Курсовая работа аспиранта 2-го года кафедры интеллектуальных систем Костюкевича А.В.

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Минск 2000

Различные применения информационных систем для работы с пространственной информацией.

Областей применения географических информационных  систем (ГИС) существует великое множество и, по всей видимости, число их и еще будет расти. В каждой из прикладных областей существуют свои специфические потребности и своя специфическая терминология, своя история внедрения геоинформационных технологий. На начальном этапе эти технологии развивались в значительной степени независимо в разных прикладных областях. Это является одной из причин того, что сегодня в мире насчитывается уже очень много коммерческих пакетов программ для работы с ГИС (может быть, даже слишком много), их функции часто в значительной степени совпадают, но при этом зачастую используется различная терминология для обозначения одинаковых или сходных функций и элементов моделей данных. Иногда напрямую терминология конкретной прикладной области проникает в терминологию пакета для обозначения тех функций и понятий, которые, в принципе, имеют отношение к общей геоинформатике, но в практике применения данного пакета имеют конкретное более узкое и специфическое назначение. Например, абсолютно одна и та же функция проведения изолиний равных значений числовой величины по регулярной сетке наблюдений в одном пакете может называться функцией построений изогипс (имея в виду рельеф местности), а в другом — функцией построения изолиний концентрации (имея в виду данные по геохимическим полям). Подобные терминологические проблемы, естественно, затрудняют понимание и обсуждение многих вопросов, связанных с геоинформатикой, равно как и сравнение и освоение пакетов программ.

1. Сферы применения ГИС.

Из приведенного выше описания назначения геоинформатики ясно, что и построенные на ее базе геоинформационные технологии и геоинформационные системы, хотя они и называются часто географическими информационными системами, никак нельзя трактовать в общем случае как информационные технологии и информационные системы для географии (или геологии, геодезии). Они имеют значение и применение значительно более широкое, чем только в указанных дисциплинах. Приставка "гео" означает только использование "географического", то есть пространственного принципа организации информации, только то, что это технологии и системы, предназначенные для работы с пространственной информацией. Поэтому области применения ГИС и геоинформатики сегодня находятся почти во всех сторонах человеческой деятельности. Можно сказать, что перечислить сферы применения ГИС не проще, чем перечислить сферы применения СУБД.

Сегодня можно назвать, оставляя в стороне сугубо научные приложения, следующие крупные области применения ГИС, причем этот список далеко не полный, и приводится просто для примера:

Управление земельными ресурсами, земельные кадастры.

Инвентаризация и учет объектов распределенной производственной инфраструктуры и управление ими.

Проектирование, инженерные изыскания и планирование в градостроительстве, архитектуре, промышленном и транспортном строительстве.

Тематическое картографирование практически в любых областях его применения.

Морская картография и навигация.

Аэронавигационное картографирование и управление воздушным движением.

Навигация и управление движением наземного транспорта. Дистанционное зондирование.

Управление природными ресурсам и (водными, лесными и т.д.).

Представление и анализ рельефа местности.

Моделирование процессов в природной среде, управление природоохранными мероприятиями.

Мониторинг состояния окружающей среды. Реагирование на чрезвычайные и кризисные ситуации.

Геология, минерально-сырьевые ресурсы и горнодобывающая промышленность.

Планирование и оперативное управление перевозками.

Планирование развития транспортных и телекоммуникационных сетей.

Маркетинг, анализ рынка. Археология.

Комплексное управление и планирование развития территории, города.

Безопасность, военное дело и разведка. Общее и специальное образование. Сельское хозяйство [1].

Никакого особенного порядка в этом списке нет. Отметим только, что в нем присутствуют как термины, относящиеся к предмету активности (земельные ресурсы), так и относящиеся к задачам или дедам (планирование развития, управление перевозками), а также и к методам и средствам (дистанционное зондирование).

