Геоинформационное картографирование

 

Содержание

 

Введение_________________________________________________  3-6

 

Глава 1. Географическая информационная система.   

               

1.1. Понятие о геоинформационных  системах.________________ 7-9

1.2. Классификация геоинформационых систем._______________ 10-13

1.3. Анализ данных в географической

 информационной системе._________________________________ 14-17

1.4. Методы и средства визуализации._______________________ 18-21

 

Глава 2. Общие положения геоинформационного картографирования.

 

2.1. Определение геоинформационного

картографирования.________________________________________22-26

2.2. Географические основы геоинформационного

картографирования.________________________________________27-33

2.3. Оперативное геоиформационное

 картографирование._______________________________________ 33-39

2.4. Электронные атласы.___________________________________40-41

2.5. Государственный уровень геоинформационного

 картографирования в  России________________________________42-43

 

Глава 3. Перспективы взаимодействия геоинформационной картографии._____________________________________________  44-45

 

 

Заключение______________________________________________  46-47

 

Список литературы________________________________________ 48

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Целью курсовой работы овладеть методами геоинформатики, теоретическими представлениями и практическими навыками применения геоинформационных технологий, географических баз данных и знаний для создания и использования тематических и общегеографических карт.

Задача: давать возможность вводить, обрабатывать, корректировать, дополнять зрительными образами любые виды информации;

 получать пространственные  и временные характеристики требуемых  ресурсов; адекватно оценивать ситуацию  для эффективного контроля, прогнозирования  и управления, а также для облегчения  принятия решений разнообразных  экономических, социальных и научно-производственных  задач. 

Объектом исследования выступает  геоинформационное картографирование.

Предметом исследования - особенности и задачи геоинформационного картографирования и геоинформационной системы.

Методы исследования – сравнительно-географический, картографический, статистический, сравнительно-описательный, работа с литературой.

В настоящее время использование  информационных систем выходит за рамки  узкого круга специально подготовленных операторов и программистов, необходимость  постоянной работы с информационными  системами возникает у большего числа пользователей. С помощью  интегрированных информационных систем успешно решаются задачи управления, бизнеса, мониторинга не только специалистами, но и руководителями всех звеньев.

Главным требованием в  современном мире не только для специалистов-программистов, и руководителей всех звеньев  является умение справляться с большими потоками информации, обрабатывать их и применять новые технологии с целью решения задач управления, мониторинга или ведения собственного бизнеса.

Длительное время картографические данные служили основным источником данных для пространственных баз данных и в том числе для геоинформационных систем.

 

 

Взаимодействие геоинформатики и картографии стало основой для формирования нового направления - геоинформационного картографирования, суть которого составляет автоматизированное информационно-картографическое моделирование природных и социально-экономических геосистем на основе геоинформационных систем и баз знаний.

Традиционная картография  испытывает сегодня перестройку, сопоставимую, возможно, лишь с теми изменениями, которые сопровождали переход от рукописных карт к печатным полиграфическим  оттискам. В некоторых случаях  геоинформационное картографирование  почти полностью заменило традиционные методы картосоставления и картоиздания.

Четкая целевая установка  и преимущественно прикладной характер - вот, пожалуй, наиболее важные отличительные  черты геоинформационного картографирования.

Согласно подсчетам, до 80% карт, составляемых с помощью геоинформационных систем, носят оценочный или прогнозный характер либо отражают то или иное целевое районирование территории.

Программно-управляемое  картографирование по-новому освещает многие традиционные проблемы, связанные  с выбором математической основы и компоновки карт (возможность перехода от проекции к проекции, свободное масштабирование, отсутствие фиксированной нарезки листов), введением новых изобразительных средств (например, мигающие или перемещающиеся на карте знаки), генерализацией (использование фильтрации, сглаживания и т.п.).

