ПРОГРАММА-МИНИМУМ
кандидатского экзамена по специальности
25.00.35
«Геоинформатика»
по физико-математическим и техническим наукам
Введение
Настоящая программа основана на следующих дисциплинах: геоинформация, закономерности и методы ее получения; фиксации; накопления, обработки и использования; теория и методология создания геоинформационных систем с целью сбора, систематизации, хранения, анализа, преобразования, отображения и распространения геоданных; компьютерное моделирование; вычислительный эксперимент; тематическая обработка и анализ геопространственных данных на основе информационных систем и технологий.
Программа разработана экспертным советом Высшей аттестационной комиссии Министерства образования Российской Федерации по наукам о Земле при участии МГУ им. М.В. Ломоносова.
1. Общие представления о геоинформатике. Основы теории системной организации информационных процессов
Понятие о геоинформатике как науке по изучению законов и методов регистрации, хранения, передачи, обработки и интерпретации разнопараметровой и многоуровневой геоинформации. Цели и объекты приложения геоинформатики. Термины и основные понятия.
Создание и развитие геоинформационных систем в науках о Земле, в географии, картографии, геологии, геодезии, природопользовании, землеустройстве, экологии, океанологии, геофизике и др.
Информационные ресурсы природных и социально-экономических геосистем. Геоинформация: виды, ее свойства и измерение. Проблемы преобразования геоинформации. Геоинформационное пространство.
Информационные процессы: основные понятия и их классификация. Системный подход к организации информационных процессов: эталонная модель взаимодействия открытых систем, цели, задачи и методы многоуровневой организации информационных процессов. Организация и модели процессов сбора, передачи, обработки, фиксации, накопления, представления геоинформации и знаний. Геоинформационные системы и их место в проблеме изучения природных и социально-экономических геосистем, их взаимодействия и развития посредством компьютерного моделирования и анализа геопространственных данных.
Основные понятия системы, как совокупности отдельных объектов, рассматриваемых как единое целое. Основные атрибуты системы: объект, субъект, свойства. Основные понятия сложной системы управления: взаимозависимость отдельных свойств системы, иерархическая организация, осуществимость, множественность, несовместимость, конфинтуитивное поведение. Основные принципы описания сложных систем: принцип содержательности языка описания, принцип моделируемости, принцип целенаправленности. Принципы «физичности»: целостность, автономность, масштабируемость. Лингвистическое и математическое определение целостности и автономности. Понятие модели. Принципы моделируемости: дополнительность, действия, неопределенность. Лингвистическое и математическое определение моделируемости. Принцип целенаправленности, его лингвистическое и математическое определение. Понятие больших систем. Иерархия систем. Объектно-ориентированные модели. Открытые модели. Интерфейс открытых систем.
Системный анализ как научная дисциплина, занимающаяся проблемами принятия решений в условиях большого объема информации различной природы. Методология, аппаратная реализация. Свойства систем. Системология – наука об общих признаках организации сложных систем. Системотехника – методология проектирования сложных систем. Множественность описаний каждой системы; единство функционально-целевых и причинно-следственных отношений.
Анализ проблемных ситуаций, для которых создается геоинформационная система. Этапы системного подхода к разрешению проблемной ситуации: концептуализация, спецификация, синтез модели, проверка адекватности модели, ее реализация, исследование модели, оптимизация. Системный анализ факторов, порождающих проблемную ситуацию. Семантическая сеть как модель проблемной ситуации. Системотехническая последовательность: глобальная цель – локальная цепь – требования – задачи – функции – структуры.
2. Математическое моделирование физических полей Земли, природных и атмосферных процессов
Элементы теории поля и векторный анализ.
