Министерство образования и науки Украины
Черниговский государственный педагогический университет имени Т.Г.ШЕВЧЕНКО. Шевченко
Кафедра ботаники, зоологии и охраны природы
КУРСОВАЯ РАБОТА
Геоинформационные системы как системы изучения, анализа и оценки влияния экологических факторов на окружающую среду
Выполнила: студентка группы 45
Бусел Н.М.
Научный руководитель: к.б.н., доц. кафедры
ботаники, зоологии и охраны природы
Карпенко Ю.А.
Чернигов — 2007
СОДЕРЖАНИЕ
ВСТУПЛЕНИЕ
ГЛАВА 1 Понятие о геоинформационные технологии, их классификация и место в современной экологии
1.1 Понятие о ГИС
1.2 Классификация ГИС
1.3 Геоинформационные системы в экологии
РАЗДЕЛ 2 Концептуальное моделирование геоинформационных систем в системе мониторинга
2.1 Понятие о концептуальное моделирование
2.2 Парадигмы в технологии обработки геопространственных данных
2.3 Концептуальная модель обобщенной ГИС
2.4 Концептуальное моделирование геопространственных данных
2.5 Трехуровневая архитектура геоинформационных систем
РАЗДЕЛ 3 Геоинформационные системы новый шаг в исследовании земельных ресурсов
ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ВСТУПЛЕНИЕ
Развитие современных технологий предусматривает компьютеризацию практически всех систем анализа и наблюдения. Новый век технического развития характеризуется появлением геоинформационных систем (ГИС). Геоинформационные технологии, ГИС-технологии — технологическая основа создания географических информационных систем, позволяющих реализовать их функциональные возможности. Для создания и функционирования ГИС необходимые компьютерная техника, соответствующее программное обеспечение, исходные данные, включая атрибутивные, и, конечно же, люди, что умеют не только пользоваться компьютером и программным обеспечением, а осмысленно с их помощью оперировать информацией, в частности, что имеет и пространственную составляющую.
В современных ГИС появилась возможность трехмерного представления территории. Трехмерные модели объектов, которые внедряются в 3-мерный ландшафт, спроектированный на основе цифровых картографических данных и материалов дистанционного зондирования, позволяют повысить качество визуального анализа территории и обеспечивают принятие взвешенных решений с большей эффективностью. Современные геоинформационные системы и основанные на них технологические решения нужны не только крупным регионам, городам или предприятиям и ведомствам с разбросанными на обширной территории объектами, но и небольшим населенным пунктам, которые пока, как правило, слабо вовлечены в процессы геоінформатізації.
Цель работы заключается в том, что проанализировать место геоинформационных систем в системе современного экологического исследования состояния окружающей природной среды.
Задачи работы:
1) рассмотреть понятие о геоинформационные технологии, их классификация и место в современной экологии;
2) проанализировать суть концептуального моделирования геоинформационных систем в системе мониторинга;
3) охарактеризовать возможности использования геоинформационных систем в исследовании земельных ресурсов.
ГЛАВА 1 Понятие о геоинформационные технологии, их классификацию и место в современной экологии
1.1 Понятие о ГИС
Понятие «геоинформатика», «географическая информационная система» анализируются во многих публикациях [1,4,13]. На страницах научной периодики и в монографиях продолжается дискуссия — чего больше в геоинформатике: географии, геодезии, математике или информатике? Не вступая в дискуссию, остановимся на определениях, которые наиболее полно раскрывают проблему. Речь идет об новую предметную сферу — геоинформатику, в названии которой определяется как сам гіперскладний объект исследования в виде геосистемы, так и комплексный метод его исследования на основе компьютерных информационных технологий.
Предметом геоинформатики, как и географии, является географическая оболочка Земли толщиной в несколько километров (атмосфера, литосфера, гидросфера, биосфера), а также процессы взаимодействия всех ее составляющих. Учитывая роль и влияние человека на природу, в геосистему включают также соціосферу и техносферу. К фундаментальных методов и принципов географического подхода в изучении геосистемы относят: територіальність, комплексность, конкретность и глобальность на основе использования общей для географической науки картографической языка [3, 57].
Информатика изучает закономерности и методы сбора, накопления, передачи и обработки информации с использованием электронных вычислительных машин [5, 8]. Исходя из этого, можно конкретизировать предмет и задачи геоинформатики, которые заключаются в исследовании информационных потоков о геосистему, в изучении закономерностей и методов сбора, накопления, передачи и обработки информации об объектах и явлениях геосистемы с использованием компьютерных технологий. Сущность геоинформационного метода исследования заключается в реализации методов и принципов географического подхода к изучению геосистемы на основе информационных технологий сбора данных, создание компьютерных баз знаний и баз геопространственных данных, программных средств пространственного анализа и моделирования, а такожмови взаимодействия в системе «человек — компьютер» за электронными картами и комбинированными геозображеннями.
Геоинформатика, которая имеет корни в двух метанауках (география и информатика), также рассматривается как метанаука, поскольку она многоаспектная за своим применением в информационном моделировании различных явлений и объектов, характеризующихся пространственно-временными свойствами, а также имеет много разделов, где изучаются и разрабатываются специальные методы и системы обработки и использования геопространственных данных [4].
