Разработка специализированной системы визуализации и анализа городской среды

    

Министерство образования и  науки Российской Федерации 

Федеральное государственное  автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

“Уральский федеральный  университет 

имени первого  Президента России Б.Н.Ельцина”

Математико-механический факультет

Кафедра вычислительной математики

 

 

 

 

РАЗРАБОТКА СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ И АНАЛИЗА ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ

 

 

 

"Допущен к защите"   ___________________     "__"____________2011 г.

Дипломная работа   студента 5 курса  Арефьева Алексея Андреевича    Научный руководитель   Авербух Владимир Лазаревич  доцент КИПУ заведующий сектором компьютерной визуализации ИММ УрО  РАН к.т.н.

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург

2011

РЕФЕРАТ

Арефьев А.А. РАЗРАБОТКА СПЕЦИАЛИЗИРОВАНННОЙ СИСТЕМЫ ВМЗУАЛИЗАЦИИ И АНАЛИЗА ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ, дипломная работа: стр. 111, рис. 32, библ. 16 назв.

Ключевые слова: ИНФОРМАЦИОННАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ, ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА, ЭЛЕКТРОННАЯ КАРТА, ИНФОРМАЦИОННАЯ ПОДДЕРЖКА ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ, ВИЗУАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

Объект исследования – географические информационные системы.

Цель работы – анализ методов информационной визуализации и визуального анализа и применение их для разработки прототипа системы поддержки конечного пользователя.

В процессе работы проводился анализ возможностей географических информационных систем как средств визуализации и анализа данных, исследовались различные методы представления географических и семантических данных.

В результате работы разработан прототип информационной системы  городской среды Екатеринбурга.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1. ГИС КАК  СРЕДСТВО ВИЗУАЛИЗАЦИИ И АНАЛИЗА  ДАННЫХ РАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДЫ 6

1.1. Введение в ГИС 6

1.2. Составные части ГИС 8

1.3. Задачи, которые решает ГИС 10

1.4. Основные понятия ГИС 13

1.5. Модели ГИС 16

1.6. Послойная  организация данных 18

1.7. Визуальная  обработка информации в ГИС 19

1.8. Анализ  данных в ГИС 22

2. ГИС В СОВРЕМЕННОМ ОБЩЕСТВЕ 24

2.1. Гис и  бизнес 24

2.2. Некоторые  применения ГИС в бизнесе 28

2.3. Гис и  транспорт 32

3. АНАЛИЗ  ФУНКЦИЙ СИСТЕМЫ 34

4. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ 38

ЕКАТЕРИНБУРГА 38

5. ОПИСАНИЕ ПРОЕКТА СИСТЕМЫ 42

5.1. Описание  электронной карты 42

5.3. Информация  об объекте 51

5.4. Описание  средств поиска объектов на  электронной карте 54

5.5. Инструменты  измерения расстояний и площади  объектов 57

5.6. Инструменты анализа транспортной системы города. «Узкие» места 59

на дорогах  Екатеринбурга 59

5.7.Средства  печати 64

6. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ ВИДОВ 67

ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ 67

7. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ  СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ 70

7.1. Формат карт shape 71

7.2. Краткий обзор QGis 74

7.3. Краткий обзор С# 76

7.4. Обзор библиотеки MapWindow 78

7.5. Описание структуры класса Map 79

7.6.Описание  структуры классов слоев 81

8. СТРУКТУРНАЯ  ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОГРАММЫ 82

8.1. Основное  окно программы. Форма «MainForm» 82

8.2. Окно информации  об объекте. Форма «MyFeatureIdentifire» 85

8.3. Окно печати. Форма «MyLayoutForm» 86

ЛИТЕРАТУРА 88

ПРИЛОЖЕНИЕ А 90

 

 

ВВЕДЕНИЕ

XXI век называют веком информатизации всей сферы жизнедеятельности человека: управления, образования, здравоохранения, сельского хозяйства и многих других сфер. Одним из направлений является использование компьютерных технологий в повседневной деятельности, в частности обеспечение средствами информационной визуализации и визуального анализа представителей муниципальных органов власти, бизнесменов, менеджеров и продавцов, а так же потребителей различных услуг.