Происходит тесное соединение двух основных ветвей картографии: создания и использования карт. Многие трудоемкие прежде операции, связанные с подсчетом  длин и площадей, преобразованием  изображений или их совмещением, стали рутинными процедурами. Возникла электронная динамическая картометрия. Создание и использование карт, в  особенности если речь идет о цифровых моделях, стали как бы единым интегрированным процессом, поскольку в ходе компьютерного анализа происходит постоянное взаимное трансформирование изображений. Даже чисто методически стало трудно различить, где завершается составление исходной карты и начинается построение производной.

 

 

 

ГИС-технологии породили еще  одно направление - оперативное картографирование, то есть создание и использование  карт в реальном или близком к  реальному масштабе времени для  быстрого, а точнее сказать, своевременного информирования пользователей и  воздействия на ход процесса. При этом реальный масштаб времени понимается как характеристика скорости создания-использования карт, то есть темпа, обеспечивающего немедленную обработку поступающей информации, ее картографическую визуализацию для оценки, мониторинга, управления, контроля процессов и явлений, изменяющихся в том же темпе.

Оперативные карты предназначаются  для инвентаризации объектов, предупреждения (сигнализации) о неблагоприятных  или опасных процессах, слежения за их развитием, составления рекомендаций и прогнозов, выбора вариантов контроля, стабилизации или изменения хода процесса в самых разных сферах - от экологических ситуаций до политических событий. Исходными данными для  оперативного картографирования служат материалы аэрокосмических съемок, непосредственных наблюдений и замеров, статистические данные, результаты опросов, переписей, референдумов, кадастровая  информация.

Огромные возможности  и порой неожиданные эффекты  дают картографические анимации. Разнообразные модули анимационных программ обеспечивают перемещение картографического изображения по экрану, мультипликационную смену карт-кадров или трехмерных диаграмм, изменение скорости демонстрации, возврат к избранному фрагменту карты, перемещение отдельных элементов содержания (объектов, знаков) по карте, их мигание и вибрацию окраски, изменение фона и освещенности карты, подсвечивание и затенение отдельных фрагментов изображения и т.п. Совершенно необычны для картографии эффекты панорамирования, изменения перспективы, масштабирование частей изображения (наплывы и удаления объектов), а также иллюзии движения над картой (облет территории), в том числе с разной скоростью.

В обозримом будущем перспективы  развития картографии в науках о  Земле связываются прежде всего и почти целиком с геоинформационным картографированием.

 

 

Они исключают необходимость  готовить печатные тиражи карт. Внедрение  электронных технологий "означает конец трехсотлетнего периода картографического  черчения и издания печатной картографической продукции". Взамен мелкомасштабных  карт и атласов пользователь сможет затребовать и сразу получить все необходимые данные в машиночитаемом или визуализированном виде, и  даже само понятие "атлас" подлежит пересмотру.

Сегодня новые карты и  атласы уже не пахнут типографской краской, а подмигивают с экрана яркими огоньками значков и меняют окраску в зависимости от нашего желания и настроения. Возможно, недалеко то время, когда картографические голограммы создадут полную иллюзию реальной местности, а пейзажные компьютерные модели сведут на нет различия между картой и живописным полотном.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Географическая информационная система.

 

1.1. Понятие о геоинформационных системах.

 

Географическая информационная система или геоинформационная  система (ГИС) - это  информационная  система, обеспечивающая  сбор,  хранение, обработку, анализ  и  отображение  пространственных данных и связанных  с ними непространственных, а также  получение на их основе информации и знаний о географическом пространстве.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Считается, что географические или пространственные данные составляют более половины объема всей циркулирующей  информации, используемой организациями, занимающимися разными видами деятельности, в которых необходим учет пространственного  размещения объектов.

 

Геоинформационная система ориентирована на обеспечение возможности принятия оптимальных управленческих решений на основе анализа пространственных данных.

Современные геоинформационные системы расширили использование карт за счет хранения графических данных в виде отдельных тематических слоев, а качественных и количественных характеристик составляющих их объектов в виде баз данных. Такая организация данных при наличии гибких механизмов управления ими, обеспечивает принципиально новые аналитические возможности.

