Геоинформационные системы в Интернете (ГИС). Бесплатные геоинформационные решения QGIS и NextGIS Данные используемые в гис

ОС

13.1. ПОНЯТИЯ О ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

В конце XX в. благодаря активной автоматизации и компьютеризации картография стала держательницей и распорядительницей огромных массивов информации о важнейших аспектах существования, взаимодействия и функционирования природы и общества. Информатизация проникла во все сферы науки и практики - от школьного образования до высокой государственной политики.
В науках о Земле на базе информационных технологий созданы географические информационные системы (ГИС) - особые системы сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных данных и связанной с ними информацией о необходимых объектах.
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.
Одна из основных функций ГИС - создание и использование компьютерных (электронных) карт, атласов и других картографических произведений.
Геоинформационные технологии с большим успехом применяются в отраслях:

  • добычи полезных ископаемых - мониторинг горных предприятий, контроль за добычей полезных ископаемых;
  • промышленного производства - проектирование предприятий, проведение расчетов, аудит и мониторинг;
  • строительной индустрии - проектирование коммуникаций;
  • экономике - проведение экспертных оценок, маркетинговое планирование, менеджмент;
  • административном управлении - учет административного подчинения, информационное обеспечение избирательных кампаний, консалтинг, управление территориями;
  • экологии - решение задач при чрезвычайных ситуациях, экологический мониторинг;
  • интернете - интернет-серверы, поиск местонахождения и маршрутизация.

Принято различать следующие территориальные уровни ГИС: глобальные, национальные, региональные, муниципальные и локальные.
ГИС подразделяют и по проблемной ориентации (тематике). Созданы специализированные земельные информационные системы (ЗИС), кадастровые (КИС), экологические (ЭГИС), учебные, морские и многие иные системы. Одни из наиболее распространенных в географии - ГИС ресурсного типа. Они создаются на основе обширных и разнообразных по тематике информационных массивов и предназначены для инвентаризации, оценки, охраны и рационального использования ресурсов, прогноза результатов их эксплуатации.

13.2. ПОДСИСТЕМЫ ГИС

Структуру ГИС обычно представляют как набор информационных слоев (рис. 13.1). К примеру, базовый слой содержит данные о рельефе, затем следуют слои гидрографии, дорожной сети, населенных пунктов, почв, растительного покрова, распространения загрязняющих веществ и т.д. Условно эти слои можно рассматривать в виде «этажерки», на каждой полочке которой хранится карта или цифровая информация по определенной теме.

Рис. 13.1. Принцип расположения информационных слоев в географической информационной системе

В процессе решения поставленных задач слои анализируют по отдельности или совместно в разных комбинациях, выполняют их взаимное наложение (оверлей) и районирование, рассчитывают корреляции и т.п. Скажем, по данным о выборах можно построить слои "явка избирателей по участкам на выборах" и "результаты голосования по определенной партии". Анализируя эти слои можно сделать выводы о работе агитаторов по округам.


Рис. 13.2. Результаты выборов по участкам

При создании ГИС главное внимание всегда уделяют выбору географической основы и базовой карты , которая служит каркасом для последующей привязки, совмещения и координирования всех данных, поступающих в ГИС, для взаимного согласования информационных слоев и последующего анализа с применением оверлея. В зависимости от тематики и проблемной ориентации ГИС в качестве базовых могут быть избраны:

  • карты административно-территориального деления;
  • топографические и общегеографические карты;
  • кадастровые карты и планы;
  • фотокарты и фотопортреты местности;
  • ландшафтные карты;
  • карты природного районирования и схемы природных контуров;
  • карты использования земель.

Возможны и комбинации указанных основ, например ландшафтных карт с топографическими или фотокарт с картами использования земель и т.п. В каждом конкретном случае выбор и дополнительная подготовка базовой карты (например, ее разгрузка или нанесение дополнительной информации) составляют центральную задачу этапа географо-картографического обоснования ГИС.
Сердцевину всякой ГИС составляет автоматизированная картографическая система (АКС) - комплекс приборов и программных средств, обеспечивающих создание и использование карт. АКС состоит из ряда подсистем, важнейшими из которых являются подсистемы ввода , обработки и вывода информации (рис. 13.3).
Подсистема ввода информации - это устройства для преобразования пространственной информации в цифровую форму и ввода ее в память компьютера или в базу данных. Для оцифровки применяют цифрователи (дигитайзеры) и сканеры. С помощью цифрователей на исходной карте прослеживают и обводят контуры и другие обозначения, а в память компьютера при этом поступают текущие координаты этих контуров и линий в цифровой форме. Сам процесс прослеживания оператор выполняет вручную, с чем связаны большая трудоемкость работ и возникновение погрешностей при обводе линий. Сканеры же осуществляют автоматическое считывание информации последовательно по всему полю карты, строка за строкой. Сама карта размещается на планшете или на барабане. Сканирование выполняется быстро и точно, но приходится дополнительно разделять (распознавать) оцифрованные элементы: реки, дороги, другие контуры и т.п. Качественные и количественные характеристики цифруемых объектов, а также статистические данные вводят с клавиатуры компьютера. Вся цифровая информация поступает в базы данных.


Рис. 13.3. Структура ГИС.

Базы данных - упорядоченные массивы данных по какой-либо теме (темам), представленные в цифровой форме, например базы данных о рельефе, населенных пунктах, базы геологической или экологической информации. Формирование баз данных, доступ и работу с ними обеспечивает система управления базами данных (СУБД), которая позволяет быстро находить требуемую информацию и проводить ее дальнейшую обработку. Если базы данных размещены на нескольких компьютерах (например, в разных учреждениях или даже в разных городах и странах), то их называют распределенными базами данных . Это удобно, так как каждая организация формирует свой массив, следит за ним и поддерживает на уровне современности. Совокупности баз данных и средств управления ими образуют банки данных . Распределенные базы и банки данных соединяют компьютерными сетями , и доступ к ним (запросы, поиск, чтение, обновление) осуществляется под единым управлением.
Подсистема обработки информации состоит из самого компьютера, системы управления и программного обеспечения. Созданы сотни разнообразных специализированных программ (пакетов программ), которые позволяют выбирать нужную проекцию, приемы генерализации и способы изображения, строить карты, совмещать их друг с другом, визуализировать и выводить на печать. Программные комплексы способны выполнять и более сложные работы: проводить анализ территории, дешифрировать снимки и классифицировать картографируемые объекты, моделировать процессы, сопоставлять, оценивать альтернативные варианты и выбирать оптимальный путь решения. А современные «интеллектуальные» программы моделируют даже некоторые процессы человеческого мышления.
Большая часть подсистем обработки информации работают в диалоговом (интерактивном) режиме, в ходе которого идет непосредственный двусторонний обмен информацией между картографом и компьютером.
Подсистема вывода (выдачи) информации - комплекс устройств для визуализации обработанной информации в картографической форме. Это экраны (дисплеи), печатающие устройства (принтеры) различной конструкции, чертежные автоматы (плоттеры) и др. С их помощью быстро выводят результаты картографирования и варианты решений в той форме, которая удобна пользователю. Это могут быть не только карты, но и тексты, графики, трехмерные модели, таблицы, однако если речь идет о пространственной информации, то чаще всего она дается в картографической форме, наиболее привычной и легко обозримой.
Все подсистемы, входящие в автоматические картографические системы, входят также и в ГИС. В состав картографической ГИС производственного назначения включают еще и подсистему издания карт , которая позволяет изготовлять печатные формы и печатать тиражи карт. Если тираж небольшой, что обычно при выполнении научных исследований, то используют настольные картографические издательские системы.
ГИС, ориентированные на работу с аэрокосмической информацией, включают специализированную подсистему обработки изображений. В этом случае программное обеспечение позволяет выполнять различные операции со снимками: проводить их коррекцию, преобразование, улучшение, автоматическое распознавание и дешифрирование, классификацию и др.
Особую подсистему в высокоразвитых ГИС может составлять база знаний, т.е. совокупность формализованных знаний, логических правил и программных средств для решения задач определенного типа (например, для проведения границ или районирования территории). Базы знаний помогают диагностировать состояние геосистем, предлагать варианты решения проблемных ситуаций, давать прогноз развития. Можно считать, что в базах знаний реализуются некоторые принципы функционирования искусственного интеллекта.

