Структура и функции ГИС горного предприятия.
(опубликовано в учебнике "Горная геоинформатика", УГГГА, 1996 г.). В главе содержится описание основ ГИС, адаптированное к использованию в горной отрасли.
Для решения различных задач развития и управления горным производством, требуется оценивать результаты или последствия предпринимаемых действий, определять оптимальность принимаемого решения по некоторой совокупности параметров. Учитывая, что современные горные предприятия являются сложными природно-техногенными системами, характеризующимися большим количеством компонентов и связей между ними, а также принимая во внимание то, что горные предприятия являются территориально-распределенными комплексами, то выполнение такой оценки зачастую является трудновыполнимой задачей. В докомпьютерную эпоху подобные оценки проводились только на основании личного опыта руководителей, экспертов и инженеров, что, делало оценку субъективной и зависимой от мнения конкретных специалистов (разные эксперты дают как правило разные оценки), и было недостаточно оперативно. Типичными инструментами работы эксперта были топографические карты, таблицы с различными данными, и большое количество разнообразной справочной литературы.
Для решения задач управления территориально-распределенными комплексами компьютерные технологии стали использоваться сравнительно недавно, с середины 80-х годов. Причиной этого является специфика данной задачи, для решения которой требовалось наличие надежных средств хранения и обработки больших (до 10 Гигабайт) массивов информации, и соответствующих средств визуализации графических данных. Внедрение компьютеров в данную область позволило в целом решить основные проблемы управления за счет:
· повышения степени достоверности информации, устранения дублирования и противоречивости данных
· увеличения степени надежности хранения и обработки информации
· обеспечения представления информации в различной, удобной для пользователя форме,
· сокращения времени на получение необходимой информации
В результате компьютеризации появилась возможность комплексной оценки проблемной ситуации и выработки наиболее приемлемого решения посредством построения модели территориально-распределенного комплекса и опробования различных вариантов решения данной ситуации на этой модели, с целью выбора наиболее оптимального варианта.
Программные средства, реализующие описанные выше возможности принято называть геоинформационными системами (ГИС). ГИС представляют собой специальные компьютерные программы предназначенные для сбора, хранения, обработки, анализа и отображения пространственно-распределенных данных.
Для иллюстрации основной идеи работы ГИС рассмотрим данные, содержащиеся на обычной топографической карте. Топографическая карта представляет из себя единство двух различных видов представления информации. С одной стороны это - чертеж на котором имеются геометрические объекты различного характера локализации. Эти объекты описываются при помощи пространственных координат. С другой стороны - карта это представление пространственного распределения различных параметров или описательных данных, характеризующих территорию или отдельные ее части, которые сами по себе описываются без привлечения пространственных координат. Первый тип информации называют метрической информацией а второй тип семантической (описательной, атрибутивной, смысловой). Основная идея ГИС состоит в совместной обработке как метрической так и семантической информации в рамках единого программно-аппаратного комплекса.
В общем случае, виды пространственно-распределенной информации можно разделить на три большие группы: семантическую, метрическую и топологическую. Семантическая информация, как мы уже видели является представлением того, что человек распознает (выделяет) некоторые части пространства и предметы в нем находящиеся и связывает с этими частями различные определения или характеристики. Метрическая информация отражает свойство предметов располагаться в определенной части пространства и занимать некоторую его часть. Топологическая информация отражает топологические свойства пространства т.е. такие свойства, которые не изменяются при любых деформациях пространства производимых без разрывов и склеиваний. К топологической информации относятся: точки пересечений объектов, информация о примыканиях объектов друг к другу (или общих границах). Для объектов границы которых можно представить аналитически топологическим свойством является количество кривых, которые ограничивают объект. Топологическая информация играет важную роль при решении многих задач моделирования.
Теперь мы готовы к тому, чтобы сформулировать понятие цифровой модели местности, на основе которой строятся геоинформационные системы. Цифровой моделью местности называется структурированная совокупность семантической, метрической и топологической информации об определенной территории, представленной в форме пригодной для автоматизированной обработки при помощи вычислительной техники.
Основными формами представления определенной выше информации в геоинформационных системах являются цифровые карты (метрическая и топологическая информация), семантические базы данных (семантическая информация) и служебные базы данных, содержащие информацию о картографических проекциях цифровых карт, годах состояния местности и.т.д. С точки зрения программных средств цифровые карты, семантические и служебные базы данных представляются в виде файлов. Внутренняя структура файлов, способ кодирования информации в них зависят от конкретной программной реализации ГИС.
Вся совокупность информации, хранящейся в ГИС на данную территорию называется картографическим банком данных. Картографический банк данных содержит цифровые карты, семантические и служебные базы данных. Для работы с информацией, хранящейся в банке данных ГИС предусматривается специальный набор функциональных средств называемых системой управления картографическим банком данных. К основным функциям системы управления относятся : добавление, удаление и модификация содержащейся в банке информации, изменение структуры банка, контроль целостности информации, средства ограничения доступа и т.д.
