: 25 апр 2013 , Полеты в виртуальности и наяву , том 49, №1

Мир в зеркале ГИС

Первые ГИС – географические информационные системы – появились одновременно с электронной вычислительной техникой, т. е. в 50-е гг. прошлого века. Именно тогда начали создаваться первые программные алгоритмы для формальных методов пространственного анализа. 

Сначала ГИС в основном использовались для автоматизации картографических работ и процедур графического отображения информации на плоттерах и графопостроителях. Но уже тогда обозначилась их структура, характерная для современных ГИС, в которую входят: система сбора данных, система хранения и выборки данных, система анализа данных и система вывода.

Сердцем современных ГИС является система анализа данных. Манипулирование географическими данными, представление их в различном виде позволяет не только отобразить реальные земные объекты в геоинформационной системе, но и использовать эффективные алгоритмы для интерпретации и исследования этих данных.

Такой процесс называется моделированием. Формальная модель представляет собой набор обобщенных понятий, используемых для описания объектов и процессов, находящихся на земной поверхности. Неотъемлемыми частями формальной модели являются структуры данных, описание их связей с реальными пространственными объектами, алгоритмы обработки этих структур данных и программы, реализующие такие алгоритмы.

Все географические системы оперируют теми или иными географическими моделями, причем в процессе исторического развития одни модели сменялись другими, более эффективными и удобными. И даже для решения определенных аналитических задач могут потребоваться совершенно новые, специальные модели.

Электронная картография

Самыми первыми в ГИС были реализованы растровые модели. Как правило, данные в таких моделях хранятся в виде прямоугольной сетки, состоящей из ячеек – пикселей. Фактически отсканированная бумажная карта уже представляет собой простейшую растровую модель местности.

Растровые модели удобно использовать для визуализации данных, поскольку дисплей монитора сам является физической реализацией растра. Однако выполнять какие-либо аналитические операции непосредственно в такой модели малоэффективно. Например, для расчета водотока рек требуется на заданном растре однозначно определить русла рек и их характеристики – ширину, глубину, скорость потока. Такая процедура в растровой модели тяжело поддается автоматизации и, как правило, требует участия человека. Другими недостатками растровых моделей являются их сильная зависимость от масштаба, привязанность к одной проекции и высокие требования к ресурсам хранения информации.

Тем не менее большинство первичной информации сегодня поступает в ГИС именно в растровом виде. Это – результаты дистанционного зондирования Земли (космоснимки, аэроснимки) и различные тематические данные. На основе фотографических изображений поверхности путем дешифровки можно обнаруживать и распознавать объекты, определять их качественные и количественные характеристики.

Поэтому современная электронная картография придает огромное значение усовершенствованию растровых моделей. Так, для повышения эффективности хранения растровых данных разрабатываются и оптимизируются специализированные алгоритмы сжатия, при которых в один растр помещаются многоканальные изображения (снимки в различных спектрах).

Для снятия зависимости от масштаба создаются модели, основанные на мультимасштабных растровых пирамидах. Такие модели прочно обосновались в широко известных картографических web-сервисах (карты Google, Яндекс и т. п.). Необходимость выполнения сложных аналитических операций в этих сервисах сведена к минимуму, при этом решена проблема быстрой доставки пользователю визуального представления картографической информации.

В векторных проекциях

И все же самыми распространенными моделями данных в современных ГИС являются векторные модели, в особенности так называемые объектные векторные модели. Для описания этих моделей используется также термин спагетти-модель, поскольку каждый географический объект в них описывается похожей на спагетти линией, представляющей цепочку точек, последовательно соединенных прямыми отрезками.

Объекты в векторной модели могут обладать одним из трех типов пространственной локализации: точечным, линейным или площадным. Для точечных объектов реального мира при используемом масштабе имеет значение только их местоположение, а не линейные размеры. К таким объектам относятся, например, отдельно стоящее дерево на карте района, остановка транспорта на карте города или даже целый город на карте страны. Для линейных объектов (рек, дорог, трубопроводов и др.) главное – их протяженность. Наконец, площадные объекты — это те, для которых важны и длина, и ширина. В векторной модели такие объекты изображаются в виде полигонов. Таким способом можно отображать как простые объекты (например, дома в виде прямоугольников), так и сложные (например, водоем со сложной границей).

Одним из частных видов линейных векторных данных являются сети – набор соединенных линейных объектов, вдоль которых возможно движение от одного узла к другому. Сетевые модели позволяют обрабатывать множество видов потока: движение автомобилей и поездов, транспортировку грузов, перекачку нефти. Во всех таких случаях необходимо иметь возможность производить операции на сетях, поэтому линии должны иметь специальные атрибуты для анализа этих потоков (ограничения скорости, сопротивление, направление и т. д.).

Сегодня руководители предприятий уделяют большое внимание логистике, особенно транспортной. Обилие логистических задач привело к выделению целого класса геоинформационных моделей – сетевых моделей, математической основой которых служит теория графов.

Ну и, конечно, сетевые модели, построенные на основе улично-дорожных сетей, используются сегодня во всех автомобильных навигаторах.

Земля в 3D-формате

Все описанные выше модели отлично работают до тех пор, пока пользователя не интересует третья координата – высота. Но в отличие от бумажной карты земная поверхность отнюдь не плоская. Для решения задач, для которых существенное значение имеет рельеф местности, а также в исследованиях недр Земли приходится использовать так называемые трехмерные (3D) модели.

Простейшей из таких моделей является цифровая модель рельефа (Raster DEM). Это разновидность растровой модели, где в каждой ячейке растра записана высота соответствующей точки земной поверхности над уровнем моря. С использованием этой модели удобно рассчитывать линии речного стока, проводить геоморфологические исследования.

Однако поскольку в цифровой модели рельефа каждая ячейка растра представляется горизонтальной площадкой, в ней невозможно точно задать пики вершин, хребтов, впадин и седловых точек местности. Поэтому для решения этих проблем используют другие 3D-модели, основанные на нерегулярных триангуляционных сетях (TIN).

В модели TIN данные хранятся в виде интегрированного набора узлов с их значениями высоты и треугольников со сторонами, соединяющими узлы. Высоту можно интерполировать для любой точки, заданной в пределах построенной модели. Для этого могут использоваться линейные приближения, сплайны, либо фрактальные алгоритмы. С помощью таких моделей можно исследовать водосборы, оценивать видимость поверхности из заданной точки наблюдения, что используется в мобильной и радиосвязи, а также создавать реалистичные изображения рельефа местности.

Интересным примером использования трехмерных моделей данных в ГИС служит разработанное компанией «Дата Ист» (Новосибирск) специализированное приложение для контроля бурового процесса «WellTracking». Оно позволяет автоматизировать все процессы, связанные с контролем за стадиями бурового процесса на протяжении всего производственного цикла.

Недавно на основе данных NASA с детальными указаниями высот поверхности Марса, была создана ГИС-модель «красной планеты» с допущением, что на ней имеется вода. Судя по данным, полученным с марсохода Curiosity, которые подтверждают возможность существования жизни на Марсе в далеком прошлом, такие изображения могут с большой точностью отражать реальный облик этой планеты, какой она была миллионы лет назад.

Подобное использование географических информационных систем для моделирования объектов и событий на других планетах, по-видимому, заставит в будущем придумать им новое название, в котором не будет использоваться древнегреческий корень «гео». А может быть, как раз имеет смысл оставить его, как дань жителям Земли, достигшим таких поразительных успехов в моделировании окружающего их сложного мира.

Литература

Data East - Company [Электронный ресурс], ООО Дата Ист : Официальный сайт компании. Электрон. дан. Новосибирск: Data East, 2012. Режим доступа: http://www.dataeast.ru/ru/company.asp, свободный.

Google Maps [Электронный ресурс]. Карты Google : Сервис компании Google по предоставлению электронных карт Электрон. дан. USA, CA: Google, 2013. Режим доступа: https://maps.google.com/, свободный.

О решении Well Tracking [Электронный ресурс], Well Tracking Extension to ArcGIS : Описание программного продукта. Электрон. дан. Новосибирск: Data East, 2010. Режим доступа: http://welltracking.dataeast.ru/Ru/default.asp, свободный.

: 25 апр 2013 , Полеты в виртуальности и наяву , том 49, №1