Геоинформационные системы

1. ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

– это системы управления географической информацией,
разработанные для сбора, хранения, анализа и
отображения пространственных данных.
– Цель ГИС - Представить географические особенности
реального мира в цифровом формате в виде базы
геопространственных данных «в абстрактной форме» и
манипулировать этими данными для решения
различных проблем

2.

Специалисты
Программное
обеспечение
Данные
ГИС
Оборудование
Аналитические
процедуры и методы
(функциональные
возможности)

3.

СОЗДАНИЕ ПОЛНОЙ ГИС
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА
ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
Карты и аэрофотоснимки
Дистанционная
информация
Landsat
Spot
Aster
сканирование,
трансформация,
привязка
Специализированные БД
Интеграция
с ГИС
Векторизация
слоев ГИС
ГИС
Разработка форматов полевых данных
(описания растительности, почв и др.)

4.

РЕГИСТРАЦИЯ РАСТРОВЫХ КАРТ
В ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
КООРДИНАТ ARCVIEW GIS

5. ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Любая географическая информация обрабатываются в ГИС с
помощью трех начальных структур (моделей) данных:
• Классы пространственных объектов - векторные
примитивы
• Атрибутивные таблицы - имеющие связь с
пространственными объектами
• Растровые наборы данных

6.

В ГИС используются картографические данные и связанные с ними
атрибутивные или описательные данные, объединенные в
определенные слои. Таким образом, ГИС хранит информацию о
реальном мире в виде тематических слоев, связанных друг с другом
посредством привязки к географической системе координат.

7. Атрибутивная таблица

8.

• Тематические слои становятся наборами данных. Это
ключевой принцип организации в базе данных ГИС.
• Каждая ГИС содержит множество тем для общей
географической территории.

9.

• С каждой темой можно работать как с набором
информации, независимым от других тем. У каждой есть
свое представление (в виде набора точек, линий,
полигонов, поверхностей, растров и т.д.).
Большинство наборов данных
представляют собой наборы
таких простых географических
элементов, как дорожная сеть,
набор границ земельных
участков, типы почв,
поверхность рельефа,
спутниковые изображения от
определенной даты,
местоположения колодцев и т.д.

10.

Обычные представления ГИС
Тема
Географическое представление
Потоки
Линии
Крупные водные объекты
Полигоны
Растительность
Полигоны
Застроенные территории
Полигоны
Центральные линии дорог
Линии
Административные границы
Полигоны
Колодцы
Точки
Ортофотоизображения
Растры
Спутниковые изображения
Растры
Высота земной поверхности
Растры ЦМР
Изолинии
Точки высот
Растры рельефа с отмывкой
Земельные участки
Полигоны
Записи о стоимости земельных участков
Таблицы

11.

• Многие темы данных лучше всего представляются в виде одного набора
данных, например, типы почв или колодцы. Другие темы, такие как
дорожно-транспортная сеть, лучше представлять несколькими наборами
данных (отдельные классы пространственных объектов для улиц,
перекрестков, мостов, железных дорог и т.д.). Например, транспортная
сеть может быть представлена в виде нескольких классов
пространственных объектов улиц, пересечений улиц, мостов, съездов на
автомагистралях, железных дорог и т. д.

12.

• Работа с отдельными пространственными
объектами и элементами наборов данных
• Помимо работы с наборами данных, пользователи
также работают с отдельными элементами,
содержащимися в наборах данных. Эти элементы
включают отдельные пространственные объекты,
ряды и столбцы атрибутивных таблиц и отдельные
ячейки наборов растровых данных. Например,
если вы щёлкаете мышкой и идентифицируете
отдельный земельный участок, то вы работаете с
отдельным элементом набора данных:

13.

• При редактировании пространственных объектов
вы работаете с отдельными элементами данных —
как в данном примере с редактированием осевых
линий дорог:

14.

• При работе с таблицами используется
описательная информация, содержащаяся в
строках и столбцах, как показано ниже:

15.

• Наборы данных предоставляют первичные
источники информации для
• Карт, глобусов, 3D сцен: на них
географическая информация принципиально
отображается как серии слоев карты. Каждый
слой карты ссылается на определенный набор
данных ГИС и используется для отображения и
надписывания наборов данных.

16.

17.

• Слои на 2D картах и 3D сценах используются для
отображения и надписывания наборов данных ГИС. Таким
образом, на карте есть слои городов, автострад,
региональных и государственных границ, рек и озер.
Каждый из этих слоёв используется для изображения
набора данных ГИС.
• Входные и производные данные геообработки: наборы
данных ГИС — это обычные источники данных для
геообработки, которые используются для автоматической
обработки данных и ГИС-анализа. Наборы данных
используются в качестве входных и производятся как
результаты работы разнообразных инструментов
геообработки.
• Геообработка помогает автоматизировать многие задачи как
серии операций, чтобы их можно было запустить за один
раз. Это позволяет создать повторяемый, хорошо
документированный рабочий процесс по обработке данных.

18.

19.

Освещенность с юга
Уклон
Наборы растровых данных используются для представления
пространственно привязанных изображений, а также непрерывных
поверхностей высот, уклонов и аспектов.
Освещенность с востока
Лапласиан

20.

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Настольные и cерверные ГИС
Настольные - ArcGIS Desktop, MapInfo, QGIS и др.
Серверные - ArcGIS Server, Mapserver, Geoserver,
QGIS server, MapInfo Spatial Server.
Открытые и коммерческие ГИС
Открытые - QGIS, SAGA, GRASS
Коммерческие - ArcGIS, MapInfo.
Проекты (оформленные наборы
представлений слоев) плохо конвертируются из одной ГИС в другую, сами
же наборы данных универсальны и
подготовленные в одной ГИС, легко
переносятся
в другую
20

21.

Векторная модель данных
Объекты реального мира
моделируются графическими примитивами.
Точка (point, vertex). Нульмерный пространственный
объект, координатные данные которого состоят из
единственной пары координат (X,Y) и необязательной
координаты Z. (Мультиточка – объект, состоящий из
нескольких точек).
Линия (line). Одномерный пространственный
объект, координатные данные которого состоят из
двух пар координат – (X1,Y1,[Z1]) , (X2,Y2,[Z]2)
Полилиния (polyline). Одномерный пространственный
объект, координатные данные которого состоят более
двух пар координат – (X1,Y1,[Z1]) , (X2,Y2,[Z]2),
(X3,Y3,[Z3])…. (Xn,Yn,[Zn]). Полилиния не имеет
площади. Она может быть замкнутой, но область,
ограниченная полилинией не может быть закрашена и
площадь этой области не может быть посчитана.

22.

Объекты реального мира
моделируются графическими примитивами.
Полигон (polygon) Двухмерный
пространственный объект,
ограниченный замкнутым линейным
объектом. В отличие от полилинии,
обладает площадью и при
визуализации может быть закрашен.
Пространственный треугольник.
Определяется 3D координатами трёх
точек, не лежащих на одной прямой.
Является элементом при
моделировании поверхностей и тел.

23.

В зависимости от масштаба, точкой могут быть представлены шурфы,
буровые скважины, месторождения, вулканы, города и т.д.

24.

Линиями и полилиниями
моделируются дорожная и речная
сеть, геологические границы, горные
выработки (стволы скважин, канавы,
штольни, штреки…), трубопроводы,
просеки и т.д.

25.

Полигоны используются для изображения
областей – геологических тел, лесных
массивов, озёр морей. При определённых
масштабах полигонами моделируются
крупные реки, городские кварталы и т.п.

26.

Нетопологическая (объектная) векторная модель («спагетти»).
Смежные стороны полигонов дублируются.

27.

Топологическая векторная модель.
Топологические свойства объектов.
Топологическими свойствами векторных объектов называются такие их свойства, которые не
изменяются при деформации «резинового листа» (т.е. деформации растяжения, сдвига, скручивания,
но без разрывов). К топологическим свойствам относятся смежность, количество граней и вершин
полигонов, принадлежность точки полигону, замыкание (пристыковка) одной линии на другую, точка на
пересечении линий и др.).
Смежность.
Вложенность.
Два полигона являются
смежными. Они имеют
общие рёбра и вершины
(выделены синим
цветом).
При деформации смежность,
количество рёбер и вершин
сохраняются.

28.

Точка внутри полигона
после деформации
остаётся внутри
полигона.
ТОПОЛОГИЯ - раздел математики, занимающийся изучением свойств фигур (или пространств), которые
сохраняются при непрерывных деформациях

29.

Топологические свойства объектов.
Связность
Замыкание одной линии на другую
сохраняется при деформации
Точка на пересечении линий

30.

Топологическая линейно-узловая векторная модель.
В топологической линейно-узловой векторной модели создаются как сами
пространственные объекты, так и пространственные отношения между ними - связность,
соседство, смежность, вложенность и контролируется целостность объекта. При этом
объекты типа «полигон» создаются в результате сборки полигонов из дуг, образующих
замкнутые контура.
В ГИС применяются узловые топологии (Node Topology), сетевые топологии
(Network Topology) и полигональные топологии (Poligon Topology).

31.

Элементы топологической векторной модели.
Точка (вершина) - vertex– ID (идентификатор),
координаты X,Y и необязательная Z - высота.
Узел - node – начальная или конечная точки
дуги. (идентификатор ID, координаты X,Y, [Z],
необязательный вес [w] ).
Псевдоузел – узел, образованный замыканием
дуги на себя или соединяющий только две дуги.
Псевдоузлы не являются узлами ветвления, не
являются необходимыми для решения
топологических задач и поэтому могут быть удалены
Висячий узел – узел, принадлежащей только
одной дуге (висячей).

32.

Элементы топологической векторной модели.
Отрезок – линия, соединяющая две вершины.
Дуга (ребро, arc)- упорядоченный набор
связных отрезков (соединенных вершинами).
Каждое дуга характеризуется следующим
набором данных: ID, StartNode, EndNode и
необязательными LeftPol, RightPol,
DirectWeight, BackWeight (ID - дентификатор;
StartNode, EndNode –начальный и конечный
узел дуги, LeftPol, RightPol - идентификаторы
полигонов справа и слева от дуги,
DirectWeight, BackWeight – вес дуги в прямом
и обратном направлении.
Висячая дуга – дуга, имеющая
висячий узел.
Полигон - область, ограниченная
замкнутой дугой или набором связанных
дуг, образующих замкнутый контур.
Каждый полигон может характеризоваться
следующим набором данных:
ID, Area, N, X, Y, (ID – идентификатор, Area
– площадь, N – количество дуг, X,Y –
координаты центроида).

33.

Построение топологии.
2
5
g
a
А
Г
4
В
d
1
Б
b
Узел
X
Y
Дуга
Начало
Конец
1
2
3
4
5
0
2
3
2
4
1
4
0
2
3
a
b
c
d
e
f
g
1
3
3
1
3
5
4
2
2
1
4
4
5
2
Полигон
Дуги
Дуга
Слева
Справа
А
Б
В
Г
a,d,g
c,d,e
f
b,e,g,-f
a
b
c
d
e
f
g
+
D
+
A
B
D
A
A
+
B
B
D
C
D
f
e
3
c
Отыскиваются (создаются) все узлы
На основе узлов определяются дуги и их направление (начальные и конечные узлы)
Полигоны определяются перечислением дуг
Для каждой дуги определяется полигон, находящийся справа и слева
(если дуга находится на границе изучаемой области, то полигон помечается как «внешний мир»)

34.

Некоторые правила топологии, реализованные в ArcGis
Для полигонов
Не должны перекрываться
Не должны иметь пробелов
Должны совмещаться
с объектами другого
класса.
Содержит точку

35.

Некоторые правила топологии, реализованные в ArcGis
Для линий
Не должны перекрываться
Не должны пересекаться
Не должны иметь псевдоузлов
Не должны иметь
висячих узлов
Не должны пересекать сами себя

36.

Форматы векторных файлов
Векторные данные часто создают в других программах (САПР, векторизаторы,графические редакторы),
которые используют для хранения данных свои внутренние закрытые форматы. Импорт и
экспорт данных в ГИС осуществляется с помощью обменных форматов.
Шейп-файлы - стандартный обменный формат для представления
векторных нетопологических данных от фирмы ESRI (производитель
ArcGIS, ArcView, ARC/INFO). В этом файле можно представлять точки,
мультиточки, линии или полигоны, (в одном файле смешивать
геометрические примитивы разного типа запрещено). Все объекты могут
представляться с координатами в 2-мерном (X, Y), 3-мерном (X, Y, мера
M) и 4-мерном (X, Y, Z, мера M) пространстве.
В настоящее время формат шейп-файлов поддерживается
большинством производителей ГИС в качестве обменного
а иногда и внутреннего формата.
Каждый шейп-файл сохраняется в виде трёх обязательных файлов:
1) с расширением .SHP для представления геометрии,
2) с расширением .DBF для представления атрибутики (этот файл
хранится в формате dBase III)
3) с расширением .SHX для представления вспомогательных индексов.

37.

Обменный формат покрытия ARC/INFO (файлы с расширением .E00).
Этот формат является стандартным для представления
векторных топологических данных (покрытий) от фирмы
ESRI. (Формат является открытым обменным эквивалентом
внутреннего файла покрытия, которое использует ArcInfo). Он
состоит только из одного файла, что достаточно удобно.
Формат является текстовым, в силу чего размер файла E00
получается существенно больше по сравнению с обычным
покрытием ARC/INFO.
Обменный формат MapInfo (файлы с расширением .mif и .mid
Этот формат является стандартным форматом обмена
векторными нетопологическими данными от фирмы MapInfo,
Inc (США). Формат поддерживается большинством
современных ГИС. Файл формата MIF представляет собой
текстовый файл, в котором содержатся графические данные (объекты),
а также может содержаться описание таблицы данных, содержащей
атрибутивную информацию, связанную с объектами. Сама
атрибутивная информация содержится в файле .mid

38.

Обменный формат Autocad (файлы с расширением .dwg и .dxf
Формат DWG является стандартным форматом для
представления чертежей в системе автоматизированного
проектирования (САПР) AutoCAD от фирмы Autodesk, Inc
(США). В ГИС этот формат используется обычно только
чтобы прочитать чертеж и подложить его на карту в
качестве слоя. Если предполагается выполнять
пространственный анализ объектов чертежа DWG, то из
него читаются только точки, линии и полигоны.
Формат DWG долгое время оставался закрытым форматом, а потому
был недоступен для чтения и создания во многих других
программах. Начиная с 13-й версии AutoCAD, формат DWG был
раскрыт и теперь доступен для широкого использования.
Обменный формат DXF. Этот формат изначально был задуман как открытый обменный
эквивалент формата DWG. В настоящее время, когда формат DWG раскрыт, единственным
достоинством формата DXF является то, что он является текстовым, а потому его достаточно
просто создавать и читать.
Форматы F1M и SXF.
Эти форматы являются российским изобретением для представления
электронных карт, а потому поддерживаются только некоторыми
российскими ГИС. Формат F1M является стандартом Роскартографии,
а SXF – стандартом Военно-топографической службы.

39.

Формат WMF (Windows Metafile) EMF (Enhanced Windows
Metafile). Список команд устройству графического интерфейса
Windows. Используется в ГИС, только чтобы передать
графическое изображение слоя или всей карты в другие
программы.
Формат CDR файла разработан компанией Corel (Канада) для
использования в собственных программных продуктах.
CDR-файлы не поддерживаются многими программами,
предназначенными для редактирования изображений.