Тема 1. Функциональные возможности ГИС Занятие № 2. Ввод, предоб-работка и хранение данных

Цель занятия: студент должен получить представление о типах дан-ных и процессе их аналого-цифро-вого преобразования.

ПЛАН ЛЕКЦИИ
Ведение
1. Источники данных и их типы: картографические, статистические, дистанционного зондирования.
2. Модели пространственных данных.
3. Аналого-цифровое преобразо-вание данных.
Заключение.

1. Капралов, Е.Г. Основы геоин-форматики. В двух книгах. [Текст] / Е.Г. Капралов, А.В. Кошкарев, В.А. Ти-кунов / Под ред. В.С. Тикунова. – М.: Академия, 2004. Книга 1, гл. 4. §§ 1-3.
Список литературы

ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ К ЗАЧЕТУ
Понятия: данные, информация, знания; различия между ними.
Основные источники данных в ГИС и их типы.
Понятие базы данных. Разновид-ности баз данных.
Ввод данных. Технологии ввода.
Основные функции обработки и анализа данных в ГИС.
Разновидности растрового и век-торного представления данных.

ВВЕДЕНИЕ
Данные - факты и сведения, представленные в каком-либо формализованном виде.
Первичные данные это дан-ные, полученные информацион-но - измерительной системой в определенный момент времени и поэтому они уникальны, т.е. не воспроизводимы.

В среде ГИС широко используются пространственные (географические) данные. Этот вид данных харак-теризуется тремя главными компонен-тами: атрибутивными, географичес-кими и временными сведениями.

Атрибутивные сведения описыва-ют сущность, характеристики, пере-менные, значения; географические сведения описывают положение эле-мента данных, временные сведения описывают момент или период вре-мени, связанный с этим элементом данных.

Источники пространственных дан-ных для ГИС - основа их информаци-онного обеспечения. В стоимости раз-рабатываемых ГИС-проектов порядка 90% занимают расходы на приобрете-ние данных. По оценкам специалис-тов до 70% всех данных, которые составляют информационные ресур-сы наций, регионов, ведомств, имеют пространственную привязку, т.е. могут быть сопоставлены с определенными географическими координатами.

Информационное обеспечение ГИС остается крайне трудоемким делом. Это связано с тем, для использования в среде ГИС требуется цифровая форма данных, а большинство данных находится в аналоговом виде (топографические карты, статисти-ческие табличные отчеты, тексты).

Для анализа и оценки различных типов источников данных, необходи-мо отметить их общие свойства: про-странственный охват, масштабы, раз-решение, качество, форму существо-вания (аналоговая или цифровая), пе-риодичность поступления, актуаль-ность и обновляемость, условия и стоимость получения, доступность, форматы представления, соответст-вие стандартам.

Пространственным данным, их источникам, моделированию и преоб-разованию посвящена настоящая лек-ция.

1. Источники данных и их типы: картографические, статистические, дистанционного зондирования
ГИС оперирует различными упоря-доченными наборами данных. Среди них различают картографические, ста-тистические, аэрокосмические, которые преобразуются и вводятся в ГИС либо заимствуются из других геоинформаци-онных систем. Помимо этого могут быть использованы данные специально про-водимых полевых съемок, а также текс-товые источники.

Картографические источники данных.
Использование географических и тематических карт как источников исходных данных для формирования БД удобно и эффективно по ряду причин. Во-первых, атрибутивные характеристики, полученные из кар-тографических источников, имеют тер-риториальную привязку.

Во-вторых, в них нет пропусков, «белых» пятен в пределах изобра-жаемой территории.
В-третьих, сейчас имеются техно-логии перевода этих материалов в цифровую форму. Картографические источники отличаются большим раз-нообразием: помимо общегеографи-ческих и топографических карт име-ются сотни типов тематических карт.

В настоящее время эта инфор-мация содержится в многочисленных каталогах хранилищ карт, которые доступны и через Интернет.

Общегеографические карты делят-ся на: топографические (1:200 000 и крупнее), обзорно-топографические (от 1:200 000 до 1:1 000 000), обзорные (мельче 1:1 000 000). Примеры топо-карт приведены на рис. 1-3.

Рис. 1. Топографическая карта района хребта Иремель. М 1:100 000

Рис. 2. Обзорно-топографическая карта центральной части Челябинской области. М 1:500 000

Рис. 3. Обзорная карта УрФО.
М 1:10 000 000 (в 1 см 100 км)

Тематическим картами являются:
- политические, административные;
- природы (геологические, геофизи-ческие, рельефа земной поверхности и дна океанов, гидрологические, мете-орологические, почвенные, геоботани-ческие, зоогеографические и др.);

- экономики (общеэкономические, промышленности или сельскохозяй-ственного производства, трудовых ресурсов, лесного хозяйства, транс-порта, строительства, торговли и др.);
- народонаселения;
- исторические и т.д.

