ГИС.pdf

1 «Геоинформационные системы в экологии и природопользовании» Вопросы к зачету. 2023–2024 учебный год 1. Понятие экоинформатики и ее составляющие. Понятие геоинформатики и ее основы. Понятие пространственных данных. 2. Понятие информации в геоинформатике. Понятие про...

1 «Геоинформационные системы в экологии и природопользовании» Вопросы к зачету. 2023–2024 учебный год 1. Понятие экоинформатики и ее составляющие. Понятие геоинформатики и ее основы. Понятие пространственных данных. 2. Понятие информации в геоинформатике. Понятие пространственного объекта и его модель. 3. Понятие ГИС. Подходы к понятию ГИС с различных позиций. 4. История ГИС. Краткая характеристика современного этапа развития ГИС. 5. Взаимосвязь геоинформатики, картографии, дистанционного зондирования и других наук. Соотношение методов и наук о Земле и обществе. Взаимосвязи картографии и геоинформатики. 6. Классификация (типология) ГИС. Проблемно-ориентированная ГИС для географических исследований: структурная схема и базовые составляющие. Признаки ГИС. 7. Требования к ГИС. Структура ГИС. Процесс применения ГИС-технологий для пользователей ГИС. Функциональные возможности ГИС. 1..Понятие экоинформатики и ее составляющие. Понятие геоинформатики и ее основы. Понятие пространственных данных. Понятие экоинформатики и ее составляющие. Это раздел современной информатики, изучающий закономерности получения, отбора, хранения, передачи, преобразования и применения экологической информации в научной, производственной, социальной, политической и культурной деятельности человечества – экоинформационные базы данных; – кадастровые системы; – международные экоинформационные системы глобальных наблюдений за состоянием отдельных подсистем биосферы; – экоинформационные системы контроля состояния здоровья населения; – геоинформационные системы управления использованием природных ресурсов; – экоинформационные системы обеспечения обоснованности управленческих решений. Понятие геоинформатики и ее основы.  2 Это научная дисциплина, изучающая природные и социально-экономические геосистемы различных иерархических уровней с помощью аналитической компьютерной обработки создаваемых баз данных и баз знаний. Понятие пространственных данных. База пространственных данных (база геоданных) – совокупность данных о пространственных объектах, организованных по определенным правилам, устанавливающим общие принципы их описания, хранения и манипулирования. 2..Понятие информации в геоинформатике. Понятие пространственного объекта и его модель. Понятие информации в геоинформатике. Информация – совокупность знаний о фактических данных (в формализованном виде) и зависимостях между ними. Понятие пространственного объекта и его модель. Пространственный объект – объект реальности и его цифровое представление (цифровая модель объекта местности, содержащая информацию о его местоположении и свойствах). Модели данных – способы организации пространственных данных в компьютерных средах, описания пространственных объектов. 3. Понятие ГИС. Подходы к понятию ГИС с различных позиций. ГИС — аппаратно-программный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных, интеграцию данных, информации и знаний о территории для их эффективного использования при решении научных и прикладных задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением окружающей средой и территориальной организацией общества Подходы к понятию ГИС с различных позиций. Научно-познавательный подход: система картографирования, комплекс технических средств, позволяющих реализовать различные по сложности проекты Инженерно-технический подход: индустрия, обеспечивающая аппаратно-программными средствами практически все сферы производств. 4. История ГИС. Краткая характеристика современного этапа развития ГИС. История ГИС. Новаторский период (конец 50-х – конец 60-х гг. XX века)  3 Этот период характеризуется исследованием принципиальных возможностей информационных систем; наработкой эмпирического опыта; созданием первых крупных проектов и теоретических работ. Период государственного влияния или пионерский период (начало 70-х – начало 80- х гг. XX века ) Для этого периода характерны исследование принципиальных возможностей ГИС, накопление опыта, разработка первых геоориентированных проектов, становление и развитие геоинформатики. Период коммерциализации (начало 80-х гг. – середина 90-х гг. XX века) С этим периодом связаны развитие инструментальных средств и становление рынка программных продуктов, активизация создания корпоративных и индивидуальных баз геоданных. Период потребления (конец 90-х гг. XX века – настоящее время) К этому времени сформировалась геоинформационная инфраструктура, появилась конкуренция на рынке ГИС-производителей, появление доступных программных средств способствовало расширению сферы использования ГИС. Краткая характеристика современного этапа развития ГИС. Современный этап развития ГИС-технологий отличается расширением возможностей, широким применением и открытостью и доступностью. ГИС стали неотъемлемой частью современного мира и продолжают развиваться быстрыми темпами, открывая новые возможности для решения разных задач и улучшения жизни людей 5. Взаимосвязь геоинформатики, картографии, дистанционного зондирования и других наук. Соотношение методов и наук о Земле и обществе. Взаимосвязи картографии и геоинформатики. Взаимосвязь геоинформатики, картографии, дистанционного зондирования и других наук. Схемы, иллюстрирующие линейные связи от дистанционного зондирования через геоинформатику к картографии Схемы, включающие дистанционное зондирование и геоинформатику в картографию Схемы, поглощающие картографию вместе с дистанционным зондированием, фотограмметрией, топографией и другими науками, имеющими дело с пространственным представлением явлений, в единую сферу геоинформатики (геоматика») Соотношение методов и наук о Земле и обществе.  4 ГИС интегрируют разнообразную информацию о планете, включая картографическую, данные дистанционного зондирования, статистику и переписи, кадастровые сведения, гидрометеорологические данные, материалы полевых экспедиционных наблюдений, результаты бурения и подводного зондирования. ГИС тесно связаны с картографией. Их взаимосвязь проявляется в следующих аспектах: тематические и топографические карты — главный источник пространственно- временной информации; системы географических и прямоугольных координат и картографическая разграфка служат основой для координатной привязки всей информации, поступающей и хранящейся в ГИС; карты — основное средство географической интерпретации и организации данных дистанционного зондирования и другой используемой в ГИС информации; 3 картографический анализ — один из наиболее эффективных способов выявления географических закономерностей, связей, зависимостей при формировании баз знаний, входящих в ГИС. ГИС также связаны с науками о Земле: геологией, почвоведением, лесоведением, географией, экономикой, биологией и другими. Взаимосвязи картографии и геоинформатики. 