CC BY
205
УДК 681.518(075.32)
В.И. Мухин, И.Г. Силина
МОДЕЛИРОВАНИЕ В ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ (ГИС) СИСТЕМАХ
ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОННОЙ
Моделирование в ГИС позволят, с одной стороны, осуществить переход от автоматизации отдельных частных функциональных задач оценки обстановки и принятия решений при подготовке и ведении гражданской обороны к комплексному решению этих задач, а с другой стороны, предусматривает интеграцию задач гражданской обороны, относящихся к различным этапам жизненного цикла моделируемого объекта (карты). Этим обуславливается новизна и актуальность рассматриваемой в статье проблемы.
Ключевые слова: геоинформационная система, моделирование, векторные изображения, растровые изображения, гражданская оборон.
V. Mukhin, I.Silina
MODELING A FUNCTIONAL TASKS OF CIVIL DEFENSE IN GEOGRAPHIC INFORMATION (GIS) SYSTEMS
Modeling in GIS will allow, on the one hand, the transition from the automation of individual special functional tasks assessment of the situation and decision-making in the preparation and conduct of civil defense to a comprehensive solution of these problems, on the other hand provides for the integration of civil defense tasks related to different stages of the life cycle modeled object (map). This is caused by the novelty and urgency of the problem discussed in the article.
Keywords: geographic information system, modeling, vector images, raster images, civil defense
Актуальность проблемы
Методологической основой концепции моделирования в ГИС является интеграция. При разработке концепции моделирования в ГИС возникли затруднения, «рассогласования» между автоматизацией решения задач и их интеграции, т.е. возникла проблемная ситуация. Сущность которой сводится к следующему.
С системных позиций геоинформационная система (ГИС) является интегрированной информационной системой, которая позволят, с одной стороны, осуществить переход от автоматизации отдельных частных функциональных задач оценки обстановки и принятия решений при подготовке и ведении гражданской обороны к комплексному решению этих задач, с другой стороны, предусматривает интеграцию задач гражданской обороны, относящихся к различным этапам жизненного цикла моделируемого объекта (карты) [1].
Моделирование в ГИС осуществляется путем анализа (декомпозиции) исходных информационных данных с последующим синтезом общего модельного решения.
Технологии моделирования в ГИС используют следующие принципы [3]:
- создание и применение единой интегрированной информационной основы (модели);
- использование комплексного моделирования;
- интерактивное взаимодействие с цифровой моделью;
- принятие решений на основе математических моделей и процедур, реализуемых средствами вычислительной техники;
- обеспечение единства модели на всех этапах и стадиях обработки информации;
- использование единой информационной базы для автоматизированных процедур анализа и синтеза модели, а также для управления процессом моделирования;
- проведение многовариантного проектирования и комплексной оценки проекта с использованием методов оптимизации;
- наличие хорошо развитых информационных ресурсов, которые в ГИС выступают в форме информационных и математических моделей объектов, пакетов прикладных программ, банков данных и организационно - методических материалов;
- обеспечение максимальной инвариантности организации информационных ресурсов, их слабой зависимости от конкретной области применения, простоты настройки на отраслевую специфику;
- создание специальной информационно - справочной системы и организация взаимодействия как пользователя, так и специалиста по системной поддержке пакета моделирования.
Рассмотренные принципы раскрывают содержание проблемы моделирования в ГИС.
Пути решения проблемы.
Используя системный подход к проблеме моделирования в ГИС, можно ее представить как совокупность, взаимосвязанных между собой и внешней средой программно-технологических блоков, решающих задачи оценки обстановки и принятия решений при подготовке и ведении гражданской обороны [1].
При моделировании в ГИС выделяются следующие программно-технологические блоки [3]: операции преобразования форматов и представления данных; проекционные преобразования; геометрический анализ; оверлейные операции; функционально-моделирующие операции.
Рассмотрим содержание каждого программно-технологического блока.
Операция преобразования форматов и представления данных.
Задачей преобразования является получение векторного образа, практически идентичного исходному растровому, а также сохранение в распознанном векторном объекте геометрических связей растровых аналогов при максимальной информативности векторного образа.
Операция преобразования данных из растрового в векторное (векторизация) является одной из наиболее важных при обработке пространственно-временных данных в ГИС. Между векторными и растровыми изображениями имеется существенное различие, характерное для ГИС. Растровые изображения отображают поля данных, т.е. носят полевой характер. Векторное изображение в ГИС отображает геоинформационные объекты т.е. носит объектовый характер. В технологическом плане преобразование от растра к вектору для ГИС означает переход от полевого представления данных к объектному. Растрово-векторное преобразование применяется при интерпретации сканированных аэрокосмических изображений (выделение и оконтуривание на них однородных областей), в методах дигитализации цифровых растровых картографических изображений, при обработке данных, полученных с цифровых фотокамер или от видеосъемки. Векторные изображения, имеющихся на
бумаге чертежей, карт невозможно получить с помощью сканера. При сканировании получается только растровая копия оригинала [2,3].
Векторные представления по сравнению с растровыми обладают рядом преимуществ [3]:
- многие приложения, использующие графику для расчетов, работают только с векторными файлами, так как векторная технология эффективнее;
- при хранении на компьютере векторные файлы занимают меньший (в 100 - 1000 раз) объем памяти, чем растровые оригиналы;
- векторные рисунки легко редактируются, масштабирование и трансформирование векторного изображения происходит без искажений, чего нельзя сказать о преобразовании растровых изображений.
Векторные изображения создаются и редактируются с помощью специальных программ -графических редакторов. Такой редактор входит в состав всех инструментальных ГИС - систем.
Проекции и проекционные преобразования.
Группа математических процедур ГИС, осуществляющая переход от одной картографической проекции к другой или от пространственной системы к картографической проекции, носит название проекционных преобразований. Эта группа реализуется методами моделирования, образуя единый блок. В этот блок входят и сложные подгруппы операций (различные процедуры обработки пространственных данных для получения новых проекций на основе исходных данных). Эти процедуры включают и простые операции пересчета координат пространственных объектов (поворота, смещения, масштабирования и т. п.), более сложные (связанные, например, с «укладкой» объектов в систему опорных точек) и самую сложную подгруппу операций (трансформация картографических операций) [4,3].
Достоинством моделирования в ГИС является возможность трансформирования космического (или аэро-) снимка непосредственно в картографическую проекцию, минующая построение фотограмметрической модели или традиционное фотограмметрическое трансформирование снимков. Эта возможность предоставляется в пакетах ГИС, в первую очередь связанных с обработкой данных дистанционного зондирования. Технологически для проекционных преобразований в ГИС необходимо создать файл описания картографической проекции и выбрать исходный файл. Из набора типов преобразования выбирают необходимое, задают требуемые параметры, и проекционное преобразование осуществляется автоматически путем создания новой картографической проекции в заданном и соответствующем файле [4,3].
Геометрический анализ.
Программные средства ГИС позволяют осуществлять геометрический анализ для векторных и растровых моделей. Геометрический анализ векторных моделей позволяет выполнять операции, связанные с определением расстояний, длин ломаных линий, координат центроидов полигонов, расчет площадей векторных объектов, трансформирование точек объекта, осуществлять поиск точек пересечения линий. Для векторных моделей, каждая из которых отображает отдельный объект, процедуры геометрического анализа во многом используют традиционную геометрию и выполняются без каких - либо предварительных преобразований как алгоритмы прямого счета. [3].
Геометрический анализ растровых моделей технологий ГИС позволяет выполнять операции: идентификацию зон, вычисление площадей зон, расчет периметров зон, определение расстояния от границы зоны, определение формы зоны, трансформирование растрового слоя. Для растровых моделей, которые создаются не по объектным признакам, проведению практически любой геометрической процедуры должны предшествовать анализ и выделение необходимого объекта (распознавания образа). В ГИС эти процедуры упрощаются заданием исчерпывающей информации в атрибутах модели [3].
Оверлейные операции.
