Техническое (аппаратное) обеспечение ГИС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова»

Лесоинженерный факультет

Кафедра сухопутного транспорта леса

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

на тему: Техническое (аппаратное) обеспечение ГИС

дисциплина: Основы геоинформатики

Выполнил: Скворцов А.М.

Проверил: Громская Л.Я.

Санкт-Петербург - 2014

Введение

В настоящее время на рынке существует огромное количество ГИС, предназначенных для решения разных задач и имеющих неодинаковые функциональные возможности. Одни из них предназначены для эксплуатации на ПК, другие - на компьютерах, называемых рабочими станциями (Workstation). Рабочая станция - это компьютер, обычно, работающий с операционной системой типа UNIX и, как правило, базирующийся на процессорах из клана RISC. Эти особенности рабочих станций позволяют реализовать многозадачность. Кроме того в рабочую станцию заложена возможность подключения большого количества менее мощных ЭВМ (обычно тех же ПК) - таким образом легко организуется вычислительная компьютерная сеть. Информация, хранящаяся в базах данных ГИС, постоянно обновляется и растет, поэтому важно правильно оценить, какого объема она может достигнуть, и в зависимости от этого выбирать программное и аппаратное обеспечение.

аппаратный стример дигитайзер геоинформационный

Рабочие станции

При больших объемах работ и информации используются рабочие станции. Наиболее известны рабочие станции фирм DEC, INTERGRAPH, SUN, IBM, Hewlett - Packard, Silicon Graphics и др. Наилучшим образом рабочую станцию можно охарактеризовать двумя словами: мощность и скорость. Поскольку, для большинства ГИС оперирование огромными базами данных, в которых постоянно происходит поиск, сортировка, обновление, быстрая работа с графикой высокого качества являются необходимыми требованиями, то именно рабочие станции в ГИС-технологии получили достаточно широкое распространение. Базовые технические средства рабочих станций, так же как и у ПК, определяются основными структурными компонентами: процессором, видеосистемой, системным интерфейсом.

Сети

Рабочая станция комплектуется портами, обеспечивающими подключение к ней других компьютеров, и образует таким образом сеть. В сетях существуют специальные средства, обеспечивающие связь и координацию различных компьютеров. Взаимодействие между ЭВМ осуществляется устройствами, называемыми сетевыми контроллерами или сетевыми адаптерами. Специальное программное обеспечение позволяет получать доступ к другим компьютерам сети прямо с терминала, оператор может пользоваться за своим пультом данными, хранящимися в памяти центрального компьютера, просматривать, дополнять, редактировать их.

Внешние запоминающие устройства

В качестве внешних запоминающих устройств в ПК используются накопители на гибких дисках (дискетах), накопители на жестких дисках (Hard Drive или HD), которые называют также "винчестер", оптических и магнитооптических дисках, и стриммеры.

Жесткие диски

Накопители на жестких дисках предназначены для постоянного хранения информации, используемой при работе с компьютером, программ операционной системы, постоянно применяемых пакетов, редакторов документов и т.д. Без жесткого диска в настоящее время практически невозможна работа с компьютером. Емкость HD в настоящее время обычно 850 Мб-1/6 Гб (для бытовых ПК) и более 2 Гб (для ПК/ используемых на производстве). Возможна установка дополнительного жесткого диска. В литературе появилась информация о том/ что в 1997 году фирмы Seagate Technology/ SyQuest Technology/ Quantum и другие приступят к производству недорогих HD емкостью 4-7 Гб. По оценкам специалистов/ к 2000 году минимальный объем HD будет составлять 5-7 Мб.

