Размещено на http://www.allbest.ru/

Российский Государственный открытый

технический университет путей сообщения

КУРсовая работа по дисциплине

ГИС

280202 Инженерная защита окружающей среды

Москва - 2011 г

СОДЕРЖАНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• ГИС среди информационных технологий
• Составные части ГИС
• Аппаратные средства
• Программное обеспечение ГИС
• Данные
• Исполнители
• Методы
• Как работает ГИС?
• Векторная и растровая модели
• ОПЫт НИИ БЖТ РБ
• О применении стандартов при организации геоданных
• ГИС для информационной поддержки
• геоинформационный мониторинг
• Заключение

ВВЕДЕНИЕ

Геоинформационные системы: что это такое?

Геоинформационные системы (ГИС) - это интегрированные в единой информационной среде электронные пространственно-ориентированные изображения (карты, схемы, планы и т.п.) и базы данных (БД). В качестве БД могут использоваться таблицы, паспорта, иллюстрации, расписания и т. п. Такая интеграция значительно расширяет возможности системы и позволяет упростить аналитические работы с координатно-привязанной информацией.

ГИС характеризуются следующими положительными моментами:

· наглядность представления семантической информации из БД за счет отображения взаимного пространственного расположения данных

· увеличение информационной емкости продукта за счет связи пространственно-ориентированных изображений с семантической информацией из БД

· улучшение структурированности информации и, как следствие, повышение эффективности ее анализа и обработки

Традиционный набор функций ГИС при работе с картой включает:

· показ карты в различных масштабах

· выбор набора слоев информации для показа

· зависимость внешнего вида объектов от их семантических характеристик

· оперативное получение информации об объекте при выборе его курсором мыши

· возможность распечатки любых фрагментов карты

Перечислить все области возможного применения ГИС затруднительно. Наибольшее распространение они получили в следующих отраслях:

· землеустройство (земельные кадастры)

· муниципальное хозяйство

· энергетика

· транспорт и связь

На отечественном рынке создание ГИС сдерживается дороговизной специализированных программных средств, длительными сроками разработки и высокими требованиями к "компьютерной" квалификации персонала.

Технология создания ГИС на базе графической среды СУБГРАФ

Разработки в области ГИС базируются на гибридной растрово-векторной технологии, совмещающей растровую топооснову и векторные слои, что позволяет в каждом конкретном случае найти оптимальное соотношение между стоимостью и сроками создания ГИС с одной стороны, и объемом решаемых задач с другой. Окончательная сборка растрово-векторных составляющих производится в графической среде СУБГРАФ. СУБГРАФ является графической средой, объединяющей в себе:

· оригинальный растровый графический редактор, работающий с изображениями (объектами СУБГРАФа), имеющими линейные размеры до десятков тысяч пикселей -- без снижения скорости загрузки и перемещения; редактор имеет ряд уникальных функций, облегчающих рисование схем и карт и поддерживает обмен информацией с другими графическими форматами (PCX, DXF);

· редактор библиотек графических символов, использование которых существенно повышает скорость и качество формирования чертежей и карт, содержащих множество типовых элементов;

· механизм приложений, связывающий объект или его произвольный фрагмент с какой-либо встроенной функцией СУБГРАФа или любой внешней задачей (типичные примеры -- переход на другой объект и вывод на экран информации из внешних источников данных); приложения активизируются пользователем или запускаются автоматически с заданной периодичностью;

· интерфейс прикладного программирования (API), позволяющий разрабатывать программы с использованием функций СУБГРАФа, таких как показ объекта, отображение на фоне объекта результата работы программы и т.д.;

· настраиваемые пользователем меню.

геоинформационный векторный растровый космический

Области применения

Программа отлично зарекомендовала себя как:

· верхний уровень автоматизированных диспетчерских систем управления любой степени сложности в промышленности, энергетике, на транспорте и в коммунальном хозяйстве;

· средство создания, хранения и обработки больших объемов карт, схем и т.п., в том числе разномасштабных с координатной привязкой;

· инструмент создания информационно-справочных систем с контекстными перекрестными ссылками со страницы на страницу;

· генератор демонстрационных и обучающих программ с графической и текстовой информацией;

· основа для разработки традиционных АРМов с унифицированным пользовательским интерфейсом.

Удачное воплощение удачной идеи: область применения СУБГРАФа оказалась гораздо шире, чем планировалось первоначально. На базе СУБГРАФа разработана система векторного моделирования, дополняющая скорость растровой графики гибкостью векторной.

Windows-версия

В 1996 году появилась версия СУБГРАФ для Windows, полностью сохранившая функциональность прежних версий и расширенная добавлением следующих особенностей:

· стандартный Windows-интерфейс;

· экспорт/импорт изображений через Буфер Обмена;

· распечатка объекта с произвольным масштабом на любом из принтеров, поддерживаемых операционной системой;

· расширенный набор инструментов создания изображения;

· масштабирование изображения;

· использование произвольной системы координат объекта;

· расширенный интерфейс прикладных программ, в том числе -- возможность подключения 32-битных программ.

Таким образом, СУБГРАФ является удобным инструментом для создания современных высокопроизводительных информационно-диспетчерских систем.

Требования к компьютеру:

СУБГРАФ работает под управлением операционных систем DOS и Windows 3.1x/95/98/Me/NT/2000.

Эта технология, обладающая высокой степенью открытости, позволяет применять для ввода графической информации различные внешние графические редакторы (FreeHand, CorelDraw, AutoCAD и др.) и предоставляет на любом этапе возможность расширения набора аналитических функций ГИС за счет усиления ее векторной составляющей.

