Міністерствоосвіти і науки України
Чернігівський державнийпедагогічний університет імені Т.Г. Шевченка
Кафедра ботаніки, зоології таохорони природи
КУРСОВА РОБОТА
Геоінформаційні системи яксистеми вивчення, аналізу та оцінки впливу екологічних факторів на навколишнєсередовище
Виконала: студентка 45 групи
Бусел Н.М.
Науковий керівник: к.б.н.,доц. кафедри
ботаніки, зоології та охорониприроди
Карпенко Ю.О.
Чернігів – 2007
ЗМІСТ
ВСТУП
РОЗДІЛ 1Поняття про геоінформаційні технології, їх класифікація та місце в сучаснійекології
1.1 Поняття про ГІС
1.2 Класифікація ГІС
1.3 Геоінформаційнісистеми в екології
РОЗДІЛ 2Концептуальне моделювання геоінформаційних систем в системі моніторингу
2.1 Поняття про концептуальне моделювання
2.2 Парадигми втехнології обробки геопросторових даних
2.3 Концептуальнамодель узагальненої ГІС
2.4 Концептуальнемоделювання геопросторових даних
2.5 Трирівневаархітектура геоінформаційних ситем
РОЗДІЛ 3Геоінформаційні системи новий крок в дослідженніземельних ресурсів
ВИСНОВКИ
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
ВСТУП
Розвиток сучасних технологій передбачає комп`ютеризаціюпрактично всіх систем аналізу та спостереження. Новий вік технічного розвиткухарактеризується появою геоінформаційних ситем (ГІС). Геоінформаційні технології,ГІС-технології — технологічна основа створення географічних інформаційнихсистем, що дозволяють реалізувати їхні функціональні можливості. Для створенняі функціонування ГІС необхідні комп’ютерна техніка, відповідне програмнезабезпечення, початкові дані, включаючи атрибутивні, і, звичайно ж, люди, щоуміють не тільки користуватися комп’ютером і програмним забезпеченням, аосмислено з їх допомогою оперувати інформацією, зокрема що має і просторовускладову.
У сучасних ГІСз’явилася можливість тривимірного представлення території. Тривимірні моделіоб’єктів, що упроваджуються в 3-мірний ландшафт, спроектований на основіцифрових картографічних даних і матеріалів дистанційного зондування, дозволяютьпідвищити якість візуального аналізу території і забезпечують ухваленнязважених рішень з більшою ефективністю. Сучасні геоінформаційні системи ізасновані на них технологічні рішення потрібні не тільки крупним регіонам,містам або підприємствам і відомствам з розкиданими на обширній територіїоб’єктами, але і невеликим населеним пунктам, які поки, як правило, слабозалучені в процеси геоінформатізації.
Мета роботи полягає в тому, що проаналізуватимісце геоінформаційних систем в системі сучасного екологічного дослідженнястану навколишнього природного середовища.
Завдання роботи:
1) розглянути поняття про геоінформаційні технології, їх класифікація тамісце в сучасній екології;
2) проаналізуватисуть концептуального моделювання геоінформаційних систем в системі моніторингу;
3) охарактеризувати можливості використання геоінформаційних систем вдослідженні земельних ресурсів.
РОЗДІЛ1 Поняття про геоінформаційні технології, їх класифікацію та місце в сучаснійекології
1.1Поняття про ГІС
Поняття «геоінформатика»,«географічна інформаційна система» аналізуються в багатьохпублікаціях [1,4,13]. На сторінках наукової періодики та в монографіяхпродовжується дискусія — чого більше в геоінформатиці: географії, геодезії,математики чи інформатики? Не вступаючи дискусію, зупинимося на визначеннях,які найбільш повно розкривають проблему. Мова йде про нову предметну сферу — геоінформатику,в назві якої визначається як сам гіперскладний об’єкт дослідження у виглядігеосистеми, так і комплексний метод його дослідження на основі комп’ютернихінформаційних технологій.
Предметом геоінформатики, як і географії, єгеографічна оболонка Землі завтовшки в декілька кілометрів (атмосфера,літосфера, гідросфера, біосфера), а також процеси взаємодії всіх її складових.Враховуючи роль і вплив людини на природу, в геосистему включають такожсоціосферу і техносферу. До фундаментальних методів і принципів географічногопідходу в вивченні геосистеми відносять: територіальність, комплексність,конкретність і глобальність на основі використання загальної для географічноїнауки картографічної мови [3, 57].
Інформатика вивчає закономірності та методизбору, накопичення, передачі й обробки інформації з використанням електроннихобчислювальних машин [5, 8]. Виходячи з цього, можна конкретизувати предмет ізадачі геоінформатики, які полягають у дослідженні інформаційних потоків прогеосистему, у вивченні закономірностей та методів збору, накопичення, передачій обробки інформації про об’єкти та явища геосистеми з використаннямкомп’ютерних технологій. Сутність геоінформаційного методу дослідження полягаєв реалізації методів та принципів географічного підходу до вивчення геосистемина основі інформаційних технологій збору даних, створення комп’ютерних баззнань та баз геопросторових даних, програмних засобів просторового аналізу тамоделювання, а такожмови взаємодії в системі «людина — комп’ютер» заелектронними картами та комбінованими геозображеннями.
Геоінформатика, яка має корені у двох метанауках(географія та інформатика), також розглядається як метанаука, оскільки вонабагатоаспектна за своїм застосуванням в інформаційному моделюванні різних явищі об’єктів, що характеризуються просторово-часовими властивостями, а також маєбагато розділів, де вивчаються і розробляються спеціальні методи та системиобробки і використання геопросторових даних [4].
