Выделяют пять основных этапов процесса проектирования ГИС.

А.В. Кычкин

 

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

 

Учебное пособие

 

Издательство

Пермского национального исследовательского политехнического университета

 

УДК 004.9: 681.3

 

 

Кычкин А.В.

 

 

«Геоинформационные системы»: Учебное пособие / Кычкин А.В.: – Пермь: ПНИПУ, 2013. – 145 с.

 

В учебном пособии приведен материал для изучения дисциплины «Геоинформационные системы». Рассмотрены основные понятия и определения геоинформационных систем (ГИС), структуры и модели геоданных, технологии ввода, обработки и хранения данных в ГИС, методы и средства обеспечения функционирования, а также прикладные программные пакеты ГИС.

Для преподавателей дисциплины «Геоинформационные системы» и студентов направления 220700.68 «Автоматизация технологических процессов и производств».

 

Утверждено на заседании кафедры микропроцессорных средств автоматизации __.__.13 г., протокол №__.

 

 

© ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.. 6

Введение. 7

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИС.. 8

1.1. Геоданные / геоинформация. 8

1.2. Геоинформационные системы.. 9

1.3. Обобщенные функции ГИС-систем.. 10

1.4. Классификация ГИС.. 11

1.5. Источники данных и их типы.. 13

1.6. Виды обеспечения ГИС.. 15

Вопросы.. 17

2. СТРУКТУРЫ И МОДЕЛИ ДАННЫХ.. 18

2.1. Отображение объектов реального мира в ГИС.. 18

2.2. Структуры пространственных данных.. 20

2.3. Модели данных.. 22

2.3.1. Векторные модели. 22

2.3.2. Растровые модели. 26

2.3.3. Нерегулярная триангуляционная сеть – TIN.. 28

2.3.4. Организация цифровой карты в виде множества слоев. 29

2.4. Форматы данных.. 31

2.5. Базы данных в ГИС.. 32

Вопросы.. 34

3. ТЕХНОЛОГИИ ВВОДА И ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ.. 35

3.1. Способы ввода данных.. 35

3.2. Преобразование исходных данных.. 36

3.3. Ввод данных дистанционного зондирования. 36

3.4. ГИС-специфическое хранение геоданных.. 36

3.4.1. Гибридное хранение. 37

3.4.2. Хранение геоданных в реляционной БД.. 37

3.4.3. Базовые пространственные запросы.. 38

3.4.4. Ограничение реляционной модели данных. 40

3.5. Объектно-ориентированные БД.. 41

3.6. Хранение объектов в JAVA (сериализация) 42

3.7. ООБД DB4OBJECTS. 43

3.8. Объектно-реляционные БД.. 44

3.9. Программирование взаимодействия с БД – JDBC и ODBC.. 45

3.10. Типы JDBC.. 45

3.11. Выполнение SQL-запроса.. 47

3.12. Управление транзакциями.. 50

Вопросы.. 51

4. АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДАННЫХ.. 53

4.1. Задачи пространственного анализа.. 53

4.2. Основные функции пространственного анализа данных.. 53

4.3. Анализ пространственного распределения объектов. 54

Вопросы.. 55

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ.. 56

5.1. Поверхность и цифровая модель. 56

5.2. Источники данных для формирования ЦМР. 56

5.3. Интерполяция. 56

Вопросы.. 61

6. ПОСТРОЕНИЕ ЦИФРОВЫХ МОДЕЛЕЙ РЕЛЬЕФА.. 62

Вопросы.. 63

7. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ВИЗУАЛИЗАЦИИ.. 64

7.1. Электронные карты и атласы.. 64

7.2. Картографические способы отображения результатов анализа данных.. 64

7.3. Трехмерная визуализация. 65

Вопросы.. 66

8. ЭТАПЫ И ПРАВИЛА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГИС.. 67

Вопросы.. 68

9. Примеры реализации КОНЦЕПЦИи ГИС.. 69

9.1. Средства ArcGIS для работы с географической информацией.. 69

9.2. Представление результатов работы с базами геоданных.. 70

9.2.1. Географическое представление данных в ГИС.. 70

9.2.2. Наборы данных на основе описательных атрибутов. 72

9.2.3. Пространственные отношения: топология и сети. 73

9.2.4. Тематические слои и наборы данных. 74

9.3. Примеры геовизуализации.. 75

9.4. Примеры геообработки.. 79

Вопросы.. 81

10. ПРИМЕРЫ УПРАВЛЕНИя ДАННЫМИ В ГИС.. 82

Вопросы.. 84

11. РАСПРЕДЕЛЕННАЯ ГИС.. 85

11.1. Возможности взаимодействия. 85

11.2. ГИС-сети.. 85

11.3. Каталоги ГИС-порталов. 87

Вопросы.. 88

12. СОСТАВ СОВРЕМЕННОЙ ПЛАТФОРМЫ ГИС.. 89

Вопросы.. 90

13. Инструментальные средства ГИС.. 91

13.1. Назначение и возможности.. 91

13.2. Модульная система MGE.. 92

13.3. Инструментальная система Arc/Info.. 94

13.3.1. Первичный интерфейс пользователя. 94

13.3.2. Редактирование и обновление данных. 95

13.3.3. Обмен данными. 96

13.3.4. База данных. 97

13.3.5. Специализированный интерфейс анализа геоинформации. 97

13.4. Программный продукт Arciew.. 100

13.5. Система AtlasGIS для Windows. 104

13.6. Специализированная система Maplnfo.. 106

13.7. Система GeoDraw, GeoGraph.. 107

13.8. Инструментальная система ArGIS. 109

13.9. Система ArcCAD.. 109

13.10. Система WinGIS. 111

13.11. Специализированная система ER Mapper. 112

13.12. Системы четвертого поколения. 115

13.12.1. Система SICAD/open. 116

13.12.2. Семейство Star. 116

13.12.3. Географическая операционная система Small World GIS. 117

13.13. Инструментальная среда CADdy.. 118

13.14. Система электронных карт "Панорама". 119

13.15. Применение концепции "открытых систем" в инструментальных пакетах ГИС.. 119

Вопросы.. 122

Список использованных источников.. 123

 

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

БД – база данных

ГИС – геоинформационная система

Карта – композиция слоев

Макрос – последовательность команд и их параметров, которая выполняется над объектами слоя

ООБД – объектно-ориентированная БД

ООП – объектно-ориентированный подход

ОС – операционная система

ПК – персональный компьютер

ПО – программное обеспечение

САПР – система автоматизированного проектирования

СУБД – система управления базами данных

ЦМР – цифровая модель рельефа

СОМ – Component Object Model

DBF – database file

DDE – dynamic data exchange

GML – Geography Markup Language

JDBC – java DataBase Connectivity — соединение с базами данных на Java

MDI – multiple document interface

ODBC – Open Database Connectivity

OLE – object linking and embedding

SQL – structured query language

QBE – Query by Example (язык запросов для реляционных баз данных)

 

 

Введение

ГИС в современном мире ориентированы на решение актуальной проблемы получения своевременной информации о пространственных объектах, распределенных технологических производствах, природных ресурсах и техногенном влиянии на них человека. В связи с этим данная дисциплина занимает особое место в профессиональной подготовке студентов технических специальностей.

