добавляет поле Shape по умолчанию, когда создается объектная таблица)

shapeField = anFTab.FindField(“Shape”)

for each i in 1..10

newRecNum = anFtab.AddRecord

anFtab.SetValue(shapeField, newRecNum, i@i)

anFtab.SetValue(idField, newRecNum, i)

end

‘На следующем шаге программа получает поле Shape и входит в цикл For each. На каждом проходе цикла программа добавляет новую запись с помощью запроса AddRecord, устанавливает значение поля Shape , задавая запросу SetValue координатную пару x,y и устанавливает значение идентификационного поля.

theView = av.GetProject.FindDoc(“View1”)

theView.AddTheme(Fheme.Make(anFtab))

‘И наконец, программа получает ссылку на документ Вида и добавляет в него новую тему на основе объектной таблицы.

Подробную информацию о классах, объектах, запросах, операторах можно получить в справочной системе ArcView.

2.4 ArcView 3.2

Текущая версия ArcView GIS 3.2 сфокусирована на повышении качества, при ее разработке учтены основные пожелания пользователей ArcView GIS. Основные улучшения относятся к модулю Database Access, а также включают новую функциональность построения проекций (перепроецирования) шейп-файлов и дополнительные конверторы данных. Изменения коснулись также модуля создания отчетов Report Writer. Дополнен набор данных и карт, поставляемых с ArcView GIS на 5 отдельных CD-ROMах.

3. MapManager

Геоинформационная система Map Manager – это специализированное программное средство для создания, просмотра и анализа 2D векторных карт и связанных с ними баз данных. Среди прочего доступны разнообразные инструменты, которые облегчают работу пользователей с 2D векторными картами.

Map Manager позволяет вести геологические, гидродинамические, промысловые базы данных, визуализировать их текущее и ретроспективное состояние в виде электронных карт (карт разработки, суммарных отборов, изобар, геологических карт и др.). Ядром программного комплекса является специализированная геоинформационная система Map Manager (ГИС Map Manager), включающая сетевой графический редактор, интегрированный с менеджером баз данных Wells. Графические элементы электронных карт могут быть связаны с произвольной таблицей базы данных, поддерживающей ODBC интерфейс (DBASE, Oracle, MS SQL, MS ACCESS). Для баз данных в формате dBase возможен многопользовательский доступ к DBF файлам на сервере с одновременным редактированием базы несколькими пользователями. Существуют функции по слежению за динамически обновляемой серверной БД и отображению этой информации на карте. Система содержит встроенные генераторы SQL запросов и отчетной документации.

Геоинформационная система Map Manager имеет все стандартные возможности универсальной ГИС:

поддержка базовых операций с таблицами баз данных (редактирование, просмотр в виде таблицы или одной текущей записи, инструменты для создания запросов и выборок из таблиц, создание статистических отчетов по базам данных на основе гибкого языка описания формы отчетности, средства для просмотра отчетов в виде деловой графики - гистограмм, круговых диаграмм и т.д.)

создание, анализ, печать, импорт и экспорт электронных векторных карт

одновременная работа (просмотр и управление на экране) с несколькими многослойными картами

соединение табличных данных с графическими объектами электронных карт

осуществление поиска и отображения на карте объектов с заданными свойствами

измерение расстояний и площадей по карте

поддержка подключаемых модулей, ориентированных на решение специфических классов задач картопостроения, геологии, маркшейдерии и разработки месторождений полезных ископаемых.

В состав комплекса входит ряд специализированных подключаемых модулей:

Специализированный модуль автоматизированного построения упрощенной геологической модели объекта разработки;

Специализированный модуль автоматизированного построения карт разработки нефтяных месторождений;

Специализированный модуль автоматизированного построения и анализа карт пластовых, забойных давлений, линий тока;

Модуль визуализации, анализа и интерактивной переинтерпретации каротажного материала (Carat);

Модуль 3D визуализации геологического строения объекта разработки (Ogil);

Специализированный модуль создания и сопровождения карт наземных коммуникаций;

Другие подключаемые специализированные модули (АРМы), позволяющие в рамках Map Manager вести, анализировать первичные базы данных, создавать стандартные выходные документы геологических, производственных и технологических отделов: Эффективность методов повышения нефтеотдачи, Геологический отчет и др.

Основные термины и понятия

Объект – единичное графическое изображение системы MapManager. Объектами являются контура, подписи, сектора, точечные знаки, поля и др. Объект может находиться в одном из двух состояний: активном и неактивном. Объекты можно селектировать, деселектировать, инвертировать и скрывать. Поддержка основных операций с объектами обеспечивается кнопками Панели Инструментов.

