2.2. Источники данных и их типы
Среди источников данных, широко используемых в геоинформатике, наиболее часто привлекаются картографические, статистические и аэрокосмические материалы. Помимо указанных материалов гораздо реже используются данные специально проводимых полевых исследований и съемок, а также текстовые источники. Важный признак используемых данных - в какой цифровой или нецифровой (аналоговой) форме получается, хранится и используется тот или иной тип данных, от чего зависят легкость, стоимость и точность ввода этих данных в цифровую среду ГИС .
Использование географических карт как источников исходных данных для формирования тематических структур баз данных удобно и эффективно по ряду причин. Сведения, считанные с карт, обладают следующими достоинствами:
имеют четкую территориальную привязку,
в них нет пропусков, “белых пятен” в пределах изображаемой территории,
они в любой своей форме возможны для записи на машинные носители информации.
Картографические источники отличаются большим разнообразием кроме общегеографических и топографических карт насчитываются десятки и даже сотни типов различных тематических карт.
Следует отметить особую роль серий карт и комплексных атласов, где сведения приводятся в единообразной, систематизированной, взаимосогласованной форме; по проекции, масштабу, степени генерализации, современности, достоверности и другим параметрам. Такие наборы карт особенно удобны для создания тематических баз данных. Прекрасным примером может служить трехмерный Атлас океанов, содержащий подробные сведения о природных условиях, физико - химических параметрах, биологических ресурсах Мирового океана, представленных на сериях карт разной тематики, разновременных и разновысотных (глубинных) среСледует отметить особую роль серий карт и комплексных атласов, где сведения приводятся в единообразной, систематизированной, взаимосогласованной форме; по проекции, масштабу, степени генерализации, современности, достоверности и другим параметрам. Такие наборы карт особенно удобны для создания тематических баз данных. Прекрасным примером может служить трехмерный Атлас океанов, содержащий подробные сведения о природных условиях, физико - химических параметрах, биологических ресурсах Мирового океана, представленных на сериях карт разной тематики, разновременных и разновысотных (глубинных) срезов.
Одним из основных источников данных для ГИС являются материалы дистанционного зондирования. Они объединяют все типы данных, получаемых с носителей космического (пилотируемые орбитальные станции, корабли многоразового использования типа ”ШАТТЛ”, автономные спутниковые съемочные системы и т.п.) и авиационного базирования (самолеты, вертолеты и микроавиационные радиоуправляемые аппараты) и составляют значительную часть дистанционных данных (remotely sensed data) как антонима контактных (прежде всего наземных) видов съемок, способов получения данных измерительными системами в условиях физического контакта с объектами съемки. К неконтактным (дистанционным) методам съемки помимо аэрокосмических относятся разнообразные измерительные системы морского (наводного) и наземного базирования, включая например фототеодолитную съемку, сейсмо - , электро - магниторазведку и иные методы геофизического зондирования недр, гидроакустические съемки рельефа морского дна с помощью гидролокаторов бокового обзора, иные способы, основанные на регистрации собственного или отраженного сигнала волновой природы.
Материалы аэрофотосъемки используются в основном для топографического картографирования, также широко применяется в геологии, в лесном хозяйстве, при инвентаризации земель. Космические снимки начали поступать с 60 - х годов и к настоящему времени их фонд исчисляется десятками миллионов.
В последние годы в среде ГИС широко используются портативные приемники данных о координатах объектов с глобальной системы навигации (позиционированная) GPS , дающие возможность получать плановые и высотные координаты с точностью от нескольких метров до нескольких миллиметров, что в сочетании с портативными персональными ЭВМ и специализированным программным обеспечением обработки данных с системы GPS позволяет использовать их для полевых съемок в условиях необходимости их сверхоперативного выполнения (например, при ликвидации последствий стихийных бедствий и техногенных катастроф).
Обратившись к статистическим материалам, имеющим цифровую форму, можно сказать, что они удобны для непосредственного использования в ГИС , среди которых особое место занимает государственная статистика. Основное ее предназначение - дать представление об изменениях в народном хозяйстве, составе населения, уровне его жизни, развитии культуры, учете недвижимости, наличии материальных резервов и их использовании, соотношении в развитии различных отраслей хозяйства и др.