Целью настоящего курса является формирование у студентов представлений о геоинформационных системах и их роли в общей структуре управления, науке и технике, информационных технологиях; изучение общих вопросов геоинформатики и функциональных возможностей ГИС, ознакомление с теоретическими основами и организацией структур и моделей геоданных, аппаратно-программными средствами реализации, интеграции данных и технологий ГИС. Уделено внимание блокам моделирования и визуализации данных, а так же прикладным аспектам геоинформатики. Последняя глава пособия ориентирована на самостоятельную работу и обеспечение навыков практического использования типичных ГИС и сопутствующих технологий для решения профессиональных задач. В процессе успешного изучения данной дисциплины студент осваивает компетенцию самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности.

Курс тесно связан и опирается на такие ранее изученные дисциплины, как «Информатика», «Базы и банки данных», «Алгоритмизация и программирование».

В третьей главе курса лекций приводятся теоретические материалы и практические аспекты работы с базами геоданных, для успешного освоения которых потребуются умения использовать язык запросов SQL, а также базовые знания объектно-ориентированного программирования на языке Java. Эти материалы настоящего пособия основаны на материалах лекций Geodatenbanken, читаемых профессором, доктором наук Хольгером Бауманом (Holger Baumann) в Университете прикладных наук Анхальт (г. Кетен, Германия).

 

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИС

1.1. Геоданные / геоинформация

Геоданные(пространственные данные,англ.Spatial Data)–данные об объектах иявлениях окружающей среды, требующие представления в координатно-временной форме [2]. Они включают данные о предметах, формах территорий и инфраструктурах на поверхности Земли. Геоданные описывают также пространственные отношения объектов друг с другом. На геоданных можно организовывать запросы, анализ и оценки для решения практических задач [6].

В противопоставление геоданным геоинформация является результатом преобразования и анализа этих данных и используется при решении конкретных задач. Например, в базах данных хранятся различные данные, а по определенному запросу система управления базой данных (СУБД) выдает требуемую информацию.

Геообъект(пространственный объект,англ.(Geospatial) Feature)является модельюобъекта окружающей среды, описанного с помощью геоданных. Геообъект:

- содержит описание геометрических и негеометрических характеристик;

- предоставляет методы опроса и обработки этих характеристик;

- состоит в пространственных отношениях с другими объектами.

Геометрические (координатные) характеристикиописывают форму объекта и егоместоположение в установленной системе координат.

Негеометрические (атрибутивные) характеристикиопределяют смысловоесодержание объекта и содержат качественные или количественные значения. Атрибутами могут быть:

- символы (название, адрес);

- числа (статистическая информация, цена объекта недвижимости);

- графические признаки (цвет, рисунок).

Важным критерием применимости геоданных является точность. Под точностью понимается близость результатов, расчетов или оценок к истинным значениям. Существует несколько показателей точности геоданных:

Основные понятия и определения:

1. точность вычисленияопределяется количеством значимых цифр после запятой;

2. точность измеренияопределяется количеством значимых цифр при измерениях;

3. точность представленияопределяется количеством разрядов,описывающихгеометрические данные.

Точность вычисления и измерения не обязательно должна совпадать с точностью представления.

1.2. Геоинформационные системы

Геоинформационные системы (ГИС)–компьютерная система для сбора,хранения,обработки,анализа,моделирования ивывода информации, относящейся к земной поверхности, для решения комплексных задач планирования и управления [6].

В общем случае, ГИС является специализированной информационной системой, предназначенной для работы с геоданными.

Компоненты ГИС:

- аппаратные средства;

- программное обеспечение;

- данные;

- пользователи.

Можно выделить следующие подсистемы ГИС:

- подсистема сбора данных отвечает за сбор и предварительную обработку данных из различных источников;

- подсистема управления данными организуется системой управления базами геоданных; осуществляет моделирование и хранение геоданных с целью их выборки, обновления и редактирования;

- подсистема анализа данных;

- подсистема вывода отображает геоданные в различных формах представления (табличной, картографической, диаграммной) [3].

ГИС являются молодым направлением в информационных системах. В начале их развития под ГИС понимались самостоятельные, от других систем изолированные программные продукты. С внедрением геоданных в различные сферы деятельности, отличные от кадастровых и энергоснабжающих предприятий, в которых они держали ведущую роль, ГИС становятся всего лишь одними из многих существующих информационных систем. В связи с этим они должны с легкостью интегрироваться в имеющиеся информационные системы.

В истории развития ГИС выделяются четыре периода:

- пионерный период (поздние 1950e - ранние 1970е гг.). Исследование принципиальных возможностей, пограничных областей знаний и технологий, наработка эмпирического опыта, первые крупные проекты и теоретические работы;

- период государственных инициатив (ранние 1970e - ранние 1980е гг). Развитие крупных геоинформационных проектов, поддерживаемых государством, формирование государственных институтов в области ГИС, снижение роли и влияния отдельных исследователей и небольших групп;

- период коммерческого развития (ранние 1980е - настоящее время). Широкий рынок разнообразных программных средств, развитие настольных ГИС, расширение области их применения за счет интеграции с базами непространственных данных, появление сетевых приложений, появление значительного числа непрофессиональных пользователей, системы, поддерживающие индивидуальные наборы данных на отдельных компьютерах, открывают путь системам, поддерживающим корпоративные и распределенные базы геоданных;

- пользовательский период (поздние 1980е - настоящее время). Повышенная конкуренция среди коммерческих производителей геоинформационных технологий услуг дает преимущества пользователям ГИС, доступность и "открытость" программных средств позволяет пользователям самим адаптировать, использовать и даже модифицировать программы, появление пользовательских "клубов", телеконференций, территориально разобщенных, но связанных единой тематикой пользовательских групп, возросшая потребность в геоданных, начало формирования мировой геоинформационной инфраструктуры.

