Тема 5 Средства и возможности моделирования в ГиЗИС

Возможности моделирования в ГИС. Операции преобразования форматов данных. Проекционные преобразования. Геометрический анализ. Оверлейные операции. Функционально-моделирующие операции.

Задачи эффективного интерактивного общения пользователя с ЭВМ весьма актуальны ввиду невозможности при решении ряда задач полно­стью автоматизировать процесс моделирования.

Моделирование – это процесс в котором всегда задействованы двое: человек и машина, поэтому это — один из путей выбора оптимальных решений.

При выдаче информации пользователю основным технологическим процессом является графическое моделирование.

При моделировании в ГИС можно выделить следующие програм­мно-технологические блоки:

1) операции преобразования форматов и представлений данных;

2) проекционные преобразования;

3) геометрический анализ;

4) оверлейные операции;

5) функционально-моделирующие операции.

1) Операции преобразования форматов и представлений данных

Операции преобразования форматов и представлений данных при­сутствуют в каждой ГИС. По набору форма­тов ввода-вывода определяются возможности ГИС использовать данные, получаемые в других технологиях.

Исходные пространственные данные и данные, полученные в про­цессах обработки ГИС, могут иметь различные наборы форматов. Тип формата чаще всего определяется используемыми программными сред­ствами, что особенно характерно при сборе данных по разным техноло­гиям. Преобразование форматов осуществляется с помощью специаль­ных программ - конвертеров.

Данные могут иметь векторное или растровое пред­ставление. Между векторными и растровыми изображениями имеется существенное различие, характерное именно для ГИС. Операции преобразования данных из растрового представления в векторное (векторизация) - одни из наиболее важных при обработке про­странственно-временных данных в ГИС.

В настоящее время применяется комплексный подход, включающий сканирование, частичную автоматизированную векторизацию, визуаль­ный контроль преобразования, интерактивное редактирование данных; унификацию и преобразование данных для хранения в базе данных.

Векторно-растровое преобразование. Его можно использовать для генерализации изображения. При этом существенное значение имеет разрешающая способность создаваемой (электронной) карты. Преоб­разование типа вектор-растр - более простая задача. Оно осуществля­ется при выводе векторных данных на устройства печати, при визуали­зации графики на растровых видемониторах, построении электронных карт или карт-подложек.

К этой же группе операций относят сжатие или развертку растро­вых данных, основанных на алгоритмах кодирования и компрессии, раз­биения на слои, фрагментации или дефрагментации слоев.

Примером системы, осуществляющей преобразование в растровый формат, может служить продукт фирмы ESRI ArcPress. Это програм­мный растеризатор, преобразующий векторную, растровую или смешан­ную векторно-растровую графику в формат растрового устройства вывода, растр заданного разрешения и размера. Он обеспечивает быструю распечатку карт и изображений на растровых устройствах вывода, та­ких, как струйные и электростатические плоттеры.

В качестве входных данных он может использовать как графичес­кие метафайлы в стандартах ESRI, так и файлы других систем в форма­тах CGM, PostScript (Level I, Level 2). На выходе ArcPress могут быть получены растровые форматы для направления на устройство вывода и для экспорта в другие форматы, использующиеся для обмена (TIFF, PBM, PCX BW, BMP, BIT).

ArcPress выполняет программную растеризацию непосредственно на рабочей станции, используя ее ресурсы памяти. Это позволяет обой­тись без добавления памяти в плоттер стандартной конфигурации (осо­бенно при выводе на большие форматы), одновременно распечатывать один файл и растеризовать другие, исключить ограничения на размер файла для устройства вывода.

2) Проекции и проекционные преобразования

Координаты точек пространственных объектов используют для ука­зания местоположения объектов на земной поверхности. Поверхность Земли имеет сложную форму. При составлении карт пространственное положение точек отображается в плоском (двухмерном) представлении. Для отображения положения точек поверхности на плоскости применя­ют различные математические модели поверхности, задающие различ­ные картографические проекции.

