Дипломная работа: Разработка геоинформационной системы

Дипломная работа: Разработка геоинформационной системы

Ведение народного хозяйства страны невозможно без детального изучения ее территории. Современная техника геодезических и съемочных работ обеспечивает получение точной топографической карты, характеризующей географический ландшафт по его основным элементам. Эта карта, кроме непосредственного обслуживания народнохозяйственных нужд, дает еще основу для изучения страны в геологическом, гидрогеологическом, почвенном, ботаническом и других отношениях. На основе этой карты составляются различные общегеографические и специальные карты.

В науках о Земле информационные технологии породили геоинформатику и географические информационные системы (ГИС). Любая ГИС представляет из себя систему для сбора, хранения, анализа и представления картографической информации. Геоинформационные системы могут включать природную, биологическую, культурную, демографическую или экономическую информацию.

Для использования в ГИС данные должны быть преобразованы в подходящий цифровой формат. Процесс преобразования данных с бумажных карт в компьютерные файлы называется оцифровкой. В современных ГИС этот процесс может быть автоматизирован применением сканерной технологии, что особенно важно при выполнении крупных проектов. Если объем работ небольшой, можно вводить данные с помощью дигитайзера. Многие данные уже переведены в форматы, напрямую воспринимаемые ГИС-пакетами.

ГИС хранит информацию о реальном мире в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе географического положения.

ГИС может работать с двумя существенно различающимися типами данных – векторными и растровыми. В векторной модели информация о точках, линиях и полигонах кодируется и хранится в виде набора координат X и Y.

Растровая модель оптимальна для работы с непрерывными свойствами. Растровое изображение представляет собой набор значений для отдельных элементарных составляющих (ячеек). Оно подобно отсканированной карте или картинке. Вся изучаемая территория разбивается на элементы регулярной сетки или ячейки. Каждая ячейка содержит только одно значение. Она является пространственно заполненной, поскольку любое местоположение на изучаемой территории соответствует ячейке растра, иными словами, растровая модель оперирует элементарными местоположениями. В большинстве растровых моделей данных наименьшей единицей является квадрат или прямоугольник. Такие единицы известны как сетка, матрица или пиксел. Множество ячеек образует решетку, растр, матрицу.

Бурное развитие геоинформатики порождает немало приложений, в которых используется та или иная цифровая модель рельефа (ЦМР) земной поверхности. Подавляющее число таких приложений, например, прогноз наводнений, обеспечение безопасности полетов, объемное представление карты на экране компьютера и т.п., требуют по возможности наиболее точных моделей. Зачастую требования по точности ЦМР можно удовлетворить, создавая модели на основе цифровых топографических карт соответствующего масштаба, содержащих информацию о рельефе в виде изолиний, отметок высот, отметок урезов воды и т.п. Процесс создания модели рельефа (в триангуляционном или матричном виде) по цифровым данным такого типа в настоящее время хорошо изучен и реализован во многих ГИС-пакетах.

Цифровая модель рельефа, ЦМР – это средство цифрового представления 3-мерных пространственных объектов (поверхностей, рельефов) в виде трехмерных данных как совокупности высотных отметок или отметок глубин и иных значений аппликат (координаты Z) в узлах регулярной сети с образованием матрицы высот, нерегулярной треугольной сети или как совокупность записей горизонталей (изогипс, изобат) или иных изолиний.

Целью дипломного проекта является разработка программного модуля обработки и отображения картографической информации на цифровой карте местности.

В процессе дипломного проектирования решаются следующие задачи:

-  обзор технологий и систем ГИС;

-  системное и функциональное проектирование программного модуля;

-  разработка программного модуля с использованием сред программирования Visual C++ 6.0, Qt 3.3.3;

-  проведение тестирования программного модуля;

-  разработка руководства пользователя программного модуля;

-  технико-экономическое обоснование;

-  разработка раздела по охране труда.

геоинформационный программирование модуль система

1.1 Понятие о геоинформационных системах и технологиях

Создание карт и географический анализ не являются чем-то абсолютно новым. Технологии ГИС предоставляют новый, более соответствующий современности, более эффективный, удобный и быстрый подход к анализу проблем и решению задач, стоящих перед человечеством в целом, и конкретной организацией или группой людей, в частности. Они автоматизируют процедуру анализа и прогноза. До начала применения ГИС лишь немногие системы обладали искусством обобщения и полноценного анализа географической информации с целью обоснованного принятия оптимальных решений, основанных на современных подходах и средствах.

