Моделі просторових даних в ГІС

ГІС як глобальні автоматизовані інформаційні системи

Географічні інформаційні системи (ГІС) з’явилися в 60-х роках XX сторіччя як інструменти для відображення географії Землі і розташованих на її поверхні об’єктів. Зараз ГІС є складними і багатофункціональними інструментами для роботи з даними про Землю.

Можливості, що надаються користувачу ГІС:

· робота з картою (переміщення і масштабування, видалення і додавання об’єктів);

· друк в заданому виді будь-яких об’єктів території;

· виведення на екран об’єктів певного класу;

· виведення атрибутивної інформації про об’єкт;

· обробка інформації статистичними методами і відображення результатів такого аналізу безпосереднім накладенням на карту

Так, за допомогою ГІС фахівці можуть оперативно спрогнозувати можливі місця розривів трубопроводів, прослідити на карті шляхи розповсюдження забруднень і оцінити вірогідний збиток для природного середовища, обчислити обсяг коштів, необхідних для усунення наслідків аварії. За допомогою ГІС можна відібрати промислові підприємства, що здійснюють викиди шкідливих речовин, відобразити троянду вітрів і ґрунтові води в навколишній місцевості і змоделювати розповсюдження викидів в навколишньому середовищі.

Безумовним лідером в створенні локальних баз даних є ESRI (Environmental Systems Research Institute, Inc., США). Сервер ArcAtlas “Our Earth” містить більш 40 тематичних покриттів, які широко використовуються у всьому світі. Практично всі картографічні проекти масштабу 1:10000000 і дрібніших масштабів створюються з його використанням.

Найсерйознішим проектом зі створення розподіленої бази даних є «Цифрова Земля» (Digital Earth). Цей проект був запропонований віце-президентом США Гором в 1998 р., основним виконавцем є NASA. В проекті брали участь міністерства і державні відомства США, університети, приватні організації, Канада, Китай, Ізраїль і Європейський союз. Всі проекти розподілених баз даних зазнають серйозних труднощів в питаннях стандартизації метаданих і сумісності окремих ГІС і проектів, створених різними організаціями із застосуванням різного програмного забезпечення.

Геоінформаційні технології призначені для широкого впровадження в практику методів і засобів роботи із просторово-часовими даними, які представляються у вигляді системи електронних карт, і предметно-орієнтованих середовищ обробки різнорідної інформації для різних категорій користувачів. Основною проблемою при реалізації геоінформаційних додатків є труднощі формалізованого опису конкретної предметної галузі і її відображень на електронній карті.

Графічне представлення якої-небудь ситуації на екрані комп’ютера має на увазі відображення різних графічних образів. Сформований на екрані ЕОМ графічний образ складається із двох різних з погляду середовища зберігання частин - графічної «підкладки» або графічного фона та інших графічних об’єктів. Стосовно цих інших графічних образів «образ-підкладка» є «площинним», або просторовим двомірним зображенням.

У ГІС просторові дані представляються із застосуванням двох моделей: векторної та растрової.

Векторна модель містить інформацію про точки, лінії, контури та поверхні, яка кодується і зберігається у вигляді набору координат X, У. Місцеположення точки (точкового об’єкта), наприклад джерела емісії забруднювальних речовин, описується парою координат X, У. Лінійні об’єкти, такі як річки, дороги або трубопроводи, зберігаються як набори координат Х, У. Полігональні об’єкти, такі як земельні й лісові ділянки, зберігаються у вигляді замкненого набору X, У. Рельєфи, що є основою 3D-поверхневих карт, подаються наборами координат X, У. Векторна модель зручна для опису дискретних об’єктів і неефективна для опису об’єктів із неперервним характером зміни властивостей, таких як типи ґрунтів, види рослинності тощо.

Растрова модель є оптимальною для роботи з об’єктами, що мають безперервний характер зміни властивостей. Растрове зображення складається з окремих елементарних комірок, кожна з яких характеризується певним значенням. Цей спосіб представлення даних широко використовується для аерокосмічних знімків.

