Геоинформатика и ее взаимосвязи с другими научными дисциплинами (информатика, география, картография)

Геоинформатика и ее взаимосвязи с другими научными дисциплинами (информатика, география, картография)

Геоинформатика как наука имеет дело с теми же объектами, что и география, другие науки о Земле, картография, дистанционное зондирование, т.е. с природными, общественными и природно-общественными геосистемами, но использует при этом свои особые средства и методы. Картография и геоинформатика связаны во многих отношениях. Карты и атласы – один из главных источников получения пространственной и временной информации для компьютерной обработки. А вся иная «некартографическая» информация, используемая в геоинформационных системах, всё равно так или иначе привязывается к картам, причём основой для такой привязки служат системы координат, принятые в картографии. Наконец, очень важно, что итоговая информация опять-таки чаще всего выдаётся потребителю в картографической форме, которая наиболее привычна и удобна ему.

Таким образом, связь геоинформации с картографией – это карты, являющиеся источниками информации для ГИС, а также формой, в которой потребителям выдаётся информация в ГИС. С информатикой геоинформатика связана аппаратно-техническим обеспечением. А с географией она имеет один объект исследования – различные геосистемы и географическую оболочку Земли.

Взаимосвязи картографии и геоинформатики проявляются в следующих аспектах:

1. Тематические и картографические карты - главный источник пространственно-временной информации.

2. Системы географических и прямоугольных координат и картографическая разграфка служат основой для координатной привязки (географической локализации) всей информации, поступающей и хранящейся в ГИС.

3. Карты - основное средство географической интерпретации и организации данных дистанционного зондирования и другой используемой в ГИС информации (статистической, аналитической и т.п.)

4. Картографический анализ - один из наиболее эффективных способов выявления географических закономерностей, связей, зависимостей при формировании баз знаний, входящих в ГИС.

5. Математико-картографическое и компьютерно-картографическое моделирование - главное средство преобразования информации в процессе принятия решений, управления проведением экспертиз, составление прогнозов развития геосистем и т.п.

6. Картографическое изображение - целесообразная форма представления информации потребителям.

Определения и задачи геоинформатики

Под геоинформатикой принято понимать научно-технический комплекс, объединяющий геоинформатику, технологию и прикладную деятельность, которые связаны с разработкой и реализацией ГИС. Данный комплекс формируется на стыке географии, информатики, теории инофрмационных систем, картографии и других дисциплин с привлечением системного подхода и новейших достижений в области вычислительной техники. Геоинформатика изучает принципы, технику и технологию получения, накопления, передачи, обработки и представления данных и как средство получения на их основе новой информации и знаний о пространственно-временных явлениях.

Сегодня геоинформатика предстаёт в виде системы, охватывающей науку, технику и производство. Геоинформатика – научная дисциплина, изучающая природные и социально-экономические геосистемы (их структуру, связи, динамику, функционирование в пространстве и времени) посредством компьютерного моделирования на основе баз данных и географических знаний. С другой стороны, геоинформатика – это технология (ГИС-технология) сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения пространственно-координированной информации, имеющая целью решение задач инвентаризации, оптимизации, управления геосистемами. Наконец, геоинформатика как производство – это изготовление программных и аппаратных средств, включая создание баз данных, систем управления, стандартных, коммерческих ГИС различного целевого назначения и проблемной ориентации.

Основные задачи: создание баз пространственных данных (геоданных) и управление ими, разработка и применение методов пространственного анализа и моделирования, разработка программного обеспечения для создания и функционирвоания ГИС.

Предмет геоинформатики – познание природных и социально-экономических, экологических геосистем посредством цифровых информационных моделей, создаваемых для адекватного представления реального мира, а также технология их создания и использования. Основной метод геоинформатики – цифровое моделирование для получения новых знаний о структуре, взаимных связях, динамике и эволюции объектов и явлений.

Типы ГИС

· По территориальному охвату (ГИС планетарного, субконтинентального, континентального, национального, межнационального, регионального, субрегионального, локального (местного) и ультралокального уровней) с соответствующими масштабами, точностями и пространственными разрешениями представления данных, правовым, кадровым и организационным обеспечением.

· По предметной области информационного моделирования, например, городские ГИС, или муниципальные ГИС, МГИС, природоохранные ГИС и т.п. (землеустройство, природные катастрофы, охрана природы); среди них особое наименование, как особо широко распространенные, получили земельные информационные системы.