Наша задача – исследование возможностей применения методов информационной визуализации, в частности геоинформационной визуализации, в сфере торговли недвижимостью (квартиры, офисы и другие объекты), а так же анализе транспортной сети города. Частично эту задачу выполняют такие системы как 2Gis, «Яндекс.Карты». Однако, они носят общий характер и нуждаются в дополнительных настройках. Их главная задача – предоставление информации, а не поддержка работы конечного пользователя.

В ходе работы мной проанализированы задачи по информационной визуализации купли-продажи недвижимости и анализу транспортной сети города. Разработан прототип географической информационной системы, выполняющий их.

 

 

 

 

 

1. ГИС  КАК СРЕДСТВО ВИЗУАЛИЗАЦИИ И АНАЛИЗА ДАННЫХ РАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДЫ

1. Введение в ГИС

Географическая информационная система (ГИС, геоинформационная система) - программно-аппаратный комплекс, предназначенный для сбора, управления, анализа и отображения пространственно распределенной информации. ГИС - не только и не столько информационные системы для географии, сколько информационные системы с географически организованной информацией. В простейшем варианте географические информационные системы - сочетание обычных баз данных (атрибутивной информации) с электронными картами, то есть мощными графическими средствами.

Основная идея ГИС - связь данных на карте и в базе данных. ГИС - это и аналитические средства для работы с любой координатно-привязанной информацией. В принципе, ГИС можно рассматривать как некое расширение концепции баз данных. В этом смысле ГИС фактически представляет собой новый уровень и способ интеграции и структурирования информации. ГИС предлагает совершенно новый путь развития картографии. Преодолеваются основные недостатки обычных карт - их статичность и ограниченная емкость как носителя информации. В последние десятилетия бумажные карты из-за перегруженности информацией становятся нечитабельными. ГИС же обеспечивает управление визуализацией информации. Появляется возможность выводить (на экран, на твердую копию) только те объекты или их множества, которые интересуют нас в данный момент. Фактически осуществляется переход от сложных комплексных карт к серии взаимоувязанных частных карт. При этом улучшается структурированность информации, а следовательно, повышается эффективность ее обработки и анализа. В ГИС карта оживает и становится действительно динамическим объектом в смысле:

• изменяемости масштаба;

• преобразования картографических проекций;

• варьирования объектным  составом карты;

• возможности опрашивать через карту в режиме реального  времени многочисленные базы данных;

• изменения способа отображения  объектов (цвет, тип линии и т.п.), в том числе и определения символогии через значения атрибутов, то есть синхронизации визуализации с изменениями в базах данных;

• легкости внесения любых  изменений.[1] 

Гис напрямую связан с картографией и другими науками (Рис.1)[2]

Рис.1 Связь ГИС с науками

 

 

2. Составные части ГИС

 

 Базы данных являются обязательными  компонентами ГИС, всегда имеющими два  их типа – графические и тематические. В графических базах данных хранится то, что принято называть топографической  основой, тематические содержат нагрузку карт и дополнительные данные, которые  относятся к пространственным, но не могут быть прямо нанесены на карту.  
      Кроме того, любая ГИС имеет систему визуализации данных, выводящую на экран или на плоттер (принтер) имеющуюся информацию в виде карт, таблиц, схем и т.п. и систему управления данными при помощи которой происходит их поиск, сортировка, удаление, добавление, исправление и анализ (Рис.2 и Рис.3)[2]

Рис.2. Составные части ГИС

Рис.3 Схема ГИС

Система ввода – это программный  или аппаратно-программный блок, отвечающий за получения данных. Например, дигитайзеры, на котором осуществляется оцифровка карт, сканер, считывающий изображение в виде растра, электронные геодезические приборы. Информация может быть введена с клавиатуры, получена по сети. Ее источником может быть аэрофото и космические снимки, вводимые и обрабатываемые на специализированных рабочих станциях или персональных станциях приема спутниковых данных.   

