Взаимосвязь моделей данных
Упомянутые модели данных равносильны в том смысле, что все, выразимое в одной из них, выразимо в остальных. Выбор той или иной модели обусловлен тем, насколько удобно использовать эту модель проектировщику-человеку для работы с реальными жизненными задачами и насколько эффективно можно реализовать работу с конкретной моделью наЭВМ.
Географические информационные
Системы
Пример.Когда вы знакомитесь с новым для вас человеком, то один из первых вопросов часто связан с тем местом, где он родился, где живет. По ответу — названию географического региона — вы многое можете предположить о характере и привычках нового знакомого, и этот прогноз будет не беспочвенным.
Место обитания накладывает определенный отпечаток на человека. В народной мудрости это отражается в появлении устойчивых словосочетаний: сибирский характер, южный темперамент, северная сдержанность.
Пример.Если человек из Тюменской области, то он, скорее всего, сможет многое рассказать о нефтедобыче и тайге, если из Волгоградской — об истории Сталинградской битвы и особенностях выращивания бахчевых культур.
Это лишь небольшие примеры, которые демонстрируют, что география тесно взаимосвязана с историей, экономикой, политикой, культурой, демографией, геологией и многими другими сферами научной и практической деятельности.
Зная географическое положение какого-либо населенного пункта Земли, можно сделать выводы об уровне жизни населения, структуре занятости, основных экологических проблемах, исторически сложившихся традициях и пр.
Существуют профессии, для которых карта — основной и часто единственный источник полной, точной и вполне достоверной информации. Это, например, штурманы, военные, строители.
Пример. Возьмем проектировщиков шоссейных дорог. Сколько расчетов и прикидок нужно выполнить им только для того, чтобы выбрать лучший вариант прокладки дороги между двумя населенными пунктами! В этих расчетах приходится учитывать и рельеф местности (крутизна подъемов и спусков), и типы грунта, и требуемый объем земляных работ, и растительность на трассе (за порубку леса или отчуждение пашни полагается платить), и многое другое. Информацию для расчетов можно получить, или, как говорят географы, снять с крупномасштабной карты местности.
Все реальные материальные объекты (реки и холмы, рощи и плотины) или события, связанные с объектом (полет самолета, изменение русла реки, разрастание города), имеют координаты на поверхности Земли и их можно отобразить на карте. Известно, что карта — это очень наглядный способ описания территории.
В наше компьютеризированное время было бы удивительно, если бы компьютеры не использовались и для отображения карт. С компьютерной картой, которую называют цифровой (или электронной), работать более интересно, чем с бумажной картой. Компьютерная карта имеет по сравнению с бумажной много дополнительных и полезных свойств: её можно легко масштабировать на экране компьютера, двигать в разные стороны, на ней легко рисовать и удалять объекты, можно печатать в привлекательном виде любые фрагменты территории, выбрав объект мышью, запрашивать у компьютера имеющуюся информацию об объекте и т. п.
Первое основное направление применения цифровых карт на практике — автоматизация решения сложных и громоздких вычислительных задач в областях проектирования и строительства, транспорта и связи, экологии и чрезвычайных ситуаций и пр.
Второе направление — оперативное отображение обстановки. Прежде всего это важно в военном деле, но не только. Наблюдать за постоянно меняющейся обстановкой должны диспетчеры аэропортов, сотрудники органов гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций и многие другие.
С постоянно меняющейся обстановкой связано и третье направление использования цифровых карт. Речь идет об издании обычных бумажных карт. До сих пор подготовка к изданию даже не очень сложной карты была делом весьма трудоемким — требовалось вручную нанести на пластик ее изображение. Затем, при переизданиях, тем же путем вно-
сились произошедшие изменения. Наличие цифровой карты делает этот процесс почти автоматическим. Стоит только указать, какими условными знаками изображать объекты местности, как карта будет готова к выводу. Картографу останется только подправить, подчистить (опять-таки на экране) полученное изображение.