В этой большой области приложений можно выделить несколько основных типов. Одни связаны с задачами учетно-инвентаризационного типа, акцент делается на данных и измерениях (например, задачи земельного кадастра или управления распределенной производственной инфраструктурой большого предприятия). Другие связаны с задачами управления и принятия решений. В третьих акцент делается на моделировании и сложном анализе данных. Первый тип имеет наиболее важное значение, хотя бы в силу того, что на этот тип задач приходится максимальное число реализованных и находящихся в режиме эксплуатации систем, в том числе крупнейшие по числу пользователей и объемам собранных данных. (Для приложений этого типа вообще характерна работа с большим числом объектов и высокая детальность изучения территории.) Использование ГИС в качестве информационно-справочных систем начинает также широко использоваться в обучении. Отметим также, что вне зависимости от того, используются ли при работе с данными мощные аналитические процедуры и сложные запросы, ГИС очень часто используются как средства поддержки принятия решений. Достигаемая здесь эффективность, даже при использовании минимальных средств, доступных геоинформатике, часто очень высока за счет высокой наглядности картографической визуализации информации и удобства доступа к информации.

Знание конкретных потребностей той или области применения, той или иной задачи, является важным для рационального выбора программных средств и построения эффективной структуры базы данных. Например, для одних применений наиболее эффективной является послойная организация данных, для других — Объектная "бесслойная" модель данных. Часто оптимальным решением оказывается комбинирование этих двух подходов.

2. Примеры различных требований к данным.

Поиск пути — одна из основных человеческих потребностей. Знание того, как сориентироваться в системе улиц города, найти оптимальный маршрут от своего дома до работы, как объяснить дорогу к метро заблудившемуся прохожему — это только некоторые из проблем нахождения маршрута, в которые мы вовлечены ежедневно.

Однако перейдем от рассмотрения возможностей системы (они быстро развиваются и совершенствуются) к вопросу о данных, необходимых для ее функционирования. Нам необходима координатная информация, чтобы отобразить в виде карты форму и взаиморасположение дорог. Нам нужны, вероятно, местоположения каждого почтового адреса, чтобы их можно было использовать в диалоге с системой, а также названия конкретных мест и районов города, чтобы они могли быть использованы в качестве ориентиров. Естественно, необходимы названия улиц. Если мы хотим, чтобы система была достаточно универсальной, она должна быть способна обрабатывать различные особые ситуации, например, не терять работоспособности в случаях, когда одна и та же улица имеет несколько названий (разные названия для правой и левой стороны, как это имеет место в некоторых странах), когда почтовые адреса распределены вдоль улицы не в строгом порядке и т.п. Некоторая дополнительная информация может быть необходима при поиске оптимального маршрута, например, места и время проведения дорожных работ, среднее время проезда по определенным улицам с учетом интенсивности движения (возможно, различной в разные часы и дни недели и неодинакового в разных направлениях). Также очень важно знать, какие улицы соединены в смысле возможности сделать поворот, каков характер такого соединения (из какого направления движения возможен поворот, в какое время суток и недели, каково среднее время выполнения поворота в данном направлении с учетом интенсивности движения). В общем можно сделать вывод, что очень и очень много разнообразных данных, в том числе статистических, оценочных (среднее время движения) и весьма оперативных (сведения о перекрытии улицы из-за аварии или автомобильной пробки) необходимы для правильного и практически полезного функционирования такой системы.

Во многих применениях ГИС, однако, используемые данные могут быть не столь разнообразны и сложны. Но чем бы мы ни занимались, мы, в сущности, имеем дело с немногими категориями, такими как:

1. Явлениями, условиями или объектами, которые имеют определенную изменчивость от места к месту.

2. Природными объектами, часто с нечеткими границами или вообще не имеющими границ.

3. Объектами, созданными человеком, обычно имеющими четкие и ясные границы и формы.

4. Явлениями, четко локализованными в пространстве.

5. Объектами, которые связаны или не связаны друг с другом в пространстве [2].

Другими словами, мы имеем дело со свойствами пространственных объектов, как-то расположенных в некоторой системе координат или привязки. Можно также отметить исключительно высокую роль обеспеченности ГИС данными, которые являются одним из важнейших компонентов работающей системы и необходимым условием ее практически полезного функционирования. В следующих разделах книги мы неоднократно будем возвращаться к проблеме данных в ГИС — различным их видам, различным требованиям к данным, предъявляемым конкретными задачами, различным их источникам и технологиям ввода данных и т.д.

