Применение субд в геоинформационных системах

Что такое географические информационные системы?

Географические информационные системы (ГИС) представляют собой компьютерные системы, предназначенные для сбора, анализа и представления географической информации. Они позволяют организовывать и обрабатывать данные о географическом пространстве, связывать их с другими видами информации и визуализировать результаты анализа.

Основной элемент географической информационной системы — это пространственная база данных, которая содержит географические данные, такие как границы стран, города, реки и другие элементы ландшафта. Эти данные представляются в виде карты, которая может быть создана из различных источников, включая аэрофотоснимки, спутниковые изображения и топографические данные.

Другими элементами ГИС являются инструменты для сбора и обработки данных, такие как GPS-приемники и цифровые камеры, а также программное обеспечение для анализа географической информации. С помощью этих инструментов пользователи могут создавать и редактировать карты, выполнять пространственный анализ и моделирование, а также визуализировать результаты и представлять их в виде отчетов и диаграмм.

Принципы работы географических информационных систем основаны на пространственном анализе и моделировании. С помощью ГИС можно анализировать отношения между объектами на карте, определять расстояния и направления, строить поверхности и создавать модели географических явлений. Это позволяет принимать обоснованные и информированные решения в области управления землей, градостроительства, экологии, транспорта и других областей, связанных с географическими данными.

• ГИС позволяют собирать, анализировать и представлять географическую информацию.
• Основной элемент ГИС – пространственная база данных.
• Другие элементы ГИС включают инструменты для сбора и обработки данных, а также программное обеспечение для анализа.
• Принципы работы ГИС основаны на пространственном анализе и моделировании.

Информационные источники и методология сбора географических данных

В качестве источника данных для ГИС могут использоваться:

• Карты — общегеографические, топографические, административно-территориальные и кадастровые. Используется в виде основных исходных материалов для создания электронных карт. Из перечисленных источников извлекается информация о системах координат, на основе которых создаются электронные проекции и строятся цифровые модели;
• ДДЗ (данные дистанционного зондирования) — информация, получаемая при помощи разнообразных технических средств начиная от спутников и заканчивая аэросъёмкой при помощи пилотируемых летательных аппаратов, БПЛА и дронов. В случае если объектом сбора информации являются водные ресурсы, то применяются гидроакустические методы обследования и формирования схемы рельефа дна;
• Геодезические измерения, проводимые непосредственно на местности при помощи аналоговых и цифровых геодезических приборов: нивелиров, теодолитов, тахеометров, GPS передатчиков и т.п.;
• Данные государственных служб, осуществляющих измерения (метеорологи, гидрологические службы), сбор и обработку статистических данных.

ВАЖНО! При формировании базы данных ГИС, как правило, используется совокупность информации из приведённых выше источников

Интернет-проекты с технологией ГИС в туризме.

Рисунок 2.Карта Москвыпо технологии ГИС.

В пику данной ситуации сайт «Вечерний лондон»выполненный на основе технологии ГИС производства
ведущей в мире компании ESRIпредлагает такие возможности причем
информация о мероприятиях актуальна на сегодняшний день. [http://www.dataplus.ru/WIN/NEWS/99_2000/london.htm] система запущена в 1999 году и
действуетпо сей день.

Ясно, что такие возможности появляются не сразу,
совсем не трудно представить какие средства были привлечены на реализацию
данного проекта, но во многих случаях нет необходимости в таких масштабах.

Но как кажется, совсем не сложно ввести в ГИС карту
на которой будут нанесены самые крупные курорты с которыми фирма сотрудничает,
ввести планы этих территорий, здания, информацию о качестве обслуживания,
фотографии номеров, пляжей, названия оригинальных блюд местной колоритной кухни
и др. Обеспечивинтернет доступ к такой
ГИС турфирма, либо курортный город будут иметь огромное преимущество перед
другими продавцами этого вида услуг, ведь ГИС – интерактивная технология, она
отвечает на запросы пользователя практически немедленно, пользователь ощущает
себя более комфортно. Именно таким образом выполнен сайт Нью-Йоркского парка
созданный студентами университета г. Спрингфилд (США). На рисунке3 представлен
фрагмент аэорофотоснимка парка на котором отмечены интересные места при клике
мышкой поотмеченным местам пользователь
имеет возможность получить исчерпывающую информацию по данному объекту с
текстом и фотографиями.

