Обзор технических средств ГИС

Аппаратные средства ГИС включают различные технические устройства, обеспечивающие функционирование всех подсистем ГИС.

2.1.1. Минимальные системные требования рабочего места (компьютера) пользователя ГИС определяются геоинформационной системой и сложностью задач, которые решаются в ее рамках. Так как работа с ГИС подразумевает работу с большими объемами графической информации, то к компьютеру, который используется как рабочее место пользователя ГИС, предъявляются более высокие требования, чем к офисному компьютеру.

Мощность компьютера оценивается по ряду позиций, которые и принято считать системными требованиями:

- частота и разрядность микропроцессора;

- объем оперативной памяти (ОЗУ);

- характеристики видеоадаптера;

- объем жесткого диска (винчестера);

- возможность соединения с периферийными устройствами и другими компьютерами.

Микропроцессор –выполняет весь объем вычислений при обработке информации в компьютере, его производительность определятся частотой, количеством ядер и разрядностью.Современные микропроцессоры могут быть 32-х и 64-х разрядными, одно-, двух- и более ядерными, с частотой от 1 до 3 и более гигагерц. Два основных производителя микропроцессоров – Intel и AMD (Advanced Micro Devices), продукты которых мало отличаются производительностью и другими характеристиками, и полностью удовлетворяют требованиям любой, даже самой мощной персональной географической информационной системы. Минимально допустимой частотой процессора можно считать 1,5 ГГц, разрядность – 32.

Объем оперативной памяти (ОЗУ) определяется используемой операционной системой и самой географической информационной системой, а ограничивается производителями материнских плат, и колеблется в современных компьютерах от 512 Мб до 2 Гб.

Пока при работе геоинформационной системы используется не весь объем ОЗУ, пользователь не замечает никаких недостатков работы. Когда объем данных пользователя, обрабатываемых ГИС, превышает объем ОЗУ, часть информации записывается на жесткий диск в так называемый своп-файл. Скорость обмена данными между жестким диском и ОЗУ в тысячи раз ниже, чем при использовании только ОЗУ, поэтому в работе ГИС возникают паузы, проявляющиеся как задержка прорисовки изображения, открытия меню, окон и других элементов интерфейса, что определяет комфорт и скорость работы пользователя. Достаточным можно считать объем памяти 1 Гб при использовании 32-разрядных операционных систем (Windows XP), 2 Гб и более при использовании 64-разрядных операционных систем (Windows Vista).

Видеоадаптер (видеоплата)управляет выводом информации на монитор, может быть как интегрированным в набор микросхем материнской платы, так и поставляться отдельным модулем, который монтируется в соответствующий разъем материнской платы. Наибольшей производительностью обладают видеоадаптеры, поставляемые отдельным модулем. Самые известные производители видеоадаптеров для персональных компьютеров – это NVidia и ATI, продукты которых обладают достаточными параметрами для работы с современными геоинформационными системами.

Жесткий диск (винчестер, hard disk, HD) – постоянное запоминающее устройство, предназначенное для хранения больших объемов данных. Представляет собой вращающийся магнитный диск (или несколько дисков на одной оси), заключенный в прочный воздухонепроницаемый корпус. Информация с диска считывается магнитными головками, двигающимися над его поверхностью. Объем дисков в современных персональных компьютерах колеблется от 40 до 750 и более гигабайт.

Коммутация (соединение с внешними устройствами и другими персональными компьютерами)обеспечивается наличием портов, сетевых адаптеров и устройств беспроводной связи.

Основными портами для соединения с внешними устройствами в современных компьютерах являются порты USB (Universal Serial Bus) и IEEE 1394, которые позволяют подключить практически любое периферийное устройство (сканер, плоттер, принтер, дигитайзер и т.д.) и обеспечивают высокую скорость обмена данными между компьютером и периферией.

Сетевой адаптер (сетевая карта) предназначен для связи компьютеров, объединенных в локальную вычислительную сеть при помощи оптико-волоконного кабеля или витой пары.

Устройства беспроводной связи обеспечивают организацию локальной вычислительной сети без использования проводов, что имеет несомненные преимущества. При этом виде связи информация передается при помощи радиосигнала, излучаемого антенной устройства беспроводной связи.

2.1.2. Аппаратное обеспечениеподсистемы ввода информации включает, прежде всего, устройства преобразования графической информации из аналогового вида к цифровому. К таки устройствам относят дигитайзеры и сканеры.

Дигитайзер представляет собой планшет формата от А4 до А0 и визира в виде увеличительного стекла с перекрестьем или указателя в виде карандаша, связанных с декодирующим логическим устройством. Под рабочей поверхностью планшета расположена сетка взаимно перпендикулярных проводников. При нажатии кнопки на визире по проводникам пропускается электрический импульс, а контур воспринимает импульсы, поступившие к нему от ближайших проводников. Так как каждому проводнику присвоен свой двоичный код, то декодирующее устройство определяет координаты Х и Y каждой точки обрабатываемого изображения и передает их в память компьютера. При работе с дигитайзером точность оцифровки исходного изображения во многом зависит от опыта оператора, ошибки в определении координат точки на планшете могут достигать 0,3 мм.

Несомненными преимуществами использования дигитайзера являются:

- высокая точность оцифровке при работе со старыми картографическими материалами с большим количеством недостатков изображения;

- получение информации в векторной форме, готовой для использования в компьютере.

Сканер представляет собой устройство, которое при помощи источника света и светочувствительного элемента преобразовывает изображение в электронный вид. Сканеры бывают ручные, планшетные и барабанные. Наиболее распространенным видом сканеров в настоящее время являются планшетные сканеры различных форматов (от А4 до А0) (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема планшетного сканера

Процедура сканирования осуществляется следующим образом. Положив изображение на стекло планшета, запускают соответствующую программу сканирования на компьютере. Под стеклом перемещается подвижная каретка, на которой закреплен источник света и светочувствительный элемент, который регистрирует отраженный от всех элементов изображения свет. После окончания сканирования изображение можно отредактировать и/или сохранить на компьютере.

Аппаратное обеспечение подсистемы выводаинформации включает графопостроители, плоттеры, принтеры, экраны дисплеев.

В настоящее время наиболее распространены лазерные и струйные принтеры. Принцип работы лазерного принтера заключается в следующем (рис. 2.2):

Лазер (1) включается микропроцессором миллионы раз в секунду. При этом световой луч отражается от зеркала (2). Отраженный луч нейтрализует участки положительно заряженного фотобарабана (3), формируя скрытое негативное изображение. Затем на барабан напыляется мелкий положительно заряженный порошок (тонер) из резервуара (4), который пристает только к нейтральным участкам. Когда отрицательно заряженная бумага (5) входит в контакт с барабаном, порошок притягивается к ней и формирует изображение. Затем осуществляется закрепление изображения (6) под действием тепла и давления, и цикл печати повторяется.

Рис. 2.2. Схема работы лазерного принтера

Для вывода широкоформатных чертежей используют векторные и растровые плоттеры. Принцип действия векторных плоттеров заключается в том, что пишущие элементы в виде перьев, фломастеров или рейсфедеров перемещаются относительно бумаги в заданном направлении и рисуют прямые, окружности и т.д. Такие плоттеры для вывода графических изображений уже практически не выпускаются, но подобные устройства с режущими инструментами вместо перьев используются для нарезки самоклеящейся пленки при создании, например, рекламных плакатов.

Растровый плоттер фактически представляет собой струйный принтер большого размера, печатающий с использованием пузырьковой или пьезоэлектрической технологии печати. При пузырьковой (bubble) технологии печати в каждой форсунке установлен нагревательный элемент, который при нагревании образует пузырек пара, выталкивающий чернила через сопло наружу. При пьезоэлектрической печати используется пьезокристалл, который под действием электрического тока изменяет свою форму, заставляя чернила выстрелить через сопло.

Дисплей на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) состоит из электронно-лучевой трубки, блока питания и электронного блока управления лучом. Принцип действия дисплея на базе электронно-лучевой трубки заключается в том, что испускаемый электродом (электронной пушкой) пучок электронов, попадая на экран, покрытый специальным составом - люминофором, - вызывает его свечение. Направление пучка электронов задают также дополнительные электроды: отклоняющая система, позволяющая изменять направление пучка, и модулятор, регулирующий яркость получаемого изображения. Электронный луч периодически сканирует экран, образуя на нем строки развертки. По мере движения луча по строкам видеосигнал, подаваемый на модулятор, изменяет яркость определенных пикселей, образуя некоторое видимое изображение. Разрешающая способность монитора определяется числом пикселей, из которых и формируется изображение на экране.

Жидкокристаллические дисплеи делятся на два класса по принципу управления: с пассивной и активной (построенной на тонкопленочных транзисторах TFT, Thin Film Transistor) матрицей. Опишем общий принцип действия только TFT-мониторов, так как дисплеи этого класса занимают лидирующее положение на рынке. TFT-технология подразумевает прохождение света от неоновой лампы подсветки через систему отражателей и фильтров, после чего свет попадает на слой жидких кристаллов (где каждый пиксель контролируется транзистором), а затем проходит через цветовые фильтры (система цвета RGB). Управляющий транзистор регулирует электрическое поле, определяющее пространственную ориентацию жидких кристаллов. Благодаря этому, проходящий свет меняет свою поляризацию и после прохождения поляризационного фильтра меняется его интенсивность, а соответственно, получаются различные цветовые оттенки.

2.1.3. Компьютерные сети предназначены для обмена данными между компьютерами сети или между компьютерами различных сетей.

Компьютерные сети бывают локальные – компьютеры такой сети размещены в одном здании или помещениях организации, расположенных компактно, и глобальные – компьютеры таких сетей могут находится в любом месте земного шара на любых расстояниях друг от друга.

В зависимости от способа связи компьютеров друг с другом в локальной сети различают топологии «звезда», «шина» и «кольцо», а также их различные комбинации:

Рис. 2.3. Схема топологии «шина»

Рис. 2.3. Схема топологии «кольцо»

Рис. 2.4. Схема топологии «звезда»

Физическая связь между компьютерами как глобальных, так и локальных сетей осуществляется при помощи металлического кабеля или оптического волокна, а также при помощи радиосвязи. Для любого вида соединения необходимо устройство, которое преобразует цифровую информацию в аналоговую форму для передачи ее по линиям связи. Такое устройство получило название сетевой адаптер. Сетевой адаптер может быть как отдельным модулем, так и реализованным в виде микросхемы на материнской плате компьютера.

Самой развитой глобальной сетью является Интернет. Обмен данными в Интернет основан на использовании протоколов TCP/IP. Данная сеть объединяет сотни тысяч пользователей в большинстве стран мира и является одним из самых надежных и перспективных средств связи.