Геоінформаційні системи є практично-цільовимпродуктом геоінформатики, організаційно-технологічним середовищем активізаціїгеоінформаційних ресурсів локальних територій, регіонів, країн і світу в цілому.ГІСрозглядають як сукупність засобів інформаційних технологій для збору геопросторовихданих, створення і використання цифрових моделей геосистеми із застосуваннямусього арсеналу методів і засобів комп’ютерної обробки та візуалізаціїінформації, формалізації та накопичення знань, у тому числі й на основікомунікативної потужності інформаційних мереж.
ГІС надає географам (а точніше — усімгеоспеціалістам: геодезистам, геологам, геофізикам, картографам та багатьоміншим) такі засоби обробки просторової інформації, «які вони шукали наупродовж 2000 років. ГІС є одночасно телескопом, мікроскопом, комп’ютером ікопіювальною машиною для цілей регіонального аналізу і синтезу»[15]. Алезастосування геоінформаційних систем не обмежується суто географічними проблемами,уже сьогодні вони потенційно здатні забезпечити просторово-часовою інформацієюусі ланки моделювання та управління в різноманітних сферах професійноїдіяльності (управління територіями, військова справа, кадастри природнихресурсів і нерухомості, екологія, навігація і транспорт, містобудування тощо). ЗавдякиГІС зростає роль географічної інформації як загальнолюдського та соціальногопредмету споживання.
1.2Класифікація ГІС
Виходячи з високого ступеня міждисциплінарності ГІС,в основу класифікації можна покласти такі групи ознак (мал. 1):
за призначенням — цільове використання тахарактер задач, що вирішуються;
за проблемно-тематичною орієнтацією — сферазастосування;
за територіальним охопленням — розміртериторії, що представлена в базі геопросторових даних;
за переважним способом організації геопросторовихданих — формати введення, зберігання, обробки і відображення географічноїінформації; за ступенем доступу та використання геопросторових даних — рівеньінформаційних мереж, в середовищі яких функціонує система (від глобальних долокальних обчислювальних мереж — ЛОМ).
/>
Мал. 1. Типи ГІС за класифікаційними ознаками.
Ця система ознак утворює п’ятивимірний простіркласифікації ГІС, в якому певна геоінформаційна система може бути асоційована зточкою, координати якої відповідають класифікаційним ознакам геоінформаційноїсистеми. Так, кадастрова ГІС може бути дослідною, охоплювати територію певногорегіону, базуватися переважно на векторних форматах просторових даних та матидоступ до корпоративної мережі.1.3 Геоінформаційнісистеми в екології
Становленняекологічного управління і регулювання екологічних процесів вимагає серйозноїтехнічної підтримки і використання сучасних технологій для вирішення задачрізного плану і різного масштабу, пов’язаних з охороною довкілля на рівнях відлокального до загальнонаціонального. Важко заперечити той факт, що переважнабільшість інформації має географічний аспект і тому її можна просторовоаналізувати і наочно представляти у вигляді карт, схем, діаграм, графіків тамалюнків. Для ефективного аналізу і візуалізації просторової інформації існуютьпотужні засоби – геграфічні інформаційні системи (ГІС), які не лише дозволяютьстворювати електронні карти на основі високовмісних баз даних, але з допомогоюрізнопланового аналізу наявної просторової інформації вирішувати проблемирізної складності в галузях
· охоронинавколишнього природного середовища
· управліннявикористанням природних ресурсів
· екологічногоменеджменту.
Досвід показує,що використання ГІС технологій від фірми ESRI робить управління в галузіохорони довкілля значно ефективнішим і дозволяє вирішувати завдання швидко,творчо, грамотно, на основі даних, що постійно оновлюються.
Геоінформаційнісистеми й технології — це сучасні комп’ютерні технології для картографування йаналізу об’єктів природи, а також подій, що відбуваються на планеті, в нашійжиттєдіяльності; це важливий засіб розуміння стану довкілля й управління ним. Усвіті ГІС розробляються з початку 70-х років XX ст. і широко використовуються вландшафтній архітектурі й генеральному плануванні.
Геоінформаційнісистеми дають змогу швидко й комплексно інтерпретувати накопичену інформацію,маніпулювати нею, оперативно її поновлювати та аналізувати, поєднувати зприйняттям управлінських рішень на різних рівнях: локальному, регіональному,глобальному.
Якобразно-знакові геоінформаційні моделі дійсності ГІС основуються на автоматизаціїінформаційних процесів, базах картографічних і аерокосмічних даних. ГІС даютьзмогу обробляти значний обсяг фактичних і картографічних даних, аналізувати їхузгоджено з конкретними об’єктами й територіями. Головна цінність такоїінформаційної системи з позиції управління полягає в можливості прив’язки всіхданих до об’єкта з координатами х, у, (г), автоматичного збільшення чизменшення масштабу карт. При геоекологічному менеджменті ГІС істотно полегшуютьпроцес прийняття рішень.
В Україні першіспроби створення ГІС здійснено наприкінці 70-х років XX ст. Одна з них — церозробка містобудівної інформаційної системи для Києва, в якій планувалосязвести інформацію про природні умови системи місто—передмістя, представитиузагальнені дані про об’єкт, скласти мікрокліматичну карту, виконати розрахункитемператури, швидкості вітру, поширення зон викидів промислових підприємств напевній площі за різних метеорологічних умов.
Нині в УкраїніГІС-технології набули широкого розвитку. Державними установами розробленовекторні тематичні карти масштабу 1: 200 000 для всієї країни та 1: 50 000для окремих територій.
ГІС широковпроваджуються в управління заповідними територіями. Так, у Канаді в штатіАльберта створюється ГІС для заповідників; було визнано, що вона ефективна дляменеджменту в 41 сфері, в тому числі для аналізу власності на землю, управлінняфінансами, екологічної оцінки територій, визначення стабільності екосистемтощо.
В Україні єпрактика застосування ГІС в управлінні заповідними територіями — Карпатськогонаціонального природного парку, заповіднику Розточчя; розробленоменеджмент-план водно-болотних угідь Сиваша.
РОЗДІЛ 2 Концептуальне моделюваннягеоінформаційних систем в системі моніторингу
2.1 Поняття проконцептуальне моделювання
Концептуальне моделювання — одна з найважливішихскладових сучасної методології розробки інформаційних систем. Концептуальнамодель (KM) визначається як «формальне подання проблемної сфери напоняттєвому рівні» [1, 15]. При концептуальному моделюванні ігноруютьсятехнологічні деталі реалізації систем з метою дослідження об’єктів проблемноїсфери, їх властивостей та взаємодії на більш високому рівні абстрагування(концептів — понять і термінів). Фактично мова йде про формування бази знаньпевної предметної сфери. Від повноти та якості концептуальної моделі значноюмірою залежить увесь життєвий цикл інформаційної системи, включаючиефективність її супроводження та розвитку на етапі експлуатації. Концептуальнамодель містить метазнання, метадані та знання про систему, вона відіграє рольсвоєрідного містка між майбутніми користувачами і розробниками системи. KM не єсамоціллю, вона створюється як основа цілісного та узгодженого проектуванняусіх інших компонентів системи. З огляду на це, концептуальне моделюванняповинно забезпечувати такі основні функції:
підтримувати структури та засоби, котрідозволяють відображати знання про предметну сферу і систему прозоро та ясно длякращої взаємодії розробників і користувачів системи;
містити такі конструкції, які достатні длянайповнішого уявлення особливостей предметної сфери і самої системи;
надавати засоби перетворення KM в реалізаційнімоделі (тобто в логічну та фізичну модель даних, у специфікації програмнихкомпонентів, у граматики мов взаємодії тощо).
Предметна сфера ГІС являє собою складну систему(конгломерат) наших уявлень про відповідні категорії об’єктів і явищ реальногосвіту. Вона відображає існуючий рівень наших знань із багатьох галузей науки ітехніки: геодезії, географії, картографії, дистанційного зондування землі,фотограмметрії, дискретної математики, обчислювальної геометрії, математичноїстатистики та інших розділів математики, системного аналізу, теорії баз даних,програмування, комп’ютерної графіки, нових інформаційних технологій, теоріїавтоматизованих інформаційних систем та багатьох інших.2.2Парадигми в технології обробки геопросторових даних
Домінуючу роль картографічного моделювання такартографічної взаємодії в географічному підході важко переоцінити, адже якразкарта традиційно поєднує модельно-пізнавальну і комунікативну функції взаємодіїусіх суб’єктів на всіх етапах життєвого циклу інформаційного продукту(замовників, виконавців і споживачів). Упродовж століть просторові дані ізнання фіксувалися, накопичувалися та передавалися переважно в картографічнійформі. Природно, що основним джерелом просторових даних для ПС до певного часубули картографічні матеріали. В технології збору та обробки просторових данихпереважав картографічний підхід (мал. 2, а): на основі зібраних первинних данихспочатку створювалася карта, яка вподальшому сканувалася та векторизувалася зметою формування цифрової картографічної моделі для ГІС. В.А. Кайнц ще в 1987р. підкреслював: «коли ми намагаємося створити моделі для картографічнихоб’єктів, то найчастіше поглядаємо на звичайні карти, тобто моделюємо модельреальності, а не саму реальність. У майбутній роботі основна увага має бутиспрямована на пошук концепцій та абстракцій фактів реального cвіту”[16].
/>
Мал. 2. Технології збору й обробки геопросторовихданих при картографічному (а) та інформаційному (б) підходах.
Розвиток ГІС, GPS, цифрової фотограмметрії тацифрових методів ДЗЗ зумовив становлення наскрізних інформаційних технологійзбору та обробки геопросторових даних (мал. 2, б), спричинив трансформаціюгеоінформаційних методів у самому картографуванні [1, 12]. Первинною продукцієюінформаційних технологій є бази геопросторових даних, моделі об’єктів у яких незазнають картографічних „спотворень“, оскільки вони не зазнають нігенералізації, ні змін складу та роздільної здатності в контексті певногомасштабу карти. Об’єкти в таких моделях відображаються з точністю й роздільноюздатністю геодезичних вимірів та застосовуваних технологій збору первиннихданих. Цифрові картографічні моделі, як і моделі інших геозображень, а такожсамі карти, перетворюються в похідну (від баз геопросторових даних) продукцію.2.3Концептуальна модель узагальненої ГІС
Концептуальна модель узагальненої ГІС як модельобробної системи (мал. 3) відображає процеси перетворення сукупності вхідноїмножини первинних даних у множину моделей в базі геопросторових даних та умножину комплексних геозображень, які надаються користувачам системи якрезультат моделювання для аналізу стану геосистеми та прийняття управлінськихрішень. Термін „узагальнена ПС використано для підкреслення фактуабстрагування від конкретної сфери її застосування.
/>
Рис. 3. Концептуальна модель ГІС як обробноїсистеми.
Формально така система С визначається яксукупність вхідних, проміжних і вихідних моделей геопросторових даних, процесівїх обробки і перетворення та формальних мов взаємодії процесів між собою ікористувачів з системою. її можна записати так:
С = {X, D Mo, T, G, GI, El, Fij, L},
де: X — множина вхідних даних одержаних в процесітопографо-геодезичних знімань, GPS вимірювань, ДЗЗ тощо; D — база упорядкованихвхідних даних в уніфікованих форматах; Мо — модель базового наборугеопросторових даних; Т — множина тематичних моделей геопросторових даних; G — множина моделей даних за спеціальними просторовими (геометричними) схемами, втому числі тривимірні (3D) цифрові моделі рельєфу та місцевості; GI — цифровімоделі карт та інших геозображень; ЕІ — цифрові моделі електроннихгеозображень; Fij:Mi→Mj — функції перетворення моделі Мі в модель Mj, в томучислі:Fxd:Xi → D — перетворенняпервинних даних в уніфіковані формати, Fdm:D → Mо — створення (оновлення) моделі базового наборугеопросторових даних на основі первинних; Fdm:D→ Ті — створення тематичних моделейгеопросторових даних на основі первинних, а також аналогічні прямі й зворотніперетворення для усіх інших моделей (в напрямку стрілок між моделями на мал.3); L — множина формальних мов та інтерфейсів взаємодії процесів, у тому числімова LG для поданняелектронних геозображень користувачам системи та інтерактивного доступукористувачів до гепросторових даних і програм їх обробки.
З точки зору користувачів можна говорити прокомплексне перетворення вхідних даних в електронні геозображення Fd_ei: D → EI, в якомувідбір моделей геопросторових даних та методів їх обробки визначається задачамита запитами користувачів. Але концептуально важливо розрізняти моделігеопросторових даних та моделі цифрових і електронних карт. Це різні сутності іза змістом і за структурою. Картографічне зображення описується в термінах мовиумовних картографічних знаків, які означають, наприклад, тип, товщину та колірлінії, розмір та орієнтацію позамасштабного знака або тип і розмір шрифту длязображення написів, тощо.
Перетворення Fm_gi_ei:M0→GI→EI,Ft_gi_ei:T→GI→EI, Ft_gi_ei:G→GI→EIвідносяться доперетворення з мови геоінформаційних моделей в мову засобів відображенняелектронних карт та інших геозображень. Моделі даних Мо, Т, G орієнтовані напрограми просторового (геоінформаційного) аналізу і моделювання реальногосвіту, а моделі GI, ЕІ описують картографічні зображення, орієнтовані насприйняття людиною. В існуючій концепції цифрових карт, яка досі переважає всучасних ГІС, на жаль, еклектично змішано зміст моделі геопросторових даних тамоделі електронної карти. Такі цифрові картографічні моделі, з одного боку, невідповідають повною мірою вимогам геоінформаційного моделювання, а з іншого, єнадлишковими для електронного відображення.
Для географічної інформації зв’язок “задача- джерело даних — дані — модель даних» є дуже важливим, оскільки деякізадачі можуть вирішуватися з різними обчислювальними витратами на різнихмоделях даних, а деякі — виключно на певних моделях даних (наприклад, пошукоптимального шляху можливий тільки на мережних моделях, а морфологічний аналізрельєфу потребує його тривимірної моделі). Як правило, дані одержують у цифровійформі, яка залежить від технології їх збору, а потім перетворюють в інші форми,вибір яких визначається задачами моделювання і способами узагальнення тавідображення результатів.
Інтегрування інформації з різних джерел та зрізних форм уявлення ґрунтується на використанні єдиної для усіх моделейсистеми координат та єдиного базового набору геопросторових даних. Доскладу останнього входять геодезична (математична) основа, об’єкти гідрографії,рослинність, мережа транспортних шляхів, межі адміністративно-територіальнихутворень.
Основний зміст зворотних перетворень у напрямкувід користувача до моделей геопросторових даних полягає у визначенні наборуоб’єктів, що потрапляють у сферу інтересу (запит) користувача за просторововизначеною межею території дослідження та (або) за певними значеннямихарактеристик об’єктів. Підкреслимо, що карти і комплексні геозображення, алевже в електронному (екранному) варіанті, продовжують і в ГІС відігравативажливу роль. Вони залишаються не тільки засобом найбільш адекватноговідображення моделі геопросторових даних на екрані дисплею, а й перетворюютьсяв зручний інструмент динамічного доступу і взаємодії користувачів з базоюгеопросторових даних.
Ключовими словами картографічного моделювання вПС стають „взаємодія” і «динаміка». Дослідники та й пересічнікористувачі бажають, «натиснувши мишкою» на карті, одержатибезпосередню та негайну реакцію системи з більш деталізованою інформацією провибрані об’єкти (земельні ділянки, пам’ятки історії, будівлі, комунікації,шляхи, стан довкілля тощо) або, наприклад, одержати зображення та описнайкоротшого шляху між заданими пунктами, а, можливо, і «проїхати» поньому з використанням комп’ютерних мультимедійних засобів та анімації. Остання,до речі, надає такі можливості просторово-часового моделювання, яких традиційнакартографія ніколи не мала. Геозображення формуються з динамічною зміноюмасштабу, а їх зміст залежить переважно від повноти бази геопросторових даних,потреб і запитів користувачів, а не від картографічних правил і баченнякартографів.
Таким чином, ГІС демократизує картографію ікартографічне моделювання, оскільки географічні знання, створені йнакопичені в програмах і базах даних, стають потенційно доступними усімзацікавленим користувачам (організаціям, професіоналам і пересічнимгромадянам). Як свого часу персональні комп’ютери забезпечили доступ доскладних програм професіоналам без посередників-програмістів, так і ГІСперетворює в прямих учасників картографічного моделювання мільйони користувачівбез посередників-картографів.
2.4Концептуальне моделювання геопросторових даних
В ГІС ще й сьогодні переважає парадигмавинятковості геопросторових даних, наслідком якої є різноманіття підходів таформатів від різних виробників інструментальних ГІС поряд з високим рівнемуніфікації представлення і обробки фактографічних даних в універсальних системахкеруваннябазами даних (СКБД) на рівні стандартної мови SQL та уніфікованих механізмів ізасобів доступу до даних. Така ситуація на початкових етапах розвитку ГІС, щовипали на 80-ті роки минулого століття, мала об’єктивні причини, оскількитехнології фактографічних даних дійсно не могли запропонувати геоінформатиціготових ефективних рішень для обробки просторових даних. Розширення сферзастосування ГІС у 90-х роках та їх практична спроможність перетворитися взасіб інтегрування різноманітних даних про навколишнє середовище стимулювалирозвиток в універсальних СКБД засобів для представлення та маніпулюванняпросторовими і багатовимірними даними [7]. В геоінформаційних системах третьогопокоління ми спостерігаємо повне інтегрування ГІС з універсальними СКБД, атакож їх вихід у глобальний інформаційний простір через Internet.
Така технологічна «зрілість» ПС, зточки зору універсальних методів інформаційних технологій, та ідеїоб’єктно-орієнтованого погляду на світ при проектуванні інформаційних системстворюють умови для переходу на вищий теоретичний і практичний рівень вмоделюванні і проектуванні геоінформаційних систем. Стосовно концептуальногомоделювання геопросторових даних це означає перехід від «графічногопримітивізму» (з його основними концептами: «шар об’єктів»,«лінійний об’єкт», «полігональний об’єкт», «точковийоб’єкт або позамасштабний знак» тощо) до об’єктно-орієнтованих моделей реальногосвіту, які ґрунтуються на категорії класів об’єктів, що мають просторові тафактографічні властивості, а також різноманітні просторові, топологічні тасемантичні зв’язки і відношення.
«Графічний примітивізм» при моделюваннігеопросторових даних успадкований від картографії, коли об’єкти розбиваються нагрупи за типом просторової локалізації. При цьому, як справедливо зазначено упраці [10], поняття просторової локалізації підмінюється поняттям розмірності,оскільки усі об’єкти розділяються на точкові, лінійні та площинні. Реальні жоб’єкти є фізичними тілами (дискретними об’єктами) або полями, а їх локалізаціяможе бути точковою, лінійною, смуговою, площинною, просторовою, комбінованою іглобальною. Поля мають глобальний тип локалізації, оскільки існують у будь-якійточці земної поверхні або її частини, що моделюється. Дискретні об’єкти можутьмати будь-який тип просторової локалізації, крім глобального, а також матимножинне уявлення (multiple representations) геометричними моделями в базігеопросторових даних. Наприклад, вулиці можуть бути представлені осьовимилініями, двома осьовими у відповідності з напрямками руху, осьовими окремихсегментів або площинними (смуговими) об’єктами окремих ділянок. Разом з тим,осьові сегменти вулиць можуть входити до складу комплексного об’єкта типу вулично-дорожньоїмережі або типу «маршрут певного транспортного засобу». Сказане,справедливе для моделювання річок, мережі залізниць тощо.
Таким чином, маємо досить складні відношення якміж об’єктами реального світу та їх просторовими моделями, так і між певнимиелементами графічної моделі й моделями реальних об’єктів на рівні ситуаційноговстановлення відношень. Аналогічно поля можуть бути представлені регулярними танерегулярними сітками, TIN-моделями, ізолініями тощо. Для об’єктів реальногосвіту характерні також відношення агрегування, композиції та асоціації, якіпрактично не реалізуються в ПС з графічним підходом до геоінформаційногомоделювання.
Загальні принципи визначення змістуконцептуальних схем (КС) та підходи до моделювання проблемних сферсформульовані в ДСТУ 3329 — 96 (ТОСТ 34.320 — 96) [7], який відповідаєміжнародному стандарту ISO/TR 9007:1987 «Concepts and terminology for theconceptual schema and the information base». До основних складових змістуКС належать: описи класів (типів) сутностей проблемної сфери; описи понять, якінайменше піддаються змінам; внесення правил або обмежень, які мають широкийвплив на поведінку проблемної сфери.
У стандартах рекомендовані два загальних принципиконцептуальних схем: принцип 100 відсотків та принцип концептуалізації. Згідноз «принципом 100 відсотків» усі загальні аспекти проблемної сфериповинні бути описані в КС, причому інформаційна система не може відповідати занедотримання правил і законів, описаних поза концептуальною схемою. Згідно з«принципом концептуалізації» КС повинна містити статичні та динамічніаспекти проблемної сфери лише концептуального рівня, не торкаючись зовнішніх івнутрішніх аспектів подання та організації даних. Основними підходами домоделювання інформаційних систем та баз даних є: об’єктно-орієнтований підхід(ООП), підходи «сутність-атрибут-зв’язок»; підходи на основі бінарнихі елементарних n-арних відношень та підходи на основі інтерпретованої логікипредикатів.
Об’єктно-орієнтований підхід в останні роки набувнайбільшого поширення. Він охоплює всі етапи життєвого циклу інформаційнихсистем від концептуального моделювання до програмування, експлуатації тамодернізації. ООП прийнятий за основу також і при розробці серії стандартів ISO19100 — Географічна інформація/Геоматика [9], в яких для концептуальногомоделювання широко використовується уніфікована мова моделювання UML (UnifiedModeling Language) [11], мова опису інтерфейсів IDL (Interface DescriptionLanguage) та мова об`єктних обмежень OCL (Object Constraint Language). Принципизастосування сучасних засобів моделювання для концептуальних схем геопросторовихданих представлені в проектах відповідних стандартів серії ISO 19100, в томучислі: ISO 19103 — Conceptual schema language (Мови концептуальних схем), ISO19107
— Spatial schema (Просторова схема), ISO 19108 — Temporal schema (Часова схема), ISO 19109
— Rules for application schema (Правила дляприкладної схеми).
Прикладом практичної реалізації сучасних методівконцептуального моделювання геопросторових даних з застосуванням нотації UML єнове покоління ГІС-технологій від ESRI Arc GIS 8.2 [4]. Це свідчить проблизькість появи на ринку повноцінних ГІС-орієнтованих CASE — засобів, якідозволяють візуально конструювати UML-схеми геопросторових даних, створюватиспецифікації та документувати артефакти предметної сфери на рівніконцептуальних моделей класів об’єктів, відношень між ними, їх властивостей таметодів поведінки. За створеними концептуальними моделями автоматичногенеруються класифікатори понять, структура бази даних, специфікації програмнихкомпонентів та макети форм діалогового інтерфейсу користувача.2.5Трирівнева архітектура геоінформаційних ситем
З розвитком ГІС і накопиченням в них великихоб’ємів картографічних та предметних даних виникає необхідність в обмініінформацією між системами, які створювались на різних ГІС-платформах.Традиційні ГІС мали гібридну архітектуру за ознакою уніфікації обробкикартографічних і атрибутних даних [1,2,3]. Для картографічних данихвикористовувались специфічні для кожної платформи моделі та формати, дляатрибутних даних — реляційні СУБД загального призначення. Обмін картографічнимиданими в таких ГІС виконувався за допомогою конвертації уніфікованих (де-фактоабо де-юре) форматів експорту/імпорту даних і з часом архітектура традиційнихГІС вступила в протиріччя з магістральним шляхом розвитку глобальнихінформаційних мереж та технологій клієнт/сервер. Специфічність картографічноїкомпоненти була також основною причиною значної залежності від платформипрограмних засобів просторового аналізу і спеціалізованих мов програмування,використовуваних для розвитку систем.
В 1996-1997 роках в арсеналі ГІС-засобівз’явились перші інструментальні рішення для побудови відкритих геоінформаційнихсистем (OpenGIS), які забезпечують:
• інтеграцію з сучасними об’єктно-орієнтованимивізуальними засобами розробки програмного забезпечення та інтерфейсукористувача універсального призначення (Visual Basic, C++, Delphi, PowerBuilderтощо);
• динамічну інтеграцію даних з різних джерел;
• інтеграцію з системами автоматизації офісів;
• підтримку обробки геоданих з використаннямтехнології мережі Internet.
Сьогодні компоненти відкритих ГІС є в арсеналівсіх провідних розробників ГІС-технологій. Вони розраховані на платформуWindows з використанням її основних механізмів інтеграції застосувань:об’єктних моделей (COM, DCOM, CORBA), методів інтеграції (OLE і OLE4D&M) ірозробки (QLE Automation), інтерфейсу користувача (Windows), методів доступу добаз даних (ODBC), технології візуалізації (OpenGL, GDI), електронної пошти(МАРІ) та доступ до Internet і Web (Internet Services).
Від корпорації Intergraph до відкритих ГІСвідносяться компоненти технології Jupiter [3,4] з її першими представникамиGeoMedia та GeoMedia Web Map, від інституту ESRI — MapObjects, Spatial DatabaseEngine (St)t) та Arc View Map Server, від Autpdesk — MapGuide та AutodeskWorld.
Характерними ознаками продуктів цього класу є:
• підтримка візуалізації не тільки власнихграфічних форматів, а й форматів конкурентів;
• можливість використання універсальних мовпрограмування для розробки прикладних програм;
• підтримка роботи з Oracle Spatial Data Option(SDO);
• можливість створення та редагування графічнихданих (але знову ж таки в специфічних для кожної фірми форматах).
Поява цих продуктів приводить до перекриваннямонопольних секторів фірм-виробників ГІС технологій і в значній мірі зменшуєризик інвестицій кінцевих користувачів, але ринок важливих продуктівпросторового аналізу залишається залежним від ГІС платформ виробників.
Найбільш перспективними та адекватними концепціївідкритих ПС є технології ГІС з застосуванням концепції SDO, яка дозволяєзастосувати єдиний підхід до накопичення та обробки як атрибутних, так іграфічних даних на основі єдиної реляційної СУБД, аж до застосування розширеньSQL для формування просторових запитів. Застосування технології класу SDOдозволить звести до спільного базису найбільш науковомісткі компоненти ПС:просторовий аналіз, аналіз мереж, обмін картографічними даними тощо.
Незважаючи на різноманіття функціональнихможливостей та механізмів інтеграції відкритих ГІС, проблема забезпеченнянезалежності прикладних програм від конкретних ГІС-платформ і форматів геоданихзалишається актуальною. Одним із шляхів її подолання є введення в архітектурузастосувань додаткового елементу — уніфікованого ГІС-серверу застосувань (даліГІС-сервер) як логічного програмного процесу, що слугує посередником міжприкладною програмою-клієнтом (1Ш) та інструментальними ГІС конкретнихвиробників (ІГІС). Мова йде про використання трирівневої архітектури ГІС:застосування, ГІС-сервер застосувань, ІГІС як сервери геоданих (див. рисунок).Для взаємодії між окремими рівнями та елементами такої архітектури можуть бутивикористані відповідні інтерфейси прикладного програмування (АРІ) тарізноманітні механізми інтеграції застосувань. Ключовими питаннями є уніфікація(в ідеалі — стандартизація) функцій ГІС-серверу та потенційна можливість йогопараметризації з метою спрощення налагодження на характеристики конкретнихінструментальних ГІС.
/>
/>
Рис. 4. Трирівнева архітектура ГІС
В більшості інструментальних ГІС проект (карта) єсукупністю тематично-орієнтованих шарів геоданих одного чи кількох спорідненихформатів з атрибутами їх візуалізації і операційними характеристиками кожного.ГІС-проект трирівневого застосування може базуватися на значно більш широкомунаборі форматів геоданих. Підтримка кожного з форматів забезпечуєтьсявідповідною інструментальною ГІС, клієнтом якої є ГІС-сервер, а небезпосередньо прикладна програма.
