Геоинформационные системы. 
Теория транспортных процессов и систем

Геоинформациотшя система (ГИС) — это совокупность технических, программных и информационных средств, обеспечивающих ввод, хранение, обработку, математико-картографическое моделирование и динамическое представление пространственных и соотнесенных с ними атрибутивных данных.

В соответствии с приведенным определением ГИС имеют следующие подсистемы:

• 1) подсистему сбора данных, которая собирает и проводит предварительную обработку данных из различных источников. Эта подсистема также в основном отвечает за преобразования различных типов пространственных данных (например, от изолиний топографической карты к модели рельефа ГИС);
• 2) подсистему хранения и выборки данных, организующую пространственные данные с целью их выборки, обновления редактирования;
• 3) подсистему манипуляции данными и анализа, которая, выполнив различные задачи на основе этих данных, группирует и разделяет их, устанавливает параметры и ограничения и выполняет моделирующие функции;
• 4) подсистему вывода, которая отображает всю базу данных или часть ес в табличной, диаграммной или картографической форме.

Первая подсистема ГИС может быть соотнесена с первым и вторым шагом процесса картографирования — сбором данных и компиляцией (составлением) карт. Исходная информация берется из таких источников, как аэрофотосъемка, цифровое дистанционное зондирование, геодезические работы, словесные описания и зарисовки, данные статистики и т. д. Использование компьютера и других электронных устройств, например дигитайзера или сканера, позволяет проводить подготовку исходных данных для записи или кодирования точек, линий и областей к их дальнейшему использованию. Кроме того, источниками могут быть готовые цифровые карты, цифровые модели рельефа, цифровые фотоснимки и др.

Вторая подсистема — подсистема хранения и выборки — основана на СУБД. В ГИС подсистема хранения и выборки позволяет делать запросы, возвращающие только нужную, контекстно связанную информацию; она переносит акцент с общей интерпретации информации на формулирование адекватных запросов.

Анализ данных чаще всего является преимуществом человека — пользователя. Подсистема анализа позволяет значительно упростить и облегчить анализ пространственно связанных данных, практически исключить ручной труд и в значительной мере упростить расчеты, выполняемые пользователем. Подсистема анализа во многом определяет эффективность ГИС. ГИС-анализ использует потенциал современных компьютеров — сравнения и описания информации, хранящейся в базах данных, которые дают быстрый доступ к исходным данным и позволяют агрегировать и классифицировать данные для дальнейшего анализа.

После выполнения анализа нужно представить его результаты. В картографии, будь то традиционная бумажная картография или ее цифровой эквивалент — компьютерная картография, выходной продукт в целом тот же — карта. Подсистема вывода позволяет компоновать результирующие данные в любой удобной для пользователя форме: в виде таблиц, диаграмм, графиков и т. п.

Карта является основным языком географии. Следовательно, она является и основным языком компьютеризованной географии. Эта графическая форма представления пространственных данных состоит из различных координатных систем, проекций, наборов символов, методов упрощения и генерализации. Карта является моделью пространственных явлений, абстракцией.

Все реальные объекты отображаются на картах какими-либо условными знаками — примитивами. В ГИС применяют набор базовых геометрических примитивов, из которых создают все остальные, более сложные. Набор базовых примитивов обычно включает точки, линии, полигоны и поверхности.

Точечные объекты — это такие объекты, каждый из которых расположен только в одной точке пространства. Примером таких объектов могут быть деревья, дома, перекрестки дорог и др. О таких объектах говорят, что они дискретные в том смысле, что каждый из них может занимать в любой момент времени только определенную точку пространства. В целях моделирования считают, что у таких объектов нет пространственной протяженности, длины или ширины, но каждый из них может быть обозначен координатами своего местоположения. В действительности все точечные объекты имеют некоторую пространственную протяженность, пусть самую малую, иначе мы просто не смогли бы их увидеть. Принимаем отсутствие длины и ширины так, что, например, при измерениях атмосферного давления, характеризуемых потенциально бесконечным числом точек, сами точки всегда занимают определенные местоположения без каких-либо перекрытий. Масштаб, при котором мы наблюдаем эти объекты, задает рамки, определяющие представление этих объектов как точек. Например, если вы смотрите на дом с расстояния нескольких метров, то сооружение выглядит внушительным и имеет существенные длину и ширину. Но это представление меняется, когда вы начинаете отдаляться: чем дальше, тем меньше дом выглядит как площадный объект, тем больше — как точечный.

