Геоинформационные системы и современные методы топографических съемок автомобильных и железных дорог

Геоинформационные системы

Геоинформационная система (ГИС) — автоматизированная информационная система, предназначенная для обработки пространственно-временных данных, основой интеграции которых служит геоинформация.

ГИС транспорта — информационно-управляющая автоматизированная система, призванная обеспечивать решение задач инвентаризации, проектирования и управления объектов железнодорожного и автомобильного транспорта.

ГИС можно представить в виде трехуровневой структуры, включающей системный уровень:

• — сбора и первичной обработки информации;
• — моделирования, хранения и обновления информации;
• — представления.

Отличия ГИС от других автоматизированных систем:

• — на уровне сбора информации ГИС включают в себя отсутствующие в автоматизированных системах управления (АСУ) методы сбора пространственно-временных данных, технологии использования спутниковых навигационных систем, технологии реального масштаба времени и др.;
• — на уровне хранения и моделирования ГИС включают в себя технологии пространственного анализа, применение цифровых моделей и видеобаз данных, а также комплексный подход к принятию решений;
• — на уровне представления ГИС дополняют технологии АСУ применением интеллектуальной графики, что делает их более доступными и понятными для работников управления и органов власти.

В технологиях ГИС используются три типа экспертных систем (ЭС):

• — на уровне сбора информации — система автоматизированного распознавания образов при обработке фотоснимков или сканировании картографических изображений;
• — на уровне моделирования — ЭС автоматизированного редактирования картографических данных. Для управления и принятия решений применяются ЭС анализа атрибутивных данных, данных о запросах пользователей и др.;
• — на уровне представления данных — ЭС генерализации картографических изображений.

В качестве базовых моделей данных в ГИС, как и в других автоматизированных системах, применяют инфологические (объектные), иерархические, реляционные и сетевые модели. Особенностью ГИС является наличие большого объема пространственно-временной и графической информации. Местоположение объектов ГИС определяется классом координатных (позиционных) данных. Для определения параметров времени и организации описательной информации используется класс атрибутивных данных.

Источниками данных в ГИС являются:

• — существующие топографо-геодезические и картографические материалы;
• — материалы дистанционного зондирования;
• — данные наземных измерений;
• — атрибутивные данные из предметной области.

Класс координатных данных отражает метрическую информацию ГИС, представленную совокупностью геометрических элементов: точек, линий, контуров и площадей. Основной формой представления координатных данных являются цифровые модели. Для визуализации координатных данных используются графические модели.

Класс атрибутивных данных представляет собой совокупность временных и описательных данных объектов ГИС. Атрибутивные данные чаще всего представляют в табличной форме.

Качество данных в ГИС определяется следующими характеристиками:

• — позиционной точностью;
• — точностью атрибутов;
• — логической непротиворечивостью;
• — полнотой;
• — происхождением.

Основу графической среды и визуализации данных в ГИС составляют векторные и растровые модели. Особенностью организации графических данных в ГИС является поддержка оверлейных структур. Их отличие от систем CAD состоит в том, что слои в ГИС могут быть как векторными, так и растровыми. Векторные слои в ГИС являются объектными, т. е. они несут информацию об объекте, а не об отдельных элементах объекта, как в САПР.

Векторные модели могут быть топологическими (если они поддерживают топологию графики) или нетопологическими.

ГИС могут одновременно поддерживать как растровую, так и векторную формы представления графики. Такие ГИС называют гибридными.

Современные ГИС позволяют выполнять пространственное моделирование объектов и явлений.

При моделировании в ГИС выделяют следующие виды операций с данными:

• — операции преобразования форматов и представлений данных;
• — проекционные преобразования;
• — геометрический анализ данных;
• — оверлейные операции;
• — функционально-моделирующие операции.

Операции преобразования форматов и представлений присутствуют в каждой ГИС и необходимы как средства обмена данными с другими автоматизированными системами.