Группа математических процедур ГИС, осуществляющая переход от одной картографической проекции к другой или от пространствен­ной системы к картографической проекции, носит название проекци­онных преобразований. Эта группа реализуется методами моделиро­вания, образуя единый блок. В этот блок входят и различные процедуры обработки пространственных данных для получения новых проекций на основе исходных. Эти процедуры включают и простые операции пе­ресчета координат пространственных объектов (поворота, смещения, масштабирования и т. п.), более сложные (связанные, например, с "ук­ладкой" объектов в систему опорных точек) и самую сложную подгруп­пу операций (трансформация картографических проекций).

Число проекционных преобразований в блоках моделирования ГИС различно: в системе ER Mapper их свыше 700, в ГеоГраф - около трех десятков, а в некоторых настольных системах (DeskTop GIS) их нет вообще.

На практике использование модулей трансформации проекций может быть осложнено отсутствием параметров проекции карты-источника.

При определении проекций исходной карты рекомендуют пользо­ваться атласом для отечественных карт и для зарубежных.

Для топографических карт в отличие от мелкомасштабных нет тако­го разнообразия проекций, однако имеется разнообразие моделей Зем­ли и географических систем координат.

Специфика российского рынка геоинформационных технологий определяет проблемы проекционных преобразований в России. Одна из серьезных проблем связана с использованием отечественной картогра­фической информации, имеющей значительные отличия от аналогич­ной иностранной. Как правило, иностранные программные средства не поддерживают напрямую распространенные в нашей стране проекции, а информацию о типе проекции и ее параметрах получить довольно сложно.

Другая проблема состоит в том, что широко распространенные в России разнообразные методы работы с пространственными данными не получили признания или не имеют аналогов за рубежом и нуждаются в анализе и классификации.

3) Геометрический анализ

Программные средства ГИС позволяют выполнять ряд операций геометрического анализа для векторных и растровых моделей.

Для век­торных моделей такими операциями являются: определение расстояний, длин ломаных линий, координат центроидов полигонов, расчет площа­дей векторных объектов, трансформирование точек объекта. Особо сле­дует отметить процедуры поиска точек пересечения линий.

Для растровых моделей технологии ГИС обеспечивают выполнение следующих операций геометрического анализа: идентификацию зон, вы­числение площадей зон, расчет периметров зон, определение рассто­яния от границы зоны, определение формы зоны, трансформирование растрового слоя.

Для векторных моделей, каждая из которых отображает отдельный объект, процедуры геометрического анализа во многом используют тра­диционную геометрию и выполняются без каких-либо предварительных преобразований как алгоритмы прямого счета. Кроме того, например, площадь и периметр элемента могут входить в число обязательных ат­рибутов полигонов.

Для растровых моделей, которые создаются не по объектным при­знакам, проведению практически любой геометрической процедуры должны предшествовать анализ и выделение необходимого объекта (рас­познавание образа).

В ГИС эти процедуры упрощаются заданием исчерпывающей ин­формации в атрибутах модели. Но даже при таких условиях простая операция типа вычисления площади для растрового объекта существен­но отличается от аналогичной для векторного.

4) Оверлейные операции

Особенностью цифровой карты является возможность ее организа­ции в виде множества слоев (покрытий или карт-подложек).

Сущность оверлейных операций состоит в наложении разноимен­ных слоев (двух или более) с генерацией производных объектов, возни­кающих при их геометрическом наслоении, и наследованием их атрибу­тов. Наиболее распространены операции оверлея двух полигональных слоев.

Площадь и периметр элемента могут входить в число атрибутов поли­гонов. Их значения используются в операциях удаления границ полигонов, принадлежащих к одинаковым классам, и в оверлейных операциях.

Для растровых форматов данных такие расчеты достаточно просты. Для векторных представлений используют алгоритмы, основанные на формулах аналитической геометрии.

Практические трудности реализации оверлейных процедур связаны с большими затратами машинного времени на поиск координат всех пересе­чений, образующих полигоны линейных сегментов (возрастающих экспо­ненциально при росте числа полигонов); определение топологии получен­ной производной полигональной сети при так называемом топологическом оверлее, переприсвоение атрибутов производной сети различными метода­ми наследования атрибутов качественного (символьного, типового) или ко­личественного (числового, знакового) характера.

В алгоритмах операций наложения широко применяются методы математической логики и структурного анализа.

