 |
Глава 1. Введение в геоинформатику
|
|
|
|
Скворцов А.В., Поспелов П.И., Крысин С.П.
Геоинформационные системы
в дорожной отрасли
на примере
IndorGIS
Допущено
Министерством образования и науки Российской Федерации
в качестве учебного пособия для студентов высших
учебных заведений, обучающихся по специальности
«Строительство автомобильных дорог и аэродромов»
направления «Строительство»
Томск – 2005
УДК 681.3.06
Р е ц е н з е н т ы:
кафедра «Прикладной информатики» Томского
государственного университета,
докт. техн. наук, проф. Н.Г. Марков
Скворцов А.В., Поспелов П.И., Крысин С.П. Геоинформатика в дорожной отрасли (на примере IndorGIS). – М.: Изд-во МАДИ, 2005. – 389 с. – 1000 экз. – 1404000000.
Книга позволяет познакомиться с широким спектром современных геоинформационных технологий, применяемых в дорожной отрасли. Рассматриваются теоретические основы ГИС (модели, структура и источники пространственных данных), методы тематической визуализации карт, приёмы пространственного анализа. На примере современных программных продуктов описываются основные приёмы работы в ГИС (управление ГИС-проектами, ввод и редактирование данных, тематическая визуализация, пространственный анализ).
На примере специализированной ГИС автомобильных дорог IndorGIS/Road (включающей универсальную ГИС IndorGIS, информационную систему автомобильных дорог IndorInfo/Road, программу решения транспортных задач IndorTransport, программу моделирования транспортных потоков IndorTraffic, систему управления видеорядами IndorVideoRow и др.) раскрываются возможности применения ГИС-технологий для планирования развития, обоснования инвестиций, проектирования, управления и эксплуатации дорожного хозяйства.
|
|
|
Пособие подготовлено в соответствии с учебной программой дисциплины «Геоинформационные системы в дорожной отрасли» и предназначено для студентов, обучающихся по специальности 291000 – «Строительство автомобильных дорог и аэродромов» направления «Строительство». Может применяться в качестве учебного пособия для преподавателей, студентов, разработчиков программного обеспечения, а также всех желающих ознакомиться с современными технологиями геоинформатики.
ISBN 5-7511-1036-6
© Скворцов А.В., Поспелов П.И., Крысин С.П., 2005.
© Московский автомобильно-дорожный институт, 2005.
© Томский государственный архитектурно-строительный университет, 2005.
© ООО «ИндорСофт. Инженерные сети и дороги», 2005.
Оглавление
Предисловие................................................................................... 6
Глава 1. Введение в геоинформатику................................... 11
1.1. Понятие ГИС....................................................................... 11
1.2. Функциональные возможности ГИС................................ 12
1.3. Общая структура ГИС........................................................ 12
1.4. Классификация ГИС........................................................... 16
1.5. Организация данных в ГИС............................................... 21
1.6. Вопросы для самопроверки............................................... 23
Глава 2. Модели пространственных данных...................... 24
2.1. Классификация моделей.................................................... 24
2.2. Нетопологическая модель данных.................................... 27
2.3. Топологическая модель данных........................................ 29
2.4. Модель транспортной сети................................................ 30
2.5. Растровая модель данных.................................................. 31
2.6. Триангуляционная модель поверхностей........................ 33
2.7. Геореляционная модель данных....................................... 35
2.8. Геобаза данных................................................................... 39
2.9. Вопросы для самопроверки............................................... 40
Глава 3. Структура и источники геоданных...................... 41
3.1. Системы координат............................................................ 41
|
|
|
3.2. Картографические проекции............................................. 49
3.3. Картографические и координатные сетки....................... 63
3.4. Разграфка и номенклатура карт........................................ 64
3.5. Источники пространственных данных............................. 70
3.6. Векторизация...................................................................... 70
3.7. Дистанционное зондирование.......................................... 72
3.8. Геодезические изыскания.................................................. 76
3.9. Глобальные системы позиционирования......................... 87
3.10. Фото и видеосъемка......................................................... 91
3.11. Форматы данных............................................................... 94
3.12. Вопросы для самопроверки............................................. 97
Глава 4. Работа с картами в ГИС.......................................... 98
4.1. ГИС-проекты....................................................................... 98
4.2. Навигация по карте............................................................. 99
4.3. Получение информации по объектам............................ 102
4.4. Горячая связь..................................................................... 105
4.5. Видеоряды......................................................................... 106
4.6. Публикация карт............................................................... 108
4.7. Вопросы для самопроверки............................................. 113
Глава 5. Визуализация пространственных данных........ 114
5.1. Тематические карты......................................................... 114
5.2. Условные знаки................................................................. 114
5.3. Визуализация векторных данных................................... 122