Основное отличие ГИС от просто информационной системы в том что, ГИС – информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственно координированных (пространственных) и атрибутивных данных. ГИС содержит данные о пространственных объектах в форме их цифровых представлений (векторных, растровых), включает соответствующий задачам набор функциональных возможностей ГИС, в которых реализуются операции геоинформационных технологий, поддерживается программным, аппаратным, информационным, нормативно-правовым, кадровым и организационным обеспечением. ГИС различаются предметной областью информационного моделирования, к примеру, городские ГИС, или муниципальные ГИС, природоохранные ГИС, среди них особое наименование, как особо широко распространенные, получили земельные информационные системы. Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными и прикладными), среди них инвентаризация ресурсов (в том числе кадастр), анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений. Интегрированные ГИС совмещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) в единой интегрированной среде. Пространственно-временные ГИС оперируют пространственно-временными данными. Реализация геоинформационных проектов, создание ГИС в широком смысле слова, включает этапы: исследования, технико-экономическое обоснование, оценку соотношения «затраты / прибыль», системное проектирование ГИС, тестирование на небольшом территориальном фрагменте, создание опытного образца, внедрение ГИС в эксплуатацию и использование. Научные, технические, технологические и прикладные аспекты проектирования, создания и использования ГИС изучаются наукой геоинформатикой.

Хотя большинство ГИС преимущественно используются управления объектами на сравнительно больших территориях, однако, они могут быть применены и предприятиями, имеющих на своем балансе здания, сооружения, инженерные коммуникации. Для таких систем хорошо подходят корпоративные ГИС. Задача любой корпоративной системы – снизить издержки работы за счет наведения порядка в том, с чем до этого работали на бумаге, ускорить доступ к информации, автоматизировать проведение расчетов, которые на компьютере производятся, естественно, быстрее и с меньшей вероятностью возникновения ошибки, чем на бумаге. Для получения лучших результатов такие системы должны обладать интеллектуальными свойствами.

Работающая ГИС включает в себя пять ключевых составляющих: аппаратные средства, программное обеспечение, данные, исполнители и методы [1].

Аппаратные средства, которые используются в ГИС – это компьютер, на котором запущена ГИС и средства ввода-вывода пространственной информации (дигитайзеры, плоттеры и др.). В настоящее время ГИС работают на различных типах компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров.

Программное обеспечение ГИС содержит функции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации. Ключевыми компонентами программных продуктов являются: инструменты для ввода и оперирования географической информацией; СУБД; инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения); ГИП для легкого доступа к инструментам.

Данные – это вероятно наиболее важный компонент ГИС. Данные о пространственном положении объектов (географические данные) и связанные с ними табличные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем, либо приобретаться у поставщиков на коммерческой или другой основе. В процессе управления пространственными данными ГИС интегрирует пространственные данные с другими типами и источниками данных, а также может использовать СУБД, применяемые многими организациями для упорядочивания и поддержки имеющихся в их распоряжении данных.

Широкое применение технологии ГИС невозможно без людей (исполнителей.), которые работают с программными продуктами и разрабатывают планы их использования при решении реальных задач. Пользователями ГИС могут быть как технические специалисты, разрабатывающие и поддерживающие систему, так и обычные сотрудники (конечные пользователи), которым ГИС помогает решать текущие каждодневные дела и проблемы.

Успешность и эффективность (в том числе экономическая) применения ГИС во многом зависит от правильно составленного плана и правил работы, которые составляются в соответствии со спецификой задач и работы каждой организации.

В настоящее время российские и зарубежные производители предлагают широкий спектр геоинформационных систем. Можно привести наиболее популярные из них.

GIS MapInfo – содержит всю информацию (графическую, текстовую и др.) в таблицах. Пользователь управляет процессами создания картографической информации и тематических слоев через графический интерфейс, который выражается в виде меню и системы контекстных подсказок. MapInfo имеет встроенную реляционную СУБД, работающую по SQL-запросам с файлами в различных форматах.

BusinessMAP – пакет начального уровня для решения бизнес задач, таких как поддержка продаж и маркетинг, на основе включенных в него (в основном по США) или уже имеющихся в готовом виде данных.

Atlas GIS – удобный пакет для конечного пользователя со всеми стандартными функциями, имеющимися в простых настольных ГИС системах. Включает разнообразные готовые данные, в том числе по России. Основное назначение – бизнес приложения.

ArcView GIS – настольная ГИС с развитыми функциями пространственного анализа, многие из которых добавляются к базовому набору в виде дополнительных модулей. Работает на разных платформах.

ARC/INFO – профессиональная ГИС для решения задач структурирования и управления данными, ведения базы данных. Работает на разных платформах. ГИС для рабочей группы (уровня отдела или небольшой фирмы, в которых постоянно ведется разработка ГИС проектов). По мере расширения сферы деятельности и усложнения выполняемых задач целесообразно распределить их решение между несколькими продуктами. Такая ГИС обычно базируется на разделяемой базе пространственных данных, поддерживаемой и обновляемой с помощью разных продуктов и обеспечивающей работу «конечных» пользователей на персональных компьютерах в пределах данной рабочей группы или отдела. Конкретное предлагаемое решение зависит от типов используемых данных, выбранной программной среды, аппаратного обеспечения и ряда других факторов. ГИС уровня предприятия (корпоративная ГИС). Обеспечивает всю организацию пространственной информационной поддержкой. В такую ГИС можно встроить сотни специализированных приложений с дополнительными средствами пространственных запросов, расширенного анализа, отображения и представления данных. В качестве компонентов системы такого уровня могут использоваться серверы пространственных данных:

Spatial Database Engine (SDE) – открытая среда управления пространственными данными, ядро корпоративной распределенной ГИС, как правило, вместе с внешней реляционной СУБД;

ГИС широко используется в интернете. Глобальное картографическое решение. ESRI предоставляет два стандартных решения задачи публикации карт в сети Интернет. MapObjects Internet Map Server обеспечивает технологические средства для доступа к базе данных ГИС через Интернет, разработки собственных приложений для создания карт по имеющимся в вашей организации данным, поддержки пространственных запросов к Web серверу с любого места в сети. ArcView Internet Map Server предоставляет в ваше распоряжение готовые средства для распространения картографических материалов через Интернет без необходимости дополнительного программирования.

Как видно из вышеизложенного материала в настоящее время ГИС – средства в полной мере не решают интеллектуальных задач, таким образом как их решает человек. Основная проблема сводится к манипулированию и использованию знаний. Современные ГИС позволяют работать только с данными (пространственными и атрибутивными) но в полной мере не позволяют представить знания о предметной области, знания как управлять предприятием. Одним из путей решения данной проблемы является реализация системы «гибрида» существующих разработок реализация подсистемы осуществляющей работу с пространственными данными плюс уже более новыми и предметно ориентированными (представление знаний) средствами для представления и работы с атрибутивными данными и знаниями об исследуемых объектах – подсистемой поддержки и принятия решений.

Целью данного дипломного проекта является разработка программного модуля, который должен выполнять следующие функции (задачи):

-  загрузка, отображение цифровой карты местности (ЦКМ), прокрутка и зуммирование изображения загруженной цифровой карты местности (с использованием функций существующей библиотеки картографического обеспечения);

-  создание, редактирование и сохранение списка стандартных высот для объектов цифровой карты местности (по видам объектов, согласно классификатора условных знаков);

-  расчет матрицы превышений на фоне цифровой карты местности (с учетом списка стандартных высот, соответствующих данному участку местности);

-  создание и редактирование матрицы корректировок.

Задача расчета матрицы превышений может решаться как однократно для вполне определенных заданных значений высот рельефа местности, растительности, гидрографии, промышленных объектов, населенных пунктов т. п., так и многократно, а также по мере необходимости при изменении:

-  данных о рельефе, гидрографии, растительности;

-  положения и состояния промышленных объектов, автомобильных и железных дорог или населенных пунктов.

Исходными данными для программного модуля являются:

-  несколько файлов цифровой карты местности с расширением UTP;

-  файл – классификатор условных знаков объектов местности с расширением KLS;

-  файл стандартных высот объектов местности (по видам объектов, согласно классификатора условных знаков);

-  файл матрицы высот с расширением BMH;

-  файл матрицы превышения с расширением BMH2.

Форматы файлов UTP, KLS, BMH, BMH2 являются внутренними для существующей библиотеки картографического обеспечения. Библиотека содержит все необходимые функции для работы с файлами указанных форматов.

Файлы цифровой карты местности содержат пространственные, количественные, качественные и описательные характеристики объектов. Один из предоставляемых файлов является базовым, т.е. покрывает весь интересующий регион и содержит минимальный набор объектов. Остальные файлы ЦКМ соответствуют листам карт масштаба 1:200000 или 1:500000.

Объекты карты распределены по слоям (гидрография, границы и т.д.). Отображение карты производится последовательно слой за слоем в соответствии с классификатором.