В настоящее время оверлейные процедуры ГИС обеспечивают высокопрофессиональные средства анализа и использования географичес­кой информации, включая взаимоналожение полигональных, точечных и линейных покрытий, создание буферных зон, объединение полигонов и ряд других функций, основывающихся на пространственной и топо­логической взаимосвязи данных.

В качестве примера рассмотрим подсистему Overlay широко извес­тной инструментальной системы Arclnfo, которая предоставляет доста­точно разнообразные средства обработки и анализа географической информации.

При наложении картографических покрытий в результате пересече­ний границ полигонов образуется новый набор объектов покрытия. Ха­рактеристики новых полигонов определяются характеристиками исход­ных, что создает новые пространственные и признаковые взаимосвязи данных.

При табличном анализе данных, полученных с использованием фун­кций подсистемы Overlay, можно использовать dBASE-совместимую систему хранения и анализа данных. В частности, можно классифици­ровать участки территории для выбора оптимальных мест строитель­ства объектов жилых домов, основываясь на таких критериях, как ха­рактеристики грунтов, уклоны, близость к зонам затопления и т.п.

Оверлейные процедуры позволяют соединять сетку административ­ных районов, коммуникационные линии, зоны затопления, статистику преступности и другую информацию о городской среде для ежедневно­го анализа различных аспектов жизни большого города.

В подсистеме Overlay содержится команда BUFFER для создания буферных зон, т.е. зон, границы которых удалены на известное рас­стояние от любого объекта на карте. Буферные зоны различной ши­рины могут быть созданы вокруг выбранных объектов на базе таблиц сопряженных характеристик. Например, ширина лесных защитных полос вдоль дорог или водотоков может автоматически задаваться в соответствии с классом дорог или расходом водотока. Подсистема Overlay позволяет автоматически объединять друг с другом буфер­ные зоны, удаляя лишние внутренние границы. Она обеспечивает пользователя профессиональными средствами обработки разноплановых источников информации. В частности, в ней содержатся ко­манды MAPJOIN для соединения смежных листов карты в единое картографическое покрытие и команда SPLIT для разбиения боль­шого покрытия на более мелкие.

Команды DISSOLVE и ELIMINATE позволяют объединять выбран­ные полигоны в одном картографическом покрытии для создания новых полигональных объектов.

Команда RESELECT позволяет выбирать объекты картографичес­ких покрытий в соответствии с пространственными или логическими критериями, заданными пользователем новых полигональных объектов.

Команда INTERSECT соединяет две карты, оставляя только общие для обеих карт участки.

Команда CLIP удаляет все объекты, которые оказываются за предела­ми указанных пользователем границ. Команда SPLIT разбивает картогра­фические покрытия на покрытия меньшего размера.

5) Функционально-моделирующие операции

В ГИС используются различные аналитические операции:

1. расчет и построение буферных зон;

2. пространственный анализ;

3. анализ сетей;

4. генерализация;

5. цифровое моделирование рельефа.

1. Построение буферных зон. Буферная зона – это область, границы которой удалены на известное рас­стояние от любого объекта на карте, построенная относительно множества то­чечных, линейных и площадных объектов. Может создаваться вокруг точки, линии или ареала. В результате образуется новый ареал, вклю­чающий исходный объект.

Операции построения буферной зоны применяются в транспортных системах, лесном хозяйстве, при создании охранных зон вокруг озер и вдоль водотоков, при определении зон загрязнения вдоль дорог, зоны влияния существующей или проектируемой сети транспортных коммуникаций, свя­занной с изменением экологической обстановки, и т.д.

В векторных моделях отсутствуют некоторые возможности растро­вых систем, например моделирования слоя "трения", поэтому построе­ние буферных зон на основе векторных моделей ГИС более трудоемко. При использовании буферных зон растровых моделей используют ап­робированные методы лексического анализа. Для точки буфером будет обычно круг, для линии и полигона - полигон.

Методология создания буферных зон использует общие принципы пространственного анализа ГИС, в частности набор операций ГИС, при которых из уже имеющихся пространственных объектов формируются новые. Новые объекты могут иметь атрибуты старых, из которых они образованы.

Этот подход взят за основу при формировании буферных зон. Иногда ширину буферной зоны можно определить исходя из признака объекта. Ширина (радиус для точечных объектов) зоны может быть постоянной или зависеть от значения соответствующего атрибута объекта. В последнем слу­чае имеет место буферизация со "взвешиванием".

