Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
"Тамбовский государственный технический университет"
А.В. Лопандя, В.А. Немтинов
Основы ГИС и цифрового
тематического
картографирования
Допущено УМО по университетскому политехническому образованию
в качестве электронного учебного пособия для студентов,
обучающихся по специальности 230201 "Информационные системы
и технологии" и направлениям подготовки бакалавров
и магистров 150400 "Технологические машины и оборудование"
Тамбов
Издательство ФГБОУ ВПО "ТГТУ"
Представлены общие сведения о геоинформационных системах (ГИС), основные термины и понятия. Рассмотрены вопросы ввода данных и цифрования, приведены краткие характеристики основных ГИС, их преимущества и недостатки. Даны общие представления о программном обеспечении ГИС фирмы ESRI–ArcFM, ArcInfo и ArcView. Материал содержит графические иллюстрации и видеофрагменты, поясняющие представленный теоретический курс и работу с описываемым программным обеспечением.
Включает в себя основные тематические разделы дисциплины "Компьютерные технологии и системы", входящей в блок общепрофессиональных дисциплин федерального компонента направления подготовки бакалавров и магистров 150400 "Технологические машины и оборудование".
Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 230201 "Информационные системы и технологии" и направлениям подготовки бакалавров и магистров 150400 "Технологические машины и оборудование".
Оглавление
Стр.
Введение 5
Глава 1. Общее представление о ГИС 6
1.1. Определение информационных систем 6
1.1.1. Подсистемы ГИС 7
1.1.2. Структура информационных систем 9
1.2. Перспективы развития ГИС в России 11
Глава 2. Основные термины и понятия 13
2.1. Понятие карты и работа с ней 13
2.2. Пространственные объекты 15
2.3. Шкалы измерений 18
2.4. Пространственные координаты 20
2.5. Масштаб карты 24
2.6. Графическое представление объектов и атрибутов 25
2.6.1. Растровые модели 28
2.6.2. Векторные модели 29
Глава 3. Ввод данных, цифрование исходной информации 31
3.1. Методы ввода векторных данных 32
3.2. Методы ввода растровых данных 33
3.3. Устройства ввода 34
Глава 4. Геоинформационные системы 38
4.1. Краткие характеристики основных ГИС 39
4.2. Преимущества и недостатки при работе с ГИС 40
Глава 5. Система ArcFM фирмы ESRI 42
5.1. Преимущества использования 44
5.2. Средства АМ/FM ГИС 45
Глава 6. ArcInfo – профессиональная ГИС 46
Глава 7. ArcView – настольная ГИС 47
7.1. Общее представление о системе, интерфейс и преимущества работы 47
7.2. Приложения, входящие в систему, возможности,
которые они предоставляют 49
Глава 8. Работа в среде ArcView 54
8.1. Создание нового проекта 54
8.2. Знакомство с видами 55
8.3. Создание тем и шейп-файлов 57
8.4. Знакомство с таблицами 60
8.5. Трехмерные изображения 63
8.6 Разработка проекта "Пространственная модель городской территории" 65
Заключение 72
Список литературы 74
Введение
Географические информационные системы (ГИС) — это увлекательное поле деятельности с быстро растущими возможностями для тех, кто знаком с концепциями и технологией. Существует общее заблуждение о том, что поскольку ГИС легкодоступны и имеются во многих различных организациях, можно просто сесть за компьютер и начать ими пользоваться. Однако ГИС совсем не так просты, как, например текстовые редакторы. Также как и пользование текстовым редактором предполагает нашу способность организовывать наши мысли в связную последовательность предложений и абзацев, так и ГИС требуют знакомства с языком карт. Если спросить, большинство из нас скажут, что хорошо знают карты. Мы привычно пользуемся картами дорог, и, если необходимо, то заглядываем в атлас мира с его политическими, физическими и экономическими границами, связанными сними цветами, графическими символами, текстом и, конечно, стрелкой направления на север. Большинство из нас, однако, не задумывается ни об объеме информации, которую содержит карта, ни о процессах обобщения, которые возникают при решении вопроса о том, какие детали включаются, а какие – нет. Значительная часть этой генерализации обусловлена масштабом карты. Чем мельче масштаб (и больше размер области, отображенной на карте), тем более глубокая генерализация требуется для создания картографической модели. Идея о том, что карта является моделью реальности, возможно, наиболее важная идея, которую должен усвоить будущий специалист по ГИС [11].