Начав с векторизации ограниченного числа первоочередных слоев, заказчик в кратчайшие сроки и с минимальными затратами получает работающую ГИС. Далее, по мере появления новых задач, можно переводить в векторное представление дополнительные слои из растровой топоосновы или наносить новые слои, отсутствующие в ней, а также подключать к формируемой информационной системе новые задачи и базы данных.

Основные этапы создания ГИС

Подготовка топоосновы обычно включает следующие этапы:

· сканирование бумажных карт (оригинала топоосновы) или импорт картографических материалов, уже существующих в электронном виде

· "склеивание" фрагментов в единую карту

· оцифровка карты и экспорт ее в СУБГРАФ

· корректировка карты - ручная или по цифровым данным топосъемки, с зачисткой погрешностей сканирования

· создание навигаторов - уменьшенных копий карты, решающих проблему масштабирования

Подготовка растровой топоосновы может производиться любым графическим редактором, но сами мы обычно используем графический редактор СУБГРАФ, позволяющим работать с изображениями практически неограниченного размера на компьютерах стандартной конфигурации.

Подготовка векторных слоев

Особенностью векторного графического редактора является хранение сетевой топологии, что позволяет решать такие задачи, как поиск оптимального пути проезда по городу или теплогидравлический расчет сети.

Векторный редактор позволяет создавать схемы самых различных сетей: водопровод, тепловые сети, газоснабжение, электрические сети и др.

Процесс векторизации включает следующие этапы:

· формирование библиотек примитивов и условных знаков для создания узлов и сложных линий

· формирование описаний типов узлов и линий для векторных слоев. Описание типа узла или линии включает в себя такие атрибуты, как пользовательское название, атрибуты визуализации, список внешних задач

· собственно формирование векторных слоев путем оцифровки растровой топоосновы или импорта информации из других редакторов

Каждому объекту векторного слоя может соответствовать своя семантическая информация (набор паспортов, схем и т.п.). Ввод семантики может производиться как при создании векторного слоя, так и в автономном режиме. Кроме того, могут быть использованы существующие у заказчика базы данных.

Подготовка ГИС для конечного пользователя

Конечной задачей разработанной технологии является формирование доброжелательной информационной среды для пользователя.

Пилотная информационно-картографическая среда формируется уже на первых этапах работы (параллельно с подготовкой карты) и модифицируется в процессе опытной эксплуатации в соответствии с уточняющимися требованиями. Таким образом, к моменту окончания подготовки карты заказчик имеет не "мертвую" картографию, малопригодную для конечного пользователя, а относительно обкатанную информационную систему, обладающую к тому же свойством интегрировать в себя любую другую информацию, даже не связанную напрямую с картографией.

Примеры разработанных ГИС

В качестве примеров я выбрал два проекта ГИС. Один из них выполнен по заказу корпоративного клиента и предназначен для профессионального пользователя. Второй выполнен по собственной инициативе и рассчитан на использование как предприятиями, так и частными лицами.

Информационная система для коммунальных служб и администрации г. Верхняя Салда

Характеристика системы:

· ГИС профессионального уровня с высокими требованиями к точности топоосновы

· исходный материал - планшеты 1:500 и 1:2000

· большое количество векторизуемых объектов (12 слоев)

· разнообразие компоновок рабочих мест

В растровую подложку карты города помещены здания, газоны и улицы с дорожным покрытием. Объекты и коммуникации инфраструктуры (тепловые сети, канализация, водопровод, электрические сети, телефонная канализация и др.) находятся в векторных слоях, которые могут быть выведены на экран в любом сочетании. Поддерживаются печать и копирование в буфер обмена фрагментов подложки с необходимым набором векторных слоев в масштабе 1:500 и 1:2000.



Семантические базы данных содержат технические паспорта жилых домов, а также паспорта объектов теплосетей и электросетей.

Характеристика систем: ГИС начального уровня с минимальными требованиями к точности топоосновы и небольшим количеством векторизуемых слоев; ориентация на неопределенный круг пользователей.

Системы включают следующие векторные слои:

· адреса/предприятия

· муниципальный транспорт

· пользовательские заметки

· сеть улиц

Основные функции:

· работа с картами в различных масштабах

· поиск адресов и предприятий с показом на карте

· расстановка на картах пользовательских заметок (пиктограмм) с редактируемым сопроводительным текстом

· прокладка оптимального маршрута проезда автотранспортом по городу

· распечатка карты

Специализированные продукты на базе "Екатеринбурга"

· показ границ административных районов и патрульных участков на карте

· ведение постовой ведомости и отображение активных постов (ППС, ДПС, ОВО) на карте города

· регистрация совершенных преступлений и отображение их на карте (с определением местонахождения активных близлежащих постов)

· фильтр постов и преступлений

· ведение архива постов и преступлений

Применение ГИС в системе гидравлического расчета

Включение геоинформационного компонента может заметно повысить удобство и функциональность системы гидравлического расчёта теплосети (вычислительной по своей сути задачи) за счет:

· использование векторного слоя тепловой сети в качестве основы для моделирования гидравлических режимов

· автоматического вычисления длин трубопроводов

· наглядной привязка тепловых камер, колодцев, трубопроводов к местности (при отсутствии готового векторного слоя в ГИС)

· быстрого позиционирования карты с использованием адресной базы данных

Такие системы внедрены в городах Петрозаводск и Курган.



ГИС СРЕДИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Первым вопросом человека, не знакомого с географическими информационными системами (ГИС), будет, конечно, "а зачем мне это нужно?".

