Цифровые модели рельефа (ЦМР) - одна из важных моделирующих функций геоинформационных систем, включающая две группы операций, первая из которых обслуживает решение задач создания модели рельефа, вторая - её использование.

Данный вид продукции является полностью трехмерным отображением реального рельефа местности на момент производства съемочных работ, что позволяет использовать его для решения различных прикладных задач, например: определение любых геометрических параметров рельефа, построение профилей поперечного сечения; проведение проектно-изыскательских работ; мониторинг динамики рельефа; вычисление геометрических характеристик (площади, протяженности, периметра) с учетом рельефа для нужд архитектуры и городского планирования; инженерных изысканий, картографии, навигации; расчет крутизны склонов, мониторинга и прогнозирование геологических и гидрологических процессов; расчет освещенности и ветрового режима для архитектуры и городского планирования, инженерных изысканий, экологического мониторинга; построение зон видимости для телекоммуникационных и сотовых компаний, архитектуры и городского планирования. Кроме того, ЦМР широко используются для визуализации территории в виде трехмерных изображений, тем самым, предоставляя возможность для построения виртуальных моделей местности (ВММ).

Традиционными источниками исходных данных для создания ЦМР суши служат топографические карты, данные дистанционного зондирования (ДДЗ), данные спутниковых систем позиционирования, геодезических работ; данные промерных работ и эхолотирования, материалы фототеодолитной и радиолокационной съемки.

В настоящее время в некоторых развитых странах созданы национальные ЦМР, например, на территорию США, Канады, Дании, Израиля и других стран. На территорию РФ в настоящее время общедоступные данные подобного качества отсутствуют.

Альтернативным источником данных о высотах являются свободно распространяемые данные SRTM (Shuttle radar topographic mission), доступные на большую часть территории земного шара с разрешением модели 90 м. В данной дипломной работае будет применяться данные SRTM версии 3.0.

3.1.1 Понятие цифровые модели рельефа (ЦМР)

Одним из существенных преимуществ технологий географических информационных систем над обычными "бумажными" картографическими методами, является возможность создания пространственных моделей в трёх измерениях. Основными координатами для таких ГИС-моделей, кроме привычных широты и долготы будут служить также данные о высоте. При этом система может работать с десятками и сотнями тысяч высотных отметок, а не с единицами и десятками, что было возможно и при использовании методов "бумажной" картографии. В связи с доступностью быстрой компьютерной обработки громадных массивов высотных данных становиться реально выполнимой задача создания максимально реальной цифровой модели рельефа (ЦМР) [1].

Под цифровой моделью рельефа принято понимать средство цифрового представления трёхмерных пространственных объектов (поверхностей, или рельефов) в виде трёхмерных данных, образующих множество высотных отметок (отметок глубины) и иных значений координаты Z, в узлах регулярной или непрерывной сети или совокупность записей горизонталей (изогипс, изобат) или иных изолиний. ЦМР - это особый вид трёх мерных математических моделей, представляющих собой отображение рельефа как реальных, так и абстрактных поверхностей [2].

История создания ЦМР

Изображение рельефа издавна интересовало людей. На древнейших картах крупные формы рельефа отображались как неотъемлемая составляющая ландшафта и как элемент ориентирования. Первым способом отображения рельефа были перспективные знаки, показывающие горы и холмы; однако еще с восемнадцатого столетия началась активная разработка новых, все более сложных способов. Перспективный способ с штриховой прорисовкой представлен на карте Пиренейских гор (1730 г.). Цвет для оформления пластики рельефа впервые был применен в Атласе кампании российских войск в Швейцарии (1799 г.). Первые эксперименты по созданию ЦМР относятся к самым ранним этапам развития геоинформатики и автоматизированной картографии первой половины 1960-х гг. Одна из первых цифровых моделей рельефа местности была изготовлена в 1961 г. на кафедре картографии Военно-инженерной академии. Впоследствии были разработаны методы и алгоритмы решения различных задач, созданы мощные программные средства моделирования, крупные национальные и глобальные массивы данных о рельефе, накоплен опыт решения с их помощью разнообразных научных и прикладных задач. В частности, большое развитие получило применение ЦМР для военных задач [3].

