Алгоритмизация геоинформационных технологий в задачах, связанных с картопостроением

Содержание

Введение………………………………………………………………………….	3
1.Основная часть………………………………………………………………...	6
1.1 Геоинформационные  системы.	6
1.2 Программные продукты, реализующие решение задач картопостроения.	12
1.3 Алгоритмы картопостроения.  Современные средства компьютерного   картопостроения…………………………………………………………………	19
Заключение……………………………………………………………………….	22
Список литературы……………………………………………………………...	24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

Данная работа посвящена алгоритмизацию геоинформационных технологий  в задачах, связанных с картопостроением. При решении геологических задач основным инструментом является построение карты, и с развитием вычислительной техники эта работа была алгоритмизирована. К настоящему времени существует множество программных продуктов, специализирующихся как на построении карт, так и включающих в себя картопостроение одним из модулей.

Также проводятся анализы  компьютерного картопостроения  и применяются для решения  широкого круга  геологических задач, вычислительной эффективности используемых алгоритмов, предоставляемых средств создания моделей, адекватных представлению пользователя о физической природе объектов, возможности и удобства управления технологией решения. В геоинформационных системах функции картопостроения являются второстепенными, а программные средства, включающие в свой арсенал методы картопостроения, также характеризуются большим количеством и разнообразием. Программы картопостроения широко используется геологами, в тоже время разработаны программы решающие комплексные задачи специальных классов, в которые картопостроение входит составным элементом. Это геоинформационные системы (ГИС), имеющиеся программные продукты, которые различаются по очень широкому спектру параметров - ценой, основным направлением решаемых задач.

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Основная часть

 

 

1.1. Геоинформационные системы

 

Геоинформационная система (ГИС) — система сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных (географических) данных и связанной с ними информацией  о необходимых объектах. Термин также используется в более узком смысле - ГИС как инструмент, позволяющий пользователям искать, анализировать и редактировать цифровые карты, а также дополнительную информацию об объектах, например высоту здания, адрес, количество жильцов.

Геоинформационные системы включают в себя возможности cистем управления базами данных (СУБД), редакторов растровой и векторной графики и аналитических средств и применяются в картографии, геологии, метеорологии, землеустройстве, экологии, муниципальном управлении, транспорте, экономике, обороне и многих других областях. По территориальному охвату различают глобальные ГИС (global GIS), субконтинентальные ГИС, национальные ГИС, зачастую имеющие статус государственных, региональные ГИС (regional GIS), субрегиональные ГИС и локальные, или местные ГИС (local GIS).

 

Рисунок 1. Геоинформационные системы

Геоинформационные системы  различаются предметной областью информационного  моделирования, к примеру, городские  ГИС, или муниципальные ГИС, МГИС (urban GIS), ГИС недропользователя, горно-геологические ГИС, природоохранные ГИС (environmental GIS) и т. п.; среди них особое наименование, как особо широко распространённые, получили земельные информационные системы. Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными и прикладными), среди них инвентаризация ресурсов (в том числе кадастр), анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений. Интегрированные ГИС, ИГИС (integrated GIS, IGIS) совмещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) в единой интегрированной среде. Полимасштабные, или масштабно-независимые ГИС (multiscale GIS) основаны на множественных, или полимасштабных представлениях пространственных объектов (multiple representation, multiscale representation), обеспечивая графическое или картографическое воспроизведение данных на любом из избранных уровней масштабного ряда на основе единственного набора данных с наибольшим пространственным разрешением. Пространственно-временные ГИС (spatio-temporal GIS) оперируют пространственно-временными данными. Реализация геоинформационных проектов, создание ГИС в широком смысле слова, включает этапы: предпроектных исследований, в том числе изучение требований пользователя и функциональных возможностей используемых программных средств ГИС, технико-экономическое обоснование, оценку соотношения «затраты/прибыль» (costs/benefits); системное проектирование ГИС (GIS designing), включая стадию пилот-проекта (pilot-project), разработку ГИС (GIS development); её тестирование на небольшом территориальном фрагменте, или тестовом участке (test area), прототипирование, или создание опытного образца, или прототипа (prototype); внедрение ГИС (GIS implementation); эксплуатацию и использование. Научные, технические, технологические и прикладные аспекты проектирования, создания и использования ГИС изучаются геоинформатикой. В истории развития геоинформационных систем можно выделить 4 периода:

• Начальный период (поздние 1950е — ранние 1970е гг.) Исследование принципиальных возможностей, пограничных областей знаний и технологий, наработка эмпирического опыта, первые крупные проекты и теоретические работы. Запуск первого искусственного спутника Земли. Появление электронных вычислительных машин (ЭВМ) в 50-х годах. Появление цифрователей, плоттеров, графических дисплеев и других периферийных устройств в 60-х. Создание программных алгоритмов и процедур графического отображения информации на дисплеях и с помощью плоттеров. Создание формальных методов пространственного анализа. Создание программных средств управления базами данных. Первое поколение ГИС, одна или несколько программ, объединённых в программную систему, которые запускаются на компьютере пользователя. Для хранения используется внутренний формат данных, часто закрытый от использования правообладателем (ограничения в лицензионном соглашении, наличие патентов и т.п.). Достоинства начального периода часто имеет высокое быстродействие и различные уникальные функциональные возможности, поскольку собственный формат данных позволяет реализовывать уникальные алгоритмы и методики обработки и хранения данных, особенно при решении специализированных задач. Достаточно просты в использовании и администрировании. Недостатками начального периода, является большие проблемы при обмене данными с другими системами, пользователь оказывается привязан к поставщику ГИС, поскольку переход к использованию другой системы вызывает массу проблем с переносом накопленного массива данных в другой формат. Наличие ограничений на использование формата данных, часто сопровождающаяся отсутствием официального описания, а также возможность изменения формата правообладателем в любой момент времени, затрудняет или делает невозможной разработку дополнительных модулей для работы с пространственными данными, интеграцию с другими информационными системами. Возможности совместной работы с пространственными данными в компьютерной сети сильно ограничены, обычно на уровне совместного использования файлов данных и тех функций управления доступом к данным, которые предоставляет сетевая операционная система на уровне файловой системы.

• Период государственных инициатив (нач. 1970е — нач. 1980е гг.) Государственная поддержка ГИС стимулировала развитие экспериментальных работ в области ГИС, основанных на использовании баз данных по уличным сетям: автоматизированные системы навигации; системы вывоза городских отходов и мусора; движение транспортных средств в чрезвычайных ситуациях и т. д.Второе поколение ГИС, основано на технологии клиент-сервер, для организации совместной работы с данными в компьютерной сети. Имеет программу-клиента для конечного пользователя и программу-сервер, который ведёт базу пространственных данных. При этом используется структура базы данных и внутренние форматы данных, часто защищённые авторскими правами. Многие системы являются дальнейшим развитием ГИС первого поколения для организации совместной работы в компьютерной сети.

Достоинствам периоду государственных инициатив относятся, преимущества связанные с использованием собственного уникального формата данных, имеющиеся у первого поколения ГИС. Наличие выделенного сервера данных позволяет организовать эффективную работу в компьютерной сети. Недостаткам относятся обмена данными и интеграции с другими ГИС, пользователь также оказывается привязан к поставщику форматом хранения данных. Более сложны в использовании, требуют грамотного обслуживания. Сервер данных собственной разработки часто имеет ограниченный функционал по работе с базой данных, разграничении прав пользователей, в отличие от тех же SQL серверов, использует упрощённые алгоритмы обработки данных, что сказывается на быстродействии, особенно при больших объёмах данных.

• Период коммерческого развития (ранние 1980е — настоящее время) Широкий рынок разнообразных программных средств, развитие настольных ГИС, расширение области их применения за счет интеграции с базами непространственных данных, появление сетевых приложений, появление значительного числа непрофессиональных пользователей, системы, поддерживающие индивидуальные наборы данных на отдельных компьютерах, открывают путь системам, поддерживающим корпоративные и распределенные базы геоданных. Третье поколение ГИС, приложение для конечного пользователя или система построенная по схеме клиент-сервер, которые для хранения пространственных данных используют одну из распространённых систем управления базами данных (СУБД), в последнее время в основном на базе одного из распространённых SQL серверов (Microsoft SQL Server, Oracle, MySQL, PostgreSQL и т. п.). При этом внутренняя структура хранения пространственных данных являются уникальной для данной ГИС, часто закрытой от использования правообладателем. Достоинства позволяет использовать мощной СУБД разработчику и сконцентрироваться на основном функционале ГИС, при этом предоставляя пользователю современные средства для работы с СУБД, особенно при больших объёмах данных. В некоторых случаях, когда разработчик не закрывает внутреннюю структуру или она легко восстанавливается с использованием штатных инструментов СУБД, упрощается процесс интеграции данной ГИС с другими системами. Не смотря на недостатки использование внешней СУБД, внутренняя структура по - прежнему остаётся уникальной для конкретного решения, что ограничивает пользователя как в работе с пространственными данными, так и при смене используемой ГИС. Возможности обмена пространственными данными зависят от того, для каких форматов данных разработчик ГИС предоставляет возможность импорта/экспорта данных. На практике часто встречается ситуация, когда импорт данных внутрь системы возможен из большего числа форматов и с лучшим качеством, чем экспорт данных из системы в другие ГИС.