13.3. ГЕОИНФОРМАТИКА - НАУКА, ТЕХНОЛОГИЯ, ПРОИЗВОДСТВО

Геоинформатика существует в трех ипостасях как наука, техника и производство, и это достаточно типичная ситуация в условиях научно-технического прогресса, сближающего науку и производство. Это триединство является одним из факторов, сближающим картографию и геоинформатику.
Геоинформатика как научная дисциплина изучает природные и социально-экономические геосистемы посредством компьютерного моделирования на основе баз данных и баз знаний.
Вместе с картографией и другими науками о Земле геоинформатика исследует процессы и явления, происходящие в геосистемах, но пользуется для этого своими средствами и методами. Главными из них являются компьютерное моделирование и геоинформационное картографирование .
Основные цели геоинформатики как науки - это управление геосистемами в широком понимании, включая их инвентаризацию, оценку, прогнозирование, оптимизацию и т.п. Для картографии особенно важны заложенный в геоинформатике комплексный подход к изучаемым явлениям и ее проблемная ориентация. В структуре геоинформатики различают такие разделы, как теория геосистемного моделирования, методы пространственного анализа и прикладная геоинформатика.
Но с другой стороны, геоинформатика - это технология сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения пространственно-координированных данных. ГИС-технологии обеспечивают анализ геоинформации и принятие решений.
Наконец, геоинформатика как производство (геоинформационная индустрия) - это изготовление аппаратуры, создание коммерческих программных продуктов и ГИС-оболочек, баз данных, систем управления, компьютерных систем. К этой сфере примыкают формирование ГИС-инфраструктуры и организация маркетинга.
Картография и геоинформатика взаимодействуют по многим направлениям. Они объединены организационно, поскольку государственные картографические службы и частные фирмы занимаются одновременно и геоинформационной деятельностью. Сформировалось особое направление высшего геоинформационно-картографического образования.
Единство двух отраслей науки и техники определяется следующими факторами:
♦ общегеографические и тематические карты - главный источник пространственной информации о природе, хозяйстве, социальной сфере, экологической обстановке;
♦ системы координат и разграфка, принятые в картографии, служат основой для географической локализации всех данных в ГИС;
♦ карты - основное средство интерпретации и организации данных дистанционного зондирования и любой другой информации, поступающей, обрабатываемой и хранимой в ГИС;
♦ геоинформационные технологии, используемые для изучения пространственно-временной структуры, связей и динамики геосистем, в основном опираются на методы картографического анализа и математико-картографического моделирования;
♦ картографические изображения - самая целесообразная форма представления геоинформации потребителям, а составление карт - одна из основных функций ГИС.

13.4. ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ

Геоинформационное картографирование - это автоматизированное создание и использование карт на основе ГИС и баз картографических данных и знаний. Суть геоинформационного картографирования составляет информационно-картографическое моделирование геосистем.
Геоинформационное картографирование может быть отраслевым и комплексным, аналитическим и синтетическим. В соответствии с принятыми классификациями выделяют виды и типы картографирования (например, социально-экономическое, экологическое или инвентаризационное, оценочное геоинформационное картографирование и т.п.).
Данное направление сформировалось не вдруг и не на пустом месте. Оно интегрировало ряд отраслей картографии, подняв их на более высокий технологический уровень. Его истоки прослеживаются в комплексном, потом в синтетическом и оценочно-прогнозном картографировании. Следующим шагом стало развитие системного картографирования, при котором внимание сосредоточивается на целостном отображении геосистем и их элементов (подгеосистем), иерархии, взаимосвязей, динамики, функционирования. Это потребовало основательной опоры на математические методы и автоматизированные технологии, а отсюда был уже один шаг до создания автоматических картографических систем и ГИС. Иначе говоря, геоинформационное картографирование возникло и развивается как прямое продолжение комплексного, синтетического и далее - системного картографирования в новой геоинформационной среде.
Среди характерных черт этого вида картографирования наиболее важны следующие:
♦ высокая степень автоматизации, опора на базы цифровых картографических данных и базы географических (геологических, экологических и др.) знаний;
♦ системный подход к отображению и анализу геосистем;
♦ интерактивность картографирования, тесное сочетание методов создания и использования карт;
♦ оперативность, приближающаяся к реальному времени, в том числе с широким использованием данных дистанционного зондирования;
♦ многовариантность, допускающая разностороннюю оценку ситуаций и спектр альтернативных решений;
♦ многосредность (мультимедийность), позволяющая сочетать иконические, текстовые, звуковые отображения;
♦ применение компьютерного дизайна и новых графических изобразительных средств;
♦ создание изображений новых видов и типов (электронные карты, 3-мерные компьютерные модели и анимации и др.);
♦ преимущественно проблемно-практическая ориентация картографирования, нацеленная на обеспечение принятия решений.
Геоинформационное картографирование - программно-управляемое картографирование. Оно аккумулирует достижения дистанционного зондирования, космического картографирования, картографического метода исследования и математико-картографического моделирования.
В своем развитии геоинформационное картографирование использует опыт комплексных географических исследований и системного тематического картографирования. Благодаря этому в конце XX в. геоинформационное картографирование стало одним из магистральных направлений развития картографической науки и производства.

13.5. ОПЕРАТИВНОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ

Оперативное картографирование - одна из ветвей геоинформационного картографирования, суть его составляют создание и использование карт в реальном или близком к реальному масштабах времени с целью быстрого (своевременного) информирования пользователей и воздействия на ход процесса.
Реальный масштаб времени характеризует скорость создания - использования карт, т.е. темп, обеспечивающий немедленную обработку поступающей информации, ее картографическую визуализацию для оценки, мониторинга и контроля каких-либо процессов и явлений, изменяющихся в том же темпе.
В практических ситуациях оперативное изготовление картографических произведений и доставка их потребителям становятся важным и даже решающим условием выполнения задачи. Оперативные карты предназначены для решения широкого спектра проблем, и прежде всего для предупреждения (сигнализации) о неблагоприятных или опасных процессах, слежения за их развитием, составления рекомендаций и прогнозов, выбора вариантов контроля, стабилизации или изменения хода процесса в самых разных сферах - от экологических ситуаций до политических событий.
Следует различать оперативные карты двух типов: одни рассчитаны на долговременное последующее использование и анализ (например, карты итогов голосования избирателей), а другие - на кратковременное применение для незамедлительной оценки какой-либо ситуации (например, карты стадий созревания сельскохозяйственных посевов).
Исходными данными для оперативного картографирования служат материалы аэрокосмической съемки, непосредственные наблюдения и замеры, статистические данные, результаты опросов, переписей, референдумов, кадастровая информация. А эффективность оперативного картографирования определяется тремя факторами:

  • надежностью автоматической системы, скоростью ввода и обработки данных, удобством доступа к базам данных;
  • хорошей читаемостью самих оперативных карт, простотой их внешнего оформления, что обеспечивает эффективное зрительное восприятие в условиях оперативного анализа ситуаций;
  • оперативностью распространения карт и доставки их потребителям, в том числе с использованием для этого телекоммуникационных сетей.

Оперативное отображение состояния и изменения явлений теснейшим образом связано с автоматизированным изготовлением динамических карт . Они позволяют отразить не только структуру, но и существо явлений и процессов, происходящих в земной коре, атмосфере, гидросфере, биосфере и, что еще более важно, в зонах их контакта и взаимодействия. Динамическое картографирование, кроме того, является самым эффективным средством визуализации результатов мониторинга.

13.6. КАРТОГРАФИЧЕСКИЕ АНИМАЦИИ

В традиционной картографии известны три способа отображения динамики явлений и процессов, их возникновения, развития, изменений во времени и перемещения в пространстве:

  • показ динамики на одной карте с помощью стрелок или лент движения, «нарастающих» знаков и диаграмм, расширяющихся ареалов, изолиний скоростей изменения явлений и т.п.;
  • показ динамики с помощью серий разновременных карт, снимков, фотокарт, блок-диаграмм и др., фиксирующих состояния объектов в разные моменты (периоды) времени;
  • составление карт изменения состояний явления, когда показывается не сама динамика, а лишь результаты происшедших изменений (ареалы изменений).

