Геоинформационные системы

Министерство образования и науки Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

О. И. Жуковский

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ
СИСТЕМЫ

Учебное пособие

Томск
«Эль Контент»
2014

УДК
91:004(075.8)
ББК
26.0я73
Ж 864

Рецензенты:

Колупаева С. Н., докт. физ.-мат. наук, профессор,
заведующая кафедрой прикладной математики
Томского государственного архитектурно-строительного университета;

Рюмкин В. И., канд. физ.-мат. наук, доцент, доцент кафедры математических
методов и информационных технологий в экономике экономического факультета
Национального исследовательского Томского государственного университета.

Жуковский О. И.
Ж 864
Геоинформационные системы : учебное пособие / О. И. Жуковский. —
Томск : Эль Контент, 2014. — 130 с.

ISBN 978-5-4332-0194-1

Учебное пособие представляет современные методы и средства, используемые в сфере создания и использования геоинформационных систем. В пособии изложены основы теории геоинформационных систем,
включающие основы цифровой картографии, модели пространственных
данных, методы и алгоритмы сбора, хранения, визуализации и анализа пространственных данных. Рассматриваются широко распространенные ГИС
и методы и средства создания ГИС-приложений. Представлены основные
понятия стандартизации и защиты информации в ГИС.

Пособие подготовлено в соответствии с требованиями Государственного
образовательного стандарта высшего профессионального образования.

Учебное пособие предназначено для студентов факультета дистанционного обучения ТУСУРа.

УДК
91:004(075.8)
ББК
26.0я73

ISBN 978-5-4332-0194-1
Жуковский О. И., 2014

Оформление.
ООО «Эль Контент», 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение
5

1
Геоинформационные системы
7

1.1
Основные понятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7

1.2
История развития ГИС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10

1.3
Классификация ГИС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12

1.4
Принципы функционирования ГИС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15

1.5
Аппаратное и программное обеспечение ГИС . . . . . . . . . . . . . .
18

2
Основы цифровой картографии
21

2.1
Фигура и размеры Земли, используемые модели . . . . . . . . . . . . .
21

2.2
Системы координат, применяемые в геодезии и картографии . . . . .
23

2.3
Геодезическая система координат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24

2.4
Картографические проекции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27

2.5
Разграфка и номенклатура листов топографических карт и планов
.
36

3
Модели пространственных данных
38

3.1
Типы пространственных объектов в ГИС . . . . . . . . . . . . . . . . .
38

3.2
Понятие о моделях пространственных данных . . . . . . . . . . . . . .
40

3.3
Растровые модели данных
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43

3.4
Векторные модели данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48

3.5
Модели поверхностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57

4
Визуализация пространственных данных
63

4.1
Общие принципы визуализации пространственных данных . . . . . .
63

4.2
Визуализация векторных данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64

4.3
Тематические карты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67

4.4
Визуализация растровых данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71

4.5
Генерализация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72

5
Пространственный анализ данных в ГИС
74

5.1
Измерительные операции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74

5.2
Анализ отношений пространственных объектов . . . . . . . . . . . . .
75

5.3
Пространственные запросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76

5.4
Оверлейные операции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78

5.5
Анализ инженерных сетей
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80

5.6
Анализ геополей
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81

Оглавление

6
Программное обеспечение ГИС
88

6.1
Программное обеспечение универсальных векторных ГИС . . . . . .
88

6.2
Программное обеспечение универсальных растровых ГИС . . . . . .
95

6.3
Системы Интернет-ГИС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
96

6.4
Картографические программные модули . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97

6.5
ГИС-приложения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
98

7
Стандартизация и защита информации в ГИС
103

7.1
Основные стандарты в области геоинформатики и сертификация
цифровых карт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

7.2
Нормативная документация по защите информации
в геоинформатике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

7.3
Алгоритмы защиты цифровой пространственной информации . . . . 121

Заключение
124

Литература
125

Глоссарий
127

ВВЕДЕНИЕ

Информатизация как процесс перехода к информационному обществу сопровождается возникновением новых и интенсивным развитием существующих информационных технологий. Одной из таких современных и бурно развивающихся
технологий является геоинформационная технология, реализуемая целым семейством геоинформационных систем (ГИС).

