Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор систем обработки цифровых карт в ГИС 13
1.1 Геоинформационные системы и технологии 14
1.1.1 Модели и структуры данных 14
1.1.2 Обработка пространственных данных в ГИС 16
1.1.3 Системы управления базами данных 18
1.2 Цифровые карты в геоинформационных системах 19
1.3 Обзор существующих кадастровых систем 20
1.4 ГИС - Территориальный комплексный кадастр природных ресурсов Красноярского края 22
1.5 Математико-картографические модели в ГИС 25
1.6 Выводы 27
2 Технология обработки цифровых карт в ГИС 28
2.1 Модели цифровых карт Роскартографии в ГИС 29
2.1.1 Математическая основа и проекции цифровых карт 30
2.1.2 Топологическая структура цифровой карты 33
2.1.3 Формат цифровой картографической информации Ф1М 36
2.1.4 Модель картографической информации и структура интегрального файла 39
2.2 Система обработки цифровых карт Роскартографии 44
2.2.1 Методика и программы отображения иерархических моделей цифровых карт в объектно-реляционную модель ГИС 45
2.2.2 Создание производных картографических продуктов 57
2.2.3 Преобразования систем координат и картографических проекций 63
2.2.4 Пространственный оверлей 69
2.2.5 Размещение подписей объектов на карте 69
2.3 Выводы 70
Проектирование ГИС Территориального комплексного кадастра природных ресурсов 72
3.1 Программно-техническое обеспечение ГИС 73
3.1.1 Средства ввода пространственных данных в ГИС 74
3.1.2 Интерактивные средства наполнения баз данных в Intra-сети 79
3.1.3 Архитектура хранилища данных 80
3.1.4 Средства подготовки тематических карт 82
3.2 ГИС «Особо охраняемые природные территории» 82
3.2.1 Структура и содержание системы 84
3.2.2 Схема базы данных 91
3.3.1 Технические аспекты реализации системы
3.3 ГИС "Эксплуатируемые месторождения полезных ископаемых" 94
3.4 ГИС "Здоровье населения"
3.4.1 Информационная структура системы 100
3.4.2 Схема базы данных 101
3.4.3 Технические аспекты реализации системы 102
3.5 Средства представления картографических моделей в сети Интернет 105
3.5.1 Архитектура WebGIS-сервера MapServer 106
3.5.2 Динамическое построение тематических карт на MapScript 111
3.5.3 ГИС зоны наблюдения Горно-химического комбината 113
3.5.4 Экологический атлас Красноярского края 115
3.6 Выводы 116
4 Создание моделей географических объектов и явлений по цифровым картам 117
4.1 Модели пространственного размещения населенных пунктов 118
4.1.1 Модель равномерности размещения населенных пунктов 118
4.1.2 Картографирование демографического потенциала 120
4.1.3 Картографирование плотности населения 121
4.2 Классификация административных районов 124
4.2.1. Вычисление матрицы таксономических расстояний 124
4.2.2 Выделение классов на основе метода динамических ядер 126
4.2.3 Программное обеспечение классификации районов 127
4.2.4 Интерпретация результатов классификации 129
4.3 Моделирование топографических поверхностей 131
4.3.1 Гипсометрические карты рельефа 133
4.3.2 Нерегулярные триангуляционные сети (TIN) 134
4.3.3 Расчет угла и экспозиции склона в TIN-модели 137
4.3.4 Преобразование триангуляционной сети в регулярную сеть 138
4.3.5 Расчет угла и экспозиции склона в регулярной сети 139
4.4 Моделирование транспортной доступности 141
4.4.1 Транспортные коридоры 142
4.4.2 Представление автомобильных дорог в модели "дуга-узел" 144
4.4.3 Алгоритмы и программы анализа транспортной доступности 147
4.5 Выводы 152
Заключение 152
Список литературы
- Системы управления базами данных
- Топологическая структура цифровой карты
- Архитектура хранилища данных
- Расчет угла и экспозиции склона в TIN-модели
Введение к работе
Актуальность исследований
Решение проблемы рационального использования природных ресурсов невозможно без эффективной системы учета, оценки, прогнозирования их состояния. Сложная структура и большие объемы информации обуславливают использование в системах управления природно-ресурсным комплексом современных информационных технологий. Задачи сбора и автоматической обработки информации о природных и социально-экономических системах с целью изучения их структуры, связей и динамики посредством математического моделирования и компьютерной техники в последние десятилетия выделились в самостоятельное научное направление - геоинформатику.