1) тематические и топографические карты 2) системы географических и прямоугольных координат и картографическая разграфка служат основой для координатной привязки (географической локализации) всей информации, поступающей и хранящейся в ГИС; 3) карты – основное средство географической интерпретации и организации данных дистанционного зондирования и другой используемой в ГИС информации (статистичес­кой, аналитической и т. п.); 4) картографический анализ – один из наиболее эффективных способов выявления географических закономерностей, связей, зависимостей при формировании баз знаний, входящих в ГИС; 5) математико-картографическое и ЭВМ-картографическое моделирование – главное средство преобразова­ния информации в процессе обеспечения принятия решений, управления проведения экспертиз, составления прогнозов развития геосистем и т.п.; 6) картографическое изображение – целесообразная форма представления информации потребителям, а автоматическое изготовление оперативных и базовых карт,  5 трехмерных картографических моделей, дисплей-фильмов – одна из главных функций ГИС. 6. Классификация (типология) ГИС. Проблемно-ориентированная ГИС для географических исследований: структурная схема и базовые составляющие. Признаки ГИС. Классификация (типология) ГИС. По проблемной ориентации (тематике): - общегеографические; - экологические и природопользовательские; - отраслевые; - для тематического и статистического картографирования; - библиографические; - системы обработки данных дистанционного зондирования; - инженерные и т.д. По функциональным возможностям: - полнофункциональные; - специализированные; - информационно-справочные системы. По целям: - многоцелевые; - информационно-справочные; - для нужд планирования; - для нужд управления, другие. По способу организации географических данных: - векторные; - растровые; - векторно-растровые ГИС. По объектам: лес, земля, вода, население, хозяйство, процессы, нематериальные объекты, идеи. По уровню управления: - федерального; - регионального; - специального назначения. Проблемно-ориентированная ГИС для географических исследований: структурная схема и базовые составляющие.  6 Признаки ГИС географическая привязка данных; генерирование новой информации на основе синтеза имеющихся данных; отражение пространственно-временных связей объектов; обеспечение принятия решений; возможность оперативного обновления баз данных. 7. Требования к ГИС. Структура ГИС. Процесс применения ГИС-технологий для пользователей ГИС. Функциональные возможности ГИС. Требования к ГИС - способность управлять большим разнородным множеством пространственно организованных точек; - способность получать информацию из банков данных в отношении существования, положения и свойств широкого спектра пространственно ориентированных объектов; - способность к взаимодействию между различными видами информации; - гибкость, то есть способность системы удовлетворять различным запросам разных пользователей. - способность системы обучаться по пространственно ориентированным данным во время их использования, например, замечать уже собранные или проанализированные данные или вводить заранее определенные правила в новую обстановку. Структура ГИС Структура геоинформационных систем чаще всего такова: позиционная (географическая) база данных, содержащая данные о местоположении объекта на земной  7 поверхности используется совместно с атрибутивной базой данных, содержащей описательные сведения об объектах. Вся эта система работает на аппаратной платформе под управлением персонала и соответствующего программного обеспечения с использованием методического и алгоритмического аппарата. Таким образом, структуру ГИС можно представить как совокупность следующих компонентов: данные, программное обеспечение, персонал, оборудование, а так же методики и алгоритмы. Процесс применения ГИС-технологий для пользователя ГИС включает: Поиск, сбор, оценку и осмысление особенностей пространственных данных, представляемых в цифровой форме. Определение состава и тематического содержания пространственной информации, необходимой для решения поставленной задачи. Также определение системы координат, в которой создаётся основа базы данных, структуры и модели данных, методов и средств цифрования и хранения данных, оценки их точности и достоверности. Анализ пространственных данных, включающий анализ взаимосвязей процессов и явлений в природе, генерализацию картографических, аэрокосмических и статистических данных, интерактивное дешифрирование снимков. Моделирование: выбор соответствующей математической модели и необходимых параметров для неё — построение географической (картографической, математико- картографической) модели. Представление пространственных данных: электронные и компьютерные карты и атласы, преобразованные снимки, таблицы, анимационные модели и т.п. С технической точки зрения выполнение следующих функций: создание базы данных, добавление записей в базу данных, корректировка и манипулирование данными в рамках географической модели, создание выходной продукции на основе выполненного анализа данных и средств компьютерной графики. Функциональные возможности ГИС. Основные возможности:  ввод в компьютер цифровых данных;  преобразование данных, трансформация картографических проекций,  конвертирование данных в различные форматы;  хранение и управление данными;  картометрические операции и др.  1 «Геоинформационные системы в экологии и природопользовании» Вопросы к зачету. 2023–2024 учебный год 8.Этапы и правила проектирования ГИС. Подсистемы реализации ГИС-технологий в ГИС. Роль ГИС в природопользовании. Потенциальные потребители ГИС. Проектирование географических информационных систем (ГИС) — это сложный процесс, который включает несколько этапов и требует соблюдения определенных правил. Рассмотрим основные этапы проектирования ГИС, подсистемы реализации технологий, роль ГИС в природопользовании и потенциальных потребителей ГИС. Этапы проектирования ГИС 1. Определение целей и задач: Определение потребностей пользователей. Формулирование основных задач, которые должна решать ГИС. 2. Сбор требований: Анализ существующих данных и систем. Сбор требований от всех заинтересованных сторон. 