Рисунок 3. Фрагмент аэорофотоснимка
паркас метками ГИС http://www.shs.springfield.k12.il.us/rsrc/gis/park/park.html

Рисунок 4.Масштабы применения технологии ГИС в Канаде с ориентацией на
туристическую и экологическую сферы.

Рисунок 5.Сайт
итнерактивной экотуристическойГИС
Аделаиды (Австралия). [http://www.gisca.adelaide.edu.au/cgi-bin/eco/ecogis]

Отраслевое использование ГИС

Возможности геоинформационных систем могут быть задействованы в самых различных областях деятельности. Вот лишь некоторые примеры использования ГИС:

административно-территориальное управление

• городское планирование и проектирование объектов;
• ведение кадастров инженерных коммуникаций, земельного, градостроительного, зеленых насаждений;
• прогноз чрезвычайных ситуаций техногенно-экологического характера;
• управление транспортными потоками и маршрутами городского транспорта;
• построение сетей экологического мониторинга;
• инженерно-геологическое районирование города.

телекоммуникации

• транковая и сотовая связь, традиционные сети;
• стратегическое планирование телекоммуникационных сетей;
• выбор оптимального расположения антенн, ретрансляторов и др.;
• определение маршрутов прокладки кабеля;
• мониторинг состояния сетей;
• оперативное диспетчерское управление.

инженерные коммуникации

• оценка потребностей в сетях водоснабжения и канализации;
• моделирование последствий стихийных бедствий для систем инженерных коммуникаций;
• проектирование инженерных сетей;
• мониторинг состояния инженерных сетей и предотвращение аварийных ситуаций.

транспорт

• автомобильный, железнодорожный, водный, трубопроводный, авиатранспорт;
• управление транспортной инфраструктурой и ее развитием;
• управление парком подвижных средств и логистика;
• управление движением, оптимизация маршрутов и анализ грузопотоков.

нефтегазовый комплекс

• геологоразведка и полевые изыскательные работы;
• мониторинг технологических режимов работы нефте- и газопроводов;
• проектирование магистральных трубопроводов;
• моделирование и анализ последствий аварийных ситуаций.

силовые ведомства

• службы быстрого реагирования, вооруженные силы, милиция, пожарные службы;
• планирование спасательных операций и охранных мероприятий;
• моделирование чрезвычайных ситуаций;
• стратегическое и тактическое планирование военных операций;
• навигация служб быстрого реагирования и других силовых ведомств.

экология

• оценка и мониторинг состояния природной среды;
• моделирование экологических катастроф и анализ их последствий;
• планирование природоохранных мероприятий.

лесное хозяйство

• стратегическое управление лесным хозяйством;
• управление лесозаготовками, планирование подходов к лесу и проектирование дорог;
• ведение лесных кадастров.

сельское хозяйство

• планирование обработки сельскохозяйственных угодий;
• учет землевладельцев и пахотных земель;
• оптимизация транспортировки сельскохозяйственных продуктов и минеральных удобрений.

Структура географических информационных систем

Географические информационные системы (ГИС) состоят из нескольких основных элементов, которые взаимодействуют между собой.

Основные элементы ГИС:

• Географическая база данных — основа ГИС, содержит географические данные, такие как карты, снимки спутников и аэрофотоснимки.
• Геоинформационная система — программное обеспечение, позволяющее обрабатывать и анализировать географические данные.
• Аппаратные средства — компьютеры, серверы, мониторы и другое оборудование, необходимое для работы ГИС.
• Пользователи — люди, использующие ГИС для решения задач в различных областях, например, геологии, экологии, градостроительстве и др.
• Методы и алгоритмы — способы обработки географических данных, например, анализ пространственных отношений, решение задачи буферизации, построение тематических карт и др.

Взаимодействие этих элементов позволяет создавать, анализировать и представлять географическую информацию с помощью ГИС.