Красноярский край является одним из наиболее богатых природными ресурсами регионов России. С целью информационно-аналитического обеспечения рационального управления природно-ресурсным комплексом и обеспечения экологической безопасности населения в Красноярском крае создается ГИС Территориальный комплексный кадастр природных ресурсов (ГИС ТКК ГТР). Работы по созданию кадастра регламентируются Распоряжением Правительства РФ №58-р от 7.05.1993 г. "Об эксперименте по совершенствованию учета и социально-экономической оценке природно-ресурсного потенциала ряда регионов РФ", Постановлением администрации края от 11.07.96 г. №454-п "О территориальном комплексном кадастре природных ресурсов Красноярского края", Соглашением №84 между администрацией Красноярского края и Федеральной службой геодезии и картографии РФ "О разработке и ведении геоинформационной системы территориального комплексного кадастра природных ресурсов Красноярского края" (2000 г.).
При проектировании кадастров на основе геоинформационных технологий особую важность приобретает разработка цифрового картографического обеспечения, так как информация о природных ресурсах имеет пространственный характер и традиционно отображается в географии картографическими методами. Основными проблемами в реализации методов работы с цифровыми картами при помощи ГИС являются формализация картографической информации, создание цифровых моделей и алгоритмов ее обработки.
Комплексный и многоуровневый характер географической информации определяет необходимость использования при проектировании системного подхода, с позиций которого обработка цифровых карт выполняется в рамках системы "создание-использование карт". Подсистема создания карт включает средства ввода и обработки пространственной информации в ГИС. Использование цифровых карт проходит в двух направлениях: для географической привязки тематической информации отраслевых кадастров и для создания цифровых моделей географических объектов и явлений.
Картографические модели наилучшим образом могут быть представлены в иерархических моделях данных на основе древовидного классификатора картографической информации. Цифровые карты Роскартографии, используемые в ГИС ТКК ПР, распространятся в форматах интегрального файла и Ф1М, имеющих иерархическую структуру. В современном программном обеспечении ГИС чаще всего используется объектно-реляционная модель данных. Для использования цифровых карт Роскартографии в ГИС необходимы средства отображения иерархической модели цифровой карты на объектно-реляционную модель ГИС. Среди множества координатных моделей пространственно - распределенных данных можно выделить объединяющие их базовые концепции, поэтому возможно определение отношений эквивалентности и отображений между моделями, обеспечивающих эквивалентные преобразования.
В ГИС ТКК ПР выработка программ и рекомендаций по использованию природных ресурсов и развитию природно-ресурсного блока экономики края осуществляется на основе информационных ресурсов отраслевых комитетов, управлений и органов государственного контроля. Для этого необходима разработка системы сбора, обработки, хранения и распространения тематической информации отраслевых кадастров в единой пространственной базе данных с привязкой к топографической основе.
Карты как модели обладают ценными гносеологическими свойствами, позволяющими использовать их в исследованиях географических объектов и явлений. Информация, имеющаяся на цифровых топографических картах Роскартографии, может быть использована при разработке математико-' картографических моделей размещения населения, транспорта, рельефа и т.д. Актуальность изучения вопросов автоматизации в экономико-географических исследованиях определяется необходимостью использования больших массивов данных для задач рационального природопользования, охраны окружающей среды и расширением сферы их практического применения.
Цель работы — разработка методического и программно-технического обеспечения для обработки и анализа цифровых карт в территориальном комплексном кадастре природных ресурсов Красноярского края. Исходя из поставленной цели, в диссертации решаются следующие задачи:
анализ существующих методов и технологий создания и использования .. . цифровых карт, моделей данных геоинформационных систем и алгоритмов обработки пространственно - распределенных данных;
создание методики и программного обеспечения для обработки цифровых карт Роскартографии в геоинформационных системах;
проектирование программно-технических средств сбора, обработки, хранения и распространения пространственных данных в ГИС ТКК ПР;
создание цифровых моделей и алгоритмического обеспечения для выполнения исследований объектов и явлений действительности по картам Роскартографии на основе геоинформационных технологий.
Научная новизна работы
Комплексно исследована проблема разработки цифрового картографического обеспечения ГИС ТКК ПР на основе цифровых карт Роскартографии средствами геоинформационных систем.
Предложена методика отображения иерархической модели данных картографических систем в объектно-реляционную модель ГИС, основанная на хранении классификатора картографической информации, характеристик объектов и топологической информации в реляционных базах данных. На ее основе разработан комплекс программ конвертации карт из формата Ф1М и интегрального файла в ГИС без потерь информации.
Разработано программно-техническое обеспечение сбора, обработки, хранения и распространения информации отраслевых кадастров в единой пространственной базе данных ГИС ТКК ПР. , ~ ,
Верифицированы методы тематического картографирования Красноярского края на основе информации цифровых топографических карт, ГИС-технологий и существующих географических моделей. Построены цифровые модели размещения населения, транспортной доступности, рельефа, классификации административных районов Красноярского края.