Можна виділити два основні підходи до уніфікаціїфункцій ГІС-серверу: еволюційна глобальна уніфікація широкого набору функцій якпередумова стандартизації функціонального інтерфейсу переважної більшостіГІС-застосувань та локальна уніфікація в межах конкретної сфери використанняГІС-технологій чи навіть окремих прикладних програм. В рамках першого підходудоцільна параметризація ГІС-серверу для спрощення налагодження на конкретніплатформи та введення спеціальної функції ESCAPE для підтримки механізму«стандартного використання нестандартних можливостей» ГІС. Метадані вбазі даних характеристик та функцій ІПС призначені для реєстрації функційконкретних інструментальних ГІС (включаючи нестандартні) на рівні синтаксисувиклику функцій та опису їх параметрів.
Для більшості ГІС-застосувань достатнім будетакий мінімальний набір функцій ГІС-серверу:
1) Функції роботи з проектами та візуалізаціїшарів, в тому числі:
• створити новий чи відкрити існуючий проект,зберегти проект;
• візуалізувати при заданих властивостях шаркарти в вікні проекту. Параметри: система світових координат, світовікоординати, вікно в світових координатах, дескриптор вікна Windows (hWnd),область виводу в екранних координатах, умови генералізації та графічні атрибутизображення;
2) Функції ідентифікації та виділення об’єктів:
• графічна селекція об’єктів за координатами точкиабо області (радіальної, прямокутної чи довільної полігональної);
• графічне виділення об’єктів за заданим спискомїх ключових ідентифікаторів;
3) Функції вводу та редагування геоданих:
• одержати координати об’єкту;
• змінити координати існуючого об’єкту;
• додати новий об’єкт з його координатами;
• видалити графічний об’єкт;
4) Функції геометричного аналізу:
• визначення відстаней, довжин ламаних ліній,центроїдів полігонів;
• розрахунок периметрів та площ;
• пошук перетинів ліній;
5) Оверлейні функції:
• побудова буферних зон навколо об’єктів;
• об’єднання та перетин полігональних об’єктів;6)Функція отримання експрес-інформації про атрибути об’єкту безпосередньо відінструментальних ГІС.
База атрибутних даних застосування може бутилокальною, клієнт-серверною (в тому числі побудованою за трирівневоюархітектурою) або інтегрованою (на основі використання реляційних моделейгеоданих по технологіях SDO чи SDE).
РОЗДІЛ3 Геоінформаційні системи новий крок в дослідженні земельних ресурсів
Суцільнеагрохімічне обстеження земель розв’язує низку важливих проблем, пов’язаних згрунтово-агрохімічним моніторингом, відновленням родючості ґрунтів,високоефективним застосуванням агрохімікатів, підвищенням продуктивностіземлеробства та збереженням довкілля. На сучасному етапі агрохімічниймоніторинг Херсонської області проводить державний проектно-технологічний центрохорони родючості ґрунтів і якості продукції.
Одним із основнихзавдань, що ставиться проектно-технологічною службою, є практичне використаннягеоінформаційних технологій при організації та веденні еколого-агрохімічногомоніторингу земель сільськогосподарського використання, а також їх безпосереднєзастосування при розробці еколого — агрохімічних паспортів земельних ділянокдля господарств Херсонської області.
Еколого-агрохімічнапаспортизація земель проводиться за Керівним нормативним документом«Еколого-агрохімічна паспортизація полів та земельних ділянок» (1996). Методикане обмежується складанням агрохімічних паспортів оцінки родючості земель, а йвисвітлює комплекс інших питань, пов’язаних з деградаційними процесамиґрунтового покриву України, моніторингом та практичними рекомендаціямивисокоефективного використання земельних ресурсів.
Для визначенняеколого-агрохімічного стану поля, господарства, адміністративного району таобласті необхідно створення агрохімічних інформаційних баз даних звикористанням уніфікованої технології ведення та обробки інформації. Длякомплексного аналізу інформації та підготовки управлінських рішень відібранідані агрохімічних досліджень території полів або земельних ділянок повинні бутипредставлені у цифровій формі і мати просторову прив’язку до:
– структуриземлекористування господарства;
– структуриадміністративно – територіального поділу (коди районів, міста, населеногопункту);
– структуримереж спостережень (номер ділянки агрохімічного обстеження);
– ґрунтовоговиділу на карті (агровиробнича група, назва ґрунту, гранулометричний склад).
В центріпровідними спеціалістами сектору науково технічної інформації такомп’ютерного забезпечення впроваджується і використовується комплексгеоінформаційних систем, що складається з РС Arclnfo, Maplnfo I Surfer. Кожна зсистем має певне призначення в ланцюгу обчислень і аналітики даних ібезпосередньо пов’язана з особливостями тієї чи іншої системи ГІС.
Так, наприклад,за допомогою програми Maplnfo ведеться побудова тематичних карт, підготовкавихідних карт з можливістю виведення на екран та до друку. Мова програмиMapBasic допомагає передавати картографічні дані в блок моделей і відображатина карті результати моделювання з максимальною точністю. Надалі з допомогоюцієї програми передбачається створення системи введення просторово прив’язаноїсемантичної та виведення комплексної тематичної інформації. Maplnfo забезпечуєстворення цифрового картографічного матеріалу у растровому та векторномуформаті.