В середине 90-х годов некоммерческая организация Консорциум (англ. The Open Geospatial Consortium, Inc (OGC)), координирующая разработку международных стандартов в области ГИС, разработала и утвердила спецификации на представление базовых типов геообъектов и установила стандарты на дополнительную функциональность СУБД. В результате этого были решены проблемы ограниченной интероперабельности между ГИС и взаимодействия со стандартными приложениями.

1.3. Обобщенные функции ГИС-систем

Большинство современных ГИС осуществляют комплексную обработку информации, используя ниже приведенные функции:

- ввод и редактирование данных;

- поддержка моделей пространственных данных;

- хранение информации;

- преобразование систем координат и трансформация картографических проекций;

- растрово-векторные операции;

- измерительные операции;

- полигональные операции;

- операции пространственного анализа;

- различные виды пространственного моделирования;

- цифровое моделирование рельефа и анализ поверхностей;

- вывод результатов в разных формах.

1.4. Классификация ГИС

ГИС системы разрабатываются с целью решения научных и прикладных задач по мониторингу экологических ситуаций, рациональному использованию природных ресурсов, а также для инфраструктурного проектирования, городского и регионального планирования, для принятия оперативных мер в условиях чрезвычайных ситуаций др.

Множество задач, возникающих в жизни, привело к созданию различных ГИС, которые могут классифицироваться по следующим признакам:

По функциональным возможностям:

- полнофункциональные ГИС общего назначения;

- специализированные ГИС ориентированы на решение конкретной задачи какой-либо предметной области;

- информационно-справочные системы для домашнего и информационно-справочного пользования. [7]

Функциональные возможности ГИС определяются также архитектурным принципом их построения:

- закрытые системы - не имеют возможностей расширения, они способны выполнять только тот набор функций, который однозначно определен на момент покупки.

- открытые системы отличаются легкостью приспособления, возможностями расширения, так как могут быть достроены самим пользователем при помощи специального аппарата (встроенных языков программирования).

По пространственному (территориальному) охвату:

- глобальные (планетарные);

- общенациональные;

- региональные;

- локальные (в том числе муниципальные).

По проблемно-тематической ориентации:

- общегеографические;

- экологические и природопользовательские;

- отраслевые (водных ресурсов, лесопользования, геологические, туризма и т.д.).

По способу организации географических данных:

- векторные;

- растровые;

- векторно-растровые ГИС.

По области применения:

- местные администрации. Задачи управления муниципальным хозяйством - одна из крупнейших областей приложений ГИС. В любой сфере деятельности местной администрации (обследование земель, управление землепользованием, замена существующих бумажных записей, управление ресурсами, учёт состояния собственности (недвижимости) и дорожных магистралей) применимы ГИС. Они могут использоваться также на командных пунктах управления центров по мониторингу и в службах быстрого реагирования. ГИС - неотъемлемый компонент (инструментальный, технологический, программный) любой муниципальной или региональной информационной системы управления;

- коммунальное хозяйство. Организации, обеспечивающие коммунальные услуги, наиболее активно используют ГИС для построения БД об основных средствах (трубопроводы, телекоммуникации, электросети, насосы, распределительные станции и т.п.), которая является центральной частью в их стратегии информационной технологии. Обычно в этом секторе доминируют ГИС, обеспечивающие моделирование поведения сетей в ответ на различные отклонения от нормы. Наибольшее применение находят системы автоматизации картографирования и управления основными средствами для поддержки "внешнего планирования" в организации: прокладка телекоммуникаций, расположение задвижек, щитов обслуживания и др.;

- охрана окружающей среды. На простейшем уровне - для исследования состояния окружающей среды. Более сложные приложения используют аналитические возможности ГИС для моделирования процессов в окружающей среде, таких как эрозия почв или разлив рек в случае большого количества осадков, распространение выбросов загрязняющих веществ промышленных предприятий в атмосфере. После сбора исходных картографических данных производится их аналитическая обработка в ГИС;

- здравоохранение. В дополнение к обычным задачам управления основными средствами аналитические возможности ГИС используют в приложениях охраны здоровья, например, для определения кратчайшего пути от станции скорой помощи до пациента с учетом текущей ситуации на дорогах, а также при анализе эпидемиологических ситуаций: характера распространения различных заболеваний и причин их возникновения;

- транспорт. Планирование и поддержка транспортной инфраструктуры - это очевидная область применения. В настоящее время увеличивается интерес к использованию новых технологий, например навигационных для контроля за движением большегрузных автомобилей. Отображение их места нахождения на цифровой карте на дисплеях в кабине водителя и в центре управления перевозками требует поддержки со стороны ГИС;

- розничная торговля. Крупные западные коммерческие фирмы используют ГИС для выбора места расположения большинства новых супермаркетов за пределами центра города, для хранения социально-экономических деталей обстановки и потенциальных заказчиков в заданной области. Расположение склада и зона обслуживания могут быть разработаны с помощью вычислений времени доставки и моделирования влияния конкурирующих складов. ГИС используют также и для управления поставками;

- финансовые услуги. В секторе финансовыми услуг ГИС используются так же, как и в приложениях для розничной торговли: для определения расположения филиалов банков и зданий обществ; в качестве инструмента для оценки риска вложений средств в недвижимость и страхования, для определения областей высшего/низшего риска. Это требует баз данных о криминальной обстановке, ресурсах территории, характеристиках недвижимости;

- военные приложения;

- энергетика и др.

1.5. Источники данных и их типы

В качествеисточников данныхдля формирования ГИС служат:

- картографические материалы (топографические и общегеографические карты, карты административно-территориального деления, кадастровые планы и др.). Сведения, получаемые с карт, имеют территориальную привязку, поэтому их удобно использовать в качестве базового слоя ГИС. Если нет цифровых карт на исследуемую территорию, тогда графические оригиналы карт преобразуются в цифровой вид;

- данные дистанционного зондирования(ДДЗ)все шире используются для формирования баз данных ГИС. К ДДЗ, прежде всего, относят материалы, получаемые с космических носителей. Для дистанционного зондирования применяют разнообразные технологии получения изображений и передачи их на Землю, носители съемочной аппаратуры (космические аппараты и спутники) размещают на разных орбитах, оснащают разной аппаратурой. Благодаря этому получают снимки, отличающиеся разным уровнем обзорности и детальности отображения объектов природной среды в разных диапазонах спектра (видимый и ближний инфракрасный, тепловой инфракрасный и радиодиапазон). Все это обуславливает широкий спектр экологических задач, решаемых с применением ДДЗ.