Для получения государственной статистики на территории страны обычно используется единая методика ее сбора. В России кроме Госкомстата страны эту работу проводят также некоторые отраслевые министерства, например Министерство путей сообщения о железнодорожном транспорте и т.д. Статистическая отчетность различается по периодичности, она может быть суточной, недельной, полумесячной, квартальной, полугодовой и годовой. Кроме того, отчетность может быть и единовременной.
Для упорядочения всей совокупности данных государственной службой определены показатели по отраслям статистики. В качестве таких групп в нашей страДля упорядочения всей совокупности данных государственной службой определены показатели по отраслям статистики. В качестве таких групп в нашей стране использовались отрасли статистики:
1) промышленности;
2) природных ресурсов и окружающей среды;
3) технического прогресса;
4) сельского хозяйства и заготовок;
5) капитального строительства;
6) транспорта и связи;
7) торговли;
8) труда и заработной платы;
9) населения, здравоохранения и социального обеспечения;
10) народного образования, науки и культуры и т. д.
3. Специализированная геоинформационная система ABRIS-Cadastr
Геоинформационные системы являются сегодня важным инструментом сбора и планирования географических объектов. Существующие сегодня в мире ГИС можно достаточно четко разбить на три основных категории:
Мощные полнофункциональные ГИС на основе рабочих станций на UNIX -системах и RISC -процессорах. ГИС средней мощности ( или ГИС с редуцированными возможностями) класса MAPINFO на PC -платформе.
Программы строящиеся по принципу ГИС и имеющие малые потребности в ресурсах ЭВМ.
Последние обычно более узкоспециализированные, ориентированные на конкретный рынок работ. К таким системам относится ABRIS-Cadastr. Эта система ориентирована на обработку данных инвентаризации земель. Благодаря ей можно, введя информацию, оперативно получать все необходимые справочные данные установленной формы.
ГИС ABRIS-Cadastr одна из ГИС семейства ABRIS, разрабатываемых в Московском Университете Геодезии и Картографии с 1993 года.
Данная система служит целям земельного кадастра. Она позволяет вводить картографическую информацию снятую с помощью дигитайзера либо из файлов полученных GPS -приемниками. На основании информации можно вести оперативный учет земель и проводить сравнение учетных данных и результатов измерений, получать документы в виде распечаток (ведомости вычисления площадей, сравнительные ведомости занимаемых земель по учетным данным и по результатам измерений, ведомости вычисленных площадей, экспликация земель, планы различных масштабов и др.). Существует возможность редактирования и изменения как графической, так атрибутивной информации. Это позволяет всегда иметь обновленные данные.
В целом, ABRIS-Cadastr позволяет быстро и удобно автоматизировать работы в области земельного кадастра, хранить данные земельного кадастра в электронном виде. Контрольные вопросы :
1. Функции и компоненты геоинформационной системы.
2. Классификация ГИС.
3. Разновидности данных для ГИС.
Глава Ш. Современное состояние процесса автоматизации в цифровой картографии.
Работы по автоматизации в тематической картографии в настоящее время зависят и опираются в первую очередь на технические средства, используемые для этих целей, и знания, формализованные при помощи математики.
В основном автоматизация коснулась процессов, требующих больших вычислительных и временных ресурсов, а также многих черновых работ, которые приходилось выполнять в картографии ранее. Однако, всем этим процессам присуще одно свойство - четкая алгоритмизация.
Именно это не позволяет, и скорее всего не позволит в ближайшие годы, решить многие, наиболее важные проблемы цифровой картографии. В первую очередь это касается автоматического чтения информации, процесса генерализации, некоторых других вопросов. Т.е. всех тех задач, при решении которых мы не можем описать четкую последовательность элементарных шагов, приведших к решению, и используем наши собственные субъективные ощущения. Успех в автоматизации этих задач зависит от прогресса в области распознавания образов и искусственного интеллекта.
