Основи геоінформаційних систем та баз даних

ОСНОВИ ГЕОІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМ ТА БАЗ ДАНИХ

 

 

(Конспект лекцій)

 

Київ - 2010

РОЗДІЛ 1.ГЕОІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ В СУСПІЛЬСТВІ

Історія розвитку та загальні поняття геоінформатики.

Характерною рисою сучасного розвитку людства є перехід до інформаційного суспільства. Інформаційні технології все більше охоплюють різні сфери людського життя. Особливий інтерес для географів і представників інших наук, пов'язаних з використанням просторово-координованої інформації, становлять геоінформаційні технології, що дозволяють залучити до дослідження, практичної діяльності і навчання наймогутніший потенціал електронно-обчислювальної техніки і новітніх, у тому числі космічних технологій.

За своїм характером геоінформаційні технології являють собою сучасну інформаційну технологію географії, геології, екології та багатьох інших як природознавчих, так і соціально-економічних та інженерних наук, яка дозволяє істотно підвищити їх потенціал. Більш того, геоінформаційні технології сьогодні вже широко використовуються в найрізноманітніших науках, до яких, крім названих вище, входять також сільськогосподарські, економічні, суспільні науки, будівництво і архітектура, військова і бібліотечна справи, регіональне управління, бізнес, комерція та ін. На сайті компанії ESRI, США, світового лідера в галузі виробництва програмного ГІС-забезпечення, наприклад, наводиться перелік спеціальностей, у рамках яких використовуються програмні ГІС-продукти цієї фірми, він налічує більше 80 найменувань.

 

Геоінформатика — це наука, технологія і прикладна діяльність, пов'язані зі збором, збереженням, обробкою, аналізом і відображенням просторових даних, а також із проектуванням, створенням і використанням географічних інформаційних систем.

У цілому геоінформатика тісно пов'язана з географічними інформаційними системами (геоінформаційними системами, ГІС -Geographical Information Systems, GIS).

Географічна інформаційна система (ГІС) - це інтегрована сукупність апаратних, програмних і інформаційних засобів, що забезпечують введення, збереження, обробку, маніпулювання, аналіз і відображення (представлення) просторово-координованих даних.

Першою реально працюючою геоінформаційною системою у світі вважається ГІС Канади (Canada Geographic Information System, CGIS), розроблена в середині 60-х років XX ст на базі перших ЕОМ. Розробка перших геоінформаційних систем (Канадської ГІС, Інформаційної системи природних ресурсів штату Техас (1976), Австралійської ресурсної інформаційної системи (ARIS, 1979-1982) та ін.) було результатом реалізації цілком очевидного прагнення застосувати унікальні і все зростаючі можливості ЕОМ.

На даний час можна з певною мірою умовності виділити наступні етапи розвитку ГІС технологій:

Перший етап (кінець 50-х - кінець 70-х років XX ст.) разом зі створенням перших географічних інформаційних систем, перш за все в Канаді і США, характеризується розробленням перших комп'ютерних систем просторового аналізу растрових зображень й автоматизованого картографування з використанням лінійних і пір'яних плотерів. Першим і найвідомішим програмним пакетом, що реалізовував функції побудови картограм, карт ізоліній і трендових поверхонь, був пакет SYMAP (Synagraphic Mapping System), розроблений у 1967 р. у Гарвардській лабораторії комп'ютерної графіки і просторового аналізу. Характерним для цього часу також було удосконалення методів аналізу просторових даних і технологій їх кодування і представлення.

Другий етап (80-ті роки XX ст.). У 80-ті роки XX ст. розробляються програмні ГІС-пакети (інструментальні ГІС), майбутні лідери світового програмного ГІС-забезпечення - пакет ARC/INFO, розроблений Інститутом досліджень систем навколишнього середовища (Environmental System Research Institute, ESRI Inc.) (1982), пакет Maplnfo фірми Maping Information Systems Corp. (1987), пакет IDRISI, розроблений в Університеті Кларка (1987), пакет Modular GIS Environment (MGE) фірми Intergraph (1988) - усі в США.

Третій етап (90-ті роки XX століття - початок XXI століття). Прогрес у ГІС-технології в 90-ті роки минулого століття значною мірою був пов'язаний з прогресом апаратних засобів, причому як комп'ютерів - виникненням 32-бітових, а потім 64-бітових міні- і мікроЕОМ, так і засобів введення і виведення просторової інформації - дигітайзерів, сканерів, графічних дисплеїв і плотерів. Для цього ж періоду характерне широке поширення так званих комерційних ГІС-пакетів («інструментальних ГІС»), що з'явилися ще в 80-ті роки XX ст. Геоінформаційні технології в Україні набули розвитку в середині 90-х років XX ст.

 

АПАРАТНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ГІС.

Геоінформаційні системи базуються на певному наборі технічного обладнання, основними функціями якого є забезпечення роботи програмних ГІС-продуктів і допоміжних програм, збереження масивів цифрових даних, забезпечення збору і введення даних, представлення готової інформації. Комплекс електронних і електронно-механічних пристроїв, призначений для технічної підтримки працездатності ГІС, називається апаратним забезпеченням ГІС. Апаратне забезпечення (синоніми - апаратні засоби, апаратура, технічні засоби, hardware) - технічне устаткування геоінформаційної системи, що містить власне комп'ютер і інші механічні, магнітні, електричні, електронні й оптичні периферійні пристрої чи аналогічні прилади, що працюють у складі апаратного комплексу або автономно, а також будь-які пристрої, необхідні для функціонування геоінформаційної системи (наприклад, GPS-апаратура, електронні картографічні прилади і геодезичні прилади). Загальна організація взаємозв'язку елементів апаратного забезпечення геоінформаційної системи називається архітектурою, сукупність функціональних частин — конфігурацією системи.

Залежно від призначення і масштабу ГІС апаратне забезпечення може мати різні функціональні групи пристроїв. Для простих настільних ГІС кінцевого користувача досить звичайного офісного комп'ютера з принтером, багатофункціональні корпоративні ГІС можуть налічувати десятки робочих місць з різними периферійними пристроями, об'єднаних у єдину обчислювальну мережу з керованим доступом. Для виконання деяких технологічних операцій введення чи представлення даних у середовищі ГІС розробляються унікальні апаратні пристрої вартістю в десятки і сотні тисяч доларів США. У той самий час основна частина бюджетних ГІС-проектів орієнтована на використання стандартних комп'ютерів і периферійних пристроїв. У зв'язку з особливостями організаційної структури ГІС апаратне забезпечення прийнято поділяти на три основні групи:

1) пристрої обробки і збереження даних (власне комп'ютери);

2) пристрої збору і введення даних;

3) пристрої візуалізації і представлення даних.

Комп'ютери класифікуються за сферою застосування, конструктивним виконанням та іншими критеріями. Наприклад, дотепер використовується така класифікація: суперЕОМ, чи суперкомп'ютери, комп'ютери загального призначення, чи універсальні комп'ютери, або «мейнфрейми» (mainframe), робочі станції, персональні комп'ютери, мобільні комп'ютери. Засновник фірми Microsoft Вілл Гейтс, людина, що багато в чому визначає напрямок розвитку комп'ютерної індустрії у світі, ввів таку класифікацію персональних комп'ютерів: сервери, настільні, портативні, кишенькові, ПК-кіоски й інтерактивні телевізори.

Сервери. Сервер призначений для роботи в складі локальних чи розподілених обчислювальних систем, виконує певні функції для обслуговування інших комп'ютерів. Залежно від призначення сервери оснащуються наборами комплектуючих з різними технічними характеристиками.

Робочі станції. У різні періоди розвитку комп'ютерної техніки під терміном «робоча станція» розуміли різні типи комп'ютерів. У 70-80-ті pp. XX ст. робочі станції характеризувалися порівняно з малопотужними першими персональними комп'ютерами наявністю потужних процесорів, великими обсягами дискової й операційної пам'яті, наявністю декількох зовнішніх терміналів і засобів зв'язку з ними, багатозадачними операційними системами типу UNIX, SOLARIS та ін. У наш час під робочою станцією розуміють комп'ютер, конфігурація якого оптимізована для виконання певного класу завдань, наприклад, обробки графічних даних.

Настільні персональні комп'ютери. Комп'ютери настільної конфігурації призначені для роботи користувача в умовах офісу чи будинку. Електронні компоненти комп'ютера складені в єдиному корпусі (системному блоці), кожен комп'ютер оснащений засобами керування, що підключаються (миша, клавіатура, монітор). Фірма Apple поміщає в єдиний моноблок разом з електронними компонентами так само і монітор. Настільні комп'ютери розраховані на роботу переважно одного користувача і допускають різні варіанти настроювання апаратної і програмної конфігурації, підключення периферійних пристроїв, а так само зміни зовнішнього вигляду.

Мобільні комп'ютери. Перший мобільний комп'ютер був створений ще в 1980 р. і важив 12 кг. Сучасні мобільні комп'ютери мають технічні характеристики, які нічим не поступаються характеристикам настільних моделей при істотно менших розмірах і вазі. Розміри більшості моделей переносних комп'ютерів класу Notebook (записна книжка) не перевищують розмірів великої папки при вазі менше 3 кг. Основними компонентами, що дозволили досягти таких характеристик, є плоскі рідинно-кристалічні екрани розміром 14-15" і високоємні елементи автономного електроживлення. Необхідність економії енергії зумовила випуск спеціальних мобільних версій основних типів процесорів, що при високій тактовій частоті мають знижене енергоспоживання. Для мобільних комп'ютерів розроблені спеціальні моделі портативних твердих магнітних дисків, мікросхем оперативної пам'яті. Багато моделей Notebook оснащені вмонтованими дисководами, модемами, портами для підключення периферійних пристроїв (зовнішніх моніторів, клавіатур, миші). Мобільні комп'ютери відрізняються більш високим ступенем інтегрованості комплектуючих вузлів, і їх складання виробляється тільки на спеціалізованих підприємствах. Найбільш відомі моделі мобільних ПК фірм Toshiba, Compaq, HP, IBM.

Пристрої збору і введення інформації

Стандартними пристроями введення інформації в комп'ютер є клавіатура і графічний маніпулятор «миш За допомогою клавіатури в комп'ютер вводиться цифрова і символьна інформація, для чого на клавіатурі розміщені різні клавіші (102 чи 104 клавіші). Маніпулятор «миша» використовується в програмах із графічним інтерфейсом. За допомогою курсора миші користувач указує на різні елементи керування, розміщені на екрані, чи робить оконтурювання об'єктів. Для керування і введення даних застосовують різні типи графічних маніпуляторів: механічні (рух миші передається в комп'ютер за допомогою обертання кульки і системи валиків) і оптичні (світлочутливий елемент зчитує рухи по спеціальній поверхні). Різновидом механічної миші є трекбол - кулька розміщена зверху й обертається рукою користувача. У мобільних комп'ютерах як графічний маніпулятор можуть використовуватися джойстики (рух курсора керується відхиленням спеціальної рукоятки) чи перо, яким надавлюють або пишуть на сенсорному покритті екрана чи графічного планшета».

Для збору і просторової прив'язки даних у польових умовах використовуються приймачі GPS і електронні геодезичні прилади. Сучасні моделі цих пристроїв можуть працювати як автономно, обмінюючись даними з ПК за допомогою flash-карт, так і бути прямо підключеними до мобільного ПК.

Дигітайзери. Дигитайзер (digitizer, digitiser, tablet, table digitizer, digitizer tablet, digital tablet, graphic tablet, - синоніми - цифрувач, графічний планшет, графічний пристрій введення даних, графопов-торювач - іноді використовуються терміни «сколка», «таблетка») - пристрій для ручного цифрування картографічної і графічної документації у вигляді послідовності точок, положення яких описується прямокутними декартовими координатами площини. Дигітайзер складається з плоскої панелі (tablet) з мережею горизонтальних і вертикальних провідників і магнітно-індукційного курсора. Залежно від призначення може комплектуватися курсорами двох типів: курсором з індукційним кільцем (за розмірами і конфігурацією подібний до курсора миші) для високоточного введення або пером (stylus, pen stylus) - для низькоточного введення координат. Технічні характеристики дигітайзерів визначаються:

 

- розмірами робочої області;

- загальними габаритами, приблизно відповідними форматам А4-АО;

- просторовою точністю курсора;

- просторовою точністю поля дигітайзера, закладеною в його конструкцію, тобто величиною мінімального кроку між сусідніми провідникам.

Дигітайзер формату АО

Сканери. Сканер (scanner) — синонім «скануючий пристрій» - пристрій аналого-цифрового перетворення зображення для його автоматизованого введення в комп'ютер у растровому форматі шляхом сканування (послідовного перегляду і зчитування смуг зображення) у відбитому чи прохідному світлі з непрозорого і прозорого оригіналу (кольорового, монохромного напівтонового, штрихового).

Барабанний сканер ProfScan 5020C (Росія)

GPS-приймачі. GPS-приймачі є користувацьким компонентом системи GPS (Global Positioning System, Глобальна система місцевизначення, система супутникового місцевизначення, система супутникового визначення координат) і призначені для визначення географічних координат і висот щодо координатно-висотної системи WGS-84.

До діючих у наш час систем супутникового місцевизначення відносять системи GPS '(NAVSTAR) - США і ГЛОНАСС (GLONASS) - Російська Федерація. Основне розроблення і розгортання компонентів цих систем проводилися в 70-90-х роках XX ст. Система GPS цілком розгорнута в 1993 p.; ГЛОНАСС - у 1996 р. (на орбіту виведені всі супутники).

Електронні геодезичні прилади. Пристроями, призначеними для використання в геодезії, є: теодоліт (theodolite) - для вимірювання горизонтальних і вертикальних кутів; далекомір (distancemeter) - для вимірювання відстаней; нівелір (level) - для визначення перевищень горизонтальною лінією візування; тахеометр (tacheometer) - для виміру горизонтальних і вертикальних кутів, довжин ліній і перевищень.

Сучасні геодезичні прилади вимірюють горизонтальні і вертикальні кути з точністю до 1 кутової секунди. Вмонтовані лазерні далекоміри дозволяють визначати відстані з точністю до 1 см на 1 км на максимальній відстані до 3,5 км. Багато приладів відомих фірм Leica, Sokkia, Carl Zeiss, Trimble мають властивість масштабування функціональних можливостей. На один корпус може міститися різний набір оптико-механічних і електронних компонентів. Прилади початкового рівня оснащуються автоматичними електронними калькуляторами з відображенням на екрані вертикального і горизонтального кутів, похилої відстані, горизонтального прокладення і перевищення.

Стереофотограметричні станції. Стереофотограметричні станції призначені для побудови об'ємних зображень рельєфу земної поверхні за двома аерофотознімками поверхні Землі. За конструктивним виконанням і технологією обробки знімків розрізняють аналогові (працюють з негативами чи фотовідбитками) і цифрові (працюють зі сканованими знімками) Стереофотограметричні станції. З використанням спеціальної оптичної системи виконується суміщення стереопари знімків у поле зору оператора і створюється «віртуальна» тривимірна модель. За допомогою спеціальних аналітичних алгоритмів на стереомоделі рельєфу проводяться (цифруються) горизонталі. Ця технологія використовується при масовому створенні і відновленні топографічних карт у спеціалізованих організаціях. Пристрої цього типу виробляються і в Україні - у державному науково-виробничому підприємстві «Геосистема» (м. Вінниця).

 

 

Побудова буферів

Точкові, лінійні і територіальні об'єкти можуть бути використані для побудови нових територіальних об'єктів, межі яких знахо­дяться на певній відстані від вихідних. Ці нові територіальні об'єкти в ГІС-технології називаються буферами. Буфери можуть будуватися навколо точкових (свердловина питного водопоста­чання, зосереджене джерело забруднення та ін.), лінійних (ріка, траса автомобільної дороги або залізниці, нафтопроводу тощо) і просторових (територіальних) об'єктів (смітник побутових від­ходів, водоймище, лісовий масив та ін.)

Аналіз близькості

Завданням даного виду географічного аналізу є пошук об'єктів, що лежать на визначеній відстані від початкового об'єкта. Ре­зультати аналізу можуть бути використані для подальшої оброб­ки. Концептуально ця процедура подібна до побудови буфера «на льоту» і не вимагає розроблення нової карти - карти буферів.

Аналіз близькості передбачає, наприклад, пошук усіх будин­ків, що містять небезпечні матеріали, у межах 300 м від місця пожежі. Ця процедура може також бути використана, наприклад, для виявлення всіх людей похилого віку, а також інших людей із хронічними респіраторними захворюваннями, які потрапляють у зону задимлення і потребують евакуації при пожежі тощо.

2.3.

 

ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

ПРОГРАМА ArkGis

Програмні продукти компанії ESRI (США), найстарішого у світі виробника програмних засобів ГІС (фірма заснована в 1969 р.), у наш час представлені, насамперед, сімейством спеціалізованих програмних пакетів, які об'єднані під назвою ArcGIS. Поточною версією ArcGIS є версія 9.1 (2005).

До складу ArcGIS входить багато інтегрованих програмних продуктів, призначених як для розробки і експлуатації геоінфор-маційних систем різного рівня складності, так і для геоінформа-ційного забезпечення розв'язання завдань, пов'язаних з викори­станням просторової інформації, включаючи польову зйомку і роботу в комп'ютерних мережах, у тому числі і в Інтернет. Слід зазначити, що останніми роками в компанії ESRI робиться ак­цент саме на розробці мережного програмного ГІС-забезпечення, а також на відповідному розширенні функціональних можливо­стей традиційних ГІС-пакетів, яке дозволяє їм працювати в комп'ютерних мережах.

Основними компонентами ArcGIS є: настільні інструмен­тальні ГІС (ArcGIS Desktop), у тому числі ГІС-пакети Arclnfo, ArcEditor і ArcView з набором додаткових модулів (extentions), серверне програмне ГІС-забезпечення (Server GIS), до складу якого входять пакети ArcIMS, ArcSDE і ArcGIS Server, мобільні інструментальні ГІС (Mobile GIS), представлені пакетом ArcPad, і ГІС-інструменти, або вбудовані інструментальні ГІС (Embedded GIS), представлені пакетом ArcGIS Engine, а також програми-в'юери (viewers, Web-viewers), такі, як ArcReader і ArcExplorer.

Настільні інструментальні ГІС сімейства ArcGIS (ArcGIS Desktop) є різномасштабними програмними ПС-пакетами, функці­ональні і аналітичні можливості яких можуть бути істотно збіль­шені за рахунок великої колекції додаткових модулів, які назива­ються розширеннями (extentions) і поставляються окремо.

Для перегляду і друку карт, підготовлених з використанням настільних інструментальних ГІС, використовується безплатний пакет ArcReader.

Серверне програмне ГІС-забезпечення (Server GIS) викорис­товується для створення і управління серверними ГІС-додатка-ми, які поширюють функції ГІС і просторово-розподілену інфор­мацію всередині і між організаціями по комп'ютерних мережах, у тому числі і глобальній мережі Інтернет.

Пакет ArcGIS Server — це сервер додатків, що містить загаль­ну бібліотеку програмних ГІС-об'єктів, які використовуються для створення серверних додатків для функціонування як у локаль­них (рівня підприємства), так і в глобальній (Інтернет) комп'юте­рних мережах. Пакет ArcGIS Server є зручною платформою для створення корпоративних ГІС, під якими розуміють сукупність додатків з центральним управлінням, які оперують з єдиною ба­зою картографічних даних, що мають розвинену ГІС-функціональ-ність і одночасно підтримують велику кількість користувачів.

Пакет ArcIMS (Arc Internet Map Server) є картографічним Інтернет-сервером, призначеним для публікації карт, даних і ме-таданих у глобальній мережі з використанням стандартних від­критих Інтернет-протоколів, забезпечує створення ГІС-порталів. Пакет ArcSDE (Arc Spatial Database Engine) є серверним про­грамним забезпеченням, що надає доступ до баз географічної ін­формації через комерційні реляційні системи керування базами даних (СКБД), у тому числі OracleSi, OracleQi, MS SQL Server, Informix і DB2.

Web-в'юери представлені безплатним пакетом ArcExplorer, який реалізує функції запитів, вибірки і відображення даних че­рез Інтернет, але може бути використовуваним і для роботи з локальними наборами даних.

Пакет ArcGIS Engine є бібліотекою взаємопов'язаних компо­нентів настільних інструментальних ГІС, призначеною для роз­робників прикладного програмного забезпечення. Цей пакет до­зволяє створювати нові призначені для користувача картографіч­ні і ГІС-додатки та розширювати можливості вже існуючих додат­ків (наприклад, Microsoft Excel) за рахунок «вбудовування» в них ГІС-функції. Додатки, створювані за допомогою цього паке­та, можуть відповідати діапазону від простих картографічних в'ю-ерів до настільних інструментальних ГІС, що за функціональніс­тю відповідають пакетам ArcGIS Desktop.

Пакет ArcPad є програмним ГІС-забезпеченням, що запускаєть­ся на кишенькових персональних комп'ютерах (КПК) під керуван­ням операційної системи Windows СЕ. Пакет забезпечує доступ до існуючих цифрових баз просторових даних, а разом з GPS-прийма-чем — їх поповнення безпосередньо в польових умовах.

Відзначимо також, що значного поширення в установах і ор­ганізаціях, у тому числі і в Україні, набули попередні ГІС-пакети компанії ESRI - настільна інструментальна ГІС ArcView GIS (остання версія - 3.2) і повнофункціональна професійна інстру­ментальна ГІС ARC/INFO (остання версія 7.2).

 

 

ОСНОВИ ГЕОІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМ ТА БАЗ ДАНИХ

 

 

(Конспект лекцій)

 

Київ - 2010