• Пользовательский период (поздние 1980е — настоящее время) Повышенная конкуренция среди коммерческих производителей геоинформационных технологий услуг дает преимущества пользователям ГИС, доступность и «открытость» программных средств позволяет использовать и даже модифицировать программы, появление пользовательских «клубов», телеконференций, территориально разобщенных, но связанных единой тематикой пользовательских групп, возросшая потребность в геоданных, начало формирования мировой геоинформационной инфраструктуры. Морфометрический анализ рельефа на основе ГИС-технологий новое направление в этой области. Четвёртое поколение ГИС, наиболее прогрессивное на сегодняшний день, основано на использовании в качестве хранилища пространственных данных специализированных расширений для наиболее распространённых SQL серверов, которые на сегодня имеются у всех основных поставщиков подобных решений, в том числе Oracle Locator/Spatial для Oracle SQL Server, Microsoft Spatial для Microsoft SQL Server, PostGIS для PostgreSQL, MySQL Saptial для одноименного сервера (права на последнюю редакцию принадлежат фирме Oracle), SpatialLite для SQLLite и т. п. Данные расширения добавляют необходимый функционал для хранения пространственных данных в соответствующих SQL серверах, а также стандартизирующих работу с пространственными данными на данном сервере БД. Достоинства имеет структуру хранения пространственных данных , которой не зависит от разработчика конкретной ГИС, что резко расширяет возможности по работе с пространственными данными и обмену ими, интеграции с другими системами, использованию программного обеспечения сторонних разработчиков, в том числе класса FreeWare (свободно распространяемое) и OpenSource (с открытым исходным кодом). У всех разработчиков хранилищ пространственных данных имеется обширная техническая документация (правда, в основном на английском языке). При использовании данных решений пользователь ГИС в гораздо меньшей степени зависит от конкретного поставщика, может сменить используемую ГИС или расширить имеющийся функционал за счёт использования других ГИС, работающих с тем же хранилищем пространственных данных. При этом затраты по переносу данных существенно меньше, чем для остальных вариантов, либо отсутствуют вообще. Недостатки данного решения существенно сложнее в установке, настройке и администрировании, чем все остальные варианты, особенно при использовании решений на основе WEB-технологий, поскольку помимо самой ГИС, SQL сервера с хранилищем пространственных данных добавляются ещё и работы по интернет-серверу и системе безопасности. Решения на базе  WEB-технологий также обладают заметно меньшим быстродействием, а также весьма ограниченным функционалом по сравнению с традиционными приложениями. Фактически на данный момент они реализуют необходимый минимум функций, без которых использование ГИС будет невозможно, а для решения специализированных или аналитических задач необходимо использовать другие программы. Представление данных, данные в ГИС описывают реальные объекты, такие как дороги, здания, водоемы, лесные массивы. Реальные объекты можно разделить на две абстрактные категории: дискретные (дома, территориальные зоны) и непрерывные (рельеф, уровень осадков, среднегодовая температура). Для представления этих двух категорий объектов используются векторные и растровые данные.Растровые данные хранятся в виде наборов величин, упорядоченных в форме прямоугольной сетки. Ячейки этой сетки называются пикселями. Наиболее распространенным способом получения растровых данных о поверхности Земли является дистанционное зондирование, проводимое при помощи спутников. Хранение растровых данных может осуществляться в графических форматах, например TIF или JPEG, или в бинарном виде в базах данных. Векторные данные, наиболее распространенными типами векторных объектов являются: точки, полилинии, многоугольники (полигоны).