Хотя, конечно, постоянно ведутся исследовательские работы по созданию более совершенных алгоритмов и новых технических средств, способных взвалить на себя больший груз проблем, связанный с интеллектуальной деятельностью человека, до решения этих проблем еще далеко.
Средства автоматизации в цифровой картографии условно можно разделить на две группы: аппаратные и программные.
К аппаратным средствам относится все оборудование, используемое на различных этапах технологического цикла создания карт. Это ЭВМ, сканеры, дигитайзеры, плоттеры, принтеры, видеотерминалы и различные специализированные устройства для выполнения некоторых узких задач (цветоделители, фотонаборные автоматы и т.д.).
Однако, существует тенденция - заменять специализированные устройства соответствующим программным обеспечением (ПО). Цифровая картография становится все более "цифровой".
Преимущество аппаратных средств перед программными состоит в том, что они выполняют свои функции иногда намного быстрее, но они дороги, а по мере увеличения мощности ЭВМ разница в скорости исчезает. По-видимому, единственными специализированными устройствами, которые никогда не исчезнут, кроме самой ЭВМ, обеспечивающей функционирование программных средств, будут устройства ввода-вывода, без которых диалог человека с машиной невозможен. Сейчас устройствами, автоматизирующими ввод, являются сканеры, устройства фото- и телеввода, позволяющие в короткое время вводить в ЭВМ изображения в растровой форме: дигитайзеры различных конструкций и автоматические отслеживатели, используемые для ввода исходной графической информации в векторной форме.
Устройства для ввода растровой информации выгодно отличаются от других тем, что позволяют быстро и точно перенести графические образы в ЭВМ и сразу же отказаться в дальнейшем от бумажной технологии. При этом достигается высокая степень автоматизации: современные промышленные сканеры требуют минимального участия человека в процессе работы благодаря автоматической подаче материала, настройке, цифровой фильтрации, сжатию и передаче информации.
При этПри этом важной особенностью такого способа является то, что вводимые данные представляют собой просто описание графического образа карты без указания на смысловое значение каждого элемента изображения. Те объекты, которые мы видим на карте, на изображении в растровом формате нет. Они существуют только в нашем сознании, интерпретирующем группы пикселов, связывая их в какой-то целостный объект. Реально такой связи в растровых данных нет, все пикселы равноценны между собой и отличаются только цветом или яркостью. Поэтому машина не может непосредственно интерпретировать растровое изображение. Вот почему такие данные необходимо для дальнейшей обработки перевести в векторный формат. Но недостаток такого способа то, что преобразованная информация еще никак не обработана в содержательном плане, имеет малое количество семантических атрибутов и требует дальнейшего распознавания и множества операций по обработке.
Напротив, устройства для ввода информации в векторном виде позволяют одновременно с вводом произвести все необходимые операции по идентификации объектов и их оцифровке. Причем, данные в ЭВМ передаются практически в том самом виде, в каком они и будут храниться как ЦК, а поэтому требуют минимальной дальнейшей обработки.
При кажущемся преимуществе этот способ имеет свой недостаток: он требует большого количества человеческого труда, менее поддается автоматизации из-за наличия в нем большего количества электромеханических компонентов. Сравним хотя бы сложность создания программы - автоматического отслеживателя линий и устройства, преследующего ту же цель.
Несмотря на всю громоздкость оборудования для ввода информации в векторном виде, его дороговизну, малую производительность и значительное участие человека в процессе работы, способ ввода информации в растровом виде с последующей автоматической обработкой и преобразованием в векторный формат тоже пока не получил должного распространения из-за сложности создания программ, способных автоматических распознавать и преобразовывать графическую информацию. Поэтому в настоящее время существуют оба способа первичного ввода графической информации в ЭВМ. Хотя, анализируя развитие современной науки и техники, предпочтение следует отдать растровым устройствам ввода изображений. Тем более, что в настоящий момент активно развивается гибридный способ ввода картографической информации в ЭВМ, использующий именно эти устройства. Он предполагает преобразование изображения на физическом носителе в растровую форму с последующей записью цифрового кода на машинный носитель. После этого изображение векторизуется способом, похожим на применяемый при работе с дигитайзером, в ручном, полу- и автоматическом режиме. Изображение контролируется на экране видеотерминала. При этом достигаются преимущества, даваемые обоими вышеописанными методами, и одновременно частично компенсируются их недостатки: уменьшается громоздкость оборудования, его общая стоимость, осуществляется переход на "безбумажную" технологию, увеличивается возможность автоматизации процессов, растет точность и производительность труда.
