Слайд 1
Тема 1. Функциональные возможности ГИС
Занятие № 2. Ввод, предоб-работка и хранение данных
Слайд 2
Цель занятия: студент должен получить представление о типах дан-ных и процессе
их аналого-цифро-вого преобразования.
Слайд 3ПЛАН ЛЕКЦИИ
Ведение
1. Источники данных и их типы: картографические, статистические, дистанционного зондирования.
2.
Модели пространственных данных.
3. Аналого-цифровое преобразо-вание данных.
Заключение.
Слайд 41. Капралов, Е.Г. Основы геоин-форматики. В двух книгах. [Текст] / Е.Г. Капралов, А.В. Кошкарев,
В.А. Ти-кунов / Под ред. В.С. Тикунова. – М.: Академия, 2004. Книга 1, гл. 4. §§ 1-3.
Список литературы
Слайд 5ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ К ЗАЧЕТУ
Понятия: данные, информация, знания; различия между ними.
Основные источники
данных в ГИС и их типы.
Понятие базы данных. Разновид-ности баз данных.
Ввод данных. Технологии ввода.
Основные функции обработки и анализа данных в ГИС.
Разновидности растрового и век-торного представления данных.
Слайд 6ВВЕДЕНИЕ
Данные - факты и сведения, представленные в каком-либо формализованном виде.
Первичные
данные это дан-ные, полученные информацион-но - измерительной системой в определенный момент времени и поэтому они уникальны, т.е. не воспроизводимы.
Слайд 7В среде ГИС широко используются пространственные (географические) данные. Этот вид данных
харак-теризуется тремя главными компонен-тами: атрибутивными, географичес-кими и временными сведениями.
Слайд 8Атрибутивные сведения описыва-ют сущность, характеристики, пере-менные, значения; географические сведения описывают положение
эле-мента данных, временные сведения описывают момент или период вре-мени, связанный с этим элементом данных.
Слайд 9Источники пространственных дан-ных для ГИС - основа их информаци-онного обеспечения. В
стоимости раз-рабатываемых ГИС-проектов порядка 90% занимают расходы на приобрете-ние данных. По оценкам специалис-тов до 70% всех данных, которые составляют информационные ресур-сы наций, регионов, ведомств, имеют пространственную привязку, т.е. могут быть сопоставлены с определенными географическими координатами.
Слайд 10Информационное обеспечение ГИС остается крайне трудоемким делом. Это связано с тем,
для использования в среде ГИС требуется цифровая форма данных, а большинство данных находится в аналоговом виде (топографические карты, статисти-ческие табличные отчеты, тексты).
Слайд 11Для анализа и оценки различных типов источников данных, необходи-мо отметить их
общие свойства: про-странственный охват, масштабы, раз-решение, качество, форму существо-вания (аналоговая или цифровая), пе-риодичность поступления, актуаль-ность и обновляемость, условия и стоимость получения, доступность, форматы представления, соответст-вие стандартам.
Слайд 12Пространственным данным, их источникам, моделированию и преоб-разованию посвящена настоящая лек-ция.
Слайд 131. Источники данных и их типы: картографические, статистические, дистанционного зондирования
ГИС оперирует различными
упоря-доченными наборами данных. Среди них различают картографические, ста-тистические, аэрокосмические, которые преобразуются и вводятся в ГИС либо заимствуются из других геоинформаци-онных систем. Помимо этого могут быть использованы данные специально про-водимых полевых съемок, а также текс-товые источники.
Слайд 14
Картографические источники данных.
Использование географических и тематических
карт как источников исходных данных для формирования БД удобно и эффективно по ряду причин. Во-первых, атрибутивные характеристики, полученные из кар-тографических источников, имеют тер-риториальную привязку.
Слайд 15
Во-вторых, в них нет пропусков, «белых» пятен в пределах изобра-жаемой территории.
В-третьих, сейчас имеются техно-логии перевода этих материалов в цифровую форму. Картографические источники отличаются большим раз-нообразием: помимо общегеографи-ческих и топографических карт име-ются сотни типов тематических карт.