Оптические диски

Основными достоинствами накопителей на оптических дисках являются: высокая плотность записи информации ( по крайней мере в 10 раз выше, чем на любом магнитном носителе); универсальность, т.е. пригодность для хранения информации, записанной в различной форме; возможность быстрой перезаписи огромные объемов информации и надежность длительного хранения дисков; низкая удельная стоимость на байт информации. За рубежом выпускаются два типа накопителей на оптических дисках: на компакт-дисках постоянной памяти (CD ROM) и на перезаписываемых оптических дисках (CD-R). CD ROM по формату напоминает звуковой компакт-диск, его емкость при стандартном диаметре 130 мм. составляет 540 Мб и более. Накопители на оптических дисках могут содержать различные руководства и учебники, эталонные копии программного обеспечения и другую неизменяемую информацию. Вместо хранения более 500 млн. алфавитно-цифровых знаков накопитель может содержать до 20 000 страниц графических данных или 3600 цветных телевизионных кадров. Большинство фирм, выпускающих накопители, изготавливают свои собственные диски, переписывая на них информацию со стандартных девятидорожечных магнитных лент. Помимо накопителей на оптических дисках постоянной памяти имеются компактные накопители на дисках с записью диаметром 133 мм. В таких дисках данные могут быть записаны непосредственно пользователем. В последнее время появились недорогие устройства для записи информации на компакт-диски (CD-R). Большинство из этих устройств записывает информацию с удвоенной и считывает с учетверенной скоростью. Такие устройства можно использовать для резервного копирования информации. В 1996 году началось производство устройств для работы с дисками нового стандарта - цифровых видеодисков (DVD-ROM). Конструкция дисков такова, что она позволяет производить запись на обе стороны диска. Вместимость одной стороны диска составляет 4,7 Гб, а емкость двухстороннего двухслойного диска - 17 Гб. Для сжатия данных в устройствах этого типа используется алгоритм MPEG-2. Максимальная скорость передачи данных, достижимая устройствами DVD, составляет 10 Мбит/с.

Стримеры

Стример - устройство для сохранения всей информации, находящейся на жестком диске. Стример записывает информацию на кассеты с магнитной лентой. Преимущество стримеров в низкой стоимости хранения данных. Сейчас она все еще меньше, чем при хранении на перезаписываемых компакт дисках (CD-R) или магнитооптических дисках (МО) Имеется большое разнообразие стримерных картриджей, но из них обычно выделяют три разновидности - QIC, DDS и 8мм. В формате QIC используется лента шириной 0,25 дюйма и два размера картриджей - 3,5 и 5,25 дюймов. Устройства QIC 5,25 - профессиональные, их обычно применяют на рабочих станциях. Устройства QIC 3,5 выпускаются несколькими фирмами. Фирма Sony в 1993 году разработала формат QIC-Wide с лентой шириной 8 мм и емкостью до 2,5 Гб. В 1994 году компания ЗМ разработала новый формат - Travan, а в 1995 году фирмы Gegatek и Verbatim - формат ЕХТга. Сейчас существует пять типов картриджей Sony, шесть типов картриджей Travan и шесть ЕХТга. Их емкость от 60-120 Мб до 1-2 Гб. Несколько лет назад появились два новых стандарта - картриджи "винтового сканирования" DDS и 8mm. Они разработаны фирмой Sony. Кассеты DDS вмещают без сжатия 8 Гб, а кассеты 8mm - 20Гб.

Периферийные устройства ввода

К устройствам ввода информации относятся клавиатура, дигитайзеры, сканеры и некоторая другая специализированная аппаратура.

Сканеры

Сканеры - устройства для считывания графической и текстовой информации. В ГИС они широко используются для получения растровых образов карт. Сканер позволяет создавать электронную копию изображения для последующей ее обработки. Кроме того, сканеры применяются для автоматизации делопроизводства, в издательской деятельности и т.д. Понятно, что для обеспечения различных видов деятельности нужны разные по своим характеристикам сканеры. Классифицировать сканеры можно по следующим параметрам:

- способу подачи исходного материала для считывания (ручные, планшетные, протяжные, например, роликовые, и барабанные);

- по принципу считывания информации (работающие на просвет, работающие на отражение);

- по глубине цвета (2, 8 или более бит на точку) или отношению к цветопередаче (штриховые, полутоновые и цветные).