3. Разработка концепции ГИС: Определение архитектуры системы. Выбор технологий и программного обеспечения. 4. Проектирование базы данных: Разработка структуры хранения данных. Определение типов данных и их атрибутов. 5. Создание модели данных: Проектирование пространственной и атрибутивной модели. Разработка схемы взаимосвязей между объектами. 6. Разработка интерфейса пользователя: Проектирование удобного и интуитивно понятного интерфейса. Учёт потребностей конечных пользователей. 7. Тестирование системы: Проверка функциональности и производительности. Валидация данных и корректности работы системы. 8. Внедрение и обучение пользователей: Установка системы и настройка. Обучение пользователей работе с ГИС. 9. Поддержка и обновление:  2 Обеспечение технической поддержки. Регулярное обновление данных и программного обеспечения. Правила проектирования ГИС Модульность: Система должна состоять из взаимозависимых модулей, что позволяет легко добавлять новые функции. Гибкость: Возможность адаптации системы под изменяющиеся требования пользователей. Интероперабельность: Способность системы взаимодействовать с другими системами и форматами данных. Пользовательский опыт: Удобство и простота использования интерфейса для конечных пользователей. Подсистемы реализации ГИС-технологий 1. Подсистема сбора данных: Инструменты для сбора, обработки и ввода пространственных и атрибутивных данных (например, GPS, дистанционное зондирование). 2. Подсистема хранения данных: Базы данных для хранения географической информации (например, реляционные базы данных, NoSQL). 3. Подсистема обработки данных: Инструменты для анализа и обработки пространственных данных (например, геостатистический анализ, моделирование). 4. Подсистема визуализации: Инструменты для отображения данных на картах и в графиках (например, картографические модули, веб-карты). 5. Подсистема управления пользователями: Механизмы для управления доступом и правами пользователей. Роль ГИС в природопользовании ГИС играет ключевую роль в управлении природными ресурсами, включая: Мониторинг окружающей среды: Отслеживание изменений в экосистемах, оценка воздействия антропогенной деятельности. Планирование использования земель: Оптимизация распределения земельных ресурсов для сельского хозяйства, лесоводства и градостроительства. Управление водными ресурсами: Моделирование водосборных бассейнов, управление качеством воды. Оценка рисков природных катастроф: Анализ уязвимости территорий к наводнениям, землетрясениям и другим природным явлениям. Потенциальные потребители ГИС  3 1. Государственные учреждения: Органы власти, занимающиеся планированием и управлением территориями. 2. Научные организации: Исследовательские институты, занимающиеся экологией, географией и природными ресурсами. 3. Бизнес-сектор: Компании, работающие в области логистики, недвижимости, сельского хозяйства и других отраслях. 4. Неправительственные организации: Экологические и социальные организации, занимающиеся защитой окружающей среды. 5. Образовательные учреждения: Школы и университеты, использующие ГИС в учебном процессе. 9.Понятие ввода данных и метаданных. Свойства объектов в ГИС и отображение объектов реального мира. Понятие ввода данных и метаданных Ввод данных в географические информационные системы (ГИС) — это процесс сбора, обработки и интеграции пространственных и атрибутивных данных, которые будут использоваться для анализа, визуализации и принятия решений. Данные могут поступать из различных источников, включая: Полевые наблюдения: Сбор данных с помощью GPS-устройств, анкетирования и других методов. Дистанционное зондирование: Использование спутниковых и воздушных снимков для получения информации о поверхности Земли. Существующие базы данных: Импорт данных из других систем или источников, таких как кадастровые данные, статистические отчеты и т.д. Метаданные — это данные о данных. Они описывают содержимое, качество, происхождение и структуру данных, что позволяет пользователям понять их контекст и использование. Метаданные могут включать: Описание данных: Название, тип, источник, дата создания. Качество данных: Оценка точности, полноты и актуальности данных. Структура данных: Формат данных, схемы базы данных и связи между объектами. Правила доступа: Информация о том, кто может использовать данные и при каких условиях. Метаданные играют важную роль в управлении данными, обеспечивая их доступность и понимание. Свойства объектов в ГИС  4 Объекты в ГИС представляют собой реальные объекты или явления на земной поверхности и могут быть представлены в виде точек, линий или полигонов. Каждый объект имеет свои свойства, которые описываются атрибутами. Основные свойства объектов включают: 1. Пространственные свойства: Геометрия: Форма и размер объекта (например, координаты точек, длина линий, площадь полигонов). Местоположение: Географические координаты (широта и долгота), а также привязка к определенным пространственным системам координат. 2. Атрибутивные свойства: Характеристики объекта: Описание объекта с помощью различных атрибутов (например, название улицы, тип земли, население района). Классификация: Категории или классы объектов (например, типы земельного использования: жилые, коммерческие, сельскохозяйственные). Отображение объектов реального мира Отображение объектов реального мира в ГИС осуществляется с помощью различных методов визуализации: 1. Картографические слои: Объекты группируются по слоям (например, слой дорог, слой водоемов), что позволяет пользователям включать или отключать различные данные в зависимости от их потребностей. 2. Символика: Используются различные символы для представления разных типов объектов (например, точки для городов, линии для дорог). Символы могут быть цветными и изменять размер в зависимости от значимости или других атрибутов. 3. Атрибутивные таблицы: Каждому объекту сопоставляется таблица атрибутов, что позволяет пользователям получать дополнительную информацию о выбранном объекте при взаимодействии с картой. 4. 3D-визуализация: Для некоторых приложений возможно трехмерное отображение объектов (например, здания), что помогает лучше понять их пространственные характеристики. 