Слайд 16В настоящее время эта инфор-мация содержится в многочисленных каталогах хранилищ карт,
которые доступны и через Интернет.
Слайд 17Общегеографические карты делят-ся на: топографические (1:200 000 и крупнее), обзорно-топографические (от 1:200 000
до 1:1 000 000), обзорные (мельче 1:1 000 000). Примеры топо-карт приведены на рис. 1-3.
Слайд 18
Рис. 1. Топографическая карта района хребта Иремель. М 1:100 000
Слайд 19
Рис. 2. Обзорно-топографическая карта центральной части Челябинской области. М 1:500
000
Слайд 20
Рис. 3. Обзорная карта УрФО.
М 1:10 000 000 (в 1 см
100 км)
Слайд 21Тематическим картами являются:
- политические, административные;
- природы (геологические, геофизи-ческие, рельефа земной поверхности
и дна океанов, гидрологические, мете-орологические, почвенные, геоботани-ческие, зоогеографические и др.);
Слайд 22- экономики (общеэкономические, промышленности или сельскохозяй-ственного производства, трудовых ресурсов, лесного хозяйства,
транс-порта, строительства, торговли и др.);
- народонаселения;
- исторические и т.д.
Слайд 23В 90-е годы прошлого века в России была произведена значитель-ная работа
по преобразованию анало-говой информации общегеографичес-ких, топографических и геологических карт в цифровой (векторный) вид.
Слайд 24Для выполнения этих работ в Роскартографии были созданы цент-ры геоинформатики (Росгеоинформ,
ГосГИСЦентр, СевЗапГеоинформ, Сиб-геоинформ, Уралгеоинформ, Дальгео-информ), которые выполнили цифро-вание карт масштаба 1:1 000 000 и 1: 200 000. Результаты работы хранят-ся и поддерживаются в актуальном состоянии в Фонде цифровой карто-графической информации в ГосГИС-Центре.
Слайд 25Созданием цифровых карт практи-чески всех перечисленных типов занимаются в соответствующих ведомствах.
Например, геологические карты в цифровом виде создают региональные информационно-ком-пьютерные центры Министерства природных ресурсов.
Слайд 26Вся работа по созданию циф-ровых геологических карт выпол-няется с использованием нескольких
ГИС: ArcInfo, ArcView (ESRI, Inc.); Mapinfo Professional (Mapinfo Corp.); ГИС «Парк» (Ланэко); GeoGraph / GeoDraw (ЦГИ ИГ РАН).
Слайд 27Важным источником цифровой кар-тографической информации становится Интернет: это либо продажа данных
(в основном для навигационных систем (сайты Ингит, C-Map)), либо предостав-ление данных для размещения собст-венной информации (e-atlas.ru, nacarte.ru)
Слайд 28Статистические источники данных.
Другим важным источником дан-ных для ГИС являются статистичес-кие материалы,
имеющие цифровую форму. Особо следует выделить госу-дарственную статистику.
Слайд 29Основное ее назначение – дать представление об изменениях в хозяйстве, составе
населения, уровне его жизни, развитии культуры, нали-чии материальных резервов и их ис-пользовании, соотношении различ-ных отраслей хозяйства и т.д.
Слайд 30Для получения государственной статистики на территории страны обычно используется единая мето-дика
ее сбора; различные министер-ства проводят сбор собственных статистических материалов.
Слайд 31Для упорядочения всей совокуп-ности данных государственной служ-бой определены следующие отрасли статистики:
1) промышленности, 2) природных, 3) технического прог-ресса, 4) сельского хозяйства и заго-товок, 5) капитального строительства, 6) транспорта и связи, 7) торговли, 8) труда и заработной платы, 9) населе-ния, здравоохранения и социального обеспечения,
Слайд 3210) народного образования, науки и культуры, 11) бюджетов населения, 12) жилищно-коммунального
хозяйст-ва и бытового обслуживания населе-ния, 13) материально-технического снабжения и переписей, 14) финансов.
Каждая из отраслей характеризу-ется набором показателей.
