Алгоритмизация геоинформационных технологий в задачах, связанных с картопостроением

 

Рисунок 2. Векторные и растровые данные

• Точки используются для обозначения географических объектов, для которых важно местоположение, а не их форма или размеры. Возможность обозначения объекта точкой зависит от масштаба карты. В то время как на карте мира города целесообразно обозначать точечными объектами, то на карте города сам город представляется в виде множества объектов. В ГИС точечный объект изображается в виде некоторой геометрической фигуры небольших размеров (квадратик, кружок, крестик), либо пиктограммой, передающей тип реального объекта.

• Полилинии служат для изображения линейных объектов. Полилиния — ломаная линия, составленная из отрезков прямых. Полилиниями изображаются дороги, железнодорожные пути, реки, улицы, водопровод. Допустимость изображения объектов полилиниями также зависит от масштаба карты. Например, крупная река в масштабах континента вполне может изображаться линейным объектом, тогда как уже в масштабах города требуется её изображение площадным объектом. Характеристикой линейного объекта является длина.

• Многоугольники (полигоны) служат для обозначения площадных объектов с четкими границами. Примерами могут служить озера, парки, здания, страны, континенты. В ГИС к векторным объектам могут быть привязаны семантические данные. К примеру, на карте территориального зонирования к площадным объектам, представляющим зоны, может быть привязана характеристика типа зоны. Структуру и типы данных определяет пользователь. На основе численных значений, присвоенных векторным объектам на карте, может строиться тематическая карта, на которой эти значения обозначены цветами в соответствии с цветовой шкалой, либо окружностями разного размера. Векторные данные также могут описывать непрерывные поля величин. Поля при этом изображаются в виде изолиний или контурных линий. Одним из способов представления рельефа является нерегулярная триангуляционная сетка (TIN, triangulated irregular networks). Такая сетка формируется множеством точек с привязанными значениями (в данном случае высота). Значения в произвольной точке внутри сетки получаются путем интерполяции значений в узлах треугольника, в который попадает эта точка. Векторные данные обычно имеют гораздо меньший размер, чем растровые. Их легко трансформировать и проводить над ними бинарные операции. Векторные данные позволяют проводить различные типы пространственного анализа, к примеру поиск кратчайшего пути в дорожной сети. Структура геоинформационных систем включают в себя пять ключевых составляющих: аппаратные средства, программное обеспечение, данные, исполнители и методы.

- Аппаратные средства. Это компьютер, на котором запущена ГИС. В настоящее время ГИС работают на различных типах компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров.

- Программное обеспечение ГИС содержит функции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации. Ключевыми компонентами программных продуктов являются: инструменты для ввода и оперирования географической информацией система управления базой данных (DBMS или СУБД); инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения); графический пользовательский интерфейс (GUI или ГИП) для легкого доступа к инструментам и функциям.

- Данные о пространственном положении (географические данные) и связанные с ними табличные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем либо приобретаться у поставщиков. В процессе управления пространственными данными географическая информационная система объединяет (а лучше сказать – совмещает) географическую информацию с данными других типов. Например, с конкретным кусочком электронной карты могут быть связаны уже накопленные данные о населении, характере почв, близости опасных объектов и т. д. (в зависимости от задачи, которую придется решать при помощи ГИС). Причем в сложных, распределенных системах сбора и обработки информации часто с объектом на карте связывают не существующие данные, а их источник, что позволяет в реальном времени отслеживать состояние этих объектов. Такой подход применяется, например, для борьбы с чрезвычайными ситуациями вроде лесных пожаров или эпидемий.

- Исполнителями именуют людей, которые работают с программными продуктами и разрабатывают планы их использования при решении реальных задач. Может показаться странным, что люди, работающие с программным обеспечением, рассматриваются как составная часть ГИС, однако в этом есть свой смысл. Дело в том, что для эффективной работы географической информационной системы необходимо соблюдение методов, предусмотренных разработчиками, поэтому без подготовленных исполнителей даже самая удачная разработка может утратить всякий смысл. Пользователями ГИС могут быть как технические специалисты, разрабатывающие и поддерживающие систему, так и обычные сотрудники (конечные пользователи), которым ГИС помогает решать текущие каждодневные дела и проблемы.

- Методы. Успешность и эффективность (в том числе экономическая) применения ГИС во многом зависит от правильно составленного плана и правил работы, которые составляются в соответствии со спецификой задач и работы каждой организации.

 

1.2 Программные продукты, реализующие решение задач картопостроения

 

Под программным продуктом понимается программа, которую независимо от ее разработчиков можно использовать в предусмотренных целях на разных компьютерах, если только они удовлетворяют ее системным требованиям. Разумеется, сформулированное сейчас определение верно не только для отдельной программы, но и для программного комплекса. Человек, получивший в распоряжение дистрибутив программы, сможет самостоятельно установить и полноценно применять ее. Последний пункт имеет непосредственное отношение к технической документации. Всю документацию на программный продукт можно разделить на следующие категории:

• Документация управления проектом — организационные документы, которыми обмениваются между собой те, кто так или иначе участвует создании программы.

