Главная · Карта сайта · Поиск · Статьи · Компьютерные курсы · Обучающие программы · Открытые проекты · Веб-программирование · Создание интернет-сайта · Полезные ссылки · Глоссарий · Контакты · Декабрь 06 2016 22:50:30
Последнее опубликованное

Что такое Model-View-Controller
Pattern Model-View-Controller

Как создать свой веб-сайт
Как создать свой сайт в интернете

Разное
Статистика

Геоинформационные системы


Общие определения и термины, связанные с ГИС

Геоинформационная система Google Maps

Географические информационные системы или просто геоинформационные системы (ГИС) – это информационные системы управления пространственными данными. Пространственные данные, в свою очередь, это данные, описывающие местоположение объектов в пространстве, чаще всего, в виде двух или трехмерной геометрии. Геоинформационные системы позволяют выполнять с пространственными данными все то же самое, что и любые другие информационные системы со своими данными, а именно: предоставляют возможность их добавлять, удалять, обновлять, осуществлять к ним запросы, просматривать, анализировать и т.д.

Выделяют два основных формата представления пространственных данных: в виде векторной графики и в виде растров:

Растровая графика или растровое изображение это обычно двумерный массив точек, каждая из которых представлена своим цветом. Современные ГИС позволяют работать с растровыми изображениями практически любых форматов от bmp, png и jpeg и до TIFF/GeoTIFF. Используется растровая графика обычно для оформления “подложки” цифровой карты, поверх которой уже отображается векторная геометрия. За примерами далеко ходить не надо: откройте Google Maps или карты Яндекс и там вы увидите огромное количество растров. В виде векторной графики на этих картах представлено совсем немного, а именно граф дорог, границы территорий и некоторые другие объекты. Неоспоримым плюсом растровых изображений на цифровых картах является то, что они позволяют отображать огромное количество пространственной информации при относительно небольших объемах занимаемой памяти. Минусом является то, что качество изображения на растре резко снижается при значительном увеличении масштаба отображения, поэтому для разных масштабов используют растры различного территориального охвата и разрешения, которые сменяют друг друга при увеличении и уменьшении картинки. Как это происходит можно увидеть, работая с теми же Google Maps и картами Яндекс.

Векторная графика – это, собственно, геометрия, представленная в виде наборов координат. Формат представления векторной графики не хранит само изображение - оно формируется “налету“ подсистемой рендеринга (визуализации) ГИС, и поэтому качество картинки всегда высокое, независимо от текущего масштаба. Выделяют следующие виды векторных пространственных данных:

  • Точечная геометрия. Используется в тех случаях, когда на заданном масштабе электронной карты важно лишь местоположение объекта. Обычно точечная геометрия и отображается в виде точки на карте определенного цвета, но некоторые ГИС позволяют заменять эту точку растровым рисунком или векторным символом, например стрелкой, условным обозначением или иконкой. Помимо координат точки, сама точечная геометрия может быть дополнительно параметризирована ориентацией на плоскости или в пространстве, что определяет угол поворота соответствующего символа или иконки на карте. Использовать точечную геометрию могут для визуализации практически любых объектов, за исключением протяженных, поскольку все зависит от масштаба карты.

  • Линейная геометрия. Используется для представления объектов, для которых важно отразить их протяженность (длину) и линейную конфигурацию. К таким объектам относят дороги, реки (на мелких масштабах), участки территориальных границ и прочие подобные объекты. Опять же, на более крупных масштабах те же объекты могут уже изображаться в виде площадной геометрии.

  • Площадная геометрия. Используется тогда, когда важно все: и местоположение и протяженность и площадь. К примеру, участок с домом на мелком масштабе может быть представлен точечной геометрией, а на более крупном уже площадной и линейной. Площадная геометрия – это не только полигоны, но и комплексы, состоящие из линейных фрагментов, дуг различных радиусов, а также, содержащих дыры, представленные другими полигонами.

