Геоинформационные системы

1.Геоинформационные системы (также ГИС — географическая информационная система) — системы, предназначенные для сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных данных и связанной с ними информации о представленных в ГИС объектах. Другими словами, это инструменты, позволяющие пользователям искать, анализировать и редактировать цифровые карты, а также дополнительную информацию об объектах, например высоту здания, адрес, количество жильцов.

ГИС включают в себя возможности  СУБД, редакторов растровой и векторной графики и аналитических средств и применяются в картографии, геологии, метеорологии, землеустройстве, экологии, муниципальном управлении, транспорте, экономике, обороне.

По территориальному охвату различают глобальные ГИС (global GIS), субконтинентальные ГИС, национальные ГИС, зачастую имеющие статус государственных, региональные ГИС (regional GIS), субрегиональные ГИС и локальные, или местные ГИС (local GIS).

ГИС различаются предметной областью информационного моделирования, к примеру, городские ГИС, или  муниципальные ГИС, МГИС (urban GIS), природоохранные ГИС (environmental GIS) Шаблон:Nobr; среди них особое наименование, как особо широко распространённые, получили земельные информационные системы. Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными и прикладными), среди них инвентаризация ресурсов (в том числе кадастр), анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений. Интегрированные ГИС, ИГИС (integrated GIS, IGIS) совмещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) в единой интегрированной среде.

Полимасштабные, или масштабно-независимые ГИС (multiscale GIS) основаны на множественных, или полимасштабных представлениях пространственных объектов (multiple representation, multiscale representation), обеспечивая графическое или картографическое воспроизведение данных на любом из избранных уровней масштабного ряда на основе единственного набора данных с наибольшим пространственным разрешением. Пространственно-временные ГИС (spatio-temporal GIS) оперируют пространственно-временными данными. Реализация геоинформационных проектов (GIS project), создание ГИС в широком смысле слова, включает этапы: предпроектных исследований (feasibility study), в том числе изучение требований пользователя (user requirements) и функциональных возможностей используемых программных средств ГИС, технико-экономическое обоснование, оценку соотношения «затраты/прибыль» (costs/benefits); системное проектирование ГИС (GIS designing), включая стадию пилот-проекта (pilot-project), разработку ГИС (GIS development); её тестирование на небольшом территориальном фрагменте, или тестовом участке (test area), прототипирование, или создание опытного образца, или прототипа (prototype); внедрение ГИС (GIS implementation); эксплуатацию и использование. Научные, технические, технологические и прикладные аспекты проектирования, создания и использования ГИС изучаются геоинформатикой.

[править]

Задачи ГИС

 

Ввод данных. Для использования  в ГИС данные должны быть преобразованы  в подходящий цифровой формат (оцифрованы). В современных ГИС этот процесс  может быть автоматизирован с  применением сканерной технологии, либо, при небольшом объеме работ, данные можно вводить с помощью  дигитайзера.

Манипулирование данными (например, масштабирование).

Управление данными. В  небольших проектах географическая информация может храниться в  виде обычных файлов, а при увеличении объема информации и росте числа  пользователей для хранения, структурирования и управления данными применяются  СУБД.

Запрос и анализ данных — получение ответов на различные  вопросы (например, кто владелец данного  земельного участка? На каком расстоянии друг от друга расположены эти  объекты? Где расположена данная промышленная зона? Где есть места  для строительства нового дома? Каков  основный тип почв под еловыми  лесами? Как повлияет на движение транспорта строительство новой дороги?).

Визуализация данных. Например, представление данных в виде карты  или графика.

2. Пространственные данные (географические данные, геоданные) — данные о пространственных объектах и их наборах. Пространственные данные составляют основу информационного обеспечения геоинформационных систем.

Совокупность пространственных данных, записанных (сохранённых) тем  или иным образом, называется пространственной базой данных (англ. spatial database). Современные пространственные БД организовываются на платформе специализированного программного обеспечения, позволяющего сохранять, накапливать и обрабатывать (включая, пространственный анализ) все компоненты пространственных данных в виде логически единой БД.

Большинство современных  СУБД поддерживают т.н. пространственные расширения — геометрические типы данных и пространственные индексы. К примеру, MySQL поддерживает следующие типы данных[1]: Структура пространственных данных [править]

 

Пространственные данные обычно состоят из двух взаимосвязанных  частей: координатных и атрибутивных данных. Установление связи между  этими частями называется геокодированием.