· По проблемной ориентации ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными и прикладными), среди них инвентаризация ресурсов (в том числе кадастр), анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений.

Географические основы ГИС

Комлексность. Геосистемность. Территориальность. Пространственность. Геоинформационное картографирование опирается на опыт комплексных географических исследований и на опыт системного тематического картографирования.

Метод географического моделирования геосистем и их компонентов.

Метод районирования, дифференциации, интеграции, зонирования, ареалирования, классифицирование различных выделов, анализ выделов, поиск взаимосвязей. Функции оверлей (наложение, вызов подпрограммы), трейд-анализ (совокупность математических приёмов, основанных на аппроксимации наблюдаемых значений геологических характеристик с целью выявить основную тенденцию в изменении этих характеристик на площади или в разрезе в зависимости от параметров), кластеризация (кластеризатор незаметно для пользователя делит карту на равные квадраты заданного размера, объекты, оказавшиеся в одном квадрате, объединяются в группу (кластер), каждый кластер обозначается меткой, в которой указано число входящих в него объектов, при клике на метку кластер распадается на отдельные объекты, в карта приближается так, чтобы все они оказались в видимой области), корреляция (соотношение, взаимосвязь, корреляционная зависимость – статистическая взаимосвязь двух или нескольких случайных величин, при этом изменения значений одной или нескольких из этих величин сопутствуют систематическому изменению значений другой или других величин).

Принципы географической интерполяции, экстраполяции.

Приёмы ключевых исследований.

Принцип комплексирования и оптимизации набора источника информации.

Метод географической индексации – выявление невидимого (сосна – пески).

Опыт системного тематического картографирования.

Системность атласа (электронного) (комплексность ГИС) обеспечивает: целесообразный выбор и ограничение числа проекций, компановок и масштабов, общность географических основ и базовых карт, согласованность легенд, шкал, градаций, соблюдение единого уровня генерализации, ценз и норм отбора, единство изобразительных средств и дизайна, взаимное согласование карт, согласование данных по времени.

Модели данных

Все модели пространственных данных делятся на растровые и векторные. К растровым относятся непосредственно растровая (матричная), регулярно-ячеистая и квадротомическая модели, к векторным – векторная-топологическая и векторная-нетопологическая.

Растровая (матричная) модель. Всё описываемое пространство делится на гомогенные элементы (пикселы). Каждому пикселу присваивается цифровое значение, указывающее на принадлежность к какому-либо объекту. Для точечных элементов достаточно указать принадлежность к одному, для линейных и полигональных нужно больше пикселов. Решётка, накладываемая на объекты, называется матрицей. Для каждого типа объектов – свой слой матрицы. Номера ячеек (пикселов) именуются слева-направо и сверху-вниз. Растровые модели применяют на начальных этапах работы с оцифрованными (отсканированными) материалами и при создании цифровых моделей рельефа. Достаточно легко исправляются, интегрируются в различные продукты, но занимают большой объём машинной памяти.

Регулярно-ячеистая модель. Структурная единица – ячейка, получающаяся в ходе разбиения пространства линиями регулярной сети. Размеры могут быть различны, и ячейки могут образовывать иерархическую структуру, могут быть вложены друг в друга – учитываются углы ячеек и протяжённость каждой стороны. Некоторые программы обработки данных игнорируют различия между матричной и регулярно-ячеистой моделями. Используется при построении глобальных (общепланетарных) моделей рельефа на начальном этапе.

Квадротомическая модель. Компактна, не занимает много места в машинной памяти. Пространство делится на квадраты на разных иерархических уровнях, количество их определяется конфигурацией описываемых объектов. Используется для построения цифровых моделей рельефа, может быть использована в трёхмерных моделях (сферический треугольник делится на четыре срезанных сферических треугольника).

Векторная-нетопологическая модель (модель спагетти). Нет связи с другими объектами. В описании объектов отсутствуют топологические связи. Представляют собой последовательность объектов с координатным описанием и атрибутами. Встречаются реже топологических.