Структура ГИС

Имеет несколько составных элементов.

Аппаратура. Это разнообразные виды компьютерных платформ, от персональных машин до глобальных централизованных серверов.

Программное обеспечение. Здесь присутствуют все нужные инструменты для получения, обработки и визуализации материала. Отдельными составными частями можно обозначить компоненты для:

— введения и манипулирования сведениями;

— управления базой данных (СУБД);

— отображения пространственных запросов;

Исполнители. Пользователями сервиса являются как его разработчики, так и разнопрофильные инженеры, которые применяют эти технологии в своей ежедневной трудовой деятельности.

Методы. Исходя из особенностей функционирования каждой конкретной организации, использующей систему, составляется план и правила ее применения. Это определяет результативность работы с ней.

[править] Структуры данных

Существует несколько типов структур геоданных. Наверняка вам придется столкнуться с векторной и растровой.

Векторная структура:

• Элемент структуры: узел и ребро
• Объект: точка, линия, полигон
• Может находиться: где угодно
• Хорошо подходит для описания и хранения дискретных объектов
• Одному объекту может соответствовать много атрибутов
• Примеры: местоположения отдельных объектов, дорожная сеть

Растровая структура:

• Элемент структуры: пиксел
• Объект: пиксел
• Может находиться: только в ячейках регулярной прямоугольной сети
• Хорошо подходит для описания и хранения непрерывных значений
• Одному объекту соответствует одно значение
• Примеры: космоснимки, отсканированные и географически привязанные различные картографически материалы, до этого бывшие бумажными.

Следует внимательно отнестись к выбору структуры данных. Ошибка может привести к неоправданному усложнению процессов редактирования данных, увеличению размера занимаемого на диске, перевод данных из одной структуры в другую может оказаться неожиданно сложным и трудоемким. Процесс перевода информации из растровой структуры в векторную называется векторизацией, обратно — растеризацией.

Выбор структуры данных целиком зависит от задачи. Картографическая основа создаваемая с нуля всегда векторная, так как каждый ее объект — дискретен, но для массового распространения ее часто растеризуют. Высота над уровнем моря является непрерывным признаком и эти данные обычно имеют растровую структуру, но если вам нужно показать только несколько изогипс (линий равных значений высоты) или вершин, то использовать для этого растр — нецелесообразно.

Разумеется, в ГИС часто объединяют слои имеющие разные структуры для их совместной визуализации и анализа.

Представление данных

Важно понимать, что та структура данных, в которой они дошли до вас не обязательно равна структуре в которой они находятся исходно. Так, картографическую основу исходно всегда хранят в векторных структурах, но для распространения часто растеризуют

Передать один тайл отрисованный нужным образом гораздо легче, чем многослойную векторную структуру со множеством объектов.

Ход урока

Понятие «геоинформационной cистемы»

Геоинформационная система (ГИС) — система, способная к анализу, хранению, обработке, предоставлению доступа и визуализизации пространственных данных.

ГИС объединяет традиционные операции при работе с базами данных с возможностью визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта.

ГИС хранит информацию о реальном мире в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе географического положения.

Этот простой, но очень гибкий подход доказал свою ценность при решении разнообразных реальных задач:

• для отслеживания передвижения транспортных средств и материалов
• детального отображения реальной обстановки и планируемых мероприятий
• моделирования глобальной циркуляции атмосферы.

Области применения

ГИС землепользование инженерные коммуникации финансы, экономика геодезические и картографические работы экологическое сопровождение хозяйственной деятельности маркетинговые исследования недвижимость транспортная система строительство телекоммуникации и связь банки пространственных данных нефтегазовая отрасль навигация и мониторинг дорожное хозяйство

Структура геоинформационной системы

Структура ГИС – это ее составные части и взаимосвязь между ними.

Каков же состав ГИС?

— данные (пространственные данные): географические (местоположение объекта на земной поверхности, фотоснимки из космоса, аэроснимки), табличные или описательные данные, связанные с географическими;

— аппаратное обеспечение (компьютер, компьютерные и телекоммуникационные сети, накопители внешней памяти, сканер, дигитайзеры и т. д.)