5.4. Визуализация растровых данных.................................... 127
5.5. Визуализация транспортных сетей................................. 129
5.6. Визуализация поверхностей............................................ 131
5.7. Трехмерная визуализация................................................ 134
5.8. Картографические анимации.......................................... 139
5.9. Вопросы для самопроверки............................................. 142
Глава 6. Пространственный анализ.................................... 143
6.1. Измерительные операции................................................ 143
6.2. Векторный анализ............................................................. 145
6.3. Геостатистика................................................................... 160
6.4. Сетевой анализ.................................................................. 161
6.5. Анализ поверхностей....................................................... 167
6.6. Вопросы для самопроверки............................................. 171
Глава 7. Программные средства ГИС................................ 172
7.1. Российский рынок ГИС................................................... 172
|
|
|
7.2. Полнофункциональные ГИС........................................... 172
7.3. Растровые ГИС.................................................................. 198
7.4. Средства обработки геодезических данных.................. 204
7.5. Векторизаторы.................................................................. 205
7.6. Вопросы для самопроверки............................................. 210
Глава 8. ГИС автомобильных дорог IndorGIS/Road..... 211
8.1. Общие сведения о системе.............................................. 211
8.2. САПР автомобильных дорог IndorCAD/Road 5.0.......... 216
8.3. Система подготовки чертежей IndorDraw 5.0................ 220
8.4. Геодезический редактор IndorSurvey 2.0....................... 221
8.5. Редактор дорожных знаков в IndorRoadSign 1.0............ 232
8.6. Работа с видеорядами в IndorVideoRow 1.0................... 234
8.7. Вопросы для самопроверки............................................. 240
Глава 9. Универсальная ГИС IndorGIS 5.0...................... 241
9.1. Общие сведения о системе.............................................. 241
9.2. Управление проектами и картами.................................. 244
9.3. Создание новых объектов................................................ 251
9.4. Редактирование объектов................................................ 260
9.5. Операции с объектами..................................................... 271
9.6. Работа с растрами............................................................. 277
9.7. Условные знаки................................................................. 284
9.8. Моделирование рельефа.................................................. 288
9.9. Решение транспортных задач.......................................... 290
9.10. Вопросы для самопроверки........................................... 291
Глава 10. Информационная система IndorInfo/Road 3.0 292
10.1. Общие сведения о системе............................................ 292
10.2. Концепция построения системы................................... 293
10.3. Общие приёмы работы................................................... 299
10.4. Просмотр, ввод и редактирование данных.................. 304
10.5. Формирование отчетов.................................................. 318
10.6. Работа с пространственной информацией................... 321
10.7. Управление правами доступа........................................ 330
10.8. Информационная модель............................................... 333
10.9. Вопросы для самопроверки........................................... 338
Предметный указатель........................................................... 339
Литература................................................................................. 342
Предисловие
Дорожная отрасль является одной из важнейших отраслей экономики любой промышленно развитой страны. Недаром, автомобильные дороги называются «кровеносной системой» любого государства. Они играют огромную социально-экономическую роль в жизни современного общества.
|
|
|
В ведущих странах мира финансирование дорожного хозяйства составляет около 3–4% ВВП (валового внутреннего продукта) страны. Исключение составляют только США и Япония, где достаточная развитость дорожной сети и высокий уровень ВВП определяют расходы на дорожное хозяйство в размере 1,1–1,5% ВВП (около 120 и 80 млрд. долл., соответственно), что более чем в 10 раз превышает этот показатель для России.
При всём при этом, в Российской Федерации в силу огромной пространственной протяженности территории транспортные издержки существенно больше среднемировых показателей.
Автомобильные дороги являются очень капиталоемкими, но в тоже время и очень рентабельными сооружениями. Известно, что каждый рубль, вложенный в автомобильные дороги, в перспективе многократно (3–5) возвращается в различных других отраслях экономики за счет снижения транспортных (логистических) издержек, снижения аварийности, повышения подвижности населения. Кроме того, развитие сети автомобильных дорог региона несёт в себе немаловажный социальный эффект в виде обеспеченности населения медицинскими, образовательными, культурно-бытовыми услугами. В настоящее время наличие развитой сети автомобильных дорог является немаловажным фактором инвестиционной привлекательности региона.
Одной из особенностей дорожной отрасли по сравнению с другими отраслями экономики является то, что её основные сооружения (автомобильные и городские дороги) являются сложными инженерными линейно-протяженными сооружениями с ярко выраженной географической природой. В связи с этим основная техническая документация по автомобильным дорогам должна представляться графически на картографической основе или в виде условных схем и чертежей.