В 90-е годы прошлого века в России была произведена значитель-ная работа по преобразованию анало-говой информации общегеографичес-ких, топографических и геологических карт в цифровой (векторный) вид.

Для выполнения этих работ в Роскартографии были созданы цент-ры геоинформатики (Росгеоинформ, ГосГИСЦентр, СевЗапГеоинформ, Сиб-геоинформ, Уралгеоинформ, Дальгео-информ), которые выполнили цифро-вание карт масштаба 1:1 000 000 и 1: 200 000. Результаты работы хранят-ся и поддерживаются в актуальном состоянии в Фонде цифровой карто-графической информации в ГосГИС-Центре.

Созданием цифровых карт практи-чески всех перечисленных типов занимаются в соответствующих ведомствах. Например, геологические карты в цифровом виде создают региональные информационно-ком-пьютерные центры Министерства природных ресурсов.

Вся работа по созданию циф-ровых геологических карт выпол-няется с использованием нескольких ГИС: ArcInfo, ArcView (ESRI, Inc.); Mapinfo Professional (Mapinfo Corp.); ГИС «Парк» (Ланэко); GeoGraph / GeoDraw (ЦГИ ИГ РАН).

Важным источником цифровой кар-тографической информации становится Интернет: это либо продажа данных (в основном для навигационных систем (сайты Ингит, C-Map)), либо предостав-ление данных для размещения собст-венной информации (e-atlas.ru, nacarte.ru)

Статистические источники данных.
Другим важным источником дан-ных для ГИС являются статистичес-кие материалы, имеющие цифровую форму. Особо следует выделить госу-дарственную статистику.

Основное ее назначение – дать представление об изменениях в хозяйстве, составе населения, уровне его жизни, развитии культуры, нали-чии материальных резервов и их ис-пользовании, соотношении различ-ных отраслей хозяйства и т.д.

Для получения государственной статистики на территории страны обычно используется единая мето-дика ее сбора; различные министер-ства проводят сбор собственных статистических материалов.

Для упорядочения всей совокуп-ности данных государственной служ-бой определены следующие отрасли статистики: 1) промышленности, 2) природных, 3) технического прог-ресса, 4) сельского хозяйства и заго-товок, 5) капитального строительства, 6) транспорта и связи, 7) торговли, 8) труда и заработной платы, 9) населе-ния, здравоохранения и социального обеспечения,

10) народного образования, науки и культуры, 11) бюджетов населения, 12) жилищно-коммунального хозяйст-ва и бытового обслуживания населе-ния, 13) материально-технического снабжения и переписей, 14) финансов.
Каждая из отраслей характеризу-ется набором показателей.

Статистические материалы могут быть получены в Госкомстате России или взяты из официальных статисти-ческих изданий, выпускаемых в традиционном и электронном виде, например: «Вопросы статистики» (ежемес.), «Статистическое обозрние» (ежекварт.), «Социально-экономичес-кое положение России» (ежемес.).

Ежегодно выпускаются статисти-ческие сборники «Россия в цифрах», «Регионы России», «Инвестиции в России», «Труд и занятость в России», «Охрана окружающей среды в России» и др.

Данные дистанционного зондиро-вания являются одним из важных ис-точников данных для ГИС. Это все ти-пы данных, получаемых с носителей космического и авиационного базиро-вания, а также фототеодолитная съемка, сейсмо- и электромагнито-разведка недр, гидроакустическая съемка рельефа морского дна и дру-гие способы, основанные на регистра-ции собственного или отраженного сигнала волновой природы.

Космические снимки начали пос-тупать с 60х годов. Виды материалов космической съёмки разнообразны, так как существует две технологии их получения: фотографирование и ска-нирование. Дистанционное зондиро-вание осуществляется специальными приборами – датчиками, которые мо-гут улавливать отраженное или испус-каемое естественное излучение (пассивные) либо самостоятельно испускать сигнал и фиксировать его отражение (активные).

К пассивным относятся оптичес-кие или сканирующие устройства, которые действуют в диапазоне отра-женного солнечного излучения (включая УФ, видимый и ближний ИК диапазон).

К активным – радарные устрой-ства, сканирующие лазеры, микровол-новые радиометры. Результаты дистанционных измерений представ-ляют собой зарегистрированные в аналоговой или цифровой форме характеристики электромагнитного из-лучения, отраженного от участков зем-ной поверхности или собственного излучения этих участков.

Наиболее широкое применение находят снимки в видимом и ИК диапазоне. В 70-80х годах снимки советских спутников «Ресурс-Ф», «Об-лик», «Комета» с лучшими в мире ха-рактеристиками обеспечивали оте-чественных потребителей в доста-точном объеме.