2. Пространственный анализ. Пространственные запросы - запросы к графическим объектам - являются одной из главных задач любой ГИС. Самый простой и известный из них - ручное выделение объектов на карте, когда Вы "мышью" выделяете один или несколько объектов. При этом подсвечиваются объекты, а также связанные с ними записи атрибутивной таблицы. Более же серьезные задачи решаются с помощью операций определения пространственного положения объектов(лежит внутри, лежит вне, включает, пересекает) относительно друг друга и относительно буферных зон.

3. Анализ сетей. Операции анализа сетей позволяют решать оптими­зационные задачи на сетях. Они основаны на использовании векторных моделей, на координатном и атрибутивном представлении линейных пространственных структур и на введении в них топологических харак­теристик (моделей).

Координатные векторные пространственные объекты (точки, ли­нии, полигоны, ареалы) определены в векторных моделях наборами упорядоченных пар координат х, у:

• точка: (х, у);

• линия: (х₁,y₁,), (х₂, у₂),..., (х_n, у_n);

• полигон: (х₁, у₁), (x_2, у₂),..., (х_n, у_n).

Это обеспечивает идентичность цифрового представления указан­ных трех пространственных объектов, позволяя использовать группо­вые процедуры пространственного анализа.

Методы анализа географических сетей являются мощным аналити­ческим средством для моделирования реальных сетей (улицы, водото­ки, телефонные линии и линии электросвязи) для поиска объектов по его адресу (например, привязка табличных данных к географическим объектам с использованием файлов формата TIGER).

В системе Arclnfo имеется для этой цели специальная программная подсистема Network. Она обеспечивает выполнение двух основных фун­кций: анализ географических сетей и поиск объекта по его адресу (ад­ресное геокодирование).

Подсистема Network позволяет рассчитывать оптимальные марш­руты движения транспорта, места размещения объектов, оптимизиро­вать районирование. Точность моделирования реальных сетей при ис­пользовании этой подсистемы высока, так как различная информация типа направления и стоимости передвижения или перемещения грузов может храниться в таблицах сопряженных характеристик для каждой линии в сети.

Анализ сетей включает в себя три функции: поиск путей, аллока­цию и районирование.

Поиск путей обеспечивает оптимизацию перемещения ресур­сов по сети, например выбор альтернативных маршрутов движения ма­шин аварийных служб во время максимальной загруженности транспор­тных магистралей.

Аллокация позволяет отыскать ближайшие центры (минималь­ную стоимость перемещения) для каждой точки сети в целях оптимиза­ции функционирования последней. Например, аллокация может исполь­зоваться при поиске ближайшей станции пожарной охраны для каждой улицы или ближайшей школы для каждого конкретного школьника.

Районирование включает в себя группировку участков, ограничен­ных элементами сети, например городских кварталов, ограниченных ули­цами. Это средство ценно при планировании. Районирование может исполь­зоваться, например, для определения границ участков доставки газет.

Если организация использует информацию, содержащую уличную адресацию, то применение средств Network позволяет определить ха­рактеристики объекта по его адресу. Система геокодирования дает возможность соединить табличные данные адресных файлов с гео­графическим положением объектов в форматах ЕТАК, TIGER или Arclnfo.

При использовании покрытий с адресацией все данные могут ана­лизироваться и наноситься на карту любым набором программных средств Arclnfo.

Подсистема Network полностью поддерживает выполнение таких при­кладных задач, как маркетинговые исследования, оптимизация размеще­ния сервисных центров по адресам клиентов, компоновка списков расселе­ния, распределение детей по школам, направление машин аварийных служб, картографирование мест совершения преступлений и др.

Успешный анализ сетей возможен только при наличии качествен­ных обобщенных моделей сетей и движения потоков по ним. Структура данных Arclnfo, средства анализа и отображения, содержащиеся в под­системе Network, обеспечивают такую возможность.

