Лекция 5. Технология моделирования в ГИС

Картография

Управление данными

Управление потоками географических данных критически важно для всех ГИС-приложений. Пользователи ГИС применяют функции геообработки для перемещения данных в и из базы данных, для публикации данных в разных форматах, например профайлах GML (Geographic Markup Language), для объединения сходных наборов данных, модерниза­ции схем баз данных ГИС, а также для выполнения пакетной обработки содержимого баз данных.

Развитые инструменты геообработки используются для получения разномасштабных картографических представлений, выполнения генерализации, автома­тизации большей части рабочих процессов обеспече­ния и контроля качества (QA/QC) при создании кар­тографической продукции типографского качества.

 

 

5.1.Основные виды моделирования

 

 

В ГИС можно выделить четыре основные группы моделирования [14]: семантическое, инвариантное, эвристическое, информационное.

Семантическое моделирование взаимосвязано с задачами кодирования и лингвистического обеспечения, Чем более разнородна входная информация по структуре и содержанию, чем менее она унифицирована, тем больший объем семантического моделирования применяется в подсистеме сбора.

В ГИС доля семантического моделирования велика на уровне сбора информации, что обусловлено большим объемом и разнообразием входной информации, сложностью ее структуры, возможным наличием ошибок.

Инвариантное моделирование основано на работе с полностью или частично унифицированными информационными элементами или структурами. Его эффективность доказана опытом применения прежде всего САПР и других АС. Этот вид моделирования предполагает использование групповых операций, что повышает производительность труда по сравнению с индивидуальным моделированием.

Инвариантность создает предпосылки для применения наборов программно-технологических средств безотносительно к конкретному виду (особенностям) моделируемого объекта. Она предусматривает использование общих свойств моделируемых объектов (свойств типов или классов) независимо от технических средств и специфических характеристик отдельных объектов.

Этот тип моделирования значительно повышает производительность обработки информации, особенно при моделировании (обработке) графических объектов. Однако реализация такого подхода возможна лишь при использовании графических баз данных, неграфических баз данных с возможностью организации векторных файлов и при наличии наборов структурно разделенных графических моделей, нижний уровень ;которых инвариантен (безотносителен) к особенностям модели, а верхний - открыт для записи индивидуальных свойств объекта моделирования.

Другими словами, такое моделирование требует специализированного программного и лингвистического обеспечения, учитывающего ;свойства моделируемых объектов и возможность их структуризации на некие "графические примитивы".

В ГИС этот подход выражается в виде создания некоей основы для графического представления информации (карт) за счет использования специальных библиотек, например библиотек условных знаков и библиотек графических элементов.

Эвристическое моделирование применяется при необходимости экспертных решений, учете дуальных свойств объектов на видеоизображениях и при решении специальных нетиповых задач. В основном оно реализуется при интерактивной обработке.

В технологиях ГИС и САПР эвристическое моделирование осуществляется путем общения пользователя с ЭВМ на основе сценария, учитывающего, с одной стороны, технологические особенности программного обеспечения, с другой - особенности и опыт обработки данной категории объектов.

В ГИС процент эвристического моделирования много выше, чем в САПР. Это повышает актуальность применения экспертных систем в ГИС.

Информационное моделирование связано с созданием и преобразованием разных форм информации, например графической или текстовой в вид, задаваемый пользователем. Оно эффективно только при предварительной разработке интегрированной информационной основы и использовании баз данных.

В современных информационных системах реализация информационного моделирования комплексно осуществляется путем создания подсистемы документационного обеспечения.

Локально проблема информационного моделирования решается средствами программного обеспечения, в частности средствами СУБД. Современные СУБД дополнительно к возможностям хранения и моделирования информации предоставляют разнообразные методы по созданию отчетов, справок и других документов.