• Документация разработки — технические документы, которыми обмениваются между собой те, кто так или иначе участвует создании программы.

• Документация продукции — технические документы, которые предоставляются потребителю в комплекте поставки программы или отдельно от нее.

В составе документации продукции можно выделить эксплуатационную документацию, т. е. такую, которая используется при эксплуатации системы. В свою очередь, в составе эксплуатационной документации можно выделить документацию пользователя, адресованную лицам, непосредственно работающим с программой.

 

1.2.1 Техническая  документация для разработки  программного продукта

 

Состав документации разработки программного продукта в значительной мере зависит от методологии, которую исповедует коллектив разработчиков. Каждая методология, скажем, RUP или MSF, предусматривает свой набор документов. Идеологически эти наборы во многом похожи, хотя одни и те же документы в них могут по-разному называться и иметь разную структуру. В геологии используется достаточно большой арсенал программных продуктов, включающих в свой инструментарий методы картопостроения. В зависимости от поставленных геологических задач роль и место результатов картопостроения существенно различается, чем и определяется широта спектра применяемых программных средств. При всей условности классификации можно выделить три основные группы задач, связанных с картопостроением, и соответствующих им программных средств. Во-первых, это систематизация больших объемов пространственных данных, имеющая в качестве своего ядра ведение базы данных графической информации и связанных с ней атрибутивных показателей. Второе направление состоит в комплексном моделировании пластовых резервуаров с целью определения геологических запасов углеводородного сырья, последующей оценки извлекаемых ресурсов и контроля над разработкой месторождений. К третьей группе относится широкий круг разнородных задач, связанных с непосредственным построением карт, и использующих программы или модули картопостроения достаточно универсального характера, зачастую имеющие общеинженерную направленность.

Определяется повышением эффективности решения комплексных  геологических задач, связанные  с картопостроением, что обусловлено следующими особенностями разработанного программного продукта: Возможностью конструирования технологических цепочек для широкого круга реальных геологических задач; Архивизацией технологии решения геологических задач, обеспечивающей полное сохранение информации о методах и параметрах выполняемых построений; Автоматизацией пересчета конечного результата (и, при необходимости, всех промежуточных этапов) при внесении изменений в исходные данные; Сохранением технологии решения в виде «шаблона», доступного для использования в аналогичных задачах; Общностью математической постановки вариационной задачи картопостроения, что обеспечивает возможность вычислительной и интерфейсной  реализации   широкого спектра представлений о закономерностях изменения картируемых параметров и их связей с другими свойствами изучаемых геологических объектов; Единством методической основы решения задач построения карт, в том числе для моделирования поверхностей с дизъюнктивными нарушениями и для выполнения композиционных построений разномасштабных карт и карт, имеющих смежные области. Наиболее распространенные программные продукты SDE и STAR-APIC. Spatial Database Engine (SDE) – это высокоэффективное средство для работы с большими объемами пространственных данных. По своей сути SDE является объектно-ориентированной системой, работающей со многими коммерческими реляционными системами управления базами данных. SDE обеспечивает геоинформационную систему реальной открытой клиент/серверной архитектурой. С его помощью вы можете разместить и эффективно управлять своими пространственными данными в стандартной СУБД вашего предприятия наравне с другой непространственной информацией. SDE предоставляет вам мощные инструменты, которые могут быть использованы для простого и сложного анализа больших объемов пространственных данных. Разработчики программного обеспечения могут также использовать SDE для разработки специализированных приложений, обеспечивающих доступ и возможности манипулирования разнородными пространственными данными.

 

Рисунок 3. Программный  продукт SDE

 