3.1.2 Виды ЦМР

Наиболее широко распространённые представления поверхностей в ГИС являются растровое представление и модели TIN. Исходя из этих двух представителей исторически выделились две альтернативные модели ЦМР: основанные на чисто регулярных (матричных) представлениях поля рельефа отметками высот и структурные, одной из наиболее развитых форм которых являются модели на основе структурно-лингвистического представления.

Растровая модель рельефа - предусматривает разбиение пространства на далее не делимые элементы (пиксели), образуя матрицу высот - регулярную сеть высотных отметок. Подобные цифровые модели рельефа создаются национальными картографическими службами многих стран. Регулярная сеть высот представляет собой решетку с равными прямоугольниками или квадратами, где вершины этих фигур являются узлами сетки (рис 1-3).

Рис.1. Увеличенный фрагмент модели рельефа показывающий растровую структуру модели [1].

Рис.2 Отображение регулярной модели сети высот на плоскости [1].

Рис.3 Трёхмерная модель рельефа окрестностей пос. Коммунар (Хакасия), построенная на основе регулярной сети высот /1/

Одним из первых пакетов программ, в котором была реализована возможность множественного ввода различных слоёв растровых ячеек, был пакет GRID (перевод с англ. - решетка, сетка, сеть), созданный в конце 1960-х гг. в Гарвардской лаборатории машинной графики и пространственного анализа (США). В современном широко распространённом ГИС-пакете ArcGIS растровая модель пространственных данных также носит название GRID. В другой популярной программе для расчёта ЦМР - Surfer регулярная сеть высот также именуется GRID, файлы такой ЦМР имеют формат GRD, а расчёт подобной модели называется Gridding.

При создании регулярной сети высот (GRID) очень важно учитывать плотность сетки (шаг сетки), что определяет её пространственное разрешение. Чем меньше выбранный шаг, тем точнее ЦМР - выше пространственное разрешение модели, но тем больше количество узлов сетки, следовательно, больше времени требуется на расчет ЦМР и больше места на диске. Например, при уменьшении шага сетки в 2 раза объём компьютерной памяти, необходимой для хранения модели, возрастает в 4 раза. Отсюда следует, что надо найти баланс. К примеру, стандарт на ЦМР Геологической съемки США, разработанный для Национального цифрового картографического банка данных, специфицирует цифровую модель рельефа как регулярный массив высотных отметок в узлах решетки 30х30 м для карты масштаба 1: 24 000. Путем интерполяции, аппроксимации, сглаживания и иных трансформаций к растровой модели могут быть приведены ЦМР всех иных типов. [4]

Среди нерегулярных сеток чаще всего используется треугольная сеть неправильной формы - модель TIN. Она была разработана в начале 1970-х гг. как простой способ построения поверхностей на основе набора неравномерно расположенных точек. В 1970-е гг. было создано несколько вариантов данной системы, коммерческие системы на базе TIN стали появляться в 1980-е гг. как пакеты программ для построения горизонталей. Модель TIN используется для цифрового моделирования рельефа, при этом узлам и ребрам треугольной сети соответствуют исходные и производные атрибуты цифровой модели. При построении TIN-модели дискретно расположенные точки соединяются линиями, образующими треугольники (рис 4).

Рис.4 Условие триангуляции Делоне. [4]

В пределах каждого треугольника модели TIN поверхность обычно представляется плоскостью. Поскольку поверхность каждого треугольника задается высотами трех его вершин, применение треугольников обеспечивает каждому участку мозаичной поверхности точное прилегание к смежным участкам.

Рис.5. Трёхмерная модель рельефа построенная на основе нерегулярной триангуляционной сети (TIN). [1]

Это обеспечивает непрерывность поверхности при нерегулярном расположении точек (рис 5-6).