На первый взгляд достаточно очевидным является только применение ГИС в подготовке и распечатке карт и, может быть, в обработке аэро- и космических снимков. Реальный же спектр применений ГИС гораздо шире, и чтобы оценить его, нам стоит взглянуть на применение компьютеров вообще, тогда место ГИС будет представляться гораздо яснее.

Компьютеры дают не только большее удобство выполнения известных операций с документами, они являются носителем нового направления человеческой деятельности - информационных технологий, и современное общество основано в значительной степени на них.

Информацией в нашем понимании следует называть все, что может быть представлено в виде букв, цифр и изображений. Так вот, все методы, техники, приемы, средства, системы, теории, направления и т.д. и т.п., которые нацелены на сбор, переработку и использование информации, вместе называются информационными технологиями. И ГИС - одна из них.

Эта технология объединяет традиционные операции при работе с базами данных, такими, как запрос и статистический анализ, с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эти возможности отличают ГИС от других информационных систем и обеспечивают уникальные возможности для ее применения в широком спектре задач, связанных с анализом и прогнозом явлений и событий окружающего мира, с осмыслением и выделением главных факторов и причин, а также их возможных последствий, с планированием стратегических решений и текущих последствий предпринимаемых действий.

Создание карт и географический анализ не являются чем-то абсолютно новым. Однако технология ГИС предоставляет новый, более соответствующий современности, более эффективный, удобный и быстрый подход к анализу проблем и решению задач, стоящих перед человечеством в целом, и конкретной организацией или группой людей, в частности. Она автоматизирует процедуру анализа и прогноза.

До начала применения ГИС лишь немногие обладали искусством обобщения и полноценного анализа географической информации с целью обоснованного принятия оптимальных решений, основанных на современных подходах и средствах.
В настоящее время ГИС - это многомиллионная индустрия, в которую вовлечены сотни тысяч людей во всем мире. ГИС изучают в школах, колледжах и университетах. Эту технологию применяют практически во всех сферах человеческой деятельности - будь то анализ таких глобальных проблем как перенаселение, загрязнение территории, сокращение лесных угодий, природные катастрофы, так и решение частных задач, таких как поиск наилучшего маршрута между пунктами - экскурсионный и экстремальный туризм, подбор оптимального расположения нового офиса, поиск дома по его адресу, прокладка трубопровода на местности, различные муниципальные задачи.

Как же удается с помощью одной технологии решать столь разные задачи? Чтобы это понять, рассмотрим последовательно устройство, работу и примеры применения ГИС.

СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ ГИС

Работающая ГИС включает в себя пять ключевых составляющих: аппаратные средства, программное обеспечение, данные, исполнители и методы (см. рис. 2).

АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА

Это компьютер, на котором запущена ГИС. В настоящее время ГИС работают на различных типах компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров.

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГИС

ПО ГИС содержит функции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации. Ключевыми компонентами программных продуктов являются: инструменты для ввода и оперирования географической информацией; система управления базой данных (DBMS или СУБД); инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения); графический пользовательский интерфейс (GUI или ГИП) для легкого доступа к инструментам и функциям.

ДАННЫЕ

Это вероятно наиболее важный компонент ГИС. Данные о пространственном положении (географические данные) и связанные с ними табличные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем, либо приобретаться у поставщиков на коммерческой или другой основе. В процессе управления пространственными данными ГИС интегрирует пространственные данные с другими типами и источниками данных, а также может использовать СУБД, применяемые многими организациями для упорядочивания и поддержки имеющихся в их распоряжении данных

ИСПОЛНИТЕЛИ

Широкое применение технологии ГИС невозможно без людей, которые работают с программными продуктами и разрабатывают планы их использования при решении реальных задач. Пользователями ГИС могут быть как технические специалисты, разрабатывающие и поддерживающие систему, так и обычные сотрудники (конечные пользователи), которым ГИС помогает решать текущие каждодневные дела и проблемы.

МЕТОДЫ

Успешность и эффективность (в том числе экономическая) применения ГИС во многом зависит от правильно составленного плана и правил работы, которые составляются в соответствии со спецификой задач и работы каждой организации.

КАК РАБОТАЕТ ГИС?

ГИС хранит информацию о реальном мире в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе географического положения. Этот простой, но очень гибкий подход доказал свою ценность при решении разнообразных реальных задач: для отслеживания передвижения транспортных средств и материалов, детального отображения реальной обстановки и планируемых мероприятий, моделирования глобальной циркуляции атмосферы. Любая географическая информация содержит сведения о пространственном положении, будь то привязка к географическим или другим координатам, или ссылки на адрес, почтовый индекс, избирательный округ или округ переписи населения, идентификатор земельного или лесного участка, название дороги или километровый столб на магистрали и т.п.



Рисунок 1 послойное представление географической информации в ГИС.

При использовании подобных ссылок для автоматического определения местоположения или местоположений объекта (объектов) применяется процедура, называемая геокодированием. С ее помощью можно быстро определить и посмотреть на карте где находится интересующий вас объект или явление, такие как дом, в котором проживает клиент Вашей туристической компании или находится нужная вам организация, памятное место где произошло историческое событие и имеющуюся об этом информацию, по какому маршруту проще и быстрее добраться до нужного вам пункта или дома и т.д.

ВЕКТОРНАЯ И РАСТРОВАЯ МОДЕЛИ

ГИС может работать с двумя существенно отличающимися типами данных - векторными и растровыми. В векторной модели информация о точках, линиях и полигонах кодируется и хранится в виде набора координат X,Y (в современных ГИС часто добавляется третья пространственная и четвертая, например, временная координата координата). Местоположение точки (точечного объекта), например Приметного камня, описывается парой координат (X,Y). Линейные объекты, такие как дороги, реки или трубопроводы, сохраняются как наборы координат X,Y. Полигональные объекты, типа речных водосборов, земельных участков или областей обслуживания, хранятся в виде замкнутого набора координат.