Среди других параметров, характеризующих свойства устройств для сканирования, следует выделить: оптическое (геометрическое) разрешение, геометрическую точность, скорость и формат (максимальный размер) сканируемого источника. Ручные сканеры имеют Т-образный вид и осуществляют сканирование при ручном перемещении сканера по оригиналу. Обычная ширина сканирования 10 см. Эти сканеры самые дешевые. Ясно, что при ручном использовании они мало пригодны для ввода картографической информации, поскольку не позволяют получить требуемую точность. Однако, есть примеры совмещения ручного сканера с высокоточным графопостроителем, что дает удовлетворительное качество сканирования. Эти сканеры работают на отражение, имеют оптическое разрешение 100-800 dpi ( точек на дюйм). Глубина цвета может быть от 8 бит (полутоновые) до 24 бит (цветные). Протяжные сканеры при сканировании протаскивают оригинал через себя. В этом случае, как правило, имеются ограничения только на один размер - ширину листа. Эти сканеры могут работать как на отражение, так и на просвет. Типичными представителем этого типа сканеров являются рулонные сканеры. Барабанные сканеры имеют барабан, на который крепится сканируемый материал. Сканирование производится при вращении барабана. Сканирующая головка перемещается по направляющей параллельно оси барабана. Размер сканируемого оригинала зависит от размера барабана. Принцип работы планшетного сканера относительно прост. Внутри светонепроницаемого корпуса помещается устройство, состоящее из люминесцентной или специальной лампы, освещающей изображение, и фотоэлемента, собирающего отраженный (или прошедший) свет. Устройство представляет из себя матрицу из тысяч светочувствительных ячеек, каждая из которых накапливает заряд и приобретает потенциал, величина которого пропорциональна энергии поглощенного света. Затем аналого-цифровой преобразователь определяет для каждого потенциала его цифровое значение (диапазон значений зависит от разрешающей способности преобразователя). В то время как сканер считывает изображение, интерфейсная плата передает соответствующие данные в ПК, где они обрабатываются в прикладных системах. Большинство черно-белых сканеров может работать в черно-белом контрастном и полутоновом режиме, кроме того, возможно получение так называемого псевдополутонового изображения, где для имитации оттенков серого используются контрастные графические структуры (маски) с переменной плотностью заполнения. Черно-белый контрастный или штриховой режимы работы сканера предназначены для ввода чертежей или текстов. Для получения качественного изображения можно сканировать образец с наивысшим разрешением и максимальным количеством оттенков цвета, однако, как правило, в этом нет необходимости при использовании результатов сканирования для векторизации или в качестве растровой подложки в ГИС. В этом случае удобно использовать псевдо-полутоновое изображение, которое сканируется значительно быстрее, и занимает на диске гораздо меньше места. Кроме того, такие изображения пригодны для непосредственного вывода на лазерный принтер без предварительной модификации. Результат сканирования представляется в виде файла, который может быть представлен в различных форматах. Наиболее популярны TIFF, PCX, GIF, EPS, BMP. Размеры места на диске, необходимого для хранения изображения, зависят от величины изображения, разрешающей способности сканера, а также от количества оттенков цвета. Изображение размером 10х13 см., отсканированное в штриховом режиме с разрешением 300 точек на дюйм, в формате TIFF занимает около 200 Кб на диске. То же изображение, отсканированное с 256 уровнями серого цвета, разрастается до 1,8 Мб в TIFF и еще больше в EPS. Для получения качественного картографического изображения, необходимого для последующей векторизации, следует сканировать изображение с разрешением 600-800 dpi. Штриховой режим работы сканера предназначен для двух целей: сканирования непосредственно штриховых изображений (например, планшетов масштаба 1:500) и для сканирования текста с последующей его обработкой программами оптического распознавания символов. Цветные сканеры обычно имеют два режима работы: черно-белый и цветной. В черно-белом они работают так же, как полутоновые. Цветное же сканирование осуществляется за три прохода: отраженный от изображения свет поочередно проходит через три светофильтра: красный, зеленый и синий. Иногда применяется альтернативный вариант: последовательное освещение изображения светом трех цветов. Совмещение результатов дает представление о цвете. Количество передаваемых цветов зависит от числа разрядов отведенных на один пиксел (одну точку), обычно это 24, 30 или 36 разрядов (бит). Программное обеспечение, написанное для сканеров позволяет сканировать, редактировать и ретушировать изображения, а также записывать их в формате, удобном для последующей обработки и преобразования. С изображением, отсканированном в полутоновом режиме, можно производить самые разнообразные манипуляции, например, изменять его яркость и контрастность, увеличивать и уменьшать контрастность переходов при помощи фильтров. Кроме того, возможно получение псевдополутонового изображения. Если изображение отсканировано в полутоновом режиме, с ним можно экспериментировать/ меняя результат, если же оно было получено как псевдополутоновое, то изменить его уже нельзя. Лучшими фирмами-производителями широкоформатных сканеров считаются Contex, ANAtech (INTERGRAPH), Vidar Systems Corporation, Microtec, TDS Cad-Graphics Ltd.