Цифровой банк данных является самой важной частью ГИС, поскольку он является основным источником сведений о моделируемой территории. От точности, полноты и корректности хранимой в нем информации, в конечном итоге зависит результат работы всей ГИС. По этой причине к разработке структуры и требований к банку данных следует подходить с особой тщательностью.
Основой картографического банка данных являются цифровые карты, содержащие данные выраженные в единой системе координат и с определенной точностью. Сам банк данных может содержать несколько цифровых карт и связанных с ними баз данных семантической информации.
В общем виде разработка структуры цифровых карт и баз семантических данных сводится к ответам на следующие вопросы: а) информация о каких объектах должна содержаться в базе данных? б) какая конкретно информация об этих объектах нужна? в) какие, значимые для решения поставленной задачи связи между объектами необходимо отразить? г) с какой метрической точностью необходимо вводить координированные данные? д) какую еще информацию потребуется добавлять в цифровую карту или банк данных в перспективе?
Перед началом проектирования любой информационной системы необходимо определить: информацию о каких объектах необходимо хранить в данной системе для того, чтобы она смогла решить поставленные перед ней задачи. Например, если создается система для выяснения воздействия горного предприятия на окружающую среду, то в базу данных системы необходимо занести информацию о всех возможных источниках загрязнения и о всех объектах окружающей среды, которые прямо или косвенно могут подвергнуться воздействию со стороны горного предприятия. Более сложный пример: построение информационной системы управления производством. В данном случае в базе данных должны содержаться сведения о всех объектах, так или иначе вовлеченных в процесс производства.
Рассмотрим как в рамках такой системы можно представить производственный цех крупного горного предприятия. С одной стороны цех это совокупность строений в которых расположены средства производства: сборочные или ремонтные линии, станки и т.д. Рассматривая цех с такой степенью подробности мы можем ответить на вопросы "цехового уровня", например об оптимизации путей транспортировки деталей между рабочими местами. Цифровая карта на которой изображен цех содержит все строения, которые ему принадлежат а также все цеховое оборудование и коммуникации.
С другой стороны цех это составная часть предприятия. В этом смысле каждый цех характеризуется некоторыми обобщенными атрибутами, такими как объем выпускаемой продукции, количество потребляемой энергии. Для задач решаемых на "заводском уровне" не имеет значения конкретное содержимое того или иного цеха, но в тоже время характеристики содержимого цеха в неявном виде присутствуют в его обобщенной характеристике. Так, объем производства цеха есть совокупность объемов производства каждого из его рабочих мест. Цифровая карта предприятия в этом случае может содержать обобщенное изображение площади, занимаемой всеми зданиями этого конкретного цеха.
Таким образом, информация, содержащаяся в банке данных может иметь иерархическую структуру, причем характеристики объекта более высокой иерархической ступени, могут являться обобщением характеристик низших ступеней. Это относится как к метрической, так и к семантической информации.
Теперь мы готовы к тому, чтобы сформулировать основные этапы по определению объектового состава и атрибутов объектов банка данных ГИС.
1. Определение основного объекта (процесса, явления) для работы с которым строится ГИС. В качестве таких объектов (процессов) могут выступать например: система горное предприятие - окружающая среда , процесс добычи полезного ископаемого, горный и земельный кадастр. Далее необходимо определить основные задачи, для решения которых будет строиться ГИС.
2. Определение т.н. системного отношения, посредством которого определяется совокупность объектов, информацию о которых необходимо хранить в банке данных. В качестве системного отношения могут быть приняты: вовлеченность в процесс, расположение на определенной территории и т.д. Далее определяются конкретные родовые имена объектов из информации о которых будет состоять банк данных, например: дороги, реки, цеха, карьеры.
3. Определение атрибутов объектов , которые необходимы для решения поставленных перед ГИС задач, а также требований к точности значений этих атрибутов. Например для составлении земельного кадастра необходимы данные о: владельце участка, площади участка (которая должна определяется с необходимой точностью ), правовом статусе участка.
4. Выяснение необходимости членения информации по иерархическому признаку (классификация по "вертикали"), на основе анализа задач для решения которых создается ГИС. Такое решение может быть принято в случае если объекты, информация о которых хранится в системе связаны друг с другом отношениями части и целого или представляют собой родо - видовые иерархии.
5. Выяснение необходимости членения информации по тематическому признаку (классификация по "горизонтали"). Такое разделение может быть удобным, если ГИС проектируется для решения большого количество однотипных задач, одного уровня иерархии. Примером может являться создание кадастра природных ресурсов, когда одни и те же принципы учета и упорядочивания применяются раздельно к различным объектам окружающей среды: рекам, почвам, полезным ископаемым.