5. Интерактивные карты: Пользователи могут взаимодействовать с картами через веб-интерфейсы или мобильные приложения, что позволяет им исследовать данные и получать информацию в реальном времени. 10.Источники данных для ГИС и их типы.  5 Источники данных для географических информационных систем (ГИС) могут быть разнообразными и охватывают широкий спектр типов данных. Вот основные категории источников данных для ГИС и их типы: 10. Полевые данные GPS-данные: Сбор координат объектов с помощью глобальных навигационных спутниковых систем. Полевые наблюдения: Анкетирование, измерения и наблюдения, проводимые исследователями или специалистами в области экологии, геологии и других наук. 11. Дистанционное зондирование Спутниковые снимки: Изображения Земли, полученные с помощью спутников. Используются для мониторинга изменений в земной поверхности, сельском хозяйстве, экологии и т.д. Аэросъемка: Снимки, сделанные с самолетов или дронов. Предоставляют более детализированные данные по сравнению со спутниковыми изображениями. 12. Существующие базы данных Кадастровые данные: Информация о земельных участках, их границах и владельцах. Статистические данные: Данные о населении, экономике, экологии и других аспектах, собранные государственными и частными организациями. Данные о транспортной инфраструктуре: Информация о дорогах, мостах, железных дорогах и других транспортных объектах. 13. Открытые данные Государственные и муниципальные открытые данные: Множество правительственных организаций предоставляет доступ к данным по различным темам (например, здравоохранение, образование, экология). Проекты по открытым данным: Платформы, такие как OpenStreetMap, которые позволяют пользователям добавлять и редактировать географическую информацию. 14. Научные исследования и публикации Научные статьи и отчеты: Исследования, которые содержат географические данные и могут быть использованы для создания карт и анализа. Данные из университетов и исследовательских институтов: Часто публикуются в рамках проектов или исследований. 15. Коммерческие источники  6 Географические информационные компании: Компании, которые собирают, обрабатывают и продают географические данные (например, Esri, HERE Technologies). Картографические сервисы: Платформы, предоставляющие доступ к картам и пространственным данным (например, Google Maps). 16. Социальные сети и пользовательские данные Данные из социальных медиа: Геотегированные посты и фотографии могут быть использованы для анализа поведения пользователей и трендов. Краудсорсинг: Пользователи могут добавлять данные о местоположениях, событиях или объектах (например, информация о пробках). 17. Модели и симуляции Геомодели: Создание моделей на основе существующих данных для прогнозирования изменений (например, модели распространения болезней или изменения климата). Каждый из этих источников может предоставлять уникальные данные для ГИС, которые можно использовать для различных целей — от планирования городов до мониторинга природных ресурсов и управления рисками. 11.Координатные данные в ГИС. Атрибутивные данные в ГИС. В географических информационных системах (ГИС) данные делятся на две основные категории: координатные данные и атрибутивные данные. Давайте рассмотрим каждую из этих категорий подробнее. 18. Координатные данные в ГИС Координатные данные представляют собой пространственную информацию, которая описывает местоположение объектов на Земле. Они могут быть представлены в различных системах координат и форматах: Географические координаты: Указываются в виде широты и долготы (например, 40.7128° N, 74.0060° W для Нью-Йорка). Эти координаты определяют положение на поверхности Земли в угловых измерениях. Проекционные координаты: Используются для преобразования трехмерной поверхности Земли в двумерную плоскость. Например, система UTM (Universal Transverse Mercator) делит Землю на зоны и предоставляет координаты в метрах. Точки, линии и полигоны: В ГИС объекты могут быть представлены как точки (например, местоположение здания), линии (например, дороги или реки) и полигоны (например, границы земельных участков или административных единиц).  7 Трехмерные координаты: В некоторых случаях используются трехмерные координаты, которые включают высоту или глубину (например, для моделирования рельефа или подводных объектов). 19. Атрибутивные данные в ГИС Атрибутивные данные содержат дополнительную информацию о пространственных объектах и описывают их характеристики. Эти данные могут быть представлены в виде таблиц и связаны с координатными данными через уникальные идентификаторы. Примеры атрибутивных данных включают: Идентификаторы объектов: Уникальные коды или номера, которые позволяют однозначно идентифицировать объекты (например, код земельного участка). Характеристики объектов: Данные о физических характеристиках объектов, такие как площадь, высота, материал постройки и т.д. Социально-экономические данные: Информация о населении, доходах, уровне образования и других демографических характеристиках в определенных регионах. Экологические данные: Данные о состоянии окружающей среды, такие как уровень загрязнения, наличие охраняемых природных территорий и т.д. Исторические данные: Информация о событиях, произошедших в определенных местах, например, исторические изменения границ или использование земли. Атрибутивные данные обычно хранятся в таблицах и могут быть связаны с пространственными данными через ключевые поля. Это позволяет пользователям выполнять запросы и анализировать данные на основе как пространственных, так и атрибутивных характеристик. Пример использования Например, в ГИС для анализа земельных участков можно использовать: Координатные данные: Положение каждого земельного участка на карте. Атрибутивные данные: Информация о владельце участка, его площади, назначении (жилое, коммерческое), налоговой оценке и т.д. Сочетание координатных и атрибутивных данных позволяет проводить комплексный анализ и принимать обоснованные решения в различных областях, таких как градостроительство, экология, транспорт и другие. 12.Модели данных в ГИС. Растровая модель данных в ГИС. Векторная модель данных в ГИС. В географических информационных системах (ГИС) используются различные модели данных для представления пространственной информации. Основные  8 модели данных в ГИС — это растровая и векторная модели. Давайте рассмотрим каждую из них подробнее. 