4. Генерализация. Генерализация в ГИС - это набор процедур клас­сификации и обобщения, предназначенных для отбора и отображения картографических объектов соответственно масштабу, содержанию и тематической направленности создаваемой цифровой карты. Она может быть рассмотрена как группа методов, позволяющих сохранить объем информации даже при уменьшении объема данных. Например, при сокращении числа точек на линии остающиеся должны быть выб­раны так, чтобы внешний вид линии не изменился. При генерализации происходит геометрическое манипулирование с цепочками координат­ных пар (х, у).

Рассмотрим методику генерализации линий. Более общая задача включает, например, генерализацию ареалов до уровня точки.

Генерализация как группа методов включает в себя следующие про­цедуры:

• упрощение - набор алгоритмов, которые позволяют убрать лиш­ние или ненужные координатные пары, исходя из определенного гео­метрического критерия (например, расстояние между точками, смеще­ние от центральной линии);

• сглаживание - комплекс методов и алгоритмов, которые позволя­ют переместить или сдвинуть координатные пары с целью устранить мелкие нарушения и выделить только наиболее значимые тенденции изменения линии;

• перемещение объектов — процедуры сдвига двух объектов, про­водимые во избежание их слияния или наложения при уменьшении мас­штаба.

• слияние - объединение двух параллельных объектов при умень­шении масштаба. Например, берега реки или обочины дороги в мелком масштабе сливаются, остров превращается в точку;

• корректировка (текстурирование) - набор про­цедур, которые позволяют в уже упрощенный набор данных снова ввес­ти некоторые детали. Например, сглаженная линия может потерять сход­ство с оригиналом, тогда для улучшения ее вида будет проведено тек­стурирование в случайных точках.

Один из методов генерализации предполагает расчленение линии путем введения дополнительных точек и придания большего сходства с оригиналом.

5. Цифровое моделирование рельефа. Оно заключается в построе­нии модели базы данных, которая бы наилучшим образом отображала рельеф исследуемой местности. Эти процессы связаны с трехмерным моделированием и с задачами пространственного анализа.

Координаты точек цифровой модели рельефа (ЦМР) расположены на земной поверхности, имеющей сложную форму. Для подробного отобра­жения такой поверхности требуется очень большое число точек, поэтому в ЦМР используют различные математические модели поверхности.

В свою очередь, это определяет проблему выбора оптимального ана­литического описания или набора функций для отображения рельефа местности. При этом может возникнуть задача учета возможных картог­рафических представлений и проекций.

Одним из наиболее распространенных методов построения релье­фа является метод горизонталей.Метод горизонталей наиболее приемлем для ГИС. Он открывает большие перспективы для моделирования горизонталей на основе трех­мерных моделей, вписывается в послойное представление векторных данных ГИС (оверлей), что создает возможность применения ряда стан­дартных математических алгоритмов, входящих в состав ГИС. Наконец, этот метод позволяет использовать ряд процедур пространственного анализа данных линейных объектов, т.е. применять процедуры анализа 2D-объектов для объектов, относящихся к классу 3D.

Цифровое моделирование будет подробно рассмотрено далее. Здесь отметим лишь различие между цифровой моделью рельефа и циф­ровой моделью картографического отображения рельефа. В первом слу­чае речь идет об информационной структуре базы данных, во втором об информационной структуре, предназначенной для визуального ото­бражения цифровых данных с помощью дисплея или плоттера.

Тема 6 Муниципальные геоинформационные системы (МГИС)

Понятие МГИС. Плюсы и минусы МГИС для города. Области применения МГИС в городе. Этапы создания МГИС.

«Урбанистика» охватывает все аспекты жизни округов города, го­родов, регионов и государств в целом. Конечно, города являются основными цен­трами приложения задач урбанистики. В них концентрируется большинство населения раз­витых стран. Они дают толчок к экономическо­му, культурному, политическому и социально­му развитию. Поэтому далее мы рассмотрим именно городскую (муниципальную) гис.

Сравнение широты применения гис с другими странами пока, к сожа­лению, не в нашу пользу. Это не касается каче­ства. Они выполнены на самом высоком миро­вом уровне. Все дело в массовости. Таких про­ектов у нас десятки. А в мире их десятки, если не сотни тысяч. Например, только в сша гис продукты esri способствуют успешному раз­витию более половины из 3140 округов стра­ны, тысяч крупных, средних и небольших горо­дов.

