Геоинформационные технологии обработки пространственной информации

Геоинформационные технологии (ГИТ) — это информационные технологии обработки географически организованной информации. Основной особенностью ГИС, определяющей ее преимущества в сравнении с другими АИС, является наличие геоинформационной основы, т.е. цифровых карт (ЦК), дающих необходимую информацию о земной поверхности. При этом ЦК должны обеспечивать: • точную привязку, систематизацию, отбор и интеграцию всей поступающей и хранимой информации (единое адресное пространство); • комплексность и наглядность информации для принятия решений; • возможность динамического моделирования процессов и явлений; • возможность автоматизированного решения задач, связанных с анализом особенностей территории;

• возможность оперативного анализа ситуации в экстренных случаях.

История развития ГИТ восходит к работам Р. Томлисона по созданию Канадской ГИС (CGIS), проводившимся в 1963-1971 гг. В широком смысле ГИТ - это наборы данных и аналитические средства для работы с координатно привязанной информацией. ГИТ - это не информационные технологии в географии, а информационные технологии обработки географически организованной информации.

Существо ГИТ проявляется в ее способности связывать с картографическими (графическими) объектами некоторую описательную (атрибутивную) информацию (в первую очередь алфавитно-цифровую и иную графическую, звуковую и видеоинформацию). Как правило, алфавитно-цифровая информация организуется в виде таблиц реляционной БД. В простейшем случае каждому графическому объекту (а обычно выделяют точечные, линейные и площадные объекты) ставится в соответствие строка таблицы - запись в БД. Использование такой связи, собственно, и открывает столь богатые функциональные возможности перед ГИТ. Эти возможности, естественно, различаются у разных систем, но есть базовый набор функций, обычно имеющийся в любой реализации ГИТ, например, возможность ответа на вопросы "что это?" указанием объекта на карте и "где это находится?" выделением на карте объектов, отобранных по некоторому условию в БД. К базовым можно также отнести ответ на вопрос "что рядом?" и его различные модификации. Исторически первое и наиболее универсальное использование ГИТ - это информационно-поисковые, справочные системы.

Таким образом, ГИТ можно рассматривать как некое расширение технологии БД для координатно привязанной информации. Но даже в этом смысле она представляет собой новый способ интеграции и структурирования информации. Это обусловлено тем, что в реальном мире большая часть информации относится к объектам, для которых важную роль играет их пространственное положение, форма и взаиморасположение, а следовательно, ГИТ во многих приложениях значительно расширяют возможности обычных СУБД, так как ГИТ более удобны и наглядны в использовании и предоставляют ДЛ свой "картографический интерфейс" для организации запроса к базе данных вместе со средствами генерации "графического" отчета. И, наконец, ГИТ добавляет обычным СУБД совершенно новую функциональность - использование пространственных взаимоотношений между объектами.

ГИТ позволяет выполнять над множествами картографических объектов операции, подобные обычным реляционным (JOIN, UNION, INTERSECTION). Операции этой группы называются оверлейными, так как используют в разных вариантах пространственное наложение одного множества объектов на другое. Фактически оверлейные операции обладают большим аналитическим потенциалом, и для многих сфер применения ГИТ являются основными, обеспечивая решение прикладных задач (землепользования, комплексной оценки территорий и другие).

ГИТ предлагает совершенно новый путь развития картографии. Прежде всего, преодолеваются основные недостатки обычных карт: статичность данных и ограниченность емкости "бумаги" как носителя информации. В последние десятилетия не только сложные специализированные карты типа экологических, но и ряд обычных бумажных карт из-за перегруженности информацией становятся "нечитаемыми". ГИТ решает эту проблему путем управления визуализацией информации. Появляется возможность выводить на экран или на твердую копию только те объекты или их множества, которые необходимы пользователю в данный момент. То есть фактически осуществляется переход от сложных комплексных карт к серии взаимоувязанных частных карт. При этом обеспечивается лучшая структурированность информации, что позволяет ее эффективно использовать (манипулирование, анализ данных и т.п.). Очевидно, что наблюдается тенденция возрастания роли ГИТ в процессе активизации информационных ресурсов, т.к. огромные массивы картографической информации эффективно переводимы в активную машиночитаемую форму только с помощью ГИТ. Кроме того, в ГИТ карта становится действительно динамическим объектом.

Последнее обусловлено следующими новыми возможностями ГИТ: • изменяемостью масштаба;

• преобразованием картографических проекций:

• варьированием объектным составом карты;

• "опросом" через карту в режиме реального времени многочисленных БД, содержащих изменяемую информацию;

• варьированием символогией, то есть способом отображения объектов (цвет, тип линии и т.п.), в том числе определение символогии через значения атрибутивных признаков объектов, что позволяет синхронизировать визуализацию с изменениями в БД. В настоящее время широко распространено понимание того, что ГИТ - это не класс или тип программных систем, а базовая технология {umbrella technology) для многих компьютерных приложений (методов и программ), работающих с пространственной информацией.

Поскольку ЦКМ являются наборами данных сложной структуры, то их целесообразно представлять в различных форматах. Под форматом ЦКМ понимается специально введенная система классификации и кодирования данных о местности. От принятого формата ЦКМ во многом зависит оперативность решения функциональных задач (ФЗ) в системах управления военного назначения. Так, например, в случае представления рельефа местности горизонталями вычисление профиля местности занимает в тысячи раз больше времени, чем при представлении рельефа в форме матрицы высот.

Одним из важнейших и наиболее часто встречающихся типов информационной потребности в геоинформации является построение изображения участка карты на экране АРМ {визуализация карты). Но средства отображения ЦКМ на экране АРМ, наряду с приведенными выше требованиями к средствам доступа, должны отвечать еще ряду специфических требований, обусловленных необходимостью восприятия информации человеком. По существу - это следующие эргономические требования, которые целесообразно рассматривать в комплексе с другими:

• по "читабельности" обстановки (т.е. обладать достаточно высокими характеристиками скорости и достоверности восприятия человеком информации оперативной обстановки на фоне карты);

• по "читабельности" карты, (т.е. обладать достаточно высокими характеристиками скорости и достоверности восприятия человеком собственно картографической информации);

• по "комфортности" восприятия, (т.е. форма отображения данных не должна вызывать чрезмерных напряжения человека при восприятии информации и раздражения его органов чувств в целях обеспечения требуемой продолжительности сохранения его работоспособности). ФЗ требует для своего решения различные данные о местности. По мнению авторов, все множество этих задач по характеру использования ЦКМ можно разделить на четыре основных класса:

• задачи, требующие выдачу изображения карты на устройства ввода- вывода средств автоматизации и использующие ее в качестве фона для вывода оперативной обстановки (ОКФ);

• задачи, использующие информацию о характере и профилях местности (ОХПМ);

• задачи, использующие информацию о дорожной сети (РДС);

• задачи, использующие информацию о местоположении объекта в пределах территории государства, зоны ответственности или нейтральной территории (ОМП).

Задачами ОКФ являются все задачи, отображающие оперативную обстановку на местности в процессе диалога с пользователем. Данные задачи могут отображать "поверх карты" информацию о группировках своих войск и войск противника, зонах радиоактивного, химического, биологического заражения, сплошных разрушений, пожаров, затоплений, о направлениях и рубежах действий, районах сосредоточения и др. Общая для задач ОКФ особенность использования ЦКМ заключается в необходимости быстрого вывода изображения карты на экран АРМ в различных масштабах.

К задачам ОХПМ относятся задачи выбора места развертывания радиорелейных станций (РРС), тропосферных станций (ТРС), радиолокационных станций (PJIC), средств радиотехнической разведки, радиоэлектронной борьбы и т.д. Задачи оценки защитных свойств местности в районах развертывания пунктов управления (ПУ) и узлов связи (УС), планирования огневого воздействия и т.п. также относятся к классу ОХПМ. Особенностью задач ОХПМ является необходимость определения с высокой скоростью характеристик местности в окрестностях точки с произвольными координатами.

Серьезные проекты с использованием ГИС требуют работы с большими объемами данных, от сотен мегабайт до нескольких десятков гигабайт. Особен­но высокие требования к объемам дисковой и основной памяти, а также к быст­родействию компьютера, предъявляют ГИС с обработкой изображения в виде растровых структур, например, в задачах геометрической коррекции аэросним­ков, моделирования природных процессов и при работе с рельефом земной по­верхности. Один цветной аэроснимок высокого разрешения стандартного фор­мата, если перевести его в цифровую форму без потери "точности" (24 bit, 1200 dpi) занимает около 200 Мб. Во многих задачах регионального характера требу­ется использовать совмещенную и геометрически откорректированную мозаику из мйогих таких снимков, тем более, что признано целесообразным использо­вать растровую подложку из такой мозаики аэро- или космических снимков (digital orthophoto) в качестве базового слоя для векторных карт, т.е. фотосним­ки "впечатываются" в изображение карты. То же замечание справедливо и для работы с аэрокосмическими снимками, которые, как правило, должны обраба­тываться различными способами, чтобы избирательно выделить на них различ­ную информацию (операции различного рода фильтрации, преобразования кон­траста, операции с использованием быстрого преобразования Фурье, классифи­кационные алгоритмы, дискриминантный, кластерный и факторный анализ, а также метод главных компонент). Поэтому вместо того, чтобы хранить десятки версий обработки, что потребовало бы до сотен Гбайт на 1 кадр, рациональнее выполнять их по требованию. Современные специализированные рабочие стан­ции справляются с такой задачей, для ПК же она еще трудна. Иногда операция с одним кадром на ПК длится несколько минут. Когда необходимо моделировать сложные природные процессы, в частности распространение загрязнения, лес­ных пожаров, либо применять данные аэрокосмических съемок, использование специализированной рабочей станции неизбежно.

Следует отметить, что скорость накопления объемов аэрокосмических (осо­бенно космических) данных пока идет в том же темпе или даже опережает тем­пы роста вычислительных мощностей ПК и рабочих станций. Действительно, ежемесячно над каждым участком Земли размером с большой город собирается не менее 800-1000 Мбайт спутниковых изображений. И если даже учесть, что половина их по условиям облачности непригодна для использования в ГИТ- приложениях, все равно это составляет огромный поток. И еще одно замечание: разрешение систем сбора дистанционной информации постоянно растет, а уве­личение геометрического разрешения на местности с 20 до 10 м увеличивает объем данных в 4 раза. Так что каждые 2-4 года компьютерная система должна в несколько раз увеличивать свою производительность, чтобы не отстать от темпов развития устройств сбора информации. Отсюда ясно, что еще длитель­ное время технической основой мощных полнофункциональных ГИС с анали­тическими функциями будут оставаться специализированные рабочие станции.

Еще одним моментом, который обуславливает необходимость обращения существенного внимания к рабочим WVZY-станциям является тот факт, что се­годня основные пакеты наиболее "серьезных" ГИС еще не переведены на ПК.

Основными направлениями использования ПК при работе с ГИС в настоя­щее время являются:

· использование ПК в качестве терминалов совместно с рабочими стан­циями для работы с большими ГИС (ARC/INFO);

· использование ПК в качестве станций ввода и модификации цифровых карт местности с дигитайзера или сканера (PC ARC!INFO, ArcCAD);

· использование ПК для ГИТ-проектов с небольшим объемом единовре­менно активной информации (PC ARC/INFO, ArcCAD, ArcView);

· использование ПК в учебных целях, для знакомства с методологией ГИТ;

· использование ПК на начальных стадиях больших проектов, когда объем базы данных еще не вырос, не требуется полная функциональность на больших объемах и требуется еще доказывать полезность использования ГИТ и необходимость вложения серьезных средств.

Так как современные ГИС представляют собой, как правило, сложные про­граммно-информационные комплексы, разработанные специально для приме­нения в конкретных областях информационной деятельности или для решения специализированных задач, то в их состав входят:

· операционная система;

· ядро прикладного программного обеспечения;

· модули тематической обработки данных;

· интерактивный интерфейс пользователя.

К модулям тематической обработки данных относятся:

· программное обеспечение ввода-вывода данных;

· прикладное программное обеспечение анализа векторной и растровой информации;

· СУБД;

· программное обеспечение распознавания образов;

· программное обеспечение выбора картографической проекции;

· программное обеспечение для преобразования изображений;

· программное обеспечение картографической генерализации;

· программное обеспечение генерации условных знаков и т.д..