 

Разработка геоинформационной системы – это та сфера научно-технического прогресса, развитие которой невозможно без опоры на картографирование и аэрокосмическое зондирование. Исторически геоинформационная система – в современном их понимании развивалось на базе информационно-поисковых систем и позднее – картографических банков данных. Информационные системы рассматривались как первый этап автоматизированной картографии, затем в функции геоинформационной системы стали включать блоки математико-картографического моделирования и автоматизированного воспроизведения карт. Рассматривая карту ,как инструмент для географического анализа и выделяя подсистему пользователя, геоинформационные системы стали охватывать и область использования карт. Большинство геоинформационная система включают в свои задачи создание карт и используют картографический материал как источник информации.

Само понятие геоинформационная система достаточно характеризует ее сущность. Во-первых, речь идет о системе, то есть достаточно сложной многофункциональной структуре, обладающей внутренней организацией и действующей как единое целое.

 

Во-вторых, подчеркивается информационное назначение этой системы, главной задачей  которой является обеспечение функционирования информации в процессе решения научных  и практических задач.

 

В-третьих, система имеет  дело с географической информацией, тематически разнообразной, сопоставимой, координированной, масштабированной и  генерализованной в пространстве и времени.  

Геоинформационная система объединяет традиционные операции при работе с базами данных - запрос и статистический анализ - с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эта особенность дает уникальные возможности для применения геоинформационной системы в решении широкого спектра задач, связанных с анализом явлений и событий, прогнозированием их вероятных последствий, планированием стратегических решений.

Данные в геоинформационных  системах хранятся в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе их географического положения. Этот гибкий подход и возможность геоинформационных  систем работать как с векторными, так и с растровыми моделями данных, эффективен при решении любых  задач, касающихся пространственной информации.

 

1.2. Классификация геоинформационых систем.

Геоинформационные 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 геоинформационных систем, которые могут классифицироваться по следующим признакам:

По функциональным возможностям:

- полнофункциональные геоинформационные системы общего назначения;

- специализированные геоинформационные системы ориентированы на решение  конкретной задачи в какой либо предметной области;

- информационно-справочные  системы для домашнего и информационно-справочного  пользования. 

Функциональные возможности геоинформационных систем 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  геоинформационные системы.

 

 

 

 

Источники данных и их типы

В качестве источников данных для формирования геоинформационные системы 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 геоинформационных систем. 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 геоинформационных систем. 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).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3.Анализ данных в геоинформационных системах.

Неотъемлемой составной  частью геоинформационных систем является база данных – геоинформационная система обладает способностью проводить обработку данных с использованием всех функций, которые предоставляет система управления базой данных (СУБД). При использовании геоинформационных систем запрос к базе данных может быть уточнен введением дополнительных параметров, что делает поиск более быстрым и удобным.

 В отличие от обычной  СУБД, с помощью геоинформационных систем можно составлять пространственные запросы и проводить анализ.

Пространственный запрос – задание на поиск пространственных объектов в базе данных по условиям, содержащим координаты.

В пример можно привести риэлтерскую компанию, занимающуюся поиском жилья для своих клиентов. Этот процесс значительно упрощается вводом таких параметров, как стоимость, площадь жилой площади или  расстояния от определенного объекта, например, места работы.

Таким образом, геоинформационные системы помогают:

• сократить время получения ответов на запросы клиентов;
• проводить мониторинг каких-либо ЧС (например, мест разрывов электросетей или моделировать зоны затопления при паводках);
• выявлять территории подходящие для требуемых мероприятий (строительство населенных пунктов, проведение коммуникаций);
• выявлять взаимосвязи между различными параметрами (например, почвами, климатом и урожайностью с/х культур).

 

Таким образом, использование  геоинформационные системы повышают эффективность работы многих компаний и государственных структур, что позволяет сэкономить значительные финансовые и временные ресурсы.