Предложены методы эколого-экономического картографирования в .среде Internet на основе WebGIS MapServer и разработанного, программного обеспечения. Реализована система-сетевого многопользовательского доступа к материалам ГИС ТКК ПР с динамической генерацией тематических карт.
Практическое значение и внедрение результатов работы
Преобразованные в форматы Maplnfo и Arc View цифровые топографические карты масштаба 1 : 1000000 и 1 : 200000 применяются В ГИС ТКК ПР для пространственной привязки тематических данных Красноярским филиалом Госцентра "Природа" и Красноярским научно-исследовательским институтом геологии и минерального сырья.
ГИС особо охраняемых природных территорий используется в ГУ "Дирекция по особо охраняемым природным территориям Красноярского края" при паспортизации ООПТ.
ГИС эксплуатируемых месторождений полезных ископаемых используется в ГУ "Центр реализации программ по экологии и природопользованию администрации Красноярского драя".
Цифровые модели размещения населения, транспортной доступности и рельефа были использованы при подготовке к изданию серии среднемас-штабных карт Красноярского края. ' ' '
Созданнаяпри помощи картографического WEB-сервера Mapserver ГИС зоны наблюдения Горно-химического комбината использовалась при разработке проекта тома "Оценки воздействия на окружающую среду действующих и проектируемых объектов ГХК".
На защиту выносится:
Методика отображения иерархической модели данных картографических систем в объектно-реляционную модель ГИС и разработанная на ее основе технология обработки цифровых карт Роскартографии.
Программно-техническое обеспечение сбора, обработки, хранения, распространения информации отраслевых кадастров в единой пространственной базе данных ГИС ТКК ПР.
Методы и результаты геоинформационного картографирования размещения населения, транспортной доступности, рельефа Красноярского края на основе информации цифровых топографических карт.
Апробация результатов и публикации
Основные теоретические и прикладные результаты работы были представлены на Третьей Всероссийской конференции "Проблемы информатизации региона" (1997 г.), Третьей конференции ГИС-Ассоциации "Проблемы ввода и -обновления пространственной.информации" (г. Москва, 1998 г.), 2-ой Всероссийской конференции "Проблемы региональной экологии" (г.Томск, 2000 г.), VII научно-практической и методической конференции, посвященной 100-летию Красноярского отдела Русского географического общества (2001 г.), XXXVI научной конференции "Общественное здоровье третьего тысячелетия" (г. Новокузнецк, 2002г.). Полученные результаты использовались при обучении студентов специальности 071902 ('Теоинформационные системы") на факультете информатики и вычислительной техники КГТУ. Подготовлены методические указания, включающие некоторые теоретические результаты работы.
По теме диссертации опубликовано 10 работ.
Личный вклад автора
Автором лично обобщен технологический опыт обработки цифровых карт в геоинформационньгх системах, разработаны программно-технические средства подготовки картографического обеспечения ГИС ТКК ПР. В работах по созданию ГИС особо охраняемых природных территорий, ГИС эксплуатируемых месторбждений, ГИС здоровья населения, экологического атласа Красноярского края и ГИС зоны наблюдения Горно-химического комбината автор принимал участие на этапах разработки архитектуры систем, проектирования структур баз данных и создания программного обеспечения. В исследовании гносеологических аспектов цифровой картографии автором разработан комплекс программ, позволяющих использовать информацию топографических карт для создания синтетических карт.
Структура и объем диссертации
" Материалы диссертации изложены на 181 странице машинописного текста. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 127 наименбваний, из которых 28 на иностранных языках. Работа содержит 64 рисунка и 4 таблицы. В приложениях приведены иллюстрации к разработанным моделям и геоинформационным системам.
Системы управления базами данных
Основной особенностью ГИС является географическая привязка обрабатываемых данных. Представление в ЭВМ географических объектов и явлений предполагает формализованное описание их позиционных и непозиционных свойств. Пространственно - распределенная информация в ГИС кодируется в одной из описанных ниже моделей пространственных данных, а атрибутная информация - в виде реляционных таблиц, обрабатываемых СУБД.
При выборе цифрового представления географических объектов и явлений обычно учитываются следующие критерии: точность представления, достоверность прогнозов и решений, принятых на основе выбранного представления, объем данных, скорость вычислений, совместимость с программным обеспечением [112].
Структуры данных, основанные на векторном представлении, используются для кодирования сущностей, которые могут быть выделены как объект. В этих структурах объекты представлены в виде множества векторных примитивов, покрывающих, в отличие от "растровых" ГИС, лишь часть исследуемой территории. Этими примитивами в большинстве ГИС являются точки, ломаные линии и контуры [111, 120].