20. Векторная модель данных в ГИС Определение: Векторная модель представляет пространственные объекты в виде точек, линий и полигонов. Она используется для описания дискретных объектов, таких как здания, дороги, реки и границы земельных участков. Компоненты векторной модели: Точки: Представляют собой отдельные объекты, имеющие определенные координаты (например, местоположение памятника или дерева). Линии: Представляют собой набор связанных точек и используются для отображения линейных объектов (например, дороги, железные дороги). Полигоны: Замкнутые линии, которые представляют площадные объекты (например, озера, парки, административные границы). Преимущества векторной модели: Высокая точность и детализация: Векторные данные могут точно представлять формы и размеры объектов. Экономия места: Векторные данные занимают меньше места по сравнению с растровыми данными, особенно при хранении больших объемов информации. Легкость в редактировании: Изменение форм или атрибутов объектов проще, чем в растровой модели. Недостатки векторной модели: Сложность обработки: Анализ пространственных данных может быть более сложным по сравнению с растровыми данными. Ограниченная способность к представлению непрерывных явлений (например, рельефа или температуры). 21. Растровая модель данных в ГИС Определение: Растровая модель представляет пространство в виде сетки ячеек (пикселей), где каждый пиксель содержит значение, соответствующее определенному атрибуту (например, цвет, температура, высота). Растровые данные часто используются для отображения непрерывных явлений. Компоненты растровой модели: Пиксели: Наименьшие единицы растрового изображения, каждый из которых имеет определенные координаты и значение (например, цвет или интенсивность).  9 Разрешение: Определяет количество пикселей на единицу площади; высокое разрешение позволяет получить более детализированные изображения. Преимущества растровой модели: Простота анализа: Растровые данные легко обрабатывать с помощью различных математических и статистических методов. Хорошо подходят для представления непрерывных данных: Например, спутниковые снимки, карты высот и температурные карты. Недостатки растровой модели: Большой объем данных: Высокое разрешение может привести к значительному увеличению объема хранимых данных. Потеря точности: При увеличении размера пикселя теряется детализация пространственных объектов. Выбор между растровой и векторной моделями зависит от конкретной задачи и типа данных, которые необходимо анализировать. В большинстве случаев ГИС используют комбинацию обеих моделей для достижения наилучших результатов в анализе и визуализации пространственной информации. 13.Способы ввода данных. Форматы данных в ГИС. Векторные графические форматы данных. Растровые графические форматы данных. Понятие векторизации и растеризации. В географических информационных системах (ГИС) ввод данных и их форматы играют ключевую роль в обработке и анализе пространственной информации. Рассмотрим основные способы ввода данных, форматы данных в ГИС, а также понятия векторизации и растеризации. 22. Способы ввода данных в ГИС 22.1. Полевая съемка Сбор данных непосредственно на местности с использованием GPS-устройств, тахеометров или других инструментов. Позволяет получать точные координаты и атрибуты объектов. 22.2. Сканирование карт и документов Использование сканеров для преобразования бумажных карт и документов в цифровой формат. После сканирования данные могут быть векторизированы для дальнейшего анализа. 22.3. Цифровизация  10 Процесс преобразования растровых изображений (например, сканированных карт) в векторные данные с помощью специальных программ. Включает ручное или автоматическое создание векторных объектов на основе растровых изображений. 22.4. Импорт данных Импорт данных из других источников, таких как базы данных, таблицы или файлы (например, CSV, Excel). Позволяет интегрировать различные типы данных в ГИС. 22.5. Данные дистанционного зондирования Использование спутниковых и аэрофотоснимков для получения информации о поверхности Земли. Эти данные могут быть как растровыми, так и векторными, в зависимости от обработки. 23. Форматы данных в ГИС Форматы данных в ГИС можно разделить на два основных типа: векторные и растровые. 23.1. Векторные графические форматы данных Shapefile (.shp): Один из самых распространенных форматов для хранения векторных данных, разработанный компанией Esri. Состоит из нескольких файлов (например,.shp,.shx,.dbf), которые вместе представляют геометрию и атрибуты объектов. GeoJSON: Формат на основе JSON, который используется для представления географических данных. Удобен для веб-приложений и обмена данными между различными системами. KML (Keyhole Markup Language): XML-формат, используемый для представления географических данных, особенно в Google Earth и других приложениях для визуализации. GML (Geography Markup Language): Стандартный формат для обмена географическими данными, основанный на XML. Используется для описания пространственных объектов и их атрибутов. DXF (Drawing Exchange Format): Формат, разработанный Autodesk для обмена данными между CAD-программами и ГИС. 23.2. Растровые графические форматы данных  11 GeoTIFF: Расширение формата TIFF, которое поддерживает геопривязку растровых изображений. Широко используется для хранения спутниковых снимков и карт. JPEG2000: Формат сжатия изображений, который поддерживает геопривязку и используется для хранения больших растровых данных. PNG (Portable Network Graphics): Формат растрового изображения без потерь, который также может использоваться для хранения карт, но не поддерживает геопривязку. BMP (Bitmap): Стандартный формат растрового изображения, но не подходит для хранения геопривязанных данных. 24. Понятие векторизации и растеризации 24.1. Векторизация Процесс преобразования растровых изображений (например, сканированных карт) в векторные данные. Включает выделение контуров объектов и создание точек, линий и полигонов на основе пикселей изображения. Векторизация может быть выполнена вручную или автоматически с использованием специализированного программного обеспечения. 24.2. Растеризация Процесс преобразования векторных данных в растровый формат. Включает создание растрового изображения на основе векторных объектов, где каждый пиксель получает значение, соответствующее атрибутам объектов. Растеризация полезна для визуализации векторных данных на картах или при создании растровых слоев для анализа. Понимание способов ввода данных, форматов данных в ГИС и процессов векторизации и растеризации является важным аспектом работы с ГИС- технологиями. Эти знания помогают эффективно собирать, обрабатывать и анализировать пространственную информацию для решения различных задач в области географии, экологии, градостроительства и других областях. 