Как правило, информационная емкость видеоизображений велика, т.е. избыточна, по отношению к моделям, хранимым на машинных носителях. Информационная емкость фотоснимков на два-три порядка превосходит информационную емкость существующих магнитных носителей. Она уступает только оптическим, биотехнологическим и генетическим носителям информации. Это обусловливает необходимость обязательного решения задач сжатия информации на уровне сбора и первичной обработки информации. С другой стороны, это порождает необходимость создания так называемых видео-баз данных.

Важной характеристикой при создании моделей для любого класса объектов является моделепригодность[14], которая включает две группы показателей. Первая группа показателей моделепригодности характеризует средства описания объекта, вторая определяется такими техническими данными средств моделирования, как вычислительные ресурсы.

Анализ моделепригодности объектов ГИС широкого класса показывает их сложность для создания набора базовых графических элементов. Поэтому наилучшим средством описания таких объектов являются комплексные модели из метрических множеств и множеств семантико-описательной информации.

Как показывает опыт, для эффективной интерактивной обработки реализация одного модельного эксперимента не должна превышать 1 ч, а время одного сеанса работы на компьютере должно быть не более 4 ч.

Методы моделирования в ГИС и САПР имеют достаточно сходных признаков. Однако по значению различных задач на разных этапах обработки они отличаются.

В САПР задачи структуризации и компоновки решают на втором системном уровне (моделирование, хранение и обновление), а в ГИС - на первом (при сборе информации). Причем если в САПР ставятся задачи выбрать и скомпоновать комплексную проектируемую модель, то в системах ГИС - оптимально отобразить структуру исходной модели.

Учитывая сходства и различия между САПР и ГИС, отмечая достаточно широкий класс задач проектирования карт, необходимо выделить проблему геоинформационного проектирования. Она заключается в получении оптимальных проектных решений на основе использования следующих технологий:

· эффективных методов сбора и первичной обработки видеоинформации и вспомогательной информации;

· создания унифицированных информационных моделей, позволяющих эффективно использовать разные виды моделирования;

· устранения нечеткости исходной видеоинформации и ее сжатия для последующего хранения и обработки;

· геометрического моделирования для построения широкого набора цифровых (плоскостных. линейных, объемных и др.) моделей проектируемых объектов;

· Декомпозиции унификации, синтеза для оптимальной обработкиразличных форм видеоинформации

· автоматизированного представления результатов обработки.

· При сопоставлении задач, решаемых в ГИС, с общими задачами, решаемыми типовыми САD отметим, что первые содержат в своем составе общие задачи, но со специфическими отличиями. В частности, трудоемкие работы в типовых САПР ,для ГИС выглядят следующим образом:

· замена натурных испытаний математическим моделированием, использующим избыточную видеоинформацию;

· решение задач компоновки при сборе информации, а не в диалоговом процессе основной обработки;

· автоматизация синтеза решения проектных процедур на основе комплексного использования Различных видов информации;

· формирование и выпуск проектной документации на основе автоматизированных систем документационного обеспечения;

· уменьшение нечеткости информации и повышение контролепригодности моделей зa счет использования более точных автоматизированных фотограмметрических

· проведение избыточных измерений за счет применения аналитических фотограмметрических приборов или сканирующих устройств.

5.2.Методологические основы моделирования в ГИС

С современных позиций ГИС является интегрированной информационной системой что определяет комплексный подход к обработке информации, в частности к методам моделирования.

Комплексность включает в себя процессы автоматизации сбора, обработки, моделирования, унифицированного представления и документационного обеспечения информации.

Концепции моделирования в ГИС базируются на интеграции, которая предусматривает, с одной стороны, переход от автоматизации отдельных частных задач к комплексному решению задач, с другой - интеграцию задач, относящихся к различным этапам жизненного цикла моделируемого объекта(карты), включая проектирование и технологию его производства.

В процессах моделирования реализуется принцип единства информационной модели объекта как системно-организованной сущности на всех этапах процесса моделирования и изготовления карт.

Моделирование в ГИС осуществляется на основе декомпозиции исходных информационных данных с последующим синтезом общего модельного решения.