Современные тенденции рынка технических средств показывают, что ГИС — быстро растущая область информационных технологий, далеко обгоняющая многих других, причем даже в периоды спада. А по мере роста числа организаций, знакомых с этой технологией, будет расти и потребность в понимании ее базовых принципов, а также нужда в специалистах, знающих эти принципы. При знакомстве с ГИС могут возникать некоторые проблемы поэтому от изучающего ГИС требуется изучать больше чем просто технику. Прежде чем освоить технику, вам нужно освоить ее идеи.
ОБЩЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О ГИС
1.1. Определение информационных систем
В наиболее общем смысле, геоинформационные системы это инструменты для обработки пространственной информации, обычно явно привязанной к некоторой части земной поверхности, которые используются для ее управления. Это рабочее определение не является ни полным, ни точным. Как и в случае с географией, термин трудноопределим и представляет собой объединение многих предметных областей. В результате, нет общепринятого определения ГИС. Сам термин изменяется в зависимости от интеллектуальных, культурных, экономических и даже политических целей. Эта терминология стала в действительности очень изменчивой, приводя к все новым определениям, постоянно проникающим как в научную, так и в популярную литературу.
Для опытного пользователя ГИС не требуется определения. Но для тех, кто только слышал об этой технологии, определение может оказаться полезным. Для предварительного рассмотрения можно взять определение, данное Дэвидом Райндом, назвавшим ГИС "компьютерной системой для сбора, проверки, интеграции и анализа информации, относящейся к земной поверхности". Это определение содержит ряд весьма полезных элементов, которые следует рассмотреть подробнее. Во-первых, оно говорит, что ГИС имеют дело с земной поверхностью. Хотя это не является абсолютно необходимым условием, подавляющее большинство областей применения ГИС имеют дело с участками этой поверхности. Во-вторых, утверждение о том, что ГИС используются для сбора, проверки, интеграции и анализа информации, напоминает о большом числе групп операций, необходимых для любой геоинформационной системы. Предлагались и другие определения ГИС. Некоторые проявляли сильную связь между ручными и компьютерными методами анализа карт, (Dickinson и Calkins 1988, Aronoff 1989) другие явно указывали среди главных целей ГИС использование их как инструмента анализа информации о земле (Aronoff 1989, Parker 1988, Tikunov и Trifimov 1989).
Отсутствие общепринятого определения привело к значительному недопониманию того, что такое ГИС, каковы их возможности и для чего такие системы могут применяться. Это привело к тому, что некоторые люди полагают, например, что нет разницы между компьютерной картографией, компьютерным черчением и собственно ГИС. Поскольку графические экраны всех трех систем могут выглядеть одинаково как для случайного, так и для опытного наблюдателя, легко предположить, что эти системы, при небольших различиях, в принципе, – одно и тоже. Но любой, кто попытается анализировать карты, скоро поймет, что системыкомпьютерной картографии,придуманные для создания карт из графических примитивов в сочетании с описательными атрибутами, прекрасно подходят для отображения карт, но обычно не содержат аналитических возможностей ГИС. Аналогично, для чисто картографических целей желательно использовать именно систему компьютерной картографии, разработанную специально для ввода, организации и вывода картографических данных, нежели продираться через мириады аналитических функций мощно профессиональной ГИС. Системы компьютерного черчения, специально разработанные для создания графических изображений, не привязанных к внешним описательным данным, — прекрасный инструмент для инженера, ускоряют создание чертежей и упрощают их редактирование. В отличие от систем компьютерной картографии, они неудобны для создания карт, а также не имеют средств анализа карт, обычно главной задачи ГИС. Определение можно расширить также и до включения организаций и людей, работающих с пространственными данными. Для любой быстро развивающейся технологии определения могут меняться [1].