14.Понятие базы данных, их особенности и типы. Физическое и логическое описание данных в базе данных. База данных (БД) — это организованная совокупность данных, которая хранится и управляется с помощью системы управления базами данных (СУБД). Базы данных  12 позволяют эффективно хранить, обрабатывать и извлекать информацию, обеспечивая при этом целостность и безопасность данных. 25. Особенности баз данных Структурированность: Данные в базе данных организованы в таблицы, записи и поля, что позволяет легко их обрабатывать и анализировать. Целостность данных: Базы данных обеспечивают механизмы для поддержания целостности данных (например, ограничения уникальности, внешние ключи), что предотвращает появление неконсистентных данных. Многопользовательский доступ: Базы данных позволяют одновременно работать нескольким пользователям, обеспечивая при этом механизмы блокировки и управления транзакциями. Безопасность: Системы управления базами данных предлагают различные уровни доступа и авторизации, что позволяет защищать данные от несанкционированного доступа. Управление данными: СУБД предоставляют инструменты для создания, обновления, удаления и поиска данных, а также для выполнения сложных запросов. 26. Типы баз данных Базы данных можно классифицировать по различным критериям: 26.1. По модели данных Реляционные базы данных: Данные хранятся в виде таблиц, которые связаны между собой. Примеры: MySQL, PostgreSQL, Oracle. Нереляционные базы данных (NoSQL): Данные могут храниться в различных форматах (документные, графовые, ключ-значение и т.д.). Примеры: MongoDB (документная), Redis (ключ-значение), Neo4j (графовая). Объектно-ориентированные базы данных: Данные хранятся в виде объектов, как в объектно-ориентированном программировании. Пример: db4o. 26.2. По способу хранения Локальные базы данных: Хранятся на одном компьютере или сервере и доступны только локально. Сетевые базы данных: Доступны через сеть и могут обслуживать множество пользователей одновременно. Облачные базы данных: Размещаются в облачных сервисах и доступны через интернет. Примеры: Amazon RDS, Google Cloud SQL. 27. Физическое и логическое описание данных в базе данных  13 27.1. Логическое описание данных Логическое описание данных определяет структуру и организацию данных без учета того, как они физически хранятся. Оно включает в себя: Схема базы данных: Определяет таблицы, их поля и типы данных, а также связи между таблицами (например, первичные и внешние ключи). Атрибуты: Описывают характеристики данных (например, имя, возраст, адрес) и их типы (строка, число, дата). Ограничения: Условия, которые должны выполняться для поддержания целостности данных (например, уникальность значений в столбце). 27.2. Физическое описание данных Физическое описание данных определяет, как данные фактически хранятся на носителе информации. Оно включает в себя: Файловая структура: Определяет способ хранения записей (например, последовательный доступ или доступ по индексам). Хранение на диске: Указывает, как данные распределяются по физическим носителям (например, жестким дискам или SSD). Индексы: Структуры, которые позволяют быстро находить данные по определенным полям. Методы хранения: Определяют способы оптимизации хранения и доступа к данным (например, сжатие или шифрование). Базы данных играют важную роль в современном мире информационных технологий. Понимание их особенностей, типов и структуры помогает эффективно управлять данными и обеспечивает надежное хранение и обработку информации. Логическое и физическое описание данных является основой для проектирования эффективных систем управления базами данных. 15.Понятие системы управления базами данных, их функции и компоненты. Система управления базами данных (СУБД) — это программное обеспечение, предназначенное для создания, управления и обработки баз данных. СУБД обеспечивает взаимодействие между пользователями и базой данных, позволяя выполнять операции по хранению, извлечению и манипуляции данными. 28. Основные функции СУБД Системы управления базами данных выполняют несколько ключевых функций: Создание базы данных: Позволяет пользователям создавать новые базы данных и определять их структуру (таблицы, поля, связи и т.д.).  14 Хранение данных: Обеспечивает эффективное и безопасное хранение данных на физическом носителе. Извлечение данных: Позволяет пользователям выполнять запросы для получения нужной информации из базы данных (например, с помощью языка SQL). Обновление данных: Обеспечивает возможность изменения существующих данных (добавление, изменение, удаление записей). Управление доступом: Предоставляет механизмы контроля доступа к данным, позволяя устанавливать права пользователей и защищая данные от несанкционированного доступа. Обеспечение целостности данных: Гарантирует, что данные остаются корректными и последовательными в течение всего времени их хранения и обработки. Управление транзакциями: Обеспечивает атомарность, согласованность, изолированность и долговечность (ACID) операций с данными. Резервное копирование и восстановление: Позволяет создавать резервные копии базы данных и восстанавливать данные в случае сбоя или потери информации. Мониторинг производительности: СУБД предоставляет инструменты для отслеживания производительности системы и оптимизации работы с данными. 29. Компоненты СУБД Системы управления базами данных состоят из нескольких ключевых компонентов: 29.1. Ядро СУБД Это основная часть системы, которая отвечает за выполнение всех операций с данными. Ядро включает в себя: Движок хранения: Управляет физическим хранением данных на диске, включая организацию файлов и индексов. Движок выполнения запросов: Обрабатывает запросы пользователей и оптимизирует их выполнение. 29.2. Язык запросов СУБД обычно поддерживает язык запросов, который позволяет пользователям взаимодействовать с базой данных. Наиболее распространенным языком является SQL (Structured Query Language), который используется для выполнения операций с данными. 29.3. Интерфейс пользователя  15 Это компоненты, которые обеспечивают взаимодействие пользователей с СУБД. Интерфейс может быть: Графическим (GUI): Программы с визуальными элементами управления для удобного взаимодействия с базой данных. Командным (CLI): Текстовые интерфейсы, где пользователи вводят команды вручную. 