Геоинформационное картографирование существенно расширяет возможности отображения динамики геосистем, вводя в практику картографические анимации (мультипликации) - особые динамические последовательности карт-кадров, создающие при демонстрации эффект движения. Анимации прочно вошли в повседневную жизнь, они стали столь же привычными, как космические снимки и электронные карты. Хорошо известным примером могут служить телевизионные карты прогноза погоды, на которых видны перемещения фронтов, областей высокого и низкого давления, атмосферные осадки.
Разработано множество технологий и методик получения движущихся изображений. Созданы особые компьютерные программы, которые содержат модули, обеспечивающие самые разные варианты и комбинации картографических анимаций:

  • перемещение всей карты по экрану;
  • мультипликационные последовательности карт-кадров или 3-мерных изображений;
  • изменение скорости демонстрации, покадровый просмотр, возврат к избранному кадру, обратная последовательность;
  • перемещение отдельных элементов содержания (объектов, знаков) по карте;
  • изменение вида элементов содержания (объектов, знаков), их размеров, ориентации, мигание знаков и др.;
  • варьирование окраски (пульсация и дефилирование), изменение интенсивности, создание эффекта вибрации цвета;
  • изменение освещенности или фона, «подсвечивание» и «затенение» отдельных участков карты;
  • панорамирование, изменение проекции и перспективы (точки обзора, ракурса, наклона), вращение 3-мерных изображений;
  • масштабирование (зуммирование) изображения или его части, использование эффекта «наплыва» или удаления объекта;
  • создание эффекта движения над картой («облет» территории), в том числе с разной скоростью.

Анимации можно демонстрировать с нормальной (24 кадра в секунду), ускоренной или замедленной скоростью. Отсюда возникают совершенно новые для картографии проблемы временной генерализации, выбора изобразительных средств, изучения принципов восприятия читателями движущихся карт и т.п.
Динамические изображения добавляют традиционным статичным картам столь необходимый исследователям временной аспект. В связи с этим оправдано введение понятия масштаба времени (или временного масштаба). В определенном смысле можно говорить о медленно-, средне- и быстромасштабных изображениях. Например, одна секунда демонстрации анимационной карты соответствует (округленно) одним суткам или в одной секунде - один месяц.

13.7. ВИРТУАЛЬНОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ

Дальнейшее развитие геоинформационных технологий привело к созданию изображений, сочетающих свойства карты, перспективного снимка, блок-диаграммы и компьютерной анимации. Такие изображения получили название виртуальных. Этот термин имеет несколько смысловых оттенков: возможный, потенциальный, не существующий, но способный возникнуть при определенных условиях, временный или непродолжительно существующий, а главное - не реальный, но такой же, как реальный, неотличимый от реального. В машинной графике визуализация виртуальной реальности предполагает, прежде всего, применение эффектов трехмерности и анимации. Именно они создают иллюзию присутствия в реальном пространстве и возможности интерактивного взаимодействия с ним.
В картографии виртуальные модели понимаются как изображения реальных или мысленных объектов, формируемые и существующие в программно-управляемой среде. Как любое картографическое изображение, они имеют проекцию, масштаб и обладают генерализованностью. Сама же виртуальная реальность - это интерактивная технология, позволяющая воспроизводить реальные и (или) мысленные объекты, их связи и отношения в программно-управляемой среде.
Считается, что отказ от условных знаков, стремление придать виртуальным изображениям «натуральность», объемность, естественную окраску и освещение создает иллюзию реального существования объекта. Тем самым ускоряется процесс коммуникации, и повышается эффективность передачи пространственной информации.
Технологии создания виртуальных изображений многообразны. Обычно вначале по топографической карте, аэро- или космическому снимку создается цифровая модель, затем - трехмерное изображение местности. Его окрашивают в цвета гипсометрической шкалы либо совмещают с фотоизображением ландшафта и далее используют как реальную модель.
Одна из наиболее распространенных виртуальных операций - «облет» полученного изображения. Специальные программные модули обеспечивают управление полетом: движение по избранному направлению, развороты, изменение скорости, показ перспективы. С помощью клавиатуры и джойстика (манипулятора в форме рукоятки с кнопками) можно выдерживать полет на заданной высоте, с установленной скоростью, над точками с заранее избранными координатами. Кроме того, предусмотрены возможности выбора состояния неба (облачности), тумана, условий освещения местности, высоты Солнца, времени дня, эффектов дождя или снегопада и т.п. Модули редактирования позволяют дополнительно наносить новое тематическое содержание, менять текстуру местности, использовать цветные сетки и подложки, размещать надписи, выбирая размер и цвет шрифтов, добавлять тексты и даже звуки.
Крупномасштабные тематические виртуальные изображения дают довольно подробное представление о рельефе и ландшафте, геологическом строении, водных объектах, растительном покрове, городах, путях сообщения и т.п. Возможность интеграции разной тематической информации в единой модели - одно из главных достоинств виртуального изображения. Пролетая и «зависая» над горами, можно детально рассмотреть террасированность их склонов, провести морфометрические измерения, определить характер эрозионных и оползневых процессов, а двигаясь над городскими территориями, - оценить особенности застройки и распределения зеленых массивов, спроектировать размещение новых зданий и транспортных магистралей.
При виртуальном моделировании часто используют многоуровневую аппроксимацию . По одной и той же цифровой модели рельефа, ландшафта или растительного покрова выполняют несколько аппроксимаций с разными уровнями детальности. Это позволяет не ограничиваться увеличением или уменьшением масштаба, а переходить при необходимости на иной уровень детальности. Так возникает своеобразная мультиуровневая генерализация.
Наибольшее применение виртуальные изображения имеют при решении таких практических задач, как мониторинг районов природного риска, строительство зданий и автострад, прокладка трубопроводов, оценка загрязнения среды и распространения шумов от аэропортов и т.п. Возможно использование аналогичных технологий в научных и учебных целях, например для создания средне- и мелкомасштабных виртуальных изображений, в том числе глобусов. На глобусах изображают, скажем, природную зональность земного шара, ход климатических процессов, сезонные изменения растительного покрова и ландшафта, миграцию населения, движение транспортных потоков и т.д. Сюжеты виртуальных тематических карт столь же разнообразны, как и в традиционном картографировании.

13.8. ЭЛЕКТРОННЫЕ АТЛАСЫ

Создание капитальных атласов растягивается, как известно, на долгие сроки, и главной проблемой становится их устаревание, нередко еще в процессе подготовки. Электронные атласы - это удачная альтернатива бумажным. Они позволяют значительно сократить сроки составления, использовать в качестве носителей компакт-диски, применить анимации и мультимедийные средства. Такие атласы содержат карты высокого качества, имеют дружественный интерфейс и обычно снабжены хорошими справочно-поисковыми системами.
Существует несколько типов электронных атласов:

  • атласы только для визуального просмотра («перелистывания»), так называемые вьюерные атласы;
  • «интерактивные атласы», в которых предусмотрены возможности изменять оформление, способы изображения и даже классификации картографируемых явлений, увеличивать и уменьшать (масштабировать) изображение, получать бумажные копии карт;
  • «аналитические атласы», позволяющие комбинировать и сопоставлять карты, проводить их количественный анализ и оценку, выполнять оверлей, пространственные корреляции, - по существу, это ГИС-атласы;
  • атласы, размещенные в компьютерных телекоммуникационных сетях, например Интернет-атласы. В их структуре кроме карт и интерактивных средств обязательно присутствуют еще и средства поиска дополнительной информации и карт в сети.
  • Карты комплексных электронных атласов содержат разные виды информационных слоев:
  • многофункциональные базовые слои, используемые для многих карт;
  • аналитические и синтетические слои по конкретной тематике;
  • оперативно обновляемые тематические слои.

