Способы представления, измерения и обработки данных в ГИС

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

 высшего  профессионального  образования

Пермский национальный исследовательский  политехнический университет

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

Тема: «Способы представления, измерения и обработки данных в ГИС»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пермь, 2015

Особенности представления данных в ГИС

ГИС относятся к классу информационных систем. Отличительными особенностями данных в ГИС являются:

• большие объемы накапливаемых и обрабатываемых данных;
• разнообразие графической информации;
• специфические связи между объектами.

Основной моделью данных первых ГИС был набор имен объектов с характеристиками, привязка которых к картам задавалась координатами их на земной поверхности. Никаких семантических связей для помощи пользователю в моделях не содержалось. Со временем возникла необходимость создания более сложных моделей данных, а затем потребность в создании и общей модели данных в ГИС. Данные, представляемые в ГИС, нужно рассматривать с учетом трех аспектов:

• пространственного;
• временного;
• тематического.

Пространственный аспект связан с определением местоположения объекта на поверхности; временной аспект связан с изменением характеристик объекта в течение времени; тематический аспект связан с выделением одних (важных) признаков описания объекта и исключения других (не важных для решения данного круга задач).

В большинстве моделей для описания пространственных характеристик используют координаты, поэтому такие данные называются координатными. Для определения временных и тематических характеристик используют атрибутивные данные. [1]

 

Организация и обработка информации в ГИС

ГИС, впрочем, как и любая другая информационная система, обладает развитыми средствами обработки и анализа входящих данных с целью дальнейшей их реализации в вещественной форме. На рис.2.2. представлена схема аналитической работы ГИС. На первом этапе производится “коллекционирование” как географической (цифровые карты, изображения), так и атрибутивной информации.

Собранные данные являются наполнением двух баз данных. Первая БД хранит картографические данные, вторая же наполнена информацией описательного характера. На втором этапе система обработки пространственных данных обращается к базам данных для проведения обработки и анализа востребованной информации. При этом весь процесс контролируется системой управления БД (СУБД), с помощью которой можно осуществлять быстрый поиск табличной и статистической информации. Конечно, главным результатом работы ГИС являются разнообразные карты.

Для организации связи между географической и атрибутивной информацией используют четыре подхода взаимодействия. Первый подход – геореляционный или, как его еще называют, гибридный. При таком подходе географические и атрибутивные данные организованы по-разному. Между двумя типами данных связь осуществляется посредством идентификатора объекта. Как видно из рис.2.2, географическая информация хранится отдельно от атрибутивной в своей БД. Атрибутивная информация организована в таблицы под управлением реляционной СУБД.

Следующий подход называется интегрированным. При этом подходе предусматривается использование средств реляционных СУБД для хранения как пространственной, так и атрибутивной информации. В этом случае ГИС выступает в качестве надстройки над СУБД.

Третий подход называют объектным. Плюсы этого подхода в легкости описания сложных структур данных и взаимоотношений между объектами. Объектный подход позволяет выстраивать иерархические цепочки объектов и решать многочисленные задачи моделирования.

В последнее время самое широкое распространение получил объектно-реляционный подход, являющийся синтезом первого и третьего подходов.

Следует отметить, что в ГИС выделяют несколько форм представления объектов:

• в виде нерегулярной сети точек;
• в виде регулярной сети точек;
• в виде изолиний.

Представление в виде нерегулярной сети точек – это произвольно расположенные точечные объекты в качестве атрибутов имеющие какое-то значение в данной точке поля. Пример такой формы представления данных показан на рис. 2.3.

Представление в виде регулярной сети точек – это равномерно расположенные в пространстве точки достаточной густоты. Регулярную сеть точек можно получать интерполяцией из нерегулярных либо путем проведения измерений по регулярной сети.

Наиболее распространенной формой представления в картографии является представление изолиниями. Недостатком данного представления является то, что обычно нет никакой информации о поведении объектов, находящихся между изолиниями. Данный способ представления является не самым удобным для анализа. На рис.2.4. приведен пример этой формы представления. [2]

 

Измерение информации

Измерение – это процесс получения информации, заключающийся в нахождении значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Результат измерения – это именованное число, которое представляет собой сообщение или элемент измерительной информации.

Измерительная информация – это полученные при измерениях значения физической величины или количественные сведения о каком-либо свойстве объекта или явления.

Для того чтобы выразить информацию в логарифмических или энтропийных мерах, проведем следующее рассуждение.

Допустим, что мы измеряем магнитную восприимчивость образцов горных пород. Если при этом величина и диапазон изменения магнитной восприимчивости горных пород неизвестны и можно с равной вероятностью предполагать любое ее значение, то говорят, что нет информации о данной системе, о данной ситуации.

Если получено некоторое количество информации, позволяющее уточнить возможные пределы изменения магнитной восприимчивости, то неопределенность системы (или ситуации) уменьшается.

Имея достаточное количество информации для определения диапазона изменения и заданную допустимую погрешность измерения, можно разбить диапазон изменения магнитной восприимчивости на определенное число N квантов ∆x, равное возможному числу значений измеряемой магнитной восприимчивости.

Следовательно, любое измерение можно рассматривать как систему, состоящую из некоторого числа основных элементов (квантов) Δх, определяющих количество необходимой информации. Далее, накладывая ограничения или исключения, можно увеличить вероятность одних значений и уменьшать вероятность других значений, т.е. создать менее общую ситуацию. Но внутри этой ограниченной ситуации (например, внутри диапазона изменения измеряемой величины) обычно предполагают равновероятность возможных состояний.