К методам дистанционного зондирования относятся и аэро- и наземные съемки, и другие неконтактные методы, например гидроакустические съемки рельефа морского дна. Материалы таких съемок обеспечивают получение как количественной, так и качественной информации о различных объектах природной среды;

- материалы полевых изысканий территорий, включают данные топографических, инженерно-геодезических изысканий, кадастровой съемки, геодезические измерения природных объектов, выполняемые нивелирами, теодолитами, электронными тахеометрами, GPS приемниками, а также результаты обследования территорий с применением геоботанических и других методов, например, исследования по перемещению животных, анализ почв и др.;

- статистические данные содержат данные государственных статистических служб по самым разным отраслям народного хозяйства, а также данные стационарных измерительных постов наблюдений (гидрологические и метеорологические данные, сведения о загрязнении окружающей среды и т.д.);

- литературные данные (справочные издания, книги, монографии и статьи, содержащие разнообразные сведения по отдельным типам географических объектов).

В ГИС редко используется только один вид данных, чаще всего это сочетание разнообразных данных на какую-либо территорию.

1.6. Виды обеспечения ГИС

Техническое обеспечение – это комплекс аппаратных средств, применяемых при функционировании ГИС: рабочая станция или персональный компьютер (ПК), устройства ввода-вывода информации, устройства обработки и хранения данных, средства телекоммуникации.

Рабочая станция или ПК являются ядром любой информационной системы и предназначены для управления работой ГИС и выполнения процессов обработки данных, основанных на вычислительных или логических операциях. Современные ГИС способны оперативно обрабатывать огромные массивы информации и визуализировать результаты.

Ввод данных реализуется с помощью разных технических средств и методов: непосредственно с клавиатуры, с помощью дигитайзера или сканера, через внешние компьютерные системы. Пространственные данные могут быть получены электронными геодезическими приборами, непосредственно с помощью дигитайзера и сканера, либо по результатам обработки снимков на аналитических фотограмметрических приборах или цифровых фотограмметрических станциях.

Устройства для обработки и хранения данныхсконцентрированы в системном блоке, включающем в себя центральный процессор, оперативную память, внешние запоминающие устройства и пользовательский интерфейс.

Устройства вывода данных должны обеспечивать наглядное представление результатов, прежде всего на мониторе, а также в виде графических оригиналов, получаемых на принтере или плоттере (графопостроителе), кроме того, обязательна реализация экспорта данных во внешние системы. [3]

Программное обеспечение (ПО) – совокупность программных средств, реализующих функциональные возможностей ГИС, и программных документов, необходимых при их эксплуатации.

Структурно программное обеспечение ГИС включает базовые и прикладные программные средства.

Базовые программные средства включают: операционные системы (ОС), программные среды, сетевое ПО и системы управления базами данных. Операционные системы предназначены для управления ресурсами ЭВМ и процессами, использующими эти ресурсы. На настоящее время основными ОС являются: Windows и Unix.

Любая ГИС работает с данными двух типов данных - пространственными и атрибутивными. Для их ведения ПО должно включить СУБД тех и других данных, а также модули управления средствами ввода и вывода данных, систему визуализации данных и модули для выполнения пространственного анализа.

Прикладные программные средства предназначены для решения специализированных задач в конкретной предметной области и реализуются в виде отдельных приложений и утилит.

Информационное обеспечение- совокупность массивов информации, систем кодирования и классификации информации. Информационное обеспечение составляют реализованные решения по видам, объемам, размещению и формам организации информации, включая поиск и оценку источников данных, набор методов ввода данных, проектирование баз данных, их ведение и метасопровождение. Особенность хранения пространственных данных в ГИС – их разделение на слои. Многослойная организация электронной карты, при наличии гибкого механизма управления слоями, позволяет объединить и отобразить гораздо большее количество информации, чем на обычной карте. Данные о пространственном положении (географические данные) и связанные с ними табличные могут подготавливаться самим пользователем либо приобретаться. Для такого обмена данными важна инфраструктура пространственных данных.

Инфраструктура пространственных данных определяется нормативно-правовыми документами, механизмами организации и интеграции пространственных данных, а также их доступность разным пользователям. Инфраструктура пространственных данных включает три необходимых компонента: базовую пространственную информацию, стандартизацию пространственных данных, базы метаданных и механизм обмена данными.

Вопросы и задания

1. Дайте определения основным понятиям ГИС. Поясните различия между геоданными и геоинформацией.

2. Раскройте содержание основных исторических этапов развития ГИС.

3. Перечислите и охарактеризуйте обобщенные функции ГИС.

4. Постройте структурную схему ГИС, отображающую основные подсистемы и связи между ними. Что такое компоненты ГИС?

5. Приведите основания и классификации ГИС.

6. Назовите и охарактеризуйте основные области применения ГИС. Приведите примеры использования.

7. Перечислите источники геоданных и типы данных. Дайте краткую характеристику по каждому пункту.

8. Приведите примеры технического, программного, информационного обеспечения ГИС.

9. Для чего предназначено программное и информационное обеспечение ГИС? Поясните разницу между этими видами обеспечений.

2. СТРУКТУРЫ И МОДЕЛИ ДАННЫХ

2.1. Отображение объектов реального мира в ГИС

Объекты реального мира, рассматриваемые в геоинформатике, отличаются пространственными, временными и тематическими характеристиками.

Пространственные характеристики определяют положение объекта в заранее определенной системе координат, основное требование к таким данным – точность.

Временные характеристикификсируютвремя исследования объекта и важны для оценки изменений свойств объекта с течением времени. Основное требование к таким данным – актуальность, что означает возможность их использования для обработки, неактуальные данные – это устаревшие данные. [10]

Тематические характеристики описывают разные свойства объекта, включая экономические, статистические, технические и другие свойства, основное требование – полнота.

Для представления пространственных объектов в ГИС используют пространственные и атрибутивные типы данных.

Пространственные данные – сведения, которые характеризуют местоположение объектов в пространстве относительно друг друга и их геометрию.

Пространственные объекты представляют с помощью следующих графических объектов: точки, линии, области и поверхности.

Описание объектов осуществляется путем указания координат объектов и составляющих их частей.

Точечные объекты – это такие объекты, каждый из которых расположен только в одной точке пространства, представленной парой координат X, Y. В зависимости от масштаба картографирования, в качестве таких объектов могут рассматриваться дерево, дом или город.

Линейные объекты, представлены как одномерные, имеющие одну размерность – длину, ширина объекта не выражается в данном масштабе или не существенна. Примеры таких объектов: реки, границы муниципальных округов, горизонтали рельефа.