Геоинформационные системы является практически-целевым продуктом геоинформатики, организационно-технологической средой активизации геоинформационных ресурсов локальных территорий, регионов, стран и мира в целом. ГИС рассматривают как совокупность средств информационных технологий для сбора геопространственных данных, создание и использование цифровых моделей геосистемы с применением всего арсенала методов и средств компьютерной обработки и визуализации информации, формализации и накопления знаний, в том числе и на основе коммуникативной мощности информационных сетей.
ГИС предоставляет географам (а точнее — всем геоспеціалістам: геодезистам, геологам, геофизикам, картографам и многим другим) такие средства обработки пространственной информации, «которые они искали на на протяжении 2000 лет. ГИС является одновременно телескопом, микроскопом, компьютером и копировальной машиной для целей регионального анализа и синтеза»[15]. Но применение геоинформационных систем не ограничивается чисто географическими проблемами, уже сегодня они потенциально способны обеспечить пространственно-временной информацией все звенья моделирования и управления в различных сферах профессиональной деятельности (управление территориями, военное дело, кадастры природных ресурсов и недвижимости, экология, навигация и транспорт, градостроительства и др.). Благодаря ГИС возрастает роль географической информации как общечеловеческого и социального предмета потребления.
1.2 Классификация ГИС
Исходя из высокой степени междисциплинарности ГИС, в основу классификации можно положить такие группы признаков (рис. 1):
по назначению — целевое использование и характер задач, решаемых;
по проблемно-тематической ориентацией — сфера применения;
по территориальному охвату — размер территории, которая представлена в базе геопространственных данных;
по преобладающим способом организации геопространственных данных — форматы ввода, хранения, обработки и отображения географической информации;по степени доступа и использования геопространственных данных — уровень информационных сетей, в среде которых функционирует система (от глобальных до локальных вычислительных сетей — ЛВС).
Рис. 1. Типы ГИС по классификационным признакам.
Эта система образует признаков п'ятивимірний пространство классификации ГИС, в котором определенная геоинформационная система может быть ассоциирована с точки, координаты которой соответствуют классификационным признакам геоинформационной системы. Так, кадастровая ГИС может быть опытной, охватывать территорию определенного региона, базироваться преимущественно на векторных форматах пространственных данных и иметь доступ к корпоративной сети.
1.3 Геоинформационные системы в экологии
Становление экологического управления и регулирования экологических процессов требует серьезной технической поддержки и использования современных технологий для решения задач разного плана и разного масштаба, связанных с охраной окружающей среды на уровнях от локального до общенационального. Трудно отрицать тот факт, что подавляющее большинство информации имеет географический аспект и поэтому ее можно пространственно анализировать и наглядно представлять в виде карт, схем, диаграмм, графиков и рисунков. Для эффективного анализа и визуализации пространственной информации существуют мощные средства — геграфічні информационные системы (ГИС), которые не только позволяют создавать электронные карты на основе високовмісних баз данных, но с помощью разнопланового анализа имеющейся пространственной информации решать проблемы различной сложности в отраслях
· охраны окружающей природной среды
· управление использованием природных ресурсов
· экологического менеджмента.
Опыт показывает, что использование ГИС технологий от фирмы ESRI делает управление в области охраны окружающей среды значительно эффективнее и позволяет решать задачи быстро, творчески, грамотно, на основе данных, которые постоянно обновляются.
Геоинформационные системы и технологии — это современные компьютерные технологии для картографирования и анализа объектов природы, а также событий, происходящих на планете, в нашей жизнедеятельности; это важное средство понимания состояния окружающей среды и управления им. В мире ГИС разрабатываются с начала 70-х годов XX в. и широко используются в ландшафтной архитектуре и генеральном планировании.
Геоинформационные системы позволяют быстро и комплексно интерпретировать накопленную информацию, манипулировать ею, оперативно ее обновлять и анализировать, сочетать с принятием управленческих решений на различных уровнях: локальном, региональном, глобальном.
Как образно-знаковые геоинформационные модели действительности ГИС основываются на автоматизации информационных процессов, базах картографических и аэрокосмических данных. ГИС позволяют обрабатывать значительный объем фактических и картографических данных, анализировать их согласовано с конкретными объектами и территориями. Главная ценность такой информационной системы с позиции управления заключается в возможности привязки всех данных до объекта с координатами х, у, (г), автоматического увеличения или уменьшения масштаба карт. При геоекологічному менеджменте ГИС существенно облегчают процесс принятия решений.
В Украине первые попытки создания ГИС осуществлен в конце 70-х годов XX ст. Одна из них — это разработка градостроительной информационной системы для Киева, в которой планировалось возвести информацию о природные условия системы город-пригород, представить обобщенные данные об объекте, составить мікрокліматичну карту, выполнить расчеты температуры, скорости ветра, распространение зон выбросов промышленных предприятий на определенной площади при различных метеорологических условий.
Ныне в Украине ГИС-технологии получили широкого развития. Государственными учреждениями разработаны тематические векторные карты масштаба 1 : 200 000 для всей страны и 1 : 50 000 для отдельных территорий.
ГИС широко внедряются в управление заповедными территориями. Так, в Канаде в штате Альберта создается ГИС для заповедников; было признано, что она эффективна для менеджмента в 41 сфере, в том числе для анализа собственности на землю, управления финансами, экологической оценки территорий, определение стабильности экосистем и т.д.