К устроК устройствам, автоматизирующим вывод информации, относятся графические видеотерминалы, матричные, струйные и лазерные принтеры, графопостроители (плоттеры). Все они используются в различных случаях.
Для быстрого динамического вывода картографической информации без ее дальнейшего сохранения и с высокой изобразительной способностью используются всевозможные типы графических видеотерминалов. Для быстрого получения твердых копий карт в зависимости от требований к качеству, скорости и материалу носителя применяют разные типы принтеров. А для получения высококачественных материалов для долговременного пользования применяют графопостроители.
В качестве ЭВМ, используемых в современной цифровой картографии, существовали попытки использовать все наиболее известные типы ЭВМ и аппаратные платформы. Зачастую в автоматизированных комплексах используются и персональные компьютеры, и рабочие станции, связанные в ЛВС (локальную вычислительную сеть) и имеющие выход на мейнфрейм, осуществляющий централизованное хранение и обработку информации.
Программное обеспечение, управляющее всеми устройствами и выполняющее многочисленные операции по сбору, хранению и обработке картографической информации, постоянно совершенствуется. Автоматизация в цифровой картографии в наибольшей степени зависит от того, какое ПО разработано и используется на данный момент. Учитывая, что в последние годы наметилась тенденция использования в цифровой картографии не специализированного картографического, а стандартного компьютерного оборудования, ясно, что все специальные функции ложатся на программное обеспечение и его роль в автоматизации картографии достигла практически 100 процентов.
Современное ПО позволяет производить предобработку введенного изображения для повышения его качества, автоматизирует процесс перевода его в форму ЦК, управляет сложными базами картографических данных, представляющими из себя огромное количество информации.
Это ПО дает в руки пользователей мощные аналитические возможности для пространственного анализа информации. Существуют прикладные пакеты, позволяющие моделировать различные процессы природной среды (например, рельефообразующие) и использовать данные моделирования в картографировании явлений.
Велико значение программных систем, используемых в производстве карт. Цветоделение, расчет различных проекций и автоматический подбор лучшей для заданного участка местности, выбор оптимальной компоновки листа и оформления - вот далеко не полный список операций, производимых ПО уже в наше время и поднимающих технологию производства на качественно иной уровень.
Поэтому сегодня хорошо видно повышение роли человека-картографа в автоматизированных комплексах, где его труд применяется для решения каких-то принципиальных вопросов, а рутинные операции возлагаются на технику.
Контрольные вопросы :
1. Провести анализ современного состояния процесса автоматизации при создании цифровой топографической основы для автоматизированных информационных систем государственного кадастра недвижимости.
Глава IV. Технические и программные средства преобразования картографической информации в цифровую форму и ее обработки.
Описав общие особенности и принципы автоматизации в цифровой картографии, попытаемся сделать небольшой обзор конкретных технологических схем, предлагаемых сегодня производителями. Все они базируются на основе ГИС.
Сейчас широко распространено понимание того, что ГИС - это не класс или тип программных систем, а группа технологий, базовая технология ("umbrella technology") для многих компьютерных методов и программ, относящихся к работе с пространственными данными.
ГИС имеет тесные взаимосвязи (отчасти генетические) со многими типами программных средств. С одной стороны, это графические средства САПР, векторные графические редакторы, с другой - реляционные СУБД.
Данное обстоятельство объясняет, почему наряду с полностью самостоятельными системами существуют ГИС, базирующиеся на этих средства. Яркие примеры - MGE, корпорации INTERGRAPH, использующая графический редактор MicroStation и СУБД типа Oracle и ArcСAD (ESRI, Inc.), созданная на основе AutoСАD и внешней СУБД, совместимой с dBASE.