Результатом выполнения приведенных выше действий является создание классификатора цифровой картографической информации, который представляет систематизированный иерархический перечень элементов банка данных и их свойств, а так же правила согласно которым производится классификация. Классификатор в составе ГИС выполняет функции реестра информации которая может содержаться в системе и кодировщика этой информации, которая необходима для компактного представления ее в памяти ЭВМ. Функция кодировщика состоит в том, что каждому виду данных системы присваивается уникальное кодовое слово (набор чисел и символов), при этом кодовое слово должно включать в себя информацию о принадлежности конкретного типа данных к определенной ступени классификации. Основные требования к классификаторам заключаются в следующем:
· правила классификации должны быть такими, что любой объект, принадлежащий системе можно было бы однозначно отнести к определенной классификационной группе и только к ней.
· классификация должна быть универсальной, т.е. охватывать все объекты которые попадают в систему или могут быть привнесены в нее в будущем.
· классификация должна быть гибкой., т.е. при создании новых классификационных групп не должна нарушаться логическая стройность всей системы.
· выбранный метод кодировки значений классификатора должен иметь достаточную информационную мощность.
Построение классификации является трудоемким делом и требует от специалиста занимающегося ею высокой квалификации и хорошего знания предметной области. Основной проблемой при построении классификации является то, что она может быть построена различными путями (по различным наборам признаков) и выбрать среди них наиболее рациональный достаточно сложно.
Рассмотрим применение основных принципов построения классификатора на примере банка данных, содержащего цифровые топографические карты различных масштабов и являющегося составной частью ГИС предназначенной для отображения на экране компьютера топографических карт в условных знаках и подписях, принятых для карт различных масштабов и поиска объектов по определенным семантическим характеристикам. Системным отношением в данном случае является принадлежность данного типа объектов к топографической карте определенного масштаба, а классификация осуществляется по иерархическому и тематическому признакам.
При переходе от более крупного масштаба к более мелкому, объекты отображаемые на картах подвергаются процессу генерализации. Суть генерализации состоит в том, что метрическая и семантическая информация, содержащаяся на картах обобщается: группы мелких объектов объединяются в один объект, контуры объектов сглаживаются, характеристики усредняются. Таким образом, имея в виду, что формируемая нами база данных должная быть интегрированной, мы приходим к выводу, что необходимо ввести иерархическую классификацию, отражающую процесс обобщения семантической информации во время генерализации.
Для решения вопроса о классификации по тематическому признаку примем во внимание следующее соображение. Средняя разрешающая способность лучших современных мониторов составляет около 1024 пикселей. Разрешение обычной топографической карты - около 0.05 мм. Отсюда мы видим, что для того, чтобы избежать совмещения объектов друг с другом на экране компьютера мы должны отобразить каждый кв. мм. карты на квадрате экрана размером 20 на 20 пикселей. Тогда на всем мониторе разместится квадрат исходной карты размером всего 50 на 50 мм. Средством для уменьшения плотности объектов и, следовательно для увеличения пространства обзора, является временное скрытие объектов, которые не нужны для работы в данный момент. Логичнее всего такое скрытие проводить именно по тематическому признаку. Например, если мы решаем задачу о выборе наилучшей трассы для прокладки железной дороги, то мы можем отобразить на экране только данные о рельефе и населенных пунктах, которые должна соединять эта дорога. Таким образом наличие тематического деления позволит быстро находить и отображать на экране нужные типы объектов и наоборот, скрывать ненужные в данный момент для работы типы объектов, тем самым улучшая читаемость карты.
После построения классификации можно приступать к формированию логической структуры баз семантических данных. Ход процесса формирования зависит от реализации конкретного программного продукта ГИС. Например если в ГИС семантическая информация хранится в виде реляционных таблиц, то процесс выглядит следующим образом.
1. Определение тематических уровней (слоев, покрытий). Тематическим уровнем называется цифровая карта и связанные с ней семантические базы данных, содержащие сведения о каком либо одном семействе объектов. Как правило такие семейства выбирают на основе тематической классификации объектов. Все объекты, входящие в один уровень должны характеризоваться одинаковым набором видов характеристик.
2. Создание физической структуры (файла) семантической базы данных, в виде реляционной таблицы. Каждый столбец таблицы является определенной характеристикой объекта. Имя столбца может быть как собственно именем данной характеристики, например "высота", так и кодовым обозначением имени характеристики. Как правило каждая семантическая база данных имеет два поля: идентификатор объекта, который является уникальным в банке данных и имя вида или рода объекта, например "карьер". Строками таблицы являются данные о конкретном объекте, представленном на цифровой карте. При этом конкретными значениями характеристик объектов могут служить кодовые слова классификатора. Например вместо конкретного значения "лес низкорослый" может быть подставлено кодовое обозначение "23". Такой способ записи облегчает машинную обработку данных, уменьшает объем базы и снижает количество ошибок при вводе данных. Недостаток способа состоит в ухудшении читаемости информации при просмотре базы данных человеком.
Связь между объектами цифровой карты и записями в семантической базе данных осуществляется двумя путями: "по идентификатору" и программно. Связь по идентификатору производится следующим образом: в семантической базе данных, как было описано выше отводится специальное поле для идентификатора объекта. В свою очередь в физической структуре файла цифровой карты для каждого объекта также запоминается идентификатор (как правило четырех байтовое целое число). Таким образом, сравнивая идентификаторы или производя запросы мы можем найти строку в таблице семантической информации для данного графического объекта, и наоборот. Программный способ состоит в том, что программные средства ГИС поддерживают специальные справочные файлы, в которых каким либо образом запоминается связь между объектами цифровых карт и строками в семантических базах данных.
Подобное сочетание цифровых карт и реляционных баз данных называют геореляционной структурой. Построение геореляционных структур является на сегодняшний день наиболее часто встречающейся формой организации банка данных.
Перейдем к рассмотрению способов организации цифровых карт. Рассмотрим одно важное понятие, играющее ключевую роль при создании цифровых карт- понятие геометрической модели цифровой карты. Под геометрической моделью цифровых карт мы будем понимать способ описания метрической и топологической информации, включающий определение базовых графических элементов, методы конструирования объектов из этих элементов и описание топологических отношений между базовыми элементами или объектами В настоящее время для представления пространственно-распределенных данных в цифровом виде используются два основных типа векторных геометрических моделей: векторная бесструктурная и векторная топологическая модели.
Слово "векторная" в названии моделей означает, что в основе этих моделей лежит представление объектов в виде совокупности их границ, которые в свою очередь представляются как последовательность координат вершин (или пикетов) ломаной линии, которая эту границу с заданной точностью аппроксимирует.
Векторная бесструктурная модель. В этой модели нет деления на базовые элементы и объекты. По характеру локализации объекты делятся на 3 группы: площадные, линейные и точечные. Каждый объект представляется в виде последовательности координат контура, либо координатой некоторой характеристической точки (для точечных объектов).
Важное значение в этой модели имеет также направление цифрования объекта. Под направлением цифрования понимается направление в котором происходит обход контура объекта при его аппроксимации ломаной линией. В случае, когда площадной объект является многоконтурным, с наличием внутренних контуров, соответствующий выбор направления цифрования может помочь в определении "внутренней части" объекта. Для этого направления цифрования внешнего и внутренних контуров объекта должны быть противоположными. Направление цифрования может также нести дополнительную информацию об объекте. Например направление цифрования рек может быть установлено в направлении от истока к устью.
Описание топологической информации, или топологических отношений между объектами в данной модели никак не регламентируется и выносится на стадию формирования базы данных семантической информации путем введения специальных характеристик, содержащих идентификаторы связанных объектов и тип отношения между ними.
Существенные недостатки состоят в а) практически полной невозможности автоматизированного контроля за корректностью формирования модели, б) сложностью программной реализации редактирования (например, при изменении идентификатора одного из объектов прийдется делать массовый запрос по базе данных семантической информации, с целью поиска связанных с ним объектов), в) невозможностью описания связей между частями объектов.
Отметим, что принципиально нет необходимости интерактивно формировать данные о топологических отношениях между объектами, некоторые отношения, например пересечение или вложение, можно сформировать путем несложных вычислений, однако для проведения таких вычислений необходимо строго подходить к качеству ввода векторных данных. В качестве иллюстрации рассмотрим вычисление примыкания одного линейного объекта к другому.
Из-за ограниченной точности хранения координат пикетов контура очень сложно обеспечить точное примыкание конца одного отрезка контура объекта к внутренней части отрезка другого контура (см. рис 1а). При автоматическом определении необходимо вводить некоторое минимальное расстояние при котором описанная выше ситуация может рассматриваться как примыкание. Учитывая, что реальные цифровые карты отягощены ошибками, то появиться некоторый процент пропущенных и ложных примыканий, что при решении ряда задач (например маршрутизации), является недопустимым. Выход состоит в том, что в точке примыкания отрезок необходимо разбить дополнительным пикетом и обеспечить равенство координат конца отрезка контура примыкающего объекта и этого пикета ( см рис 1б).
Даже после соблюдения всех условий остается проблема эффективного контроля корректности формирования топологических отношений. Единственная возможность - автоматическими средствами создать массив координат точек локализации этих отношений, отбразить его на экране монитора и в визуальном режиме осуществлять просмотр.
Бесструктурная модель применяется там, где нет необходимости в хранении топологической инфоррмации или топологических отношений между объектами, например в системах автоматизированной картографии.
