Анализ в географических информационных системах

Содержание

Введение…………………………………………………………………………...3

1. Понятие  о географических информационных  системах…………………….4

2. Развитие  и определения ГИС………………………………………………….6

3. Структура  ГИС………………………………………………………………..10

4. Классификация  ГИС…………………………………………………………..13

5. Модель  данных в ГИС………………………………………………………..15

6. ГИС  во взаимодействии с другими  науками………………………………..18

Заключение……………………………………………………………………….21

Список  использованных источников…………………………………………...22 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     Данный  реферат рассматривает тему «Пространственный анализ в ГИС».

     Под объектом (пространственным) в геоинформатике, следуя общепринятой в методологии  науки точке зрения, мы понимаем окружающие нас объекты (систему  зданий и улиц некоторого населенного  пункта, трубопроводы и линии инженерной коммуникации, водную поверхность и земельные участки данной территории и т.д.), не принимая во внимание их сущностных различий. При этом временно несущественно, что, например, земельный участок - это некоторая поверхность Земли, а линия инженерной коммуникации - телефонная линия.

     При изучении некоторых свойств реальных объектов происходит их замена моделями. Мы рассматриваем модель в геоинформатике как некий абстрактный образ  пространственного объекта, системы  объектов, процесса или явления, учитывающий связи между объектами и динамику развития рассматриваемых объектов в пространстве и/или во времени (абстрагирование). Особенность моделирования в геоинформатике состоит в том, что построенные модели позволяют исследовать различные отношения между объектами (пространственные, временные, количественные, качественные, организационные, функциональные, вероятностные, логические).

     Таким образом, можно сделать вывод  о том, что моделирование окружающего  мира в геоинформатике значительно  расширяет возможности человека в познании различных природных, общественных и природно-общественных систем и изучения пространственной составляющей, структуры и взаимосвязи моделируемых систем, процессов, явлений.

     В реферате задействовано 5 источников, сама работа изложена на 22 страницах и состоит из 6 параграфов, а также содержит 1 таблицу и 6 рисунков.  

1. Понятие о географических  информационных системах.

     При широком разбросе взглядов и мнений относительно ГИС, их определения как  зарубежными, так и отечественными учеными, тем не менее, близки. Обязательными элементами более или менее полного определения геоинформационных систем считается «пространственность», операционно-функциональные возможности и прикладная ориентация системы.

     В ГИС осуществляется комплексная  обработка информации - от ее сбора до хранения, обновления и представления, в связи с этим следует рассмотреть ГИС с различных позиций.

     Как системы управления ГИС предназначены для обеспечения принятия решений по оптимальному управлению землями и ресурсами, городским хозяйством, по управлению транспортом и розничной торговлей, использованию океанов или других пространственных объектов. При этом для принятия решений в числе других всегда используют картографические данные.

     В отличие от АСУ в ГИС появляется множество новых технологий пространственного анализа данных. В силу этого ГИС служат мощным средством преобразования и синтеза разнообразных данных для задач управления.

     Как автоматизированные информационные системы ГИС объединяют ряд технологий или технологических процессов известных информационных систем типа автоматизированных систем научных исследований (АСНИ), систем автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированных справочно-инфор-мационных систем (АСИС) и др. Основу интеграции технологий ГИС составляют технологии САПР. Поскольку технологии САПР достаточно апробированы, это, с одной стороны, обеспечило качественно более высокий уровень развития ГИС, с другой - существенно упростило решение проблемы обмена данными и выбора систем технического обеспечения. Этим самым ГИС стали в один ряд с автоматизированными системами общего назначения типа САПР, АСНИ, АСИС.

     Как геосистемы ГИС включают технологии (прежде всего технологии сбора информации) таких систем, как географические информационные системы (ГИС), системы картографической информации (СКИ), автоматизированные системы картографирования (АСК), автоматизирован- ные фотограмметрические системы (АФС), земельные информационные системы (ЗИС), автоматизированные кадастровые системы (АКС) и т.п.

     Как системы, использующие базы данных, ГИС характеризуются широким набором данных, собираемых с помощью разных методов и технологий. При этом следует подчеркнуть, что они объединяют в себе как базы данных обычной (цифровой) информации, так и графические базы данных. В связи с большим значением экспертных задач, решаемых при помощи ГИС, возрастает роль экспертных систем, входящих в состав ГИС.

     Как системы моделирования ГИС используют максимальное количество методов и процессов моделирования, применяемых в других автоматизированных системах.

     Как системы получения проектных решений ГИС во многом применяют методы автоматизированного проектирования и решают ряд специальных проектных задач, которые в типовом автоматизированном проектировании не встречаются.

     Как системы представления информации ГИС являются развитием автоматизированных систем документационного обеспечения (АСДО) с использованием современных технологий мультимедиа. Это определяет большую наглядность выходных данных ГИС по сравнению с обычными географическими картами. Технологии вывода данных позволяют оперативно получать визуальное представление картографической информации с различными нагрузками, переходить от одного масштаба к другому, получать атрибутивные данные в табличной или графовой форме.