Всё это предопределяет вид компьютерных технологий, используемых для управления автомобильными дорогами на различных этапах их жизненного цикла (рис. 0.1). Все этапы цикла дороги между собой связаны логическими и функциональными связями, которые могут иметь и циклический характер.
Среди множества различных видов программных технологий, работающих с графической информацией, в дорожной отрасли наиболее востребованы программные технологии ГИС и САПР. Кроме того, для работы с атрибутивной информацией используются технологии баз данных (БД). На разных этапах жизненного цикла дороги применяются отдельные информационные системы, но чаще всего в сочетании с другими.
|
|
|
Рис. 0.1. Жизненный цикл автомобильной дороги
и место ГИС, САПР и БД на различных его этапах
Системы автоматизированного проектирования (САПР) призваны автоматизировать различные этапы проектирования автомобильных дорог, имеют богатые средства для работы с чертежами и схемами элементов дорог, а также позволяют работать с топографическими планами в крупном масштабе. Основной целью работы в САПР является создание проектно-технической документации в виде чертежей, таблиц и ведомостей. Кроме того, САПР используются и на этапе строительства, но в основном только для документирования результатов исполнительной съемки и их передачи в ГИС и БД.
Геоинформационные системы (ГИС) предназначены для управления большим количеством разномасштабной картографической информации, анализа взаимосвязей объектов в пространстве, управления атрибутными характеристиками объектов. На этапах проектирования и планирования развития сети дорог, ГИС помогают проанализировать различные варианты прохождения трасс автомобильных дорог (рис. 0.2), выступая, в первую очередь, как средство отображения тематических карт и как инструмент пространственного анализа.
Рис. 0.2. Варианты западного и северного обходов
г. Томска (в обосновании инвестиций маршрута
«Новосибирск – Томск – Мариинск – Шарыпово»)
При эксплуатации автомобильных дорог на первый план выходит возможность ГИС тесно работать с атрибутивной информацией, хранящейся в базах данных. ГИС позволяет быстро находить объекты на карте и получать детальную информацию по ним. С другой стороны, выполнив некоторый запрос к БД, результат можно очень наглядно представить на карте.
Вышеизложенный системный подход к формированию информационной основы для управления автомобильными дорогами на всех стадиях их функционирования удовлетворяет всем современным требованиям дорожной отрасли, соответствуя при этом возможностям современных информационных технологий.
В соответствии с этим в настоящем учебном пособии излагаются основы геоинформационных технологий, являющихся центральным элементом комплексного программно-технического решения для дорожной отрасли, разработанного в ООО «ИндорСофт» (г. Томск). Основными элементами этого решения являются универсальная геоинформационная система IndorGIS 5.0, информационная система автомобильных дорог IndorInfo/Road 3.0, система автоматизированного проектирования автомобильных дорог IndorCAD/Road 5.0, система подготовки чертежей IndorDraw 5.0, а также множество вспомогательных продуктов для IndorGIS: модуль решения сетевых задач IndorTransport, модуль анализа транспортных потоков IndorTraffic, система подготовки и просмотра видеорядов IndorVideoRow и пр.
В настоящей книге даются основы современных ГИС-технологий, описываются приёмы работы в современных ГИС, а также рассматриваются различные прикладные ГИС для работы в дорожной отрасли.
Учебное пособие состоит из 10 глав, которые можно условно разделить на две основные части: теоретическую и практическую.
Теоретическая часть книги занимает главы с 1-й по 6-ю. Здесь даются общие положения геоинформатики без привязки в конкретным программным продуктам и с минимальной привязкой к дорожной отрасли.
Первая глава знакомит читателя с общими положениями геоинформатики, видами, функциями и организацией данных геоинформационных систем, а также даёт начальный экскурс в типичную ГИС с точки зрения пользователя.
Во второй главе изучаются различные модели пространственных данных, используемых в геоинформатике для моделирования географически распределенных сущностей.
В третьей главе подробно рассматриваются структура и источники поступления пространственных данных в геоинформационные системы. Особое внимание уделяется тем технологиям, которые находят своё применение в дорожной отрасли.
В четвертой главе приводятся базовые приёмы работы в ГИС с точки зрения обычного пользователя. В этой главе рассматриваются общее понятие ГИС-проекта, способы управления проектами, а также основные режимы работы с картами в ГИС (навигация, получение информации, горячая связь). Здесь же рассказывается о работе с видеорядами – особом режиме работы ГИС, специфическом для дорожной отрасли.
В пятой главе рассматриваются различные виды условных знаков в ГИС и способы их применения для визуализации данных, хранящихся в геоинформационных системах.