Рис.6. Увеличенный фрагмент модели рельефа на рис.5, показывающий треугольную структуру модели TIN. [1]

Основным методом расчёта TIN является триангуляция Делоне, т.к. по сравнению с другими методами она обладает наиболее подходящими для цифровой модели рельефа свойствами: имеет наименьший индекс гармоничности как сумму индексов гармоничности каждого из образующих треугольников (близость к равноугольной триангуляции), свойства максимальности минимального угла (наибольшей невырожденности треугольников) и минимальности площади образуемой многогранной поверхности.

Поскольку и модель GRID, и модель TIN получили широкое распространение в географических информационных системах и поддерживаются многими видами программного обеспечения ГИС, то необходимо знать достоинства и недостатки каждой модели, чтобы правильно выбрать формат хранения данных о рельефе. В качестве плюсов модели GRID следует отметить простоту и скорость её компьютерной обработки, что связано с самой растровой природой модели. Устройства вывода, такие как мониторы, принтеры, плоттеры и пр., для создания изображений используют наборы точек, т.е. также имеют растровый формат. Поэтому изображения GRID легко и быстро выводятся на такие устройства, так как на компьютерах легко выполнить расчёт для представления отдельных квадратов регулярной сети высот с помощью точек или видеопикселов устройств вывода.

Благодаря своей растровой структуре модель GRID позволяет "сгладить" моделируемую поверхность и избежать резких граней и выступов. Но в этом кроется и "минус" модели, т.к. при моделировании рельефа горных районов (особенно молодых - например, альпийской складчатости) с обилием крутых склонов и остроконечных вершин возможна потеря и "размывание" структурных линий рельефа и искажение общей картины. В подобных случаях требуется увеличение пространственного разрешения модели (шага сетки высот), а это чревато резким ростом объёма компьютерной памяти, необходимой для хранения ЦМР. Вообще, как правило, модели GRID занимают больше места на диске, чем модели TIN. Чтобы ускорить отображение больших по объёму цифровых моделей рельефа применяются различные методы, из которых наиболее популярный - построение так называемых пирамидальных слоёв, позволяющих при разных масштабах использовать различные уровни детальности изображения. Таким образом, модель GRID идеально подходит для отображения географических (геологических) объектов или явлений, характеристики которых плавно изменяются в пространстве (рельеф равнинных территорий, температура воздуха, атмосферное давление, пластовое давление нефти и т.п.). Как было отмечено выше, недостатки модели GRID проявляются при моделировании рельефа молодых горообразований. Особенно неблагополучная ситуация с использованием регулярной сети высотных отметок складывается, если на моделируемой территории чередуются обширные выровненные участки с участками уступов и обрывов, имеющими резкие перепады высот, как, например, в широких разработанных долинах крупных равнинных рек (рис.7).

В таком случае на большей части моделируемой территории будет "избыточность" информации, т.к. узлы сетки GRID на плоских участках будут иметь одни и те же высотные значения.

Но на участках крутых уступов рельефа размер шага сетки высот может оказаться слишком большим, а, соответственно, пространственное разрешение модели - недостаточным для передачи "пластики" рельефа.

Рис.7 Фрагмент трёхмерной модели рельефа долины Томи (красной стрелкой показан уступ второй надпойменной террасы на левобережье, высокий уступ на правобережье - склон междуречной равнины). Вертикальный масштаб в пять раз крупнее горизонтального [2].

Подобных недостатков лишена модель TIN. Поскольку используется нерегулярная сеть треугольников, то плоские участки моделируются небольшим числом огромных треугольников, а на участках крутых уступов, там, где необходимо детально показать все грани рельефа, поверхность отображается многочисленными маленькими треугольниками (рис.8). Это позволяет более эффективно использовать ресурсы оперативной и постоянной памяти компьютера для хранения модели.

Рис.8 Нерегулярная сеть треугольников [1].