Линейные объекты представляются как одномерные в координатном пространстве. Такими «одномерными» объектами могут быть дороги, реки, границы, изгороди, любые другие объекты, у которых один из геометрических параметров существенно больше другого. Масштаб, при котором мы наблюдаем эти объекты, опять же обусловливает порог, при пересечении которого мы можем считать эти объекты не имеющими ширины. Как вы знаете, реки, дороги, изгороди имеют два измерения при близком рассмотрении. Но чем дальше мы от них, тем более тонкими они становятся. Постепенно они становятся такими тонкими, что оказывается возможным представить их себе как линейные объекты. Другие линии, такие как политические границы, вообще не имеют ширины. В действительности эти линии даже не являются материальными сущностями, а возникают как следствие политических соглашений.

Для линейных объектов, в отличие от точечных, мы можем указать пространственный размер простым определением их длины. Кроме того, поскольку они нс занимают единственное местоположение в пространстве, мы должны знать, по меньшей мере, две точки: начальную и конечную-для описания местоположения линейного объекта в пространстве. Чем сложнее линия, тем больше точек нам потребуется для указания точного ее расположения. Опираясь на геометрию, мы можем также определять формы и ориентации линейных объектов.

Линейные объекты могут быть замкнутыми (контуры) или незамкнутыми (линии).

Объекты, рассматриваемые с достаточно близкого расстояния, чтобы иметь и длину и ширину, называются полигонами или площадными объектами. Примеры этих двухмерных объектов включают территории, занимаемые двором, городом или целым континентом. При определении местоположения полигона в пространстве мы обнаруживаем, что его граница является линией, которая начинается и кончается в одной и той же точке. Помимо указания местоположения областей через использование линий, мы можем себе представить теперь три характеристики: как и для линий, мы можем указывать их форму и ориентацию, а теперь еще и величину площади, которую область занимает.

Добавление нового измерения — высоты к площадным объектам, позволяет нам наблюдать и фиксировать поверхности. Хотя мы можем рассматривать дом с близкого расстояния и описывать его в терминах его общей длины и ширины, нам часто нужно знать, сколько в нем этажей. В таком случае нам нужно рассматривать дом не как плоскую область, а как трехмерный объект, имеющий длину, ширину и высоту. Поверхности окружают нас повсюду. Холмы, долины, гряды гор, скалы и множество других образований могут описываться указанием их местоположения, занимаемой площади, ориентации и теперь с добавлением третьего измерения — их высот.

Поверхности состоят из бесконечного числа точек со значениями высот. Мы говорим, что они непрерывны, поскольку эти точки распределены без разрывов по всей поверхности, что показано на рис. 3.39. В действительности, поскольку высота трехмерного объекта меняется от точки к точке, мы можем также измерять величину изменения высоты с перемещением от одного края до другого. Имея такую информацию, мы можем определить объем материала в выбранном образовании. Возможность таких вычислений весьма полезна, когда нам нужно узнать, например, как распределены жители по площади региона.

Рис. 3.39. Непрерывные и дискретные поверхности.

В ГИС каждый примитив или созданный на их основе объект помимо специфических картографических данных содержит информацию, необходимую для решения задач планирования и управления в соответствующей предметной области.

Геопространственные данные — это набор данных, которые индивидуально или в определенной совокупности определяют географическое положение, форму и содержание реальных пространственных объектов. Они содержат четыре интегрированных компонента:

• • местоположение;
• • свойства и характеристики;
• • пространственные отношения;
• • время.

Основным способом определения расположения объектов на местности является задание их координат (широта, долгота и высота над уровнем моря). Поверхность Земли имеет сложную форму. При составлении карт пространственное положение точек отображается в плоскостном представлении, для чего используются различные математические модели поверхности, задающие различные картографические проекции. Процедуры пересчета координат для различных проекций, трансформации картографических проекций относятся к наиболее сложным математическим операциям.

Электронные карты отличаются от бумажных возможностью масштабирования. Масштаб — это отношение длины некоторого отрезка на карте к длине того же отрезка на земле. С уменьшением масштаба на электронной карте отображается более детальная информация и наоборот. Это расширяет круг решаемых задач. Например, можно спланировать маршрут как между городами, так и детально по городским улицам.

Картографические объекты содержат информацию нс только о том, как они располагаются в пространстве, но и о том, чем они являются и насколько важны для нашего рассмотрения. Например, дерево, обозначенное как точечный объект, может быть отнесено к определенному классу на основе таксономической терминологии, т. е. дуб, сосна и т. п. Дополнительная непространственная информация, помогающая нам описывать объекгы, наблюдаемые в пространстве, образует набор атрибутов объектов.

Атрибуты объектов распределяются по категориям, а затем классифицируются. Это делается для того, чтобы можно было сказать, что определенный объект с определенным названием и с некоторыми измеримыми атрибутами существует в определенном месте. Но перед тем как присвоить эти атрибуты объектам, мы должны знать, как их измерять. Иначе мы не сможем сравнивать объекты в одном месте с объектами в другом месте.