Области (полигоны)– площадные объекты, представляются набором пар координат (Х, У) или набором объектов типа линия, представляющих собой замкнутый контур. Такими объектами могут быть представлены территории, занимаемые определенным ландшафтом, городом или целым континентом.

Поверхность - при ее описании требуется добавление к площадным объектам значений высоты. Восстановление поверхностей осуществляется с помощью использования математических алгоритмов (интерполяции и аппроксимации) по исходному набору координат X, Y, Z.

Одних пространственных данных недостаточно для описания картографической или сложной графической информации. Картографические объекты, кроме метрической, обладают некоторой присвоенной им описательной информацией (названия политических единиц, городов, рек и др.). Характеристики объектов, входящие в состав этой информации, называют атрибутами. Совокупность возможных атрибутов определяет класс атрибутивных моделей ГИС.

Атрибутивные данные- это качественные или количественные характеристики пространственных объектов, выражающиеся, как правило, в алфавитно-цифровом виде. Атрибутами могут быть символы (названия), числа (статистическая информация, код объекта) или графические признаки (цвет, рисунок, заполнения контуров). Числовые значения в ГИС могут относиться как к координатным данным, так и к атрибутивным.

Атрибутивные данные описывают тематические и временные характеристики. Таблица, содержащая атрибуты объектов, называется таблицей атрибутов.

Атрибуты, соответствующие тематической форме данных и определяющие различные признаки объектов, также хранятся в таблицах. Каждому объекту соответствует строка таблицы, каждому тематическому признаку - столбец таблицы. Каждая клетка таблицы отражает значение определенного признака для определенного объекта.

Временная характеристика может отражаться несколькими способами: путем указания временного периода существования объектов; путем соотнесения информации с определенными моментами времени; путем указания скорости движения объектов.

Применение атрибутов позволяет осуществлять анализ объектов, хранящихся в БД с использованием стандартных форм запросов и разного рода фильтров, а также выражений математической логики. Последнее эффективно при тематическом картографировании. Кроме того, с помощью атрибутов можно типизировать данные и упорядочивать описание для широкого набора некоординатных данных.

Таким образом, атрибутивное описание дополняет координатное, совместно с ним создает полное описание моделей ГИС и решает задачи типизации исходных данных, что упрощает процессы классификации и обработки.

Существуют различные методы хранения атрибутивных данных в ГИС:

- хранение для всех объектов системы 1-2 стандартных атрибутов;

- хранение таблиц атрибутов, связанных с пространственными объектами, и информации об отношениях между ними;

- хранение ссылок на элементы данных иерархической или сетевой БД;

- хранение атрибутивной информации может вообще не применяться, если система опирается на классификатор.

Атрибуты можно подразделить на:

- пространственные - периметр и площадь площадного объекта, длина линейного;

- непространственные - числовые, текстовые значения каких-то величин описывающих объект;

- первичные - измеренные, введенные. Примеры таких данных: географическое название, видовой состав растительности, характеристики почв и т.п.;

- вторичные - рассчитанные, полученные из значений других атрибутов.

Природа пространственных и атрибутивных данных различна, соответственно различны и методы манипулирования (хранения, ввода, редактирования, поиска и анализа) для двух этих составляющих ГИС. Одна из основных идей, воплощенных в традиционных ГИС - это сохранение связи между пространственными и атрибутивными данными, при раздельном их хранении и, частично, раздельной обработке. [12]

Общее цифровое описание пространственного объекта включает: наименование; указание местоположения; набор свойств; отношения с другими объектами. Наименованием объекта служит его географическое название (если оно есть), его условный код или идентификатор, присваиваемый пользователем или системой.

Однотипные объекты по пространственному и тематическому признакам объединяются в слои цифровой карты, которые рассматриваютсякак отдельные информационные единицы, при этом существует возможность совмещения всей имеющейся информации

2.2. Структуры пространственных данных

Для представления пространственных данных в ГИС применяют векторные и растровые структуры данных.

Векторная структура– это представление пространственных объектов в виде набора координатных пар (векторов), описывающих геометрию объектов (рис.2.1).

Рис. 2.1. Векторное представление пространственных данных

Растровая структура данных предполагает представления данных в виде двухмерной сетки, каждая ячейка которой содержит только одно значение, характеризующее объект, соответствующий ячейке растра на местности или на изображении. В качестве такой характеристики может быть код объекта (лес, луг и т.д.) высота или оптическая плотность.

Точность растровых данных ограничивается размером ячейки. Такие структуры являются удобным средством анализа и визуализации разного рода информации.

Рис. 2.2. Растровая структура данных

Для реализации растровых и векторных структур разработаны различные модели данных.

2.3. Модели данных

Модели пространственных данных – логические правила для формализованного цифрового описания пространственных объектов. Существуют векторные и растровые модели данных.

Основное преимущество векторных моделей - на порядки меньшее требование к памяти и меньшее время на обработку и представление данных, чем у растровых.

2.3.1. Векторные модели

Векторные модели делятся на собственно векторные (нетопологические) и векторно-топологические.

Векторные нетопологические модели данных. В основе векторных моделей лежит понятие вектор. Вектор - направленный отрезок, у которого есть координаты начала и координаты конца. При построении векторных моделей объекты создаются путем соединения точек прямыми линиями, дугами окружностей, полилиниями. Площадные объекты - ареалы или полигоны задаются наборами линий.

Линией называют границу, сегмент, цепь или дугу. Основные типы координатных данных в классе векторных моделей определяются через базовый элемент «Линия» следующим образом. Точка определяется как выродившаяся линия нулевой длины, линия - как линия конечной длины, а площадь представляется последовательностью связанных между собой сегментов.

Векторные нетопологические модели данных (рис. 2.3) в этом смысле предоставляют больше свободы, но часто в один слой помещаются объекты только одного геометрического типа.

Рис. 2.3. Векторная нетопологическая модель

Число слоев при послойной организации данных может быть и ограничено, и практически неограниченно в зависимости от конкретной реализации. При послойной организации данных удобно манипулировать большими группами объектов, представленных слоями как единым целым, например, включая или выключая слои для визуализации, определять операции, основанные на взаимодействии слоев. В целом можно сказать, что послойная организация данных имеет большой аналитический потенциал. Она часто используется при построении как векторно-топологических, так и векторных нетопологических моделей пространственных данных для ГИС.