К числу "минусов" TIN следует отнести большие затраты компьютерных ресурсов на обработку модели, что существенно замедляет отображение ЦМР на экране монитора и вывод на печать, т.к. при этом требуется растеризация. Одним из решений этой проблемы может быть введение "гибридных" моделей, сочетающих структурные линии TIN и способ отображения в виде регулярного набора точек. Ещё один существенный недостаток модели TIN - "эффект террас", выражающийся в появлении так называемых "псевдотреугольников" - плоских участков в заведомо невозможной геоморфологической ситуации (например, по линии днища V-образных долин) (рис.9).

Одна из основных причин - малое расстояние между точками цифровой записи горизонталей в сравнении с расстояниями между самими горизонталями, что характерно для большинства типов рельефа в их картографическом отображении.

Рис.9 "Эффект террас" в долинах малых рек, возникающий при создании TIN на основе горизонталей без учёта структурных линий рельефа (в данном случае - гидросети) [2].

"Псевдотреугольники" возникают там, где все три вершины треугольника лежат на одной горизонтали. Появление таких морфологических артефактов нарушает морфографию и морфометрию моделируемого рельефа и снижает точность и качество самой модели и ее производных. Один из способов значительного улучшения качества и морфологического правдоподобия ЦМР состоит в расширении модели TIN путем ее структурирования - введения в нее сети тальвегов, водоразделов и линий перегибов и разрывов (бровок, уступов террас и т.п.) [1].

3.1.3 Данные радарной топографической съемки (SRTM)

Shuttle radar topographic mission (SRTM) - Радарная топографическая съемка большей части территории земного шара, за исключением самых северных (>60), самых южных широт (>54), а также океанов, произведенная за 11 дней в феврале 2000г с помощью специальной радарной системы, с борта космического корабля многоразового использования "Шаттл". Двумя радиолокационными сенсорами SIR-C и X-SAR, было собрано более 12 терабайт данных. В течение этого времени с помощью метода называемого радарной интерферометрией, было собранно огромное количество информации о рельефе Земли, ее обработка продолжается до сих пор. Результатом съемки стала цифровая модель рельефа 85 процентов поверхности Земли (рис.9). Но определенное количество информации уже доступно пользователям. SRTM - международный проект, возглавленный Национальной Геопространственной Спецслужбой (NGA), НАСА, итальянским космическим агентством (ASI) и немецким Космическим Центром [9].

Рис.10 Схема покрытия территории Земли съемкой SRTM [10].

Данные SRTM существуют в нескольких версиях: предварительные (версия 1, 2003 г) и окончательная (версия 2, февраль 2005 г). Окончательная версия прошла дополнительную обработку, выделение береговых линий и водных объектов, фильтрацию ошибочных значений. Данные распространяются в нескольких вариантах - сетка с размером ячейки 1 угловая секунда и 3 угловые секунды. Более точные односекундные данные (SRTM1) доступны на территорию США, на остальную поверхность земли доступны только трехсекундные данные (SRTM3). Файлы данных представляют собой матрицу из 1201ґ1201 (или 3601ґ3601 для односекундной версии) значений, которая может быть импортирована в различные программы построения карт и геоинформационные системы. Кроме того, существует версия 3, распространяемая в виде файлов ARC GRID, а также ARC ASCII и в формате Geotiff, квадратами 5ґ5 в датуме WGS84. Эти данные получены организацией CIAT из оригинальных высотных данных USGS/NASA путем обработки, которая обеспечила получение гладких топографических поверхностей, а так же интерполяцию областей, в которых отсутствовали исходные данные. [10]

Номенклатура данных производиться таким образом, название квадрата данных версий 1 и 2 соответствует координатам его левого нижнего угла, например: N45E136, где N45 является 45 градусов северной широты, а E136 является 136 градусов восточной долготы, буквы (n) и (e) в имени файла обозначают, соответственно, северное и восточное полушария. Название квадрата данных обработанной версии (CGIAR) соответствует номеру квадрата из расчета 72 квадрата по горизонтали (360/5) и 24 квадрата по вертикали (120/5). Например: srtm_72_02. zip /крайне правый, один из верхних квадратов. Определить нужный квадрат можно используя сетку-разграфку (Рис.11.) [9].