Активный объект – это объект, находящийся в состоянии, когда он специальным образом помечен и над ним можно совершать различные действия. В данный момент времени активным может быть только один объект.

Неактивный объект – это объект, находящийся в состоянии, в котором он недоступен для редактирования.

Селектированный объект – это объект, находящийся в состоянии, в котором он специальным образом помечен (отличается от выделения активного объекта). В данный момент времени селектированным может быть любое количество объектов. Селектирование необходимо для проведения различных операций над группами объектов (для выделения этих групп).

Деселектированный объект – любой не селектированный объект. Операция снятия признака селектирования с объекта называется деселектированием.

Инвертированный объект – это объект с измененным признаком селектирования (при инвертировании селектированный объект становится деселектированным, а деселектированный – селектированным). Операция изменения признака селектирования называется инвертированием.

Скрытый объект – это объект, находящийся в состоянии "невидимости". Операция установки данного признака возможна только над селектированными объектами. Скрытые объекты не удаляются из проекта, а только не отображаются. Чтобы сделать объект видимым нужно снять с него признак скрытости.

Подслой совокупность однородных графических объектов (точечные знаки, контура, сектора, подписи и т.д.), объединенных по принципу их отображения на электронной карте.

Подслой является активным, если он отмечен в Инспекторе слоев окна проекта. В данный момент времени активным может быть только один подслой одного слоя. Последовательность вывода подслоев на экран определяется порядком их следования в Инспекторе слоев.

Таблица совокупность неграфической информации, отображае-мой в виде таблицы (столбцов-полей и строк-записей). Таблицы используются для хранения дополнительной информации о графических объектах. Таблица может быть привязанной и не привязанной к подслою. В случае, когда таблица привязана, каждой строке таблицы соответствует один или несколько графических объектов подслоя. И наоборот, каждому объекту подслоя соответствует одна или несколько строк таблицы. Пример таблицы – файл формата dbf.

Атрибутивная таблица – внутренняя таблица MapManager. В проекте для каждого подслоя существует независимая атрибутивная таблица. Служит для хранения различной служебной и пользовательской информации, которая может быть использована специализированными обработчиками (например, для расчета поля или формирования подписей).

Слой совокупность графической информации (подслоев) и таблиц, объединенных согласно смыслового и функционального назначения. Слой является активным, если он отмечен в Инспекторе слоев окна проекта. Последовательность вывода слоев на экран определяется порядком их следования в Инспекторе слоев.

Проект совокупность графических слоев электронной карты и связанных с ними таблиц.

Порядок расположения объектов – в MapManager порядок расположения объектов в проекте друг относительно друга зависит от нескольких факторов. Во-первых, от порядка расположения подслоев (слоев): вначале отрисовываются объекты с первого в списке подслоя (верхнего), затем второго и т.д. Во-вторых, на конкретном подслое объекты отрисовываются один за другим: если объекты перекрываются (например, контура с заливкой), то виден будет тот, который отрисовался последним. Порядок отрисовки контуров на подслое можно изменять.

Макет печати – специальным образом оформленный набор компонент (один или несколько фрагментов проекта, файлов IMG, текстовых таблиц, штампа), подготовленный для печати либо экспорта в Word/Excel/WMF. Хранится (и используется) как файл со ссылками на компоненты.

Присоединенный макет печати – макет печати, подключенный к проекту. Загружается не как отдельный файл, а из проекта. Предназначен для увеличения эффективности работы с макетами печати (не нужно искать по каталогам, среди множества других макетов).

Раздвижка подписей – процесс изменения месторасположения подписей таким образом, чтобы они не затирали одна другую и знаки с некоторого фиксированного подслоя.

Сетка - равномерная двумерная прямоугольная или треугольная сетка, в каждом узле которой осуществляется расчет атрибутов или значений параметров карты.

Поле – упорядоченное множество значений некоторого параметра, рассчитанное на основании исходных данных (с учетом рабочих графических подслоев) для каждого узла сетки.

Граничные условия – совокупность контуров с заданными на них значениями параметров, определяющих граничные условия при расчете “поля” параметров для активной карты.

Разломы – совокупность замкнутых контуров, определяющих конфигурации нарушений в зоне расчета поля. Точки, находящиеся по разные стороны разлома, не влияют друг на друга при расчете поля.

Граница – многосвязный окаймляющий контур, окружающий область, внутри которой осуществляется картопостроение (расчет поля).

Литература