Однако в 90-х годах запуски спут-ников почти прекратились из-за отсут-ствия финансирования. В настоящее время информацию нашим потреби-телям предоставляют в основном зарубежные спутники двойного назна-чения и ресурсные спутники.

Таблица 1. Действующие спутники среднего и высокого разрешения
развития.

Фотографирование проводится в видимом, инфракрасном и радиодиа-пазонах (микроволновом и ультрако-ротковолновом). ИК-диапазон исполь-зуется для съёмки в ночных условиях и получения дополнительной инфор-мации по сравнению с видимым диа-пазоном, а радиодиапазон – для съём-ки в условиях сильной облачности.
Радиолокационное зондирование Земли используется для топографи-ческой съёмки рельефа.

В последние годы стали широко использоваться глобальные системы позиционирования, которые дают воз-можность определять координаты с точностью до нескольких метров. В сочетании с портативными компью-терами со специализированным прог-раммным обеспечением обработки данных такие приемники можно ис-пользовать в полевых условиях. На рис. 4 и 5 показаны аэро- и космичес-кие снимки.

Рис. 4. Аэрофотоснимок района южнее г. Миасс.

Рис. 5. Космический снимок юга России и Средней Азии.

2. Модели пространственных данных
Информационной основой ГИС являются цифровые представления (модели) реальности. ГИС моделирует пространственные объекты.
Цифровая модель пространст-венного объекта - цифровое представ-ление объекта местности, содержащее его местоуказание и набор свойств (характеристик, атрибутов).

Множество цифровых данных о пространственных объектах образует пространственные данные, которые состоят из позиционной и атрибутив-ной составляющих.
Базовые (элементарные) типы пространственных объектов:
- точка (точечный объект) - 0-мер-ный объект, характеризуемый плано-выми координатами;

линия (линейный объект) - 1-мер-ный объект, образуемый последова-тельностью точек с известными пла-новыми координатами;
- пиксел (пиксель, пэл) - 2-мерный объект, элемент цифрового изобра-жения; элемент дискретизации коор-динатной плоскости в растровой мо-дели данных ГИС;

- область (полигон, контур, контур-ный объект) - 2-мерный (площадной) объект, внутренняя область, ограни-ченная замкнутой последовательнос-тью линий, и идентифицируемая внут-ренней точкой (меткой);
- ячейка (регулярная ячейка) - 2-мерный объект, элемент разбиения земной поверхности линиями регуляр-ной сети;

- поверхность (рельеф) - 2-мерный объект, определяемый не только коо-рдинатами, но и аппликатой Z, которая является атрибутом объекта; оболоч-ка тела;
- тело - 3-мерный (объёмный) объ-ект, описываемый тройкой (трип-летом) координат, включая аппликату Z, и ограниченный поверхностями.

Общее цифровое описание прост-ранственного объекта состоит из: наи-менования; указания местоположе-ния; набора свойств (атрибутов) и др. (отношения с другими объектами, пространственное поведение).
Управление атрибутивными дан-ными осуществляется системой уп-равления базами данных (СУБД), по-зиционные данные управляются дру-гими средствами.

Связь между позиционной (гео-метрической) составляющей прост-ранственного объекта и его атрибу-тивной (описательной) частью через идентификатор. В современных ГИС применяется также интегрированный подход, при котором оба вида данных хранятся и управляются в среде СУБД.

Способы организации цифровых описаний пространственных данных принято называть моделями прост-ранственных данных. Существует три типа таких моделей: модели дискрет-ных объектов, непрерывных полей и сетей.

В практике геоинформатики определился набор базовых моделей пространственных данных, исполь-зуемых для описания объектов раз-мерности не более двух: растровая, регулярно-ячеистая (матричная), квад-ротомическая, векторная. Этот список не содержит моделей трёхмерных данных, в частности рельефа.

Растровая модель данных
Растр (прямоугольная решётка) разбивает изображения на неделимые элементы пиксели (picture element). Позиционная часть в матрице, семан-тическая часть - каждому пикселю со-поставляется характеристика – цвет.
Пространственные объекты в раст-ровой модели данных разбиваются на аналогичные пикселям элементы, упо-рядоченные в виде прямоугольной мат-рицы.

С каждым кодом пикселя может быть связан неограниченный по дли-не набор (таблица) атрибутов, каждый из которых может быть развернут в производный слой с размерностью исходной матрицы.

Таким образом, становится не обязательным разделение данных на позиционную и семантическую сос-тавляющие, отпадает необходимость в особых средствах хранения пози-ционной и атрибутивной частей данных, упрощаются аналитические операции, многие из которых сводят-ся к попиксельным операциям с набо-ром растровых слоев.