Таким чином, основним класом даних геоінформаційних систем (ГІС) є координатні дані, які містять геометричну інформацію й відображають просторовий аспект. Основні типи координатних даних: точка (вузли, вершини), лінія (незамкнута), контур (замкнута лінія), полігон (ареал, район). На практиці для побудови реальних об’єктів використовують більшу кількість даних (наприклад, висячий вузол, псевдовузол, нормальний вузол, покриття, шар та ін.). На рис. 4.2 показані основні з розглянутих елементів координатних даних.

Рис. 4.2 - Основні елементи координатних (а) і векторних (б) даних

Розглянуті типи даних мають велике число різноманітних зв’язків, які можна умовно поділити на три групи:

¨взаємозв’язки для побудови складних об’єктів із простих елементів;

¨взаємозв’язки, що обчислюються за координатами об’єктів;

¨взаємозв’язки, котрі визначаються за допомогою спеціального опису й семантики при вводі даних.

Основою візуального представлення даних при використанні ГІС-технологій є графічне середовище, основу якого становлять векторні й растрові (коміркові) моделі.

Векторні моделі ґрунтуються на представленні геометричної інформації за допомогою векторів, які займають частину простору, що потребує меншого обсягу пам’яті при реалізації. Векторні моделі використовуються в транспортних, комунальних, маркетингових додатках ГІС.

У растрових моделях об’єкт (територія) відображається в просторові комірки, що утворюють регулярну сітку. Кожній комірці растрової моделі відповідає однакова за розмірами, але різна за характеристиками (колір, щільність) ділянка поверхні. Комірка моделі характеризується одним значенням, яке є середньою характеристикою ділянки поверхні. Ця процедура називається пікселізацією. Растрові моделі поділяються на регулярні, нерегулярні й вкладені (рекурсивні або ієрархічні) мозаїки. Плоскі регулярні мозаїки бувають трьох типів: квадрат (рис. 4.3), трикутник (рис. 4.4) і шестикутник.

Рис. 4.3 - Регулярна прямокутна решітка (мозаїка - квадрат)

Рис. 4.4 - Регулярна трикутна решітка (мозаїка - трикутник)

Квадратна форма зручна при обробці великих обсягів інформації, трикутна - для створення сферичних поверхонь. В якості нерегулярних мозаїк використовують трикутні сітки неправильної форми (Triangulated Irregular Network) і полігони Тіссена (рис. 4.5). Вони зручні для створення цифрових моделей позначок місцевості за заданим набором точок.

Рис. 4.5 - Полігони Тіссена

Отже, векторна модель містить інформацію про місце розташування об’єкта, а растрова - про те, що розташовано в тій або іншій точці об’єкта.

Основною галуззю використання растрових моделей є обробка аерокосмічних знімків.

У ГІС карти, подані в електронному вигляді, називаються цифровими. Процес перетворення просторової інформації з паперових карт на електронний вигляд називається відцифруванням. Він автоматизується за допомогою сканерів і дигітайзерів. Цифрові карти масштабів 1:10000, 1:2000, 1:500 використовуються для планів міст, промислових і видобувних підприємств; масштабів 1:1000000, 1:500000, 1:250000, 1:100000 - для зображення території держави і регіонів. Похідні масштаби карт застосовуються для розв’язання певних завдань на окремих ділянках територій.

Цифрова карта може бути організована у вигляді безлічі шарів (покриттів або карт підкладок). Шари в ГІС становлять набір цифрових картографічних моделей, побудованих на основі об’єднання (типізації) просторових об’єктів, котрі мають загальні функціональні ознаки. Сукупність шарів утворює інтегровану основу графічної частини ГІС. Приклад шарів інтегрованої ГІС представлений на рис. 4.6.

Рис. 4.6 - Приклад шарів інтегрованої ГІС

Важливим моментом при проектуванні ГІС є розмірність моделі. Застосовують двомірні моделі координат (2D) і тривимірні (ЗD). Двомірні моделі використовуються при побудові карт, а тривимірні - при моделюванні геологічних процесів, проектуванні інженерних споруд (гребель, водоймищ, кар’єрів та ін.), моделюванні потоків газів і рідин.

Більшість сучасних ГІС здійснює комплексну обробку інформації:

- збір первинних даних;

- нагромадження й зберігання інформації;

- різні види моделювання (семантичне, імітаційне, геометричне, евристичне);

- автоматизоване проектування;

- документаційне забезпечення.

