geography/fGIS/concept.html

   1 <HTML>
   2 <HEAD>
   3 <TITLE>fGIS Concept</TITLE>
   4 </HEAD>
   5 <BODY>
   6 <H1>Концепция функциональной GIS</H1>
   7
   8 <blockquote>
   9  <font color="#AA0000"><B>Этот документ устарел!</b></font><i>
  10  Текущее описание концепции имеется только в <a href="concepts.html">в
  11 английской версии</a>, каковое положение и сохранится до тех пор, пока
  12 кто-нибудь из русскоязычных членов команды не возьмется поддерживать
  13 русскую версию документации. У меня просто нет сил на две версии
  14 документации
  15 одновременно, поэтому я поддерживаю только английский вариант, как
  16 доступный большему числу потенциальных пользователей.</i>
  17 </blockquote>
  18 <!--CONTENT NUMBERED BACKREFS--><OL>
  19 <LI><A NAME="toc_entry0"></A><A HREF="#toc_section0"> Определение</A>
  20 <LI><A NAME="toc_entry1"></A><A HREF="#toc_section1"> Точность карты.</A>
  21 <LI><A NAME="toc_entry2"></A><A HREF="#toc_section2"> Где же контур?</A>
  22 <LI><A NAME="toc_entry3"></A><A HREF="#toc_section3"> Операции с картами.</A>
  23 <LI><A NAME="toc_entry4"></A><A HREF="#toc_section4">Визуализация карт и метаданные.</A>
  24 <LI><A NAME="toc_entry5"></A><A HREF="#toc_section5">Масштабный ряд или иерархия регионов</A>
  25 <LI><A NAME="toc_entry6"></A><A HREF="#toc_section6">Принципы построения системы</A>
  26 <LI><A NAME="toc_entry7"></A><A HREF="#toc_section7">Автоматическая актуализация карт.</A>
  27 </OL>
  28 <!-- END CONTENT -->
  29
  30
  31 В данном тексте предлагается новый подход к представлению
  32 пространственной информации. Он не совсем новый. Многие существующие
  33 ГИС, особенно ориентированные на обработку снимков, неявно используют
  34 его. Но никто еще не пытался в явном виде сформулировать его и показать
  35 его достаточность для большинства ГИС-задач.
  36 <P>
  37 <A NAME="toc_section0"></A><A HREF="#toc_entry0"><h3> Определение</H3></A>
  38   Назовем <I>картой</I> функцию от координат, определенную на некотором
  39   подмножестве поверхности земного шара и принимающую либо числовые
  40   (вещественные) значения, либо значения из какого-то конечного множества.
  41   <P>
  42   Почему этого достаточно?
  43   <OL>
  44   <LI> Область определения может быть либо непрерывным участком территории,
  45     если нас интересует феномен, имеющий площадную природу,
  46     либо множеством линий (дорожная сеть, речная сеть), либо конечным
  47 множеством изолированных точек (населенные пункты, точки опробования).
  48   <P>
  49    Очевидно, что все существующие способы картографического изображения
  50    позволяют изобразить объекты, относящиеся к одной из трех этих групп.
  51
  52    <LI> Любой параметр, который мы можем изобразить  на карте, либо
  53    количественный, либо каким-то образом классифицирован. Если мы рассмотрим
  54    классификацию как конечное множество классов, то станет очевидно, что
  55    все карты качественных признаков (почвенные, растительные и даже администра-
  56    тивное районирование) попадают под наше определение.
  57   </OL>
  58 Единственное в нашем определении, что может возмутить человека, привыкшего
  59 работать с бумажными картами, это то, что мы позволяем карте изображать только
  60 один показатель, в то время как на бумажных картах обычно одновременно
  61 изображается несколько тематически сходных показателей, не считая
  62 общегеографической ситуации.
  63 <P>
  64 Мы намеренно идем на это ограничение, поскольку оно облегчает дальнейшую
  65 работу с картами. Разделив каждую исходную карту на несколько слоев,
  66 каждый из которых отвечает только за один показатель, мы получаем полную
  67 свободу при построении производных карт. Мы можем использовать при
  68 анализе любые показатели, не обращая внимание на то, каким путем
  69 эта информация получена. Все карты у нас независимы и равноправны.
