Тема 3 Структура земельных информационных систем

Составные части ЗИС: подсистема ввода и преобразования данных; подсистема обработки и анализа данных; подсистема хранения данных; база данных (БД); система управления базой данных (СУБД); подсистема вывода (визуализации) данных; подсистема предоставления информации; пользовательский интерфейс

В литературных источниках встречаются различные модели, определяющие составные части ГИС.

Более устойчива модель ГИС, в основу которой положен функ­циональный принцип. Основные компоненты (подсистемы) та­кой системы:

1. подсистема ввода и преобразования данных;

2. подсистема обработки и анализа данных;

3. подсистема хранения данных; база данных (БД);

4. система управления базой данных (СУБД);

5. подсистема вывода (визуализации) данных;

6. подсистема предоставления информации;

7. пользовательский интерфейс (рисунок 2).

Каждая из подсистем выполняет определенные функции, и от­сутствие хотя бы одной из них свидетельствует о неполноценнос­ти ГИС-системы.

Подсистема ввода и преобразования данных. Основная функцио­нальная задача этой подсистемы — создание целостного информа­ционного цифрового образа исследуемого объекта или явления на основе преобразования графической информации в цифровой вид и ввода ее в компьютер.

В качестве и сточников данных для 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;

- результаты полевых обследований территорий, включают 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.

Рисунок 2 - Структура географической информационной системы

Такая информация может быть введена с клавиатуры, с помощью сканера или получена из другой компьютерной системы. Как отмечалось ранее, большие потенциальные возможности для сбо­ра данных в ГИС открывает GPS (Global Positioning System)-Технология, предназначенная для сбора высокоточной цифровой ин­формации о местности, фактических топографических данных (географических координат и отметки высоты рельефа в данной точке местности), при которой точность измерений достигает не­скольких сантиметров.

Наиболее распространены три способа преобразования графи­ческой информации в цифровую форму: точечный, линейный и сканирование. При точечном способе используют устройства, ко­торые в литературе называют по-разному: кодировочный план­шет, цифрователь, кодировщик, дигитайзер (от англ. digit —циф­ра), а сам процесс — дигитализацией (цифрованием). При ручном или линейном способе дигитализации потребитель имеет возмож­ность предварительно отсортировывать информацию, вести обра­ботку разнообразных планов, карт и чертежей без специальной их подготовки.

Сканер и дигитайзер — средства ввода исходной графической (картографической) информации в ЭВМ. Принтер и плоттер обеспечивают вывод информации из ЭВМ, документирование ре­зультатов выполнения процессов в ГИС (изготовление оригина­лов карт).

Одна из проблем — возможность импорта цифровых данных от различных источников в подсистемы сбора и ввода данных. По­этому ГИС должна иметь программные средства разработки ин­терфейсов для ввода данных различных форматов. Создание норм по стандартизации и унификации форматов данных, цифровых моделей местности, картографических документов, интерфейсов имеет решающее значение для успешной реализации подсистемы ввода данных ГИС.

Подсистемы обработки и анализа ГИС. В их задачи входит вы­полнение процедур обработки данных, манипулирования про­странственными и семантическими данными, осуществляемых при обработке пользовательских запросов. К наиболее важным от­носят операции, обеспечивающие выбор и внесение данных в па­мять машины, а также все аналитические операции, которые происходят при решении задачи: поиск данных в памяти; уста­новление размерности отдельных исследуемых областей; прове­дение логических операций над данными территориальных еди­ниц исследуемого региона; статистические расчеты; специаль­ные математические расчеты в соответствии с требованиями пользователя.

ГИС должна обладать большим набором средств анализа про­странственных данных, возможностью их расширения и допол­нения, полного или частичного их использования при решении конкретной задачи в рамках ГИС-технологии. Анализ данных позволяет получить новую информацию из существующей базы данных.

Подсистема вывода (визуализации) данных. Она служит для вы­вода изображений на экран монитора или печатающие устрой­ства, что позволяет выполнять следующие действия: создание ди­аграмм; вывод статистических данных; создание картографичес­кой продукции; совмещение этих результатов в отчетах и т.д.

Первые попытки вывести изображение при помощи ЭВМ на каком-либо автоматическом устройстве были предприняты тогда, когда класс больших ЭВМ стали снабжать быстродействующими алфавитно-цифровыми печатающими устройствами (АЦПУ). Та­кое устройство, как и обычная пишущая машинка, печатало лите­рами букв, поэтому для того, чтобы получить изображение на пе­чатающем устройстве, необходимо закодировать рисунок и для более темных мест на изображении подобрать более темные надписи, для более светлых — светлые надписи или служебные знаки. В результате получались схематические чертежи. Позже для клас­са средних и малых ЭВМ стали выпускать печатающие устройства, в которых буквы и цифры набирались из несколько рядов мелких точек, образуя некоторое подобие матрицы.