Базируясь на последних  достижениях в области обработки, хранения и пересылки данных по компьютерным сетям, ESRI разработал новый программный продукт SDE (Spatial Database Engine) - технологию управления крупными базами пространственных данных, включающими информацию по миллионам объектов (например, земельных участков) для работы в стандартной среде ГИС, а также других информационных технологий, в режиме клиент/сервер. Она предоставляет разнообразные возможности оперирования географическими данными, проведения их многостороннего пространственного анализа, рассылки данных и результатов анализа по сети, введения функций запроса и анализа в любые приложения. Работать с базой одновременно могут много (сотни и даже тысячи) клиентов-пользователей, в том числе и не пользователи ГИС, часто не имеющие навыка работы с геоданными. Доступ к базе и получение ответа происходят очень быстро, при этом они практически не зависят от числа пользователей и размера базы данных. В то же время, применение SDE добавит новые возможности пользователям системы ARC/INFO и пакета ArcView. SDE - это не ГИС в традиционном понимании, и не обычная картографическая система, по сути - это инструмент доступа к географической информации на программном уровне, предоставляющий пользователям набор средств оперирования геоданными. Преимущества от использования SDE: эта технология, работает в среде открытых систем поддерживает очень большие базы пространственных данных (многие миллионы объектов и записей) интегрируется с программными продуктами, относящимися как к ГИС, так и к не-ГИС информационным технологиям работает чрезвычайно быстро осуществляет доступ к данным через локальную и глобальную сети проектирована как действительно многопользовательская программа. Основное предназначение SDE - обеспечение наивысшей скорости доступа и работы с данными в пределах сети в режиме клиент/сервер. Примерное распределение функций следующее. Клиент (может работать под Windows или на платформах c UNIX) преимущественно отвечает за пространственные операции, а сервер (на UNIX рабочей станции) - за поиск и пересылку данных. При тестовых испытаниях в Австралии с SDE одновременно работали 300 клиентов-пользователей. При этом максимальное время обращения и получения ответа при взаимодействии с DBMS не превышало 3 секунд на запрос. В качестве базовых SDE использует средства управления реляционными базами данных (RDBMS), однако напрямую конечный пользователь и разработчик приложений с ними не оперируют. Управление процедурой накопления пространственной и атрибутивной информации в RDBMS входит в компетенцию SDE и проводится на уровне ее интерфейса, что значительно упрощает работу. STAR-APIC предлагает полный набор универсальных программных продуктов ГИС, соответствующих потребностям различных пользователей, системных интеграторов и разработчиков. Линейка продуктов STAR-APIC представлена от мобильных и простых в применении "настольных" ГИС до профессиональных ГИС платформ, обеспечивающих реализацию сложных систем и решений, мощных инструментальных средств реализации ГИС приложений в Интернет/Интранет и серверов пространственных данных. Для ГИС продуктов STAR-APIC доступны пользовательские лицензии различных типов (автономная, сетевая, "плавающая") и лицензии разработчиков для партнеров. ActiveX-компонент STAR GIS - полнофункциональная ГИС для использования в сторонних приложениях.

Рисунок 4. STAR GIS/Viewer - "настольная", пользовательская ГИС

 

Рисунок 5. WinSTAR - профессиональная, универсальная ГИС

 

Рисунок 6. STAR NeXt - сервер для развертывания web-решений

 

Рисунок 7. Mercator - профессиональная картографическая издательская система.

Все продукты STAR-APIC обладают рядом преимуществ и технологических  особенностей:

- режим клиент-сервер;

- многопользовательский доступ;

- механизмы транзакций и блокировок;

- функциональный набор функций САПР;

- совместимость с большинством СУБД, САПР и Oracle Spatial;

- средства разработки специализированных ГИС-приложений;

- полная интеграция с FME;

- высококачественное представление данных с уникальной системой легенд;

- полностью векторная топология в "реальном времени";

- прямое использование трехмерных данных;

- неограниченные, непрерывные, многослойные растровые и векторные базы данных;

- соответствие OpenGIS;

- прямой интерфейс с Mercator.

Все программные продукты ГИС STAR-APIC доступны для операционных систем Windows. ГИС WinSTAR и ГИС-сервер STAR NeXt также доступны для UNIX-систем. Средство конвертации данных между различными ГИС, САПР, СУБД. Поддерживает все существующие форматы данных. Настройка процесса конвертации осуществляется в визуальном режиме и позволяет выполнять трансформацию систем координат и использовать встроенные или пользовательские функции преобразования для создания или изменения графических примитивов или записей.

SpacEyes 3D - трехмерная (3D) ГИС,  пространственная визуализация  и трехмерное моделирование. Пакет программ для создания, анализа и представления трехмерных моделей территорий и инфраструктур на основе растровых или ГИС-данных.

 

1.3.Алгоритмы картопостроения. Современные средства компьютерного картопостроения.

 

Построение карт, отражающих свойства геологических объектов - это сложный и многоплановый  процесс, состоящий из этапов сбора  данных, анализа их достоверности, построения промежуточных карт для отдельных свойств, систематизации и осмысления большого числа разнородной информации, сведения всех необходимых данных на одну карту или серию карт, картографическое оформление результатов. В настоящее время этот процесс в значительной степени автоматизирован. Компьютерные базы данных, в том числе и графические, позволяют быстро выбирать необходимую информацию и отображать ее в удобном для пользователя виде. Модули картопостроения эффективно обрабатывают большие объемы информации но отдельным точкам и строят карты в изолиниях. Имеются мощные средства для выдачи конечного продукта высокого полиграфического качества. Современная вычислительная техника предоставляет пользователям очень мощные средства и возможности. Однако, как показывает практика, ресурсов компьютерной техники никогда не хватает для решения всех имеющихся задач. Рост производительности компьютеров всегда приводит к постановке и решению новых задач в максимальной степени задействующих их резервы.