Дигитайзеры

Дигитайзер - это устройство планшетного типа, предназначенное для ввода информации в цифровой форме. Дигитайзер состоит из электронного планшета (иногда на нем имеется прямоугольное меню) и курсора. Дигитайзер имеет собственную систему координат и при передвижении курсора по планшету координаты перекрестья его нитей передаются в компьютер. Размеры планшета дигитайзера колеблются от А4 до АО, переменным является также количество кнопок на курсоре (от одной до семнадцати). Стандартом считается наличие двенадцати кнопок. Чем большим количеством их обладает курсор дигитайзера, тем больше команд при работе может быть осуществлено нажатием на них. Обладая двенадцатикнопочным дигитайзером, оператор может осуществлять цифрование, практически не прибегая к помощи клавиатуры. Это очень актуально, так как при цифровании оператору приходится пользоваться дисплеем, планшетом дигитайзера, "мышью", курсором и клавиатурой. Исключение из работы клавиатуры, полное или частичное, значительно облегчает работу, особенно при большом размере планшета. Во многих дигитайзерах, используют своеобразное меню, также снижающее необходимость обращения к клавиатуре. Меню - это очерченная часть рабочего поля (обычно левый нижний угол), разделенная на секции и очень напоминающая по своему внешнему виду и способу работы сенсорную клавиатуру, только нажатие "клавиш" осуществляется не руками, а курсором дигитайзера. Выпуском дигитайзеров занимаются такие фирмы как Summagraphics, Aristo Graphics Systeme GmbH, Kontron Electronik GmbH, TDS Csd-GraphicsLtd.

Принтеры

Принтеры предназначены для вывода информации на бумагу. Все они могут выводить текстовую информацию, многие способны изображать графику (рисунки, диаграммы и т.п.), некоторые - цветные изображения. Существует несколько тысяч моделей принтеров. Основные характеристики принтеров определяют способы печати (ударный и безударный), формирования символов (знакопечатающий и знакосинтезирующий, в том числе матричный) и выведение строк (последовательно и параллельно). Встречаются принтеры литерные, матричные, термические, электростатические, струйные и лазерные. Матричные (или точечно-матричные) принтеры все еще достаточно распространены. Печатающая головка этих устройств содержит вертикальный ряд тонких стержней-иголок. Она движется вдоль строки, а стержни в нужный момент ударяют по бумаге через красящую ленту, обеспечивая формирование нужного изображения. В ряде матричных принтеров применяется многоцветная печать. Матричные принтеры различаются по количеству игл в печатающей головке (от 9 до 24) и формату (А4 или A3). В струйных принтерах изображение формируется микрокаплями специальных чернил, выдуваемых на бумагу при помощи сопел; такие принтеры работают практически бесшумно и имеют очень большую разрешающую способность (до 1000 точек в знаке), а также возможность многоцветной печати. Этот способ обеспечивает более высокое качество печбти по сравнению с матричными принтерами, однако струйные принтеры несколько дороже матричных и требуют более тщательного ухода и обслуживания. Скорость печати струйных принтеров приблизительно такая же как у матричных - от 60 до 10 секунд на страницу. Литерные принтеры в настоящее время практически не используются. Они обеспечивали высокое качество печати, высокую надежность, но набор символов у них ограничен. У наиболее распространенных моделей количество символов в наборе недостаточно для печати текстов с русскими и латинскими буквами. Кроме того, они не могут выводить графическую информацию. Скорость печати литерных принтеров - от 15 минут до 20 секунд на страницу. Лазерные принтеры обеспечивают в настоящее время наилучшее качество печати (близкое к типографскому), их разрешающая способность 12 точек/мм. При этом способе для печати используется принцип ксерографии: изображение переносится на бумагу со специального барабана, к которому электрически притягиваются частички краски. Отличие лазерного принтера от обычного ксерокопировального аппарата состоит в том, что печатающий барабан электризуется с помощью луча лазера по командам из компьютера. Лазерные принтеры, хотя и дороги (часто дороже самого ПК), но удобны для получения качественных печатных документов. Скорость печати лазерных принтеров от 15 до 3 секунд на страницу. Электростатическая технология печати основывается на создании скрытого электрического изображения на поверхности носителя, которым является специальная электростатическая бумага. Поверхность этой бумаги покрыта тонким слоем диэлектрика. Записывающие головки представляют собой блоки очень тонких электродов. Эти электроды возбуждаются высоковольтными импульсами, что приводит к отеканию на поверхность диэлектрика свободных зарядов. Далее бумага проходит через узел с жидким намагниченным красителем, частички которого осаждаются на заряженных участках. Для создания цветного изображения цикл повторяется четыре раза с разными красителями. Такие принтеры надежны и обладают высокой скоростью печати, а полученное изображение очень устойчиво и не выгорает под действием ультрафиолетовых лучей. Термопечать может быть реализована двумя методами. Первый метод называют методом прямого вывода изображения. Этот метод основан на применении термобумаги, т.е. бумаги, пропитанной специальным теплочувствительным веществом. Изображение создается гребенкой миниатюрных нагревателей. Когда бумага движется вдоль гребенки, то она меняет цвет в местах нагрева. Изображение при такой печати получается монохромным. Эти принтеры позволяют выполнять печать с разрешением до 800 точек на дюйм. Второй метод позволяет обеспечить цветную термопечать. Это достигается путем использования красящей пленки с небольшой температурой плавления красящего слоя. Красящая пленка располагается между бумагой и нагревателями. На красящей пленке последовательно расположены области каждого из основных цветов палитры. Размеры этих областей совпадают с размером листа, на котором осуществляется печать. При печати бумажный лист соприкасается с пленкой, над которой проходит печатная головка, нагреватели которой расплавляют краситель и он остается на бумаге. За один проход головки наносится один цвет. Все изображение получается за четыре прохода. Как правило такие принтеры имеют формат А4.