Количество информации может быть выражено элементарными, логарифмическими или энтропийными мерами. Элементарные единицы сходны с относительными и не соответствуют рациональной форме количественной оценки информации.

Для выражения количества информации в логарифмической мере следует выбрать определенную систему счисления или код. Число возможных состояний N системы можно выразить как

N=ht,

где h – код или основание системы счисления; l – число разрядов в выбранной системе счисления.

Тогда количество информации J, выраженное в логарифмической мере, запишется как

J = log N = l log h

Следовательно, логарифмическое представление информации позволяет получить пропорциональную зависимость между количеством информации J и числом, например, двоичных разрядов l.

Если N – число равновероятных возможных состояний и вероятность каждого из них p = 1/N, то

J = log N = log (1/ P) = - log P = l log h

Отметим, что если вероятности появления любого значения измеряемой величины равны, то для преобразования непрерывной (аналоговой) величины в дискретную вполне достаточно определения количества информации в логарифмической форме.

Если вероятности возможных состояний системы не равны, используют более общую энтропийную форму определения количества информации. При этом известная формула Шеннона учитывает не только дискретный характер информации, но и вероятность появления или изменения конкретного состояния системы:

где Н – энтропия; Р – вероятность i-го состояния; N – число возможных со-стояний.

В частном случае, когда все состояния равновероятны (Pi = 1/N), энтропия системы максимальна и равна количеству информации (1.1):

Поскольку наиболее широко применяется двоичная система счисления, то при h=2, l=1 получаем

В двоичной системе счисления Hmax = 1, т е. максимальная энтропия Hmax равна числу двоичных разрядов.

Замечание. Система счисления (двоичная, восьмеричная, десятеричная и т. д.) определяет конструкцию цифровых устройств, поскольку в каждом разряде следует иметь столько устойчивых состояний, сколько единиц содержится в основании системы счисления. При этом двоичная система счислений оказывается наиболее экономичной по сравнению с другими, например, с десятичной. Этот вывод вытекает из анализа числа устойчивых состояний системы, которые необходимо реализовать в цифровом устройстве при разных системах счисления.

Наконец, приведем выражение для количества информации в одном измерении. С этой целью примем, что N – число возможных равновероятных значений измеряемой величины, т. е. диапазон изменения измеряемой величины (xmax - xmin) разбивается на N дискретных значений, отстоящих друг от друга на квант Δх:

Без ограничения общности примем хmin = 0, тогда: N = xmax / Δх  + 1, отсюда количество информации в одном измерении

Величина определяет по существу значение абсолютной погрешности. Поэтому, если задана допустимая относительная погрешность δ в процентах, то

Подставляя это выражение для в формулу выше, получим выражение для количества информации (в двоичных разрядах) в одном измерении через допустимую относительную погрешность измерителя:

Очевидно, что качественная информация также может быть выражена в логарифмических (при равновероятных значениях исходных качественных состояний) или энтропийных (при разных вероятностях исходных качественных состояний) мерах. [3]

 

Применение современных геодезических приборов и программных средств для создания и ведения ГИС

Руководитель, решающий задачу создания геоинформационной системы, должен прежде всего определиться с тем, какие инструменты выбрать, или, другими словами, на что дать деньги. От точности, достоверности и актуальности собранных данных всецело зависит эффективность всей системы. Ошибки этого этапа обходятся дорого, поэтому стоит использовать электронные геодезические приборы (GPS-приемники, тахеометры, цифровые нивелиры), которые позволяют исключить такие характерные для работы с оптическими приборами источники ошибок, как снятие отсчета, диктовка, запись, перенос данных из полевых журналов в вычислительную ведомость, вычисления. 

Как известно, в основе большинства ГИС лежит карта или план местности. Обычно или используют готовую карту/план, переводя ее в цифровой вид и обновляя по мере необходимости, или, производя полевые съемки, создают основу. В обоих случаях для получения и обновления электронной карты используется геодезическое оборудование. Рассмотрим подробнее случай создания основы для ГИС «с нуля», по результатам полевых измерений.

GPS — наиболее эффективный инструмент создания геодезического обоснования. Организациям, занимающимся получением карт труднодоступной или малоосвоенной местности, необходимо создавать и развивать геодезические сети как обоснование для дальнейших тахеометрических съемок. В этих целях применяются GPS-приемники геодезического класса. Использование таких приборов в режиме статики (прибор-«база» находится на закрепленной точке с известными координатами, а «мобильный» прибор перемещается по определяемым точкам, производя измерения на каждой в течение нескольких часов), позволяет получать координаты пунктов с миллиметровой точностью. Одно из главных достоинств приемников GPS — возможность производить измерения в любое время и в любую погоду. Условие прямой видимости до отражателя/рейки/вешки — бич всех оптических приборов! — для GPS значения не имеет: измерения можно производить приемниками, находящимися на расстоянии десятков километров друг от друга. Если учесть еще и то, что многие приемники управляются при помощи одной-двух кнопок и не требуют специальной подготовки от оператора, то не составит труда представить, как вырастет производительность труда и какие средства можно сэкономить только на оптимизации численности персонала (система из двух GPS-приемников может обслуживаться одним оператором). Используя поставляемое с приборами GPS программное обеспечение, вы можете обработать результаты измерений, уравнять полученные геодезические сети и вычислить координаты пунктов для последующих тахеометрических съемок.