ПРОЕКТ "ИНТЕГРАЦИЯ"
http://tbs.dcn-asu.ru/ipl/



ПЕРВАЯ  ГЛАВА

Бучнев А.А., Калантаев П.А., Ким П.А., Пяткин В.П.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРИКЛАДНЫХ ДИСТАНЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
ПРЕДИСЛОВИЕ
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ГИС
1.1. Общее понятие о ГИС
1.2. Основные компоненты ГИС
1.3. Историческая справка
1.4. Классификация и примеры ГИС

         Список литературы

 ПРЕДИСЛОВИЕ.

 Геоинформационная система (ГИС) любого уровня в общем случае представляет собой унифицированный набор следующих функциональных компонент: подсистема сбора данных; база данных (БД); подсистема представления, генерации и обработки картографических данных;  подсистема анализа данных и пользовательский интерфейс. В соответствии с таким представлением ГИС собственно и построена эта книга. Каждая глава, за исключением первой и последней глав, посвящена одной из названных выше компонент. Первая глава является вводной, в ней определены основные понятия ГИС, представлены история развития, классификация и примеры ГИС. Отметим, что при описании примеров существующих ГИС, там где это возможно, приводятся адреса домашних Web-страниц соответствующих фирм-производителей продуктов ГИС и у читателей появляется уникальная возможность через сеть ИНТЕРНЕТ ознакомиться с последними достижениями в области ГИС этих фирм.
         Сбор и  предварительная обработка данных, представляющих собой  комбинирование первичных методов сбора информации, таких как геодезические измерения и фотограмметрия, и вторичных, таких как ручная и автоматическая оцифровка ранее подготовленных материалов, - это, по-существу, определяющий шаг к разумному использованию технологии ГИС. По современным оценкам, выполненным специалистами в области ГИС-технологий, затраты на создание базы данных (ввод данных) при реализации ГИС-проектов в 5-10 раз превышает затраты на аппаратно-программное обеспечение ГИС. Поэтому особое значение приобретает дальнейшее развитие автоматизированных методов ввода графических и текстовых данных в рамках ГИС, а также использование новых технологий сбора данных, например, GPS (Global Positioning System) - технологии, созданной на основе космических систем глобальной навигации ГЛОНАСС (РОССИЯ) и NAVSTAR (USA). Эта технология предназначена для сбора высокоточной цифровой информации о местности, фактически топографических данных: географических координат и отметки высоты рельефа в данной точке местности, при этом точность измерений достигает нескольких сантиметров. Подсистеме сбора данных ГИС посвящена вторая глава книги.
 База данных (БД)  в немалой степени определяет эффективность работы ГИС и богатство ее функциональных возможностей. Форматы данных ГИС, реализуемые  программным обеспечением экспорта-импорта, обеспечивают транспортабельность (мобильность) ГИС-продукции.  Для хранения атрибутивной (непространственной) информации в большинстве ГИС применяются технологии традиционных БД. В ряде важных приложений ГИС, моделирующих поведение объектов реального мира, в настоящее время применяется объектно-ориентированный подход к проектированию баз данных. Такой подход позволяет строить иерархические отношения между объектами, строить системы соподчиненных классов объектов, включая методы работы с объектами. Эти и другие аспекты организации информационного обеспечения ГИС обсуждаются в главе 3.
        Система цифрового картографирования (СЦК), описанная в главе 4, в качестве подсистемы ГИС должна обеспечивать комфортную среду как для разработчиков основных компонент ГИС, так и для пользователей. Характерной особенностью ГИС-технологии является обработка пространственно-временных данных. Отсюда важная  роль  картографических  материалов  и  цифровых изображений  как источников данных при создании геоинформационных фондов, а также подсистемы картографического отображения ГИС, исполняющей функции  ввода,  редактирования , оперативного просмотра и интерактивных измерений цифровых карт и  изображений.   Важной  здесь  представляется технология  совмещения  растрового и векторного форматов представления данных.     Назначeниe СЦК  - комплeксноe созданиe и рeдактированиe цифровых карт,  элeмeнтов их информационного обeспeчeния (систeмы условных знаков и  классификатора  информации)  с цeлью  получeния и обновлeния картографичeских данных и создания модeлeй гeоинформационных процeссов.
Объектно-ориентированный подход к проектированию программных систем  наиболее полно воплощает современные концепции разработки программного обеспечения: использование абстрактных типов данных, инкапсуляция, наследование, полиморфизм. Среди языков объектно-ориентированного программирования наиболее распространенным является язык С++. Для него известны две системы программирования на персональных компьютерах под управлением ОС Windows-95: Borland C++ и Visual C++ с библиотеками  классов OWL  (Object Windows Library) и MFC (Microsoft Foundation Classes) соответственно. Упомянутые  библиотеки классов являются средством для достаточно быстрого создания оконного интерфейса пользователя с управляемой событиями операционной системой, так как фактически  классы библиотек, реализующие этот интерфейс, покрывают собой детальный механизм по работе с окнами,  который содержится  в функциях API ОС Windows-95 . При разработке программного комплекса по обработке аэрокосмических изображений, по нашему мнению, предпочтительнее среда Microsoft Visual C++ версии 5.0 с библиотекой классов MFC. Проблемам создания пользовательского интерфейса и подсистемы анализа ГИС посвящена пятая глава книги.