Основным преимуществом "векторного" представления геоинформации является возможность описания топологических отношений между объектами [109]. Это позволяет компактно представлять в памяти ЭВМ контурные объекты, сети, эффективно анализировать эти данные. Линейно-узловое топологическое представление основано на описании объектов в виде узлов, соединяющих их дуг и полигонов, образуемых дугами. Между элементами существуют топологические отношения, описываемые в виде таблиц смежности узлов и дуг, дуг и полигонов, смежности полигонов и т.п [47].
Растровые представления образуются путем соотнесения объектов с ячейками правильной геометрической формы, которые образуют регулярную сеть, покрывающую исследуемую территорию. Растровая модель является наиболее простой моделью представления пространственных данных. Растр можно интерпретировать как матрицу, двумерный массив. Растровые модели пространственно - ориентированны. Они обеспечивают прямой доступ к информации о данном участке пространства. Недостатком этих моделей является трудность представления геометрии объектов, точность представления которых зависит от разрешения сетки.
Основным преимуществом растровых представлений является совмещение позиционной и содержательной информации, что значительно упро щает реализацию алгоритмов анализа данных. Аналитические возможности растровых ГИС, основанные на алгебре карт, простираются от простейших операций комбинирования нескольких слоев и вычисления различных статистических показателей до операций классификации, анализа соседства и т.д.
Для представления поверхностей в ГИС используются модели, основанные на разбиении компактного планарного домена карты на множество непересекающихся ячеек. Используются как регулярные разбиения, соответствующие растровой модели, так и нерегулярные — триангуляционные сети. Существуют модели поддерживающие несколько уровней разрешения [106], основанные на иерархических структурах данных, обычно на квадродереве [16, 102, 116].
Геоинформационные системы предоставляют богатые возможности для обработки пространственно - распределенных данных: космических снимков, цифровых карт, триангуляционных и регулярных сетей. Функциональные возможности ГИС во многом определяются моделью данных [37].
Первую группу функций составляют операции ввода пространственных и атрибутных данных. Ввод данных, имеющих координатную привязку, осуществляется при помощи дигитайзерной и сканерной технологии. Дигитайзеры применяются для оцифровки материалов, имеющих векторный характер, а сканеры - для ввода данных в grid-модели и для оцифровки изображений для автоматических векторизаторов. Средства ввода атрибутных данных в различных ГИС весьма разнообразны, однако большинство из них сводится к поддержке стандартных форматов обмена данными или драйверов внешних СУБД. Функции обработки пространственных данных включают действия по преобразованию систем координат и трансформации картографических проекций [12], растрово-векторные преобразования, обработку данных дистанционного зондирования.
Хранение позиционных и атрибутных данных в ГИС осуществляется в пространственной базе данных. Способ организации данных в системе во многом определяет ее функциональные возможности. Позиционные данные могут быть представлены в векторной, растровой форме, в виде нерегулярной триангуляционной сети и т.д. Особенностью системы управления базой данных в ГИС является возможность обработки пространственных запросов.
Аналитические возможности векторных ГИС включают как простые операции (измерения, оверлеи, буферы и скелетоны и т.п.), так и сложные операции: анализ сетей, выбор оптимального маршрута [110, 117]. Векторная модель данных подразумевает наличие для каждого объекта атрибутной составляющей, поэтому в таких ГИС обычно имеются возможности семантической выборки.
Картографическая генерализация в ГИС выполняется при помощи алгоритма Дугласа-Пекье [108]. Обязательным компонентом блока аналитических функций большинства современных ГИС являются операции топологического оверлея, определение принадлежности точки полигону, линии полигону и полигона полигону [113, 114]. В системах, поддерживающих описание межобъектной топологии, эти операции выполняются на порядки быстрее. Техника топологических оверлеев связана с алгоритмами вычислительной геометрии.
Простейший анализ в растровых ГИС основывается на "алгебре карт" и включает локальные, зональные, фокальные операции [125]. Техника хранения, обработки и анализа данных в растровой модели типичны для компьютерной графики и цифровой обработки изображений. Принципы обработки растровых изображений описываются в [67, 91]. Современные ГИС имеют возможности геометрической коррекции изображения - ортотрансформации и привязки к географической основе (ГИС GRASS, Erdas), автоматической генерализации, классификации изображений [84, 88].