29.4. Администрирование и инструменты управления Системы управления базами данных включают инструменты для администрирования и мониторинга, которые позволяют администраторам управлять пользователями, настраивать параметры производительности, выполнять резервное копирование и восстановление данных. 29.5. Системы безопасности Эти компоненты обеспечивают защиту данных от несанкционированного доступа и потери. Они могут включать механизмы аутентификации пользователей, шифрования данных и контроля доступа. Системы управления базами данных играют ключевую роль в управлении информацией в организациях. Их функции и компоненты обеспечивают эффективное хранение, обработку и защиту данных, что делает СУБД незаменимыми инструментами в современном мире информационных технологий.  1 16.Модели баз данных. Понятие о базе знаний и типы баз знаний. Логическая структура элементов базы данных определяется выбранной моделью БД. Наиболее распространенными моделями БД являются иерархические, сетевые и реляционные и объектно-ориентированные. Среди моделей построения БД наиболее распространенными в естественных науках являются реляционные БД. База знаний (БЗ) - это совокупность имеющихся сведений о проблемной области, для которой предназначена ЭС, представленная в виде формальной структуры, обеспечивающей использование предварительно установленных правил.  фактические знания, в том числе фактически полученные данные о состоянии природного объекта;  порождающие правила или процедурные знания, которые собираются заранее путем опроса специалистов (экспертов) в данной предметной области. Эти знания составляют ядро БЗ и используются в блоке рассуждения экспертной системы для вывода следствия:  управляющие знания, представляющие набор стратегии для рассмотрения альтернатив в процессе принятия решений и заключений. Реляционные базы данных. Это табличное представление данных, обычно в виде двумерных таблиц. Каждый элемент таблицы — это один элемент данных, повторения здесь отсутствуют, Все столбцы таблиц — однородные, т.е. элементы столбца имеют одинаковую природу (значения одного и того же поля, свойства, параметра и т.д.). Каждому столбцу присвоены имена. В таблице нет двух одинаковых строк, поскольку координаты точек наблюдения разные. В операциях с таблицей ее строки и столбцы могут рассматриваться в любом порядке, в любой последовательности. Подобные таблицы называются отношением, а база данных, построенная с помощью отношений, называется реляционной. Таким образом, реляционная БД строится из плоских наборов элементов данных. В реляционных БД встречаются термины:  домен (один столбец таблицы);  кортеж – таблица, определяющая взаимосвязь между элементами данных, кортеж — набор взаимосвязанных величин, а файл образуется из набора кортежей.  2 Основные преимущества реляционных БД: простота, гибкость, точность, связность, простота внедрения. Иерархические базы данных. Дерево — это иерархия элементов, называемых узлами. На верхнем (первом) уровне иерархии находится один узел — корень. Каждый узел, кроме корня, связан с одним узлом на более верхнем уровне, называемом исходным узлом для данного узла. Ни один элемент не имеет более одного исходного. Каждый элемент может быть связан с одним или несколькими элементами на более низком уровне. Такие элементы называются порожденными, а элементы, не имеющие в конце ветви порожденных, называются листьями. Используется термин иерархический файл, т.е. такой файл, в котором записи связаны в виде древовидной структуры. Как правило, современные модели баз данных являются реляционно-иерархическими. При такой структуре легко осуществлять поиск нужных данных, но если изначально описание неполное, или не предусмотрен какой-либо критерий поиска, то он становится невозможным. Для достаточно простых задач такая система эффективна, но она практически непригодна для использования в сложных системах с оперативной обработкой запросов 17.Понятие координатной привязки. Виды координатной привязки. Назначение аналитических методов преобразования систем координат. Понятие координатной привязки. Координатная привязка — установление системы координат, проекции, масштаба, способа преобразования (трансформирования) исходных данных в заданную систему координат Виды координатной привязки. прямая, когда для позиционирования данных используются географические координаты (широта и долгота), декартовы координаты; методы такой привязки являются непрерывными, поскольку координаты определяются по непрерывным шкалам, а их точность зависит только от точности измерительных приборов; косвенная, когда речь идет о привязке дискретных единиц земной поверхности и методы ее осуществления дискретны; эти методы позиционирования объекта вместо прямого указания, например, широты и долготы объекта, присваивают ему  3 уникальный индекс – дают ключ, с помощью которого, при необходимости, можно по таблицам определить географические координаты; точность метода непосредственно связана с размером дискретного объекта, образующего основу системы географической привязки Назначение аналитических методов преобразования систем координат. Разные цели преобразования систем координат требуют применения разных методов, однако независимо от конкретного приложения включают выполнение аналогичных наборов процедур:  выбор способа трансформирования;  локализация контрольных, или опорных, точек (наземных или с карты, эталонного снимка), установка их связей в разных системах;  расчет ошибок и оценка результатов трансформирования;  создание выходного файла преобразованного геоизображения (для снимков еще выполняется переопределение значений пикселов изображения). 18. Аффинные (линейные) способы трансформирования. Нелинейные способы трансформирования. Метод резинового листа.  4 Метод резинового листа 19. Понятие контрольных точек и определение их координат. Правила отбора контрольных точек. Оценка ошибок трансформирования. Понятие контрольных точек и определение их координат. Для регистрации двух или более наборов данных необходимо выбрать ряд опорных (контрольных, ключевых) точек, положение которых определяется на местности или на каждом из геоизображений.  