Скалярные и векторные поля. Основные дифференциальные и интегральные характеристики поля. Разложение векторного поля на его составляющие. Модели векторных полей: потенциальное, соленоидальное, гармоническое поля. Классификация основных уравнений математической физики. Обратные задачи. Стационарные и динамические задачи математической физики. Понятия корректно и некорректно поставленных задач. Обусловленность линейных операторных уравнений. Примеры плохой обусловленности при моделировании ФПЗ и решении задач дистанционного зондирования (ДЗ). Подходы к решению плохообусловленных систем.
Координатно-временные системы отсчета. Представление геопространственных данных.
Инерциальная система отсчета. Геоцентрические системы координат. Звездные каталоги. Топоцентрические, местные и орбитальные системы координат. Системы звездного, всемирного, эфемеридного времени.
Координатные системы, применяемые при регистрации и обработке данных дистанционного зондирования: аффинные, однородные, проективные координаты. Элементы внутреннего и внешнего ориентирования снимка.
Прямоугольные и географические системы координат в картографии. Картографические проекции и проблемы их выбора.
Установление связи между различными системами координат и отсчета. Методы поддержания и уточнения элементов ориентирования координатных систем, используемых для представления геопространственных данных.
Математические модели физических полей Земли.
Классификация физических полей Земли. Нормальное гравитационное поле Земли и принципы его моделирования. Возмущающий потенциал Земли и его представление через ряды по шаровым функциям. Основные модели и принципы изучения фигуры Земли. Теория М.С. Молоденского.
Описание рельефа поверхности Земли: геоморфологический, топографический, ландшафтный, геодинамический подходы. Модели поверхности Земли, их представление и картографирование. Методы аппроксимации и интерполяции для описания поверхности Земли.
Электромагнитные поля излучения Земли, их классификация и анализ. Волновой подход к описанию полей излучения. Пространственные и угловые спектры волновых полей. Модели отражения и радиотеплового излучения земной поверхности. Основные принципы линейной теории переноса для описания оптических полей излучения.
Модели природных образований и явлений.
Роль и место моделирования при мониторинге окружающей среды. Методы моделирования. Спектральные характеристики отражения и излучения природных образований. Дискриминатный анализ природных образований по их спектральным отражательным характеристикам. Моделирование переноса загрязняющих веществ в водной среде, системе растительность-почва и атмосфере. Информационный подход при описании и идентификации природных образований.
Моделирование многомерных систем и сигналов.
Источники визуальных сообщений и их классификация. Математическое описание двумерных сигналов на примере изображений. Описание цветных и спектрозональных изображений. Информационный подход к оценке качества изображений. Корреляционные способы измерения импульсного отклика системы и обнаружения сигнала. Отношение сигнал/шум. Линейные системы с несколькими входами и несколькими выходами. Оптимальные частотные характеристики и функции когерентности для линейных систем. Матричные формулы описания многомерных линейных систем. Принципы моделирования нелинейных систем.
3. Системы сбора, анализа и обработки геоинформации
Теоретические основы информационных процессов
Подходы к определению информации. Источники информации, сообщения и адресаты информации. Количественные меры для оценки информации. Каналы передачи информации и их характеристики. Помехоустойчивость передачи информации. Кодирование информации. Оценка эффективности передачи информации.
Методы космических наблюдений для определения фундаментальных параметров и физических полей Земли
Геометрический, динамический и орбитальный методы космической геодезии для получения параметров фигуры и размеров Земли. Определение параметров геопотенциала, нормального гравитационного поля Земли и его аномалий по возмущениям орбит ИСЗ. Использование геодезических и аэрокосмических съемок для сбора данных о тектонических объектах и процессах.
Наземные, полевые методы сбора геоданных о местности
Классификация методов. Современные технические средства и технологии сбора топоданных о местности, их анализ и представления в ЭВМ. Назначение и методы планово-высотного съемочного обоснования. Дешифрирование – как средство сбора информации о местности. Различные технические средства сбора информации о местности и природных образованиях.