Сущность оверлейных операций состоит в наложении разноименных слоев (двух и более) с генерацией производных объектов, возникающих при их геометрическом наслоении, и наследованием их атрибутов. Получили распространение операции оверлея в цифровых картах, которые организованы в виде множества слоев (покрытий или карт - подложек). В настоящее время оверлейные процедуры ГИС обеспечивают высокопрофессиональные средства анализа и использование географической информации, включая взаимоналожение полигональных, точечных и линейных покрытий, создание буферных зон, объединение полигонов и ряда других функций, основывающихся на пространственной и топологической взаимосвязи данных [3].
Функционально - моделирующие операции.
В ГИС используются различные аналитические операции [3]: построение буферных зон, анализ сетей, генерализация, цифровое моделирование рельефа.
Построение буферных зон. Буферная зона может создаваться вокруг точки, линии или ареала. В результате образуется новый ареал, включающий исходный объект. Операции построения буферной зоны применяются в транспортных системах, лесном хозяйстве, при создании охранных зон вокруг озер и вдоль водотоков, при определении зон загрязнения вдоль дорог, зоны влияния существующей или проектируемой сети транспортных коммуникаций, связанной с изменением экологической обстановки, и т.д.
Анализ сетей. Операции анализа сетей позволяют решать оптимизационные задачи на сетях. Они основаны на использовании векторных моделей, на координатном и атрибутивном представлении линейных пространственных структур и на введении в них топологических характеристик (моделей).
Генерализация. Генерализация в ГИС - это набор процедур классификации и обобщения, предназначенных для отбора и отображения картографических объектов соответственно масштабу, содержанию и тематической направленности создаваемой цифровой карты. Относительно информационного моделирования генерализация может быть рассмотрена как группа методов, позволяющих сохранить объем информации даже при уменьшении объема данных.
Цифровое моделирование рельефа. Оно заключается в построении модели базы данных, которая наилучшим образом отображает рельеф исследуемой местности. Эти процессы связаны с трехмерным моделированием и с задачами пространственного анализа, таким образом происходит переход от аналоговой модели непрерывной поверхности к дискретной модели набора точек, оптимально отображающей форму этой поверхности.
Выводы.
1. Моделирование в геоинформационных системах (ГИС) функциональных задач управления гражданской оборонной позволят, с одной стороны, осуществить переход от автоматизации отдельных частных функциональных задач оценки обстановки и принятия решений при подготовке и ведении гражданской обороны к комплексному решению этих задач, с другой стороны, предусматривает интеграцию задач гражданской обороны, относящихся к различным этапам жизненного цикла моделируемого объекта (карты).
2. В МЧС России функциональные задачи по моделированию процессов оценки обстановки и принятию решения осуществляется АИУС РСЧС.
3. Интеграция АИУС РСЧС в ГИС позволит:
а) На уровне сбора информации технологии ГИС включают в себя отсутствующие в АИУС РСЧС методы сбора пространственно-временных данных, технологии использования навигационных систем, технологии реального масштаба времени, GPS.
б) На уровне хранения и моделирования дополнительно к обработке социально -экономических данных технологии ГИС включают в себя набор технологий пространственного анализа, применение цифровых моделей и видеобаз данных, а также комплексный подход к принятию решений.
в) На уровне представления ГИС дополняет технологии АИУС РСЧС применением интеллектуальной графики (представление картографических данных в виде карт, тематических карт или на уровне деловой графики), что делает ГИС более доступным и понятным для лица, принимающего решение.
Литература
1. Мухин В.И. Исследование систем управления: учебник/В.И.Мухин.- М.: Издательство «Экзамен», 2006.- 2-е изд., доп. и перераб. - 479 с. (Серия «Учебник для вузов»)
2. Цветков В.Я. Моделирование в научных исследованиях и проектировании. - М.:ГКНТ, ВНТИЦентр, 1991. - 125с.
3. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. - М.: Финансы и статистика, 1998. - 288с.
4. Бугаевский Л.М., Вахромеева Л.А. Картографические проекции. - М.: Недра, 1992. - 291с.
Рецензент: кандидат технических наук, профессор Марюха В.П.