Координатные данные определяют позиционные характеристики пространственного  объекта. Они описывают его местоположение в установленной системе координат.

Атрибутивные данные представляют собой совокупность непозиционных  характеристик (атрибутов) пространственного  объекта. Атрибутивные данные определяют смысловое содержание (семантику) объекта  и могут содержать качественные или количественные значения.

Пространственная информация, и ее свойства (часть II)

 

Рассмотрим данные, содержащиеся на обычной топографической карте. Топографическая карта представляет из себя единство двух различных видов  представления информации. С одной  стороны это - чертеж на котором имеются  геометрические объекты различного характера локализации. Эти объекты  описываются при помощи пространственных координат. С другой стороны - карта это представление пространственного распределения различных параметров или описательных данных, характеризующих территорию или отдельные ее части, которые сами по себе описываются без привлечения пространственных координат. Первый тип информации называют метрической информацией, а второй тип семантической (описательной, атрибутивной, смысловой).

 

Виды пространственно-распределенной информации можно разделить на три  большие группы: семантическую, метрическую  и топологическую.

 

Источником семантической  информации является способность человека распознавать (выделять) некоторые  части пространства и предметы в  нем находящиеся и связывать  с этими частями различные  определения или характеристики. Такую информацию удобно хранить  в реляционной базе данных. При  этом ключом может служить например название объекта, или его номер. Несколько примеров такого рода было рассмотрено в первой части статьи.

 

Источником метрической  информации является способность человека отличать друг от друга различные  части пространства, и осуществлять измерения расстояний, площадей, объемов. Метрическая информация, таким образом, отражает свойство предметов располагаться  в определенной части пространства и занимать некоторую его часть.

 

Топологическая информация отражает топологические свойства пространства, то есть такие свойства, которые  не изменяются при любых линейных деформациях пространства производимых без разрывов и склеиваний. К топологической информации относятся: точки пересечений  объектов, информация о примыканиях  объектов друг к другу (или общих  границах). Простейшими топологическими  свойствами являются характеристики относительного положения объектов друг относительно друга, например: «слева», «справа». Каким  бы образом мы мысленно не «растягивали»  или «сжимали» пространство, характеристика относительного положения объектов друг относительно друга не изменится.

 

Ответим на вопрос: можно  ли сущности, упомянутые в предыдущей главе, такие как: дом, магазин, улица  считать пространственными объектами? Ответ очевиден: да. Каждый из этих объектов занимает определенное, только «свое» пространственное положение. Различное  пространственное расположение тем  самым служит для индивидуализации объектов, их отличия одного от другого.

 

Ответим на другой вопрос: а  можно ли отношения ДОМ и МАГАЗИНЫ, считать пространственной информацией? Эти отношения не что иное, как  информационное представление реальных пространственно-локализованных сущностей, объектов. Ответ таков: нет. Отношения  в том виде, как мы их сформулировали в предыдущей части статьи не позволят различать объекты, основываясь  на их пространственном расположении, поскольку в атрибутах объектов нет сведений об этом.

 

Итак, для того, чтобы информационное представление объектов можно было назвать «пространственным», к нему как минимум, необходимо добавить атрибут, однозначно описывающий область  пространства, в которой локализован, расположен объект. Добавление такого атрибута к обычной базе данных превращает ее в геоинформационную систему.

 

Задать такие атрибуты можно двумя путями: указать абсолютное расположение объекта через его  координаты (координаты его границы), или указать относительное расположение объекта относительно другого объекта.

 

В соответствии с этим мы можем определить две модели хранения пространственной информации: векторная (абсолютное расположение) и растровая (относительное расположение).

3. Основные этапы развития географических информационных систем

 

Начальный этап становления  автоматизации обработки пространственной информации связан с открытием доступа  к ЭВМ, в первую очередь на Западе, не только для пользователей-математиков  и системных программистов и  относится к концу 50-х годов. Начало положило создание достаточно простых  картографических изображений, в основном картограмм, выводимых на геометрически  неточное алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ). Первым значительным пакетом программ для этих целей  стал SYMAP, выпущенный в 1967 году Гарвардской  лабораторией машинной графики и  пространственного анализа.