Рис.11 Схема покрытия SRTM4 [9].

3.1.4 Оценка точности данных (SRTM)

Общедоступными являются значения высот в углах ячейки размером 3 на 3. Точность высот заявлена не ниже 16 м, но тип оценки этой величины - средняя, максимальная, средняя квадратическая ошибка (СКО) - не пояснен, что и не удивительно, поскольку для строгой оценки точности необходимы либо эталонные значения высот примерно такой же степени охвата, либо строгий теоретический анализ процесса получения и обработки данных. В связи с этим, анализ точности матрицы высот SRTM проводился не одним коллективом ученых разных стран мира. По оценкам А.К. Корвэула и И. Эвиака высоты SRTM имеют ошибку, которая для равнинной местности в среднем составляет 2,9 м, а для холмистой - 5,4 м. Причем значительная часть этих ошибок включает систематическую составляющую. Согласно их выводам, матрица высот SRTM подходит для построения горизонталей на топографических картах масштаба 1: 50000 Но на некоторых территориях высоты SRTM по своей точности примерно соответствуют высотам, полученным с топографической карты масштаба 1: 100000, а также может использоваться при создании ортофотопланов по космическим снимкам высокого разрешения, снятых с незначительным углом отклонения от надира [5].

3.1.5 Использвание данных SRTM для решения прикладных задач

Данные SRTM могут решать в различные прикладные задачи, различной степени сложности, например: для использования их при построении ортофотопланов, для оценки сложности предстоящих топографо-геодезических работ, планирования их проведения, а также могут оказать помощь при проектировании расположения профилей и других объектов еще до проведения топосъемки, полученные по результатам радарной съемки SRTM значения превышений точек местности могут быть использованы для обновления топоосновы территорий, где отсутствуют данные детальных топографо-геодезических работ. Этот вид данных является универсальных источником для моделирования земной поверхности, главным образом для построения цифровых моделей рельефа и цифровых моделей местности, но вопрос применимости радарных высотных данных SRTM в качестве альтернативы стандартным методам построения цифровой модели местности и рельефа, на наш взгляд, должен решаться в каждом случае индивидуально, в зависимости от поставленной задачи, характеристик рельефа и требуемой точности высотной привязки [5].

3.2 Методические рекомендации использования ГИС

3.2.1 Общее представление о ГИС

Термин "географическая информационная" система является дословным переводом с английского "Geographic (al) information system". Различные определения ГИС, отражают историю эволюции ГИС как синтеза методов и средств, первоначально развивавшихся в системах автоматизированного проектирования, автоматизированного картографирования, цифровой обработки данных дистанционного зондирования и управления базами данных. Одно из первых определений ГИС в русской литературе гласит: "ГИС - это аппаратно-программный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных, интеграцию данных и знаний о территории для их эффективного использования при решении научных и прикладных задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением природной средой и территориальной организацией общества".

Следует подчеркнуть два определяющих момента:

географические информационные системы, прежде всего, имеют дело с географической информацией, тематически разнообразной, сопоставимой, координированной, масштабированной и генерализованной в пространстве и времени;

используют законы информатики, которая в свою очередь есть "система знаний, относящихся к производству, переработке, хранению и распространению всех видов информации в обществе, природе и технических устройствах".

Изучение конкретного пространства - привилегия не только ГИС. Изначально изучение пространственных форм объектов реального мира относится к основным задачам математики. Космическое и земное пространство исследуется также физическими науками. Изучение пространственных представлений действительности входит в задачи математико-картографического моделирования. Специфика геоинформационного изучения пространства состоит в использовании геоинформационных моделей действительности и в их разработке в комплексе с методами других наук. Но изучение только пространственного расположения - сильное сужение задачи, важен учет существа явлений, их пространственного состояния, структуры, взаимосвязей и функционирования.

Термин ГИС часто употребляется и в другом значении - он обозначает программное средство ГИС, программный продукт, ГИС-пакет, обеспечивающий функционирование ГИС как системы (ГИС ArcView, ГИС IDRISI).