Целью дисциплины является изучение теоретических основ построения ГИС,
включающих основы цифровой картографии, модели пространственных данных,
методы и алгоритмы сбора, хранения, обработки, анализа и визуализации в этих
системах пространственных данных. Студент должен изучить принципы работы
ГИС, познакомиться с их основными функциональными возможностями. Все это
позволит сформировать у студента компетенции, дающие ему возможность использовать геоинформационные системы в ходе решения комплексных задач автоматизации информационных процессов.

Студент должен уметь применять полученные знания при решении практических задач: осуществлять обработку пространственной информации, выполнять
картирование и анализ данных средствами современных ГИС, а также сопровождать такие системы, обеспечивая их работоспособность.

В первой главе пособия дается понятие геоинформационных систем, кратко
описывается история развития геоинформатики, рассматриваются системы, ставшие прародителями современных ГИС. Подробно излагается классификация ГИС,
раскрывается обобщенная схема функционирования ГИС, дано понятие аппаратных и программных компонентов ГИС.

Вторая глава посвящена изложению основ цифровой картографии. В ней рассматриваются системы координат, применяемые в геодезии и картографии, дается понятие картографической проекции, рассматриваются различные проекции
и их искажения. Рассматривается проекция Гаусса—Крюгера, широко используемая в России.

Третья глава посвящена моделям пространственных данных, используемым
в ГИС. Дается понятие модели пространственных данных, рассматриваются векторные топологические и нетопологические модели данных. Также приводится
описание растровых моделей, используемых в ГИС, рассматриваются вопросы
преобразования типа «вектор-растр» и «растр-вектор». Значительное внимание
уделено моделям поверхностей, известных также под названием «геополя».

Введение

В четвертой главе излагаются принципы и методы визуализации пространственных данных. Последовательно раскрываются особенности визуализации векторных и растровых данных, дается понятие тематических карт и описываются
методы их создания в ГИС. Рассматривается проблема генерализации и способы
ее решения в ГИС. Описываются способы визуализации геополей, такие как изолинии, изоконтуры, трехмерная визуализация и др.

В пятой главе рассматриваются особенности пространственного анализа данных в ГИС: описываются типовые измерительные операции, раскрывается суть
пространственных отношений, являющихся основой для выполнения пространственных запросов в ГИС. Рассматриваются оверлейные и другие операции, позволяющие решать задачи пространственного анализа данных.

В шестой главе кратко рассматривается программное обеспечение наиболее
популярных векторных и растровых ГИС, описываются информационно-поисковые Интернет-ГИС. Дается понятие ГИС-приложений, приводится их классификация, а также подробно описываются методы и подходы к их разработке.

В седьмой главе представлены базовые положения, касающиеся основных
стандартов в области ГИС.

Соглашения, принятые в книге

Для улучшения восприятия материала в данной книге используются пиктограммы и специальное выделение важной информации.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Эта пиктограмма означает определение или новое понятие.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Эта пиктограмма означает внимание. Здесь выделена важная информация, требующая акцента на ней. Автор здесь может поделиться с читателем опытом, чтобы помочь избежать некоторых
ошибок.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Пример
. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Эта пиктограмма означает пример. В данном блоке автор может привести практический пример для пояснения и разбора основных моментов, отраженных в теоретическом материале.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Контрольные вопросы по главе
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Глава 1

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

1.1 Основные понятия

В настоящее время все более широкое распространение получает особый класс
информационных систем, который называют географическими информационными
системами, или сокращенно геоинформационными системами, или аббревиатурой
«ГИС» (Geographical Information System — GIS).

Область ГИС очень быстро развивается и захватывает все новые сферы жизни
и деятельности. Геоинформационные системы стали играть существенную роль
в деятельности человечества. Причины такого успеха ГИС объясняются следующим:

1) большой эффективностью решений сложных проблем средствами ГИС;

2) огромным множеством областей применения ГИС, потому что ГИС работает с пространственными данными, которые являются частью нашей повседневной жизни;

3) доступностью для массового пользователя как мощных персональных компьютеров, на которых возможна реализация ГИС, так и сложного программного обеспечения ГИС, снабженного достаточно простым и интуитивно понятным пользовательским интерфейсом.