Векторная-топологическая модель. Основывается на теории графов. В таких моделях выделяют особые элементы, отражающие структуру модели: узел – точка, начальная или конечная точка дуги, нормальный узел – принадлежит трём и более дугам, висячий узел – узел дуги, которая не соединяется ни с какой другой дугой, псевдоузел – принадлежит только двум дугам или одной замкнутой дуге, вершины – точки вдоль дуги, определяющие её форму, дуга – линейный объект, определяемый набором пар координат, полигон, внутренний полигон – находится внутри другого полигона, составной полигон – содержит в себе другой полигон, универсальный полигон – внешняя область лежит за пределами исследуемой области, является внешним по отношению ко всем объектам. Объекты связаны между собой посредством цифровых кодов, входящих в описание объектов. Связь осуществляется через точечные объекты для дуг и через дуги для полигонов. Связь дуг должна иметь следующие характеристики: все дуги должны быть соединены между собой в узлах, все дуги и узлы должны быть пронумерованы, каждая дуга должна иметь начальную и конечную точки. Топология полигонов должна быть выстроена с учётом следующего: все полигоны должны быть пронумерованы, каждый полигон векторной топологической модели представлен описанием какого-то количества дуг, начальный узел первой дуги и конечный узел другой должны совпадать, координаты дуг записываются один раз, связь между полигонами осуществляется через описание дуг. Для неё чаще всего используются реляционные базы данных.

Модель ТИН. Являются частью моделирования на основе ключевых точек, значения которых известны, а точки поверхности являются ключевыми точками выстраивания по математическим расчётам. Применяются для дешифровки аэро- и космических снимков, если имеются точки с известными высотами. Точки описываются плановыми координатами и высотой. После определения точек вершин строится набор треугольников. Все треугольники связываются в сеть. Каждый – это полигон, имеющий свою топологию и содержащий сведения о соседних треугольниках. Элементы модели: точки-вершины, линии, полигоны, ключевые линии – показывают неоднородность рельефа, объекты-исключения – для которых неизвестна высота. Модель ТИН можно представить в трёхмерной или псевдотрёхмерной форме.

Задачи и функции СУБД в ГИС

Системы управления базами данных – комплекс программ и языковых средств, предназначенных для создания, ведения и использования баз данных. В геоинформационных системах использование систем управления базами данных осуществляется двумя путями:

· Выполнение ГИС-процедур полностью через систему управления базами данных, в этом случае все данные должны удовлетворять требованиям системы управления базами данных

· Доступ к атрибутам и топологии через систему управления базами данных, а пространственная локализация управляется напрямую

Система управления базами данных имеет определённые функции:

· Управление данными во внешней памяти

· Управление буферами оперативной памяти

· Операции над базами данных

· Обеспечение надёжности хранения данных в базах данных

· Поддержка языка управления базами данных

Управление данными во внешней памяти обеспечивает организацию внешней памяти для хранения данных и системы управления базами данных создают собственную систему наименований объектов внутри базы данных.

Управление буферами оперативной памяти необходимо для того, чтобы система управления базами данных не зависела от скорости работы устройств внешней памяти. Для этого организуется система буферов оперативной памяти с определёнными правилами замены и обновления буферов.

Последовательность операций над базами данных, рассматриваемых системой управления базами данных как единое целое, называется транзакцией. При выполнении транзакции система управления базами данных либо фиксирует произведённые ею изменения в базах данных во внешней памяти, либо не производит никаких изменений. Каждая транзакция начинается при целостном состоянии базы данных и оставляет это состояние целостным после своего завершения.

Обеспечение надёжности хранения данных в базе данных, т.е. обеспечение восстановления последнего согласованного состояния базы данных после любого программного или системного сбоя. Для восстановления базы данных нужна некоторая избыточная информация. Для поддержания такой информации ведётся журнал изменений базы данных. Журнал – недоступная для пользователей часть базы данных, в которую поступают записи обо всех изменениях в базе данных. Самая простая процедура восстановления базы данных – это откат транзакций, т.е. отмена изменений в базе данных.

Система управления базами данных поддерживает языки управления базами данных. Наиболее распространённым является SQL, который совместим практически со всеми системами управления базами данных и поддерживает базовый пользовательский интерфейс на достаточно высоком уровне.

Системы управления базами данных имеют три компонента:

· Ядро системы управления базами данных отвечает за управление данными во внешней и оперативной памяти, за транзакции, ведение журнала

· Компилятор языка баз данных или интегрирующей системы, функция которого заключается в переводе операторов языка базы данных в некую выполняемую программу, представленную в виде машинных кодов

· Набор утилит отвечает за загрузку и выгрузку базы данных, проверку целостности базы данных, сбор статистики базы данных, создаётся с использованием интерфейса ядра системы управления базами данных.

Для геоинформационных систем создаются свои системы управления базами данных. Наиболее сложные системы управления базами данных создаются при объектно-ориентированных базах данных.