     Как интегрированные системы ГИС являют собой пример объединения различных методов и технологий в единый комплекс, созданный при интеграции технологий на базе технологий САПР и интеграции данных на основе географической информации.

     Как прикладные системы ГИС не имеют себе равных по широте применения, так как используются на транспорте, в навигации, геологии, географии, военном деле, топографии, экономике, экологии и т.д. Благодаря широким возможностям ГИС на их основе интенсивно развивается тематическое картографирование.

     Как системы массового пользования ГИС позволяют применять картографическую информацию на уровне деловой графики, что делает их доступными любому школьнику или бизнесмену, не только специалисту географу. Именно поэтому при принятии решений на основе ГИС -технологий не всегда создают карты, но всегда используют картографические данные. 

2. Развитие и определения  ГИС.

     Хотя  профессиональная разработка ГИС началась более 30 лет назад (тогда это были чисто географические информационные системы), их бурное развитие и качественно новое представление произошло за последние 7-8 лет благодаря принятию за основу этих систем идеологии и технологии систем автоматизированного проектирования, интеграции всех процессов обработки данных на базе географических данных.

     Таким образом, с середины 90-х годов геоинформационные системы приобрели статус серьезного стратегического резерва в экономике тех стран, которые вступили в период становления информационного общества. «В конечном счете, именно географическая информация становится критичным компонентом в задачах содействия экономическому развитию, умелого природопользования и защиты среды обитания. Современные технологии позволяют эффективно решать задачи сбора, распространения, анализа и визуализации данных с пространственной привязкой, создания картографических материалов. В целом, история развития ГИС имеет три периода, харрактеристика которых приведена на таблице 1.  

     Табл. 1 – Периоды развития ГИС

     Рассмотрим  различные определения ГИС:

     Под географической информационной системой понимается аппаратно-программный  человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координатных данных, интеграцию данных и знаний о территории для их эффективного использования при решении научных и прикладных географических задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением окружающей средой и территориальной организацией общества.

     ГИС - это научно-технические комплексы  автоматизированного сбора, систематизации, переработки и представления (выдачи) геоинформации в новом качестве с условием прироста знаний об исследуемых пространственных системах.

     ГИС - реализованное с помощью ЭВМ  хранилище системы знаний о территориальном  аспекте взаимодействия природы  и общества, а также программного обеспечения, моделирующего функции поиска, ввода, моделирования и др.

     ГИС - это система, которая манипулирует и управляет данными, хранящимися  в виде тематических слоев, географически  определенных относительно карты-основы.

     ГИС содержит данные о пространственных объектах (пространственные данные) в виде их цифровых представлений (векторных, растровых, квадратомических и иных), объединенных в набор слоев, образуя информационную модель предметной области - территории, набор операций, определяющих функциональные возможности ГИС и реализующих геоинформационные технологии программными средствами, аппаратное и информационное обеспечение этих технологий.

     ГИС является средством моделирования  и познания природных и социально-экономических  геосистем - (научно-познавательный подход). ГИС-технология - сбор, хранение, преобразование, отображение и распространение пространственно-координатной географической (геологической, экологической и т.п.) информации - (технологический подход). ГИС-производство - создание аппаратных средств и программных коммерческих продуктов для обеспечения управления и принятия решений - (производственный подход).

     Наряду  с термином «ГИС» (Geographical Information System) встречаются «Land Information System», «Spatial Information System», «Geo-based Information System», «Geo-data System», «Geoprocessing System» в последнее время наиболее употребительны понятия ЗИС и ГИС.

     ГИС определяют как систему для сбора, контроля, обработки, анализа, моделирования  и изображения информации, относящейся  к поверхности земли. Понятие  ГИС применяется к системам, которые в качестве основной единицы пространства используют земельные зоны, статистические районы (дистрикты) или зоны водоснабжения. Понятие ЗИС чаще используется для систем, которые в качестве основной единицы используют мелкий участок земли (парцеллу). В более широком смысле ЗИС можно толковать как систему, которая наряду с кадастровой съемкой охватывает геодезическую съемку и изготовление топографических карт.

     На  основе анализа целей и задач  различных ГИС, функционирующих в настоящее время, более точным следует считать определение ГИС как геоинформационных систем, а не как географических информационных систем. Это обусловлено и тем, что процент чисто географических данных в таких системах незначителен, технологии обработки данных имеют мало общего с традиционной обработкой географических данных и, наконец, географические данные служат лишь базой решения большого числа прикладных задач, цели которых далеки от географии.

     Таким образом, ГИС - автоматизированная информационная система, предназначенная для обработки пространственно-временных данных, основой интеграции которых служит географическая информация. 
 

3. Структура ГИС.

     Геоинформационные системы  включают в себя пять ключевых составляющих:

• аппаратные средства;
• программное обеспечение;
• данные;
• исполнителей;
• методы.

     Аппаратные  средства – это компьютер, на котором  функционирует ГИС,  и все периферийные устройства, которые используются для получения информации, ввода ее в ЭВМ и предоставление пользователю ГИС  результатов. В настоящее время ГИС работают на различных типах компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров.