  70
  71 <A NAME="toc_section1"></A><A HREF="#toc_entry1"><H3> Точность карты.</H3></A>
  72
  73 Любая информация о реально существующих объектах имеет ограниченную точность.
  74 Поэтому нужно ввести способ оценки точности карт.
  75 У проблемы точности карты есть две стороны:
  76 <OL>
  77  <LI> Точность определения координат
  78  <LI> Точность информации о значении карты.
  79 </OL>
  80 Точность определения координат эквивалентна точности проведения
  81 контуров исходной карты и обычно не превышает 1-2 мм в масштабе исходной
  82 карты. Определенные погрешности вносит и ввод карт в машину, но они
  83 обычно на порядок меньше.
  84 <P>
  85 В качестве оценки координатной точности карты мы будем использовать
  86 пространственное разрешение. Это минимальное расстояние между точками
  87 в которых карта может иметь различные значение. Те кому приходилось
  88 работать с отсканированными изображениями сразу заметят сходство
  89 этого понятия с разрешением растрового изображения. Это дейтсвительно
  90 одно и то же понятие, поскольку для хранения карт используется растровый
  91 формат.
  92 <P>
  93 Что касается точности значнений, то тут вопрос более сложный.
  94 Дать формализованную оценку точности классификации нельзя, если только
  95 эта классификация не получена в результате какого-либо статистического
  96 метода.
  97 <P>
  98 Теория точности измерений количественных показателей и точности
  99 интерполяции, напротив, хорошо разработана.
 100 <P>
 101 Кроме того существует точность представления чисел в компьютере.
 102 <P>
 103 Поэтому для карт количественных параметров кроме разрешения используется
 104 понятие Z-точности - минимальная разница между значениями карты,
 105 при которых эти значения считаются неравными. Z-точность это
 106
 107 <A NAME="toc_section2"></A><A HREF="#toc_entry2"><H3> Где же контур?</H3></A>
 108
 109 Во всем вышеизложенном человек привыкший работать с картами не найдет
 110 одного важного понятия - контура. Его здесь действительно нет.
 111 <P>
 112 Контур это связное множество точек, в которых карта имеет одинаковое значение.
 113 Если мы рассмотрим карту количественного показателя, которая обычно
 114 изображается с помощью послойной раскраски, то мы увидим, что
 115 контур здесь - область в которой значения показателя заключены в определенном
 116 интервале - от одной изолинии до соседней. Если мы изменим границы
 117 интервалов, изменится и вся контурная сеть, хотя сама карта, то есть
 118 пространственное распределение значений показателя, осталась прежней.
 119 <P>
 120 Для карт классификаций контур --- вещь более устойчивая. Он может
 121 измениться если по каким-то причинам изменится классификация либо
 122 наши знания о территории.
 123 <P>
 124 Поэтому для этих карт возможна работа на уровне контуров. В основном
 125 операции с контурами это их непосредственное редактирование, которое
 126 с точки зрения функциональной карты означает: мы выделяем какую-то группу
 127 точек (например, нарисовав замкнутую линию) и говорим: значение карты
 128 в этих точках теперь будет такое-то.
 129 <P>
 130 Очевидно, этой операцией надо пользоваться с осторожностью, оставив
 131 его для этапов первичного ввода информации и ее обновления.
 132
 133 <A NAME="toc_section3"></A><A HREF="#toc_entry3"><H3> Операции с картами.</H3></A>
 134
 135 Теперь перейдем к тому, для чего все это затевалось - к операциям анализа
 136 карт.
 137 <P>
 138 Их можно сразу разделить на две большие группы:
 139 <OL>
 140 <LI> Когда нам в результате нужно получить карту
 141 <LI> Когда в результате мы получаем какую-то суммарную информацию
 142   (обычно в форме таблицы).
 143 </OL>
 144 Ограничимся пока первой группой операций.
 145 <P>1. Зачастую, чтобы получить интересующий нас показатель в какой-то
 146 точке, нам
 147 достаточно использовать только значения некоторых других показателей
 148 в той же точке.
 149 <P>
 150 Например, для расчета потенциальной эрозии нам нужны сведения о
 151 механическом составе почв, уклонах, длине склонов, напочвенном покрове
 152 и т.д. Если все эти данные есть у нас в виде карт, то применив
 153 известное уравнение к каждой точке территории, мы получим новую карту.