На современном рынке предлагаются ГИС практически для всех компьютерных платформ. В 1993 году число предлагаемых ГИС-пакетов составило около 400, с базовой ценой от $50 до $250,000. В основном цены колеблются в пределах от $400 до $60,000. Разумеется, в большинстве своем предлагаются специализированные системы, разрабатываемые мелкими фирмами. Реально на рынке полнофункциональных ГИС (full GIS) общего назначения серьезных игроков не так много - не более 20. В основном ПО для ГИС разрабатывают специализированные фирмы, только в некоторых случаях это продукты крупных фирм, для которых ГИС - не основной продукт (Intergraph, IBM, Computervision, Westinghouse Electric Corp., McDonnel Douglas, Siemens Nixdorf). По числу инсталляций и по числу известных пакетов резко преобладают ПК (MS-DOS, MS Windows) и UNIX рабочие станции.
Конечно, областью распространения полнофункциональных ГИС общего назначения сейчас в мире являются почти исключительно рабочие станции с UNIX. На ПК функционируют в основном системы с редуцированными возможностями (РС ARC/INFO) или даже не "full GIS", а продукты класса "desktop mapping" (типичный пример - MapInfo). Это определяется, отчасти, спецификой пользователей ПК, которые обычно являются конечными (а для них полноценная система может оказаться "тяжеловесной"). Но главная причина - требования к аппаратуре.
Серьезные проекты с использованием ГИС требуют работы с большими объемами данных - часто необходимо иметь диск емкостью не менее 1 Гбайт. При использовании в ГИС растровых изображений, их обработке требования к величине RAM, ее быстродействию еще более ужесточаются, т.к. требуется обработка в режиме, максимально приближенном к режиму реального времени.
Современные рабочие станции еще кое-как справляются с такой задачей, для ПК же она еще слишком трудна. Вот почему все известные ГИС-пакеты (Arc/Info, MGE и т.д.) в полном объеме функционируют пока только на станциях с RISC-архитектурой. Практически под "всеми известными ГИС" следует понимать как раз эти две (AСовременные рабочие станции еще кое-как справляются с такой задачей, для ПК же она еще слишком трудна. Вот почему все известные ГИС-пакеты (Arc/Info, MGE и т.д.) в полном объеме функционируют пока только на станциях с RISC-архитектурой. Практически под "всеми известными ГИС" следует понимать как раз эти две (Arc/Info), т.к. при общем доходе от продаж ГИС в мире в 1993 году, составившим $46,000,000, доход ESRI (Arc/Info) составил $126,015,000 (27,10%), а INTERGRAPH (MGE) - $117,180,000 (25,20%). Для сравнения - доходы других компаний не составили >5,5%. Кроме продуктов, относящихся в той или иной степени к ГИС, существует рынок более простых и более специализированных систем, предназначенных исключительно для конвертирования растрового изображения в векторный формат. Следует отметить популярные пакеты I/RAS B, I/RAS C, I/RAS 32, I/GEOVEC, I/VEC (производимые Intergraph Corporation), OptiDRAFT Workstation и MAGNUS (производства Optigraphios Corporation), CADCore Hybrid и CADCore Tracer (Information & Graphios Systems, Inc.), GTX Raster CAD и Expert Conversion Series (GTX Corporation) и ScanEdit (SCAN-GRAPHICX, Inc.). Все фирмы, представленные здесь списком своих продуктов, отличаются стабильным финансовым положением, за исключением, может быть, GTX Corp., что гарантирует в будущем поддержку, сопровождение и модернизацию продуктов. Цены на предоставленные ПО находятся в пределах от $1,995.00 у GTX Raster CAD (программа интерактивной дигитализации для РС) до $15,000.00 у I/VEC (ПО автоматического преобразования, работающее в пакетном режиме, для Intergraph UNIX-workstation).
Это ПО способно выполнять гибридное растрово-векторное редактирование и дигитализацию в различных режимах (ручной, полуавтоматический, автоматический). Базируется в основном на РС и заметная доля на Sun SPARCstation. Среди других платформ - DEC, HP, RISC 6000.