В большинстве случаев принтеры используют при выводе ма­лоформатной документации (текстовые документы, небольшие одноцветные чертежи, схемы).

Для вывода широкоформатных чертежей в цвете широко ис­пользуют устройства, получившие название плоттеров (от англ. blot — наносить на карту). По принципу построения изображения различают векторные (перьевые) и растровые плоттеры. Из-за низкой производительности векторных плоттеров (динамические характеристики которых достигли своего предела) практически все известные фирмы прекратили их производство. Тем не менее этот тип плоттеров не потерял свою актуальность в высокоточном производстве (точностные характеристики выше, чем в растровых плоттерах). Среди растровых технологий (электростатических, ла­зерных, термотехнологий) особо выделяются плоттеры со струй­ной технологией печати. При выводе чертежей, карт, схем повы­шенной сложности, насыщенных цветными элементами, струй­ные плоттеры намного эффективнее растровых.

Подсистема предоставления информации. Она предназначена для оперативного предоставления данных по запросам пользова­телей ГИС. Проблема выбора языка запросов в последние годы — одна из самых актуальных. В данной подсистеме также определя­ются условия и режимы предоставления информации по запросам пользователей, осуществляется защита от несанкционированного доступа.

Пользовательский интерфейс. Он должен отвечать требованиям физического и психологического комфорта пользователя, быть эффективным, быстродействующим, обладать возможностями адаптации для конкретного пользователя, сочетать возможности интерактивного ввода, текстовых и графических меню. Пользова­тельский интерфейс должен обеспечить многооконное отображе­ние графических данных с возможностью открытия неограничен­ного числа окон, связывать с окнами как различные изображения, так и фрагменты одного и того же изображения, представленные в разных масштабах. Эффективность и быстродействие пользова­тельского интерфейса должны обеспечиваться за счет максималь­ного использования возможностей, предоставляемых аппаратным обеспечением (пространственное и цветовое разрешение графи­ческих адаптеров, графические сопроцессоры) и системным про­граммным обеспечением (многооконные графические среды, ин­тегрированные оболочки программирования). Пользовательский интерфейс должен иметь доступ к встроенной и развитой системе помощи.

Подсистема хранения данных. Она служит для организации хра­нения и обновления баз данных с помощью систем управления ими.

Для работы с файлами баз данных необходима система управ­ления базой данных — один из основных компонентов ГИС, в значительной степени определяющий эффективность работы ГИС. СУБД ГИС осуществляет автоматический поиск в базе дан­ных информации, необходимой для обработки пользовательских запросов. Возможности СУБД, а также структура базы данных и объем содержащейся в ней информации фактически определяют уровень сложности пользовательских запросов, которые система может обработать.

Различная природа пространственных (графических) и атрибу­тивных данных определяет проблему управления этими данными. В современных ГИС решения ее различны, при этом каждый из подходов имеет свои достоинства и недостатки.

Большинство современных ГИС имеет две отдельные СУБД для графических и семантических (атрибутивных) данных. СУБД семантических данных должна иметь интерфейс с СУБД графи­ческих (картографических) данных, которая должна обеспечить: хранение и манипулирование точечными, линейными и площад­ными графическими объектами; многоуровневое (послойное) представление графических данных; произвольную выборку и отображение любых фрагментов графических изображений. Такой подход имеет ряд недостатков: необходимость назначения тополо­гических связей между графическими объектами и их семантичес­кими описаниями; недостаточную гибкость табличной организа­ции семантических данных; неспособность распознавать иерархи­ческие отношения классов объектов. Кроме того, СУБД простран­ственных и атрибутивных данных целиком совмещена, это затрудняет манипулирование атрибутивными данными, посколь­ку их структура нереляционная. Указанные недостатки можно ус­транить, применив объектно-ориентированный подход при про­ектировании базы данных ГИС.

При выборе СУБД руководствуются следующими требовани­ями:

возможность оперировать данными разного типа;

наличие языка запросов высокого уровня;

хранение данных в одном из стандартных форматов или нали­чие конвектора для соответствующих преобразований;

наличие возможностей работы в сетях;

наличие возможности обработки больших объемов информа­ции;

наличие системы разграничения доступа к информации; наличие системы разграничений по функциям обработки ин­формации;

наличие системы защиты данных от потерь из-за технических сбоев.