На западе выходит много книг, посвящен­ных вопросам применения гис в городском и региональном планировании. Одним из стремительно разви­вающихся направлений сейчас является созда­ние общегородских и региональных гис, осно­ванных на предоставлении информации населению по се­ти интернет к разнообразной информации о терри­тории, где они проживают. В этом плане мы еще значитель­но отстаем.

Конечно, гис - технология затратная, как и всякая другая новейшая технология. Но в еще большей степени эта технология возврат­ная. Сопоставим плюсы и ми­нусы, за и против.

«-«		«+»
Затраты на приобретение по и техники
затраты на обучение сотрудников		Сотрудники, переобучившись, полу­чат более интересную, более престижную и, скорее всего, более высокооплачиваемую ра­боту.
дополнительные усилия по изменению сущест­вующего порядка вещей		Дополнительные усилия повысят вес и популярность руководителей
		Возможность оперативно получать, анализировать ситуацию (держать руку на пульсе)

(2)сегодня совершенно ясно, что комплексный учет всех факторов, формирование стратегии развития, выработка конкретных мероприятий и планов развития городов не­возможны без использования современных информационных технологий. Вместе с тем, задачи, связанные с оптимальным управле­нием такой сложной системой как современный город, имеют универсальный, не завися­щий от внешних условий и внутренних требо­ваний, характер, а именно:

- большое количество параметров управ­ления;

- сложность задач управления;

- разнообразие областей применения;

- разнородность задач управления;

-большое количество нечетко поставлен­ных целей, моделирование по принципу "что,если?";

- наличие неполных, нечетких и противоре­чивых данных;

- повышенные требования к оперативности принятия управленческих решений;

- комплексный харак­тер управления.

Решение поставленных задач может быть найдено в рамках географических информа­ционных систем, которые представляют со­бой совокупность информационных техноло­гий, данных и методов их сбора, хранения и управления ими для задач анализа и пред­ставлений картографической и описатель­ной информации об объектах, которые могут быть представлены на географических кар­тах

(3)можно предло­жить следующую примерную классификацию областей применения гис и решаемых в их рамках прикладных урбанистических задач. В таблице 1 указаны некоторые из таких задач.

Таблица 1

Области анализа, исследования и уп­равления	Объекты и задачи анализа, исследования и управления	Примеры гис-проектов
Экономика и градо­строительство	Земля и недвижимость Коммунальное хозяйство Транспорт Торговля Развитие мелкого и среднего предпринимательства	· Кадастры земли и недвижимости анализ налогов и арендной платы за недвижи­мость. · Автоматизированные системы управле­ния инженерными сетями и коммуника­циями. · Анализ уровня транспортного обслужи­вания районов города. · Гис «генеральный план города". · Градо­строительное правовое зонирование и градостроительные регламенты
Административное управление и поли­тика	Административно-территориальное деление. Избирательная система	Зонирование: административных границ городов, органов территориального са­моуправления, избирательных округов и т.д
Социология и демо­графия	Стратификация населения по уровню доходов. Половозра­стная структура населения. Анализ социальных факторов преступности	· Анализ распределения по территории города групп населения с различным уровнем среднедушевого дохода. · Анализ пространственного распределе­ния половозрастных групп населения
Охрана правопорядка и безопасность	Организация работы служб скорой помощи, аварийно-спасательных и пожарных служб, милиции	· Локализация на территории города происшествий, аварий и катастроф. · Анализ оптимальных маршрутов автотранспорта к месту происшествий, аварий и катастроф. · Анализ зон наводнения. · Планы и маршруты эвакуации в случае возникновения чс
Здравоохранение, образование, культура и спорт	Планирование работы городской системы здравоохранения, образования, культуры и спорта. Формирование зон обслуживания.	Анализ обеспеченности районов города объектами здравоохранения, образования, культуры и спорта с учетом поло-возрастной структуры населения.
Экология, природопользование и охрана окружающей среды	Контроль за загрязнением окружающей среды. Сохранение зеленых насаждений и особо охраняемых природных территорий.	Анализ источников загрязнения, планирование границ санитарно-защитных и водоохранных зон, границ заповедных и особо охраняемых природных зон

Рассмотрим более подробно каждый из пунктов таблицы: