Программно-технический комплекс ГИС

ЭВМ состоит из нескольких различных аппаратных компонентов.

Центральный процессор − это наиболее важный компонент ЭВМ, который обеспечивает выполнение программ и управляет всеми аппаратными средствами. ЭВМ могут иметь несколько процессоров для решения различных задач, однако при этом один из них выполняет функции центрального и управляет потоком команд и данных, идущих через дополнительные процессоры.

Память − в памяти запоминается входящая и выходящая информация центрального процессора, а также команды, которым он следует. Объем памяти измеряется в битах, байтах, килобайтах, мегабайтах, гигабайтах, терабайтах.

Существует три вида памяти: оперативная, внутренняя и внешняя.

Периферийные устройства включают все остальные устройства, присоединяемые к ЭВМ для обеспечения ввода и вывода данных.

Портативные компьютеры впервые появились в 1985 г., когда фирма Toshiba выпустила лэптоп Т1000.

Персональные компьютеры (ПК) появились в результате эволюции мини-компьютеров при переходе на использование в элементной базе больших и сверхбольших интегральных схем.

Рабочие станции. Миникомпьютеры стали прародителями и другого направления развития современных систем - рабочих станций. Сегодняшние PC-рабочие станции - это весьма производительные персональные компьютеры на старших моделях Pentium, Pentium Pro или AMD с ОС Windows NT, OS/2 или Linux.

Серверы - прикладные многопользовательские системы, включающие системы управления базами данных, крупные издательские системы, сетевые приложения и системы обслуживания коммуникаций, разработку комплексных проектов и обработку изображений все чаще реализуют в модели вычислений «клиент-сервер».

Наибольшее распространение в области геоинформатики в настоящее время имеют персональные компьютеры. Базовые технические средства ПК в целом определяются основными структурными компонентами: материнской, или системной, платой, процессором, оперативной памятью, видеосистемой, системным интерфейсом.

Рынок мониторов представлен пятью основными технологическими форматами: CRT (мониторы с электронно-лучевой трубкой), LCD (жидкокристаллические), PDP (с плазменными панелями), FED (с полевой эмиссией) и LEP (светоимитирующие).

Периферийные устройства ввода

К устройствам ввода информации относятся клавиатура, мыши, дигитайзеры, сканеры и некоторая другая специализированная аппаратура.

Сканеры - устройства для считывания графической и текстовой информации. В ГИС они широко используются для получения растровых образов карт.

Классифицировать сканеры можно по следующим параметрам:

- способу подачи исходного материала для считывания (ручные, планшетные, протяжные, например роликовые, и барабанные);

- принципу считывания информации (работающие на просвет, работающие на отражение);

- глубине цвета (2, 8, 24 бит и более на точку) или отношению к цветопередаче (штриховые, полутоновые и цветные).

Цифрователь(дигитайзер) - это устройство планшетного типа, предназначенное для ввода информации в цифровой форме. Выпуском цифрователей занимаются такие фирмы, как Summagraphics, Aristo Graphics Systeme GmbH, Kontron Electronik GmbH, TDS CsdGraphicsLtd.

Следует отметить, что цифрователи практически перестали использоваться в ГИС-технологиях для ввода картографической информации, поскольку работа с отсканированным изображением намного удобнее для оператора.

Периферийные устройства вывода

К компьютерам подключаются периферийные устройства вывода, к которым относятся принтеры и графопостроители. В настоящее время произошло почти полное слияние этих видов устройств.

Принтеры предназначены для вывода информации на бумагу. Основные характеристики принтеров определяют способы печати (ударный и безударный), формирование символов (знакопечатающий и знакосинтезирующий, в том числе матричный) и выведение строк (последовательно и параллельно). Встречаются принтеры литерные, матричные, термические, электростатические, струйные и лазерные.

Графопостроители (плоттеры) - устройства для вывода чертежей на бумагу. Первые графопостроители фирмы CalComp Technology, Inc появились на рынке в 1959 г. Все графопостроители можно разделить на два больших класса: векторные и растровые.

Программа − это последовательность взаимосвязанных команд, поочередно выполняемых центральным процессором для достижения определенной цели; определяет реакцию ЭВМ на ввод данных, характер отображаемой и конечной информации.

Для геоинформатики, наибольший интерес представляют прикладные программы, к которым относят текстовые редакторы, системы управления базами данных, графические пакеты.

Программное обеспечение ГИС реализует функции и средства, необходимые для хранения, обработки и представления географической информации. Наиболее широко используемые программы ГИС − MapInfo, ARC/Info, AutoCad Map CIVIL, QantumGIS и другие.

Структурно программные средства ГИС включают базовые программные средства, модули приложения и вспомогательные средства (утилиты), обеспечивающие решение всей совокупности перечисленных задач.

Базовые программные средства позволяют осуществить связь пространственной и атрибутивной информации, отображение пространственной и атрибутивной информации, организацию запросов для выбора или поиска необходимых пространственных объектов, редактирование атрибутивной информации и т. п. Базовые программные средства могут быть универсальными и специализированными.

Вспомогательные средства (утилиты) используются для выполнения необходимых операций без использования более дорогих базовых средств. Вспомогательные программные средства зачастую являются более производительными за счет их меньшей универсальности. Практически всегда вспомогательные средства обладают более низким соотношением цена/производительность.

К вспомогательным средствам можно отнести конвертеры, векторизаторы, растеризаторы и др.

 

Лекция 5

Регистрация и ввод данных

Вся информация об объектах ме­стности и явлениях действительности может обрабатываться компьютерными системами только тогда, когда она представлена в цифровом виде.

Географические информационные системы работают с двумя существенно отличающимися между собой типами дан­ных – векторным и растровым.

Растровый тип – это графическая инфор­мация (карты, рисунки, фотографии), представленная в виде матрицы чисел, каж­дый элемент которой является кодом, характеризующим яркость соответствующего элемента дискретизации изображения карты. Наименьший элемент растрового изображения – пиксель.

В компьютерной графике термин «пиксель», вообще говоря, может обозначать разные понятия:

- наименьший элемент изображения на экране компьютера (видеопиксель);

- отдельный элемент растрового изображения (пиксель);

- точка изображения, напечатанного на принтере (точка).

Данные хранятся в растровом формате, отображающем явление реального мира:

- тематические данные (также именуемые дискретными) могут отображать, например типы землепользования или почвенные данные;

- непрерывные данные содержат информацию о таких показателях, как температура, высота над уровнем моря, либо спектральную информацию – в случае с аэрофото- и космическими снимками;

- изображения могут представлять собой, в том числе сканированные карты и фотографии зданий.

В ГИС направления использования растровых данных можно разделить на четыре основные категории:

1. Растры как базовые карты

2. Растры как карты поверхности

3. Растры как тематические карты

4. Растры как атрибуты объектов

Растровые изображения обладают существенным недостатком - их трудно масштабировать. Кроме того, растровые изображения занимают много места в памяти и на диске. Чтобы избежать указанных проблем, применяют так назы­ваемый векторный способ кодирования изображений.

Векторный тип – это форма представления информации о местоположении объектов, их очертаниях в виде структурированного набора координат точек объекта.

Самые простые типы векторного изображения – штриховые. Они сла­гаются из отдельных линий, отрезков, дуг, из которых можно создавать различные комбинации. Векторная графика состоит как правило из графических примитовов- прямых линий, дуг, окружностей, эллипсов, прямоугольников, областей однотонного или изменяющегося цвета (заполнителей) и т. п.

Также как и у растровой графики, у векторной есть недостатки. Прежде всего, это некоторая условность получаемых изображе­ний. Векторные данные используются в ГИС для представления информации, которая нуждается в дальней­шем анализе или обработке.

Графические форматы, используемые как обменные в разных ГИС- и графических пакетах программ, также делятся на вектор­ные и растровые. Многие ГИС предлагают для сохранения растровых изображений использо­вать свой собственный формат.

Основным графическим форматом Windows является формат ВМР (англ. Bitmap). Он позволяет хранить черно-белые, серые или цветные изображения.

Формат ТIFF позволяет сохранять изображения любой глубины цвета. Допускается применение сжатия, которое существенно уменьшает размеры файла без потери качества. Кроме того, в файлах данного формата допускается сохранение дополнительной информации, которую графические редакторы или ГИС могут интерпретировать по-своему.

Если необходимо значительно уменьшить размер картографического документа, в котором имеется множество цветов, то сжатием изображения без потерь качества обойтись не удастся. Самым рас­пространенным форматом в этом случае является JPEG (англ. Joint Picture Expert Group).

 

Лекция 6

Хранение данных и их защита

 

Информационную основу ГИС образуют цифровые представления (модели) реальности. С появлением компьютера все множество данных разделилось на два типа: цифровые и аналоговые.

Объектом информационного моделирования в ГИС является пространственный объект - цифровое представление (модель) объекта реальности (местности), содержащее его местоуказание и набор свойств (характеристик, атрибутов), или сам этот объект.

Некоторое множество цифровых данных о пространственных объектах образует пространственные данные. Они состоят из двух взаимосвязанных частей:

- позиционной (тополого-геометрической)

- непозиционной (атрибутивной) составляющих, которые образуют описание пространственного положения и тематического содержания данных.

Базовыми (элементарными) типами пространственных объектов, которыми оперируют современные ГИС, обычно считаются

- точка;

- линия;

- область;

- пиксел;

- ячейка;

- поверхность;

- тело.

Общее цифровое описание пространственного объекта включает:

- наименование;

- указание местоположения (местонахождения, локализации);

- набор свойств;

- отношения с иными объектами;

- пространственное «поведение».

В пространственных данных следует различать и выделять три составные части: топологическую, геометрическую и атрибутивную.

Типами (классами) моделей именуют также модели, различающиеся по своему внутреннему устройству. В литературе существует множество классификаций моделей и наименований конкретных моделей; например, классификация В.Кайнца (Kainz, 1987), включает следующие их типы:

1. Векторные модели:

- бесструктурная;

- топологическая;

- гиперграфовая;

- решетчатая.

2. Мозаичные модели:

- регулярные мозаики;

- нерегулярные мозаики;

- TIN;

- полигоны Тиссена;

- иерархические (вложенные) мозаики;

- квадродерево.

3. Гибридные модели.

Тем не менее, в практике геоинформатики уже достаточно давно определился набор базовых моделей (представлений) пространственных данных:

- растровая модель;

- регулярно-ячеистая (матричная) модель;

- квадротомическая модель;

- векторная модель.

Многомодельность программного средства, необходимость обмена данными между системами, другие мотивы побуждают разработку алгоритмов и средств преобразования данных из одной модели в другую. Некоторые из этих преобразований просты и могут быть выполнены автоматически, например векторно-растровое преобразование (растеризация). Обратный процесс - векторизация растровых данных (растрово-векторное преобразование), широко используемая при цифровании графических материалов.

Среди собственно геоинформационных форматов (или аналогичных стандартов) выделяются несколько их групп: форматы распространенных цифровых продуктов: NOTIGEO, SXF, AS/NZS 4270, CCOGIF, VPF, DLG, GBF/DIME, TIGER, CFF, DFAD, DEM, CTG, LULC, LMIC, DOQ; обменные форматы отдельных программных продуктов: Generate/Ungenerate ArcInfo (ARCG), ARCE, ERDAS, HFA, MIF, MIF/MID (MapInfo), ADRG, ADRI; универсальные форматы, не ориентированные на какой-либо продукт, программную систему или область применений: американский стандарт SDTS, английский NTF, канадский SAIF и стандарт НАТО DIGEST, американский военный стандарт VPF.

Лекция 7