Перспективные информационные технологии в прикладных дистанционных исследованиях Земли из космоса в ближайшие годы будут безусловно связаны с сетевыми ГИС-технологиями, ориентированными на решение задач пользователей, использующих автоматизированную обработку аэрокосмических изображений. Это подтверждается и анализом перспективных космических проектов дистанционного зондирования Земли, например, проекта EOS (Earth Observing System: Система Наблюдения Земли). При этом исключительную роль будет играть, по-видимому, глобальная информационная сеть ИНТЕРНЕТ, обеспечивающая доступ к международным архивам данных и другим глобальным сетям. Вот почему в книгу включены специальные главы , посвященные ГИС-технологиям в прикладных дистанционных исследованиях Земли из космоса (глава6) и сетевым ГИС- и WEB-технологиям (глава7).
     Несколько слов об инструментарии, который был использован при написании электронного варианта учебника. Все главы представлены в виде Web-документов, написанных на языке разметки гипертекста (HTML) . Выбор этого простого в использовании языка для написания электронной версии учебника обусловлен тем, что именно этот язык используется  для проектирования БД сетевых ГИС и  ориентирован на создание гипертекстовых документов, легко переносимых с одной платформы на другую. В языке HTML имеются богатые возможности для представления Web-документа: вложенные элементы текстового уровня, организация WEB-документа фреймами , когда Web-страницы разбиваются на множественные скроллируемые подокна, которые могут быть связаны друг с другом с помощью ссылок. Кроме того имеется возможность вставки в WEB-документ растровых изображений, используя элементы языка IMG, а также строить интерактивные карты с использованием  элементов языка MAP.  Для создания и оформления электронной версии учебника использованы следующие инструментальные программы: обозреватель Microsoft Internet Explorer 4.0 с собственным  редактором Web - страниц на языке HTML, включающим элементы управления ActiveX, приложения Java , сценарии VBScript, JavaScript и "динамические объекты", такие как управление формами, навигационные панели и другие ; редактор GIF Construction SET для создания и  редактирования сложных  изображений - иллюстраций учебника с элементами анимации; редактор гипертекстовых карт Map This, для кодирования  границ объектов  изображений, имеющих  ссылки на гипертекст,    и ряд других программ.   В  электронной версии учебника широко использованы ссылки на отечественные и иностранные WWW-ресурсы, представляющие ГИС-технологии . Более подробную информацию о содержании учебника, а также краткие сведения об авторах можно найти на Web странице по адресу ИНТЕРНЕТ  http://labtech.sscc.ru/~kpa/ WEBLAB/OUBOOK/book.htm. Работа выполнена в рамках проекта 2.1-252 Федеральной целевой программы  "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы" (ФЦП "ИНТЕГРАЦИЯ").
Эта книга может быть использована во многих случаях людьми, имеющими различную подготовку и цели. Уровень представленного материала предполагает только общую научную подготовку, и таким образом книга может быть использована и как учебное пособие студентами и аспирантами соответствующих специальностей, и как справочное пособие для специалистов, которым по роду их деятельности необходимо понять и оценить пригодность в их работе новых современных ГИС и ГИС - технологий.
Поскольку первоначальный вариант книги готовился в электронной версии для сети ИНТЕРНЕТ, в книге приводятся многочисленные сетевые (URL) адреса различных фирм и государственных организаций, имеющих специализированные Web-страницы, посвященные ГИС и ГИС-технологиям. Этот справочный материал представляет особую ценность для тех читателей, которые имеют возможность выхода в сеть ИНТЕРНЕТ и работы в ней. Библиография по доступной литературе, помещенная в конце каждой главы, поможет читателю, желающему продолжить и углубить свое обучение.
В заключение о персональном вкладе авторов. Предисловие, главы 1,6 и частично 7, а также заключение написаны В.П.Пяткиным. Вторая глава написана П.А.Кимом, а пятая глава - А.А.Бучневым. Главы 3,4 и частично 7 написаны П.А.Калантаевым. Это разделение несколько условно и не снимает общей ответственности авторов за содержание всей монографии в целом.
Авторы отдают себе отчет, что книга не свободна от недостатков и неточностей, и поэтому с признательностью примут все предложения и замечания и просят направлять их по адресу:
                                  РОССИЯ
                            630090,Новосибирск
                          проспект Лаврентьева 6
                         Телефон:(+7-3832)342-332
                           Факс:(+7-3832)324-259
                           E-mail: pvp@ooi.sscc.ru
Авторы выражают искреннюю признательность редактору книги д.т.н., профессору Н.М.Оскорбину.

Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ГИС.

 Развитие информационных технологий на базе вычислительной техники , создание автоматизированных , высокопроизводительных рабочих станций, банков данных и баз знаний, а также вычислительных сетей привело к появлению нового направления в информатике - геоинформатики, в основе которой лежат геинфрмационные системы(ГИС) и геоинформационные технологии. В настоящее время существуют (функционируют) сотни ГИС различного уровня. Как показал анализ возможностей ГИС-технологий и основных приоритетных направлений природно-ресурсной тематики, геоинформационную систему общегосударственного и регионального уровней целесообразно ориентировать на решение задач в следующих основных проблемных областях:
1.  Оценка состояния природных ресурсов региона и планирование процессов их рационального использования.
2.  Оценка и прогнозирование экологического состояния региона.
3.  Оценка эффективности и прогноз хозяйственного использования территории региона.
4.  Выработка рекомендаций по обеспечению функций управления регионом.
 Следует отметить, что эти проблемные области являются также доминирующими для региональных прикладных дистанционных исследований Земли из космоса. Отсюда важность ГИС и ГИС-технологий для перспективных инфомационных технологий в прикладных дистанционных исследованиях Земли из космоса.

1.1.  Общее понятие о ГИС.

Что же это такое - ГеоИнформационные Системы(ГИС)?
Начнем с определения автоматизированной информационной системы обработки данных ( системы электронной обработки данных). Автоматизированная информационная система обработки данных - это система, выполняющая процедуры обработки данных для получения информации, полезной для принятия решений. Информационная система в элементарной  форме  это  система  вопросов-ответов для множества данных, которая  включает  в  себя  последовательность  операций: получение данных , их анализ и использование для принятия решений Следовательно, систему электронной обработки данных можно представить как четырехкомпонентную модель (см. рис.1), включающую пользовательский интерфейс и подсистемы ввода, вывода и анализа данных.
 