     Программное обеспечение ГИС содержит  инструменты, необходимые для хранения, анализа  и визуализации географической (пространственной) информации. Ключевыми компонентами программных продуктов являются: средства ввода и оперирования географической информацией; система управления базой данных; инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения); графический пользовательский интерфейс для легкого доступа к инструментам и функциям.

     Данные  – это наиболее важный компонент ГИС. Данные о пространственном положении (географические данные) и связанные с ними табличные или атрибутивные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем, либо приобретаться у поставщиков на коммерческой или другой основе. В процессе обработки  данных 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.

     Существующие и разрабатываемые ГИС могут значительно отличаться друг от друга по возможностям,  основным технологиям обработки информации, по требуемой технической конфигурации, по вычислительным ресурсам и др.

     Интеграция  технологий в информационных системах подразумевает не простое суммирование известных технологических процессов и решений, а получение оптимальных технологических решений обработки информации на основе известных методов и разработки новых, ранее не встречавшихся технологий. Разработка автоматизированной информационной технологии на базе существовавшей неавтоматизированной технологии в подавляющем большинстве случаев оказывается нерентабельной и неэффективной. Элемент новизны, как правило, определяет и эффективность новой автоматизированной технологии.

     Верхним уровнем понятий является интегрированная система -независимый комплекс, в котором выполняются все процессы обработки, обмена и представления информации. Схема системы включает в себя системные уровни, подсистемы, процессы, задачи. Пример такой интегрированной системы приведён на рисунке  1. 

     Рис. 1 - Структура интегрированной ГИС - системы

     Исходя  из процесса поэтапной разработки ГИС-системы, её структуру можно представить  следующим образом (рис. 2).  

      Рис. 2 - Схема  формирования ГИС по структуре

     Обобщенную  ГИС можно представить в виде следующей стратифицированной модели:

     где УСО – системный уровень сбора и первичной обработки информации;

     УМХ – системный уровень моделирования и хранения;

     УП – системный уровень представления данных;

     НТ_м и НТ_П – нормативные требования к данным при моделировании и представлении  выходной информации.

     Для концептуального построения ГИС  необходимо выделить НТ_м и НТ_П, т.е. информационную основу.

     На  рисунке 3 показана структура обобщенной ГИС в виде трехуровневой системы. По этим уровням можно проводить сравнение различных ГИС и других автоматизированных систем. В данной схеме используется термин «обобщенная» – т.к. система абстрагирована от конкретных ГИС.   

     Рис. 3 – Структура обобщённой ГИС

4. Классификация ГИС.

     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 в какой либо предметной области;

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

     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. 

5. Модель данных  в ГИС.

     В данном параграфе рассматрим три компьютерные модели, называемые моделями пространственных данных, на предмет представления географических объектов.

     Векторная модель данных представляет географические объекты подобно тому, как это  делают карты. Точки изображают географические объекты, которые слишком малы, чтобы быть представленными как линия или область. Линии представляют географические объекты, которые слишком узки, чтобы быть представленными как область. Области представляют однородные географические объекты. Декартова система координат отражает реальное расположение объекта.

     В векторной модели данных каждое местоположение записывается как пара координат х,у. Точки записываются  как простая пара координат. Линии записываются как серии упорядоченных пар координат. Области записываются как серии пар координат, определяющих сегменты линий, которые окружают область. Отсюда термин «полигон», означающий «многосторонняя фигура».

     С помощью х,у координат можно  представлять точки, линии и полигоны в виде списка координат вместо картинки или графика. Первая и последняя пары координат полигона совпадают; полигон всегда замкнут. Каждому объекту присваивается уникальный идентификационный номер или тэг. Затем список координат для каждого объекта связывается с тэгом объекта (Рис.4).

Рис. 4 -  Векторная модель данных

     В растровой модели данных каждое местоположение представлено ячейкой (Рис.5). Матрица  ячеек, организованных в строки и колонки, называется сеткой. Каждая строка содержит группу ячеек со значениями, представляющими географические явления. Значения ячеек являются числами, представляющими номинальные данные, такие как классы землепользования, меры интенсивности света или относительные меры. 

     Рис. 5 – Растровая модель данных

     В растровой модели разрешение и, следовательно, точность карты зависит от реальной области, представленной каждой ячейкой сетки. Чем больше представленная область, тем меньше разрешение и точность. Чем меньше область, покрываемая ячейкой, тем больше разрешение и более точно представлены объекты.

     Так как растровая модель данных является правильной сеткой, пространственные взаимоотношения скрыты. Поэтому  явное хранение пространственных взаимоотношений не требуется, как для векторной модели данных.

     Заметим, что каждая ячейка в сетке имеет  восемь соседних ячеек (исключение составляют ячейки на внешних краях): четыре по углам и четыре по сторонам. Ячейки идентифицируются по их расположению в сетке. Например, если ячейка третья от начала отсчета по оси Х и вторая по оси У, то она идентифицируется как ячейка (3,2). Нахождение любой из восьми соседних ячеек требует просто прибавления или вычитания единицы из значений Х или У. Например, ячейка слева от (3,2) – (3-1,2), то есть (2,2).