Слайд 33Статистические материалы могут быть получены в Госкомстате России или взяты из
официальных статисти-ческих изданий, выпускаемых в традиционном и электронном виде, например: «Вопросы статистики» (ежемес.), «Статистическое обозрние» (ежекварт.), «Социально-экономичес-кое положение России» (ежемес.).
Слайд 34Ежегодно выпускаются статисти-ческие сборники «Россия в цифрах», «Регионы России», «Инвестиции в
России», «Труд и занятость в России», «Охрана окружающей среды в России» и др.
Слайд 35Данные дистанционного зондиро-вания являются одним из важных ис-точников данных для ГИС.
Это все ти-пы данных, получаемых с носителей космического и авиационного базиро-вания, а также фототеодолитная съемка, сейсмо- и электромагнито-разведка недр, гидроакустическая съемка рельефа морского дна и дру-гие способы, основанные на регистра-ции собственного или отраженного сигнала волновой природы.
Слайд 36Космические снимки начали пос-тупать с 60х годов. Виды материалов космической съёмки
разнообразны, так как существует две технологии их получения: фотографирование и ска-нирование. Дистанционное зондиро-вание осуществляется специальными приборами – датчиками, которые мо-гут улавливать отраженное или испус-каемое естественное излучение (пассивные) либо самостоятельно испускать сигнал и фиксировать его отражение (активные).
Слайд 37К пассивным относятся оптичес-кие или сканирующие устройства, которые действуют в диапазоне
отра-женного солнечного излучения (включая УФ, видимый и ближний ИК диапазон).
Слайд 38К активным – радарные устрой-ства, сканирующие лазеры, микровол-новые радиометры. Результаты дистанционных
измерений представ-ляют собой зарегистрированные в аналоговой или цифровой форме характеристики электромагнитного из-лучения, отраженного от участков зем-ной поверхности или собственного излучения этих участков.
Слайд 39Наиболее широкое применение находят снимки в видимом и ИК диапазоне. В
70-80х годах снимки советских спутников «Ресурс-Ф», «Об-лик», «Комета» с лучшими в мире ха-рактеристиками обеспечивали оте-чественных потребителей в доста-точном объеме.
Слайд 40Однако в 90-х годах запуски спут-ников почти прекратились из-за отсут-ствия финансирования.
В настоящее время информацию нашим потреби-телям предоставляют в основном зарубежные спутники двойного назна-чения и ресурсные спутники.
Слайд 41Таблица 1. Действующие спутники среднего и высокого разрешения
развития.
Слайд 42
Фотографирование проводится в видимом, инфракрасном и радиодиа-пазонах (микроволновом и ультрако-ротковолновом). ИК-диапазон
исполь-зуется для съёмки в ночных условиях и получения дополнительной инфор-мации по сравнению с видимым диа-пазоном, а радиодиапазон – для съём-ки в условиях сильной облачности.
Радиолокационное зондирование Земли используется для топографи-ческой съёмки рельефа.
Слайд 43В последние годы стали широко использоваться глобальные системы позиционирования, которые дают
воз-можность определять координаты с точностью до нескольких метров. В сочетании с портативными компью-терами со специализированным прог-раммным обеспечением обработки данных такие приемники можно ис-пользовать в полевых условиях. На рис. 4 и 5 показаны аэро- и космичес-кие снимки.
Слайд 44Рис. 4. Аэрофотоснимок района южнее г. Миасс.
Слайд 45Рис. 5. Космический снимок юга России и Средней Азии.
Слайд 462. Модели пространственных данных
Информационной основой ГИС являются цифровые представления (модели) реальности. ГИС
моделирует пространственные объекты.
Цифровая модель пространст-венного объекта - цифровое представ-ление объекта местности, содержащее его местоуказание и набор свойств (характеристик, атрибутов).
Слайд 47Множество цифровых данных о пространственных объектах образует пространственные данные, которые состоят
из позиционной и атрибутив-ной составляющих.