Научить машину читать карту — значит представить карту в виде, который легко и просто представлялся бы в памяти ЭВМ и был бы доступен анализу с помощью традиционных машинных операций. Здесь можно поступить так же, как в случае обработки изображений, то есть представить карту в виде частой прямоугольной сетки точек, каждая из которых кодируется соответствующим цветом, и заложить всю последовательность этих кодов в память ЭВМ. Казалось бы, сделать это совсем нетрудно. Но научить ЭВМ анализировать совокупность разноцветных точек (ее стали называть растровой картой) именно как карту не удалось. В сущности, проблема машинного чтения карты не менее сложна, чем одна из главных задач искусственного интеллекта — распознавание образов.
Другой путь — вместо изображения карты ввести в ЭВМ список всех изображенных на ней объектов, причем каждый из них должен обозначаться кодом, характеризующим тип объекта (например, река, лес, дом, дорога), и числами, определяющими его координаты.
Хорошо, если объект невелик по размеру и его положение можно передать парой координат. А если он (например, река) представляет на карте длинную извилистую линию? Значит, вслед за кодом должна выстраиваться длинная цепочка координат, определяющих положение некоторых точек этой реки. А как часто должны стоять эти точки? Понятно, что чем чаще, тем лучше, но память ЭВМ небеспредельна. Значит, необходимо расставлять эти точки так, чтобы получить расположение объекта с некоторой точностью.
Этот способ компьютерного представления и хранения карты называют цифровой картой в векторной форме, или просто векторной картой.
По способу представления координат объекты векторной карты делятся на точечные (те, которые можно представить одной парой координат), линейные (для их представления потребуется цепочка координат, определяющих расположение объектов) и площадные (они также представляются цепочкой координат, которые определяют границы этих объектов).
Какие объекты включаются в цифровые карты, целиком зависит от того, для решения каких задач создается карта.
Пример. Если вам надо найти кратчайшие дороги между городами, то для этого вполне достаточно цифровой карты, состоящей из изображений населенных пунктов и дорог. А для обнаружения мест наиболее частых аварий городского водопровода потребуется подробная карта подземных коммуникаций.
Каждый, кто видел обычную топографическую карту, хорошо представляет себе, насколько она сложна. Как правило, один лист такой карты содержит изображения десятков тысяч объектов. И если нужна достаточно полная цифровая карта такого масштаба, то координаты объектов придется представлять последовательностями, каждая из которых, в свою очередь, может содержать тысячи многозначных чисел.
Поначалу цифровые карты изготавливали с помощью планшетов-кодировщиков. Оператор как бы обводил объекты положенной на планшет бумажной карты считывающим устройством, и координаты этих объектов автоматически заносились в память машины. Чтобы создать цифровую карту таким способом, требовалось иногда до полугода работы.
Потом появились программы-векторизаторы. Помните растровые карты, о которых шла речь выше? Так вот, векторизаторы способны выделить и представить в виде последовательностей координат линии или пятна, содержащиеся на растре, а иногда и установить, что эта линия или пятно означают. Векторизаторы сняли с человека значительную часть работы, но все равно — создать цифровую карту по всем правилам может лишь человек.
Сами по себе цифровые карты никакого эффекта дать не могут. Увидеть их на экране дисплея и поработать с ними можно лишь с помощью специальных программ. Комплексы программных средств, позволяющих решать прикладные задачи с помощью цифровых карт, в сочетании с наборами самих карт называются географическими информационными системами, или геоинформационными системами (ГИС). Отметим, что ГИС как программное обеспечение относится к категории сложнейших.
Как осуществляется работа пользователя с геоинформационной системой?
Работая с ГИС, вы выводите на экран компьютера одну или несколько интересующих вас карт (схем, планов и так далее). Пользователь легко может менять детальность изображения, увеличивая или уменьшая отдельные элементы карты.
Пример.Выбрав на карте города нужное здание, вы можете вывести его крупным планом и рассмотреть пути подъезда к зданию.
Обычно имеется возможность управлять тематическим составом изображаемой информации.
Пример.На карте полезных ископаемых можно «отключить» видимость ненужных в данный момент видов ископаемых ресурсов и речной сети, оставив между тем видимой дорожную сеть.
Указав объект на карте, можно получить информацию о нем.
Пример.Указав объект недвижимости, можно узнать его стоимость, имя владельца, состояние объекта и пр. Выбрав находящееся поблизости промышленное предприятие, можно получить данные о его профиле, влиянии на экологию района и так далее.
Ряд геометрических характеристик объектов (длину улицы, расстояние между городами, площадь лесного массива) можно измерять непосредственно на экране, пользуясь средствами ГИС.
Можно использовать ГИС как поисковую систему. В этом случае пользователь составляет запрос, в котором перечисляет интересующие его свойства объектов, а система выделяет на карте подходящие объекты.
Пример.Можно потребовать показать на карте земельные участки площадью не менее 10 соток, расположенные не далее 3 км от железнодорожной станции и одновременно не далее 1 км от близлежащих водоемов.
Специальные средства позволяют проводить аналитическую обработку данных, а в более сложных случаях — моделирование реальных событий. Результаты обработки можно увидеть на экране компьютера.
Пример.Специалисты могут оперативно спрогнозировать возможные места разрывов на трассе трубопровода, проследить на карте пути распространения загрязнений и оценить вероятный ущерб для природной среды, вычислить объем средств, необходимых для устранения последствий аварии. Наиболее сложные технологические решения включают в себя экспертную поддержку и позволяют получать на выходе обоснованное заключение, пригодное для принятия конкретных решений.
Все, что пользователь видит на экране, при необходимости может быть выведено на печатающее устройство и получено в виде твердой копии, либо сохранено в виде стандартного файла изображения и использовано впоследствии в качестве иллюстрации.
В определённом смысле в основе построения ГИС лежит СУБД. Однако, вследствие того, что пространственные данные и разнообразные связи между ними плохо описываются реляционной (табличной) моделью, полная модель данных в ГИС имеет сложный смешанный характер. А вот информация о свойствах объектов (называемая ещё семантической) часто представляется реляционными таблицами.
Большинство прикладных геоинформационных систем предназначены не для домашнего использования, а для работы в крупных организациях и учреждениях, коллективам которых необходимо оперативно обрабатывать большие объёмы пространственной информации. В такой ситуации ГИС должна обеспечивать возможность работы с одним набором геоинформационных данных нескольким пользователям (чаще всего в пределах локальной компьютерной сети). При решении геоинформационных задач городского масштаба возникает необходимость обеспечить доступ к общим пространственным и семантическим данным разным предприятии и городским службам. Решение же геоинформационных задач глобального характера возможно при использовании ГИС, размещенных не на одном, а на нескольких мощных компьютерах. В настояще время широко разрабатываются геосистемы, использующие возможности Интернета.
Наиболее популярные ГИС: Arclnfo, Arcview, MGE, Geo-rnedia, Maplnfo, SICAD, Autodesk. Среди ГИС, работающих в среде Интернет специалисты отмечают такие средства для web-картографирования: ArcView Internet Map Server, Ma-pObjects IMS, MapXsite, MapXtreme, MapGuide, GeoMedia Web Map и др.
Отметим, что если вы поклонник компьютерных игр, то с ГИС вам приходилось не раз работать. Примером ГИС (хотя и очень упрощённой) можно считать игру SimCity, где играющий строит город, а программа имитационного моделирования территории показывает состояние различных городских служб и ресурсов (в том числе людских).
Рис. 2.4.1
Пример
цифровой
карты 
Географические информационные системы(геоинформационные системы, ГИС) — это комплексы программных средств, позволяющие решать прикладные задачи с помощью цифровых карт, в сочетании с наборами самих карт.
Геоинформационные системы призваны обеспечить эффективную обработку информации о самых разнообразных объектах на территории. Они предназначены для сбора, хранения, поиска и манипулирования данными о территориальных объектах.
Геоинформационные системы— это компьютерные системы, позволяющие эффективно работать с пространственно распределенной информацией. Они являются расширением концепции баз данных, дополняют их наглядностью представления и возможностью решать задачи пространственного анализа.
Цифровая карта в векторной форме — построенная по четко зафиксированным правилам последовательность объектов, представленных своими кодами и координатами.
Цифровые карты, являющиеся основой ГИС, обеспечивают: • точную привязку, систематизацию, отбор и объединение
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.
Построение ГИС основывается на идеях баз данных с раз-вивитием этих идей.
Модель данных в ГИС имеет сложный смешанный характер: атрибутивная (семантическая) информация об объектах часто представляется реляционными таблицами, а пространственные данные организуются специальным образом (послойным, объектно-ориентированным и пр. — различным для разных ГИС).
Основные направления применения ГИС:
• автоматизация решения сложных и громоздких вычислительных задач (проектирование, строительство, транспорт, связь, экология, чрезвычайные ситуации, создание кадастров земель и природных ресурсов и т.п.);
• оперативное отображение обстановки (военное дело, диспетчерские аэропортов, органы гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций и др.);
. • издание обычных бумажных карт;
• историческое, социологическое, демографическое и др. исследования изменений, происходящих на данной территории;
• имитационное моделирование пространственных процессов;
• управление производственными процессами в рамках автоматизированных систем управления (АСУ). Возможности, предоставляемые пользователю ГИС:
• масштабирование карты на экране компьютера;
• дополнение и удаление объектов с карты;
• печать в заданом виде любых фрагментов территории;
• запрещение или разрешение в зависимости от решаемой задачи вывода на экран объектов определённого класса.
• вывод атрибутивной информации об объекте (его свойств, характеристик и пр.);
• обработка информации об объектах статистическими методами и отображение результатов такого анализа непосредственным «наложением» их на карту.
Задание 1
Ответьте на вопросы:
а) Какой компонент геоинформационных систем можно рассмат
ривать как системообразующий?
б) Почему эти системы получили название географических?
Пусть вся информация, которую мы можем получить об объек
тах, представленных на цифровой карте, носит только историче
ский характер. Можно ли по аналогии назвать систему, основой
которой является эта карта, исторической информационной сис
темой?
в) Верно ли, что нельзя найти реальный материальный объект
или событие, связанное с объектом, которые бы не имели коор
динат на поверхности Земли и которые нельзя было бы отобра
зить на карте?
Задание 2
Данные, накапливаемые человечеством о реальных объектах и событиях нашего мира, в той или иной мере содержат «пространственную» составляющую (постоянные или переменные пространственные координаты).
Для каких из перечисленных ниже объектов и явлений это утверждение справедливо?
а) поля и рощи;
б) граждане государства;
в) здания и сооружения;
г) транспортные магистрали;
д) инженерные коммуникации;
е) движущийся поезд, летящий самолёт и плывущий пароход;
ж) деталь и изделие, перемещаемые на территории заводского
цеха;
з)научная теория; и) компьютерная сеть; к) грозы и снегопады.
Задание 3
Автомобилисты практически всегда имеют в салоне атлас дорог. По оценкам специалистов в недалеком будущем он будет заменен компьютером, на дисплее которого этот атлас можно будет наблюдать даже в процессе движения.
Опишите, как вы себе представляете электронный атлас автомобильных дорог. Не забудьте, что автомобиль кроме электронного
атласа должен быть оснащен системами глобального позиционирования.
Системы глобального позиционирования (GPS) — спутниковые системы, благодаря сигналам от которых небольшие специальные наземные приёмники показывают координаты своего местонахождения.
Задание 4
С помощью электронного глобуса можно сравнить координаты границ частей света между собой.
Вы знаете, что северная граница США находится на широте Киева, а южная оконечность Африки симметрична отностельно экватора острову Крит?
Придумайте другие географические головоломки, которые можно легко решить с помощью цифровых карт Земли. Определите, какими средствами для решения этих задач должны обладать ГИС, какие возможности они должны предоставлять пользователю.
Задание 5
В среде ГИС удобно отображать генпланы заводов, поэтажные планы цехов, помещений, технологические схемы движения изделий между технологическими подсистемами, моделирование технологических процессов, развёрнутых в пространстве и т. п. Определите, для решения каких задач могут использоваться такого рода карты. Приведите примеры, когда использование ГИС в управлении предприятием дает значительные преимущества по сравнению с использованием для этих же целей СУБД традиционного типа.
Географические информационные системы появились в 1960-х годах XX века как инструменты для отображения географии Земли и расположенных на ее поверхности объектов. При этом использовались компьютерные базы данных. Следы самой первой геоинформационной системы теряются в недрах Министерства обороны США, сотрудники которого использовали ГИС для того, чтобы ракета, летящая в сторону противника, попала в этого самого противника как можно точнее. Правда, существует и альтернативная версия: согласно ей, первая ГИС была создана в Канаде и первоначально использовалась в основном для целей землеустройства.
В начале 70-х годов ГИС использовались для вывода ко-ординатно-привязанных данных на экран монитора и для печати карт на бумаге, чем значительно облегчили жизнь специалистам, прежде занятым традиционной бумажной картографией.
В 80-х годах появились системы управления пространственными базами данных, целью которых было связать системы управления базами данных и компьютерное картографирование. В этих системах пользователь уже мог, указав на объект на карте, получить некую содержательную информацию. Спрос на тематическую картографическую информацию заставил обратить внимание на проблему сбора данных. Результатом стала интегрированная среда: данные дистанционного зондирования, цифровая модель местности, карта дорог, геологическая карта и все прочие виды и типы карт мирно сосуществовали в рамках одной системы.
Одна из самых внушительных программ цифрового картографирования осуществляется сегодня Федеральной службой геодезии и картографии России. С 1993 года ведется работа по созданию цифровых топографических карт, то есть наиболее полных и точных карт, территории нашей страны.
К основным направлениям развития современных ГИС относят:
1) интеграцию систем пространственного позиционирования (GPS) и ГИС;
2) интеграцию ГИС с реляционными и сетевыми базами данных;
3) сетевые технологии, web-картографирование и ГИС-по-Интернет.
Пользователям требуются новые ГИС, позволяющие работать с пространственными данными в полевых условиях, одним из свойств работы в которых является определение географических координат объекта, его высоту над уровнем моря, скорость, направление движения и другие параметры. Все эти данные должны интегрироваться в ГИС в реальном масштабе времени.
Системы географического позиционирования (GPS) — спутниковые системы, благодаря сигналам от которых небольшие специальные наземные приёмники легко могут показывать координаты своего местонахождения. С помощью GPS объект может определить свои координаты на местности с погрешностью от сотен метров до миллиметров. Такими приемниками оснащаются самолеты и морские суда, их берут с собой в поход туристы.
Легко представить, как комфортно чувствуют себя штурманы кораблей (в том числе речных), где есть GPS-приёмник и ГИС с картой морей и рек. Нет никакой нужды определять своё местоположение по звёздам.
Если приёмник GPS связать с автомобильной ГИС, на которой отображена карта, то водителю на экране автомобильного компьютера можно наблюдать своё местоположение и направление движения. Если в ГИС ещё и задан планируемый маршрут, то весь такой комплекс может даже предупреждать водителя, когда ему нужно свернуть и куда.
Наиболее быстро разивающимся направлением развития ГИС является использование сетевых технологий, web-картографирование и ГИС-по-Интернет. Объединение двух технологий, неспроста, видимо, появившихся практически одновременно, привело к тому, что ГИС обрела принципиально новые возможности. Программный продукт, возникший в результате слияния ГИС и Интернета носит название ГИС-по-Интернет и отличается от стандартных ГИС тремя принципиальными моментами:
• ГИС-по-Интернет может использоваться несколькими пользователями одновременно;
• данные могут храниться не на одной машине, а на нескольких, что позволяет резко увеличить максимальный объем хранимых данных и, кроме того, использовать для анализа данные из нескольких источников одновременно;
• ГИС и ее пользователи могут находится на сколь угодно большом расстоянии друг от друга.
Эти отличия от традиционной геоинформационной системы являются значительными преимуществами и позволяют использовать ГИС в принципиально новом качестве: из инструмента пространственного анализа ГИС превращается в инструмент управления пространственно распределенными проектами.