Управління даними - це введення інформації після попередньої обробки в базу даних, поновлення, вилучення даних та їх пошук. Залежно від типів і форматів даних, програмного забезпечення ГІС, а також її проблемної орієнтації можуть використовуватися різні способи організації зберігання, розподілу та доступу до даних. В основі роботи ГІС лежить система управління базами даних. Сучасні СУБД ізолюють користувача від деталей організації баз даних, забезпечуючи йому максимально просте і зручне спілкування з ГІС.

Базою даних у ГІС називають сукупність просторових і семантичних (змістовних) даних, що організовані згідно із загальними принципами опису, зберігання і маніпулювання даними, незалежно від тематичного спрямування прикладних програм. Під системою управління базами даних розуміють комплекс програмних засобів, призначених для створення, ведення і використання баз даних. Використання СУБД є необхідною умовою забезпечення зберігання, структурування та керування великими обсягами інформації. У процесі керування даними ГІС інтегрує просторові дані з іншими типами і джерелами даних, а також може використовувати СУБД інших організацій (міжвідомче співробітництво).

Географічна інформаційна система зберігає інформацію (цифрові карти) про навколишнє середовище, що відповідають набору тематичних шарів, об’єднаних на основі географічною положення. Шари можна уявити як "прозорки", що накладаються одна на одну. Кожен шар містить різні об’єкти карти. Наприклад, один шар містить гідрографічну мережу, другий - символи населених пунктів, третій - лісові масиви, четвертий мережу доріг або трубопроводів, п’ятий - джерела забруднення тощо. Користувач ГІС має можливість працювати з окремим шаром, або, накладаючи шари один на одного, створити комплексну карту і працювати з нею.

Бази даних ГІС містять екологічні показники, дані їх територіальної і часової прив’язки, джерела отримання їх та ін. Ці бази структурно складаються з блоків, що акумулюють інформацію, згруповану за певними напрямами: геолого-геоморфологічний, ґрунтовий, гідрологічний, біологічний, кліматичний, економічний, соціальний тощо. Такі набори даних дають змогу виконувати інтегральну оцінку стану навколишнього середовища і отримувати характеристику комплексного антропогенного впливу.

Маніпулювання та аналіз - це обробка змісту бази даних за допомогою аналітичних операцій. На цьому етапі відбувається безпосередня робота зі змістом бази даних для отримання нової інформації. Найпотужнішою складовою ГІС є модуль аналізу даних. Сучасні ГІС характеризуються широким спектром аналітичних і моделювальних функцій, які можна поділити на такі класи:

• операції з перереструктуризації даних;

• зміна систем координат та трансформація проекцій;

• операції обчислювальної геометрії;

• оверлейні операції (створення композицій із кількох тематичних шарів даних);

• загальні аналітичні функції;

• графоаналітичні процедури;

• моделювальні процедури.

Географічна інформаційна система володіє розвиненою системою запитів, яка надає можливість користувачу отримувати відповіді на різні запитання. Крім того, ГІС скорочує час на отримання запитань, допомагає встановити зв’язки між різними параметрами (наприклад, ґрунтами, кліматом і врожайністю сільськогосподарських культур), обсягами промислового виробництва на певній території і ступенем забруднення атмосфери, водних об’єктів, ґрунтів тощо.

За допомогою запитів користувач ГІС може отримувати відповіді, наприклад, на такі запитання: який обсяг скиду призвів до забруднення? на якій відстані один віл одного перебувають об’єкти? який тип ґрунтів переважає на земельній ділянці? який ступінь хімічного, радіоактивного чи іншою забруднення на даній території? тощо. Запитання можуть бути і більш складні.

Екологи на автоматизованому робочому місці на основі просторово прив’язаної інформації можуть вирішувати завдання різного спектру:

1) аналіз зміни навколишнього середовища під впливом природних і техногенних факторів;

2) раціональне використання й охорона водних, земельних, атмосферних, мінеральних й енергетичних ресурсів;

3) зниження збитку й запобігання техногенних катастроф;

4) забезпечення безпечного проживання людей, охорона їхнього здоров’я.