В Украине есть практика применения ГИС в управлении заповедными территориями — Карпатского национального природного парка, заповеднике Расточье; разработан менеджмент-план водно-болотных угодий Сиваша.
РАЗДЕЛ 2 Концептуальное моделирование геоинформационных систем в системе мониторинга
2.1 Понятие о концептуальное моделирование
Концептуальное моделирование — одна из важнейших составляющих современной методологии разработки информационных систем. Концептуальная модель (KM) определяется как «формальное представление проблемной сферы на поняттєвому уровне» [1, 15]. При концептуальном моделировании игнорируются технологические детали реализации систем с целью исследования объектов проблемной сферы, их свойств и взаимодействия на более высоком уровне абстрагирования (концептов — понятий и терминов). Фактически речь идет о формировании базы знаний определенной предметной сферы. От полноты и качества концептуальной модели в значительной степени зависит весь жизненный цикл информационной системы, включая эффективность ее сопровождения и развития на этапе эксплуатации. Концептуальная модель содержит метазнання, метаданные и знания о системе, она играет роль своеобразного моста между будущими пользователями и разработчиками системы. KM не является самоцелью, она создается как основа целостного и согласованного проектирование всех других компонентов системы. Учитывая это, концептуальное моделирование должно обеспечивать следующие основные функции:
поддерживать структуры и средства, которые позволяют отображать знания о предметной сфере и систему прозрачно и ясно для лучшего взаимодействия разработчиков и пользователей системы;
содержать такие конструкции, которые достаточны для наиболее полного представления особенностей предметной сферы и самой системы;
предоставлять средства преобразования KM в реализационные модели (то есть в логическую и физическую модель данных, в спецификации программных компонентов, в грамматики языков взаимодействия и т.п.).
Предметная сфера ГИС представляет собой сложную систему (конгломерат) наших представлений о соответствующие категории объектов и явлений реального мира. Она отражает существующий уровень наших знаний из многих отраслей науки и техники: геодезии, географии, картографии, дистанционного зондирования земли, фотограмметрии, дискретной математики, вычислительной геометрии, математической статистики и других разделов математики, системного анализа, теории баз данных, программирования, компьютерной графики, новых информационных технологий, теории автоматизированных информационных систем и многих других.
2.2 Парадигмы в технологии обработки геопространственных данных
Доминирующую роль картографического моделирования и картографической взаимодействия в географическом подходе трудно переоценить, ведь как раз карта традиционно объединяет модельно-познавательную и коммуникативную функции взаимодействия всех субъектов на всех этапах жизненного цикла информационного продукта (заказчиков, исполнителей и потребителей). На протяжении веков пространственные данные и знания фиксировались, накапливались и передавались преимущественно в картографической форме. Естественно, что основным источником пространственных данных для ПС до определенного времени были картографические материалы. В технологии сбора и обработки пространственных данных преобладал картографический подход (рис. 2, а): на основе собранных первичных данных изначально создавалась карта, которая впоследствии сканировалась и векторизувалася с целью формирования цифровой картографической модели для ГИС. В.А. Кайнц еще в 1987 г. подчеркивал: «когда мы пытаемся создать модели для картографических объектов, то чаще всего поглядываем на обычные карты, то есть моделируем модель реальности, а не саму реальность. В будущей работе основное внимание должно быть направлено на поиск концепций и абстракций фактов реального мира”[16].
Рис. 2. Технологии сбора и обработки геопространственных данных при картографическом (а) и информационном (б) подходах.
Развитие ГИС, GPS, цифровой фотограмметрии и цифровых методов ДЗЗ обусловило становление сквозных информационных технологий сбора и обработки геопространственных данных (рис. 2, б), повлек за собой трансформацию геоинформационных методов в самом картографировании [1, 12]. Первичной продукцией информационных технологий является базы геопространственных данных, модели объектов в которых не испытывают картографических »искажений«, поскольку они не испытывают ни генерализации, ни изменений состава и разрешения в контексте определенного масштаба карты. Объекты в таких моделях отображаются с точностью и разрешением геодезических измерений и применяемых технологий сбора первичных данных. Цифровые картографические модели, как и модели других геозображень, а также сами карты, превращаются в походную (от геопространственных баз данных) продукцию.
2.3 Концептуальная модель обобщенной ГИС
Концептуальная модель обобщенной ГИС как модель обрабатывающей системы (рис. 3) отражает процессы преобразования совокупности входного множества первичных данных в множество моделей в базе геопространственных данных и в множество комплексных геозображень, которые предоставляются пользователям системы как результат моделирования для анализа состояния геосистемы и принятия управленческих решений. Термин »обобщенная ПС использовано для подчеркивание факта абстрагирования от конкретной сферы ее применения.
Рис. 3. Концептуальная модель ГИС как обрабатывающей системы.