Топологическая структура цифровой карты
На втором этапе обрабатывается файл семантической информации. В результате получается таблица характеристик объектов в формате CVS (текстовый файл с разделением полей запятой). Структура таблицы характеристик объектов содержит поля номера и классификационного кода объекта, кода характеристики по классификатору, значения характеристики. На третьем этапе метрика объектов в формате MIF/MID и характеристики в виде текстового файла импортируются в ГИС Maplnfo. Здесь таблица характеристик присоединяются к слою с картографическими объектами.
С целью конвертации метрики цифровых карт из формата F1M в обменный формат Maplnfo MIF/MID была написана программа на языке Си. Программа работает в пакетном режиме в ОС Digital UNIX. Входными данными для программы являются классификатор цифровой картографической информации и сегмент цифровой карты в формате F1M. Управление процессом конвертации осуществляется через параметры, передаваемые в строке вызова. Результатом работы программы является слой формате MIF/MID, который импортируется ГИС Maplnfo.
Характеристики объекта хранятся в виде строки в файле семантической информации. В начале строки записан номер объекта и его классификационный код, за которыми следует произвольное число пар "код характеристики -значение". Для преобразования характеристик объекта в формат CSV написана небольшая программа на Perl. Синтаксический анализ строки характеристик осуществляется при помощи регулярных выражений. При помощи команды SQL UPDATE в ГИС к слою, содержащему метрическую информацию цифровой карты, добавляется семантическая информация.
Созданное программное обеспечение позволило конвертировать из формата F1M в формат Maplnfo 28 листов цифровых топографических масштаба 1 : 1 000 000, из которых 13 - сдвоенных, а 6 - счетверенных. Эти карты из ГИС Maplnfo через обменный формат DXF/DBF могут быть экспортированы в любую геоинформационную или картографическую систему.
С целью конвертации цифровых топографических карт масштаба 1 : 200000 из формата интегрального файла в обменный формат ГИС Maplnfo MIF/MID была написана программа на языке Си. Формат MIF/MID является текстовым и имеет простую human-readable структуру. Данные в формате MIF/MID легко переносятся между различными платформами, и импортируются многими ГИС. В интегральном файле также отсутствует деление цифровой карты на слои, объекты различаются по классификационному коду. Как и формате F1M, картографические объекты могут иметь любое число характеристик. В классификаторе цифровой картографической информации для каждого типа объектов имеется перечень обязательных и необязательных характеристик.
При конвертации карты в форматы ГИС картографические объекты группируются в слои по классификационному коду. Объединяются объекты, принадлежащие одной ветви иерархии классификатора и имеющие одинаковый набор обязательных характеристик.
Информация о картографическом изображении объекта представлена в интегральном файле в поле метрики и в поле квадратов. В геоинформационных системах изображение является главной частью информации об объекте. С изображением объекта связана семантическая информация, топологические свойства объекта. Поэтому при конвертации цифровой карты из интегрального файла в ГИС в первую очередь обрабатывается метрика объектов. Затем на основе информации, хранящейся в полях характеристик, связей и прерываний, к объектам добавляются характеристики, осуществляется коррекция метрики.
В поле метрики представлены описания координат точек элементарных линейных и площадных объектов. При конвертации объектов в форматы ГИС используется имеющаяся в интегральном файле информация об отношениях между объектами. При помощи отношений прерывания осуществляется заимствование метрики из других объектов, согласование метрики в узловых точках. Многосвязные площадные объекты образуются из элементарных на основе сведений, хранящихся в поле связей.
Как и в формате F1M, способы хранения точечных объекты в интегральном файле отличаются от способов хранения линейных и площадных объектов. Точечные объекты не описываются в поле метрики. Если точка лежит на линейном объекте или на контуре площадного объекта, она описывается при помощи прерывания. Если точка расположена в произвольном месте, ее координаты передаются через характеристику "точка привязки".
Метрика объектов конвертируется в обменный формат Maplnfo MIF/MID. В MIF-файл записываются координаты точечных линейных и площадных объектов, а в МЮ-файл - связанная с объектом запись в таблице слоя, в которой содержится номер и классификационный код объекта. Пара этих значений будет впоследствии являться ключом в отношениях с таблицами характеристик, связей и прерываний.
Поле квадратов является пространственным индексом цифровой карты в формате интегрального файла. Для каждого объекта хранится множество квадратов, которые объект пересекает. Эта информация позволяет ускорить поиск объекта, когда известно его приблизительное местоположение. Если из цифровой карты нужно вырезать фрагмент, алгоритм может быть составлен таким образом: определить список квадратов, которые пересекает рамка, ограничивающая площадь фрагмента. найти объекты, в поле квадратов которых есть квадраты, совпадающие с найденными. Поле квадратов используется только в момент конвертации цифровой карты в форматы ГИС. Далее пространственное индексирование производится средствами самой геоинформационной системы.