Графопостроители (плоттеры)

Графопостроители - устройства для вывода чертежей на бумагу. Первые графопостроители фирмы CalComp появились на рынке в 1959 году. Все графопостроители можно разделить на два больших класса: векторные и растровые. В векторных графопостроителях изображение рисуется пишущим узлом, который перемещается по двум координатам над неподвижным носителем или по одной координате над носителем, который может двигаться в перпендикулярном по отношению к пишущему узлу направлении. В качестве пишущего узла могут использоваться карандаши, шариковые и капиллярные стержни, фломастеры и даже гравировальные резцы. Растровые графопостроители создают изображение путем нанесения красителя на отдельные точки носителя. Имеется несколько типов растровых графопостроителей, которые используют те же способы нанесения красителей, которые мы видели при обсуждении типов принтеров: струйные, лазерные, электростатические и т.п. Имеются графопостроители, рассчитанные на размер листа бумаги для пишущей машинки (формат А4), бывают графопостроители, выдающие чертеж размером 2х2 метра и более. Векторные графопостроители - это электромеханические устройства. Существуют два типа векторных графопостроителей: рулонные и планшетные. В устройствах первого типа пишущий узел перемещается вдоль некоторой направляющей, а носитель (бумага, пластик и т.п.) в перпендикулярном направлении. Как правило, носитель приводится в движение роликами, между которыми он зажимается, т.е. для перемещения используется сила трения.