ГИС и основы информационного моделирования

Векторная и растровая геометрия в ГИС не конкурируют между собой, а выполняют каждая свои функции. Растровая графика используется для оформления графического представления электронной карты. Она помогает ориентироваться пользователю при просмотре и поиске объектов на карте, поскольку местность чаще всего представлена аэрофотоснимками местности. Векторная графика – это средство представления на карте значимых в контексте текущей конфигурации ГИС объектов – тех объектов, данными которых управляет информационная система. Если это карта города, то в виде векторной графики обычно представлены улицы, дома, инженерные сооружения и прочие объекты городской инфраструктуры. Если это инженерные сети, к примеру, сети водоканала или теплосети, то значимыми объектами в данном случае дополнительно являются участки трубопроводов, узловые подстанции, оборудование и т.д.

Сочетание растровой и векторной графики в ГИС

К достоинствам векторной графики, помимо упомянутого выше постоянного качества изображения на любых масштабах, следует отнести возможность выбирать объекты на карте, редактировать их представление с помощью встроенных в ГИС инструментов или выполнять к таким данным пространственные запросы.

Пространственный запрос – это структурированный запрос к пространственным данным, критериями которого являются условия, связанные с координатами векторной геометрии. К примеру, можно запросить все объекты определенного типа, которые находятся внутри заданного контура, пересекают заданную границу или находятся на определенном расстоянии от заданной точки.

С пространственными данными может быть связана также любая неграфическая информация, дополнительно характеризующая тот или иной объект в системе. Более того, любой объект информационной модели в ГИС может быть представлен совокупностью пространственных объектов и наборов, связанных с ними семантических атрибутов, описывающих этот объект точно так же, как если бы он был представлен в любой неграфической системе. Допустим, если ГИС использует для хранения своих данных СУБД, то семантическая часть описания объектов - это записи в таблицах реляционной базы данных. Пример: ГИС управляет данными сетей газопровода. Объект “участок газопровода” в этом случае может быть представлен структурами линейной геометрии для просмотра сети на мелком масштабе карты; площадной геометрии для крупного масштаба и отдельной таблицей для хранения его длины, радиуса, материала и прочих технических характеристик. Довольно часто структурированные запросы к данным под управлением ГИС представляют собой симбиоз традиционных SQL запросов к базе данных и параметров пространственных запросов. К примеру, запрос на выбор всех участков газопровода определенного радиуса на заданной некоторым полигоном территории.

С основными принципами информационного моделирования, которые также справедливы и для ГИС вы можете познакомиться здесь.

Из чего состоит и как работает геоинформационная система

Подсистема работы с хранилищами пространственных данных. Есть ГИС решения, которые в качестве хранилища пространственных данных используют базы данных, взаимодействуя с СУБД. Есть программные продукты, которые данные хранят в файлах собственного формата, а есть те, которые могут работать с различными источниками графической информации. Подсистема работы с хранилищами пространственных данных – это программные компоненты ГИС, ответственные за создание соединений с самими хранилищами и обмена с ними данными, в том числе, по сетевым протоколам.