Существует устоявшаяся основа для измерения практически всех видов данных, в том числе и географических. Это так называемые шкалы измерения данных, которые простираются от простого именования объектов, до высокоточных измерений, позволяющих нам непосредственно сравнивать качества различных объектов. Используемая шкала измерений будет определяться отчасти типом классификации, отчасти необходимой информацией и отчасти возможностями производить измерения при заданном масштабе наблюдения.

В качестве примера на рис. 3.40 приведены некоторые шкалы измерения данных.

Шкала.	Примеры измерений характеристик объектов.
	Точки.	Линии.	Области.
Номинальная. (наименований).
Порядковая. (ранговая).
Интервалов/. отношений.

Рис. 3.40. Примеры шкал измерения данных

Номинальная шкала разделяет объекты по именам. Эта шкала позволяет говорить о том, как называется объект, но не позволяет делать прямого сравнения объектов.

Если необходимо провести более тонкое сравнение объектов, то следует выбрать более высокую шкалу измерений. Таковой является порядковая шкала, позволяющая проводить качественное сравнение от лучшего к худшему для данного конкретного вопроса. Если необходима более высокая точность в измерениях, то нужно воспользоваться интервальной шкалой измерения, в которой измеряемым величинам приписываются численные значения. Как и при использовании порядковой шкалы, здесь тоже можно сравнивать объекты, но сравнения могут делаться с более точной оценкой различий.

Представление пространственных данных может быть выполнено с помощью растровой или векторной моделей.

Растровая модель использует квантование, или разбиение пространства на множество элементов, каждый из которых представляет малую, но вполне определенную часть земной поверхности. Этот растровый метод может использовать элементы любой подходящей геометрической формы (обычно это квадрат) при условии, что они могут быть соединены для образования сплошной поверхности, представляющей все пространство изучаемой области.

Растровые структуры данных не обеспечивают точной информации о местоположении, поскольку географическое пространство поделено на дискретные ячейки конечного размера. Вместо точных координат точек мы имеем отдельные ячейки растра, в которых эти точки находятся. Линии, т. е. одномерные объекты, изображаются как цепочки соединенных ячеек. Каждая точка линии представляется ячейкой растра, и каждая точка линии должна находиться где-то внутри одной из ячеек растра.

В растровых моделях атрибутивная информация «привязывается» к каждой ячейке.

Векторная модель позволяет задавать точные пространственные координаты явным образом. Здесь подразумевается, что географическое пространство является непрерывным, а нс разделенным на дискретные ячейки. Это достигается приписыванием точкам пары координат (X и У) координатного пространства, линиям — связной последовательности пар координат их вершин, областям — замкнутой последовательности соединенных линий, начальная и конечная точки которой совпадают. Векторная структура данных показывает только геометрию картографических объектов. Каждый объект связан с соответствующими атрибутивными данными, хранящимися в отдельном файле или в базе данных. В векторных структурах данных линия состоит из двух или более пар координат, для одного отрезка достаточно двух пар координат, дающих положение и ориентацию в пространстве. Более сложные линии состоят из некоторого числа отрезков, каждый из которых начинается и заканчивается парой координат. Таким образом, видно, что векторные модели лучше представляют положения объектов в пространстве, они более точные.

Хотя некоторые линии существуют самостоятельно и имеют определенную атрибутивную информацию, другие, более сложные наборы линий, называемые сетями, содержат также дополнительную информацию о пространственных отношениях этих линий. Например, дорожная сеть содержит не только информацию о типе дороги и ей подобную, она показывает также возможное направление движения. Другие коды, связывающие эти отрезки, могут включать информацию об узлах, которые их соединяют. Все эти дополнительные атрибуты должны быть определены по всей сети, чтобы компьютер знал присущие реальности отношения, которые этой сетью моделируются. Такая явная информация о связности и пространственных отношениях называется топологией.

Площадные объекты могут быть представлены в векторной структуре данных аналогично линейным. Соединяя отрезки линии в замкнутую петлю, в которой первая пара координат первого отрезка является одновременно и последней парой координат последнего отрезка, мы создаем область, или полигон. Как с точками и линиями, так и с полигонами связывается файл, содержащий атрибуты этих объектов.

В зависимости от ГИС векторные и растровые модели данных могут в той или иной степени преобразовываться друг в друга, хотя чаще всего преобразование предусматривается только для печати графических данных.

Цифровая карга может быть организована как множество слоев. Слои в ГИС являются типом цифровых картографических моделей, которые построены на основе объединения пространственных объектов или набора данных, имеющих общие свойства или функциональные признаки. Совокупность слоев образует интегрированную основу графической части ГИС (рис. 3.41). Принадлежность объекта или части объекта к слою позволяет использовать общие свойства и выполнять действия сразу со всеми объектами данного слоя.

Рис. 3.41. Пример слоев в ГИС.

Слои могут иметь как векторные, так и растровые форматы. Однако надо учитывать, что большинство ГИС допускает растровый формат только для одного — фонового слоя (подложки).