Геоінформаційна система« Компас-2 »і можливості її використання для ведення природних кадастрів Росії

Система містобудівного кадастру постійно розширюється, як функціонально, так і територіально.

 

Глава 2. Геоінформаційні системи. Дослідження різних варіантів представлення атрибутивної і просторової інформації в базах даних ГІС та процедури роботи з даними в ГІС

2.1.Общие уявлення про ГІС

Термін "географічна інформаційна" система є дослівним перекладом з англійської "Geographic (al) information system". Різні визначення ГІС, відображають історію еволюції ГІС як синтезу методів і засобів, спочатку розвивалися в системах автоматизованого проектування, автоматизованого картографування, цифрової обробки даних дистанційного зондування і керування базами даних. Одне з перших визначень ГІС в російській літературі говорить: "ГІС - це апаратно-програмний людино-машинний комплекс, що забезпечує збір, обробку, відображення і розповсюдження просторово-координованих даних, інтеграцію даних і знань про територію для їх ефективного використання при вирішенні наукових і прикладних завдань, пов'язаних з інвентаризацією, аналізом, моделюванням, прогнозуванням та управлінням природним середовищем і територіальною організацією суспільства ".

Слід підкреслити два визначальні моменти:

географічні інформаційні системи, перш за все, мають справу з географічною інформацією, тематично різноманітної, порівнянної, координованої, масштабированной та генералізованої в просторі та часі;

використовують закони інформатики, яка у свою чергу є "система знань, що відносяться до виробництва, переробки, зберігання і розповсюдження всіх видів інформації в суспільстві, природі і технічних пристроях".

Вивчення конкретного простору - привілей не тільки ГІС. Спочатку вивчення просторових форм об'єктів реального світу відноситься до основних завдань математики. Космічне і земний простір досліджується також фізичними науками. Вивчення просторових уявлень дійсності входить в завдання математико-картографічного моделювання. Специфіка геоінформаційного вивчення простору полягає у використанні геоінформаційних моделей дійсності і в їх розробці в комплексі з методами інших наук. Але вивчення тільки просторового розташування - сильне звуження завдання, важливий облік істоти явищ, їх просторового стану, структури, взаємозв'язків і функціонування.

Термін ГІС часто вживається і в іншому значенні - він позначає програмний засіб ГІС, програмний продукт, ГІС-пакет, що забезпечує функціонування ГІС як системи (ГІС ArcView, ГІС IDRISI).

2.2.Основні етапи розвитку ГІС

Початковий етап становлення автоматизації обробки просторової інформації пов'язаний з відкриттям доступу до ЕОМ, в першу чергу на Заході, не тільки для користувачів-математиків і системних програмістів і відноситься до кінця 50-х років. Початок поклало створення достатньо простих картографічних зображень, в основному картограм, що виводяться на геометрично неточне алфавітно-цифровий друкуючий пристрій (АЦПУ). Першим значним пакетом програм для цих цілей став SYMAP, випущений в 1967 році Гарвардської лабораторією машинної графіки та просторового аналізу.

Спочатку ГІС призначалися для вирішення досить вузьких завдань, в першу чергу інвентаризації земельних або економічних ресурсів, обробки статистичної інформації. Перші ГІС з'явилися в Швеції в середині 60-х років. У період 1963-1971 років велася розробка Канадської лісової ГІС, яка до цих пір залишається однією з найбільших.

До 1980 року через високі ціни на апаратуру інтерес до цих технологій в Росії виявляли лише великі державні наукові та виробничі організації. Потім витрати на застосування ЕОМ суттєво знижувалися, приблизно на порядок за кожні шість років. Основною причиною прогресу в ГІС-технологіях з початку 90-х років, безсумнівно, стало розвиток і поширення електронно-обчислювальної техніки, і саме персональних комп'ютерів (ПК). Особливо позначилися підвищення швидкодії ПК, значне збільшення оперативної і дискової пам'яті, нових запам'ятовуючих пристроїв, підвищення якості графічних пристроїв введення та виведення картографічної і аерокосмічної інформації. І звичайно - доступність програмних засобів ГІС світового рівня, що допускають багатоваріантне їх використання. Великі фірми-виробники програмних ГІС-продуктів, такі як ESRI, ERDAS, INTERGRAF, надали свої пакети безкоштовно або з великими знижками цілої низки наукових та освітніх організацій, що сприяло швидкому освоєнню та використанню ГІС-технологій, дозволило швидше побачити і оцінити перспективи. Правда, це явище істотно загальмувало процес створення вітчизняних ГІС-продуктів, в теоретичних розробках і в програмному забезпеченні окремих модулів яких були вже досягнуті значні результати на початкових стадіях робіт з автоматизації.

Потреба у використанні та створенні ГІС, аналізі кількісних і якісних показників просторово прив'язаних об'єктів і явищ виникає в даний час у представників різних областей діяльності і професійних знань - науки, техніки, освіти, управління, маркетингу та багатьох інших. Звідси все зростаючий інтерес до ГІС і геоінформаційних методів.