Векторная топологическая модель [1,2,11, 12]. Модель имеет сложную структуру и содержит элементы нескольких видов. Базовые элементы: дуга, точка, внутренняя точка полигона. Вспомогательный (связующий) элемент: топологический узел. Схема сочетания элементов показана на рис 2.
Модель представляет из себя ориентированный граф, где дугами являются контуры объектов, а вершинами - топологические узлы. Описание каждой дуги содержит два идентификатора узлов к которым примыкает дуга, идентификаторы правого и левого полигона, количество точек в метрике дуги. Совокупность таких данных для всех объектов карты называют топологической таблицей. Каждая дуга кроме того содержит два идентификатора: внутренний, идентифицирующий саму дугу и пользовательский, описывающий принадлежность дуги к объекту. Полигон описывается при помощи внутренней точки, представляющей из себя обычный точечный объект, помещенный во внутреннюю область полигона и имеющий идентификатор полигона.
Метрика полигона формируется на основе идентификатора его внутренней области, путем т.н. процесса сборки, после выполнения которого получается список дуг (т.н. таблица сборки) из которых состоит полигон. Суть процесса состоит в том, что программа автоматически определяет все замкнутые области, а затем вычисляет какие из них содержат точки-идентификаторы. Только эти полигоны и запоминаются в виде таблиц сборки. Также в процессе сборки происходит заполнение полей записей дуг, определяющие примыкающие к этим дугам полигоны. Создание таблиц сборки полигонов - операция необязательная, т.к. список дуг, ограничивающий тот или иной полигон, можно получить по идентификатору посредством анализа описания дуг. Дуга попадает в список в том случае, если идентификатор полигона указан в качестве правого или левого полигона для данной дуги. Сборку необходимо производить после любого редактирования метрических данных, поскольку в процессе редактирования сформированная система полигонов разрушается.
Важное значение процесса сборки топологии состоит в том, что во время ее выполнения осуществляется контроль корректности формирования цифровой карты. Например, после окончания сборки может оказаться так, что некоторые полигоны содержат по две метки полигона, или некоторые метки не расположены внутри замкнутого контура, что сигнализирует о наличии ошибки в формировании топологической структуры.
Таким образом в топологической модели можно выделить два состояния подготовки данных: состояние редактирования, когда полигоны еще не собраны, и окончательное состояние.
Топологическое представление данных может быть использовано для получения других, производных от топологических, отношений между объектами. Например условие соседства может выглядеть так: два объекта находятся в соседстве, если какие-либо две дуги этих объектов ограничивают один и тот же полигон. (рис 3).
Топологическая модель используется в случае, если для решения задачи, поставленной перед ГИС требуется знание о топологических отношениях. Например, при построении ГИС предназначенной для управления системой трубопроводов требуется хранить информацию о соединениях труб (раструбах). В данном случае применяется топологическая модель. При решении ряда задач требуется так называемое "непрерывно-дискретное" представление информации о территории. В этом случае территория делится на ограниченное количество участков которые не пересекаются друг с другом и полностью покрывают всю территорию. Такое представление используется, например, при построении земельного кадастра. В данном случае также необходимо применить топологическую модель которая будет обеспечивать корректность построения системы участков (полигонов) и легкость вычислений на них, например определение смежных участков.
Топологическое представление имеет ряд недостатков, которые относятся главным образом к процессу построения топологической модели:
· разрушение сформированной системы полигонов в процессе редактирования и необходимость процесса сборки для ее восстановления. Процесс сборки сложных моделей может быть весьма продолжительным (до нескольких часов).
· большая стоимость и продолжительность создания модели. Средняя продолжительность создания топологической модели превышает продолжительность создания бесструктурной модели в 1.5-2 раза.
· создание модели должно проводится специалистом, разбирающимся в тонкостях предмета моделирования. В противном случае возникнут проблемы с интерпретацией и созданием адекватной модели для той или иной ситуации.
Достоинство модели состоит в том, что она максимально полно описывает моделируемую территорию, поскольку содержит описание как метрической информации так и топологических отношений.
Сделаем одно важное замечание относительно т.н. физических структур цифровых карт. Цифровые карты являются программно-зависимыми, это значит, что конкретная "физическая" структура (в отличие от логической структуры, виды которых мы рассматривали) созданная при помощи одного программного средства ГИС не сможет функционировать под управлением другого программного средства без совершения специальной операции над данными которая называется конвертированием. Процесс конвертирования означает преобразование одной физической структуры (файла), поддерживаемой одним программным средством в физическую структуру (файл) поддерживаемый другим программным средством. В процессе конвертирования как правило происходит потеря или искажение данных, поэтому он является крайне нежелательным.