 

Первоначально ГИС предназначались  для решения достаточно узких  задач, в первую очередь инвентаризации земельных или экономических  ресурсов, обработки статистической информации. Первые ГИС появились  в Швеции в середине 60-х годов. В период 1963-1971 годов велась разработка Канадской лесной ГИС, которая до сих пор остается одной из крупнейших.

 

До 1980 года из-за высоких цен  на аппаратуру интерес к этим технологиям  в России проявляли лишь крупные  государственные научные и производственные организации. Затем затраты на применение ЭВМ существенно снижались, примерно на порядок за каждые шесть лет. Основной причиной прогресса в ГИС-технологиях  с начала 90-х годов, несомненно, явилось  развитие и распространение электронно-вычислительной техники, и именно персональных компьютеров (ПК). Особенно сказались повышение  быстродействия ПК, значительное увеличение оперативной и дисковой памяти, новых  запоминающих устройств, повышение  качества графических устройств  ввода и вывода картографической и аэрокосмической информации. И  конечно - доступность программных  средств ГИС мирового уровня, допускающих  многовариантное их использование. Крупные фирмы-производители программных  ГИС-продуктов, такие как ESRI, ERDAS, INTERGRAF , предоставили свои пакеты бесплатно или с большими скидками целому ряду научных и образовательных организаций, что способствовало скорейшему освоению и использованию ГИС-технологий, позволило быстрее увидеть и оценить перспективы. Правда, это явление существенно затормозило процесс создания отечественных ГИС-продуктов, в теоретических разработках и в программном обеспечении отдельных модулей которых были уже достигнуты значительные результаты на начальных стадиях работ по автоматизации. Повышенная конкуренция среди коммерческих производителей геоинформационных технологий, услуг дает преимущества пользователям ГИС, доступность и открытость программных средств позволяет пользователям самим адаптировать, пользоваться и даже модифицировать программы. Начинают появляться пользовательские клубы, территориально разобщенных, но связанных единой тематикой пользовательские группы, проводятся телеконференции.

 

Потребность в использовании  и создании ГИС, анализе количественных и качественных показателей пространственно привязанных объектов и явлений возникает в настоящее время у представителей различных областей деятельности и профессиональных знаний - науки, техники, образования, управления, маркетинга и многих других. Отсюда все возрастающий интерес к ГИС и геоинформационным методам.

 

Роль ГИС не ограничивается сбором, обработкой, хранением и  передачей информации. Для наук о  Земле ГИС стала одним из основных инструментов моделирования природных, хозяйственных, социальных процессов  и ситуаций, изучения их связей и  взаимодействий, прогнозирования развития в пространстве и времени, получения  новой качественной и количественной информации, а главное средством  обеспечения (поддержки) принятия решений  управленческого характера и  представления выводов. Каждая из наук, имеющих дело с пространственно распределенной информацией, предоставляет целый ряд методов, которые в совокупности своей способствуют созданию и функционированию ГИС.

4. Перспективы развития географических информационных систем

 

Геоинформационные системы (ГИС) в настоящее время широко применяются во всем мире и России во многих областях знаний и промышленности. Рассмотрим вопросы перспектив использования  ГИС при проектировании и эксплуатации многоассортиментных малотоннажных химических производств. Для решения большинства задач решаемых в этой области знаний необходимо создание единого информационного пространства, включающего связанные графические (пространственные) и описательные (атрибутивные) компоненты. Атрибутами графических объектов (аппаратов, трубопроводов, цехов и т.п.) могут выступать не только их характеристики, но и их детальные чертежи, схемы и т.п. Широкий круг задач, как для проектировщиков, так и для эксплуатационников требует проведения специальных расчетов, моделирующих: технологические процессы в аппаратах технологических схем; транспорт продуктов и других веществ по трубопроводам; распространение вредных примесей в компонентах окружающей среды (атмосфере, поверхностных природных водоемов и т.п.) района размещения производств. Задачи анализа эффективности эксплуатации производств, планирования развития требуют учета очень многих характеристик окружающей среды, а также знания социально-демографической, промышленной, градостроительной, экономической ситуации района их размещения. Для их решения необходимо использование информационной базы данных, картографическое представление данных и изучение методами геоинформатики пространственно-временных связей явлений, процессов и действий субъектов рынка. Эти задачи также целесообразно решать с использованием подходов ГИС-технологий.