Роль ГІС не обмежується збором, обробкою, зберіганням і передачею інформації. Для наук про Землю ГІС стала одним з основних інструментів моделювання природних, господарських, соціальних процесів і ситуацій, вивчення їхніх зв'язків і взаємодій, прогнозування розвитку в просторі і часі, отримання нової якісної та кількісної інформації, а головне засобом забезпечення (підтримки) прийняття рішень управлінського характеру та подання висновків. Кожна з наук, що мають справу з просторово розподіленої інформацією, надає цілий ряд методів, які в сукупності своїй сприяють створенню та функціонуванню ГІС.

2.3.Карти як основа ГІС. Поняття про геоінформаційному картографуванні

Картографія, має багаті традиції відображення просторової інформації на картах, на які раніше покладалася і завдання її зберігання, представляє основні джерела даних для ГІС. Тому традиційні методи картографії мають основне значення для них. У той же час можна виділити основні області ГІС-додатків для картографії:

автоматизація створення картографічного твору;

 

оновлення та створення похідних карт як результат аналізу, перетворення даних і моделювання на основі ГІС-технологій;

нові методи використання карт як в ГІС, так і наприклад, при побудові динамічних картографічних анімацій.

ГІС базується на аналізі картографічної інформації і дозволяє подолати обмеженість "ручного" аналізу. З іншого боку, з'являється можливість складання похідних карт за наявними, наприклад, морфометричних карт по картах рельєфу, карт змін на основі різночасових карт. ГІС, що використовує для створення шарів безліч тематичних карт, представляє хороший засіб їх узгодження.

Комп'ютерна картографія розробляє методи цифрового представлення картографічних характеристик. Сучасні ГІС-пакети мають засоби форматування карт і розміщення написів, величезними бібліотеками знаків і шрифтів, управління дорогими пристроями, що забезпечують високу якість кінцевої продукції. Отримав розвиток новий напрямок у картографії - геоінформаційне картографування (ГК), що займається автоматизованим складанням і використанням карт на основі геоінформаційних технологій та баз географічних даних і знань.

Геоінформаційне картографування не зводиться тільки до використання ГІС-технологій. Це, перш за все картографування об'єктів і явищ, засноване на методах аналізу і синтезу їх змістовної сутності.

Однак карти володіють обмеженими аналітичними засобами у порівнянні з ГІС. На відміну від даних для ГІС, форма зберігання картографічних даних не забезпечує, наприклад, можливості аналізу взаємозв'язків між різними феноменами, якщо вони не відображені на карті. Деякі питання можуть викликати ускладнення або вимагати багато часу для відповіді, наприклад, "яка площа цього озера?", "Що показано на певній тематичній карті для даної точки на цій топографічній карті?".

Переклад карт і інших джерел просторової інформації в цифрову форму і ГІС-технологій її аналізу відкривають нові шляхи маніпулювання географічними знаннями та їх відображення (візуалізації).

Карти для ГІС поставляють різну інформацію і в ГІС вони використовуються по-різному. Топографічні карти, що показують контури об'єктів на поверхні Землі, частіше за все є основою для БД ГІС, для прив'язки і відображення іншої додаткової інформації. Тематичні карти служать засобом зображення географічних явищ, поставляючи інформацію для тематичних шарів БД ГІС, служать основою для просторового аналізу взаємозв'язків, відображених на картах.

Істотне значення для ГІС має використання тематичних карт і фотокарт, створених на основі даних дистанційного зондування.

При використанні карт у ГІС потрібно постійно пам'ятати їх важливі особливості:

зображення на картах абстрактно і генералізовано, що вимагає їх вельми обережною інтерпретації;

карти показують тільки статичну картину, один часовий зріз;

від масштабу карти залежить не тільки як, але і які об'єкти зображені, а більша частина ГІС не враховує відмінностей між наборами даних, отриманих з різномасштабних карт;

при показі сферичної поверхні Землі на плоскому аркуші карти неминучі спотворення; найменші викривлення виникають, коли на карті зображені невеликі території, найбільші - коли на карті прагнуть показати всю поверхню Землі.

Властивості карт, закладені при їх створенні, переносяться і на дані, отримані з цих карт, а виявляються часто лише при подальшій обробці цифрових даних.

2.4.Тіпи ГІС

Географічні інформаційні системи підрозділяються на кілька типів, що визначаються їх завданнями і характером використовуваної інформації:

щодо проблемної орієнтації;

по предметної (об'єктної) спеціалізації;

за територіальним охопленням.

Проблемна орієнтація ГІС визначається покладеними на неї науковими чи прикладними завданнями, повністю визначаються користувачем. Це перш за все інвентаризаційні завдання, кадастр, моніторинг, оцінка і прогноз, управління і планування, підтримка прийняття рішень.