Сформулируем определение, которое представляет ГИС как набор подсистем, ее образующих. Это определение, предложенное в качестве стандарта Марблом и Пюке, в целом резюмирует то, что мы делаем с помощью ГИС, и как мы это делаем. В нем говорится о том, что ГИС имеют дело с пространственно-временной информацией и часто, но не обязательно, используют компьютеры. Более важно, что это определение использует идею подсистем, которая дает легко понимаемые рамки изучения ГИС.
Подсистемы ГИС
В соответствии с данным выше определением, ГИС имеют следующие подсистемы:
1. Подсистема сбора данных, которая собирает и проводит предварительную обработку данных из различных источников. Эта подсистема также в основном отвечает за преобразования различных типов пространственных данных (например, от изолиний топографической карты к модели рельефа ГИС).
2. Подсистема хранения и выборки данных, организующая пространственные данные с целью их выборки, обновления редактирования.
3. Подсистема манипуляции данными и анализа, которая, выполнив различные задачи на основе этих данных, группирует и разделяет их;
устанавливает параметры и ограничения и выполняет моделирующие функции.
4. Подсистема вывода, которая отображает всю базу данных или часть ее в табличной, диаграммной или картографической форме.
Первая подсистема ГИС может быть соотнесена с первым и вторым шагом процесс картографирования – сбором данных и компиляцией (составлением) карт. Исходная информация берется из таких источников, как аэрофотосъемка, цифровое дистанционное зондирование, геодезические работы, словесные описания и зарисовки, данные статистики и т.д. Использование компьютера и других электронных устройств, например дигитайзера или сканера, позволяет проводить подготовку исходных данных для записи, или кодирования точек, линий и областей к их дальнейшему использованию. Кроме того, источниками могут быть готовые цифровые карты, цифровые модели рельефа, цифровые ортофотоснимки и многие др.
Вторая подсистема – подсистема хранения и выборки полностью соответствует нашим представлениям о функциях компьютера, как хранителя информации. В ГИС подсистема хранения и выборки позволяет делать запросы, возвращающие только нужную, контекстно-связанную информацию, она переносит акцент с общей интерпретации информации на формулирование адекватных запросов. В общих словах, эта подсистема хранит либо явно, либо неявно, геометрические координаты точечных, линейных и площадных геометрических объектов и связанные с ними характеристики (атрибуты). Компьютерные методы поиска естественным образом присущи самому программному обеспечению ГИС.
Анализ данных чаще всего является преимуществом человека-пользователя. Подсистема анализа позволяет значительно упростить и облегчить анализ пространственно-связанных данных, практически исключить ручной труд и в значительной мере упростить расчеты, выполняемые пользователем. Подсистема анализа является "сердцем" ГИС. Необходимость анализа карт для выделения и сравнения картин распределения земных феноменов дал импульс для поиска новых, более удобных, быстрых и мощных методов. ГИС-анализ использует потенциал современных компьютеров, сравнения и описания информации, хранящейся в базах данных которые дают быстрый доступ к исходным данным и позволяют агрегировать и классифицировать данные для дальнейшего анализа. Они способны комбинировать выбранные наборы данных уникальными и ценными способами.
После выполнения анализа, нужно представить как-то его результаты. В картографии, будь то традиционная бумажная картография или ее цифровой эквивалент, компьютерная картография, выходной продукт в целом тот же – карта. Подсистема вывода позволяет компоновать результирующие данные в любой удобной для пользователя форме. Среди примеров выходных данных – печатьадресов на конвертах по результатам поиска в базеданныхпотенциальных клиентовс целью распространения рекламы; базы данных некоторых служб могутбыть подключеныв единую систему, результатом чего будет максимальная информационная насыщенность данных на выдаче. В действительноститипы выдачи часто продиктованы больше областью применения ГИС, нежелииспользуемым программным обеспечением. И, как и пользователи карт, выдачи бывают самыеразные [2].