В шестой главе изучаются различные методы пространственного анализа ГИС-данных, включая картометрические и геостатистические методы, методы векторного и сетевого анализа, а также способы анализа поверхностей (моделей рельефа).
Практическая часть книги занимает главы с 7-й по 10-ю. В них на конкретных примерах современных программных продуктов даются приемы работы с современными геоинформационными технологиями в дорожной отрасли.
В седьмой главе рассматриваются различные существующие программные средства ГИС.
В восьмой главе описывается комплексное программно-техническое решения для дорожной отрасли, предлагаемое ООО «ИндорСофт», связующим ядром которого является универсальная ГИС IndorGIS и информационная система автомобильных дорог IndorInfo/Road.
В девятой главе рассматриваются IndorGIS 5.0, описывается общая структура ГИС, даются основные приёмы работы в системе.
В десятой главе рассматривается информационная система автомобильных дорог IndorInfo/Road 5.0 – специализированная база данных, базирующаяся на ГИС IndorGIS и предназначенная для хранения и анализа атрибутивной информации по автомобильным и городским дорогам. В главе даётся общая характеристика системы, а также описываются основные приёмы с ней.
При описании различных программных продуктов и технических средств в данной книге были использованы различные текстовые и графические материалы, полученные авторами на официальных Интернет-сайтах фирм-производителей, а также напрямую в ООО «ИндорСофт».
В работе над книгой авторам помогали к.т.н. Д.С. Сарычев (глава 10), С.А. Субботин (п. 7.4), И.В. Кривых (пп. 8.3), А.В. Корф (пп. 7.4, 11.1), Д.А. Петренко (пп. 8.2, 8.5), к.ф.-м.н. Чаусова Е.В. (п. 8.2), М.О. Иванов (п. 8.3), а также д.т.н. В.Н. Бойков, Н.А. Полякова и А.В. Котов.
Все отзывы и пожелания авторы примут с благодарностью и просят направлять их по адресу: 634009, г. Томск, ул. Пушкина, 18/1, Скворцову А.В.; или по электронной почте: [email protected].
Глава 1. Введение в геоинформатику
Понятие ГИС
Первые геоинформационные системы (ГИС) появились в 60-х годах прошлого века в Канаде, США и Швеции. Эти системы тогда имели существенные программные и технические ограничения и не широко не применялись. Примерно в течение 20 лет, вплоть до 80-х годов, проходило становление геоинформатики как науки, отрабатывались методологические подходы к созданию ГИС, создавался математический аппарат, разрабатывались модели данных и алгоритмы их обработки. Одновременно в 80-х годах происходит стремительное распространение компьютерной техники и расширение её возможностей. Всё это в итоге приводит к качественному переходу геоинформатики на новый уровень.
Следует заметить, что первоначально термин ГИС расшифровывался как географическая информационная система. Однако сейчас такой термин считается неверным и его следует применять только для обозначения геоинформационных систем, предназначенных для решения географических задач.
В настоящее время геоинформационные системы решают самые разные задачи в различных отраслях экономики.
Определение. Геоинформационная система (ГИС) – это информационная система, предназначенная для сбора, хранения, обработки, отображения и распространения данных, а также получения на их основе новой информации и знаний о пространственно-координированных объектах и явлениях.
Таким образом, фундаментальной особенностью ГИС, в сравнении их с другими информационными системами, является то, что все моделируемые в ГИС объекты и явления имеют пространственную привязку, позволяющую анализировать их во взаимосвязи с другими пространственно-определенными объектами. Кроме того, ГИС кардинально отличаются от большинства других информационных систем тем, что вся информация в ГИС очень наглядно представляется в виде электронных карт, позволяя человеку извлекать новые знания.
Основным отличием электронных карт в ГИС от бумажных карт является то, что в ГИС карта не является обычной статической картинкой. Каждый условный знак, изображенный в ГИС, соответствует некоторому объекту, который можно проанализировать, в частности получить исчерпывающую дополнительную (неграфическую) информацию из базы данных. Так, одной из базовых функций ГИС является получение информации по выбранному на карте объекту. Например, указав в ГИС курсором мышки здание на карте города, можно получить детальную информацию о номере дома, этажности, материале стен, степени износа, его владельце.
В целом можно сказать, что в ГИС отображаемое на экране изображение всегда соответствует некоторому набору данных, хранящемуся в базе данных ГИС. При этом всегда можно перейти от условного знака на экране к объекту в базе данных и получить требуемую информацию. А также, найдя по некоторому критерию объект в базе данных, можно быстро найти его на карте. Дополнительные параметры пространственных объектов обычно называются атрибутами объектов.
|
|
|