Существует несколько способов объединения векторных структур данных в векторную модель данных, позволяющую исследовать взаимосвязи между объектами одного слоя или между объектами разных слоев. Простейшей векторной моделью данных является «спагетти»-модель (рис.2.4). В этом случае переводится «один в один» графическое изображение карты. [13]

Рис. 2.4. «Спагетти»-модель

Объект	Номер	Положение
Точка		Одна пара координат (x, y)
Линия		Набор пар координат (x, y)
Область		Набор пар координат (x, y), первая и последняя совпадают

 

В этой модели не содержится описания отношений между объектами, каждый геометрический объект хранится отдельно и не связан с другими, например общая граница объектов 25 и 26 записывается дважды, хотя с помощью одинакового набора координат. Все отношения между объектами должны вычисляться независимо, что затрудняет анализ данных и увеличивает объем хранимой информации.

Векторные топологические модели (рис. 2.5) содержат сведения о соседстве, близости объектов и другие, характеристики взаимного расположения векторных объектов.

Рис. 2.5. Векторно-топологическая модель

Векторно-топологическая модель отличается от векторной тем, что объекты хранятся во взаимосвязи.

Топологические модели позволяют представлять элементы карты и всю карту в целом в виде графов. Теоретической основой моделей служат алгебраическая топология и теория графов. Топологическое векторное представление данных отличается от не топологического наличием возможности получения исчерпывающего списка взаимоотношений между связанными геометрическими примитивами без изменения хранимых координат пространственных объектов.

Топологические модели в ГИС задаются совокупностью следующих характеристик:

- связанность векторов - контуры, дороги и прочие векторы должны храниться не как независимые наборы точек, а как взаимосвязанные друг с другом объекты;

- связанность и примыкание районов - информация о взаимном расположении районов и об узлах пересечения районов;

- пересечение - информация о типах пересечений позволяет воспроизводить специальные символы, например мосты и дорожные пересечения

- близость - показатель пространственной близости линейных или площадных объектов, оценивается числовым параметром.

Для случая векторно-топологических моделей данных (рис. 2.6) обычно существуют некоторые дополнительные ограничения - в один лист одного тематического слоя можно поместить объекты не всех геометрических типов одновременно.

Рис. 2.6. Векторная топологическая модель данных

Файл узлов
Номер дуги	Координата X	Координата Y

 

Файл областей
Номера областей	Список дуг
	1, 4, 3
	2, 3, 5
	5, 6, 7, 8

 

Файл дуг
Номер дуги	Правый полигон	Левый полигон	Начальный узел	Конечный узел

Топологическая информацияописывается набором узлов и дуг. Узел - это пересечение двух или более дуг, и его номер используется для ссылки на любую дугу, которой он принадлежит. Каждая дуга начинается и заканчивается либо в точке пересечения с другой дугой, либо в узле, не принадлежащем другим дугам. Дуги образуются последовательностью отрезков, соединённых промежуточными точками. В этом случае каждая линия имеет два набора чисел: пары координат промежуточных точек и номера узлов. Кроме того, каждая дуга имеет свой идентификационный номер, который используется для указания того, какие узлы представляют её начало и конец.

Разработаны и другие модификации векторных моделей, в частности, существуют специальные векторные модели для представления моделей поверхностей, которые будут рассмотрены далее. [14]

2.3.2. Растровые модели

Растровые модели используются в двух случаях. В первом случае – для хранения исходных изображений местности. Во втором случае, для хранения тематических слоев, когда пользователей интересуют не отдельные пространственные объекты, а набор точек пространства, имеющих различные характеристики (высотные отметки или глубины, влажность почв и т.д.), для оперативного анализа или визуализации.

Существует несколько способов хранения и адресации значений отдельных ячеек растра, и их атрибутов, названий слоев и легенд.

При использовании растровых моделей актуальным является вопрос сжатия растровых данных, для которого разработаны методы группового кодирования, блочного кодирования, цепочного кодирования и представления в виде квадродерева.

Деление на объекты осуществляется наиболее простым способом - весь объект (исследуемая территория) отображается в пространственные ячейки, образующие регулярную или нерегулярную сеть. При этом каждой ячейке растровой модели соответствует одинаковый по размерам, но разный по характеристикам (цвет, плотность) участок поверхности объекта. В ячейке модели содержится одно значение, усредняющее характеристику участка поверхности объекта. В теории обработки изображений эта процедура известна под названием пикселизация.

Нерегулярная сеть точек - произвольно расположенные точечные объекты, в качестве атрибутов имеющие значение поля в данной точке, рис. 2.7. С помощью такого способа представления, если не иметь очень густо расположенных по сравнению с пространственной изменчивостью поля точек, трудно гарантировать его адекватное представление. Сеть может быть слишком редкая, или точки, выбранные случайно, не попадают на характерные представительные места/значения, или наоборот, точки выбраны неслучайно и тоже не являются представительными. Для обработки такое представление тоже не очень удобно.

ID Число Тип Код Сосна Осина

Рис. 2.7. Нерегулярная сеть точек

Регулярная модель- более удобный для многих случаев вариант, когда поля задаются регулярно расположенными в пространстве точками достаточной густоты, особенно когда это не точки, интерполированные из нерегулярных, а измерения, проведенные по регулярной сети, рис. 2.8. Из них легко перейти к любой другой форме представления.

Рис. 2.8. Регулярная модель

Если векторные модели данных оперируют непосредственно с координатами объектов и слагающих его точек, то растровые модели оперируют с делением пространства, где положение объекта или слагающего его элемента задается принадлежностью к некоторому дискрету, элементу делимости пространства, рис. 2.9.

Если векторная модель дает информацию о том, где расположен тот или иной объект, то растровая - информацию о том, что расположено в той или иной точке территории. Это определяет основное назначение растровых моделей - непрерывное отображение поверхности.

В растровых моделях в качестве атомарной модели используют двухмерный элемент пространства - пиксель (ячейка). Упорядоченная совокупность атомарных моделей образует растр, который, в свою очередь, является моделью карты или геообъекта.

Рис. 2.9. Векторная и растровая модели

2.3.3. Нерегулярная триангуляционная сеть – TIN

Модель данных TIN (triangulated irregular network - нерегулярная триангуляционная сеть) предназначена для представления поверхностей значений, полей (в первую очередь, поверхности рельефа местности), рис. 2.10. Эта модель позволяет использовать для описания рельефа точки некоторой сетки. Точки могут размещаться как регулярно, так и нерегулярно.