В ГИС растрового типа достаточно просто могут быть реализованы опе-рации пространственного анализа, включая функции картографической алгебры. В ГИС растрового типа легко интегрировать программные продук-ты ГИС со средствами цифровой об-работки данных дистанционного зон-дирования, которые являются одним из важных источников данных для ГИС.

Существенным недостатком раст-ровой модели является значительный объём машинной памяти, которая требуется для хранения данных. Для преодоления этого недостатка ис-пользуются способы сжатия данных.

Векторные модели данных (два типа) используются для цифрового представления точечных, линейных и площадных объектов по аналогии с топографией.
Векторная нетопологическая модель.
Представление точечных, линей-ных, полигональных объектов по ана-логии с картографией.

Множество точечных объектов в слое представляется в виде последо-вательности записей, каждая из кото-рых содержит идентификатор и коор-динаты X и Y. Линейные объекты описываются последовательностью координатных пар. Так же описыва-ются границы площадных (полиго-нальных) объектов.

В соприкасающихся полигонах об-щие стороны описываются дважды (модель «спагетти»).
Данная модель неэффективна, поскольку избыточна. Положительнач сторона – она поддерживается недо-рогими программными средствами настольного картографирования.

Векторная топологическая модель
Эта модель возникла в связи с необходимостью описания полиго-нальных объектов (линейно-узловая модель).

Топология - раздел математики, изучающий топологические свойства фигур, т.е. такие свойства, которые не изменяются при любых деформациях, производимых без разрывов и скле-иваний (размерность, замкнутость, связность и др.).

Главные примитивы топологичес-кой модели: промежуточная точка; сегмент; узел; дуга; полигон.
Существует несколько форм поли-гонов: простой, внутренний (остров, анклав), составной, универсальный (внешняя область). Описание полиго-на в векторной топологической моде-ли состоит из множества узлов, дуг и полигонов.

Сетевая модель
Эта модель позволяет решать специфические задачи, например, оптимизации перевозок, планирова-ния маршрутов и диспетчеризации мобильных транспортных средств; управления сетями инженерных ком-муникаций: водо-, газо-, энергоснаб-жения.

Обычно программные средства ГИС поддерживают одну, реже две модели пространственных данных.

3. Аналого-цифровое преобразование данных
Наличие цифровых карт на тер-риторию страны – одно из условий успешной реализации крупных геоин-формационных проектов. Обычно создание таких карт выполняется в рамках национальных программ внед-рения средств автоматизации и циф-рового картографирования в соо-тветствующей отрасли.

Строго говоря, цифровая карта является не картой, а её цифровой моделью.
В геоинформатике существует понятие цифровая карта - основа. Это карта, близкая по своему содержанию к карте-основе и используемая для позиционирования тематических сло-ёв пространственных данных в ГИС.

Наиболее распространена ЦКО в векторном формате. Цифрование происходит с помощью дигитайзера с ручным обводом (использовались до середины 90-х годов) или методом сканирования оригиналов с после-дующей векторизацией.
Растровая ЦКО формируется ме-тодом сканирования топокарты.

Процесс аналого-цифрового пре-образования данных содержит три крупных блока: цифрование; обеспе-чение качества оцифрованных мате-риалов; интеграция разнородных ци-фровых материалов.
Цифрование - процесс перевода исходных (аналоговых) картографи-ческих материалов в цифровую фор-му. Существует два его метода: дигитайзерный ввод и использование растрового изображения.

Для обеспечения качества оциф-рованных материалов необходимо подбирать свежую карту-основу дос-таточно крупного масштаба, использо-вать данные ДЗЗ, а при необходимос-ти и уточнение ситуации на местности. Качество цифровой карты определя-ется рядом характеристик, важнейшие из которых: информативность, точ-ность, полнота, корректная внутрен-няя структура.

Корректность внутренней струк-туры означает точное совпадение кон-туров различных слоёв цифровой карты. Кроме того, показателем кор-ректной структуры ЦК является спо-собность обеспечить решение перс-пективных задач, т.е. задач, которые не ставились в момент написания технического задания.

Интеграция разнородных цифро-вых материалов проводится с целью создания единой цифровой картогра-фической основы (ЕКО). Этот процесс заключается в согласовании разно-родных информационных слоев (тематических карт) по системе ко-ординат, территориальному охвату, масштабу, формату, системам услов-ных знаков и т.д.

Тематические карты одинакового масштаба имеют разную степень генерализации. Это различие возрас-тает при использовании тематических карт разного масштаба. Поэтому мас-штаб тематических карт, используе-мых для создания ЕКО, не должен отличаться более чем в 10 раз.