 

 

 

 

 

 

 

Улучшение интеграции внутри организации с помощью  геоинформационных систем.

Многие организации, применяющие  геоинформационные системы, обнаружили, что одно из основных преимуществ заключается в новых возможностях управления собственной организацией и ее ресурсами на основе географического объединения имеющихся данных и возможности их совместного использования и согласованной модификации разными подразделениями. Совместное использование системы позволяет постоянно наращивать базу данных, а структурные подразделения имеют возможность вносить в нее целесообразные исправления. Это позволяет повысить эффективность работы, как каждого подразделения, так и организации в целом.

 

Геоинформационные системы для принятия решений.

Геоинформационные системы, как и другие информационные технологии, подтверждает известный тезис о том, что лучшая информированность помогает принять лучшее решение. Геоинформационные системы, конечно, не могут выдавать готовые ответы. Геоинформационные системы – это средство, помогающее ускорить и повысить эффективность процедуры принятия решений. Это осуществляется за счет:

• доступность информации для восприятия и синтеза, что позволяет ответственным работникам сосредоточить свои усилия на поиске решения, не тратя значительного времени на сбор и осмысление доступных разнородных данных;
• возможность быстро рассмотреть несколько вариантов решения и выбрать наиболее эффективный из них.

 

 Создание карт с помощью геоинформационных систем.

Картам в геоинформационных системах отведено особое место. Процесс создания карт в геоинформационных системах намного более прост и гибок, чем в традиционных методах ручного или автоматического картографирования. В качестве источника данных пользуются бумажными картами, данными дистанционного зондирования, съемкой на местности, космо и аэроснимками и т.д. Переведенные в цифровую форму эти данные становятся материалом для моделирования геопространства.

 

 Гибкость процесса  создания карт в геоинформационных  системах реализуется:

• удобством ввода и редактирования координированных данных;
• возможностью внесения нужного количества разнообразной атрибутивной и геометрической информации. На бумажной карте количество информации приходится ограничивать во избежание перегруженности;
• возможностью внесения и коррекции данных по мере их поступления – в ручных методах картографирования исправление ошибки – процесс много более проблематичный, а порой и вовсе неосуществимый;
• масштабируемостью: можно вывести на печать любой участок карты без потери качества (строго говоря, это преимущество всех электронных карт);
• совместным и многократным использованием данных: созданная в одной организации топографическая основа (цифровая карта) может использоваться в качестве основы другими отделами и организациями. Возможно быстрое копирование данных и их пересылка по локальным и глобальным сетям.

 

Применение геоинформационной  системы

В целях повышения эффективности  территориального управления создаются  всё новые геоинформационные  системы на муниципальном, районном, региональном и федеральном уровнях. На основе пространственной информации создаются системы управления транспортом, навигационные системы. В последнее  время, ГИС получили широкое применение в средствах массовой информации и различных справочных системах.

 

В настоящее время геоинформационные системы с успехом применяют во многих областях народного хозяйства, наиболее широко геоинформационные технологии используются в земельном кадастре, кадастре природных ресурсов, экологии, в сфере работы с недвижимостью. ГИС используется, например, Министерством чрезвычайных ситуаций для прогнозирования стихийных бедствий.

 

 

 

Сейчас обширно начинают внедряться геоинформационные системы  массового пользования, например:

• электронные планы городов;
• генеральные планы заводов;
• схемы инженерных коммуникаций;
• схемы движения транспорта.

 

 

По некоторым оценкам  до 80-90% всей информации, с которой  мы обычно имеем дело, может быть представлено в виде геоинформационной системы. Отсюда можно сделать вывод, что геоинформационные системы обладают огромным потенциалом, а их использование приносит неплохие дивиденды.

 

 В целом можно сказать,  что индустрия геоинформационных систем активно эволюционирует, изменяется и развивается, что свидетельствует о большом потенциале отрасли. Исходя из этого, можно надеяться, что в ближайшее время геоинформационные системы не утратят динамику своего развития и будут обеспечивать своих пользователей всё новыми и новыми возможностями.