Для получения модели поверхности нужно соединить пары точек ребрами определенным способом, называемым триангуляцией. Тогда, при необходимости получения трехмерного представления, TIN может быть показана в виде проволочной модели или модели с закрашенными гранями. Наличие связок между точками дает некоторое представление о поведении поля (или форме поверхности) на данном участке в промежутке между точками. Поэтому модель данных типа TIN часто позволяет получать более качественное и экономное представление поверхностей (полей). Это средство представления поверхностей на самом деле использовалось в качестве главной структуры данных в ранних системах работы с данными поверхностей. К сожалению, многие типы аналитических задач трудно выполнимы на этом типе модели данных.

 

Рис. 2.10. Модель TIN. Векторное представление поверхности образуется соединением точек с известными значениями высоты

2.3.4. Организация цифровой карты в виде множества слоев

Цифровая карта может быть организована как множество слоев (покрытий или карт-подложек), рис. 2.11.

Слои в ГИС могут быть как векторными, так и растровыми, причем векторные слои обязательно должны иметь одну из трех характеристик векторных данных, т.е. векторный слой должен быть определен как точечный, линейный или полигональный дополнительно к его тематической направленности.

Слои в ГИС являются типом цифровых картографических моделей, которые построены на основе объединения (типизации) пространственных объектов (или набора данных), имеющих общие свойства или функциональные признаки. Такими свойствами могут быть: принадлежность к одному типу координатных объектов (точечные, линейные полигональные); принадлежность к одному типу пространственных объектов (жилые здания, подземные коммуникации, административные границы и т. д.); отображение на карте одним цветом.

 

Рис. 2.11. Организация цифровой карты в виде множества слоев

 

Совокупность слоев образует интегрированную основу графической части ГИС. Принадлежность объекта или части объекта к слою позволяет использовать и добавлять групповые свойства объектам данного слоя.

Данные, размещенные на слоях, могут обрабатываться как в интерактивном, так и в автоматическом режиме.

С помощью системы фильтров или заданных параметров объекты, принадлежащие слою, могут быть одновременно масштабированы, перемещены, скопированы, записаны в базу данных. В других случаях (при установке других режимов) можно наложить запрет на редактирование объектов слоя, запретить их просмотр или сделать невидимыми,

Многослойная организация электронной карты при наличии гибкого механизма управления слоями позволяет объединить и отобразить не только большее количество информации, чем на обычной карте, но существенно упростить анализ картографических данных с помощью селекции данных, необходимых для визуализации и механизма "прозрачности" цифровой карты.

Таким образом, разбиение на слои позволяет решать задачи типизации и разбиения данных на типы, повышать эффективность интерактивной обработки и групповой автоматизированной обработки, упрощать процесс хранения информации в БД, включать автоматизированные методы пространственного анализа на стадии сбора данных и при моделировании, упрощать решение экспертных задач.

Введение топологических свойств в графические данные ГИС, позволяет решать задачи, которые методами ПО САПР не реализуются. Это, например, возможность наложения слоев для получения нового слоя, который не является простым результатом наложения, а содержит новые объекты, полученные на основе методов пространственного анализа с использованием логических операций.

В целом сочетание методов топологии и послойного представления картографической информации богатые возможности анализа картографических данных.

Проявление современных тенденций в информационных технологиях оказывает влияние и на ГИС. Наиболее актуальным и перспективным с точки зрения эффективности обработки картографических данных и технологичности использования инструментальных средств для создания ГИС, является объектно-ориентированный подход (ООП). Смысл такого подхода состоит в том, что он позволяет применить объектную ориентацию для решения всего круга проблем, связанных с разработкой информационных систем. Использование ООП позволяет в полной мере использовать возможности объектно-ориентированных языков, существенно повышает качество разработки в целом и ее фрагментов, дает возможность создавать системы на основе стабильных промежуточных описаниях, делая системы более открытыми: снижает степень риска при разработке системы и создает более полное соответствие объектной модели реального мира восприятию человека.

2.4. Форматы данных

Форматы данных определяют способ хранения информации на жестком диске, а также механизм ее обработки. Модели данных и форматы данных определенным способом взаимосвязаны.

Существует большое количество форматов данных. Можно отметить, что во многих ГИС поддерживаются основные форматы хранения растровых данных (TIFF, JPEG, GIF, BMP, WMF, PCX), а также GeoSpot, GeoTIFF, позволяющие передавать информацию о привязке растрового изображения к реальным географическим координатам, и MrSID - для сжатия информации. Наиболее распространенным среди векторных форматов является - DXF.

Все системы поддерживают обмен пространственной информацией (экспорт и импорт) со многими ГИС и системами автоматизированного проектирования (САПР) через основные обменные форматы: SHP, E00, GEN (ESRI), VEC (IDRISI), MIF (MapInfo Corp.), DWG, DXF (Autodesk), WMF (Microsoft), DGN (Bentley). Только некоторые, в основном отечественные системы, поддерживают российские обменные форматы – F1M (Роскартография), SXF (Военно-топографическая служба).

Довольно часто для эффективной реализации одних компьютерных операций предпочитают векторный формат, а для других растровый. Поэтому, в некоторых системах реализуются возможности манипулирования данными в том и в другом формате, и функции преобразования векторного в растровый, и наоборот, растрового в векторный форматы.

2.5. Базы данных в ГИС

База данных (БД) ГИС – это самостоятельная, предназначенная для длительного хранения и использования организация геоданных, которая включает данные и соответствующие методы управления этими данными.

Основными компонентами БД ГИС являются:

- система управления БД, отвечающая за опрос, манипуляцию, управление доступом к данным, целостность данных;

- описание структур геоданных;

- геоданные.

Систему БД можно рассматривать как распределенную информационную систему, которая отвечает за:

- управление геоданными;

- эффективный доступ к большим объемам геоданных;

- управление распределенным доступом к геоданным;

- координацией объектов различных типов.

Альтернативным способом хранения данных является файловая система, которая в свою очередь не предоставляет всех функций управления данными. Эти функции должны быть реализованы средствами конкретного программного продукта, использующего эти данные.

Каждая прикладная программа имеет собственный набор данных. БД ориентированы на коллективное использование данных прикладными программами.

БД ГИС по степени распределенности делятся на:

- десктоп-БД;

- локальные БД, в которых все компоненты находятся на рабочей станции;

- файл-серверные БД, в которых данные находятся на файловом сервере, а система БД на рабочих станциях;

- клиент-серверные БД, в которых все компонениты БД находятся на сервере.

Модель данных определяет способ представления и обработки данных в БД. При этом учитываются методы:

- описания типов и логических структур данных;

- манипулирования данными;

- описания и поддержки целостности БД.

Наиболее распространенные модели современных БД:

- реляционная;

- объектно-ориентированная;

- объектно-реляционная.