Спутниковые системы определения координат наземных пунктов
Общие принципы использования наблюдений ИСЗ для определения координат наземных пунктов. Схемы построения спутниковой триангуляции. Принципы навигационных определений и измерений на основе спутниковых радионавигационных систем (СРНС). Алгоритмы абсолютных и дифференциальных методов определения координат пунктов по минимуму данных. Системы координат и времени, используемые при работе СРНС.
Системы мониторинга и ДЗ
Назначение и принципы организации мониторинга окружающей среды. Техническое обеспечение глобальных, региональных и локальных систем мониторинга. Дистанционные методы зондирования и их роль в сборе геопространственных данных. Аэрокосмические средства и технологии сбора топографических данных о местности. Картографические методы сбора информации.
Архитектура и состав технических средств систем обработки геопространственных данных
Основные принципы построения и оценка эффективности цифровых систем обработки геоданных. Классификация и сравнительные характеристики систем ввода геоданных в ЭВМ. Основные форматы данных. Растровые, векторные и растрово-векторные системы ввода изображений. Технические средства отображения видеоинформации. Калибровка систем ввода/вывода изображений. Телекоммуникационные системы распространения и передачи геопространственных данных. Математические и информационные принципы сжатия геопространственных данных. Цифровые стереофотограмметрические системы: назначение, принципы построения, технология обработки изображений.
Статистический анализ случайных величин и процессов
Дискретные и непрерывные случайные величины, их описание. Моделирование случайных величин с заданным законом распределения. Основные понятия математической статистики при оценивании случайных величин. Методики проверки статистических гипотез. Описание и модели случайных процессов и их основные характеристики. Корреляционная функция, спектральная плотность и функция когерентности стационарного случайного процесса, алгоритмы их определения. Анализ на эргодичность случайного процесса. Временные ряды, их классификация и выявление случайности временных рядов. Метод скользящего среднего. Многомерные ряды. Методы прогнозирования на основе анализа временных рядов.
Некоторые алгоритмы обработки и анализа изображений
Цифровая фильтрация и свертка изображений. Дискретное преобразование Фурье и Хартли. Алгоритмы сегментации и выделения контуров. Цифровое трансформирование и координатная привязка аэрокосмических изображений. Автоматизация процессов стереоизображений. Постановка задачи распознавания изображений. Пространство признаков. Понятие кластера. Цифровые методы текстурного анализа.
4. Прикладная информатика. Базы данных
Множества и отношения
Операции над множествами. Понятие матроида. Жадный алгоритм. Описание множеств с помощью логических переменных. Постановка задачи классификации. Отношения и операции над отношениями. Свойства отношений. Отношения эквивалентности. Классы эквивалентности. Отношения упорядоченности, порядка, замыкания отношений. Методы описания отношений и представления их в ЭВМ. Отношения на структурах данных.
Формальные системы и теория алгоритмов
Абстрактная булева алгебра. Алгебра множеств как булева алгебра. Алгебра логических переменных и логические функции. Совершенная дюзъюктивная нормальная форма. Задача на составление номенклатуры (классификация). Исчисление высказываний. Булева алгебра высказываний. Логический вывод. Понятие предиката. Исчисление предикатов. Автоматическое доказательство теорем. Правило резонации для исчисления высказываний и предикатов. Понятие алгоритма. Формальное определение алгоритма. Первичные и натуральные алгоритмы. Структурные схемы алгоритмов.
Теория графов и алгоритмы на графах
Основные понятия и определения графа. Представление графов в ЭВМ. Алгоритмы поиска в глубину и ширину на графе. Раскраска графов. Орграфы и бинарные отношения. Алгоритмы поиска путей на орграфе. Потоки в сетях. Алгоритм нахождения максимального потока. Деревья. Представление деревьев в ЭВМ. Алгоритмы построения кратчайшего остова.
Базы данных – основа информационных технологий
Файлы и файловые системы. Основные этапы развития баз данных (БД) и систем управления базами данных (СУБД). Основные принципы создания БД и СУБД. Архитектура базы данных.