Ресурсы Internet в сфере геоинформационных систем

Поиск в Internet

Как и всякая другая информация, географические данные широко представлены в сети Internet. Для того, чтобы найти необходимое, можно воспользоваться услугами поисковых серверов. Среди них можно выделить как сервера «общего назначения», например

http://www.altavista.com/ — проект Altavisha.com,

http://www.yahoo.com/ — проект Yahoo.com,

http://adm.atrus.ru/ — проект @Rus,

http://www.rambler.ru/- проект Rambler.ru,

http://www.open.by/ — сайт «Открытый контакт»,

http://www.09.open.by/ — поисковик “Открытого контакта”,

http://www.zubr.by/ — регистр белорусских WWW-ресурсов,

так и тематические, например

http://wholeminsk.nsys.by/ — поиск в Минске по телефону, по адресу или по названию и специализированные:

http://www.dataplus.ru/WIN/search/search.asp – поисковик по геоинформационным технологиям на сайте фирмы Дата+,

http://www.esri.com/data/online/index.html – ArcData OnLine – поиск данных на сайте компании ESRI,

http://www.mapinfo.com/data/index.html – поиск данных на сайте компании MapInfo.

Ресурсы Internet в области географических данных

В геоинформационных системах можно выделить такие виды данных, как растровые и векторные. К растровым можно отнести:

исходные аэро- и космические снимки поверхности Земли различного спектрального и пространственного разрешения;

отсканированные карты и планы местности;

изображения, синтезированные из векторных тематических данных.

Векторные данные задаются координатами объектов в какой-либо кординатной системе.

В решении прикладных географических задач возникает необходимость в исходных данных и в программном обеспечении. Крупные фирмы, как правило, предоставляют и то, и другое. Так, например, фирма MapInfo, Inc. (http://www.mapinfo.com/) предоставляет как готовые ГИС Mapinfo со своим языком управления MapBasic и дополнительными приложениями, так и векторные данные в собственном формате (который, кстати, совместим с приложениями Microsoft Office – Excell и Word).

Из русскоязычных сайтов следует выделить http://www.dataplus.ru/ московской фирмы ДАТА+.

ДАТА+ предлагает на Российском рынке лицензионные программные продукты, разработанные и произведенные фирмами:

ESRI, Редландс, Калифорния, США — http://www.esri.com/ — предоставляет полный инструментарий ГИС от обработки первичных изображений до создания конечного продукта, в том числе Arc/INFO, ArcView.

ERDAS, Атланта, Штат Джорджия, США — http://www.erdas.com/- предоставляет инструменты ГИС для пространственного анализа, совместимые с продукцией ESRI.

ДАТА+ предлагает данные дистанционного зондирования Земли (аэро- и космической съёмки в видимом и ИК диапазоне), являясь официальным дистрибьютором фирм:

SPOT IMAGE, Франция — www.spotimage.fr

SPACE IMAGING, США — www.spaceimaging.com

EURIMAGE, Италия — www.eurimage.it

СканЭкс, Россия — scanex.ss.msu.ru

СОВИНФОРМСПУТНИК, Россия — www.sovinformsputnik.com

В совокупности эти поставщики предоставляют космические снимки, способные значительно облегчить решение многих хозяйственных задач.

На странице ДАТА+ также представлены ссылки на сайт информационно-образовательного издания ДАТА+ “ArcReview” (обозрение современых геоинформационных технологий) - http://www.dataplus.ru/WIN/ARC REV/index.htm.

Среди тем этого журнала — “ГИС и транспорт“, “ГИС и бизнес.”, “ГИС и дистанционное зондирование. ”, “ГИС и экология”, “ГИС в нефтяной и газовой промышленности”, “ГИС и телекоммуникации”, “ГИС и инженерные коммуникации”.