Все они могут входить в содержание разных карт атласа, скажем, базовый слой «геологическое строение» можно использовать не только для собственно геологической карты, но с той или иной генерализацией - для карт полезных ископаемых, гидрогеологической, инженерно-геологической, геоэкологической и др. Комбинирование слоев существенно упрощает трудоемкие процессы составления и взаимного согласования карт.
В большинстве стран созданы национальные электронные атласы. Как правило, они базируются на многотомных бумажных атласах. Однако электронные атласы не всегда повторяют свои бумажные прототипы именно в силу текущего обновления карт, появления новых сюжетов и даже частичного изменения структуры.
Впервые в истории украинского государства создан Национальный атлас Украины - картографическое произведение энциклопедического уровня. В Атласе отражен весь спектр знаний об современной территории Украины. Электронная версия сочетает в себе традиционные картографические подходы и современные геоинформационные технологии, которые призваны отражать всестороннюю информацию об истории, природных, социальных и экологических особенностях Украины начала XXI века.
Электронная версия Национального атласа Украины рассчитана на широкий круг пользователей. Массу полезной информации для себя найдут все: от школьников и студентов до специалистов-географов. Возможности работы с электронной версией зависят только от навыков и заинтересованности пользователей.
Атлас содержит 875 уникальных карт, которые созданы на базе новейших знаний и статистической информации, а также тексты, графики и фотографии. Он органично объединяет шесть тематических блоков.
Общая характеристика . Информация о геополитическое положение Украины, ее физико-географические условия и административное устройство, место в европейском и мировом природно-ресурсном, экономическом и демографическом потенциале.
История . Информация об основных этапах истории украинского народа и государства.
Природные условия и природные ресурсы . Информация об особенностях и качества природных условий страны, наличие и количество природных ресурсов.
Население . Информация о численности, размещении и движении населения, структура расселения, национальный состав, особенности демографического, социально-экономического и гуманитарного развития.
Экономика . Информация, отражающая уровень развития производительных сил Украины, структуру, специализацию и территориальную организацию хозяйства и общие тенденции трансформации экономики.
Экологическое состояние окружающей среды . Карты отражают комплексную оценку состояния и уровня загрязнения окружающей среды и отдельных компонентов природы, систему мониторинга, природно-заповедный фонд и другие охраняемые территории.
Электронная версия Национального атласа Украины - это уникальное собрание на одном диске большой информации об Украине, была подготовлена под руководством ведущих специалистов в своей области. Удобный интерфейс и простота в использовании являются залогом того, что вы легко найдете необходимую информацию.

ГИС (ДубльГИС Барнаул)

Однозначное краткое определение этому явлению дать достаточно сложно. Географическая информационная система (ГИС) - это возможность нового взгляда на окружающий нас мир. Если обойтись без обобщений и образов, то ГИС - это современная компьютерная технология для картирования и анализа объектов реального мира, также событий, происходящих на нашей планете. Эта технология объединяет традиционные операции работы с базами данных, такими как запрос и статистический анализ, с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эти возможности отличают ГИС от других информационных систем и обеспечивают уникальные возможности для ее применения в широком спектре задач, связанных с анализом и прогнозом явлений и событий окружающего мира, с осмыслением и выделением главных факторов и причин, а также их возможных последствий, с планированием стратегических решений и текущих последствий предпринимаемых действий. Создание карт и географический анализ не являются чем-то абсолютно новым. Однако технология ГИС предоставляет новый, более соответствующий современности, более эффективный, удобный и быстрый подход к анализу проблем и решению задач, стоящих перед человечеством в целом, и конкретной организацией или группой людей, в частности. Она автоматизирует процедуру анализа и прогноза. До начала применения ГИС лишь немногие обладали искусством обобщения и полноценного анализа географической информации с целью обоснованного принятия оптимальных решений, основанных на современных подходах и средствах. В настоящее время ГИС - это многомиллионная индустрия, в которую вовлечены сотни тысяч людей во всем мире. ГИС изучают в школах, колледжах и университетах. Эту технологию применяют практически во всех сферах человеческой деятельности - будь то анализ таких глобальных проблем как перенаселение, загрязнение территории, сокращение лесных угодий, природные катастрофы, так и решение частных задач, таких как поиск наилучшего маршрута между пунктами, подбор оптимального расположения нового офиса, поиск дома по его адресу, прокладка трубопровода на местности, различные муниципальные задачи. 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) и т. п.; 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.

История ГИС

Начальный период (поздние 1950е - ранние 1970е гг.)

Исследование принципиальных возможностей, пограничных областей знаний и технологий, наработка эмпирического опыта, первые крупные проекты и теоретические работы.

  • Появление электронных вычислительных машин (ЭВМ) в 50-х годах.
  • Появление цифрователей, плоттеров, графических дисплеев и других периферийных устройств в 60-х.
  • Создание программных алгоритмов и процедур графического отображения информации на дисплеях и с помощью плоттеров.
  • Создание формальных методов пространственного анализа.
  • Создание программных средств управления базами данных.

Период государственных инициатив (нач. 1970е - нач. 1980е гг.)

Государственная поддержка ГИС стимулировала развитие экспериментальных работ в области ГИС, основанных на использовании баз данных по уличным сетям:

  • Автоматизированные системы навигации.
  • Системы вывоза городских отходов и мусора.
  • Движение транспортных средств в чрезвычайных ситуациях и т. д.

Период коммерческого развития (ранние 1980е - настоящее время)

Широкий рынок разнообразных программных средств, развитие настольных ГИС, расширение области их применения за счет интеграции с базами непространственных данных, появление сетевых приложений, появление значительного числа непрофессиональных пользователей, системы, поддерживающие индивидуальные наборы данных на отдельных компьютерах, открывают путь системам, поддерживающим корпоративные и распределенные базы геоданных.

Пользовательский период (поздние 1980е - настоящее время)

Повышенная конкуренция среди коммерческих производителей геоинформационных технологий услуг дает преимущества пользователям ГИС, доступность и «открытость» программных средств позволяет использовать и даже модифицировать программы, появление пользовательских «клубов», телеконференций, территориально разобщенных, но связанных единой тематикой пользовательских групп, возросшая потребность в геоданных, начало формирования мировой геоинформационной инфраструктуры.

Принцип работы ГИС

ГИС хранит информацию о реальном мире в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе географического положения. Этот простой, но очень гибкий подход доказал свою ценность при решении разнообразных реальных задач: для отслеживания передвижения транспортных средств и материалов, детального отображения реальной обстановки и планируемых мероприятий, моделирования глобальной циркуляции атмосферы. Любая географическая информация содержит сведения о пространственном положении, будь то привязка к географическим или другим координатам, или ссылки на адрес, почтовый индекс, избирательный округ или округ переписи населения, идентификатор земельного или лесного участка, название дороги и т.п. При использовании подобных ссылок для автоматического определения местоположения или местоположений объекта (объектов) применяется процедура, называемая геокодированием. С ее помощью можно быстро определить и посмотреть на карте где находится интересующий вас объект или явление, такие как дом, в котором проживает ваш знакомый или находится нужная вам организация, где произошло землетрясение или наводнение, по какому маршруту проще и быстрее добраться до нужного вам пункта или дома.

Векторная и растровая модели

ГИС может работать с двумя существенно отличающимися типами данных - векторными и растровыми. В векторной модели информация о точках, линиях и полигонах кодируется и хранится в виде набора координат X,Y. Местоположение точки (точечного объекта), например буровой скважины, описывается парой координат (X,Y). Линейные объекты, такие как дороги, реки или трубопроводы, сохраняются как наборы координат X,Y. Полигональные объекты, типа речных водосборов, земельных участков или областей обслуживания, хранятся в виде замкнутого набора координат. Векторная модель особенно удобна для описания дискретных объектов и меньше подходит для описания непрерывно меняющихся свойств, таких как типы почв или доступность объектов. Растровая модель оптимальна для работы с непрерывными свойствами. Растровое изображение представляет собой набор значений для отдельных элементарных составляющих (ячеек), оно подобно отсканированной карте или картинке. Обе модели имеют свои преимущества и недостатки. Современные ГИС могут работать как с векторными, так и с растровыми моделями.

Слои ГИС

Вся картографическая информация в ГИС организована в виде слоев. Слои, это самый первый уровень абстракции в ГИС. Работая с ГИС, мы обязаны разделить существующие у нас данные на слои. Каждый слой содержит объекты определенного вида, объединенные общими характеристиками. Работая в ГИС, мы можем подключать и отключать интересующие нас слои, или менять порядок их отображения. Слои бывают следующих типов:

Точечные

Точечные слои содержат объекты, которые можно абстрагировать до точки, например скважины или города. Ради ясности понимания даже город можно представить точкой.

Линейные

Эти объекты можно абстрагировать до ломаной или гладкой линии, например реки, дороги, или трубопроводы.

Полигональные или площадные

Объекты этого типа представляются как находящиеся в пределах некоторого полигона, например лицензионные участки.

Площадные объекты могут состоять из нескольких контуров. Это необходимо если требуется представить полигон с дыркой внутри. На рисунке представлен пример обычного полигона и полигона, состоящего из двух контуров.