Базовые (элементарные) типы пространственных объектов:
- точка (точечный объект) - 0-мер-ный объект, характеризуемый плано-выми координатами;
Слайд 48линия (линейный объект) - 1-мер-ный объект, образуемый последова-тельностью точек с известными
пла-новыми координатами;
- пиксел (пиксель, пэл) - 2-мерный объект, элемент цифрового изобра-жения; элемент дискретизации коор-динатной плоскости в растровой мо-дели данных ГИС;
Слайд 49- область (полигон, контур, контур-ный объект) - 2-мерный (площадной) объект, внутренняя
область, ограни-ченная замкнутой последовательнос-тью линий, и идентифицируемая внут-ренней точкой (меткой);
- ячейка (регулярная ячейка) - 2-мерный объект, элемент разбиения земной поверхности линиями регуляр-ной сети;
Слайд 50- поверхность (рельеф) - 2-мерный объект, определяемый не только коо-рдинатами, но
и аппликатой Z, которая является атрибутом объекта; оболоч-ка тела;
- тело - 3-мерный (объёмный) объ-ект, описываемый тройкой (трип-летом) координат, включая аппликату Z, и ограниченный поверхностями.
Слайд 51Общее цифровое описание прост-ранственного объекта состоит из: наи-менования; указания местоположе-ния; набора
свойств (атрибутов) и др. (отношения с другими объектами, пространственное поведение).
Управление атрибутивными дан-ными осуществляется системой уп-равления базами данных (СУБД), по-зиционные данные управляются дру-гими средствами.
Слайд 52Связь между позиционной (гео-метрической) составляющей прост-ранственного объекта и его атрибу-тивной (описательной)
частью через идентификатор. В современных ГИС применяется также интегрированный подход, при котором оба вида данных хранятся и управляются в среде СУБД.
Слайд 53Способы организации цифровых описаний пространственных данных принято называть моделями прост-ранственных данных.
Существует три типа таких моделей: модели дискрет-ных объектов, непрерывных полей и сетей.
Слайд 54В практике геоинформатики определился набор базовых моделей пространственных данных, исполь-зуемых для
описания объектов раз-мерности не более двух: растровая, регулярно-ячеистая (матричная), квад-ротомическая, векторная. Этот список не содержит моделей трёхмерных данных, в частности рельефа.
Слайд 55Растровая модель данных
Растр (прямоугольная решётка) разбивает изображения на неделимые элементы пиксели
(picture element). Позиционная часть в матрице, семан-тическая часть - каждому пикселю со-поставляется характеристика – цвет.
Пространственные объекты в раст-ровой модели данных разбиваются на аналогичные пикселям элементы, упо-рядоченные в виде прямоугольной мат-рицы.
Слайд 56С каждым кодом пикселя может быть связан неограниченный по дли-не набор
(таблица) атрибутов, каждый из которых может быть развернут в производный слой с размерностью исходной матрицы.
Слайд 57Таким образом, становится не обязательным разделение данных на позиционную и семантическую
сос-тавляющие, отпадает необходимость в особых средствах хранения пози-ционной и атрибутивной частей данных, упрощаются аналитические операции, многие из которых сводят-ся к попиксельным операциям с набо-ром растровых слоев.
Слайд 58В ГИС растрового типа достаточно просто могут быть реализованы опе-рации пространственного
анализа, включая функции картографической алгебры. В ГИС растрового типа легко интегрировать программные продук-ты ГИС со средствами цифровой об-работки данных дистанционного зон-дирования, которые являются одним из важных источников данных для ГИС.
Слайд 59Существенным недостатком раст-ровой модели является значительный объём машинной памяти, которая требуется
для хранения данных. Для преодоления этого недостатка ис-пользуются способы сжатия данных.
Слайд 60Векторные модели данных (два типа) используются для цифрового представления точечных, линейных
и площадных объектов по аналогии с топографией.
Векторная нетопологическая модель.
Представление точечных, линей-ных, полигональных объектов по ана-логии с картографией.
Слайд 61Множество точечных объектов в слое представляется в виде последо-вательности записей, каждая
из кото-рых содержит идентификатор и коор-динаты X и Y. Линейные объекты описываются последовательностью координатных пар. Так же описыва-ются границы площадных (полиго-нальных) объектов.