В последние 15–20 лет геоинформационные системы достигли в развитии
уровня коммерциализации. В настоящее время сформировалась ГИС-индустрия,
оборот которой измеряется миллиардами долларов. Если ежегодный объем продаж
только программного обеспечения ГИС в 2001 году составлял 1,1 млрд долларов,
то в 2009 году уже превышал 2,8 млрд долларов (увеличивается в среднем на 12%
в год) [1].

В ГИС-движение вовлечены миллионы пользователей более чем в 120 странах
мира, которые образуют ГИС-сообщество. Специалисты по работе с ГИС в странах
Запада пользуются повышенным спросом. ГИС изучают не только в университетах, в системах повышения квалификации, но уже и в школах, колледжах.

Глава 1. Геоинформационные системы

Можно с уверенностью сказать, что геоинформационные системы влияют на
многие аспекты нашей жизни. ГИС интегрируются в образование, бизнес, производство и деятельность правительств.

Управление сложными территориальными системами, такими как современный город, требует не только высокой квалификации администрации, но и хорошего информационного обеспечения процесса управления. Выработка обоснованных
и эффективных решений возможна только на основе соответствующей обработки
и анализа огромных объемов информации о сложных системах и процессах города.
Это требует привлечения эффективных средств, базирующихся на компьютерных
технологиях. Внедрение ГИС в управление городом означает переход на новый,
более эффективный уровень управления.

ГИС в науке помогает интегрировать научные области, стирая барьеры между
биологией и геофизикой, между экономикой и демографией. Этому способствует моделирование процессов в реальном времени, мощный инструментарий пространственного анализа, высокое пространственное разрешение данных.

Растущий интерес к ГИС иллюстрирует рост потребности в пространственных
данных высокого разрешения, получаемых из космоса.

В прошедшие годы усилия концентрировались на создании пространственных
баз данных, на накоплении данных. Это в свою очередь привело к необходимости разработки проблемы распространения геопространственных данных и обмена
данными, в том числе создания стандартов на инфраструктуру геопространственных данных. Дальнейшее развитие ГИС обуславливают высокая динамика жизни, рост населения, урбанизация, уменьшение и ограничение природных ресурсов,
глобализация. Двадцать первое столетие — период широкого внедрения средств интеграции информации. В информационном обществе ГИС становится одной из
важнейших технологий интеграции и коммуникации информации.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Как уже было сказано выше, аббревиатура ГИС расшифровывается как географическая информационная система, или геоинформационная система. Можно рассматривать ГИС как набор аппаратных и программных инструментов, используемых для ввода, хранения, манипулирования, анализа и отображения пространственной (первоначально географической) информации. Термин «геоинформационная» стал сегодня обозначать уже нечто большее, чем
его развернутый вариант.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

В том случае, когда те или иные данные об объекте имеют точную координатную привязку, говорят, что объект имеет пространственное описание, и он должен
изучаться с применением средств и методов геоинформатики.

Геоинформатика — новая, быстро развивающаяся отрасль науки. Существует
несколько ее определений.

По одной из точек зрения геоинформатика входит составной частью в геоматику или предметно и методически пересекается с ней. Геоматика (geomatics) — это
совокупность применений информационных технологий, мультимедиа и средств
телекоммуникации для обработки данных и анализа геосистем. Иногда геоматика
употребляется как синоним геоинформатики.

1.1 Основные понятия
9

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Наиболее полное определение геоинформатики в соответствии
с
толковым
словарем
основных
терминов
геоинформатики
(1999 г., под редакцией А. М. Берлянта, А. В. Кошкарева) таково:
«геоинформатика (geo-informatics) — наука, технологии и производственная деятельность по научному обоснованию, проектированию, созданию, эксплуатации и использованию географических информационных систем, по разработке геоинформационных
технологий, по прикладным аспектам или приложению ГИС для
практических и геонаучных целей» [2].
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Дадим определение географических информационных систем, геоинформационных систем или, сокращенно, — ГИС (geographic (al) information system, GIS,
spatial information system).