В разделе «Всё о ГИС» (http://www.dataplus.ru/win/All_Gis/index.htm) – множество статей по тематике сайта, информация о конференциях, проводимых в рамках ДАТА+. Так, недавно фирма ДАТА+ проводила 2-й конкурс по Программе Поддержки ВУЗов: http://www.dataplus.ru/WIN/NEWS/concursV.htm

Победителям делаются большие скидки при приобетении программных продуктов у этой фирмы, вплоть до бесплатного предоставления. Так, в числе победителей этого конкурса – Белгосуниверситет.

Во многом интересна страница Межрегиональной общественной организации содействия развитию рынка геоинформационных технологий и услуг - http://gisa.saog.ac.ru/. Среди направлений работы ассоциации издание и поддержка издания специальных публикаций, проведение специальных выставок, конференций, семинаров, организация совместного участия разработчиков систем в крупнейших российских и международных выставках, конференциях, семинарах; консалтинг и анализу развития программно-аппаратных средств, разработка рекомендаций по стандартизации обмена географическими данными, содействие в подготовке и трудоустройству специалистов:

У ассоциации есть свои издания (http://gisa.saog.ac.ru/gis_serv/our_publ/Index_Our_publ.htm):

Журнал информационный бюллетень ГИС-ассоциации (http://gisa.saog.ac.ru/gis_serv/our_publ/inf_bull/Index_Inf_Bul.htm)

Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации

Издание материалов семинаров, конференций, форумов

ГИС-ежегодник (http://gisa.saog.ac.ru/gis_serv/our_publ/Egegod_obzor/obzor98.htm)

Толковый словарь по геоинформатике страница Ю.Б. Баранова, А.М. Берлянта и др. — http://www.ihst.ru/project_link/glossary/titul.htm

Здесь также можно найти географические данные, вот, к примеру, карта центрального района России (http://gisa.saog.ac.ru/gis_serv/region/Centr/index_Centr.htm):

Лабораторная работа

Тема: Географические карты в MS Excel

Среди многих инструментальных средств Microsoft Excel есть возможность подключать географические карты.

Отображение данных на карте может помочь увидеть новые стороны явлений и произвести анализ данных «на глазок», который часто оказывается весьма точным и существенно улучшает понимание вещей и явлений.

При представлении данных в виде больших массивов строк и столбцов чисел понять взаимосвязь данных чрезвычайно трудно. Подобно диаграммам, отображение данных на географической карте может существенно облегчить понимание смысла числовых данных.

Взаимосвязь данных с картографическими объектами делает доступной для анализа новую информацию, которой не было в данных до этого. А значит, отображение данных на карте существенно расширяет возможности анализа данных. Например, отображение на карте демографических данных может существенно помочь в проведении анализа плана продаж и действий по рекламе товаров (Рис. 1).

Рис. 1. Демографическая ситуация в мире

Этот пример был создан на основе файла Mapstats.xls, включённого в стандартный набор примеров по картографии для MS Excel. В него включены демографические данные по России, по странам мира и Европы – половозрастная структура, количество рабочих и т.п. К сожалению, из-за неполноты сведений в файле Mapstats.xls многие страны выглядят на карте белыми пятнами.

Шаги выполнения:

1 Выбраем диапазон. При этом один из столбцов диапазона должен содержать имеющиеся в базе данных названия географических объектов (например, названия стран).

2 В меню Вставка выбираем команду Карта или нажимаем кнопку .

3 С помощью мыши указываем область, в которую следует поместить карту на листе Excel.

Нажав кнопку , мы можем настроить параметры отображения (Рис. 2):

Рис. 2. Настройка параметров карты

Перетаскивая в выделенную пунктиром область одну из иконок в левой части, мы выбираем вариант отражения данных – круговая или столбчатая диаграмма, плотность точек или цвет заливки.

5. После закрытия этого окна, щелкнув дважды по легенде интересующей нас теме, мы можем настроить её отражение, например, число градаций цвета для степени урбанизации на рис. 1.

Список литературы

1. ДеМерс М.Н. Географические Информационные Системы.  – М.: Издательство СП Дата+, 1999.- 491 с.

2. Кошкарев А.В., Тикунов B.C. Геоинформатика. — М.: Картоцентр -Геодезиздат, 1993. — 213 с.