Векторная модель особенно удобна для описания дискретных объектов и меньше подходит для описания непрерывно меняющихся свойств, таких как плотность населения или доступность объектов.

Растровая модель оптимальна для работы с непрерывными свойствами. Растровое изображение представляет собой набор значений для отдельных элементарных составляющих (ячеек), оно подобно отсканированной карте или картинке. Обе модели имеют свои преимущества и недостатки.

Современные ГИС могут работать как с векторными, так и с растровыми моделями данных.

Задачи, которые решает ГИС

ГИС общего назначения, в числе прочего, обычно выполняет пять процедур (задач) с данными: ввод, манипулирование, управление, запрос и анализ, визуализацию.

Ввод

Для использования в ГИС данные должны быть преобразованы в подходящий цифровой формат. Процесс преобразования данных с бумажных карт в компьютерные файлы называется оцифровкой. В современных ГИС этот процесс может быть автоматизирован с применением сканерной технологии, что особенно важно при выполнении крупных проектов, либо, при сравнительно небольшом объеме работ, данные можно вводить с помощью дигитайзера. Некоторые ГИС имеют встроенные векторизаторы, автоматизирующие процесс оцифровки растровых изображений. Многие данные уже переведены в форматы, напрямую воспринимаемые ГИС-пакетами.

Манипулирование

Часто для выполнения конкретного проекта имеющиеся данные нужно дополнительно видоизменить в соответствии с требованиями вашей системы. Например, географическая информация может быть в разных масштабах (осевые линии улиц имеются в масштабе 1: 100 000, границы округов переписи населения - в масштабе 1: 50 000, а жилые объекты - в масштабе 1: 10 000). Для совместной обработки и визуализации все данные удобнее представить в едином масштабе и одинаковой картографической проекции. ГИС-технология предоставляет разные способы манипулирования пространственными данными и выделения данных, нужных для конкретной задачи.

Управление

В небольших проектах географическая информация может храниться в виде обычных файлов. Но при увеличении объема информации и росте числа пользователей для хранения, структурирования и управления данными эффективнее применять системы управления базами данных (СУБД), специальные компьютерные средства для работы с интегрированными наборами данных (базами данных) (см. рис. 5). В ГИС наиболее удобно использовать реляционную структуру, при которой данные хранятся в табличной форме. При этом для связывания таблиц применяются общие поля. Этот простой подход достаточно гибок и широко используется во многих, как ГИС, так и не ГИС приложениях.

Запрос и анализ

При наличии ГИС и географической информации Вы сможете получать ответы как на простые вопросы (Кто владелец данного земельного участка, отеля, курорта? На каком расстоянии друг от друга расположены эти объекты? Где количество номеров в данных гостиницах?), так и на более сложные, требующие дополнительного анализа, запросы (Где есть места для строительства нового кемпинга? Каков основный тип почв под еловыми лесами? Как повлияет на движение транспорта строительство новой дороги?). Запросы можно задавать как простым щелчком мышью на определенном объекте, так и посредством развитых аналитических средств.

С помощью ГИС можно выявлять и задавать шаблоны для поиска, проигрывать сценарии по типу "что будет, если…". Современные ГИС имеют множество мощных инструментов для анализа, среди них наиболее значимы два: анализ близости и анализ наложения.

Для проведения анализа близости объектов относительно друг друга в ГИС применяется процесс, называемый буферизацией. Он помогает ответить на вопросы типа: Сколько домов находится в пределах 100 м от этого водоема? Сколько покупателей живет не далее 1 км от данного магазина? Какова доля доходов от туристического бизнеса в казну города с данного участка побережья? Есть ли участки зон отдыха недостаточно обслуживаемые сервисными службами? Процесс наложения включает интеграцию данных, расположенных в разных тематических слоях. В простейшем случае это операция отображения, но при ряде аналитических операций данные из разных слоев объединяются физически. Наложение, или пространственное объединение, позволяет, например, интегрировать данные о почвах, уклоне, растительности и землевладении со ставками земельного налога.

Визуализация

Для многих типов пространственных операций конечным результатом является представление данных в виде карты или графика. Карта - это очень эффективный и информативный способ хранения, представления и передачи географической (имеющей пространственную привязку) информации. Раньше карты создавались на столетия. ГИС предоставляет новые удивительные инструменты, расширяющие и развивающие искусство и научные основы картографии. С ее помощью визуализация самих карт может быть легко дополнена отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками, таблицами, диаграммами, фотографиями и другими средствами, например, мультимедийными.

Связанные технологии

ГИС тесно связана с рядом других типов информационных систем. Ее основное отличие заключается в способности манипулировать и проводить анализ пространственных данных. Хотя и не существует единой общепринятой классификации информационных систем, приведенное ниже описание должно помочь дистанциировать ГИС от настольных картографических систем (desktop mapping), систем САПР (CAD), дистанционного зондирования (remote sensing), систем управления базами данных (СУБД или DBMS) и технологии глобального позиционирования (GPS).
Системы настольного картографирования используют картографическое представление для организации взаимодействия пользователя с данными. В таких системах все основано на картах, карта является базой данных. Большинство систем настольного картографирования имеет ограниченные возможности управления данными, пространственного анализа и настройки. Соответствующие пакеты работают на настольных компьютерах - PC, Macintosh и младших моделях UNIX рабочих станций.

ГИС и спутниковые технологии

C развитием высоких технологий в нашем быту происходят стремительные перемены. Кто десять-пятнадцать лет назад мог предположить, что мобильная связь станет общедоступной?

А как вам понравится вместо атласа автомобильных дорог электронный планшет, в котором не только имеются карты или планы местности в любом масштабе, но и указываются ваши местоположение и направление движения?

С его помощью можно определить, как лучше добраться до интересующего «адреса» (детализация - вплоть до поэтажного плана здания), получить информацию о проводимых дорожных работах и т. п. Думаете, фантастика? Ничуть!

Например, для английских автомобилистов такие электронные атласы стали уже привычными. Придумываются сотни новых применений для навигационных приемников. Куда их только не пытаются встроить! Практически все известные автомобилестроители комплектуют ими свои машины.

Сегодня работают две спутниковые системы - американская Navstar (Navigation System using Timing And Ranging), больше известная нам как GPS (Global Positioning System), и отечественная «ГЛОНАСС». Принципы их работы во многом схожи.

Главная задача спутников, входящих в состав этих систем, заключается в постоянной передаче сигналов, которые принимают наземные (авиационные, корабельные, автомобильные, ручные и т. д.) приемники. Системы построены так, что приемник одновременно «видит» несколько спутников.

Сравнивая задержки в приходе сигналов от разных спутников, приемник вычисляет расстояние от себя до них, а затем решает систему уравнений, чтобы определить свои координаты. Просто и красиво!

Возникает вопрос: «Ну и что с этими координатами буду делать? Удовлетворять свое любопытство? Неужели я без спутников дорогу домой не найду?»

Никто и не утверждает, что навигационные приемники нужны всем и всегда . Спутниковая навигация требуется тем областям, в которых без знания координат не обойтись, - авиации, морскому и автомобильному транспорту, диспетчерским и геоинформационным системам, проектированию и строительству, службам спасения, туризму, охоте, рыбалке и т. д.

Имея навигационный приемник, можно с точностью до нескольких метров определять свои координаты, скорость перемещения и направление движения. В сочетании с электронной картой местности (ГИС) и средствами мобильной связи получается мощнейший инструмент для построения диспетчерских систем. Первыми из гражданских пользователей возможности спутниковой навигации оценили банкиры: были созданы системы слежения за перевозкой денежных ценностей.

Диспетчер банка видит на мониторе всю картину - на какой улице и возле какого дома находится автомобиль инкассации, куда движется, есть ли проблемы у экипажа и т.д. Аналогичные системы разворачиваются для «экстренных» служб, туристических операторов экстремального туризма за рубежом.

На территории России такие технологии применять ЗАПРЕЩЕНО!

Дело в том, что по Российском законодательству к государственной тайне отнесены сведения о координатах с точностью 30 м и лучше. Координаты с точностью от 30 до 100 м отнесены к сведениям ограниченного распространения, доступным лишь представителям федеральных органов государственной власти.

Точность же бытовых навигационных приемников, как правило, не хуже 50 м, а при продолжительном пребывании в одной точке они способны определить координаты с точностью до 10 м. Отсюда вывод - без соответствующих разрешений пользоваться навигационными приемниками противозаконно, но разрешение может получить только организация имеющая лицензию на право ведения топографической деятельности на территории РФ. Зачем такая лицензия туроператору?

Таким образом до цивилизованного бизнеса в этой сфере у нас еще очень далеко.

В очевидном проигрыше оказываются все - потребители, которые лишаются удобного инструмента для бизнеса и отдыха, продавцы и производители, чьи доходы могли быть куда более высокими, Военно-космические силы, с трудом поддерживающие работу «ГЛОНАСС», и бюджет, теряющий дополнительные средства с навигационного рынка.

ОПЫТ НИИ БЖД РБ В ОБРАБОТКЕ КОСМИЧЕСКИХ ДАННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

В настоящее время Научно-исследовательский институт безопасности жизнедеятельности Республики Башкортостан (НИИ БЖД РБ) является головной организацией в РБ по решению задач связанных с анализом, предупреждением и прогнозированием чрезвычайных ситуаций техногенного и природного характера. С целью своевременного информационного обеспечения контроля территориальных процессов на базе отдела мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций (ЧС) в 1995 году в нем создан центр оперативного приема космических данных.

Учитывая потребность органов власти в систематическом получении информации по всей территории РБ, основной акцент в создании и развитии центра был направлен на прием и обработку космических снимков низкого и среднего пространственного разрешения. За время существования центра на базе станций приема «СканЭкс» и «СканЭр» сформирован значительный банк космических снимков NOAA и Resurs, а также снимков Terra (MODIS, Aster), Landsat (TM, ETM+), Spot 4 и других, полученных по сети Интернет или путем обмена/покупки. Возможность получения данных от местных территориальных ведомств привела к развитию геоинформационных технологий на основе интеграции двух типов потоков данных - космических и наземных. Работы в центре регулярно ведутся по нескольким направлениям.

Мониторинг паводковой обстановки. Исходной информацией являются архивные космические снимки Terra (MODIS, Aster), Resurs, Landsat и многолетние данные об уровнях воды на гидропостах. С использованием методов статистического анализа определяются и прогнозируются зоны затопления и подтопления. В качестве дополнительной информации по развитию паводковой ситуации используются карты заснеженности водосборов, полученные по оперативным снимкам NOAA (рис. 1).

Рис. 1. Мониторинг паводковой обстановки.