В устройствах второго типа - планшетных, носитель неподвижен, в то время как пишущий узел перемещается по всей плоскости изображения. Планшетные плоттеры могут обеспечить более высокую точность, однако более громоздки. В настоящее время на рынке графопостроителей большого формата (АО и А1) преобладают рулонные устройства. Основные характеристики перьевых графопостроителей всех видов близки по значениям. Скорость перемещения пера в них составляет для планшетных - 100-700, рулонных - 100-800 мм/с. Однако при выводе графики, в которой преобладает буквенно-цифровая информация, скорость снижается. Векторные графопостроители малопригодны для создания документов, в которых имеются закрашенные области (например, тематических карт, в которых использованы картограммы и картодиаграммы), поэтому их применение в ГИС носит ограниченный характер. Работа растровых графопостроителей основана на немеханических способах, что позволяет существенно увеличить скорость вывода изображений. В ее основе лежат некоторые химические процессы. Растровые графопостроители бывают электростатическими, чернильно-струйными, термографическими и лазерными. Принцип работы перечисленных графопостроителей аналогичен принципу работы соответствующих принтеров. Наряду с высокой производительностью и информативностью эти устройства обеспечивают хорошее качество выходного документа. Поэтому их целесообразно использовать в системах подобных ГИС и в профессиональных картографических системах для изготовления "конечного" рабочего документа (чертежа, карты или матрицы для тиражирования карт). Кроме того, лазерная и струйная технологии записи изображений позволяет создавать аппаратуру для вывода информации на микрофильм с недоступным для других способов разрешением. Следует заметить, что для работы с цветом на компьютере как правило используется адаптивная цветовая модель или палитра RGB (красный/ зеленый/ синий). Из комбинации этих основных цветов формируются все краски, которые мы видим на экранах мониторов и телевизоров. В плоттерах и принтерах используется палитра CMYK ( голубой/ пурпурный/ желтый/ черный), поэтому при выводе на цветной принтер или плоттер встает задача преобразования из палитры в палитру. Однако RGB палитра позволяет задать более широкий спектр цветов, чем CMYK палитра. Поэтому при преобразовании палитр не всегда возможно точное воспроизведение цвета. При выборе графопостроителей следует обращать внимание на следующие характеристики:

- типы носителей (с какими носителями работает графопостроитель);

- размеры носителя и изображения (длина, ширина, размер полей);

- параметры точности (разрешение печати (с1р1), точность позиционирования, повторяемость);

параметры производительности (скорость печати или рисования);

- память;

- форматы данных;

- палитра;

- наличие встроенных растеризаторов.

В настоящее время на рынке существует огромное количество разнообразного аппаратного обеспечения, причем организация внедряющая у себя ГИС, несомненно уже обладает некоторым набором вычислительной техники, поэтому перед ней встает задача использования имеющейся техники с ГИС, из чего вытекает необходимость наличия в системе драйверов - программ, осуществляющих связь с определенным периферийным устройством, и передающих данные от компьютера к устройству и обратно. Подключение новой аппаратуры к компьютеру сводится к написанию драйвера (программы взаимодействия). Фирмы-производители периферийных устройств, обладающие такими программами, продают их разработчикам ГИС, встраивающим их в свои системы. Чем большее количество драйверов включено в ГИС, тем больше устройств оно поддерживает, тем меньше проблем имеет пользователь при подключении новой аппаратуры к системе. Пока наша страна отстает по количеству и разнообразию вычислительной техники и периферии от западных стран. Отечественные разработчики ГИС, как правило, не стараются обеспечить систему драйверами, позволяющими работать с широким кругом устройств. В зарубежных ГИС оно намного больше и разнообразнее. Для отечественных групп разработчиков покупка большого количества драйверов просто невозможна из-за своей дороговизны, кроме того со многими моделями периферийной техники отечественные пользователи просто не сталкивались. Обратный эффект имеет эксплуатация ГИС на отечественной технике, которая не распространена за рубежом, и системы импортного производства не поддерживают ее. Следовательно, при покупке велика вероятность того, что пользователь окажется вынужден отдельно оплачивать разработку драйверов для подключения своей аппаратуры. Создатели ГИС пытаются предусмотреть процесс подключения новой аппаратуры, это может быть достигнуто, например, написанием форматного файла, в котором описываются характеристики подключаемого устройства.

Список использованной литературы:

1. Геоинформатика-2000: Труды междунар. научно-практ. конф. / Под ред. А.И. Рюмкина, Ю.Л. Костюка, А.В. Скворцова. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2000. - 368 с.

2. Миллер С.А., Колесникова Н.В. Рынок геоинформатики России: от Форума до Форума. Госуд. политика / Инф. Бюллетень № 3 (55). - 2006.

3. Радионов Г.П., Рудов А.И., Купецкая Т.А. Использование ГИС для автоматизации деятельности предприятий и организаций. - М.: Издание ДАТА+ / ArcReview №1 (40). - 2007.

Размещено на Allbest.ru