Общие принципы ГИС

Принципы создания географических систем наиболее полно сформулированы Бэрроу П.А. в 1986 году. Эти принципы кладутся в основу разработки любых тематических ГИС. Практически они все рассмотрены в предыдущих главах и здесь приводятся в обобщенном виде как итог предыдущего изучения и основа для развития тематических ГИС.

Геоинформационные системы.

Определение геоинформационных систем приведено в главе 2. Здесь же, обобщая предыдущий материал, отметим следующее. Являясь моделью реального мира географическая информация описывает его объекты следующим образом.

1. Устанавливает местоположение объектов в определенной системе координат.

2. Определяет их свойства, не связанные с местоположением.

3. Задает взаимосвязи между объектами (топологические связи).

Любая геоинформационная система состоит из трех компонентов - аппаратных средств, программного обеспечения, данных.

Аппаратное обеспечение состоит из ЭВМ, внешних носителей информации, цифрователя (дигитайзера), сканера, принтера или плоттера (графопостроителя).

Программное обеспечение ГИС состоит из следующих программных модулей, являющихся подсистемами: ввода и контроля данных, хранения данных и управления базами данных, анализа данных и их преобразования, вывода и представления данных, взаимодействия (интерфейса) с пользователем.

Данные включают структуру данных и приемы управления ею.

Структура данных в тематических ГИС.

Все географические объекты могут быть сведены к четырем видам: точечным, линейным, площадным, символьным.

Географическая организация в ГИС организована в базоданной и файловой формах. База данных также может состоять из нескольких файлов.

По структуре базы данных бывают сетевые, иерархические и реляционные. По форме представления графическая информация бывает растровой и векторной. Каждый из методов имеет свои недостатки и преимущества. Возможно их совместное применение.

Ввод и хранение данных.

Ввод данных - это операция кодирования информации и ее записи в базу данных или непосредственно в файлы. В дальнейшем будем понимать запись в базу данных.

Можно различать три этапа ввода данных:

а) ввод пространственных данных,

б) ввод непространственных данных,

в) ввод связей между пространственными и непространственными данными.

Ручной ввод в векторную систему - это ввод координат точек, линий и площадей, полученных с карты или в результате геодезических работ на местности. Ручной ввод в растровую систему предполагает разделение местности или карты на элементарные ячейки (клетки) и запись отдельных признаков по каждой клетке в базу данных в виде матрицы или по рядам начиная с левого верхнего угла карты или участка местности.

Трудоемкий ручной процесс ввода заменяется применением цифрователей (дигитайзеров) и векторных сканеров для векторных систем и растровых сканеров для растровых систем.

Другими приборами для цифрования линий являются видеоцифрователи и стереоплоттеры для обработки стереопар аэрофотоснимков в автоматическом режиме.

Пространственная информация, получаемая со спутников нуждается в предварительной обработке с целью совместимости форматов предсиавления ее в базе данных и на спутнике.

Непространственная информация может вводиться отдельно от пространственной. Каждому типу непространственной информации присваивается определенный код (идентификатор). А для связи этих кодов с пространственными данными составляются специальные программы.

Методы анализа данных и пространственного модулирования.

Основная проблема анализа данных - это осуществление в соответствии с запросом пользователя связи (запросной связи) между базой данных (входными данными) и выходными данными в виде карт, таблиц, цифр, текста и т.д. Эта связь осуществляется в виде программ.

Для осуществления анализа данных и пространственного модулирования принимается соответствующая концептуальная модель географической базы данных. Ее суть заключается в том, что информация хранится послойно (оверлейно).

Для построения слоев поступают следующим образом. Определяется район как набор местоположений. Каждое из них характеризуется координатами X, Y и атрибутами. Каждому атрибуту соответствует определенный слой (оверлей). Таким образом слой (оверлей) следует определить как набор местоположений одного типа. К таким наборам можно отнести геодезические пункты, дороги, населенные пункты, гидрографию и т.д.

На основе такой концептуальной модели осуществляется поиск данных. При этом здесь наиболее эффективно использовать операторы булевой алгебры: AND, OR, XOR, NOT. Покажем их действие на примере. Пусть А - это слой геодезических пунктов закрепленных на стенах зданий населенных пунктов, а В - слой зданий, в стенах которых могут быть закреплены геодезические пункты.

Тогда X = A.AND.B - определит геодезические пункты и здания, на которых закреплены геодезические пункты. X = A.OR.B - определит пункты, которые закреплены на зданиях или здания, на которых закреплены пункты. X = A.XOR.B - или пункты или здания, но не одновременно то и другое. X = A.NOT.B - определяет геодезические пункты на зданиях и здания, на которых пункты не закреплены.

Возможны действия с тремя и более слоями, но при этом для задания порядка выполнения операций следует применять скобки.

На основании заданных атрибутов можно определять по определенным функциям новые атрибуты, необходимые для прогнозирования и планирования природных и социальных процессов. Функционально новый атрибут U зависит от исходных А, В, С... так: U = f(A, B, C...). Функция f может учитывать лишь атрибуты, атрибуты и свойства района, а также пространственное взаимодействие атрибутов.

Классификация объектов.

Рекомендуется число классов объектов ограничивать интервалом от 5 до 9. При этом используются методы классификации Эванса (1977), в соответствии с которым устанавливаются классификационные интервалы. Эти интервалы бывают экзогенные, условные, идеографические и периодические.

Экзогенные интервалы устанавливаются по определенным (пороговым) значениям характеристик.

Условные интервалы называются произвольно. Идеографические интервалы назначаются по специфике данных.

Величина периодических интервалов изменяется закономерно.

Следующий метод классификации - метод главных компонентов. В нем из множества характеристик по определенным правилам определяются главные характеристики. Такой процесс называется сжатием характеристик. На основе сжатых характеристик строятся группы объектов, имеющих наибольшее сходство. Такие группы называются кластерами. Принадлежность к тому или иному кластеру определяется по расхождению между признаками объекта и кластера. Чем меньше это расхождение, тем ближе объект к данному кластеру.

Методы пространственной интерполяции.

Интерполяция - это расчет значений атрибутов внутри территории, охваченной сетью точек наблюдения. Экстраполяция - это расчет значений атрибутов за пределами данной территории.

Основная задача интерполяции - расчет правдоподобной модели изменения значений атрибута в исследуемых точках и затем расчет аналогичных значений для желаемых территорий.

К методам интерполяции относятся полигоны Тиссена, линейная, билинейная, бикубическая интерполяция, метод полиномов Чебышева, скользящей плоскости и др.