Файл классификатора объектов карты содержит данные об их представлении на экране при отображении ЦКМ в зависимости от масштаба отображения.

Файл матрицы высот содержит данные о возвышении земной (водной) поверхности относительно уровня Балтийского моря в каждой точке местности. Данные содержатся в матричном виде, в файле также хранится информация о размере ячейки (шага матрицы), регионе охвата.

Файл превышения высот содержит данные о возвышении верхней поверхности сооружений, растительного покрова относительно земной поверхности в каждой точке местности. Формат файла матрицы превышений такой же, как у файла матрицы высот.

Файл стандартных высот объектов местности представляет из себя список возможных видов объектов (согласно используемого классификатора условных знаков) и соответствующих им значений стандартных высот, хранимый в виде обычного текстового файла.

Для улучшения зрительного восприятия слоев и ускорения процесса их отображения можно применять функции упрощенной отрисовки объектов из существующей библиотеки картографического обеспечения.

Степень детализации отображаемой карты может изменяться установкой минимального размера отображаемого объекта (предусмотреть соответствующие элементы интерфейса). Размер задается в единицах измерения экранной системы координат, т.е. в пикселях.

Для реализации функций загрузки, отображения, прокрутки и зуммирования ЦКМ предусмотреть соответствующие элементы интерфейса (например, меню главного окна или кнопки).

Разрабатываемый программный модуль должен функционировать в среде операционной системы Microsoft Windows 2000/XP, желательно также предусмотреть при разработке интерфейса возможность функционирования программы в операционной системе RedHat Linux 7.3/8. Поэтому предлагается интерфейс приложения разрабатывать с использованием библиотеки QT (версии 3.1.2/3.3.3).

2.1 Разработка структуры программного модуля

Исходя из требований постановки задачи, разрабатываемый программный модуль обработки и отображения картографической информации можно структурно разбить на несколько блоков:

-  блок, реализующий функции загрузки и отображения цифровой карты местности с использованием библиотеки картографии, разработанной специалистами УП НИИСА. Входными данными используемых функций библиотеки картографии являются:

·  один или несколько файлов цифровой карты местности с расширением UTP;

·  файл – классификатор условных знаков объектов местности с расширением KLS;

·  файл матрицы высот с расширением BMH.

-  блок, отвечающий за создание, редактирование и сохранение списка стандартных высот для объектов цифровой карты местности. Внутри блока реализуются также визуальные средства (окно) для редактирования списка высот. Результатом работы данного блока является текстовый файл с расширением ТХТ.

-  блок, необходимый для расчета и сохранения матрицы превышений на фоне цифровой карты местности. Сохранение результатов расчета происходит в двоичный файл с расширением BMH2.

-  блок для создания и редактирования матрицы корректировки. Результатом работы данного блока является файл с расширением BMH3.

Обобщенная структурная схема программного модуля представлена на черт. РТДП 5.000.002.

Разработка пользовательского интерфейса программы будет осуществляться с помощью средств библиотеки Qt.

GUI инструментарий, именуемый Qt, предоставляет норвежская компания TrollTech. GUI означает «Графический Пользовательский Интерфейс» («Graphical User Interface»), поэтому базирующиеся на Qt приложения представляются кнопками, окнами и т.п. Такие приложения осуществляют взаимодействие с пользователем, представляя в визуальной форме выполняемые функции. Этот инструментарий необходим для разработки графических приложений, которые используют X-Window интерфейс в Unix системах, потому что X не содержит предопределенного пользовательского интерфейса. И хотя другие наборы инструментов также позволяют создавать пользовательский интерфейс, Qt предоставляет некоторые технические возможности, которые делают разработку приложений очень простой. Кроме того, Qt инструментарий также доступен для Microsoft Windows систем, что позволяет разработчикам выпускать приложения для обеих платформ.

В настоящее время Qt – это библиотека классов C++ и набор инструментального программного обеспечения, предназначенных для построения многоплатформенных приложений с графическим интерфейсом и исповедующих принцип «написав однажды – компилируй в любом месте». Qt представляет собой единую платформу для приложений, которые могут работать под управлением Windows 95/98/Me/2000/XP, Mac OS X, Linux, Solaris, HP-UX и других версий Unix.

Qt предоставляет:

-  широкий набор классов и методов, пригодных для использования даже для программ без графического интерфейса;

-  хорошее решение для реализации взаимодействия с пользователем посредством виртуальных методов и механизма сигнал / слот;

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6