Мы рассмотрели две основные векторные модели, предназначенные для хранения метрической информации об объектах местности. Выбор вида модели цифровой карты, разработка структуры баз семантических данных, и их заполнение информацией являются наиболее наукоемким и трудоемким процессом при создании ГИС. Время и средства, затраченные на создание банка данных цифровой картографической информации составляют от 70% до 90% от времени и средств затраченных на создание всей ГИС. Процесс заполнения банка картографических данных информацией называют процессом цифрования. Ввиду его важности мы рассматриваем его более подробно в отдельной главе.
Перейдем к рассмотрению функций ГИС, которые предназначены для анализа и моделирования. Анализ и моделирование являются одной из основных целей для которых создается ГИС, поскольку позволяет автоматизировать трудоемкие операции по различным измерениям и расчетам которые традиционно выполнялись при помощи обычных карт. Все разнообразие аналитических операций которые можно выполнять при помощи ГИС, сводятся в конечном итоге к нескольким основным операциям анализа и моделирования. Эти основные операции сложились в результате многочисленных реализаций конкретных ГИС, т.е. признание их в качестве основных имеет опытное обоснование. Основные операции ГИС можно разделить на следующие группы:
1. Операции по поиску объектов. Поиск данных может быть простым, когда в нем участвует только семантическая информация, либо комбинированным, когда налагаются дополнительные ограничения на метрические характеристики искомых объектов, т.е. в комбинации с расчетными операциями, связанными с метрическими характеристиками объектов. К таким операциям относится: расчет длин, площадей, определение факта принадлежности определенной точки внутренней области полигона и т.д. Операции по поиску данных часто реализуются в виде специализированного языка запросов.
2. Операции для работы с системой координат. Предназначены для изменения систем координат, в которых представлены цифровые карты путем их сдвига, вращения и т.д. Эта группа функций включает также преобразование цифровых карт из одной картографической проекции в другую.
3. Оверлейные операции. Оверлейными операциями называется процесс генерации новых и изменения существующих объектов путем наложения (совмещения) различных цифровых карт, содержащих разнотипные объекты, при этом созданные или модифицированные объекты могут иметь семантическую информацию являющуюся производной от семантики исходных объектов. Оверлейные операции являются одними из самых мощных функций ГИС и далее мы рассмотрим их более подробно.
4. Буферизация. Операция буферизации заключается в построении вокруг объекта определенной окрестности содержащей исходный объект. Далее буферизация ввиду ее важности для решения задач ГИС будет рассмотрена более подробно.
5. Графо-аналитические операции. Используется в ГИС которые поддерживают топологическую модель данных. Предназначены для решения задач на графах: транспортной задачи, задачи о максимальном потоке и т.д. Рассматриваются далее.
Не каждый программный продукт ГИС содержит основные операции в полном объеме, поскольку это значительно увеличивает стоимость программного продукта ГИС и увеличивает сложность работы с ним. По этой причине большинство полнофункциональных программ-ГИС имеют модульную структуру. Каждый отдельный модуль включает в себя только один определенный набор функций например: трансформацию проекций, решение транспортной задачи и т.д. Модули являются полностью функционально независимыми друг от друга и могут быть приобретены раздельно. Существуют также программы-ГИС реализующие только определенный минимальный набор функций, различный для каждой конкретной программы, который впрочем позволяет решать многие достаточно сложные задачи.
При проектировании ГИС необходимо решить а) будет ли достаточно общих операций для решения поставленных перед ГИС задач, б) не будет ли применение общих операций слишком сложно или громоздко. В случае, если окажется, что общих операций явно недостаточно или их применение сопряжено с рядом трудностей можно принять решение о доработке программного средства ГИС. Такую возможность предоставляют большинство из распространенных программных продуктов ГИС в виде встроенного или интегрированного языка программирования, который имеет доступ к большинству функций предоставляемых ГИС и имеет возможность в определенных пределах эти функции модифицировать, объединять, добавлять новые и т.д. При помощи такого языка можно разработать подсистему или модуль, решающий специализированные задачи и имеющий специализированный, понятный специалисту, работающему в данной области интерфейс.
Перейдем теперь к более подробному рассмотрению основных аналитических и моделирующих операций ГИС: оверлея, буферизации, графо-аналитических операций.
Оверлей. Рассмотрим следующий пример. Пусть на плоскости задана прямоугольная система координат (X,Y) и имеются два ограниченных и непрерывных множества точек этой плоскости А и В. При этом множества частично пересекаются. Над множествами могут быть осуществлены операции объединения, пересечения и т.д. (см рис 4).
Объекты цифровых карт подобны рассмотренным выше множествам. При их наложении могут быть сгенерированы новые объекты являющиеся объединением исходных (рис 4. в)) и пересечением исходных (рис 4. г)). Семантика нового объекта может быть сформирована путем переприсваивания семантики одного из исходных объектов, либо путем обобщения семантики исходных объектов. Пусть семантика объектов А и В состоит из характеристики H, имеющей значения HА и НВ для каждого объекта соответственно. Тогда значение характеристики H для нового объекта может быть определено как f( HA, HB ). Где f - некоторая "обобщающая" функция (например вычисление среднего арифметического) .