 154 <P>
 155 Традиционно в для этого сначала накладывают друг на друга все исходные
 156 карты и получают сетку минимальных контуров, в которых все исходные
 157 показатели однородны, а потом для каждого такого контура расчитывают
 158 итоговый показатель.
 159 <P>
 160 Если же мы выполним рассчет для каждой точки карты (а их конечное число,
 161 поскольку все исходные карты имеют конечное разрешение), то
 162 итоговые контура образуются сами, как группы точек где вычисленный
 163 показатель имеет одинаковые значения.
 164 <P>
 165 Математически это описывается понятием функционала - операции,
 166 которая по нескольким исходным функциям строит результирующую.
 167 <P>
 168 С практической точки зрения провести вычисления в нескольких миллионах
 169 точек гораздо быстрее, чем вычислять пересечения сотен контуров.
 170 <P>
 171 2. Иногда для вычисления значения показателя в точке нам нужна
 172  информация о некоторой окрестности этой точке (теоретически -
 173 в бесконечно малой, на практике - не меньше разрешения карты)
 174 Классический пример такой задачи - нахождение уклонов по
 175 гипсометрической карте. Другой, столь же характерный пример - текстура
 176 изображения на аэрофотоснимке.
 177 <P>
 178 3. И, наконец, иногда нам нужны удаленные точки, обладающие
 179 определенными свойствами. Например, во многих задачах размещения
 180 нас интересует расстояние до ближайшей дороги, при построении
 181 карт химического состава нас интересуют несколько ближайших точек
 182 опробовоания.
 183 <P>
 184 Интересной темой для исследования является возможность композиции
 185 функционалов, поскольку работа с композициями функционалов
 186 позволяет считать сложные модели за один проход, без создания
 187 сложных промежуточных карт.
 188 <P>
 189 Очевидно, к операциям 1-й группы композиция применима всегда
 190 z=f(g(x)) посчитать не сложнее чем y=g(x) z=f(y).
 191 <P>
 192 Сложнее с операциями второй группы, поскольку если в вычислении
 193 f(x) участвуют значения g(x+dx) их надо вычислить заранее, а если
 194 и они требуют окрестности... Сравните, например, с формулой второй
 195 производной сложной функции.
 196 <P>
 197 Если же речь идет о нелокальных операциях, таких как буферизация
 198 и интерполяция, без сохранения промежуточных результатов в виде
 199 карт видимо не обойтись.
 200 <P>
 201
 202 <A NAME="toc_section4"></A><A HREF="#toc_entry4"><H3>Визуализация карт и метаданные.</H3></A>
 203
 204 Дать строгое математическое определение карты конечно хорошо, но
 205 исследователи привыкли видеть карту перед глазами.
 206 <P>
 207 Это как раз то, чего не позволяют существующие ГИС. В них создание
 208 картографической композиции на экране или на бумаге - длительный
 209 и сложный процесс, совершенно не связанный с собственно пространственным
 210 анализом и моделированием.
 211 <P>
 212 Да, стадия дизайна необходима, когда вы готовите карту для публикации,
 213 но возможность быстро увидеть результат какой-то операции в более
 214 менее адекватных картографических знаках может избавить от множества
 215 ошибок.
 216 <P>
 217 Функциональные карты могут помочь и здесь.
 218 Поскольку каждая карта у нас отображает ровно один показатель,
 219 мы можем связать способ картографического изображения непосредственно
 220 с множеством значений карты. (во многих областях наук о земле это
 221 уже и так сделано - существуют стандартные цвета для типов почв или
 222 геохронологических эпох).
 223 <P>
 224 После этого, построив карту мы можем немедленно ее изобразить в
 225 соответствующих условных знаках, а задача дизайна картографической
 226 композиции распадается на создание набора знаков для каждого
 227 показателя и изображение на одном листе тех слоев, которые тематически
 228 интересно рассматривать вместе, так , чтобы они не мешали друг другу.
 229 <P>
 230 <A NAME="toc_section5"></A><A HREF="#toc_entry5"><H3>Масштабный ряд или иерархия регионов</H3></A>.
 231 Далеко не всегда работа с картами сводится к работе с одной и той же
 232 территорией. Достаточно часто приходится иметь дело с иерархией
 233 масштабов и соответствующей ей иерархией территорий.
 234 <P>
 235 При этом используемые картографические проекции и классификации
 236 качественных показателей (почв, растительности и т.д.) закономерно
 237 меняются с измененем масштаба.
 238 <P>
 239 Далеко не всегда на нужном масштабном уровне есть вся необходимая
 240 информация. Поэтому часто возникает задача либо собрать карту
 241 из более крупномасштабных кусков, с соответствующей генерализацией,
 242 либо использовать фрагмент более мелкомасштабной карты. Потеря точности
 243 тут неизбежна, но часто лучше неточные данные, чем никаких.
 244 <P>
 245 Поэтому мы вводим концепцию региона. Регион это группа карт на одну
 246 и ту же территорию. Все карты региона имеют одну и ту же координатную
 247 систему (картографическую проекцию) но могут различаться по разрешению.
 248 Последнее не мешает совместно использовать их в анализе.
 249 Для того чтобы использовать карту из другого региона вместе с картами
 250 текущего, ее надо скопировать в этот регион. При этом она будет
 251 автоматически преобразована в нужную проекцию, но сохранит свое оригинальное
 252 разрешение и легенду. Ее генерализация (уменьшение разрешения) и
 253 переклассификация легенды - дело пользователя.
 254 <P>
 255 Регионы имеют иерархическую систему соподчинения. Покажем, что это
 256 такое на примере административного деления России.
 257 <P>
 258 Регион верхнего уровня - Россия в целом. Характерное разрешение 1-2км,
 259  проекция скорее всего коническая.
 260 В этот регион входят 86 подрегионов - административных областей.
 261 Разрешение в них от 500 до 100 м, а проекция может быть конической,
 262 косой азимутальной или UTM(Гаусса), в зависимости от размеров области.
 263 <P>
 264 Если деление одного региона сразу на 86 частей кажется слишком мелким,
 265 можно ввести промежуточный уровень экономических районов.
 266 <P>
 267 Каждая область состоит из районов. При наличии исходных данных
 268 можно ввести еще и подрегионы для районов - отдельные хозяйства с
 269 разрешением порядка метров (масштаб 1:5000 - 1:10000)
 270 <P>
 271 Система позволяет перейти на соседний уровень в этой иерархии - либо
 272 подняться вверх в объемлющий регион, либо, выбрав нужный подрегион
 273 на специальной карте (в данном случае административной) перейти
 274 в него.
 275 <P>
 276 При копировании карты с нижнего уровня на верхний, она копируется
 277 целиком, а вот при обратном копировании возникает задача вырезания
 278 нужного куска. Один из возможных путей ее решения - иметь в каждом
 279 регионе специальную карту (видимо, ту же, которая используется для
 280 поиска субрегионов), область определения которой совпадает со всей
 281 территорией региона, и пользоваться ей как маской.
 282
 283 <A NAME="toc_section6"></A><A HREF="#toc_entry6"><H3>Принципы построения системы</H3></A>
 284
 285 Система строится вокруг вьюера/редактора карт.
 286 Этот вьюер/редактор умеет выводить карты более-менее всеми
 287 существующими способами картографического изображения, в том числе
 288 например слой штриховками поверх слоя цветов.
 289 <P>
 290 Открыть для редактирования в каждый конкретный момент можно только один
 291 слой.
 292 <P>
 293 При тыканье мышью в окно карты обычно в каком-то другом окне
 294 показывается значение по некоторым выбранным картам (все видимые +
 295 те которые пользователь указал явно) в этой точке.
 296 <P>
 297 Меню системы позволяет выполнить любые операции анализа, переход
 298 между регионами и т.п. Если в результате операции обработки карт
 299 создана ровно одна новая карта, то она замещает в окне вьюера ту,
 300 которая была выведена цветом (случай синхронного выполнения).
 301  <P>
 302 Все операции, которые пользователь может произвести из меню системы
 303 можно выполнить из программы на Tcl, включая такие как рисование
 304 точки или линии в редакторе
 305
 306 <A NAME="toc_section7"></A><A HREF="#toc_entry7"><H3>Автоматическая актуализация карт.</H3></A>
 307
 308 Для карт созданных в результате операций обработки хранится
 309 команда, создавшая карту, и список исходных карт. При визуализации
 310 этой карты проверяется, не были ли изменены какие-то из исходных
 311 карт, и если да, предлагается повторить генерацию карты.
 312 </BODY>
 313 </HTML>