3.2.2 Основные этапы развития ГИС

Начальный этап становления автоматизации обработки пространственной информации связан с открытием доступа к ЭВМ, в первую очередь на Западе, не только для пользователей-математиков и системных программистов и относится к концу 50-х годов. Начало положило создание достаточно простых картографических изображений, в основном картограмм, выводимых на геометрически неточное алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ). Первым значительным пакетом программ для этих целей стал SYMAP, выпущенный в 1967 году Гарвардской лабораторией машинной графики и пространственного анализа.

Первоначально ГИС предназначались для решения достаточно узких задач, в первую очередь инвентаризации земельных или экономических ресурсов, обработки статистической информации. Первые ГИС появились в Швеции в середине 60-х годов. В период 1963-1971 годов велась разработка Канадской лесной ГИС, которая до сих пор остается одной из крупнейших.

До 1980 года из-за высоких цен на аппаратуру интерес к этим технологиям в России проявляли лишь крупные государственные научные и производственные организации. Затем затраты на применение ЭВМ существенно снижались, примерно на порядок за каждые шесть лет. Основной причиной прогресса в ГИС-технологиях с начала 90-х годов, несомненно, явилось развитие и распространение электронно-вычислительной техники, и именно персональных компьютеров (ПК). Особенно сказались повышение быстродействия ПК, значительное увеличение оперативной и дисковой памяти, новых запоминающих устройств, повышение качества графических устройств ввода и вывода картографической и аэрокосмической информации. И конечно - доступность программных средств ГИС мирового уровня, допускающих многовариантное их использование. Крупные фирмы-производители программных ГИС-продуктов, такие как ESRI, ERDAS, INTERGRAF, предоставили свои пакеты бесплатно или с большими скидками целому ряду научных и образовательных организаций, что способствовало скорейшему освоению и использованию ГИС-технологий, позволило быстрее увидеть и оценить перспективы. Правда, это явление существенно затормозило процесс создания отечественных ГИС-продуктов, в теоретических разработках и в программном обеспечении отдельных модулей которых были уже достигнуты значительные результаты на начальных стадиях работ по автоматизации.

Потребность в использовании и создании ГИС, анализе количественных и качественных показателей пространственно привязанных объектов и явлений возникает в настоящее время у представителей различных областей деятельности и профессиональных знаний - науки, техники, образования, управления, маркетинга и многих других. Отсюда все возрастающий интерес к ГИС и геоинформационным методам.

Роль ГИС не ограничивается сбором, обработкой, хранением и передачей информации. Для наук о Земле ГИС стала одним из основных инструментов моделирования природных, хозяйственных, социальных процессов и ситуаций, изучения их связей и взаимодействий, прогнозирования развития в пространстве и времени, получения новой качественной и количественной информации, а главное средством обеспечения (поддержки) принятия решений управленческого характера и представления выводов. Каждая из наук, имеющих дело с пространственно распределенной информацией, предоставляет целый ряд методов, которые в совокупности своей способствуют созданию и функционированию ГИС.

3.2.3 География и ГИС

Проникновение ГИС в практику научных географических исследований началось с самого начала их развития в зарубежных странах. География посвящена изучению мира и места человека в нем и имеет длительные традиции пространственного анализа, обеспечивает методы для проведения такого анализа, предлагает пространственный взгляд на любое исследование. Общеизвестно, что географическая информация (география) доминирует в 70% объема циркулирующей информации. В отличие от других типов средств обработки информации, ГИС отражает концепцию геопространства, так как базируется на информации, привязанной к пространственным координатам и позволяет представить ее в графическом виде для интерпретации и принятия решений по управлению.

Бытует мнение, что широкое распространение ГИС и опыт их эксплуатации в различных сферах деятельности существенно упрощают задачи географии, сводя их к заимствованию, усвоению и воспроизведению накопленного опыта - задаче сугубо технической. В действительности совокупности географической (или потенциально географической) информации системы не образуют.