Оверлейные операции применяются также для изменения уже существующих объектов, если необходимо отредактировать один объект использовав при этом другой объект как своего рода шаблон. Например нам может понадобится удалить часть линейного объекта, лежащую внутри некоторого площадного объекта В этом случае исходный линейный объект выступает в качестве изменяемого, а площадной объект в качестве шаблона.
Приведем пример использования оверлея. Пусть перед нами, на этапе проектирования карьера, стоит задача оценки урона, наносимого окружающей среде. Пусть эта оценка проводится по следующим параметрам а) оценка количества и качества нарушенного плодородного слоя земли б) оценка площади вырубленного леса, отдельно для каждого типа преобладающих пород деревьев. В качестве исходной информации мы должны иметь карту, содержащую 3 слоя информации:
1. Почвенную карту, с указанием содержания гумуса и толщины почвенного слоя.
2. Карту лесов с указанием типов преобладающих пород деревьев и их промышленной и природной ценности (банитета).
3. Карту расположения проектируемого карьера.
Путем применения оверлея с использованием операции "and" (см рис 4. г)), мы может вырезать из объектов почвенной и лесной карт участки, располагающиеся на территории проектируемого карьера. Затем, определив их площадь, умножив ее на содержание гумуса в 1 куб. м (для почвенной карты) и умножив на толщину почвенного слоя, мы получим общее количество гумуса в нарушенном участке почвы. Имея это значение мы можем оценить степень ущерба. Аналогичные действия проводятся и для леса. Далее мы можем рассмотреть несколько вариантов расположения карьера с целью минимизации ущерба, наносимого окружающей среде.
Буферизация. Буферизация это процесс построения некоторой окрестности вокруг объекта, которая в свою очередь может являться новым объектом. Дадим более подробное определение буфера. Пусть на плоскости, на которой задана прямоугольная система координат (X,Y) располагается объект (ограниченное и непрерывное множество) А. Буфером О радиуса R называется множество точек для которого выполняется следующее условие
x, y принадлежит O(R) если p( (x,y), (x0, y0) ) <= R., где p- расстояние., а x0, y0 может быть любой точкой принадлежащей А
Буферы для объектов различного характера локализации приведены на рис 5.
Буферы используются в случае, если необходимо построить "зоны влияния" или "зоны досягаемости", определяемые каким либо объектом. Построенные зоны могут использоваться для определения участков территории которых имеется сочетание определенных факторов или для нахождения различных объектов, на которые "воздействует" исходный объект. В качестве таких зон могут выступать: охранные зоны инженерных коммуникаций, зоны повышенной опасности при производстве взрывных работ, зоны транспортной досягаемости и т.д.
В качестве примера применения буферизации рассмотрим задачу определения наилучшего месторасположения горнообогатительной фабрики, принимающей сырьё с нескольких карьеров автомобильным транспортом и отправляющей концентрат потребителю по железной дороге. Пусть далее известно, что транспортировку сырья автомобильным транспортом невыгодно осуществлять при удаленности более 10 км, и комбинат должен располагаться в непосредственной близости от магистральной железной дороги (до 1 км). В качестве исходной информации берется цифровая карта содержащая слои карьеров и железных дорог. Решение задачи будет выглядеть следующим образом. Сначала мы должны построить вокруг карьеров буферы с радиусом 10 км и буферы вокруг железных дорог радиусом 1 км. Далее, мы должны отыскать участок пересечения всех построенных буферов (для этого можно воспользоваться описанным выше оверлеем). Внутри этого участка можно размещать обогатительную фабрику. Если такого участка нет, то возможно частичное решение задачи (обслуживание только нескольких карьеров), либо решение задачи невозможно вообще.
Графо-аналитические операции. Как уже упоминалось, цифровые карты, имеющие топологическую структуру представляют собой пространственный граф. т.е. набор точек на местности (узлов), соединенных ломаными линиями - дугами. Многие объекты окружающей среды можно представить в виде графа, например дорожную сеть, речную сеть, сеть трубопроводов и т.д. Такое представление объектов дает возможность применить для различных расчетов мощный математический аппарат, предназначенный для решения различных задач на графах: для дорожной сети это задачи выбора оптимальной схемы перевозок, задача определения наикратчайшего маршрута и т.д.