Предметна або об'єктна орієнтація може визначатися відомчими чи галузевими інтересами (землевпорядкування, природні катастрофи, охорона природи), які мають справу з різними об'єктами і явищами на певній території: земля, ліс, населення і т.д.

За територіальним охопленням розрізняють ГІС:

глобальні, що мають справу з інформацією планетарного характеру;

субконтінентальной, зазвичай державного (національного) характеру, і океанів;

регіональні;

локальні, що включають міські або муніципальні ГІС, часто експериментальні або навчальні.

У ГІС показники масштабів і точності повинні відповідати територіальному рівню досліджень.

2.5.Проблемно-орієнтовані ГІС

Аналіз діючих ГІС показує, що всі вони можуть бути віднесені до проблемно-орієнтованим, оскільки формулювання проблеми зазвичай включає предметні та територіальні аспекти. Розробка і функціонування ДВС будь-якої проблемної орієнтації визначаються типом і структурою просторових даних і технічними і програмними засобами реалізації ГІС-технологій.

Таким чином, базові складові проблемно-орієнтованої ГІС - це: розв'язувана проблема, просторові дані, технічні та програмні засоби реалізації ГІС-технологій.

Проблемна орієнтація ГІС. Важлива властивість ГІС як моделі геосистеми (реальності) - її змістовне відповідність розв'язуваної проблеми, тобто науково обгрунтоване відображення головних особливостей дійсності з урахуванням генезису, внутрішньої і зовнішньої структури, ієрархії об'єктів. Виконуючи роль і науково-довідкової системи, ГІС є склепінням і узагальненням наукових знань про відображених у її тематичної базі даних природних і соціально-економічних явищах, призначеним для глибокого вивчення їх особливостей з метою наукового дослідження і різної практичній діяльності. Тому проблеми, які вирішуються ГІС, в кінцевому рахунку, зводяться до набору географічних завдань, що розрізняються за метою і методам рішення. Основні прикладні області ГІС - інвентаризація і стеження за станом природного середовища, міське планування і керування, земельні ресурси та кадастр.

При вирішенні інвентаризаційних задач ГІС-технологій дозволяють максимально ефективно використовувати різні джерела інформації: польові обстеження, оперативна аерокосмічна зйомка, карти.

Рішення різного роду оціночних завдань з використанням ГІС-технологій також стає більш ефективним. Наприклад, у задачах екологічної оцінки території поєднують територіально прив'язані атрибутивні параметри (табличні дані, дані вибіркових польових обстежень) антропогенного впливу або його інтенсивності. Прикладом таких завдань служать оцінка якості сільськогосподарських земель на основі поєднання карт ландшафтів і використання земель та реалізації алгоритму бальної оцінки компонентів ландшафту.

В основі розв'язання динамічних задач, трактованих як вивчення і картографування змін у природі, природокористуванні та антропогенного впливу на природу, лежить зіставлення різночасових матеріалів: отриманих у різні роки результатів аерокосмічних зйомок, карт, які фіксують стан досліджуваного об'єкта на різні дати, або різночасових картографічних та знімальних матеріалів. Оскільки при цьому використовуються різноманітні матеріали, необхідним етапом є приведення їх до геометрично порівнянної увазі - єдиного масштабу і проекції, тобто взаємне трансформування, що становить важливий елемент ГІС-технології. Після геометричного суміщення виконується тематичне суміщення матеріалів. Для виявлення змін кордонів або заміщення 2-3 об'єктів застосовують, як правило, технології, що носять назви "оверлей" і "рекласс". При дослідженні змін великої кількості об'єктів, декількох часових зрізів, еволюції досліджуваних об'єктів їх відмінності представляють звичайно у вигляді матриці - "матриці динаміки".

Основа рішення прогнозних завдань - виявлення тенденцій і темпів динаміки процесів, тому на перший план виходять ГІС-технології моделювання, і в першу чергу математико-картографічного моделювання. Ряд параметрів моделей функціонування геосистем, просторово-часова мінливість природних і антропогенних об'єктів можуть бути визначені по знімках.

Ефективність моделювання пов'язана з необхідністю створення банків даних наземної, картографічної і аерокосмічної інформації, з автоматизованими методами інтерпретації та відображення інформації. У цих завданнях найбільш повно проявляється інтеграція методів географії, картографії, аерокосмічного зондування та геоінформатики.

2.6.Географія та ГІС

Проникнення ГІС в практику наукових географічних досліджень почалося з самого початку їх розвитку в зарубіжних країнах. Географія присвячена вивченню світу і місця людини в ньому і має тривалі традиції просторового аналізу, забезпечує методи для проведення такого аналізу, пропонує просторовий погляд на будь-яке дослідження. Загальновідомо, що географічна інформація (географія) домінує в 70% обсягу циркулюючої інформації. На відміну від інших типів засобів обробки інформації, ГІС відображає концепцію геопространства, тому що базується на інформації, прив'язаною до просторових координат і дозволяє представити її в графічному вигляді для інтерпретації та прийняття рішень з управління.