5 В общем случае наборы контрольных точек состоят из 2N пар координат и разделяются на: исходные координаты (uk, vk)— координаты контрольных точек трансформируемого изображения (обычно номера строк и столбцов); эталонные координаты (,хк, ук) — координаты точек карты или эталонного изображения, в проекцию которого трансформируется (или регистрируется) исходное изображение (метры, градусы или номера строк и столбцов) Правила отбора контрольных точек. Основные правила отбора контрольных точек заключаются в следующем: их число должно быть достаточным для выбранного способа трансформирования; точки должны располагаться равномерно по всему полю изображения, чем равномернее распределение точек, тем надежнее результаты трансформирования; не следует использовать точки на изменчивых объектах местности, такие как берега озер или других водоемов, границы растительности и т. п. Оценка ошибок трансформирования.  6 20. Понятие дискретной географической привязки данных и ее методы. Дискретная географическая привязка данных в ГИС — это косвенная привязка, основанная на присвоении объекту уникального индекса, с помощью которого можно по таблицам определять географические координаты. Среди множества методов косвенной (дискретной) географической привязки наиболее распространены следующие:  почтовый адрес;  системы почтовых индексов;  системы учета государственных земель;  иерархические системы сеток;  системы переписи. 21. Представление пространственных объектов, взаимосвязи и их типы. 22. Алгоритмы определения пересечения линий. Способы вычисления длин линий, периметров и площадей полигонов. Алгоритм «точка в полигоне». Алгоритмы определения пересечения линий  7 Операция нахождение пересечения линий является одной из базовых в ГИС–анализе. Она используется в оверлейных операциях с полигонами, при соединении и разъединении (merge и dissolve) линий и полигонов. Эта опера◻ция является базисной при определении нахождения точки в полигоне, при удалении расщепленных полигонов. Поэтому эффективные алгоритмы опре◻деления пересечения линий важны в любой векторной ГИС. Рассмотрим простейший пример: требуется определить, пересекается ли отрезок AB (4, 2) – (2, 0) с отрезком CD (0, 4) – (4, 0) и если да, то в какой точке? Для этого нужно найти уравнения прямых AB и CD и решить их со◻вместно (рис. 9-а). Уравнение прямой y=a+bx может быть найдено по двум точкам, через которые она проходит. Коэффициент наклона прямой b=(y2–y1) / (x2–x1). Используя любую из точек, через которые проходит пря◻мая, найдем a=yi– bxi. Уравнение первой линии y=x–2, а второй линии y=4–x. Сложив два уравнения, получим точку пересечения (3, 1). Рис. 9. Точка пересечения прямых: а) внутри отрезков; б) снаружи. В общем виде две линии,заданные уравнениями y=a1+b1x и y=a2+b2x, пересекаются в точке x = –(a1–a2) / (b1–b2); y = a1+b1x. Однако таким спосо◻бом можно найти только точку пересечения непараллельных линий беско◻нечной длины. Возможно отрезки не пересекаются, а пересекаются продол◻женные по этим отрезкам прямые (рис. 9-б). Отрезки пересекаются, если для точки пересечения (x, y) и точек A, B, C, D выполнены условия: (xA– x)(x– xB) >= 0; (xC– x)(x– xD) >= 0; (yA– y)(y– yB) >= 0; (yC– y)(y– yD) >= 0. Алгоритм «точка в полигоне». Общий подход к решению этого типа задач состоит из двух процедур: a. провести вертикальную линию от исследуемой точки вверх («до бесконечности»); b. подсчитать, сколько раз эта линия пересечет границу полигона: c. если число пересечений нечетное, точка находится внутри полигона; d. если четное – вне. Способы вычисления длин линий, периметров и площадей полигонов Определение длины линий. В растре длина вертикальных или горизонтальных линий вычисляется путём подсчёта числа ячеек, через которые линия проходит, и умножения этого числа на размер одной ячейки (разрешение) растра. Более совершенные системы используют тригонометрию для определения реальной длины линии, имеющей произвольную ориентацию. 1  8 Вычисление периметра полигона. Длина линии, заданной набором пар координат точек, также как и периметр полигона, вычисляется как сумма длин отрезков, соединяющих эти точки. 5 Определение площади полигона. Для этого используют метод построения трапеций, ограниченных отрезками прямых, проходящих через две соседние вершины многоугольника, перпендикулярами, опущенными из них на ось х, и осью х. Двигаясь вдоль границы полигона, находят площадь трапеций, каждая из которых определяется отрезком прямой — стороной многоугольника. Для вычисления площади полигона нужно сложить площади всех трапеций.  1 23. ГИС-технологии пространственного анализа данных и базовые операции. Понятие оверлея и операции оверлея полигонов. Соединение пространственных данных. Пересечение пространственных данных. Операции рекласса и слияния. Технологии пространственного анализа данных в ГИС включают четыре типа базовых операций: 1. Объединение смежных объектов, относящихся к одному классу. 2. Вырезание подмножества объектов для создания нового слоя. 3. Построение буферных зон. 4. Операции наложения слоев (оверлей). Оверлей – это наложение друг на друга двух или более слоев, в результате чего образуется графическая композиция исходных слоев или один слой, содержащий композицию пространственных объектов исходных слоев, топологию этой композиции и атрибуты, арифметически или логически производные от значений атрибутов исходных объектов. К оверлейным обычно относят операции: e. определения принадлежности точки полигону; f. определения принадлежности линии полигону; g. определения принадлежности полигона полигону; h. наложения двух полигональных слоев; i. уничтожения границ одноименных классов полигонального слоя с порождением нового слоя; j. определения линий пересечения объектов; k. объединения (комбинирования) объектов одного типа; l. определения точки касания линейного объекта и т.д. Точки линии полигоны точки ближайший ближайший внутри часть внутри линии ближайший полигоны — — внутри Часть означает, что дуги первой темы являются частями дуг второй; При типе «ближайший» в соединенные таблицы добавляется поле Distance; При типе «внутри» соединение происходит по полю Shape  2 «Реклассификация» или «рекласс» применяются для создания новых классов объектов на основе ранжирования какого-либо признака или переопределения классов (смены идентификаторов), объединения ареалов в соответствии с заданными критериями для признаков, например, при составлении карты основных типов почв по данным слоя, полигоны которого соответствуют гораздо более детальной классификации. Операции рекласс и слияние: а – исходные классы, b – применен рекласс; с – выполнено слияние 24. Кодирование и сжатие информации. Переход от растрового представления объектов к их атрибутивному описанию Методы группового кодирования основаны на факте пространственной корреляции географических данных, означающем схожесть атри?