Для фиксации атрибутных отношений объекта в интегральном файле предусмотрено поле характеристик. Характеристики объекта при конвертации в ГИС записываются в таблицу характеристик, связанную с метрикой объекта, которая уже импортирована из формата MIF/MID, по номеру и классификационному коду объекта. Если характеристика является сложной, в таблицу записываются также составляющие ее простые характеристики.
Архитектура хранилища данных
Центральной частью ГИС ТКК ПР является сервер базы данных. Его техническое качество в определяет главные характеристики системы, такие как производительность, надежность, безопасность и т.д. Богатство и разнообразие возможностей, заложенных в механизм его функционирования, сильно сказываются на эффективности прикладных программ [9].
В качестве СУБД в ГИС ТКК ПР используется ORACLE 8, установленный на сервере DEC Alpha Station под ОС Digital UNIX. СУБД ORACLE применяется для хранения, обслуживания и администрирования данных. Доступ к данным осуществляется по протоколу SQLNet.
Слои цифровых карт геоинформационных систем Maplnfo и ArcView хранятся на двухпроцессорном файловом сервере Pentium III под OS Solaris. Доступ к данным с компьютеров ГЦ Природа осуществляется по протоколу NetBios при помощи сервера Samba. Обмен файлами с другими организациями выполняется средствами FTP. Цифровые космические снимки хранятся в каталогизированном виде на файловом сервере. С целью наглядного представления покрытия территории снимками создаются картограммы, где для каждого снимка на топографической основе создается полигон.
Организация защиты государственных интересов при использовании топографо-геодезической и картографической продукции проводится в соответствии с действующими документами, издаваемыми Правительством Российской Федерации, ФСБ, Федеральной службой геодезии и картографии. Данные, хранящиеся в ГИС, часто носят закрытый характер [44]. Крупномасштабные карты и большинство космических снимков имеют грифы секретности, а хранящаяся в базах данных кадастровая информация может составлять государственную или коммерческую тайну.
Для предотвращения нелегального доступа к информации предпринят ряд организационно-технических мероприятий. Система обработки цифровых космических изображений на базе Digital Alpha Station под ОС FreeBSD и ГИС GRASS прошла процедуру сертификации. Цифровые карты чаще всего имеют гриф "для служебного пользования". Поэтому при публикации карт в сети Internet или при подготовке карты к печати в типографии карты проходят процедуру согласования в Территориальной инспекции по геодезическому надзору и рассекречиваются.
С целью обеспечения сохранности данных при неисправностях файлового сервера и сервера СУБД выполняется ежедневное резервирование данных. По решаемым задачам ГИС ТКК ПР можно классифицировать как DSS-систему (decision support). Поэтому back up базы данных может выполняться в ночное время экспортом из СУБД Oracle в файловую систему. Резервное копирование и восстановление файловой системы осуществляется средствами ОС Solaris - ufsdump и ufsrestore. Эти средства позволяют выполнять инкрементальный back up, при котором архив помещаются только файлы, измененные с момента последнего сохранения. Кумулятивное резервирование позволяет использовать back up в качестве аналога журнальной файловой системы, где возможен откат к версиям недельной или месячной давности. 3.1.4 Средства подготовки тематических карт
Тематические карты создаются в Maplnfo. ГИС Maplnfo - система настольного картографирования и наряду с ArcView и Arclnfo является лидером рынка программного обеспечения для ГИС. Помимо развитых средств ввода, вывода и редактирования пространственной информации ГИС Maplnfo обладает начальным набором средств, необходимых для анализа географических данных. Сюда входит пространственная выборка, GeoSQL, картометрический анализ и многое другое. ГИС Maplnfo имеет собственную встроенную систему управления базами данных, а также позволяет работать со внешними таблицами через драйвера ODBC. Язык MapBasic позволяет создавать программы для создания интерфейса с пользователем.
ГИС Maplnfo имеет следующие недостатки. Во-первых, таблицы в этой системе хранятся в виде DBF-подобных файлов, поэтому редактировать их одновременно нескольким пользователям нельзя. Усложняется обеспечение сохранности данных и защита их от несанкционированного доступа. Во-вторых, пользовательские рабочие места, написанные на MapBasic, несовершенны. MapBasic - интерпретатор, созданное на нем приложение требует установленного на компьютере Maplnfo, что ограничивает распространение системы. Программа получается громоздкой, трудной в использовании без сопровождения программиста. Поэтому применение ГИС Maplnfo ограничивается задачами ввода данных, оформления и подготовки к печати карт.