Тип формата определяется используемым программным обеспечением и технологиями сбора данных. Преобразование форматов осуществляется с помощью программ-конверторов.

Графические данные могут иметь растровое или векторное представление и существенно различаться. Векторное представление имеет бульшие аналитические возможности, чем растровое. Операцияпреобразования растрового изображения в векторное (векторизация) является одной из основных при обработке графических данных в ГИС. В состав любой ГИС входит специальная программа векторизации — графический редактор. Существуют и специальные программы-векторизаторы.

Для определения положения объектов в пространстве существует множество систем координат. Для изображения поверхности земли на плоскости применяют различные математические моделикартографические проекции. Группа математических процедур ГИС, осуществляющих переход от одной системы координат к другой, от пространственной системы координат к картографической проекции илипереход от одной картографической проекции к другой, носит название проекционных преобразований.

Особенностью цифровых карт в ГИС является возможность их организации в виде множества слоев (покрытий или карт-подложек). Сущность оверлейных операций состоит в наложении разноименных слоев с образованием производных объектов и наследованием атрибутов.

Программные средства ГИС позволяют выполнять ряд операций геометрического анализа. Для векторных моделей такими операциями являются определение расстояний, длин кривых, площадей фигур; трансформирование точек объекта и др.

В ГИС используются различные аналитические операции: расчет и построение буферных зон, анализ сетей, генерализация, цифровое моделирование и др. Развитие автоматизированных методов обработки пространственной информации привело к появлению нового направления в моделировании — цифрового моделирования. Основными элементами цифрового моделирования являются: цифровая модель рельефа (ЦМР), цифровая модель местности (ЦММ), цифровая модель объекта (ЦМО).

Цифровые модели широко используются в ГИС, САПР и АСУ.

ЦФС — это автоматизированные компьютерные системы обработки данных дистанционного зондирования, служащие для получения координатных данных, цифровых карт, ЦММ, ЦМР и ЦМО.

Развитие методов цифрового картографирования привело к появлению электронных карт. Они осуществляют динамическую визуализацию цифровых карт с помощью видеомониторов и соответствующего программного интерфейса. Электронные карты могут создаваться и как электронные атласы, и как навигационные системы. Их широко применяют для определения местоположения движущихся транспортных средств (режим реального времени). По существу электронные карты можно отнести к классу специализированных ГИС.

Работа с информацией в ГИС осуществляется комплексом программ под управлением той или иной операционной системы. Обычно ГИС состоит из двух основных частей: графического редактора и системы управления базами данных (СУБД). В любой ГИС осуществляются:

• — ввод и вывод информации;
• — управление графическими и тематическими базами данных, обеспечивающее связь между этими базами для правильной и синхронной работы с объектами. Под управлением понимается создание базопределенной структуры и заполнение их, поиск информации в базах, сортировка, редактирование и пополнение информации, выдача информации по запросам и ряд других операций;
• — визуализация информации, т. е. наглядное представление (отображение) на экране монитора информации, хранящейся в цифровой форме в графических и тематических базах; при этом информация может быть выдана на экран, как в виде картографического изображения, так и в виде таблиц, графиков, диаграмм и т. п., отображающих результаты выполненного анализа информации;
• — работа с картографическим изображением: перемещение его в произвольном направлении; масштабирование; настройка элементов оформления изображения (цвет, тип линий и т. п.); управление окнами на экране; редактирование изображения и т. д.;
• — совместный анализ графической и тематической информации, позволяющий выявлять связи и закономерности между объектами и явлениями, динамику развития тех или иных процессов. Основной целью создания ГИС железнодорожного и автомобильного транспорта является обеспечение всех сфер его деятельности комплексной пространственно-координированной информацией. Мощные инструментальные оболочки ГИС позволяют интегрировать в себя любые базы данных и существующие автоматизированные системы инвентаризации, проектирования и управления. В свою очередь, информация, полученная в результате работы ГИС, с успехом используется в автоматизированных системах инвентаризации (паспортизации), САПР и АСУ.