— программное обеспечение для хранения, ввода, анализа и визуализации географической информации

— технологии (методы, порядок действий)

— специалисты, которые работают с программными продуктами и разрабатывают планы их использования при решении реальных задач.

Пользователями ГИС могут быть как технические специалисты, разрабатывающие и поддерживающие систему, так и обычные сотрудники (конечные пользователи), которым ГИС помогает решать текущие каждодневные дела и проблемы.

Геоинформационные системы в Сети

В Интернете использование ГИС воплощено в электронные карты местности и в спутниковую навигацию

Электронная карта, созданная в ГИС, поддерживается: богатым и мощным инструментарием создания и редактирования объектов базами данных специализированными устройствами сканирования, печати и другими техническими решениями средствами Интернет космическими снимками информацией со спутников.

На карты ГИС можно нанести не только географические, но и статистические, демографические, технические и многие другие виды данных и применять к ним разнообразные аналитические операции. ГИС обладает уникальной способностью выявлять скрытые взаимосвязи и тенденции, которые трудно или невозможно заметить, используя привычные бумажные карты.

Можно увидеть новый, качественный, смысл наших данных, а не механический набор отдельных деталей.

Спутниковая навигация – система электронно-технических средств, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования.

Спутниковая навигация предназначена для определения местоположения (то есть, географических координат и высоты) и параметров движения (скорости и направления движения) наземных, водных и воздушных объектов.

Как функционирует система

ГИС хранит фактическую информацию о предметах в виде подборки тематических слоев, объединенных по принципу географического положения. Такой подход обеспечивает решение разноплановых задач по реорганизации местности и проведению мероприятий.

Для нахождения местоположения объекта используются координаты точки, ее адрес, индекс, номер земельного участка и т.п. Эти сведения наносятся на карты после процедуры геокодирования.

Технологии могут работать с растровыми и векторными моделями.

В векторной форме материал кодируется и сохраняется как набор координат. Она больше подходит для стабильных элементов с постоянными свойствами: реками, трубопроводами, полигоны.

Растровая схема включает блоки информации об отдельных составляющих. Она адаптирована для работы с переменными характеристиками, например, типы почв и доступность объектов.

Интернет-проекты с технологией ГИС в туризме.

Рисунок 2.Карта Москвыпо технологии ГИС.

В пику данной ситуации сайт «Вечерний лондон»выполненный на основе технологии ГИС
производства ведущей в мире компании ESRIпредлагает такие
возможности причем информация о мероприятиях актуальна на сегодняшний день. [http://www.dataplus.ru/WIN/NEWS/99_2000/london.htm] система запущена в 1999 году и
действуетпо сей день.

Ясно, что такие возможности появляются не сразу,
совсем не трудно представить какие средства были привлечены на реализацию
данного проекта, но во многих случаях нет необходимости в таких масштабах.

Но как кажется, совсем не сложно ввести в ГИС карту
на которой будут нанесены самые крупные курорты с которыми фирма сотрудничает,
ввести планы этих территорий, здания, информацию о качестве обслуживания,
фотографии номеров, пляжей, названия оригинальных блюд местной колоритной кухни
и др. Обеспечивинтернет доступ к такой
ГИС турфирма, либо курортный город будут иметь огромное преимущество перед
другими продавцами этого вида услуг, ведь ГИС – интерактивная технология, она
отвечает на запросы пользователя практически немедленно, пользователь ощущает
себя более комфортно. Именно таким образом выполнен сайт Нью-Йоркского парка
созданный студентами университета г. Спрингфилд (США). На рисунке3 представлен
фрагмент аэорофотоснимка парка на котором отмечены интересные места при клике
мышкой поотмеченным местам пользователь
имеет возможность получить исчерпывающую информацию по данному объекту с
текстом и фотографиями.

Рисунок 3. Фрагмент аэорофотоснимка
паркас метками ГИС http://www.shs.springfield.k12.il.us/rsrc/gis/park/park.html

Рисунок 4.Масштабы применения технологии ГИС в Канаде с ориентацией на
туристическую и экологическую сферы.