В процессе синтеза модели используются информационные ресурсы базы данных в условиях диалогового взаимодействия проектировщиков с комплексом средств автоматизации моделирования. Технологии моделирования в ГИС используют следующие принципы:

  • создание и применение единой интегрированной информационной основы (модели);
  • использование комплексного моделирования; интерактивное взаимодействие с цифровой моделью;
  • принятие решений на основе математических моделей и процедур, реализуемых средствами вычислительной техники;
  • обеспечение единства модели на всех этапах и стадиях обработки информации;
  • использование единой информационной базы для автоматизированных процедур синтеза и анализа модели, а также для управления процессом моделирования;
  • проведение многовариантного проектирования и комплексной оценки проекта с использованием методов оптимизации;
  • наличие хорошо развитых информационных ресурсов, которые в ГИС выступают в форме информационных и математических моделей объектов, пакетов прикладных программ, банков данных и организационно-методических материалов;
  • обеспечение максимальной инвариантности организации информационных ресурсов, их слабой зависимости от конкретной области применения, простоты настройки на отраслевую специфику;
  • создание специальной информационно-справочной системы и организация взаимодействия с нею как пользователя, так и специалиста по системной поддержке пакета моделирования.

Анализ работ в области применения и развития ГИС показывает, что практически в каждой работе дается индивидуальный вариант технологического решения автоматизации моделирования. В то же время методы описания информационного и лингвистического обеспечения имеют тенденции к единому формальному описанию, т.е. в большей степени инвариантны к задачам моделирования, чем технологии.

Тем не менее, можно выделить ряд общих для широкою набора ГИС технологических подходов, которые могут быть классифицированы по степени {уровню) их интеграции:

  • процедура — элементарная операция обработки информации;
  • задача — совокупность процедур для получения одного вида проектной продукции;
  • процесс — совокупность задач, обеспечивающих реализацию типового цикла преобразования данных;
  • функция — группы специализированных задач, выполняющих взаимосвязанные работы, в ходе которых выпускается специализированный комплект проектных документов;
  • комплекс работ — совокупность работ, заканчивающихся выпуском комплекта проектных документов;
  • интегрированные работы — выпуск комплекта документов; поддержка и автоматическое обновление базы данных; внесение данных в экспертную систему; выдача наряду с типовым комплектом документации прогнозов, рекомендаций, экспертных оценок проекта; информационный обмен с сетями баз данных и ГИС.

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

Метод имитационного моделирования — один из путей выбора оптимальных решений. Практическое использование этого метода в ГИС обеспечивается системами имитационного моделирования (СИМ).

Для хранения набора типовых моделей и их элементов, хранения информационно-справочной информации необходимо применение специализированных баз данных.

Базы данных могут образовывать распределенную или централизованную систему типа банка данных. Для решения задач обмена информацией между базами данных требуется интегрированная информационная основа.

Для удобства общения пользователя с ЭВМ нужно лингвистическое обеспечение.

При выдаче информации пользователю основным технологическим процессом является графическое моделирование. Методы моделирования графики должны быть инвариантны к структуре графической базы данных и техническим средствам. Элементы алгебраической теории автоматных моделей, синтеза типовых конструктивных моделей упрощают процесс получения сложных графических изображений.

В ряде ГИС возникает необходимость графического моделирования сложных трехмерных объектов. При графическом моделировании объект сложной формы целесообразно представлять в виде совокупности модулей информационной и программной среды,

5.3.Особенности моделирования в ГИС

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

• операции преобразования форматов и представлений данных;

•проекционные преобразования;

•геометрический анализ;

•оверлейные операции;

• функционально - моделирующие операции.

Операции преобразования форматов и представлений данных присутствуют в каждой ГИС, в системах обработки данных дистанционного зондирования и САПР, в силу чего имеют важное значение для ГИС как средство обмена данными с другими системами. 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.