Рассмотрим общую схему решения задач на графах при помощи ГИС. Поскольку каждая дуга графа представляет собой определенный пространственный объект, следовательно каждой дуге графа может быть поставлено в соответствие некоторое число - одна из характеристик объекта, например его длина, расход воды, качество дорожного покрытия и т.д. Операция присваивания таких чисел дугам графа называется операцией взвешивания графа, а ее результаты можно условно назвать "таблицей взвешивания графа". Возможно для решения некоторых задач потребуется построение нескольких таких таблиц, содержащих значения различных характеристик. Далее для решения задач на графах необходимо определить аналитическое представление графа. Одним из способов такого представления является упоминаемая выше топологическая таблица цифровой карты, которая содержит все сведения о дугах и узлах.
После передачи указанных входных данных на вход вычислительной процедуры и производства вычислений мы можем получить выходные данные в двух видах, в зависимости от вида решаемой задачи : в виде таблицы взвешивания графа, содержащей значения производных характеристик, являющихся решением задачи либо в виде списка дуг графа.
Например, при решении задачи о нахождении кратчайшего маршрута мы передаем на вход процедуры таблицу взвешивания графа содержащую длины кавждой из дуг, а на выходе получаем список дуг графа в определенной последовательности, определяющей наикратчайший маршрут.
В большинстве общераспространенных программных продуктов ГИС модули, выполняющие графо-аналитические операции отсутствуют т.к. как правило эти задачи специфичны для различных областей применения. Поэтому в большинстве случаев, при проектировании и создании ГИС приходится программировать эти задачи самостоятельно на основе имеющихся в ГИС-программных средствах разработки дополнительных модулей.
Как известно, обычные карты являются не только хранилищем исходной информации для различных расчетов, но их также используют и для представления результатов обработки пространственно-распределенной информации в наглядном виде. Известно, что данные, представленные в наглядной форме, значительно легче воспринимаются и интерпретируются. Этот принцип сохраняется и при использовании ГИС.
Средствами визуализации называется группа функций ГИС обеспечивающая оформление входных и выходных данных, результатов анализа и вычислений, цифровых карт. Кроме того в ряде случаев внешнее оформление выполняет функции языка, служащего для передачи какой-либо информации (например система условных знаков топографических карт). Средства визуализации призваны дать возможность сформировать и оформить выходной документ (отчет, диаграмму, график и т.д.), содержащий результаты обработки информации в том виде, какой необходим пользователю ГИС. Средства визуализации данных можно условно разделить на две группы
1. Средства генерации и оформления отчетов. Средства генерации отчетов являются в некотором роде "механизмом" по обратному преобразованию данных из ГИС на традиционные носители (бумагу, пленку и т.д.) и предназначены в основном для создания и выдачи некоторого завершенного документа, оформленного согласно определенным стандартам и представляющего результаты обработки информации. В качестве таких документов могут выступать тематические карты, графики, таблицы с данными, комбинированные отчеты, содержащие как карты так и таблицы и т.д.
2. Средства построения тематических карт. Тематической картой назовем карту на которой посредством языка условных знаков, присущих объектам карты, отображается значение некоторой характеристики, которое имеет тот или иной объект. Например мы можем построить карту износа труб, составляющих сеть трубопроводов. Для этого определим, что трубы с максимальной степенью износа будут изображены на карте линией имеющей красный цвет, а минимальную - линией имеющей синий цвет. Все реальные трубы будут иметь цвета располагающиеся между этими в порядке цветов в спектре. Таким образом мы получаем наглядную карту, отражающую степени износа различных частей трубопровода. При этом объекты имеющие различное значение характеристики "износ" будут иметь на карте различный цвет.
Таким образом мы можем сказать, что цвет в данном случае выступает в роли тематического параметра отображения. В качестве такого параметра могут быть взяты толщина линии, тип линии (для линейных объектов), характер и цвет штриховки (для площадных объектов), и т.д. Определенное "значение" тематического параметра может присваиваться не только уникальным значениям той или иной характеристики, но также группе значений или диапазону значений этой характеристики.
Построение тематических карт является мощным инструментом анализа данных, поскольку позволяет наглядно отобразить различные скрытые зависимости в распределении значений характеристик объектов на исследуемой территории, которые традиционными способами обработки данных было получить затруднительно, либо вообще невозможно.
Итак мы рассмотрели основы применения ГИС для решения задач управления территориями горных предприятий. Большинство задач по управлению территорией горного предприятия базируется на использовании одинаковой исходной информации. Например карта дорожной сети может использоваться при расчетах схемы оптимального движения грузового автотранспорта, при оценке влияния движения грузового автотранспорта на окружающую среду, при проведении реконструкции дорожной сети и проектировании новых дорог. При соблюдении определенных правил в организации банка данных, ГИС может стать базовой системой для решения сразу целого комплекса задач, даже если при первоначальном проектировании ГИС их решение не предполагалось. Это является следствием того, что в основу ГИС положены самые общие принципы организации, хранения и обработки пространственно- распределенной информации. Таким образом одни из главных свойств ГИС - ее гибкость и универсальность и послужили росту популярности геоинформационных систем при автоматизации решения различных задач управления территориями.