Формально такая система С определяется как совокупность входных, промежуточных и выходных моделей геопространственных данных, процессов их обработки и преобразования и формальных языков взаимодействия процессов между собой и пользователей с системой. ее можно записать так:
С = {X, D Mo, T, G, GI, Эль, Fij, L},
где: X — множество входных данных полученных в процессе топографо-геодезических съемок, GPS измерений, ДЗЗ и т.д.; D — база благоустроенных входных данных в унифицированных форматах; Мо — модель базового набора геопространственных данных; Т — множество тематических моделей геопространственных данных; G — множество моделей данных по специальным пространственными (геометрическими) схемам, в том числе трехмерные (3D) цифровые модели рельефа и местности; GI — цифровые модели карт и других геозображень; EI — цифровые модели электронных геозображень; Fij:Mi→Mj — функции преобразования модели Ми в модель Mj, в томучислі: Fxd:Xi → D — преобразования первичных данных в унифицированные форматы, Fdm: D → Mо — создания (обновления) модели базового набора геопространственных данных на основе первичных; Fdm😀 → Ти — создание тематических моделей геопространственных данных на основе первичных, а также аналогичные прямые и обратные преобразования для всех других моделей (в направлении стрелок между моделями на рис. 3); L — множество формальных языков и интерфейсов взаимодействия процессов, в том числе речь LG для представления электронных геозображень пользователям системы и интерактивного доступа пользователей к гепросторових данных и их обработки.
С точки зрения пользователей можно говорить о комплексное преобразование входных данных в электронные геозображення Fd_ei: D → EI, в котором отбор моделей геопространственных данных и методов их обработки определяется задачами и запросами пользователей. Но концептуально важно различать модели геопространственных данных и модели цифровых и электронных карт. Это разные сущности и по содержанию и по структуре. Картографическое изображение описывается в терминах языка условных картографических знаков, которые означают, например, тип, толщину и цвет линии, размер и ориентацию позамасштабного знака или тип и размер шрифта для отображения надписей и т.д.
Преобразование Fm_gi_ei:M0→GI→EI, Ft_gi_ei:T→GI→EI, Ft_gi_ei:G→GI→EI относятся к преобразования с языка геоинформационных моделей в язык средств отображения электронных карт и других геозображень. Модели данных Мо, Т, G ориентированы на программы пространственного (геоинформационного) анализа и моделирования реального мира, а модели GI, ЭИ описывают картографические изображения, ориентированы на восприятие человеком. В существующей концепции цифровых карт, которая до сих пор преобладает в современных ГИС, к сожалению, эклектично смешано содержание модели геопространственных данных и модели электронной карты. Такие цифровые картографические модели, с одной стороны, не отвечают в полной мере требованиям геоинформационного моделирования, а с другой, являются избыточными для электронного отображения.
Для географической информации связь «задача — источник данных — данные — модель данных» является очень важным, поскольку некоторые задачи могут решаться с различными вычислительными затратами на разных моделях данных, а некоторые — исключительно на определенных моделях данных (например, поиск оптимального пути возможен только на сетевых моделях, а морфологический анализ рельефа нуждается в его трехмерной модели). Как правило, данные получают в цифровой форме, которая зависит от технологии их сбора, а затем превращают в другие формы, выбор которых определяется задачами моделирования и способами обобщения и отображения результатов.
Интегрирование информации из разных источников и разных форм представления основывается на использовании единой для всех моделей системы координат и единого базового набора геопространственных данных. В состав последнего входят геодезическая (математическая) основа, объекты гидрографии, растительность, сеть транспортных путей, границы административно-территориальных образований.
Основное содержание обратных преобразований в направлении от пользователя к моделей геопространственных данных заключается в определении набора объектов, попадающих в сферу интереса (запрос) пользователя по пространственно определенной чертой территории исследования и (или) за определенными значениями характеристик объектов. Подчеркнем, что карты и комплексные геозображення, но уже в электронном (экранном) варианте, продолжают и в ГИС играть важную роль. Они остаются не только средством наиболее адекватного отображения модели геопространственных данных на экране дисплея, но и превращаются в удобный инструмент динамического доступа и взаимодействия пользователей с базой геопространственных данных.
Ключевыми словами картографического моделирования в ПС становятся „взаимодействие” и «динамика». Исследователи и рядовые пользователи желают, «кликнув мышкой» на карте, получить прямую и непосредственную реакцию системы с более детализированной информацией о выбранные объекты (земельные участки, памятники истории, здания, коммуникации, дороги, состояние окружающей среды и т.п.) или, например, получить изображение и описание кратчайшего пути между заданными пунктами, а, возможно, и проехать по нему с использованием компьютерных средств мультимедиа и анимации. Последняя, кстати, предоставляет такие возможности пространственно-временного моделирования, которых традиционная картография никогда не имела. Геозображення формируются с динамическим изменением масштаба, а их содержание зависит преимущественно от полноты базы геопространственных данных, потребностей и запросов пользователей, а не от картографических правил и видение картографов.
Таким образом, ГИС демократизирует картографию и картографическое моделирование, поскольку географические знания, созданные и накопленные в программах и базах данных, становятся потенциально доступными всем заинтересованным пользователям (организациям, профессионалам и рядовым гражданам). Как в свое время персональные компьютеры обеспечили доступ к сложных программ профессионалам без посредников-программистов, так и ГИС превращает в прямых участников картографического моделирования миллионы пользователей без посредников-картографов.