В охране окружающей среды важную роль играют особо охраняемые природные территории (ООПТ) - объемные участки биосферы, исключенные из хозяйственного оборота и предназначенные для сохранения природной среды, охраны и воспроизводства природных ресурсов, защиты природных и искусственных объектов и явлений, имеющих научное, историческое, хозяйственное или эстетическое значение [68]. По виду охраняемых объектов и их значимости ООПТ разделяются на следующие категории. Государственные природные заповедники - территории, созданные для охраны естественных ландшафтов, животных и растений. Государственные природные заказники - территории, предназначенные для сохранения и восстановления природных комплексов и поддержания экологического баланса. Национальные парки - территории, которые включают объекты, имеющие экологическую, историческую, эстетическую ценность и используемые в природоохранных, научных, культурных целях и для регулируемого туризма. Памятники природы - уникальные, невосполнимые, ценные в научном, культурном, эстетическом отношении природные и искусственные объекты. Лечебно-оздоровительные местности и курорты - территории, обладающие природными лечебными свойствами. Ботанические сады — научно-исследовательские учреждения, в которых собраны с целью сохранения коллекции живых плодовых и декоративных растений (рисунок 3.5).
Расчет угла и экспозиции склона в TIN-модели
Возвышение произвольной точки внутри треугольника определяется по уравнению плоскости, заданной вершинами треугольника. Плоскость с нормальным вектором Р = {ра, рь, рс}, проходящая через точку М0(х0, у о, z0), описывается уравнением ра( х - х0) + рь (у - У о) + Рс(z - ZQ) = 0. Отсюда по известным значениям Л: И у находятся возвышения произвольных точек.
Это позволяет создавать на основе триангуляционных сетей растровые модели рельефа. Для этого на слой TIN накладывается регулярная сеть, в узлах которой оценивается возвышение. Сначала находится треугольник, в котором лежит узел сети. Если узел лежит на одной из границ треугольника, возвышение определяется из ее уравнения, а если внутри - из уравнения плоскости треугольника.
По триангуляционной сети можно заново построить изолинии. Для этого задается список значений z, по которым они будут проведены. Изолинии заданной высоты строятся следующим способом. Рассмотрим все треугольники триангуляционной сети. Будем искать пересечения треугольников с горизонтальной плоскостью Z=const. Из полученных отрезков объединением смежных участков собираются полилинии, которые затем сглаживаются при помощи сплайн-функций.
Цифровые модели местности используются для построения профилей местности между выбранными точками. Для решения этой задачи находятся точки пересечения линии профиля с треугольниками TIN и оценивается возвышение поверхности в полученных точках. Полученные точки соединяются и образуют поли линию: вдоль горизонтальной оси показывается протяженность профиля, а вдоль вертикальной - возвышения.
Для оценки возвышения произвольной точки в растровой модели рельефа используются возвышения ближайших узловых точек. Как грубое приближение можно использовать высоту ближайшей узловой точки. При этом значения высоты будут изменяться скачкообразно (рисунок 4.11).
Наклон и направление в произвольной точке растровой DEM вычисляются с использованием соседних точек. Обычно используется окно 3x3. Наклон поверхности определяется как отношение изменения возвышения к изменению горизонтального местоположения и выражается в процентах или градусах (рисунок 4.12). Наклон измеряется в направлении наиболее крутого изменения возвышения. Чаще всего это направление не совпадает с направлением строк и столбцов растра.
Для вычисления угла наклона используется формула Szpad = arctan [(AZ/ Ах)2 + (AZ/ Ау)2]т . Направление склона (aspect) определяется как А = arctan [- (AZ/ Ay) / (AZ/ Ах)]. Используется следующий способ определения угла наклона поверхности в растровой ячейке DEM. Вычислим отношение AZ / Ах по значениям ячеек Z4 и Z5 , a AZ / Ау — по ячейкам Z2 и Z7 (рисунок 4.13). В этом примере расстояния между центроидами ячеек равно десяти, поэтому AZ/Ax = (49 - 40) /20 = 0.45; AZ/Ay = (45 - 48) /20 = -0.15. Отсюда угол наклона поверхности Szpad = arctan [(0.45) + (-0.15) ] = 25.38. Вычислим направление склона: А = arctan [- (-0.15) / (0.45) ] = 18.43 Z,42 Zj !45 ; z3 47 zc 40 1 44 і 2,49 44 Ті !48 І 7В52
Вычисление угла наклона поверхности в растровой ячейке по четырем соседним: а) - схема вычисления; б) -ядра преобразования.