Геоид и эллипсоид

Модуль управления координатными системами. Координаты, которыми представлены пространственные данные в геоинформационном хранилище могут соответствовать либо прямоугольной (декартовой), либо географической, построенной на основе эллипсоида, системе координат. Если раньше считалось, что земля круглая, то в наше время ее форма описывается довольно сложной фигурой – геоидом. Поверхность геоида совпадает с уровнем вод мирового океана, условного продолженного под материками. Эллипсоид, в свою очередь, это геометрическое место точек, полученное вращением геоида вокруг своей главной оси. Я не являюсь специалистом в геодезии, посему в тонкости построения земных систем координат вдаваться не буду, а продолжу свой рассказ с позиции пользователя ГИС. Система координат может быть также глобальной (на всю территорию земли) или локальной - предназначенной для позиционирования в определенных пределах земной поверхности. Есть локальные географические системы координат, которые для конкретной местности обладают более высокой точностью, чем мировая система координат. Достигается это за счет того, что построены такие системы координат на основе более точного в условиях данной местности локального эллипсоида (в сравнении с глобальным его описанием). Прямоугольные системы координат, по природе своей, все локальные, поскольку лишь на небольших территориях погрешность, связанная с тем, что земля все-таки не плоская, а круглая, не мешает строить относительно точные карты. Начало координат таких систем координат выбирается произвольно, а создаются они для разных целей, в том числе и для того, чтобы иметь представление о взаимном расположении объектов, но исключить в целях безопасности возможность получения их истинных (мировых) координат. Примером локальной системы координат является местная система координат города Москвы, имеющая нулевые координаты в районе главного здания МГУ.

Проекция географической системы координат

Модуль управления координатными системами предназначен для преобразования точек из исходной системы координат хранилища пространственных данных в координаты плоскости, с которыми работает графическое ядро операционной системы, позволяющее выводить изображение на экран, принтер и другие устройства вывода. Данный модуль также ответственен за обратное преобразование: трансформацию координат точки на плоскости в координаты информационного хранилища (мировые или локальные координаты). Обратное преобразование используется в процессе редактирования (оцифровки) геометрии инструментальными средствами ГИС. Чаще всего ГИС имеет дело с системой координат WGS 84 (World Geodetic System), являющейся единой системой координат на всю территорию планеты Земля. Географическая или, как ее еще называют, геоцентрическая система координат, такая как WGS 84, является эллипсоидной системой координат, определяющей координаты объектов относительно центра масс земли. Географические системы координат отличаются друг от друга формой эллипсоида, на котором они базируются. Набор преобразований, которые применяются для трансформации координат географической системы координат в декартову систему координат, называется картографической проекцией. Другими словами, картографическая проекция – это отражение (развертывание) эллипсоида географической системы координат на плоскость. Наиболее широко распространенными проекциями являются проекция UTM (Universal Transverse Mercator) и проекция Гаусса Крюгера (ГК).

Легенда или подсистема настройки графического представления. Любое хранилище пространственных данных представлено набором объектов векторной и растровой графики. В ГИС 2D отдельные объекты пространственных данных часто называют слоями, поскольку изображение, формируемое в окне электронной карты, создается последовательно: подсистема отображения “рисует” по очереди каждый тип объектов. Таким образом, результат формирования изображения – это многослойная двухмерная картинка, где каждый последующий слой нанесен поверх предыдущего. Легенда – это основной инструмент в ГИС, при помощи которого определяется не только порядок вывода объектов на карту (порядок слоев), но и параметры их отображения (цвет, толщина линий, шрифт подписей и т.д.). С помощью легенды отдельные объекты можно включать и исключать из списка отображаемых слоев на карте. Легенда может описывать слои, которые представляют объекты, извлекаемые подсистемой работы с пространственными данными из разных соединений. К примеру, на одной карте объединяются данные топографической карты (местности) из одного источника и данные инженерных сетей (газопровод, теплосеть и т.п.) из другого источника.

Легенда и карта ГИС

Подсистема отображения. Важным параметром настройки графического представления пространственных данных является номинальный масштаб карты. Именно тогда, когда масштаб отображения данных в окне электронной карты ГИС соответствует номинальному масштабу, толщина линий, размер шрифта и прочих параметров соответствует тем, что заданы в легенде, а в условиях другого масштаба, который легко может быть изменен пользователем, толщина линий и размер шрифта будут увеличены или уменьшены соответственно. Таким образом, номинальный масштаб карты – это точка отсчета для подсистемы отображения. По какому принципу подсистема отображения формирует графическое представление пространственных данных, во многом определяется легендой конкретной карты. Рабочее место ГИС может состоять из целого набора электронных карт, каждая из которых представлена своей легендой.