 Система ввода:

• Клавиатура
• Внешние компьютерные системы (включая Интернет)
• Сканер
• Дигитайзер
• Электронные геодезические приборы
• Космические и аэрофотоснимки

 

    Система вывода  ГИС предназначена для представления  результатов информации в удобном  для пользователя виде. При помощи  плоттера можно получить очень  качественные карты. Используются  также принтеры. Результаты могут  быть представлены на видеофильмах, хранится на диске.[2]

 

3. Задачи, которые решает ГИС

ГИС общего назначения, в числе  прочего, обычно выполняет пять процедур (задач) с данными:

1. ввод,
2. манипулирование,
3. управление,
4. запрос и анализ,
5. визуализацию.

Ввод.

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  с применением сканерной технологии, что особенно важно при выполнении крупных проектов, либо, при небольшом  объеме работ, данные можно вводить  с помощью дигитайзера. Многие данные уже переведены в форматы, напрямую воспринимаемые ГИС-пакетами.

Манипулирование.

Часто для выполнения конкретного  проекта имеющиеся данные нужно  дополнительно видоизменить в соответствии с требованиями вашей системы. Например, географическая информация может быть в разных масштабах (осевые линии  улиц имеются в масштабе 1: 100 000, границы  округов переписи населения - в масштабе 1: 50 000, а жилые объекты - в масштабе 1: 10 000). Для совместной обработки  и визуализации все данные удобнее  представить в едином масштабе. ГИС-технология предоставляет разные способы манипулирования  пространственными данными и  выделения данных, нужных для конкретной задачи.

 

 

Управление.

В небольших проектах географическая информация может храниться в  виде обычных файлов. Но при увеличении объема информации и росте числа  пользователей для хранения, структурирования и управления данными эффективнее  применять системы управления базами данных (СУБД), то специальными компьютерными  средствами для работы с интегрированными наборами данных (базами данных). В ГИС  наиболее удобно использовать реляционную  структуру, при которой данные хранятся в табличной форме. При этом для  связывания таблиц применяются общие  поля. Этот простой подход достаточно гибок и широко используется во многих, как ГИС, так и не ГИС приложениях.

Запрос и анализ.

При наличии ГИС и географической информации можно получать ответы на простые вопросы (Кто владелец данного  земельного участка? На каком расстоянии друг от друга расположены эти объекты? Где расположена данная промзона?) и более сложные, требующие дополнительного анализа, запросы (Где есть места для строительства нового дома? Каков основный тип почв под еловыми лесами? Как повлияет на движение транспорта строительство новой дороги?). Запросы можно задавать как простым щелчком мышью на определенном объекте, так и с посредством развитых аналитических средств. С помощью ГИС можно выявлять и задавать шаблоны для поиска, проигрывать сценарии по типу “что будет, если…”.

Визуализация.

Для многих типов пространственных операций конечным результатом является представление данных в виде карты  или графика. Карта - это очень  эффективный и информативный  способ хранения, представления и  передачи географической (имеющей пространственную привязку) информации. Раньше карты  создавались на столетия. ГИС предоставляет  новые удивительные инструменты, расширяющие  и развивающие искусство и  научные основы картографии. С ее помощью визуализация самих карт может быть легко дополнена отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками и таблицами, фотографиями и другими средствами, например, мультимедийными.[3]

 

4. Основные понятия ГИС

Рассмотрим основные понятия  ГИС, в том или ином виде присутствующие во всех современных геоинформационных системах.

Данные

В ГИС данные делятся на две категории:

•  пространственные (местоположение);

•  семантические (атрибуты).

Это вероятно наиболее важный компонент ГИС. Данные о пространственном положении 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.