Вычислить угол наклона поверхности во всех ячейках растрового слоя можно при помощи двух преобразований, ядра которых приведены на рисунке 4.13. Эти преобразования позволяют получить для ячейки значения AZ/Ax и AZ/Ay , по которым вычисляется угол наклона. Исходный растровый слой m х п точек обрабатывается скользящим окном размера 3 х 3. В результате этой фокальной операции получается растровый слой, в ячейках которого содержатся значения угла наклона, и имеющий размер (т -2) (п — 2).
Освоение различных видов природных ресурсов подразумевает наличие соответствующих видов транспортных путей сообщения. Так, при разработке месторождений полезных ископаемых, строительстве гидротехнических сооружений или промышленных рубках леса требуется транспортировка техники, оборудования и объемных грузов. Следовательно, для освоения подобных ресурсов необходимы транспортные пути, пригодные для перевозки объемных грузов. При стоимостной оценке природно-ресурсного потенциала административных территорий необходимо учитывать степень их транспортной доступности. Наличие транспортных путей сообщения во многом определяет уровень доходности освоения природно-ресурсного потенциала территорий.
Освоение природных ресурсов Красноярского края требует использования практически всех видов транспорта: железнодорожного, автомобильного, водного, авиационного и трубопроводного. Красноярский край отличается неравномерным распределением плотности транспортных путей сообщения. Наиболее густой сетью дорог характеризуется южная часть края, а также Норильский промышленный район. Северные территории и горная часть юга края характеризуются практически полным отсутствием не только железных, но и автомобильных дорог с твердым покрытием. Ведущее значение для грузоперевозок в северных районах края играют речные и морские пути сообщения.
Для исследования транспортной доступности природных ресурсов могут использоваться топографические карты. На картах масштаба 1 : 1000000 и 1 : 200000 присутствуют слои автомобильных и железных дорог, слой промышленных объектов, включающий трубопроводы и линии электропередачи, и слой гидрографии, в котором для каждой реки приведены характеристики судоходности.
Наиболее простым способом построения карт транспортной доступности, позволяющим быстро получать по цифровым картам легко интерпретируемые результаты, является построение так называемых транспортных коридоров - полос вдоль транспортных путей сообщения, дифференцированных по толщине в зависимости от их вида и значимости [74, 5].
Для построения таких коридоров используется стандартная ГИС-операция генерации буферных зон, где для выбранного транспортного пути создается вытянутый вдоль линейного объекта регион заданной ширины. На рисунке 4.14 показан фрагмент карты удаленности от автодорог, созданной при помощи ГИС Maplnfo. Здесь для слоя дорог цифровой карты последовательно создаются буферные зоны разной ширины, которые при наложении друг на друга наглядно показывают доступность того или иного местоположения для автомобильного транспорта. Например, если некоторая точка ле 142
жит внутри желтого региона (это можно проверить вычислительно несложной оверлейной операцией), то в соответствии с заданной шкалой она расположена от ближайшей дороги на 2-3 километра.
Для различных видов природных ресурсов значимость различных видов транспорта неодинакова. Например, для освоения недревесных растительных или фаунистических ресурсов пригодны любые имеющиеся пути сообщения, тогда как для разработки месторождений полезных ископаемых или строительства крупных промышленных предприятий требуются транспортные пути, способные пропустить значительный объем грузов.
В таблице 4.2. приведена ширина коридоров транспортной доступности для различных видов транспорта в двух вариантах. При создании карты транспортной доступности для перевозки крупнотоннажных грузов (рисунок Д.1) учтены коридоры вдоль железных дорог, автомобильных дорог с твердым покрытием, а также судоходных рек. Для перевозки малотоннажных грузов (рисунок Д. 2) учитываются коридоры вдоль всех видов дорог, а также вдоль рек, пригодных для передвижения на моторных лодках.
Легко видеть, что в описанном выше способе определения транспортной доступности используются только метрические свойства объектов транспортной сети. Для транспортных моделей такой подход не всегда верен. Например, два месторождения, вблизи которых проходит только автодорога без покрытия, могут иметь одинаковую степень доступности, даже если одно из них лежит в десятках километров от железной дороги, а другое - в сотнях.
Поэтому при оценке транспортной доступности необходимо учитывать также и взаимное расположение дорог, топологические особенности сети. Представление автомобильных дорог в модели "дуга—узел"
Автомобильные и железные дороги обычно имеют сетевую структуру. Реки, изображенные на картах обзорных масштабов, представляют собой естественные деревья. Такие структуры данных традиционно кодируются в геоинформационных системах в рамках модели «узел-дуга». Топологические отношения между объектами в этой модели рассчитываются заранее и хранятся в виде связанных таблиц узлов и дуг (рисунок 4.15).
Похожие диссертации на Аппаратно-программный комплекс обработки цифровых карт территориального комплексного кадастра природных ресурсов Красноярского края