Последняя точка полигона всегда должна совпадать с первой точкой. Правильно это или нет, но так уж повелось в геоинформационных системах. Таким образом, полигон не может иметь менее четырех точек. Если полигон имеет нулевую площадь, то есть вырождается, то его необходимо удалить. Полигон также не должен иметь самопересечений. Подобные недочеты позже могут привести к серьезным ошибкам в расчетах, и потому их следует избегать.

Изображения

Растровые графические изображения, привязанные к географическим координатам, например космоснимки или отсканированые карты.

Сеточные модели

Это структурные карты и карты параметров. Первоначально такие модели основывались на прямоугольной сетке, где в узлах сетки указано значение Z (параметра).

Теперь строение подобных моделей зачастую боле сложное, но по традиции их продолжают называть сетками или гридами. Современные гриды могут содержать разломы, области уточнения или быть основаны на сплайнах. Смысл сеточных моделей остается прежним: непрерывное представление параметра на определенной площади.

Сетка сплайнов отличается от обычной сетки тем, что ее поверхность является идеально гладкой, что более естественно для большинсва моделей. Сетки с разломами содержат дополнительные сегменты для моделирования ровного разрыва. На обычной сеточной модели разрыв получается ступенчатым. Сеточные модели, также называют картами в изолиниях.

Специальные виды слоев

Эти пять типов слоев стандартны для любой профессиональной ГИС, но кроме них могут существовать и другие, специальные типы данных, обусловленые областью применения данной системы. Например, это могут быть разломы (для моделирования сеток с разломами), растровые карты (для представления очень больших растровых изображений), 3D модели (для трехмерных моделей пластов).

Таблицы данных ГИС

Точки линии и полигоны имеют таблицы аттрибутивных данных для своих объектов.

Каждому объекту на карте соответствует строка в таблице данных. Используя таблицу данных можно находить и сортировать объекты, выделять их на карте по аттрибутам или смотреть атрибуты выделенных объектов. Атрибутивная таблица позволяет искать объекты, сортировать их, выделять по условиям, группировать, создавать фильтры, проводить вычисления. Таблица аттрибутов превращает ГИС в базу данных, в которой вы можете проводить анализ данных или управление данными при помощи развитых инструментов ГИС. Без таблиц аттрибутов геоинформационные системы не имели бы смысла, а карты в них не были бы картами, а были просто рисунками, как рисунки в CorelDraw или Paint.

Точки в составе линий и полигонов также имеют свои аттрибутивные таблицы. Так, например, сейсмопрофили можно загрузить вместе с данными по отпикированным горизонтам и использовать их для построения карт в изолиниях. Таблица данных поддерживает понятие выделенных объектов, такие строки в таблице помечены другим цветом. Выделенные объекты также, несколько иначе отображаются и на карте. Выделение объектов очень часто используется при анализе данных. Выделять объекты можно как в таблице, так и на карте, а также по заданным условиям.

Формирование слоев

Очень важной темой является правильное формирование структуры слоев. Полезность любой базы данных, и ГИС в том числе, сильно зависит от правильной структуры данных. Даже можно сформулировать следующее: полезность базы прямо пропорциональна ее правильной организации и порядку в данных. Если данные в базе содержат большое количество ошибок или неправильно организованы, то это может свести на нет все достоинтва базы данных как таковой. По этой причине важным является умение правильно структурировать информацию. Например, если вы загружаете данные сейсморазведки, то правильно будет объединить все сейсмопартии в одном слое, а не создавать несколько слоев групируя их по районам или площадям. Лучше придерживаться такого правила: один тип данных - одна таблица (или один слой). С другой стороны разнородные объекты лучше помещать в разные слои, даже если они объеденены общей тематикой. Так автодороги и железные дороги лучше разделить на два слоя, а потом поместить их в группу "Транспортные пути".

Координаты

Всем известно, что земля круглая, а карта плоская, и поверхность шара невозможно развернуть на плоскость без деформаций. По этой причине в картографии используют проекции. Поекции это правила и формулы преобразования одних координат в другие. Обычно используется преобразование из сферических (географических) координат в прамоугольные координаты (координаты карты). Проекции бывают равноплощадными или равноугольными, то есть сохраняют площадь объектов или углы. Иногда проекция может искажать и то и другое, минимизируя искажения вобщем. Для нашей страны стандартной сиситемой преобразования является система координат "42-ого года". Система "42-ого года" делит территорию земного шара на 60 зон, по 6 градусов. Тюменская область, например, находится в пределах 12-ой, 13-ой и 14-ой зон. "42-ой год" это равноплощадная проекция. ГИС устроены так, что могут хранить данные в одной системе координат, а отображать в другой. Поэтому необходимо не запутаться с тем, в какой системе координат хранятся данные, и в какой они отображены на карте. Чтобы уменьшить путаницу с проекциями Isoline поддерживает только два варианта исходных данных:

  • Прямогугольные координаты (любые произвольные координаты, к которым не применяется никаких преобразований).
  • Географические координаты (градусы, минуты, секунды, которые при отображении на карте пересчитываются в какую либо проекцию).

Вот варианты отображения одного и того же участка в разных системах координат и проекциях.

Проекция "поликоническая". Реальные координаты - градусы, отображаемые кординаты - градусы.

Проекция не установлена. Реальные координаты - "поликонические", отображаемые кординаты - прямоугольные.

Проекция не установлена. Реальные координаты - градусы, отображаемые кординаты - прямоугольные.

Проекция "поликоническая". Реальные координаты - "поликонические", отображаемые кординаты - прямоугольные.

Как видно из рисунков два верхних нас вполне устраивают, а третий и четвертый нет. Третий рисунок, на самом деле, вполне корректен, но проекция не указана, и поэтому мы видим изображение "как есть", в градусах. На четвертом рисунке мы попытались отобразить полигон, данные которого не градусы, в проекции "поликонической" и система нас не поняла. Из этого можно сделать следующее заключение: для прямоугольных координат устанавливать проекцию нельзя, так как в этом случае формулы преобразования применяются к ним второй раз, и изображение получается неверным.

Также необходимо принимать во внимание такой факт, что прямая проведенная в одной системе координат не является прямой в другой системе, а площади объектов могут отличаться, даже если проекции равноплощадные.

Прямоугольные координаты

"поликонические", без корректировки отображения.

Координатная сиситема Мольвейде.

поликонические", с корректировкой отображения.

Поэтому если вам нужны точные длины линий, точные площади, и точное отображение, то необходимо воспользоваться специальными средствами системы.

Задачи, которые решает ГИС

ГИС общего назначения, в числе прочего, обычно выполняет пять процедур (задач) с данными: ввод, манипулирование, управление, запрос и анализ, визуализацию.

Ввод

Для использования в ГИС данные должны быть преобразованы в подходящий цифровой формат. Процесс преобразования данных с бумажных карт в компьютерные файлы называется оцифровкой. В современных ГИС этот процесс может быть автоматизирован с применением сканерной технологии, что особенно важно при выполнении крупных проектов, либо, при небольшом объеме работ, данные можно вводить с помощью дигитайзера. Многие данные уже переведены в форматы, напрямую воспринимаемые ГИС-пакетами.

Манипулирование

Часто для выполнения конкретного проекта имеющиеся данные нужно дополнительно видоизменить в соответствии с требованиями вашей системы. Например, географическая информация может быть в разных масштабах (осевые линии улиц имеются в масштабе 1: 100 000, границы округов переписи населения - в масштабе 1: 50 000, а жилые объекты - в масштабе 1: 10 000). Для совместной обработки и визуализации все данные удобнее представить в едином масштабе. ГИС-технология предоставляет разные способы манипулирования пространственными данными и выделения данных, нужных для конкретной задачи.

Управление

В небольших проектах географическая информация может храниться в виде обычных файлов. Но при увеличении объема информации и росте числа пользователей для хранения, структурирования и управления данными эффективнее применять системы управления базами данных (СУБД), то специальными компьютерными средствами для работы с интегрированными наборами данных (базами данных). В ГИС наиболее удобно использовать реляционную структуру, при которой данные хранятся в табличной форме. При этом для связывания таблиц применяются общие поля. Этот простой подход достаточно гибок и широко используется во многих, как ГИС, так и не ГИС приложениях.