 
 
 
                                                    рис.1
 
     Все эти компоненты представляют аппаратное и программное обеспечение обработки данных. Классическими примерами автоматизированных информационных систем обработки данных являются: информационные системы управления фирмой или предприятием; банковские  информационные  системы; библиотечные  информационные  системы; автоматизированные системы управления полетами в авиации; автоматизированные системы обработки аэрокосмических изображений и другие информационные системы, обслуживающие  государственные  учреждения  и частные фирмы.
Дадим следующие определения системы.
ГИС - это автоматизированная информационная система, предназначенная
для картографирования  и анализа объектов (естественных и искусственных), которые существуют, и событий (явлений), которые происходят на Земле.
Отсюда приставка "гео"  ( в переводе с греческого - "земля") в названии системы.
Итак, основное отличие ГИС от других информационных систем состоит в том ,
что ГИС имеет дело с пространственно-временными, географически координированными данными. Географически координированные данные - это данные, привязанные к картографической основе, к карте местности, то есть
данные, имеющие либо географические координаты (широту и долготу), либо прямоугольные координаты (X,Y,Z), либо почтовые адреса (почтовые индексы,
коды), идентифицирующие местоположение на карте. Таким образом, связующим звеном информации в ГИС является география, вот почему широко распространено другое название геинформационных систем - географические информационные системы.  Хотя и можно себе представить проектирование специализированных
ГИС, ориентированных на решение узких географических задач, и назвать их географическими информационными системами, для авторов данной книги оба названия системы - синонимы.

  1.2.Основные компоненты ГИС.

 Для представления ГИС можно использовать различные модели, определяющие ее составные части. Разумеется для этого можно использовать четырехкомпонентную модель автоматизированной информационной системы обработки данных
(см. рис.1). С точки зрения информатики можно предложить другую модель,
когда любая информационная система , в том числе и ГИС, состоит из следующих основных компонент: аппаратное обеспечение (весь комплекс технических средств -процессоры, периферия и другие); программное обеспечение ( методы и средства , обеспечивающие функции хранения, анализа и представления данных); данные (качественные и количественные характеристики исследуемого объекта или явления)
и пользователь. На основе этой модели строятся разделы большинства учебников по ГИС. Здесь хотелось бы отметить относительную недолговечность первых двух компонент системы. По оценкам специалистов в области информатики срок жизни (смена поколений) основных компонент информационной системы : аппаратное обеспечение - от 3 до 5 лет; программное обеспечение - от 7 до 15 лет; данные от 25
до 70 ( и более) лет; пользователь (человек) - от 50 (средний уровень активной
жизни человека) до 300 лет (биологический предел жизни человека, установленный биологами). Таким образом, при такой модели разделы учебника, посвященные первым двум компонентам ГИС, придется довольно часто переписывать заново. Нам кажется, что здесь можно было бы ограничиться декларативным утверждением, что весь арсенал современных достижений в области аппаратно-программного обеспечения автоматизированных информационных систем обработки данных  практически используется и в ГИС. Нам представляется, что нет необходимости подробно останавливаться на аппаратном обеспечении ГИС  или на подсистеме вывода ГИС. Для последней , кстати, важным элементом является представление картографических данных в качестве выходного или промежуточного продукта ГИС, и поэтому имеет смысл подробнее остановиться на этой функциональной компоненте ГИС, а не погружаться в тонкости аппаратно-программного обеспечения подсистемы вывода ГИС. Отсюда, с точки зрения авторов ,вероятно, предпочтительнее модель ГИС ,
в основу которой пожен функциональный принцип , когда выделяются компоненты ГИС, играющие ключевую роль в функционировании ГИС. В этом смысле  ГИС
любого уровня в системе представляет собой  набор следующих функциональных компонент: подсистема сбора данных; подсистема базы данных(БД), включающая систему управления базой данных (СУБД); подсистема представления, генерации
и обработки картографических данных; пользовательский интерфейс и подсистема анализа данных (рис.2).