 

1.4. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ВИЗУАЛИЗАЦИИ.

Электронные карты  и атласы

Визуализация  (графическое воспроизведение, отображение) - генерация изображений, в том числе и картографических, и иной графики на устройствах отображения (преимущественно на мониторе) на основе  преобразования исходных цифровых данных  с помощью специальных алгоритмов.

Наиболее компактными  и привычным способом представления  географической информации остаются карты.

Электронная карта (ЭК) – картографическое изображение, визуализированное на мониторе, на основе цифровых карт или баз данных ГИС.

Электронный атлас (ЭА) – система визуализации в форме электронных карт, электронное картографическое произведение, функционально подобное электронной карте. Поддерживаются программным обеспечением типа картографических браузеров, обеспечивающих покадровый просмотр растровых изображений карт, картографических визуализаторов, систем настольного картографирования.

 Помимо картографического  изображения и легенд электронные  атласы обычно включают обширные  текстовые комментарии, табличные  данные, а мультимедийные электронные атласы – анимацию, видеоряды и звуковое сопровождение.

Таблицы и графики,  включающие различные характеристики объектов (атрибуты) или их соотношения, могут  использоваться как самостоятельные или дополнительные  к другим средствам визуализации.

Анимации применяют для показа динамических процессов, т.е. последовательный показ рисованных статичных изображений (кадров), в результате чего создается иллюзия непрерывной смены изображений.

 

Картографические  способы отображения явлений анализа данных.

Для отображения явлений в анализе данных в геоинформационной системе реализованы  способы, которые применяют при создании тематических карт.

Способ размерных  символов (значков) – анализируемые характеристики объектов отображаются специальными символами, размер которых передаёт количественную информацию, а форма и цвет качественную информацию.

Способ качественного  или (количественного фона) – в этом случае группируются данные с близкими значениями и созданным  группам присваиваются определенные цвета, типы символов или линий.

Точечный способ – изобразительным средством является множество точек одинакового размера, каждая из которых имеет определенное значение количественного показателя.

Столбчатые и  круговые локализованные диаграммы – позволяют отобразить соотношение нескольких характеристик, при этом диаграммы имеют географическую привязку (например, в точке размещения поста наблюдений показывают соотношение загрязняющих веществ).

 

Способ изолиний – один из широко распространённых способов отображения различных показателей. С их помощью формируют карты изогипс (топографические и гипсометрические), карты изотерм, изобар, изокоррелят и др. С помощью изолиний выделяются территории, которые характеризуются  одинаковыми свойствами (температурами, давлением, осадками, одновременностью наступления событий, равной величиной аномалий, равными скоростями тектонических движений и др.)  

При этом различают две  группы изолиний: истинные изолинии (характеризуют  непрерывное изменение какого-либо показателя, к ним относятся горизонтали) и псевдоизолинии, отображающие данные, имеющие статистическую природу (например, дискретные значения от источников выбросов). Для представления изолиний применяют разные изобразительные средства: линии разных типов, толщины и цвета, послойная цветовая окраска фона (либо штриховка) промежутков между изолиниями.

Трехмерная визуализация

 

Трехмерное изображение  поверхности (3D-поверхность) – средство цифрового объемного представления поверхностей в виде проволочных диаграмм, при этом используются различные типы проекции, при этом изображение можно поворачивать и наклонять, используя простой графический интерфейс.

 

 

Для отображения рельефа  по данным ЦМР могут быть сформированы растровые изображения.

Растровая поверхность (изображение) - формируется по Grid-модели, при этом каждому пикселу присваивается значение, пропорциональное высоте соответствующей ячейки сетки.

Теневой рельеф (аналитическая  отмывка рельефа) - растровое отображение ЦМР, при формировании которого кроме высоты каждого участка сетки Grid-модели, учитывается освещенность склонов.