Рисунок 5.Сайт итнерактивной экотуристическойГИС Аделаиды (Австралия). [http://www.gisca.adelaide.edu.au/cgi-bin/eco/ecogis]

Визуализация и анализ данных в географических информационных системах

Визуализация данных в ГИС позволяет представить географическую информацию в виде карт, графиков, диаграмм и других визуальных элементов. Это позволяет пользователям более наглядно понимать пространственные отношения и связи между различными географическими объектами и явлениями. Визуализация данных в ГИС может быть статической, представленной в виде отдельных карт и изображений, и динамической, представленной в виде интерактивных карт и анимаций.

Анализ данных в ГИС включает в себя методы обработки, интерпретации и анализа географической информации. С помощью ГИС можно проводить различные пространственные анализы, такие как определение площадей, расчет длин и объемов, выявление паттернов и тенденций, классификация и категоризация географических данных и многое другое. Анализ данных в ГИС позволяет выявлять закономерности и тренды, что помогает в понимании и объяснении географических явлений.

Визуализация и анализ данных в ГИС являются важными инструментами при работе с географической информацией. Они позволяют увидеть географию в новом свете и получить глубокое понимание пространственных процессов и явлений

Это делает ГИС не только полезными для географов и картографов, но и для многих других профессионалов, которым важно понимание пространственной среды и взаимодействия объектов на земле

Система управления базами данных

Основные функции СУБД:

• Создание базы данных: СУБД позволяет создавать структуру базы данных, определять таблицы и их поля.
• Хранение данных: СУБД обеспечивает сохранение данных в определенной структуре, позволяет добавлять, изменять и удалять данные.
• Запросы к базе данных: СУБД предоставляет средства для выполнения сложных запросов к базе данных, позволяя получать нужную информацию по заданным критериям.
• Обеспечение безопасности данных: СУБД позволяет устанавливать различные уровни доступа к базе данных для разных пользователей, обеспечивая конфиденциальность и защиту информации.
• Резервное копирование и восстановление данных: СУБД предоставляет средства для создания резервных копий базы данных и восстановления данных в случае их потери или повреждения.

Одной из наиболее популярных СУБД является PostgreSQL. Она имеет открытый исходный код, обладает мощными возможностями и хорошей производительностью. Кроме того, существует множество коммерческих СУБД, таких как Oracle, Microsoft SQL Server, MySQL и др.

Важно отметить, что СУБД является одной из основных составляющих географических информационных систем (ГИС). Она позволяет хранить и обрабатывать географическую информацию, такую как карты, пространственные объекты, координаты и др

Благодаря СУБД ГИС становятся мощными инструментами для анализа и визуализации географических данных.

Составные части ГИС

Работающая ГИС включает в себя пять ключевых составляющих: аппаратные средства, программное обеспечение, данные, исполнители и методы (см. рис. 2).

Аппаратные средства.

Это компьютер, на котором запущена ГИС. В настоящее время ГИС работают на различных типах компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров.

Программное обеспечение  ГИС.

ПО  ГИС содержит функции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации. Ключевыми компонентами программных продуктов являются: инструменты для ввода и оперирования географической информацией; система управления базой данных (DBMS или СУБД); инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения); графический пользовательский интерфейс (GUI или ГИП) для легкого доступа к инструментам и функциям.

Данные.

 Это вероятно наиболее важный компонент ГИС. Данные о пространственном положении (географические данные) и связанные с ними табличные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем, либо приобретаться у поставщиков на коммерческой или другой основе. В процессе управления пространственными данными ГИС интегрирует пространственные данные с другими типами и источниками данных, а также может использовать СУБД, применяемые многими организациями для упорядочивания и поддержки имеющихся в их распоряжении данных

Исполнители.

Широкое применение технологии ГИС невозможно без людей, которые работают с программными продуктами и разрабатывают планы их использования при решении реальных задач. Пользователями ГИС могут быть как технические специалисты, разрабатывающие и поддерживающие систему, так и обычные сотрудники (конечные пользователи), которым ГИС помогает решать текущие каждодневные дела и проблемы.