                                                              Рис.2

 В соответствии с таким представлением ГИС собственно и построен данный учебник. Каждая глава, за исключением первой и последней , посвящена одной из названных выше компонент. Дадим краткую характеристику каждой из основных компонент
ГИС. Начнем с подсистемы сбора данных. По оценкам специалистов в области геинформационных технологий затраты на сбор и ввод данных при реализации ГИС-проектов в 5-10 раз превышают затраты на аппаратно-программное обеспечение ГИС. Это объясняется тем, что существующие в настоящее время технологии автоматизированного ввода графических и текстовых данных обеспечивают ввод порядка 20% общего объема данных. Поэтому особое значение приобретает дальнейшее развитие автоматизированных методов сбора и ввода всех типов данных
в рамках ГИС. Основная функциональная задача этой подсистемы - создание целостного информационного цифрового образа исследуемого объекта или явления
в пространственных границах. Большие потенциальные возможности для сбора данных в ГИС открывает GPS (Global Positioning System) - технология, созданная на основе космических систем глобальной навигации ГЛОНАСС (РОССИЯ) и NAVSTAR (USA). Эта технология предназначена для сбора высокоточной цифровой информации о местности, фактически топографических данных: географических координат и отметки высоты рельефа в данной точке местности, при этом точность измерений достигает нескольких сантиметров. Для обеспечения возможности импорта цифровых данных
от различных источников подсистема сбора и ввода данных ГИС должна иметь программные средства разработки интерфейсов для ввода данных различных форматов. Вообще создание норм по стандартизации и унификации форматов данных, цифровых моделей местности, картографических документов, интерфейсов имеет решающее значение для успешной реализации подсистемы сбора данных ГИС.
     Подсистема базы данных (БД), включающая систему управления базой данных(СУБД), - одна из основных компонент ГИС, в значительной степени определяющая эффективность работы ГИС. СУБД ГИС осуществляет автоматический поиск в БД информации, необходимой для обработки пользовательских запросов. Возможности СУБД, а также структура БД и объем содержащейся в ней информации фактически определяет уровень сложности пользовательских запросов, которые система может обработать. Большинство современных ГИС имеет две отдельных СУБД для графических и семантических данных. При этом  в качестве СУБД семантических данных используется одна из широко распространенных СУБД реляционного типа (Oracle, Ingres, FoxBase, FoxPro, PARADOX и другие). Выбранная СУБД семантических данных должна иметь интерфейс с СУБД графических (картографических ) данных, которая должна обеспечить: хранение и манипулирование такими графическими объектами, как точечные, линейные и площадные; многоуровневое (послойное) представление графических данных; произвольную выборку и отображение любых фрагментов графических изображений. Такой подход к реализации подсистемы БД ГИС имеет ряд недостатков:

            Указанные недостатки можно устранить путем применения объектно-ориентированного подхода при проектировании подсистемы БД ГИС.
В объектно-ориентированной БД каждый объект содержит некоторую структурированную описательную информацию в произвольном формате и
описание методов и правил , определяющих как эта информация может быть использована. Важно отметить, что при таком подходе возможно манипулирование различными типами данных; - реляционными таблицами, текстом, графикой и изображениями.
         Характерной особенностью ГИС-технологии является обработка пространственно-временных, географически координированных данных. Отсюда важная  роль  картографических  материалов  и  цифровых изображений  как источников данных при создании геоинформационных фондов ГИС , а также подсистемы представления , генерации и обработки картографических данных.
Ядром этой подситстемы является Система цифрового картографирования (СЦК) , исполняющая функции ввода,  редактирования оперативного просмотра и интерактивных измерений цифровых карт и  изображений. СЦК должна обеспечивать комфортную среду как для разработчиков основных компонент ГИС, так и для пользователей. Важной  здесь  представляется технология  совмещения  растрового
и векторного форматов представления данных.     Назначeниe СЦК  -комплeксноe созданиe и рeдактированиe цифровых карт,  элeмeнтов их информационного обeспeчeния (систeмы условных знаков и  классификатора  информации)
с цeлью  получeния и обновлeния картографичeских данных и создания модeлeй гeоинформационных процeссов.
         Пользовательский интерфейс, как подсистема ГИС, должен отвечать
требованиям физического и психологического комфорта пользователя, быть эффективным, быстродействующим, обладать возможностями адаптации под конкретного пользователя, сочетать возможности интерактивного ввода, текстовых
и графических меню. Пользовательский интерфейс должен обеспечить многооконное отображение графических данных с возможностью открывать неограниченное количество окон, связывать с окнами как различные изображения, так и фрагменты одного и того же изображения , представленных в разных масштабах. Эффективность
и быстродействие пользовательского интерфейса должны обеспечиваться за счет максимального использования возможностей, предоставляемых аппаратным обеспечением (пространственное и цветовое разрешение графических адаптеров, графические сопроцессоры) и системным программным обеспечением (многооконные графические среды, интегрированные оболочки программирования). Разумеется пользовательский интерфейс должен иметь доступ к встроенной и развитой системе помощи (HELP - системе).
     К средствам  подсистемы анализа  ГИС  (отработки  запросов пользователя) относятся различные процедуры обработки данных, манипулирования пространственными  и  семантическими  данными,   выполняемые   при отработке пользовательских запросов. К таким средствам  относятся, например,  операции  наложения  графических   контуров,   средства анализа сетевых структур, выделение объектов по заданным признакам, метлды и алгоритмы статистического анализа данных, обработка  аэрокосмических изображений  и  т.п.    ГИС  должна обладать большим набором средств анализа пространственных  данных, возможностью их расширения и дополнения, возможностью полного  или частичного их использования при решении конкретной задачи в рамках ГИС-технологии. Для решения  специфических  для  геоинформационной  технологии  задач, система должна обладать также  возможностью  создания  программных интерфейсов с другими системами и программными пакетами, например, системами    автоматизированного проектирования     (AutoCad), программными  пакетами  разработки  экспертных  систем  (Nexpert), пакетами обработки изображений (PCI, Corel Graphics) и т.п.  Многие современные ГИС включают различные пакеты анализа данных. Так  ГИС IDRISI  включает достаточно богатые пакеты прикладных программ  для
анализа  географических  данных и создания   тематических   карт, обработки изображений и статистического анализа данных.

 1.3. Историческая справка.
В стадии оформления.

   1.4. Классификация и примеры ГИС
В стадии оформления.

  Список литературы

1. Геоинформационные системы : обзорная информация. Серия: геодезия, аэросъемка, картография. - М., ЦНИИГАиК, 1992, -52с.
2. Кошкарев А.В., Каракин В.П. Региональные геоинформационные системы. -М., Недра, 1987, -126с.
3. Коновалова Н.В., Капралов Е.Г. Введение в ГИС. Учебное пособие. - М., ООО "Библион", 1997, -160с.
4. Лисицкий Д.В. Основные принципы цифрового картографирования местности. - М., Недра, 1988, -261с.
5. DeMers M. Fundamentals of Geographic Information Systems. - Join Wiley & Sons, 1996, -320 pp.
6. Bernhardsen T. Geographic Information Systems. - Join Wiley & Sons, 1992, -318 pp.


АВТОРЫ* ОГЛАВЛЕНИЕ*ДОМ* ГЛАВА 2*ГЛАВА 3* ГЛАВА 4*ГЛАВА5* ГЛАВА 6* ГЛАВА 7

(C) 1998 Институт Вычислительной Математики и Математической
Геофизики СО РАН