Модели данных как информационная основа БД
Классификация информационных моделей данных. Свойства и характеристики моделей данных. Иерархическая, сетевая, бинарных ассоциаций модели данных. Дескрипторные и документальные модели.
Реляционные модели данных
Домены, отношения и типы данных. Реляционная алгебра. Теоретико-множественные операции реляционной алгебры. Специальные операции реляционной алгебры.
Проектирование и моделирование логической структуры БД
Основные виды моделирования. Системный анализ и описание предметной области. Инфологическое моделирование. Модель «сущность-связь». Даталогическое моделирование. Теория нормализации реляционных баз данных.
Технология физического хранения и доступа к данным
Основные принципы и этапы доступа к базе данных. Управление файлами и страницами. Процедуры индексирования и хеширования. Архитектура безфайловой организации данных и разделяемой памяти. Обобщенная структура СУБД.
Язык формирования запросов к БД (SQL).
Структура операторов и базовые элементы языка. Оператор выбора SELECT. Агрегатные функции и вложенные запросы. Операторы манипулирования данными. Внесение изменений в БД.
Принципы поддержки целостности и защиты БД
. Общие понятия и определения целостности. Отношения представления и механизмы их создания. Модели транзакций. Журнализация и буферизация. Параллельное выполнение транзакций.
Распределенная обработка данных.
Модели «клиент-сервер» в технологии БД. Системы удаленного доступа к данным. Модель сетевых приложений (ODBS). Модели серверов БД. Перспективы развития БД.
Компьютерные системы коммуникаций.
Локальные и глобальные компьютерные сети, архитектуры их построения. Основы WWW-технологий. Мультимедийные технологии и их применение в образовании. Каналы передачи информации. Информационные характеристики источников сообщений и каналов.
5. Геоинформационные системы и технологии
Общая характеристика ГИС.
Их место и взаимосвязь с другими автоматизированными системами. Основные определения ГИС. Классификация ГИС. Место ГИС на информационном рынке. Анализ современных ГИС-оболочек.
Принципы построения моделей данных в ГИС.
Основные понятия и определения моделей данных. Классификация как средство анализа данных. Векторные и растровые модели. Топологические модели и характеристики. Оверлейные структуры.
Методы и технологии моделирования в ГИС.
Методологические основы моделирования в ГИС. Цифровые модели в ГИС. Основные понятия. Свойства цифровых моделей. Подсистемы моделирования в обобщенной ГИС.
Техническое обеспечение ГИС.
Архитектурные построения геоинформационных систем. Основные требования к вычислительным ресурсам. Устройства ввода/вывода. Видеомониторы. Сканирующие устройства.
Инструментально-программные средства ГИС.
Системное, базовое и прикладное программное обеспечение ГИС. Первичный интерфейс пользователя. Графический редактор. Редактирование, обновление и преобразование данных. Аппаратная поддержка. Графические объекты электронных карт (ЭК).
Прикладное программное обеспечение ГИС.
Работа со слоями. Добавление и удаление слоя. Копирование объектов на другие слои. Масштаб ЭК и его изменение. Выделение объекта и операции с выделенным объектом. Работа с текстом. Атрибуты текста. Ввод и редактирование текста. Аффинные преобразования текста и символов. Выбор и вставка символов.
Оцифровка графических объектов.
Выбор устройства, привязка системы координат. Редактирование объектов ЭК. Наложение многоугольников. Автоматическое позиционирование. Дизайн проекта. Легенда ЭК. Измерения по ЭК. Вывод на графопостроитель и принтер. Работа с полутоновыми изображениями.
Информационное обеспечение ГИС.
Работа с базами данных. Основной компонент организации технологий обработки геопространственных данных в ГИС. Базы данных, базы знаний, базы правил. Создание БД в ГИС. Интегрирование графических данных с данными в БД.
Методы и средства защиты информации в ГИС.
Основные требования к построению системы информационной безопасности для ГИС. Средства и технологии защиты информации в сетевых и распределенных ГИС. Методы защиты интернет ГИС при решении корпоративных задач. Проблемы помехозащищенности ГИС.
Поддержка принятия решения в ГИС-технологиях.
Основная формальная структура принятия решения. Матрица решения. Классические критерии принятия решения и их применение. Количественные подходы принятия решения при наличии риска. Метод нечетких множеств в проблеме принятия решения. Анализ ситуаций выбора решений. Процесс принятия решения. Расчет числа дискретизирующих шагов для оценочной функции. Технология принятия решения в ГИС-проектах.
Приложения и применение ГИС.
Муниципальные ГИС-технологии. Применение ГИС-технологий при создании кадастровых карт и планов. Экология и ГИС. Интегрирование ГИС-технологий с обработкой данных дистанционного зондирования. Геоинформационное картографирование. Отраслевые геоинформационные системы и технологии.
Литература к разделу 1
Аленичев В.М.: Суханов В.И., Хохряков В.С. Моделирование природносырьевых технологических комплексов (Горное производство). Под. ред. В.Л. Яковлева. Екатеринбург, УрО РАН, 1998.
Волкова В.Н., Денисов. Основы теории схем и системного анализа. Учеб. СПб.: ИЛУ СПб ГТУ, 1997.
Геоинформатика. Толковый словарь основных терминов / Под. ред. А.М. Берлянта и А.В. Кошкарева. М.: ГИС-Ассоциация, 1999.
Геоинформационное картографирование. Пространственные данные, цифровые и электронные карты. Общие требования. ГОСТ Р 50828-95. М.: Изд-во стандартов, 1996.
Гиг Дж. Прикладная общая теория систем. М.: Мир, 1981.
Жариков В.Н. Наука о твердой Земле // Горный вестник, № 2, 1995.
Королев Ю.К. Общая геоинформатика. Часть 1. Теоретическая геоинформатика. Выпуск 1. М.: СП ООО «Дата+», 1998.
Куприянова Т.П. Принципы и методы физико-географического районирования с применением ЭВМ. М.: Наука, 1993.
Поспелов Д.А. Ситуационное управление: теория и практика. М.: Наука, 1988.
Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. Учеб. для ВУЗов. М.: Высш. шк., 1998.
Литература к разделу 2
Космическая геодезия. Учеб. для вузов / В.Н. Баранов, Е.Г. Бойко, И.И. Краснорылов и др. М.: Недра, 1986.
Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. М.: Мир, 1989.
Лобанов А.Н., Журкин И.Г. Автоматизация фотограмметрических процессов. М.: Недра, 1980.
Машимов М.М. Высшая геодезия. Методы изучения фигуры Земли и создания общеземной системы координат. М.: ВИА, 1991.
Медведев П.П., Баранов И.С. Глобальные космические навигационные системы. Итоги науки и техники. Сер. Геодезия и аэросъемка. Том 29. М.: ВИНИТИ, 1992.
Панкрушин В.К. Математическое моделирование и идентификация геодинамических систем. Новосибирск: СГГА, 2002.
Параметры общего земного эллипсоида и гравитационного поля Земли. (Параметры Земли 1990 года). М.: ВТУ Ген.штаба, 1991.
Экоинформатика. Теория. Практика. Методы и системы. Под. ред. акад. РАН В.Б. Соколова. СПб., Гидрометеоиздат, 1992.
Серкеров С.А. Теория гравитационного и магнитного потенциалов. М.: Недра, 1990.
Литература к разделу 3
Космическая геодезия. Учеб. для вузов / В.Н. Баранов, Е.Г. Бойко, И.И. Краснорылов и др. М.: Недра, 1986.
Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. М.: Мир, 1989.
Методы сжатия данных / Д. Ватолин, А. Ратушнян, В. Смирнов, В. Юкин. М.: Диалог-МИФИ, 2002.
Журкин И.Г., Нейман Ю.М. Методы вычислений в геодезии. М.: Недра, 1988.
Журкин И.Г., Шавенько Н.К. Автоматизация обработки аэрокосмической информации. Учеб. пособие. МИИГАиК, 1989.
Журкин И.Г., Шавенько Н.К. Сигналы. Учебное пособие. М.: МИИГАиК, 2002.
Кендел М. Временные ряды М.: Финансы и статистика, 1981.
Лобанов А.Н., Журкин И.Г. Автоматизация фотограмметрических процессов. М.: Недра, 1980.
Медведев П.П., Баранов И.С. Глобальные космические навигационные системы // Итоги науки и техники. Сер. Геодезия и аэросъемка. Том 29. М.: ВИНИТИ, 1992.
Методы компьютерной обработки изображений. Под. ред. В.А.Сойфера, М.: Физматлит, 2001.
Мощиль В.И., Шавенько Н.К. Основы теории информации. Учеб. пособие. М.: МГУГК, 1999.
Прэтт У. Цифровая обработка изображений в 2 кн. М.: Мир, 1982.
Хэмминг Р.В. Теория кодирования и теория информации. М.: Радио и связь, 1987.
Сетевые спутниковые радионавигационные системы / В.С. Шебшаевич, П.П. Дмитриев, Н.В. Иванцевич и др. М.: Радио и связь, 1993.
Экоинформатика. Теория. Практика. Методы и системы. Под. ред. акад. РАН В.Б. Соколова. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992.
Литература к разделу 4
Александров В.В., Горский Н.Д. Базы видеоданных: состояние и тенденции развития. М.: Прикладная информатика, вып. 1, 1987.
Диго С.М. Проектирование и использование баз данных. М.: Финансы и статистика, 1995.
Карпова Т.С. Базы данных: модели, разработка, реализация. СПб.: Питер, 2001.
Кузнецов О.П., Адельсон-Вельский Г.М. Дискретная математика для инженера. М.: Энергия, 1980.
Новиков Ф.А. Дискретная математика для программистов. СПб.: Питер, 2001.
Цикритзис Д., Лоховски Ф. Модели данных. М.: Финансы и статистика, 1986.
Литература к разделу 5
Берлянт А.М. Геоинформационное картографирование. М.: МГУ, РАЕН, 1997.
Инструментарий геоинформационных систем / Б.С. Бусыгин, И.Н. Гаркуша, Е.С. Середин, А.Ю. Гаевенко. Киев: ИРГ «ВБ», 2000.
Геоинформационное картографирование. Пространственные данные, цифровые и электронные карты. Общие требования. ГОСТ Р 50828-95. М.: Изд-во стандартов, 1996.
Кошкарев А.В., Тикунов В.С. Геоинформатика. М.: Картгеоцентр, Геодезиздат, 1993.
Кузнецов О.Л., Никитин А.А. Геоинформатика. М.: Недра, 1992.
Майкл Н., Де Мерс. Геоинформационные системы. Основы. М.: Дата+, 1999.
Основы ГИС: теория и практика. WINGIS – руководство пользователя. Изд. 2-е./ А.И. Мартыненко, Ю.А. Бугаевский, С.И. Шибалов, В.А. Фадеев М.: Изд-во Инженерная экология, 1995.
Мучник Э., Мюллер П. Методы принятия технических решений. М.: Мир, 1990.
Хаксхольд В. Введение в городские геоинформационные системы (пер. с англ.). Изд-во А.ТИП, 1996.
Халугин Е.И., Жалковский Е.А., Жданов Н.Д. Цифровые карты / Под. ред. Е.И. Халугина. М.: Недра, 1992.
Шайтура С.В. Геоинформационные системы и методы их создания. Калуга: издатель Бочкарева И.Ф., 1998.