Реляционная модель БД представляет объекты и взаимосвязи между ними в видетаблиц (отношений), а все операции над данными сводятся к операциям над этими таблицами. На этой модели базируются практически все современные СУБД, поскольку она:

- проста для понимания – таблицы являются легко воспринимаемым способом представления информации;

- предоставляет мощный механизм обработки данных – SQL.

Основной проблемой реляционной модели является отсутствие возможности естественного представления данных со сложной структурой. Даже в том случае, когда сложный объект удается представить реляционной моделью, его данные распределяются, как правило, по многим таблицам. Извлечение каждого такого объекта требует выполнения многих операций соединений, что значительно замедляет работу с ним. [15]

На раннем этапе развития ГИС использовали свои собственные форматы файлов для хранения данных и свои собственные интерфейсы для доступа к этим данным.

Вначале 90-х годов с введением требований к отрытым ГИС крупнейшие разработчики ГИС перешли к созданию приложений, в которых реляционные БД использовались как хранилища данных. Это дало их продуктам такие преимущества, как одновременный доступ многих пользователей, стандартные средства сохранения и восстановления данных и возможность работы в режиме клиент-сервер. Реляционные БД обеспечили представление пространственных данных в типах SQL и пространственное индексация этих данных. Однако доступ к данным все еще происходил через собственные интерфейсы ГИС

В настоящее время существуют следующие способы хранения геоданных в реляционных БД:

- ГИС-специфическое хранение геоданных: геометрические и негеометрические (атрибутивные) данные хранятся в одном файле (или совокупности файлов);

- гибридное хранение: геометрические данные – в файле, атрибуты – отдельно в реляционной БД;

- геометрические данные и атрибуты в одной (как правило, реляционной) БД;

- связанные БД с геометрическими данными и атрибутами;

- распределенные БД.

Вопросы и задания

1. Поясните принципы отображения реальных объектов в ГИС. Каким образом они характеризуются? Приведите примеры.

2. Раскройте суть понятия «пространственный объект». Что подразумевается под пространственным и атрибутивным описанием объекта? Как связано понятие «слой» с описанием объекта?

3. Перечислите и охарактеризуйте основные структуры описания пространственных данных.

4. Поясните назначение и принципы организации атрибутивных данных в ГИС. Перечислите методы хранения. Приведите классификацию атрибутивных данных и их примеры.

5. Приведите примеры и дайте пояснения к основным структурам формализованного описания пространственных данных в ГИС.

6. Постройте классификацию моделей данных в ГИС. Укажите преимущества и недостатки каждого типа моделей. Приведите примеры.

7. Поясните назначение и принцип организации векторных моделей данных. Дайте определения векторной нетопологической и векторной топологической моделям данных. Поясните различия между ними.

8. Постройте векторную нетопологическую модель данных.

9. Каким образом цифровые карты ГИС работают с топологической информацией? Что такое векторная топологическая модель данных?

10. Постройте с использованием векторной топологической модели простейшую БД, содержащую описание расположения семи векторных объектов.

11. Схематично проиллюстрируйте метод цифрового описания пространственного объекта на основе нерегулярной триангуляционной сети.

12. Поясните назначение и принцип организации растровых моделей данных. Для чего используются нерегулярная и регулярная сети точек?

13. Каким образом осуществляется построение цифровой карты в виде множества слоев? Какие преимущества пользователям предоставляет работа со слоями?

14. Перечислите основные форматы данных ГИС. Постройте классификацию форматов по нескольким основаниям, приведите примеры.

15. Поясните назначение, функции, состав и преимущества БД ГИС.

16. Что такое модель данных в БД ГИС? Поясните принцип организации реляционной модели БД в ГИС.

3. ТЕХНОЛОГИИ ВВОДА И ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ

3.1. Способы ввода данных

В соответствии с используемыми техническими средствами различают два способа ввода данных: дигитализацию и векторизацию. Для ручного ввода пространственных данных применяется дигитайзер. Он состоит из планшета (столика) с электронной сеткой, к которому присоединено устройство называемое курсором. Курсор представляет собой подобие графического манипулятора – мыши, имеет визир, нанесенный на прозрачную пластинку, с помощью которого оператор выполняет точное наведение на отдельные элементы карты. На курсоре помещены кнопки, которые позволяют фиксировать начало и конец линии или границы области, число кнопок зависит от уровня сложности дигитайзера. Дигитайзеры бывают разных форматов и обеспечивают разрешение 0,03 мм с общей точностью 0,08 мм на расстоянии 1,5 м. Существуют автоматизированные дигитайзеры, обеспечивающие автоматическое отслеживание линий.

Наибольшее распространение для ввода данных получили сканеры. Они позволяют вводить растровое изображение карты в компьютер. Существуют различные типы сканеров, которые различаются: по способу подачи исходного материала (планшетные и протяжные (барабанного типа); по способу считывания информации (работающие на просвет или на отражение); по радиометрическому разрешению или глубине цвета; по оптическому (или геометрическому) разрешению. Последняя характеристика определяется минимальным размером элемента изображения, который различается сканером. [1]

Процесс цифрования растрового изображения на экране компьютера называют векторизацией. Существует три способа векторизации: ручной, интерактивный и автоматический. При ручной векторизации оператор обводит мышью на изображении каждый объект, при интерактивной - часть операций производится автоматически. Так, например, при векторизации горизонталей достаточно задать начальную точку и направление отслеживания линий, далее векторизатор сам отследит эту линию до тех пор, пока на его пути не встретятся неопределенные ситуации, типа разрыва линии. Возможности интерактивной векторизации прямо связаны с качеством исходного материала и сложностью карты. Автоматическая векторизация предполагает непосредственный перевод из растрового формата в векторный с помощью специальных программ, с последующим редактированием. Оно необходимо, поскольку даже самая изощренная программа может неверно распознать объект, принять например, символ за группу точек, и т.п.

3.2. Преобразование исходных данных

Отсканированные исходные карты создавались в определенной картографической проекции и системе координат. При оцифровке эта сложная проекция сводиться в набор пространственных координат. Поэтому необходимо преобразовать карту к ее исходной проекции. Для этого в ГИС вводятся сведения об используемой проекции (обычно ГИС позволяет работать с большим числом проекций) и осуществляется ряд преобразований. Три основных из них, которые часто выполняются одновременно, это перенос, поворот и масштабирование.

Перенос – это просто перемещение всего графического объекта в другое место на координатной плоскости. Он выполняется добавлением определенных величин к координатам Х и У объекта:

Масштабирование тоже очень полезно, так как часто сканируются карты разных масшта