Географическое разнообразие реального мира бесконечно сложно, но в то же время оно может быть представлено в виде отдельных элементов или объектов. Преимущество ГИС состоит в том, что она позволяет рассматривать объекты в их географическом окружении и исследовать взаимосвязи между объектами, а изучение взаимосвязей и взаимозависимостей - основа географического моделирования. Возможности ГИС для быстрого и точного совмещения различных срезов информации становятся действенным инструментом ее анализа. Значение ГИС для географии определил А.М. Берлянт: "Развитие ГИС дает современной географии уникальный и может быть единственный за всю ее историю шанс действительно стать основой передовых технологий в науках о Земле, концептуальной базой, на которую может опереться геоинформационная индустрия, одним из стержневых направлений информатизации общества на всех уровнях, начиная со школ".

3.3 Программные продукты ГИС

3.3.1 Общая характеристика программного комплекса ArcGIS

ArcGIS - семейство программных продуктов нового поколения.

Разработано компанией ESRI, признанным лидером в создании и продвижении ведущих Геоинформационных Систем, с учетом передовых тенденций развития информационных технологий и растущих требований многочисленных пользователей. Платформа ArcGIS 9 является оптимальным решением для построения корпоративной ГИС, фундамента информационной системы эффективного управления крупными государственными и коммерческими организациями.

ArcGIS построена на основе стандартов компьютерной отрасли, включая объектную архитектуру COM,.net, Java, XML, SOAP, что обеспечивает поддержку общепринятых стандартов, гибкость предлагаемых решений, широкие возможности взаимодействия. Фундаментальная архитектура ArcGIS обеспечивает ее использование во многих прикладных сферах и на разных уровнях организации работы: на персональных компьютерах, на серверах, через Web, или в "полевых" условиях.

ArcMap

ArcMap основное приложение ArcGIS Desktop. Оно используется для всех картографических задач, включая создание карт, анализ карт и редактирование данных. В этом приложении вы работаете с картами. У карты есть компоновка, содержащая собственно вид географических данных набор слоев карты, легенду, масштабные линейки, стрелки Севера и другие элементы.

В ArcMap есть два варианта отображения и работы с картой - в Виде географических данных и в Виде компоновки - в них можно решать разнообразные ГИС задачи.

ArcCatalog

Приложение ArcCatalog поможет структурировать и управлять всеми данными вашей ГИС. Оно предоставляет инструменты для поиска и просмотра географических данных, создания и просмотра метаданных, быстрого просмотра любого набора данных, а также инструменты для структурирования географических данных.

ArcToolbox это простое приложение, содержащее множество инструментов обработки геоданных (конвертация, проецирование, геообработка данных, оверлейный анализ, организация многолистных карт…). Есть две версии ArcToolbox: полная версия входит в ArcInfo (более 150 инструментов), облегченная - в ArcView и ArcEditor (20 наиболее часто используемых инструментов конвертации и управления данными

Их совместное использование позволяет решать ГИС задачи любой сложности в области картографирования, управления данными, пространственного анализа, редактирования данных и их геообработки. Помимо этого, ArcGIS 9 посредством служб (сервисов) ArcIMS предоставляет доступ к любым пространственным данным и ресурсам, представленным в Интернет.

ArcGIS Desktop это полнофункциональная, интегрированная, масштабируемая система, разработанная для самого широкого круга пользователей ГИС.

ArcMap, ArcCatalog и ArcToolbox разработаны для совместного использования при решении разных ГИС задач. Например, в ArcCatalog можно найти документ карты, затем открыть его в ArcMap, дважды щелкнув на нем в Каталоге. Далее можно внести в него изменения с помощью инструментов среды редактирования ArcMap.

Можно обращаться к данным, размещенным на других машинах, используя соединения с базами данных в ArcCatalog. Выбрав нужные данные, можно просто перетащить их и поместить в виде слоя в окно ArcMap. Можно также перетаскивать данные из ArcCatalog в окна инструментов ArcToolbox

После создания новых географических данных с помощью этих трех приложений, можно ввести описание (метаданные) для этих данных при помощи ArcCatalog.