Мониторинг пожароопасной обстановки. На основе оперативных снимков NOAA в автоматическом режиме детектируются источники открытого огня площадью ~100м², а результаты детектирования верифицируются на «местах». Кроме того, перед пожароопасным периодом на основе температурных карт определяются наиболее опасные ареалы растительности (рис. 2).

Рис. 2. Мониторинг взрывопожарной обстановки.

Мониторинг атмосферы. По оперативным данным NOAA формируются карты аэрозольных выбросов промышленных предприятий на территории крупных городов РБ, которые интегрируются с результатами геоинформационного моделирования загрязнения атмосферы от промышленных, передвижных источников и с данными наземных постов контроля (рис. 3).

Рис. 3. Мониторинг загрязнения атмосферы.

Экологическая экспертиза состояния природоохранных объектов. На основе данных Resurs, Terra (Aster) классифицируются лесные массивы по степени техногенной угнетенности, определяется степень загрязнения крупных водоемов, выявляются нарушения природоохранных зон охраняемых территорий в результате хозяйственной деятельности (рис. 4).

Рис. 4. Анализ экологического состояния территорий.

Корректировка топографической основы. Состояние объектов, отражаемых на электронных картах, в ряде случаев не соответствует действительности. Изменяются лесные массивы, водные объекты, появляются новые дороги. На основе снимков среднего/высокого пространственного разрешения ведется систематическая работа по корректировке карты и совершенствованию ее достоверности.

Центр также периодически осуществляет работу в других областях:

· изучение распределения озона в атмосфере;

· определение изменений рельефа в связи с антропогенной деятельностью;

· анализ овражно-балочной и эрозионной сети;

· оценка степени засоления и структурных изменений почвенного покрова;

· изучение фитосанитарного состояния и динамики развития растительного покрова;

· оценка ареалов загрязнения снежного покрова

· и др.

Одним из основных направлений деятельности НИИ БЖД РБ является разработка документов промышленной безопасности для предприятий, городов, региона. В последнее время космические снимки и здесь находят свое применение. В основном это снимки высокого и среднего пространственного разрешения. Так, например, для создания планов ликвидации аварийных разливов нефти используются стереопары, позволяющие воспроизвести достаточно реальный рельеф вблизи опасных объектов, или анализируется почвенный состав для моделирования растекания и впитывания нефти. Детальные космические снимки позволяют более точно определить местоположения и площади свалок, отстойников и т.п.

Помимо прикладных задач, в центре оперативного приема космических данных ведутся разработки в научно-теоретическом плане, в частности: исследование фрактальной структуры космических изображений с помощью вейвлет преобразований; создание алгоритмов распознавания образов, применимых в случае неполной информации о вероятностных характеристиках классов и др.

Программно-аналитическую основу решения вышеуказанных задач составляют программные продукты от мировых лидеров в области геоинформационных технологий Leica Geosystems и ESRI. Многофункциональность и построенная на единых стандартах модульная структура последних разработок программных продуктов ERDAS IMAGINE 8.7, LPS 8.7, ArcGIS 9, дополненных собственными моделями и модулями, позволила существенно автоматизировать обработку, предоставление космических данных и более эффективно решать многие научно-прикладные вопросы.

О применении стандартов при организации геоданных

Стремительное развитие технологий Географических информационных систем (ГИС) существенно расширяет круг пользователей, являющимися специалистами в различных предметных областях. И один из главных вопросов, связанных с успешной и грамотной реализацией ГИС проектов по проработанным и новым тематическим направлениям - как хранить данные?

Немного истории

Научно-исследовательский институт безопасности жизнедеятельности является проектной организацией, подведомственной МЧС. Руководство изначально сделало ставку на использование геоинформационных технологий, и уже более 10 лет институт является одной из ведущих организаций в Башкирии, использующих ГИС в решении различных задач. Кроме того, по заказу других министерств и крупных ведомств нашими специалистами были изготовлены специализированные тематические карты, реализовано множество информационно-справочных ГИС, собран огромный объем пространственных данных.

Специфика работы в сверхоперативном режиме, когда карту надо сделать «вчера», имеет ряд особенностей, в том числе и негативных. С одной стороны, собран уникальный картографический банк данных разных масштабов и тематической направленности. Но, с другой стороны, имеющиеся данные настолько разрозненны и неструктурированны, что на их поиск, разбор и понимание требуется значительное время.

Этапы большого пути

Большинство наших проектов выполняется для оценки, прогнозирования ЧС и анализа промышленной безопасности, и, чтобы исправить сложившуюся ситуацию, нами были разработаны собственные классификаторы и шаблоны на уровне персонального хранения, а именно определены базы геоданных с наборами данных и входящими в них покрытиями (или каталог с подкаталогами и хранящимися в них шейп-файлами). Например, при работе над отдельным опасным объектом или территорией набор/подкаталог «Результат» включал в себя покрытия, связанные с последствиями аварий: зоны поражения, изолинии риска и т.п. Стало значительно легче обмениваться информацией между специалистами, восстанавливать карты, но это не решило проблему хранения данных. Особенно ярко она себя проявляла, когда необходимо было работать сразу над группой опасных объектов. По сути, это был устаревший вариант листового хранения данных.

С картографическими данными в других предметных областях (энергетика, связь, муниципалитеты) ситуация была еще хуже. Данные поступали из разных источников и сильно различались по составу и содержанию. В некоторый момент времени были предприняты безуспешные попытки использовать всеобъемлющие классификаторы, способные «принять в себя» любые карты. Так, например, при формировании карты муниципалитета в набор «застройка» входило свыше 20 покрытий, хотя в действительности заполнены были 2-3 покрытия. Требовалось что-то предпринять.

Зачем изобретать велосипед?