Методы.

Успешность и эффективность (в том числе экономическая) применения ГИС во многом зависит от правильно составленного плана и правил работы, которые составляются в соответствии со спецификой задач и работы каждой организации.

Атрибуты

Карты выражают описательную информацию с помощью картографических символов, цветов и надписей. Например:

• Дороги показываются на основании классов дорог (разными линейными символами показаны автомагистрали, грунтовые дороги, улицы и тропинки).
• Реки и водные объекты изображаются синим, что означает воду.
• Улицы в городе надписаны по своим названиям и иногда ещё дописывается информация по диапазону номеров домов в пределах сегмента улицы.
• Специальными точечными и линейными символами показываются специфические объекты — железные дороги, аэропорты, школы, больницы и различные места событий.

В ГИС управление описательными атрибутами осуществляется в таблицах.

В ГИС управление описательными атрибутами в таблицах происходит на основе последовательности простых, но существенных принципов реляционных баз данных. Атрибутивные таблицы предоставляют простые универсальные модели данных для хранения и работы с атрибутивной информацией. Традиционно они открытые, так как их простота и гибкость позволяет поддерживать широкий диапазон приложений. Ключевые концепции включают:

• Описательные данные организованы в таблицах.
• Таблицы содержат ряды.
• У всех рядов в таблице одинаковый набор столбцов.
• Каждый столбец имеет тип данных (целочисленный, десятичный, символьный, даты и т.д.).
• В реляционных базах данных эти концепции расширяются, включая ряд реляционных функций и операторов, которые можно использовать для работы с таблицами и их элементами данных. Это называется »Язык структурированных запросов» (SQL — Structured Query Language).

Возможности, возникающие при работе в ГИС

В процессе работы с геоинформационными системами можно сделать вывод о том, что они позволяют давать быстрые ответы на многие вопросы и принимать оптимальные решения в различных сферах деятельности человека, а именно:

• что находится в определенных районах местоположения?
• Где находится конкретный объект?
• Оценивать динамику изменений во времени, пространстве, объемах и так далее;
• какие пространственные структуры существуют?
• Позволяют осуществлять моделирование с конкретными техническими проектными условиями (например, картограмма земляных масс)

Основные функциональные возможности приложений ГИС состоят в следующем:

• Регистрации геоизображений;
• Создание новых геоизображений (векторизацмя);
• Создание баз данных и ихстатистическая обработка;
• Анализ и обработка пространственных данных (геоанализ);
• Анализ непространственных (атрибутивных) данных;
• Визуализация и картографирование;
• Хранение данных.

[править] Форматы

Многообразие форматов обусловлено скорее историческими причинами, форматы создавались для разных задач разными вендорами. Однако, для большинства задач достаточно познакомиться с несколькими, самыми распространенными и универсальными. Вам наверняка придется столкнуться со следующими форматами геоданных.

Векторные:

• ESRI Shape — формат созданный компанией ESRI в 90х годах. Благодаря открытости очень сильно распространившийся, поддерживается практически любым ПО ГИС. Формат бинарный, поэтому заглянуть внутрь файлов данных без специальных инструментов нельзя, зато позволяет хранить данные значительно более экономично чем текстовые форматы. Из-за старости, наследует некоторые проблемы с кодировками атрибутивных данных и ограничения на длины строк атрибутивных данных (максимум 255 символов).
• CSV — обычная таблица с разделителями, геометрии объектов прописаны в специальной форме в отдельном столбце. С данными в этом формате можно работать как в ПО ГИС, так и в простом табличном редакторе. Нет ограничений на длины строк. Очень удобный формат для небольших наборов данных. Для удобства работы в ГИС сопровождается специальными файлами VRT описывающими гео-составляющую.
• OSM XML

Растровые:

GeoTIFF — универсальный стандарт де-факто для растровых данных, является расширением формата TIFF, в котором все специфичные для географии вещи прописываются в специальные теги. Обычно не используется в ситуациях, когда допустимо и требуется сжатие данных с потерями (хотя технически такое сжатие поддерживается), поэтому может быть не оптимален для хранения огромных массивов данных.