Запрос и анализ

При наличии ГИС и географической информации Вы сможете получать ответы простые вопросы (Кто владелец данного земельного участка? На каком расстоянии друг от друга расположены эти объекты? Где расположена данная промзона?) и более сложные, требующие дополнительного анализа, запросы (Где есть места для строительства нового дома? Каков основный тип почв под еловыми лесами? Как повлияет на движение транспорта строительство новой дороги?). Запросы можно задавать как простым щелчком мышью на определенном объекте, так и с посредством развитых аналитических средств. С помощью ГИС можно выявлять и задавать шаблоны для поиска, проигрывать сценарии по типу “что будет, если…”. Современные ГИС имеют множество мощных инструментов для анализа, среди них наиболее значимы два: анализ близости и анализ наложения. Для проведения анализа близости объектов относительно друг друга в ГИС применяется процесс, называемый буферизацией. Он помогает ответить на вопросы типа: Сколько домов находится в пределах 100 м от этого водоема? Сколько покупателей живет не далее 1 км от данного магазина? Какова доля добытой нефти из скважин, находящихся в пределах 10 км от здания руководства данного НГДУ? Процесс наложения включает интеграцию данных, расположенных в разных тематических слоях. В простейшем случае это операция отображения, но при ряде аналитических операций данные из разных слоев объединяются физически. Наложение, или пространственное объединение, позволяет, например, интегрировать данные о почвах, уклоне, растительности и землевладении со ставками земельного налога.

Визуализация

Для многих типов пространственных операций конечным результатом является представление данных в виде карты или графика. Карта - это очень эффективный и информативный способ хранения, представления и передачи географической (имеющей пространственную привязку) информации. Раньше карты создавались на столетия. ГИС предоставляет новые удивительные инструменты, расширяющие и развивающие искусство и научные основы картографии. С ее помощью визуализация самих карт может быть легко дополнена отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками и таблицами, фотографиями и другими средствами, например, мультимедийными.

Технологии, связанные с ГИС

ГИС тесно связана рядом других типов информационных систем. Ее основное отличие заключается в способности манипулировать и проводить анализ пространственных данных. Хотя и не существует единой общепринятой классификации информационных систем, приведенное ниже описание должно помочь дистанциировать ГИС от настольных картографических систем (desktop mapping), систем САПР (CAD), дистанционного зондирования (remote sensing), систем управления базами данных (СУБД или DBMS) и технологии глобального позиционирования (GPS).

Системы настольного картографирования используют картографическое представление для организации взаимодействия пользователя с данными. В таких системах все основано на картах, карта является базой данных. Большинство систем настольного картографирования имеет ограниченные возможности управления данными, пространственного анализа и настройки. Соответствующие пакеты работают на настольных компьютерах - PC, Macintosh и младших моделях UNIX рабочих станций.

Системы САПР

Системы САПР способны чертежи проектов и планы зданий и инфраструктуры. Для объединения в единую структуру они используют набор компонентов с фиксированными параметрами. Они основываются на небольшом числе правил объединения компонентов и имеют весьма ограниченные аналитические функции. Некоторые системы САПР расширены до поддержки картографического представления данных, но, как правило, имеющиеся в них утилиты не позволяют эффективно управлять и анализировать большие базы пространственных данных.

Дистанционное зондирование и GPS

Методы дистанционного зондирования - это искусство и научное направление для проведения измерений земной поверхности с использованием сенсоров, таких как различные камеры на борту летательных аппаратов, приемники системы глобального позиционирования или других устройств. Эти датчики собирают данные в виде изображений и обеспечивают специализированные возможности обработки, анализа и визуализации полученных изображений. Ввиду отсутствия достаточно мощных средств управления данными и их анализа, соответствующие системы вряд ли можно отнести к настоящим ГИС.

Системы управления базами данных предназначены для хранения и управления всеми типами данных, включая географические (пространственные) данные. СУБД оптимизированы для подобных задач, поэтому во многие ГИС встроена поддержка СУБД. Эти системы не имеют сходных с ГИС инструментов для анализа и визуализации.

Что ГИС могут сделать для Вас

Делать пространственные запросы и проводить анализ

Способность ГИС проводить поиск в базах данных и осуществлять пространственные запросы позволила многим компаниях сэкономить миллионы долларов. ГИС помогает сократить время получения ответов на запросы клиентов; выявлять территории подходящие для требуемых мероприятий; выявлять взаимосвязи между различными параметрами (например, почвами, климатом и урожайностью с/х культур); выявлять места разрывов электросетей. Риэлторы используют ГИС для поиска, к примеру, всех домов на определенной территории, имеющих шиферные крыши, три комнаты и 10-метровые кухни, а затем выдать более подробное описание этих строений. Запрос может быть уточнен введением дополнительных параметров, например стоимостных. Можно получить список всех домов, находящих на определенном расстоянии от определенной магистрали, лесопаркового массива или места работы.

Улучшить интеграцию внутри организации

Многие применяющие ГИС организации обнаружили, что одно из основных ее преимуществ заключается в новых возможностях улучшения управления собственной организацией и ее ресурсами на основе географического объединения имеющихся данных и возможности их совместного использования и согласованной модификации разными подразделениями. Возможность совместного использования и постоянно наращиваемая и исправляемая разными структурными подразделениями база данных позволяет повысить эффективность работы как каждого подразделения, так и организации в целом. Так, компания, занимающаяся инженерными коммуникациями, может четко спланировать ремонтные или профилактические работы, начиная с получения полной информации и отображения на экране компьютера (или на бумажных копиях) соответствующих участков, например водопровода, и заканчивая автоматическим определением жителей, на которых эти работы повлияют, и уведомлением их о сроках предполагаемого отключения или перебоев с водоснабжением.

Принятие более обоснованных решений

ГИС, как и другие информационные технологии, подтверждает известную поговорку о том, что лучшая информированность помогает принять лучшее решение. Однако, ГИС - это не инструмент для выдачи решений, а средство, помогающее ускорить и повысить эффективность процедуры принятия решений, обеспечивающее ответы на запросы и функции анализа пространственных данных, представления результатов анализа в наглядном и удобном для восприятия виде. ГИС помогает, например, в решении таких задач, как предоставление разнообразной информации по запросам органов планирования, разрешение территориальных конфликтов, выбор оптимальных (с разных точек зрения и по разным критериям) мест для размещения объектов и т. д. Требуемая для принятия решений информация может быть представлена в лаконичной картографической форме с дополнительными текстовыми пояснениями, графиками и диаграммами. Наличие доступной для восприятия и обобщения информации позволяет ответственным работникам сосредоточить свои усилия на поиске решения, не тратя значительного времени на сбор и обмысливание доступных разнородных данных. Можно достаточно быстро рассмотреть несколько вариантов решения и выбрать наиболее эффектный и эффективный.

Создание карт

Картам в ГИС отведено особое место. Процесс создания карт в ГИС намного более прост и гибок, чем в традиционных методах ручного или автоматического картографирования. Он начинается с создания базы данных. В качестве источника получения исходных данных можно пользоваться и оцифровкой обычных бумажных карт. Основанные на ГИС картографические базы данных могут быть непрерывными (без деления на отдельные листы и регионы) и не связанными с конкретным масштабом. На основе таких баз данных можно создавать карты (в электронном виде или как твердые копии) на любую территорию, любого масштаба, с нужной нагрузкой, с ее выделением и отображением требуемыми символами. В любое время база данных может пополняться новыми данными (например, из других баз данных), а имеющиеся в ней данные можно корректировать по мере необходимости. В крупных организациях созданная топографическая база данных может использоваться в качестве основы другими отделами и подразделениями, при этом возможно быстрое копирование данных и их пересылка по локальным и глобальным сетям.

ГИС в России

Наибольшее распространение в России из зарубежных систем имеют: программный продукт ArcGIS компании ESRI , семейство продуктов GeoMedia корпорации Intergraph и MapInfo Professional компании Pitney Bowes MapInfo .

Из отечественных разработок широкое распространение получила программа ГИС Карта 2008 компании ЗАО КБ "Панорама" .

Используются также и другие программные продукты отечественной и зарубежной разработки: ГИС ИНТЕГРО , MGE корпорации Intergraph (использует MicroStation в качестве графического ядра), IndorGIS , STAR-APIC , ДубльГИС , Mappl , ГеоГраф ГИС , 4geo и пр.

Базовый составляющий геоинформатики являются геоинформационные систе­мы. Геоинформационная система (ГИС) - специализированная информационная система, предназначенная для работы на интегрированной основе с геопространс­твенными и различными по содержанию семантическими данными.

Поскольку ГИС является сложной интегрированной системой, она подчиняет­ся всем принципам системного анализа. Системный анализ - это совокупность методов и средств исследования сложных, многоуровневых и многокомпонентных систем, объектов, процессов, опирающихся на комплексный подход, учет взаимо­связей и взаимодействий между элементами системы. В системном анализе под системой понимается множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определенную целостность, единство. Элементами системы являются ее части, представление о которых нецелесообразно подвергать дальнейшему членению. Сложная система - это система, характеризуемая боль­шим числом элементов и большим числом взаимосвязей.

Интеграцией называют восстановление и повышение качественного уровня взаимосвязей между элементами системы, а также процесс создания из несколь­ких разнородных систем единой системы с целью исключения функциональной и структурной избыточности и повышения общей эффективности функциони­рования.

Назначением ГИС является ввод, хранение, обработка и вывод геопростран­ственной информации по запросам пользователей.

Таким образом, ГИС интегрируется, с одной стороны, с системами сбора ин­формации (дистанционное зондирование, геодезическая съемка, мониторинг окружающей среды), с другой - с системами хранения информации (информа- ционно-поисковые системы, базы данных, базы знаний, экспертные системы), с третьей стороны, с системами обработки информации (обработка изображений, моделирование, генерализация), с четвертой стороны, с системами отображения информации (компьютерная графика, электронные карты, создание трехмерных видеомоделей и сцен).

Поскольку геопространственные данные менее подвержены изменениям, чем семантические данные, они часто являются основой для интеграции данных в дру­гих автоматизированных системах (автоматизированного управления, проектиро­вания и научных исследований).

При интеграции ГИС с другими системами создаются новые технологии. Техно­логия включает в себя методы, приемы,режим работы, последовательность операций и процедур, она тесно связана с применяемыми средствами, оборудованием, инс­трументами, используемыми материалами. Геоинформационная технология - это совокупность приемов, способов и методов применения аппаратно-программных средств обработки и передачи информации на основе реализации функциональных возможностей ГИС.


Рассмотрим теперь различные методы классификации ГИС (рис. 1). По про­блемной ориентации можно выделить следующие виды ГИС.

Универсальные географические (комплексные или многоцелевые) для реше­ния общих проблем. Обычно это интегрированные ГИС, которые совмещают си­стемы цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) с функциональными возможностями ГИС по моделированию и многофакторному анализу данных в единой интегрированной среде. Такие ГИС используются в сферах управления федерального и регионального управления и планирования.

Отраслевые (тематические) - по проблеме одной отрасли. Основные проблемы, решаемые современными ГИС, сводятся к проблемам оптимального взаимораспо­ложения и определения местонахождения, размещения и распределения объектов и ресурсов, к классификации и районированию территории, выбору оптимального маршрута. Круг проблем, решаемых ГИС, может меняться в зависимости от требо­ваний времени и функциональных возможностей, определяющихся уровнем раз­работки структуры базы данных и ее программно-аппаратной реализацией. 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.

Специализированные. Предметом рассмотрения таких ГИС могут быть: не­дра, природопользование, экология, транспорт, связь, социально-экономические показатели, политология, городское хозяйство.

По целевому назначению ГИС могут быть:

Информационно-справочные. Такие ГИС либо используются в сети Интернет, либо тиражируются на компакт-дисках. Они широко используются для справоч­ных, туристических и образовательных целей.

Инвентаризационные, кадастровые. Такие ГИС создаются для учета и ведения земельного, лесного, водного, экологического, градостроительного и других видов кадастра, а также систем муниципального управления.

ГИС для принятия управленческих решений. Обычно такие ГИС создаются либо на федеральном уровне, либо на уровне различного рода министерств и ведомств и служат для получения оперативных данных в процессе принятия решений.

ГИС для управления процессами и системами. Такие ГИС помогают оператив­но управлять энергоресурсами, планировать работу транспорта, связи и т. д.

Как правило математическую основу ГИС составляют топоданные (топокарты). По территориальному охвату ГИС разбивают на несколько уровней.

1. Глобальные. Масштаб базовых карт, по которым создается ГИС, 1:4000 000 и мельче, система координат - географическая. Цифровые карты хранятся на оптических или компакт-дисках. Примером глобальных ГИС является цифро­вая карта мира.

2. Межгосударственные (субконтинентальные). В этих ГИС по территориально­му признаку объединяются несколько государств. Масштаб базовых карт для них - от 4000 000 до 1:200 000. В основном они имеют информационно-спра­вочное назначение.

3. Федеральные (общенациональные, государственные). Исходным картографи­ческим материалом для этих ГИС могут служить карты масштаба 1:4 000 000 до 1:1 000 000.

4. Региональные и субрегиональные. К этому уровню относят ГИС на основе то­пографических и картографических данных масштабов 1:100 000 и 1:200 000. Система координат - геодезическая (в США, Канаде и Западной Европе - 17ГМ, в РФ - Гаусса-Крюгера).

5. Муниципальные. Создаются для управления городским хозяйством. Напри­мер, для создания муниципальных кадастровых карт. Масштабы картографи­ческих и топографических данных состовляют 1:10 000 и 1: 25 000.

6. Локальные (районные). ГИС этого уровня создаются по геопространственным данным масштабов 1:10 000 и крупнее и служат для управления городским хо­зяйством, создания кадастровых карт и других целей местного значения.

Целями разработки ГИС являются: анализ, моделирование, управление, про­гноз, планирование, инвентаризация земель, мониторинг, геомаркетинг, картогра­фирование, обслуживание пользователей.

Сфера применения ГИС весьма широка. Это и управление территориальными образованиями, и исследование природных ресурсов, и экология, и рациональное землепользование, транспорт и строительство.

Реализация геоинформационных проектов, создание ГИС в широ­ком смысле слова, включает этапы: предпроектных исследований, в том числе изучение требований пользователя и функцио­нальных возможностей используемых программных средств ГИС, технико-эконо­мическое обоснование, оценку соотношения «затраты/прибыль»; системное проектирование ГИС, включая стадию пилот-проекта, разработку ГИС; ее тестирование на небольшом территориальном фрагменте, или тестовом участке, прототипирование, или создание опытного образца, или прототипа; внедрение ГИС; эксплуатацию и использование.

Особенности различных источников данных создаваемых ГИС позволяют ввести еще один принцип классификации - тип исходных данных, что дает воз­можность выделять системы, ориентированные на использование определенных материалов (карт, аэро- и космических снимков, таблиц, текстов, диаграмм, муль­тимедиа), либо их комплексов в интегрированной ГИС.

Проблемы, стоящие перед проектированием ГИС, реализуются посредством решения комплексов отдельных задач. Задача, определяемая как простейший цикл обработки типизированных данных, может быть отнесена к одной из групп:

1) учетно-инвентаризационных задач,

2) задач управления и принятия решений,

3) задач для моделирования и сложного анализа данных.

Комплексность решения задач в ГИС есть следствие ее эффективности, выте­кающей из ее интегрированности, картографической визуализации и наглядности информации. Несмотря на обилие задач, ГИС оперирует немногими категориями - природными и антропогенными объектами, а также изменяющимися в пространс­тве явлениями. Структура БД в первую очередь должна быть разработана с учетом возможности обеспечения манипулирования этими категориями при работе с ГИС.

В большинстве практически функционирующих ГИС все многообразие задач ГИС сводится к выполнению в основном запросов из БД двух типов: 1) запрос ин­формации «через карту» посредством «картографического интерфейса», с одной стороны, и 2) создание/выдача картографического отчета (т. е. в виде карты) по запросу из БД. При этом оба типа запросов могут иметь дополнительные ограни­чения, основанные на пространственных и непространственных характеристиках с использованием понятий расстояния, включения, пространственных взаимоот­ношений объектов (например, соседства или пересечения).

Выполнение каждой задачи можно рассматривать как с позиции функциональ­ности отдельных подсистем ГИС, так и в аспекте их программно-аппаратного обес­печения.