Карта чітковідображає контури масиву, на ній наглядно видно площу та номер поля,вказується номер паспорту та відповідно показано вміст поживних речовин, вданому випадку – рухомого фосфору. Згідно заданих параметрів програма виведенняінформації на екран відображає коливання вмісту елементу, що визначається, нетільки цифровими показниками, а й відповідним забарвленням. Це допомагає значнореальніше усвідомлювати характеристику об’єкту і вже при візуальному аналізіреально оцінювати ситуаційну задачу.
З допомогою такихкарт, які мають надточну достовірність складаються еколого-агрохімічні паспортиполів або земельних ділянок для кожного господарства. Це в свою чергу зумовлюєможливість не тільки визначати кількісний та якісний склад ґрунтів, а такожнадає можливість здійснювати агроекологічний контроль за станом земельногофонду, що використовується як в сільському господарстві, так і в іншихнародногосподарчих галузях.
Поєднанняінформації за допомогою ГІС дає унікальну можливість для їх застосування вширокому спектрі, а саме:
– зарезультатами агрохімічного обстеження ґрунтів розробити і впровадити технологіївисокоефективного застосування мінеральних добрив, оптимізації доз, строків іспособів їхнього внесення;
– на основіданих обстежень запропонувати хімічні меліорації на вапнування кислих ігіпсування солонцевих ґрунтів;
– визначититериторію для вирощування екологічно чистої продукції тощо.
Використання ГІСпри еколого-агрохімічному моніторингу та складанні паспортів земельних ділянокдля проектно-технологічної служби забезпечить оперативність, ефективність табагатофункціональність, дасть змогу використовувати систему в широкому спектрізадач.
ВИСНОВКИ
Геоінформаці́йна система — сучасна комп’ютерна технологія, щодозволяє поєднати модельне зображення території (електронне відображення карт,схем, космо-, аерозображень земної поверхні) з інформацією табличного типу(різноманітні статистичні дані, списки, економічні показники тощо). Також, підгеоінформаційною системою розуміють систему управління просторовими даними таасоційованими з ними атрибутами. Конкретніше, це комп’ютерна система, щозабезпечує можливість використання, збереження, редагування, аналізу тавідображення географічних даних.
Інформаційно-обчислювальна система, призначена для фіксації,збереження, модифікації, керування, аналізу і відображення усіх формгеографічної інформації. ГІС використовується багатьма дослідниками в галузівивчення проблем навколишнього середовища, для визначення різних показників нагеографічній сітці.
Трирівнева архітектура геоінформаційних систем,використання якої забезпечує незалежність застосувань від конкретнихГІС-платформ та форматів геоданих. Розглянуті елементи такої архітектури(застосування-клієнт, уніфікований ГІС-сервер застосувань, сервериінструментальних ГІС), функції ГІС-серверу та способи його налагодження наособливості інструментальних ПС.
Концептуальне моделювання переростає в технологіюконцептуального проектування інформаційних і програмних систем на основі формуванняпоняттєвої моделі об’єктів та явищ реального світу, її відображення на множинуконцептів та об’єктів інших світів (програмних компонент, баз даних, моввзаємодії (інтерфейсів) «користувачі-система» та«система-система», вихідних документів тощо).
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Берлянт A.M. Геоинформационное картографирование. — М.:Астрея, 1997. — 64 с.
2. Берлянт A.M. Геоника. — М.: Астрея, 1996. — 208 с.
3. Географический знциклопедический словарь. Понятия и термины / Гл.ред. А.Ф. Трешников; Ред. кол.: З.Б. Алаев, П.М. Алампиев, А.Г. Воронцов и др.- М.: Сов. Знциклопедия, 1988. — 432 с.
4. Геоинформатика І А.Д. Иванников, В.П. Кулагин, А.Н. Тихонов, В.Я.Цветков. — М.: МАКС Пресе, 2001. — 349 с.
5. Гриценко В.И., Паньшин Б.Н. Информационная технология: вопросы развитии применения. — К.: Наук, думка. — 1988. — 272 с.
6. ДСТУ 3329 — 96 (ГОСТ 34.320 — 96). Інформаційні технології. Системастандартів з баз даних. Концепції та термінологія для концептуальної схеми йінформаційної бази. — К.: Держстандарт України. — 1998. — 49 с.
7. ДСТУ2874 — 94. Системи оброблення інформації. Бази даних.Терміни та визначення. — К.: Держстандарт України. — 1995. – 31 с.
8. Ершов А.П. О предмете информатики // Вест. АН СССР. — 1984.- №2. — с. 112 -113.
9. Карпінський Ю.О., Лященко А.А., Волчко Є.П. Стандартизаціягеографічної інформації: міжнародний досвід та шляхи розвитку в Україні //Вісник геодезії та картографії. — 2002. -№3.-С.32-38.
10. Картография. Вып. 4. Геоинформационные системи: Сб. перевод.статей/Сост., ред. и предисл. A.M. Берлянд и В.С.Тикунов. — М.:Карттеоцентр-Геодезиздат, 1994. — 350 с.
11. Кравченко Ю. А. О типологии обьектов геоинформационного моделирования// Геодезия и картография. — 2002. — № 7. — С. 48 — 55.
12. Лященко А.А., Карпінський Ю.О. Архітектура таінструментарій відкритих ГІС.// Тези доп. Третьої Всеукраїнської конференції згеоінформаційних технологій «Теорія, технологія, впровадження òѻòС-ФОРУМ, К.: ГІС-Асоціація України, 1997. — С. 15-17.
13. Руденко Л.Г. Географічна картографія в Україні та її значенняу геоінформаційному просторі // Український географічний журнал. — 2002. — №3.- С. 110 — 113.
14. Сербенюк С.Н. Картография и Геоинформатика — их взаимодействие/ Под ред. В.А. Садовничего. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1990. — 159 с.
15. Цветков В.Я. Геоинформационные системи и технологии. — М.:Финансы и статистика, 1998. — 288 с.