Требования к базе данных

К содержанию баз данных предъявляется ряд требований, поскольку конечный результат запросов будет зависеть от этого содержания. Требования, предъявляемые к базам данных в ГИС:

· Согласование во времени (соответствовать определённому отрезку времени или быть актуальной)

· Полнота или подробность для максимально полного итогового анализа данных (полнота базы данных может постоянно расширяться)

· Быть позиционно точной (соответствовать реальности), совместимой с другими данными, которые могут добавляться в неё

· Достоверность (не должна искажать факты, представляемые в ней), правильно отражать характер явлений (это требует тщательно отбирать включаемые в неё атрибуты явлений)

· Легко обновляемая

· Доступная для любых пользователей

· Сформирована и представлена, чтобы компьютер мог её воспринимать

Геоинформатика и ее взаимосвязи с другими научными дисциплинами (информатика, география, картография)

Геоинформатика как наука имеет дело с теми же объектами, что и география, другие науки о Земле, картография, дистанционное зондирование, т.е. с природными, общественными и природно-общественными геосистемами, но использует при этом свои особые средства и методы. Картография и геоинформатика связаны во многих отношениях. Карты и атласы – один из главных источников получения пространственной и временной информации для компьютерной обработки. А вся иная «некартографическая» информация, используемая в геоинформационных системах, всё равно так или иначе привязывается к картам, причём основой для такой привязки служат системы координат, принятые в картографии. Наконец, очень важно, что итоговая информация опять-таки чаще всего выдаётся потребителю в картографической форме, которая наиболее привычна и удобна ему.

Таким образом, связь геоинформации с картографией – это карты, являющиеся источниками информации для ГИС, а также формой, в которой потребителям выдаётся информация в ГИС. С информатикой геоинформатика связана аппаратно-техническим обеспечением. А с географией она имеет один объект исследования – различные геосистемы и географическую оболочку Земли.

Взаимосвязи картографии и геоинформатики проявляются в следующих аспектах:

1. Тематические и картографические карты - главный источник пространственно-временной информации.

2. Системы географических и прямоугольных координат и картографическая разграфка служат основой для координатной привязки (географической локализации) всей информации, поступающей и хранящейся в ГИС.

3. Карты - основное средство географической интерпретации и организации данных дистанционного зондирования и другой используемой в ГИС информации (статистической, аналитической и т.п.)

4. Картографический анализ - один из наиболее эффективных способов выявления географических закономерностей, связей, зависимостей при формировании баз знаний, входящих в ГИС.

5. Математико-картографическое и компьютерно-картографическое моделирование - главное средство преобразования информации в процессе принятия решений, управления проведением экспертиз, составление прогнозов развития геосистем и т.п.

6. Картографическое изображение - целесообразная форма представления информации потребителям.

Определения и задачи геоинформатики

Под геоинформатикой принято понимать научно-технический комплекс, объединяющий геоинформатику, технологию и прикладную деятельность, которые связаны с разработкой и реализацией ГИС. Данный комплекс формируется на стыке географии, информатики, теории инофрмационных систем, картографии и других дисциплин с привлечением системного подхода и новейших достижений в области вычислительной техники. Геоинформатика изучает принципы, технику и технологию получения, накопления, передачи, обработки и представления данных и как средство получения на их основе новой информации и знаний о пространственно-временных явлениях.

Сегодня геоинформатика предстаёт в виде системы, охватывающей науку, технику и производство. Геоинформатика – научная дисциплина, изучающая природные и социально-экономические геосистемы (их структуру, связи, динамику, функционирование в пространстве и времени) посредством компьютерного моделирования на основе баз данных и географических знаний. С другой стороны, геоинформатика – это технология (ГИС-технология) сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения пространственно-координированной информации, имеющая целью решение задач инвентаризации, оптимизации, управления геосистемами. Наконец, геоинформатика как производство – это изготовление программных и аппаратных средств, включая создание баз данных, систем управления, стандартных, коммерческих ГИС различного целевого назначения и проблемной ориентации.

Основные задачи: создание баз пространственных данных (геоданных) и управление ими, разработка и применение методов пространственного анализа и моделирования, разработка программного обеспечения для создания и функционирвоания ГИС.

Предмет геоинформатики – познание природных и социально-экономических, экологических геосистем посредством цифровых информационных моделей, создаваемых для адекватного представления реального мира, а также технология их создания и использования. Основной метод геоинформатики – цифровое моделирование для получения новых знаний о структуре, взаимных связях, динамике и эволюции объектов и явлений.

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: