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 на ЭВМ.

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.