Для рассмотрения остановимся подробнее на технологии фирмы INTERGRAPH, как одной из наиболее передовых фирм в области геоинформатики. Один из ключевых моментов этой технологии - преобразование исходных документов в растровую форму, попросту говоря - сканирование. В процессе работы сканера данные в форме изображения на документе преобразовываются в компьютерный файл, который может быть отредактирован, воспроизведен, передан по сети, отпечатан или архивирован. Сканерный механизм использует узкий пучок света для получения сканированного изображения, которое может представляться в цветном (чаще RGB), полутоновом (серая шкала) и бинарном виде. Но в процесс сканирования нужно также включить все возможные операции, вовлекаемые в перевод изображения на документе в компьютерный формат, пригодный для использования. А это, кроме непосредственно считывания информации сканирующим механизмом, процесс корреляции, квантования, сжатия, преобразования данных, их передачи в компьютер и, наконец, файловые манипуляции для создания соответствующего файла. Некоторые из этих операций выполняются аппаратно схемами, встроенными в сканер. Другие осуществляются чисто программным путем. Баланс между ними определяет стоимость и производительность системы, причем зависимость обратно пропорциональная. Ранние, а также более дешевые модели все операции, кроме, разве что, считывания светового сигнала и яркостной коррекции, проводимой для компенсации неоднородностей при освещении соседних элементов изображения, возлагали на компьютер, поглощая его вычислительные и другие ресурсы. Современные промышленные сканеры производства одного из подразделений Intergraph (ANA Tech), все операции по обработке совершают автономно, а в компьютер передают данные уже в формате записываемого файла. Таким образом, экономится место на диске - от единиц до нескольких тысяч мегабайт (в зависимости от размера документа, изображения на нем и режима сканирования). Уменьшается время на обработку документа, освобождается процессор, что очень важно в многозадачных средах и при работе компьютера в сети.
До недавнего времени все программные продукты фирмы INTERGRAPH, базировались только на своем "железе" (Intergraph UNIX-station), и только у I/RAS B существовали версии для РС и Sun. Однако, в настоящее время корпорация сделала ставку на процессоры Intel и ОС Microsoft Windows NT. Intergraph и дальше будет поддерживать и развивать приложения для ОС UNIX, но акцент будет перенесен на платформу Intel + Windows NT из-за присущего ей лучшего отношения цена/производительность.
Все приложения базируются на векторном графическом редакторе MicroStation. Более того, они выполняются в среде MicroStation и написаны на MDL, встроенном языке разработки приложений. MicroStation поддерживает наиболее совершенные сети, объединяя пользователей в DOS, Windows NT, Macintosh, UNIX и VAX. Пользовательский интерфейс удовлетворяет установленному Фондом Открытого Программного обеспечения (OSF) стандарту Motif. Плюс ко всему этот мощнейший в мире редактор может быть соединен такими мощными СУБД, как Informix и Oracle. Все это позволяет с легкостью строить сложные интегрированные системы, собирая, как бы из кубиков, необходимую конфигурацию из продуктов, исполняемых в единой среде. Спектр приложений, предлагаемых фирмой INTERGRAPH, покрывает весь набор задач, с которыми приходится сталкиваться, создавая и используя автоматизированную картографическую систему. Это приложения для ввода картографической информации в ЭВМ, трансформирования, управления и сложного анализа введенных данных, для обработки аэрокосмических изображений и для стереофотограмметрических измерений. Сюда можно включить пакеты для геодезии, а также специализированные приложения, ориентированные на издание карт и моделирование физических процессов природной среды.
Вообще преимуществом этой технологии является то, что все компоненты от необходимого оборудования (сканеры, дигитайзеры, вычислительные системы, др. периферия) до сервисных утилит производятся корпорацией INTERGRAPH, а поэтому не возникает проблем при интеграции этих компонентов друг с другом из-за несовместимости. При этом нет опасности монополии поставщика, так как большое число независимых фирм разрабатывает и предлагает аппаратные и программные продукты, совместимые с этой технологией.