К счастью для нас, мы работаем на программных продуктах ArcGIS от мирового лидера в области ГИС - компании ESRI, которая всегда уделяла большое внимание стандартам, в том числе вопросам моделирования и хранения данных. Посещая веб-страницу технической поддержки http://support.esri.com и ее раздел «Data Models», мы не раз обращали внимание на перечень представленных там моделей данных (их более 30!). Но ложное ощущение, что это «не наши» стандарты, и скромное познание английского языка препятствовали их использованию.

Однако при реализации очередного муниципального проекта по созданию диспетчерского ситуационного центра мы решились сделать все «по правилам». Мы обратились к модели «Local Government», которая, с одной стороны, определяет необходимый и достаточный набор данных для описания территории населенного пункта и, с другой стороны, предполагает эффективное использование адресного плана и сети дорог, что было особенно важно в рамках этого проекта. Опыт оказался успешен, и уже в следующем проекте мы использовали модель «Hydro», затем «Basemap», «Environmental Regulated Facilities» и др. Сейчас мы активно применяем порядка 7-8 моделей данных, над которыми работали современные «умы» в области ГИС, а мы занимаемся сугубо профессиональными вопросами - информационным пополнением, расширением функциональности ГИС, реализацией проектов «под ключ».

А теперь конкретно

Очевидно, что ключевым достоинством использования готовых моделей является то, что они грамотно продуманы по структуре, составу и связям, логически и физически реализованы, документированы и готовы для заполнения. Но преимущества от их применения этим не ограничиваются. Перечислим некоторые наши «находки».

1. Некоторые модели снабжены бесплатными многофункциональными инструментами. Так, модель «Hydro» поставляется совместно с «Arc Hydro Tools». Этот набор включает в себя более 70 инструментов по подготовке и обработке данных. Практически, имея цифровую модель рельефа, линейное и полигональное покрытие водных объектов, можно сформировать такие важные для гидрологии покрытия, как водоразделы, бассейны, связную гидрологическую сеть. Взяв данную модель за основу, наши коллеги из компании ООО «ИНТРО-ГИС» дополнили ее несколькими покрытиями и создали дополнительный набор инструментов по анализу весеннего половодья. Он позволяет за 15-20 минут в автоматизированном режиме сформировать информационный бюллетень, включающий в себя набор карт, диаграмм, таблиц и текстовое описание по оценке и прогнозу прохождения паводка.

2. Совместно с моделями (например, BaseMap) поставляются проработанные стили и шаблоны оформления отдельных слоев, то есть полученные карты будут легки для понимания большим кругом пользователей.

3. В документации приведено не только описание текущего состояния моделей, но и указаны приемы по их дальнейшему самостоятельному развитию. Так, в модели «Environmental Regulated Facilities» (она описывает источники воздействия на окружающую среду) приведен ограниченный состав покрытий. При этом даны конкретные рекомендации о том, как дополнять модель по мере появления новых типов источников, которые не вошли в первоначальный состав. Данный процесс проходит в два этапа. Сначала вносится ориентир объекта, а по мере появления более детальных данных формируется полноценное покрытие с учетом его геометрического представления.

4. В моделях приведены оригинальные подходы к организации данных. Так, одна из частых проблем ненормализованной формы - связь «многие ко многим» - нередко решается введением нелогичной избыточной таблицы и появлением двух связей: «многие к одному» и «один ко многим». В области промышленной безопасности примером является случай, когда необходимо отследить связь от различных опасных объектов (резервуары, колонки…) к различным факторам поражения (пожары, взрывы…). После ознакомления с несколькими моделями было найдено удобное решение. В отдельной таблице указываются диапазоны индексов опасных объектов, которые не пересекаются между собой, и можно безболезненно указывать индекс любого опасного объекта в любом покрытии поражения, а специальный инструмент помогает в этом. Полезна и такая рекомендация: не пытайтесь указать в покрытии все атрибутивные характеристики, которыми может обладать объект на карте. Укажите только основные, а редко встречающиеся на практике атрибуты вынесите в отдельную таблицу. Таблицы не будут разряжены, плюс экономится дисковое пространство.

5. Комбинация и разделение покрытий. Ранее мы создавали топографическую карту (растительность, водные объекты, дорожная сеть, производственная зона, жилой квартал …) из отдельных слоев. Сейчас эти покрытия сведены в одно, что удобно и для формирования обзорных карт, и для анализа. В частности, при моделировании разлива нефтепродуктов достаточно работать с одним покрытием, чтобы оценивать просачиваемость или испарение.

Итак…

Теперь все наши геоданные разбиты на несколько тематических баз, которые с надстройкой или без нее переведены на сервер SDE. За счет изменения псевдонимов модели локализованы на русский язык. При выполнении очередного проекта, как правило, бывают задействованы 2-4 базы геоданных. Анализ бизнес-процессов, связанных с использованием карт, до и после этапов перехода на стандартизированные модели показал, что время на поиск и доступ к нужной информации сократилось минимум в 2 раза, а в отдельных случаях на 1-2 порядка. В ближайшее время нам предстоит выполнять проект по транспортным сетям, но мы уже заблаговременно ознакомились с моделью «UNETRANS». Кстати, в описании к этой модели приведен интересный теоретический экскурс о появлении и развитии различных транспортных моделей данных, а сама модель интегрирует преимущества каждой из них. Так что теперь, при подготовке к реализации новых проектов, первое, что мы сделаем, - это смотрим, какие модели данных у ESRI уже имеются и как их можно использовать.