2.4 Концептуальное моделирование геопространственных данных
В ГИС еще и сегодня преобладает парадигма исключительности геопространственных данных, следствием которой является многообразие подходов и форматов от разных производителей инструментальных ГИС наряду с высоким уровнем унификации представления и обработки фактографических данных в универсальных системахкерування базами данных (СУБД) на уровне стандартного языка SQL и унифицированных механизмов и средств доступа к данным. Такая ситуация на начальных этапах развития ГИС, что выпали на 80-е годы прошлого века, имела объективные причины, поскольку технологии фактографических данных действительно не могли предложить геоинформатике готовых эффективных решений для обработки пространственных данных. Расширение сфер применения ГИС в 90-х годах и их практическая способность превратиться в средство интегрирования различных данных об окружающей среде стимулировали развитие в универсальных СУБД средств для представления и манипулирования пространственными и многомерными данными [7]. В геоинформационных системах третьего поколения мы наблюдаем полное интегрирование ГИС с универсальными СУБД, а также их выход в глобальное информационное пространство через Internet.
Такая технологическая «зрелость» ПС, с точки зрения универсальных методов информационных технологий, и идеи объектно-ориентированного взгляда на мир при проектировании информационных систем создают условия для перехода на более высокий теоретический и практический уровень в моделировании и проектировании геоинформационных систем. Относительно концептуального моделирования геопространственных данных это означает переход от «графического примитивизма» (с его основными концептами: «слой объектов», «линейный объект», «полигональный объект», «точечный объект или позамасштабний знак» и т.п.) к объектно-ориентированных моделей реального мира, которые основываются на категории классов объектов, которые имеют пространственные и фактографические свойства, а также разнообразные пространственные, топологические и семантические связи и отношения.
«Графический примитивизм» при моделировании геопространственных данных унаследованный от картографии, когда объекты разбиваются на группы по типу пространственной локализации. При этом, как справедливо отмечено в работе [10], понятие пространственной локализации подменяется понятием размерности, поскольку все объекты разделяются на точечные, линейные и плоскостные. Реальные же объекты являются физическими телами (дискретными объектами) или полями, а их локализация может быть точечной, линейной, полосовой, площадной, пространственной, комбинированной и глобальной. Поля имеют глобальный тип локализации, поскольку существуют в любой точке земной поверхности или ее части, которая моделируется. Дискретные объекты могут иметь любой тип пространственной локализации, кроме глобального, а также иметь множественное представление (multiple representations) геометрическими моделями в базе геопространственных данных. Например, улицы могут быть представлены осевыми линиями, двумя осевыми в соответствии с направлениями движения, осевыми отдельных сегментов или плоскостными (полосными) объектами отдельных участков. Вместе с тем, осевые сегменты улиц могут входить в состав комплексного объекта типа улично-дорожной сети или типа «маршрут определенного транспортного средства». Сказанное справедливо для моделирования рек, сети железных дорог и т.д.
Таким образом, имеем довольно сложные отношения как между объектами реального мира и их пространственными моделями, так и между определенными элементами графической модели и моделями реальных объектов на уровне ситуационного установления отношений. Аналогично поля могут быть представлены регулярными и нерегулярными сетками, TIN-моделями, изолиниями и т.д. Для объектов реального мира характерны также отношение агрегирования, композиции и ассоциации, которые практически не реализуются в ПС с графическим подходом к геоинформационного моделирования.
Общие принципы определения содержания концептуальных схем (КС) и подходы к моделированию проблемных сфер сформулированы в ДСТУ 3329 — 96 (ТОСТ 34.320 — 96) [7], который соответствует международному стандарту ISO/TR 9007:1987 «Concepts and terminology for the conceptual schema and the information base». До основных составляющих содержания КС относятся: описания классов (типов) сущностей проблемной сферы; описания понятий, которые менее всего подвержены изменениям; внесение правил или ограничений, которые имеют широкое влияние на поведение проблемной сферы.
В стандартах рекомендованы два общих принципах концептуальных схем: принцип 100 процентов и принцип концептуализации. Согласно «принципу 100 процентов» все общие аспекты проблемной сферы должны быть описаны в КС, причем информационная система не может отвечать за несоблюдение правил и законов, описанных вне концептуальной схеме. Согласно «принципу концептуализации» КС должна содержать статические и динамические аспекты проблемной сферы только концептуального уровня, не касаясь внешних и внутренних аспектов представления и организации данных. Основными подходами к моделированию информационных систем и баз данных: объектно-ориентированный подход (ООП), подходы «сущность-атрибут-связь»; подходы на основе бинарных и элементарных n-арних отношений и подходы на основе истолкованная логики предикатов.
Объектно-ориентированный подход в последние годы получил наибольшее распространение. Он охватывает все этапы жизненного цикла информационных систем от концептуального моделирования к программированию, эксплуатации и модернизации. ООП принят за основу также и при разработке серии стандартов ISO 19100 — Географическая информация/Геоматика [9], в которых для концептуального моделирования широко используется унифицированный язык моделирования UML (Unified Modeling Language) [11], язык описания интерфейсов IDL (Interface Description Language) и язык объектных ограничений OCL (Object Constraint Language). Принципы применения современных средств моделирования для концептуальных схем геопространственных данных представлены в проектах соответствующих стандартов серии ISO 19100, в том числе: ISO 19103 — Conceptual schema language (Языка концептуальных схем), ISO 19107
— Spatial schema (Пространственная схема), ISO 19108 — Temporal schema (Временная схема), ISO 19109
— Rules for application schema (Правила для прикладной схемы).