Совместимые форматы данных

Один из базовых принципов ArcGIS - возможность работать со всеми вашими данными, хранящимися в файлах и в СУБД, а также с сервисами ArcIMS. ArcMap и ArcCatalog позволяют работать с широким спектром источников данных. Можно просматривать эти данные и организовывать их в ArcCatalog, создавать для них метаданные и управлять ими, искать источники данных по их содержимому. В ArcMap можно создавать слои карт на основе этих источников. Можно также формировать запросы на выборку данных, перепроецировать карты “на лету", реляционно соединять таблицы и анализировать карты, основанные на этих источниках данных.

Одной из наиболее важных функций является возможность работы в ArcMap и ArcCatalog с сервисами (службами) ArcIMS так же, как с любыми другими источниками данных вашей ГИС. Это выводит ArcMap в новый мир Интернет ГИС. То есть, в ArcMap можно выполнять любые картографические и аналитические операции над источниками данных, доступными через ArcIMS.

ArcView, ArcEditor и ArcInfo могут работать с данными в разных форматах (Персональная база геоданных, Набор данных САПР, Покрытия, Шейп файлы, Таблицы DBF, Растры, TIN, Чертежи САПР, Таблицы DAT), подключаться к реляционным базам данных через ArcSDE и web-сайтам ArcIMS, включая новый Metadata Server.

Приложения ArcGIS Desktop предлагаются в виде трех настольных программных продуктов, имеющих разные функциональные возможности

ArcView содержит полный набор инструментов картографирования и анализа, а также инструменты для простого редактирования и геообработки.

ArcEditor включает все функции ArcView плюс расширенные возможности редактирования покрытий и баз геоданных

ArcInfo, помимо функций вышеназванных продуктов, включает дополнительные инструменты геообработки. В него также входят приложения, унаследованные от ArcInfo Workstation (Arc, ARCPLOT ™, ARCEDIT ™ и др.)

Благодаря тому, что продукты ArcView, ArcInfo и ArcEditor имеют общую архитектуру, пользователи, работающие с любым из этих клиентских приложений, могут легко обмениваться результатами своей работы. Карты, данные, условные знаки, картографические слои, пользовательские инструменты и интерфейсы, отчеты, метаданные и т.д. доступны во всех трех продуктах. То есть, вам достаточно будет освоить одну, а не три различных архитектуры

Возможности любого из этих продуктов могут быть расширены использованием ряда дополнительных модулей, таких как ArcGIS Spatial Analyst, ArcPress ™. Информацию о дополнительных модулях смотрите в разделе “Дополнительные модули ArcGIS ”.

Организация ArcGIS Desktop

ArcGIS Desktop можно использовать на любом из трех уровней:

ArcView 10 один из трех настольных продуктов ArcGIS. В состав ArcView 9 входит три приложения: ArcMap, ArcCatalog и ArcToolbox для ArcView. Это набор мощных инструментов для картографирования, создания отчетов и картографического анализа

В ArcView 10 можно:

Взаимодействовать с картой посредством инструментов Перемещения и Масштабирования, Идентификации, Горячих связей и Гиперссылок на внешние приложения и URL, Интерактивной выборки, Подсказки карты, Окна обзора и Окна увеличителя, Пространственных закладок, Динамического обновления выборки между картой, таблицами и диаграммами.

Создавать карту посредством инструментов Отображения данных (прозрачные слои, перепроецирование векторных данных и растров "на лету", включая трансформацию датума), Классификации данных, Символов, Надписей, Компоновки и Печати (вставка заголовков и легенд, нескольких фреймов данных, мастера и готовые стили для создания легенд и сеток, экспорт в графические форматы и т.д.).

Анализировать карту посредством инструментов Операций выбора (Интерактивная выборка, Выбор по атрибуту, Выбор по местоположению), Операций анализа (Буфер, Вырезание, Слияние, Пересечение, Объединение, Пространственное соединение), Визуального представления и анализа (диаграммы и отчеты).