Тезисы докладов Всероссийской научной конференции "Проектирование научных и инженерных приложений в среде MATLAB" (28-29 мая 2002 г.). М.: ИПУ РАН. 2002. 207 С.: Ил.

Совместное использование ГИС и MATLAB в ландшафтном картографировании

Шибких А.А.
Институт водных и экологических проблем СО РАН, г. Барнаул

Одним из приоритетных научных направлений в настоящее время является исследования в сфере экологии, где широкое распространение получило совместное использование географических и картографических методов и математических моделей. На данный момент неоспоримым фактом является преобладание применения географических информационных систем (ГИС) для решения задач, связанных с использованием картографической информации. Как и большинство серьезных программных продуктов, наиболее распространенные ГИС, такие как ArcInfo или MapInfo, несмотря на наличие внутренних языков программирования (Avenue и MapBasic соответственно), поддерживают возможность подключение дополнительных модулей, реализованных в других программных средах. Кроме того, при программировании на внутренних языках существует возможность подключения библиотек процедур и функций из других языков программирования.

При разработке ГИС-приложений следует учитывать тот факт, что для решения большинства задач, связанных с применением ГИС при картографировании, достаточно создания баз данных (в виде таблиц), элементы которых имеют пространственную привязку, и элементарных процедур работы с ними. Вследствие этого внутренние языки программирования в ГИС ориентированы в первую очередь на разработку приложений такого типа, в ущерб простоте создания и скорости реализации решения других задач. Поэтому, при разработке сложного ГИС-проекта следует внимательно подходить к вопросу выбора программных средств, используемых на его отдельных этапах.

Принимая во внимание наличие сложных вычислительных алгоритмов, применяемых при решении задач, связанных с использованием картографической информации при моделировании, существует возможность (учитывая простоту программирования) и необходимость (учитывая хорошую скорость вычислений) применения системы MATLAB для их решения. Также перспективным направлением применения системы MATLAB можно считать задачи, связанные с использованием содержательных характеристик картографируемых явлений, для успешного решения которых необходима простая и эффективная организация доступа к данным, заложенным в картографическое произведение.

Типичным примером карты, отражающей кроме картографируемого синтетического показателя и его аналитические характеристики, является ландшафтная карта. Текстовое описание элемента легенды ландшафтной карты состоит из описания геолого-геоморфологического, растительного (геоботанического) и почвенного компонентов ландшафта и связей между ними и их составляющими.

Так как наиболее “естественным” для ГИС является табличное представление данных, то запись структуры ландшафта целесообразно осуществить в виде таблицы связей между компонентами, составляющими ландшафт. Очевидно, что при записи в виде таблицы большинство ячеек таблицы не будут содержать никаких ссылок (для ландшафтной карты Алтайского края масштаба 1:500 000, содержащей 193 элемента легенды 2,3 % ячеек заполнены) и, следовательно, для ускоренного доступа к данным и уменьшения объема используемой памяти целесообразно применить метод записи разреженных (sparse) матриц. Хотя реализовать процедуры работы с форматом разреженных матриц достаточно просто и с помощью внутреннего языка ГИС, но, учитывая тот факт, что время, затраченное на доступ к данным, занимает до 80 % всего времени работы алгоритма, а скорость работы процедуры, написанной на MATLAB на порядок выше, чем в Avenue, то целесообразность применения MATLAB, как системы программирования с хорошими “скоростными” характеристиками, выглядит вполне очевидным.

В последнее время в связи с богатым разнообразием проблем, решаемых с помощью ГИС-технологий, происходит разделение программного обеспечения по его назначению. Если раньше создавались полновесные ГИС-пакеты, то сейчас ставка делается на ГИС-основу (“геометрические” алгоритмы, алгоритмы работы с базами данных и интерфейс) и подключаемые модули. При этом упрощаются способы подключения библиотек процедур и функций, написанных с помощью других языков программирования, в том числе и специализированных, что открывает широкие возможности для их применения при решении задач, связанных с картографическим моделированием.

Работа поддержана грантами РФФИ № 01-05-65334 и № 02-05-81013.