Подсистема редактирования пространственных данных. Это, собственно, тот набор инструментальных пользовательских средств ГИС, которые позволяют редактировать пространственные данные. Нанесение новой или редактирование существующей геометрии обычно сводится к последовательному указанию точек на карте. При выборе этих точек модуль управления координатными системами трансформирует координаты курсора на экране в точки, соответствующие системе координат информационного хранилища. Современные системы графического ввода могут также позволять при указании точек “привязываться” к уже имеющимся данным, например, к углам или серединам отрезков ломаных линий, к точечной геометрии и т.д.

Подсистема анализа пространственных данных. Та самая подсистем, которая позволяет настраивать, выполнять и отображать результаты пространственных запросов. Параметры графического представления результатов пространственных запросов, также определяются средствами легенды.

Подсистема печати. Разновидность подсистемы отображения, предназначенная для вывода фрагментов электронных карт на принтер или плоттер (графопостроитель). К дополнительным функциям подсистемы печати, в сравнении с подсистемой вывода изображения на экран, можно отнести настройку и формирование графического представления на распечатке самой легенды, а также условного обозначения масштаба, компаса, и прочих атрибутов, необходимых для работы с бумажной версией карты.

Подсистема бизнес логики. Любые программные средства, используемые в ходе настройки работы геоинформационной системы для решения конкретной прикладной задачи или группы задач. К таким средствам может относиться и подсистема информационного моделирования предметной области, инфраструктура подключения внешних программных модулей для интеграции с другими информационными системами, и инструментарий написания бизнес сценариев, создаваемых, к примеру, на встроенном в ГИС языке программирования и многое другое. Состав подсистемы бизнес логики у разных программных продуктов этого класса может существенно отличаться, а может вообще отсутствовать, поскольку все зависит от назначения конкретного решения.

Наиболее известные современные ГИС

Наиболее известными представителями программных компонентов ГИС являются продукты трех американских компаний. Это семейство решений Geomedia компании Intergraph, продукты ArcGIS компании ESRI и инструментарий MapInfo компании Pitney Bowes. В России, в силу ряда обстоятельств наиболее популярными являются последние две, хотя Geomedia во многих аспектах является более универсальным и современным продуктом. В частности, Geomedia и Geomedia Professional позволяет пользователю работать с пространственными данными различных форматов непосредственно (в том числе с данными ArcGIS и MapInfo), не прибегая к предварительным процедурам их конвертации и импорта, в то время как решения конкурентов предпочитают работать только со своими форматами данных.

P.S. Примеры проектирования подсистем ГИС на языке C# в контексте изучения объектно-ориентированного подхода в программировании, а именно: классы для работы с векторной графикой, подсистема работы с геоинформационным хранилищем, архитектура сервиса линейных преобразований и некоторые другие рассматриваются на страницах курса программирования C# Quick Guide™.



Компьютерные курсы и курсы программирования
Основы программирования

Курс для начинающих программистов на C# и VB.NET.

SQL 25™

Построение SQL запросов и работа с базой данных.

C# Quick Guide™

Программирование на C#. Краткое руководство.

RegEx

Применение регулярных выражений.

Plug-in архитектура

Примеры программной Plug-in архитектуры.

XML и его расширения

Язык разметки XML и его расширения с примерами.

HTML и разметка гипертекста

Языки HTML, XHTML и CSS с примерами разметки.

Основы веб-дизайна

Основы веб-дизайна: решения типовых задач верстки.

Программирование на PHP

Руководство по программированию на PHP для начинающих.

Справочные материалы

Шаблоны проектирования
Каталог шаблонов проектирования программных компонентов.

Рефакторинг кода
Каталог приемов рефакторинга программного кода.

Гость
Имя

Пароль



Забыли пароль?
Запросите новый здесь
.
Coding Craft. Все права защищены © 2011. Проект Инициативного Народного Фронта Образования - ИНФО-проект.