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Геоинформационная система — это информационная система,
обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственно-координированных данных (пространственных данных). ГИС содержит данные о пространственных объектах в форме их цифровых представлений
(векторных, растровых, квадратомических и иных).
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ГИС поддерживается программным, аппаратным, информационным, нормативно-правовым, кадровым и организационным обеспечением. С точки зрения
теории информационных систем ГИС — это большой класс информационных систем (ИС), позволяющих работать с пространственными данными [3].

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Приставка гео- во всех этих словах (геоинформатика, геоматика,
ГИС) происходит не от слова «география», а от слова «геос» —
«земля»; эта приставка характеризует пространство (геос — характеристика пространственности), работу с пространственнокоординированными данными.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Более того, процент чисто пространственно-привязанных данных обычно в ГИС
не очень велик, технологии обработки данных в таких системах имеют мало общего с традиционной обработкой географических пространственных данных в географии и, наконец, пространственные данные лишь служат базой для решения
большого числа прикладных задач в ГИС, цели создания которых далеки от географии.

В современных ГИС осуществляется комплексная обработка информации —
от ее сбора до хранения, обновления, обработки и представления (визуализации).
В связи с этим ГИС можно рассматривать с различных позиций. Например, считать
их системами управления, поскольку они в ряде проблемных областей предназна

Глава 1. Геоинформационные системы

чены для обеспечения принятия решений по оптимальному управлению землями
и ресурсами, городским хозяйством, по управлению транспортом (в том числе трубопроводным) и т. п.

Кроме того, как системы, использующие базы данных, ГИС являются автоматизированными информационными системами. При этом следует подчеркнуть, что
ГИС объединяют в себе как базы данных с атрибутивными данными, так и графические базы данных или их еще называют пространственными базами данных.

В современных работах наиболее часто обращается внимание на связи геоинформатики и картографии. Обычно показывается проблема двойственности, с одной стороны, геоинформационного обеспечения картографии, а с другой стороны,
картографического обеспечения геоинформатики. Взаимосвязи картографии и геоинформатики проявляются в следующих аспектах:

тематические и топографические карты — главный источник пространственно-временных данных для ГИС;

системы географических и прямоугольных координат и картографическая
разграфка служат основой для координатной привязки (географической локализации) всей информации, поступающей и хранящейся в ГИС;

карты — основное средство географической интерпретации и организации
данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и другой используемой
в ГИС информации (статистической, аналитической и т. п.);

карты — один из наиболее важных источников массовых данных для формирования позиционной и содержательной части баз данных ГИС в виде цифровых карт — основ, а послойное представление пространственных
объектов имеет прямые аналогии с поэлементным разделением тематического содержания карт.

1.2 История развития ГИС

Остановимся на истории развития геоинформатики и ГИС. К концу 80-х годов
прошлого столетия в литературе, посвященной состоянию, успехам и перспективам развития геоинформатики, стало традиционным ссылаться на ее почти 30летний юбилей. Точное же время ее рождения вряд ли известно достоверно. Сам
взгляд на историю существенно зависит от точки зрения на время зарождения идей
и технологий, которые составляют основу современной геоинформатики и современных ГИС. Поэтому схематично историю геоинформатики можно представить
следующим образом.

Истоки ее находятся в работах коллективов, сформулировавших первые задачи
и подходы к построению информационных систем, ориентированных на обработку пространственных данных. Это коллективы ученых и разработчиков из Канады
и Швеции. Канадские работы были связаны с созданием в 1963–1971 гг. канадской ГИС (CGIS) под руководством Р. Томлинсона. CGIS является одним из примеров крупной универсальной (по тем временам) региональной ГИС национального уровня и до сих пор считается классической. Работы шведской школы геоинформатики концентрировались вокруг ГИС земельно-учетной специализации,
в частности шведского земельного банка данных, предназначенного для автомати