Слайд 62В соприкасающихся полигонах об-щие стороны описываются дважды (модель «спагетти»).
Данная модель неэффективна,
поскольку избыточна. Положительнач сторона – она поддерживается недо-рогими программными средствами настольного картографирования.
Слайд 63Векторная топологическая модель
Эта модель возникла в связи с необходимостью описания
полиго-нальных объектов (линейно-узловая модель).
Слайд 64Топология - раздел математики, изучающий топологические свойства фигур, т.е. такие свойства,
которые не изменяются при любых деформациях, производимых без разрывов и скле-иваний (размерность, замкнутость, связность и др.).
Слайд 65Главные примитивы топологичес-кой модели: промежуточная точка; сегмент; узел; дуга; полигон.
Существует несколько
форм поли-гонов: простой, внутренний (остров, анклав), составной, универсальный (внешняя область). Описание полиго-на в векторной топологической моде-ли состоит из множества узлов, дуг и полигонов.
Слайд 66Сетевая модель
Эта модель позволяет решать специфические задачи, например, оптимизации перевозок,
планирова-ния маршрутов и диспетчеризации мобильных транспортных средств; управления сетями инженерных ком-муникаций: водо-, газо-, энергоснаб-жения.
Слайд 67Обычно программные средства ГИС поддерживают одну, реже две модели пространственных данных.
Слайд 683. Аналого-цифровое преобразование данных
Наличие цифровых карт на тер-риторию страны – одно
из условий успешной реализации крупных геоин-формационных проектов. Обычно создание таких карт выполняется в рамках национальных программ внед-рения средств автоматизации и циф-рового картографирования в соо-тветствующей отрасли.
Слайд 69Строго говоря, цифровая карта является не картой, а её цифровой моделью.
В
геоинформатике существует понятие цифровая карта - основа. Это карта, близкая по своему содержанию к карте-основе и используемая для позиционирования тематических сло-ёв пространственных данных в ГИС.
Слайд 70Наиболее распространена ЦКО в векторном формате. Цифрование происходит с помощью дигитайзера
с ручным обводом (использовались до середины 90-х годов) или методом сканирования оригиналов с после-дующей векторизацией.
Растровая ЦКО формируется ме-тодом сканирования топокарты.
Слайд 71Процесс аналого-цифрового пре-образования данных содержит три крупных блока: цифрование; обеспе-чение качества
оцифрованных мате-риалов; интеграция разнородных ци-фровых материалов.
Цифрование - процесс перевода исходных (аналоговых) картографи-ческих материалов в цифровую фор-му. Существует два его метода: дигитайзерный ввод и использование растрового изображения.
Слайд 72Для обеспечения качества оциф-рованных материалов необходимо подбирать свежую карту-основу дос-таточно крупного
масштаба, использо-вать данные ДЗЗ, а при необходимос-ти и уточнение ситуации на местности. Качество цифровой карты определя-ется рядом характеристик, важнейшие из которых: информативность, точ-ность, полнота, корректная внутрен-няя структура.
Слайд 73Корректность внутренней струк-туры означает точное совпадение кон-туров различных слоёв цифровой карты.
Кроме того, показателем кор-ректной структуры ЦК является спо-собность обеспечить решение перс-пективных задач, т.е. задач, которые не ставились в момент написания технического задания.
Слайд 74Интеграция разнородных цифро-вых материалов проводится с целью создания единой цифровой картогра-фической
основы (ЕКО). Этот процесс заключается в согласовании разно-родных информационных слоев (тематических карт) по системе ко-ординат, территориальному охвату, масштабу, формату, системам услов-ных знаков и т.д.
Слайд 75Тематические карты одинакового масштаба имеют разную степень генерализации. Это различие возрас-тает
при использовании тематических карт разного масштаба. Поэтому мас-штаб тематических карт, используе-мых для создания ЕКО, не должен отличаться более чем в 10 раз.
Слайд 76З А К Л Ю Ч Е Н И Е
На занятии
вы познакомились с типами источников данных ГИС, спо-собами их цифрового моделирования и методами создания единой цифро-вой картографической основы.