Примером практической реализации современных методов концептуального моделирования геопространственных данных с применением нотации UML является новое поколение ГИС-технологий от ESRI Arc GIS 8.2 [4]. Это свидетельствует о близости появления на рынке полноценных ГИС-ориентированных CASE — средств, которые позволяют визуально конструировать UML-схемы геопространственных данных, создавать спецификации и документировать артефакты предметной сферы на уровне концептуальных моделей классов объектов, отношений между ними, их свойств и методов поведения. За созданными концептуальными моделями автоматически генерируются классификаторы понятий, структура базы данных, спецификации программных компонентов и макеты форм диалогового интерфейса пользователя.
2.5 Трехуровневая архитектура геоинформационных систем
С развитием ГИС и накоплением в них больших объемов картографических и предметных данных возникает необходимость в обмене информацией между системами, которые создавались на различных ГИС-платформах. Традиционные ГИС имели гибридную архитектуру по признаку унификации обработки картографических и атрибутних данных [1,2,3]. Для картографических данных использовались специфические для каждой платформы модели и форматы, для атрибутних данных — реляционные СУБД общего назначения. Обмен картографическими данными в таких ГИС выполнялся посредством конвертации унифицированных (де-факто или де-юре) форматов экспорта/импорта данных и со временем архитектура традиционных ГИС вступила в противоречие с магистральным путем развития глобальных информационных сетей и технологий клиент/сервер. Специфичность картографической компоненты была также основной причиной значительной зависимости от платформы программных средств пространственного анализа и специализированных языков программирования, используемых для развития систем.
В 1996-1997 годах в арсенале ГИС-средств появились первые инструментальные решения для построения открытых геоинформационных систем (OpenGIS), которые обеспечивают:
• интеграцию с современными объектно-ориентированными визуальными средствами разработки программного обеспечения и интерфейса пользователя универсального назначения (Visual Basic, C++, Delphi, PowerBuilder и т.п.);
• динамичную интеграцию данных из различных источников;
• интеграцию с системами автоматизации офисов;
• поддержку обработки геоданных с использованием технологии сети Internet.
Сегодня компоненты открытых ГИС есть в арсенале всех ведущих разработчиков ГИС-технологий. Они рассчитаны на платформу Windows с использованием ее основных механизмов интеграции приложений: объектных моделей (COM, DCOM, CORBA), методов интеграции (OLE и OLE4D&M) и разработки (QLE Automation), интерфейса пользователя (Windows), методов доступа к базам данных (ODBC), технологии визуализации (OpenGL, GDI), электронной почты (МАРИ) и доступ к Internet и Web (Internet Services).
От корпорации Intergraph к открытых ГИС относятся компоненты технологии Jupiter [3,4] с ее первыми представителями GeoMedia и GeoMedia Web Map, от института ESRI — MapObjects, Spatial Database Engine (St)t) и Arc View Map Server, от Autpdesk — MapGuide и Autodesk World.
Характерными признаками продуктов этого класса являются:
• поддержка визуализации не только собственных графических форматов, но и форматов конкурентов;
• возможность использования универсальных языков программирования для разработки прикладных программ;
• поддержка работы с Oracle Spatial Data Option (SDO);
• возможность создания и редактирования графических данных (но опять же в специфических для каждой фирмы форматах).
Появление этих продуктов приводит к превышению монопольных секторов фирм-производителей ГИС технологий и в значительной степени уменьшает риск инвестиций конечных пользователей, но рынок важных продуктов пространственного анализа остается зависимым от ГИС платформ производителей.
Наиболее перспективными и адекватными концепции открытых ПС есть технологии ГИС с применением концепции SDO, которая позволяет применять единый подход к накопления и обработки как атрибутних, так и графических данных на основе единой реляционной СУБД, вплоть до применения расширений SQL для формирования пространственных запросов. Применение технологии класса SDO позволит свести к общему базиса наиболее наукоемкие компоненты ПС: пространственный анализ, анализ сетей, обмен картографическими данными и т.д.
Несмотря на многообразие функциональных возможностей и механизмов интеграции открытых ГИС, проблема обеспечения независимости прикладных программ от конкретных ГИС-платформ и форматов геоданных остается актуальной. Одним из путей ее преодоления является введение в архитектуру приложений дополнительного элемента — унифицированного ГИС-сервера приложений (далее ГИС-сервер) как логического программного процесса, что служит посредником между прикладной программой-клиентом (1Ш) и инструментальными ГИС конкретных производителей (ІГІС). Речь идет о использование трехуровневой архитектуры ГИС: применение ГИС-сервер приложений, ІГІС как серверы геоданных (см. рисунок). Для взаимодействия между отдельными уровнями и элементами такой архитектуры могут быть использованы соответствующие интерфейсы прикладного программирования (API) и разнообразные механизмы интеграции приложений. Ключевыми вопросами являются унификация (в идеале — стандартизация) функций ГИС-сервера и потенциальная возможность его параметризации с целью упрощения настройки на характеристики конкретных инструментальных ГИС.
Рис. 4. Трехуровневая архитектура ГИС
В большинстве инструментальных ГИС проект (карта) является совокупностью тематически-ориентированных слоев геоданных одного или нескольких родственных форматов с атрибутами их визуализации и операционными характеристиками каждого. ГИС-проект трехуровнего применение может базироваться на значительно более широком наборе форматов геоданных. Поддержка каждого из форматов обеспечивается соответствующей инструментальной ГИС, клиентом которой является ГИС-сервер, а не непосредственно прикладная программа.
Можно выделить два основных подхода к унификации функций ГИС-сервера: эволюционная глобальная унификация широкого набора функций как предпосылка стандартизации функционального интерфейса подавляющего большинства ГИС-приложений и локальная унификация в пределах конкретной сферы использования ГИС-технологий или даже отдельных прикладных программ. В рамках первого подхода целесообразна параметризация ГИС-сервера для упрощения настройки на конкретные платформы и введение специальной функции ESCAPE для поддержки механизма «стандартного использования нестандартных возможностей» ГИС. Метаданные в базе данных характеристик и функций ИПС предназначены для регистрации функций конкретных инструментальных ГИС (включая нестандартные) на уровне синтаксиса вызова функций и описания их параметров.
Для большинства ГИС-приложений достаточным будет такой минимальный набор функций ГИС-сервера:
1) Функции работы с проектами и визуализации слоев, в том числе:
• создать новый или открыть существующий проект, сохранить проект;
• визуализировать при заданным свойствам слой карты в окне проекта. Параметры: система мировых координат, мировые координаты, окно в мировых координатах, дескриптор окна Windows (hWnd), область вывода в экранных координатах, условия генерализации и графические атрибуты изображения;
2) Функции идентификации и выделения объектов:
• графическая селекция объектов по координатам точки или области (радиальной, прямоугольной или произвольной полигональной);
• графическое выделение объектов по заданному списку их ключевых идентификаторов;
3) Функции ввода и редактирования геоданных:
• получить координаты объекта;
• изменить координаты объекта;
• добавить новый объект с его координатами;
• удалить графический объект;
4) Функции геометрического анализа:
• определение расстояний, длин ломаных линий, центроидов полигонов;
• расчет периметров и площадей;
• поиск пересечений линий;
5) Оверлейні функции:
• построение буферных зон вокруг объектов;
• объединение и пересечение полигональных объектов;6) Функция получения экспресс-информации об атрибутах объекта непосредственно от инструментальных ГИС.
База атрибутних данных применение может быть локальной, клиент-серверной (в том числе построенной по трехуровневой архитектурой) или интегрированной (на основе использования реляционных моделей геоданных по технологиям SDO ли SDE).
РАЗДЕЛ 3 Геоинформационные системы новый шаг в исследовании земельных ресурсов
Сплошное агрохимическое обследование земель решает ряд важных проблем, связанных с грунтово-агрохимическим мониторингом, восстановлением плодородия почв, высокоэффективным применением агрохимикатов, повышением продуктивности земледелия и сохранением окружающей среды. На современном этапе агрохимический мониторинг Херсонской области проводит государственный проектно-технологический центр охраны плодородия грунтов и качества продукции.
Одной из основных задач, которая ставится проектно-технологической службой, является практическое использование геоинформационных технологий при организации и ведении эколого-агрохимического мониторинга земель сельскохозяйственного использования, а также их непосредственное применение при разработке эколого — агрохимических паспортов земельных участков для хозяйств Херсонской области.
Эколого-агрохимическая паспортизация земель проводится по Руководящим нормативным документом «Эколого-агрохимическая паспортизация полей и земельных участков» (1996). Методика не ограничивается составлением агрохимических паспортов оценки плодородия земель, но и освещает комплекс других вопросов, связанных с деградаційними процессами почвенного покрова Украины, мониторингом и практическими рекомендациями высокоэффективного использования земельных ресурсов.
Для определения эколого-агрохимического состояния поля, хозяйства, административного района и области необходимо создание агрохимических информационных баз данных с использованием унифицированной технологии ведения и обработки информации. Для комплексного анализа информации и подготовки управленческих решений отобранные данные агрохимических исследований территории полей или земельных участков должны быть представлены в цифровой форме и иметь пространственную привязку к:
— структуры землепользования хозяйства;
— структуры административно — территориального деления (коды районов, города, населенного пункта);
— структуры сетей наблюдений (номер участка агрохимического обследования);
— почвенного выдела на карте (агровиробнича группа, название почвы, гранулометрический состав).
В центре ведущими специалистами сектора научно технической информации и компьютерного обеспечения внедряется и используется комплекс геоинформационных систем, состоящий из РС Arclnfo, Maplnfo И Surfer. Каждая из систем имеет определенное назначение в цепи вычислений и аналитики данных и непосредственно связана с особенностями той или иной системы ГИС.
Так, например, с помощью программы Maplnfo ведется построение тематических карт, подготовка исходных карт с возможностью вывода на экран и в печати. Язык программы MapBasic помогает передавать картографические данные в блок моделей и отображать на карте результаты моделирования с максимальной точностью. В дальнейшем с помощью этой программы предусматривается создание системы ввода пространственно привязанной семантической и вывод комплексной тематической информации. Maplnfo обеспечивает создание цифрового картографического материала в растровом и векторном формате.
Карта четко отражает контуры массива, на ней наглядно видно площадь и номер поля, указывается номер паспорта и соответственно показано содержание питательных веществ, в данном случае — подвижного фосфора. Согласно заданных параметров программа вывода информации на экран отражает колебания содержания элемента, которая определяется не только цифровыми показателями, но и соответствующим окраской. Это помогает значительно реальнее осознавать характеристику объекта и уже при визуальном анализе реально оценивать ситуационную задачу.