Моделирование аварийных разливов нефти и нефтепродуктов для планирования действий в условиях ЧС

В целях обеспечения эффективности мероприятий по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов, защиты населения и окружающей среды от их вредного воздействия Правительством Российской Федерации было разработано и утверждено 21 августа 2000 г. постановление № 613 «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов». Согласно данному постановлению, Министерство по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий совместно с Федеральным горным и промышленным надзором России разработали ряд мероприятий, направленных на поддержание в постоянной готовности к ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов организаций, осуществляющих разведку месторождений, добычу нефти, а также переработку, транспортировку, хранение нефти и нефтепродуктов.

В комплекс разработанных мероприятий входит обязательная разработка предприятиями Планов по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов (ПЛАРН).

Во исполнение данного постановления, Кабинетом министров Республики Башкортостан (РБ) были утверждены основные требования к разработке ПЛАРН предприятий, расположенных на территории РБ. Согласно данным требованиям, основополагающим разделом любого ПЛАРН является раздел прогнозирования возможных разливов нефти и нефтепродуктов. Результаты выполнения данного раздела позволяют провести расчеты по большинству разделов ПЛАРН: рассчитать количество сил и средств, достаточное для ликвидации чрезвычайных ситуаций (ЧС), определить необходимость привлечения профессиональных аварийно-спасательных формирований, определить первоочередные действия при получении сигнала о ЧС и др.

Прогнозирование возможных разливов нефти и нефтепродуктов производится на основе построенных моделей разлива нефти и нефтепродуктов. Для решения задачи моделирования удобные средства предоставляют современные ГИС-технологии. Они позволяет получить достоверную информацию о территории, на которой произошла ЧС, провести моделирование с учетом географических характеристик местности, а также наглядно представить его результаты.

Большой опыт по решению задач моделирования возможных разливов нефти и нефтепродуктов на основе ГИС накоплен в РБ в Научно-исследовательском институте безопасности жизнедеятельности (НИИБЖД). Разработанная технология включает:

· Создание геоинформационной модели территории, содержащей различные слои цифровой картографической информации на место расположения объекта моделирования (дороги, водные объекты, растительность и т.п.);

· Построение корректной модели рельефа с использование цифровых покрытий изолиний высот, точечных отметок высот, гидрологической сети;

· Определение маршрутов стекания нефти и нефтепродуктов. На основе модели рельефа рассчитываются модели уклонов и направлений, что позволяет определить траекторию стекания с учетом характеристик нефтепродукта (вязкость и просачиваемость);

· Определение мест скопления нефти. Поскольку такие места приурочены к локальным понижениям рельефа, скопления выявляются путем сопоставления рельефа и «зеркала» поверхности на заданном уровне.

В соответствии с предложенной технологией, при разработке ПЛАРН сначала производится оцифровка генплана предприятия с использованием линейки программных продуктов ArcGIS. Далее на основе цифрового векторного генплана предприятия и цифровой векторной карты территории строится трехмерная модель местности окрестностей предприятия с размещенными на ней объектами экономики и жизнедеятельности.

На основе этих цифровых векторных данных осуществляется моделирование возможных разливов нефти и нефтепродуктов (рис. 1, 2). Так как основными опасными объектами (объектами, на которых возможен разлив нефти и нефтепродуктов) рассмотренного предприятия являются резервуары и трубопроводы, моделирование производится отдельно для точечных объектов (резервуаров) и для линейных объектов (трубопроводов). Моделирование на основе ГИС позволяет наглядно представить маршруты стекания нефтепродуктов, а также рассчитать площадь пятна и длину маршрута разлива нефтепродукта.

Рис. 1. Прогноз разлива нефтепродуктов при аварии на резервуарах.

Рис. 2. Прогноз разлива нефтепродуктов при аварии на трубопроводе.

Полученные результаты являются основой для оценки и расчета вредного воздействия аварийных разливов на население и территорию, а также для планирования мероприятий по ликвидации последствий этого разлива: утилизации разлившихся нефтепродуктов и почвы, расчета сил и средств для этих работ. ГИС-технологии позволяют также оптимизировать и отображать в картографической форме маршруты выдвижения сил и средств для локализации и ликвидации последствий аварийных разливов (рис. 3).

Рис. 3. Размещение и выдвижение сил и средств.

Таким образом, применение ГИС-технологий при разработке ПЛАРН предприятий позволяет повысить точность и адекватность оценки последствий возможных аварий, более качественно планировать свои действия по ликвидации этих последствий.

ГИС ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ ЧС

Крупные аварии и катастрофы последних десятилетий оказали существенное влияние на развитие общества и отношение государства к проблемам, связанным с чрезвычайными ситуациями. Были созданы специальные структуры, оснащаемые современным оборудованием, ведется подготовка квалифицированных кадров, разрабатываются и постепенно внедряются прогрессивные методы мониторинга, предупреждения и реагирования. В этой многогранной деятельности информационная вооруженность имеет первостепенное значение.

Организация и управление деятельностью государственных органов по предупреждению и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций (ЧС), защите и спасению населения и территорий от ЧС природного и техногенного характера основаны на обработке больших массивов разнообразной, быстро меняющейся (возникающей) информации. Совершенствование способов и процессов работы с этой информацией является одним из средств повышения эффективности деятельности руководства и органов государственной власти всех уровней. Основным органом исполнительной власти по предупреждению и ликвидации последствий ЧС в Российской Федерации (РФ) является Министерство по делам гражданской обороны и чрезвычайным ситуациям (МЧС).

В соответствии со сложившейся структурой государственного управления в РФ, органы МЧС имеют иерархически взаимосвязанные уровни:

· федеральный (центральный аппарат МЧС России);

...