С помощью таких карт, которые имеют сверхточную достоверность состоят эколого-агрохимические паспорта полей или земельных участков для каждого хозяйства. Это в свою очередь обусловливает возможность не только определять количественный и качественный состав почв, а также предоставляет возможность осуществлять агроэкологический контроль за состоянием земельного фонда используемого в сельском хозяйстве, так и в других народногосподарчих отраслях.
Сочетание информации с помощью ГИС дает уникальную возможность для их применения в широком спектре, а именно:
— по результатам агрохимического обследования почв разработать и внедрить технологии высокоэффективного применения минеральных удобрений, оптимизации доз, сроков и способов их внесения;
— на основе данных обследований предложить химические мелиорации на известкование кислых и гипсование солонцовых почв;
— определить территорию для выращивания экологически чистой продукции.
Использование ГИС при эколого-агрохимическому мониторинга и составлении паспортов земельных участков для проектно-технологической службы обеспечит оперативность, эффективность и многофункциональность, даст возможность использовать систему в широком спектре задач.
ВЫВОДЫ
Геоинформационная система — современная компьютерная технология, которая позволяет совместить модельное изображение территории (электронное отображение карт, схем, космо-, аерозображень земной поверхности) с информацией табличного типа (разнообразные статистические данные, списки, экономические показатели и т.д.). Также, во геоинформационной системой понимают систему управления пространственными данными и ассоциированными с ними атрибутами. Конкретнее, это компьютерная система, обеспечивающая возможность использования, хранения, редактирования, анализа и отображения географических данных.
Информационно-вычислительная система, предназначенная для фиксации, хранения, модификации, управления, анализа и отображения всех форм географической информации. ГИС используется многими исследователями в области изучения проблем окружающей среды, для определения различных показателей на географической сетке.
Трехуровневая архитектура геоинформационных систем, использование которой обеспечивает независимость приложений от конкретных ГИС-платформ и форматов геоданных. Рассмотрены элементы такой архитектуры (приложение-клиент, унифицированный ГИС-сервер приложений, серверы инструментальных ГИС), функции ГИС-сервера и способы его настройки на особенности инструментальных ПС.
Концептуальное моделирование перерастает в технологию концептуального проектирования информационных и программных систем на основе формирования понятийной модели объектов и явлений реального мира, ее отображение на множество концептов и объектов других миров (программных компонент, баз данных, языков взаимодействия (интерфейсов) «пользователи-система» и «система-система», выходных документов и т.п.).
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Берлянт А.М Геоинформационное картографирование. — М.: Астрея, 1997. — 64 с.
2. Берлянт А.М Геоника. — М.: Астрея, 1996. — 208 с.
3. Географический знциклопедический словарь. Понятия и термины / Гл. ред. А.Ф. Трешников; Ред. кол.: Ж.Б. Алаев, П.М. Алампиев, А.Г. Воронцов и др. — М.: Сов. Знциклопедия, 1988. — 432 с.
4. Геоинформатика И А.Д. Иванников, В.П. Кулагин, А.Н. Тихонов, В.Я. Цветков. — М.: МАКС Пресса, 2001. — 349 с.
5. Гриценко В.И., Паньшин Б.Н. Информационная технология: вопросы развит и применения. — К.: Наук, мысль. — 1988. — 272 с.
6. ДСТУ 3329 — 96 (ГОСТ 34.320 — 96). Информационные технологии. Система стандартов баз данных. Концепции и терминология для концептуальной схемы и информационной базы. — К.: Госстандарт Украины. — 1998. — 49 с.
7. ДСТУ2874 — 94. Системы обработки информации. Базы данных. Термины и определения. — К.: Госстандарт Украины. — 1995. — 31 с.
8. Ершов А.П. О предмете информатики // Вест. АН СССР. — 1984. — №2. — с. 112-113.
9. Карпинский Ю.А., Лященко А.А., Волчко Є.П. Стандартизация географической информации: международный опыт и пути развития в Украине // Вестник геодезии и картографии. — 2002. -№3.-С.32-38.
10. Картография. Вып. 4. Геоинформационные системы: Сб. перевод. статей/Сост., ред. и предисл. A.M. Берлянд и В.С.Тикунов. — М.: Карттеоцентр-Геодезиздат, 1994. — 350 с.
11. Кравченко Ю. А. В типологии обьектов геоинформационного моделирования // Геодезия и картография. — 2002. — № 7. — С. 48 — 55.
12. Лященко А.А., Карпинский Ю.А. Архитектура и инструментарий открытых ГИС.// Тези доп. Третьей Всеукраинской конференции с геоинформационных технологий «Теория, технология, внедрение ГИС» ГИС-ФОРУМ, К.: ГИС-Ассоциация Украины, 1997. — С. 15-17.
13. Руденко Л.Г. Географическая картография в Украине и ее значение в геоинформационному пространстве // Украинский географический журнал. — 2002. — №3. — С. 110 — 113.
14. Сербенюк С.Н. Картография и Геоинформатика — их взаимодействие / Под ред. В.А. Садовничего. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1990. — 159 с.
15. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. — М.: Финансы и статистика, 1998. — 288 с.