Функции ГИС закладываются в процессе создания ГИС. Акцент на функции оп­ределяет конфигурацию ГИС. Различные аспекты применения ГИС могут быть све­дены к следующим группам функций ГИС:

· сбор, кодирование и ввод информации - обеспечение формирования циф­рового представления пространственных объектов и явлений;

· редактирование, обновление, эффективное хранение данных, реорганиза­ция в разные формы, контроль правильности и качества данных, поддержа­ние системы на актуальном уровне;

· получение информации - в первичном и обобщенном виде (в том числе ге­нерализированном, суммарном, усредненном) и в виде результатов анализа, моделирования и интегрирования разнородной информации;

· сложные запросы, в том числе осуществляемые в ходе сложного анализа;

· вывод результатов в виде документов - таблиц, карт, диаграмм.

При всем многообразии операций, целей, областей моделирования, проблем­ной ориентации тех или иных атрибутов, логически организованных в них, в лю­бой ГИС выделяются блоки (подсистемы), выполняющие определенные группы функций.

Если рассматривать ГИС как системотехническое устройство, то она включает в себя: аппаратные средства, программное обеспечение, данные и ре­сурсы, технологии и информационный менеджмент.

Аппаратные средства. Это компьютер или сеть компьютеров, входящих в ГИС, а также состав специализированных информационно-технических средств, обес­печивающих функционирование ГИС.

Программное обеспечение ГИС содержит системные и прикладные фун­кции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации гео­пространственной информации. Ключевыми компонентами программных продуктов являются: инструменты для ввода и оперирования геоданными; сис­тема управления базой данных (БВМ8 или СУБД); инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения); графи­ческий пользовательский интерфейс (С1Л или ГИП) для легкого доступа к инст­рументам.

Данные, один из наиболее важных компонентов ГИС. Данные о пространс­твенном положении (геопространственные данные) и связанные с ними таблич­ные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем либо приобретаться у поставщиков на коммерческой или другой основе. В процессе управления ГИС интегрирует пространственные данные с другими типами и ис­точниками данных, а также может использовать СУБД, применяемые многими организациями для упорядочивания и поддержки имеющихся в их распоряже­нии данных.

Геоинформационный менеджмент . Широкое применение ГИС-технологии невозможно без людей, которые работают с программными продуктами и разра­батывают планы их использования при решении реальных задач. Пользователями ГИС могут быть как технические специалисты, разрабатывающие и поддержи­вающие систему, так и обычные сотрудники (конечные пользователи), которым ГИС помогает решать текущие каждодневные дела и проблемы. Успешность и эф­фективность (в том числе экономическая) применения ГИС во многом зависит от правильно составленного плана и правил работы, которые составляются в соот­ветствии со спецификой задач и работы каждой организации.

ГИС среди информационных технологий

Первым вопросом человека, не знакомого с географическими информационными системами (ГИС), будет, конечно: «А зачем мне это нужно?» Действительно, атласами и картами мы пользуемся в нашей жизни нечасто. И вообще, географию, как известно из произведений классиков, тоже изучать не обязательно - для этого извозчики есть. К тому же информации, причем не всегда приятной, из разных источников мы и так получаем больше, чем иногда хотелось бы. И нужно ли ее еще и систематизировать? Тут есть о чем задуматься. Но, если разобраться, ГИС - это нечто большее, чем карта, перенесенная на компьютер. Так что же это такое и с чем его «едят»?

Но, к сожалению, с кратким, понятным каждому и, как говорил профессор Преображенский из «Собачьего сердца», «фактическим» определением все не так просто. Дело, видимо, в том, что эта технология, во-первых, в значительной степени универсальная, а во-вторых, она так быстро развивается и захватывает новые сферы жизни и деятельности, что, как в анекдоте времен развитого социализма, продукты (то есть определения) подвозить не успевают. Авторы каждой новой основополагающей книги по ГИС (а такие книги постоянно издаются) и тем более многочисленных монографий, касающихся какой-то одной из бесчисленного множества областей их применения, стараются внести свой посильный вклад в создание такого определения. К этим книгам мы вас и отсылаем, если вы хотите найти наиболее приемлемое для вас определение. Каждый, окунувшийся в этот мир, волен дать свое. Мы же, ни в коей мере не претендуя на оригинальность, возьмем уже имеющиеся.

Вот, например, два определения: одно «лирическое», другое «практическое». Первое: «Это возможность нового взгляда на окружающий нас мир». Второе: «ГИС - это современная компьютерная технология для картографирования и анализа объектов реального мира, а также событий, происходящих на нашей планете, в нашей жизни и деятельности».

Если обойтись без определений, а ограничиться описанием, то эта технология объединяет традиционные операции при работе с базами данных, такими как запрос и статистический анализ, с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эти возможности отличают ГИС от других информационных систем и обеспечивают уникальные перспективы для ее применения в широком спектре задач, связанных с анализом и прогнозом явлений и событий окружающего мира, с осмыслением и выделением главных факторов и причин, а также их возможных последствий, с планированием стратегических решений и текущих последствий предпринимаемых действий.

Один из лучших способов узнать, что такое ГИС, - посмотреть, как другие люди используют эту технологию. Ну а затем, не откладывая в долгий ящик, начать работу с ГИС и продемонстрировать свои достижения окружающим. У любого человека с творческим отношением к делу при виде возможностей ГИС сразу начинают чесаться руки… Ведь ГИС - это также и инструментарий, с помощью которого вы сможете решить задачи, для который порой не существует готовых законченных решений.

Но вернемся к началу. На первый взгляд, достаточно очевидным является только применение ГИС в подготовке и распечатке карт и, может быть, в обработке аэро- и космических снимков. Реальный же спектр применений ГИС гораздо шире, и чтобы оценить его, нам стоит взглянуть на применение компьютеров вообще: тогда место ГИС будет представляться гораздо яснее.

Компьютеры не только обеспечивают большое удобство выполнения известных операций с документами - они являются носителям нового направления человеческой деятельности. Это направление - информационные технологии, и именно на них в значительной степени основано современное общество. Что же это такое - информационные технологии?

Термин «информация» зачастую понимается слишком узко (вроде тех «информаций», что сообщают журналисты). Реально же информацией следует называть все, что может быть представлено в виде букв, цифр и изображений. Так вот, все методы, техники, приемы, средства, системы, теории, направления и т.д. и т.п., которые нацелены на сбор, переработку и использование информации, вместе называются информационными технологиями. И ГИС - одна из них.

В настоящее время ГИС - это многомиллионная индустрия, в которую вовлечены миллионы людей во всем мире. Так, по данным компании Dataquest, в 1997 году общие продажи программного обеспечения ГИС превысили 1 млрд. долл., а с учетом сопутствующих программных и аппаратных средств рынок ГИС приближается к 10 млрд. ГИС изучают в школах, колледжах и университетах. Эту технологию применяют практически во всех сферах человеческой деятельности - будь то анализ таких глобальных проблем, как перенаселение, загрязнение территории, голод и перепроизводство сельскохозяйственной продукции, сокращение лесных угодий, природные катастрофы, либо решение частных задач, таких как поиск наилучшего маршрута движения между пунктами, подбор оптимального расположения нового офиса, поиск дома по его адресу, прокладка трубопровода или линии электропередачи на местности, различные муниципальные задачи типа регистрации земельной собственности. Как же удается с помощью одной технологии решать столь разные задачи? Чтобы понять это, рассмотрим последовательно устройство, работу и примеры применения ГИС.

Составные части ГИС

Работающая ГИС включает в себя пять ключевых составляющих: аппаратные средства, программное обеспечение, данные, исполнители и методы.

Аппаратные средства. Это компьютер, на котором запущена ГИС. В настоящее время ГИС работают на различных типах компьютерных платформ - от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров.

Программное обеспечение ГИС содержит функции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации. Ключевыми компонентами программных продуктов являются: инструменты для ввода и оперирования географической информацией; система управления базой данных (DBMS или СУБД); инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения); графический пользовательский интерфейс (GUI или ГИП) для легкого доступа к инструментам и функциям.

Данные. Это, вероятно, наиболее важный компонент ГИС. Данные о пространственном положении (географические данные) и связанные с ними табличные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем либо приобретаться у поставщиков на коммерческой или иной основе. В процессе управления пространственными данными ГИС интегрирует пространственные данные с другими типами и источниками данных, а также может использовать СУБД, применяемые многими организациями для упорядочивания и поддержки имеющихся в их распоряжении данных.

Исполнители. Широкое применение технологии ГИС невозможно без людей, которые работают с программными продуктами и разрабатывают планы их использования при решении реальных задач. Пользователями ГИС могут быть как технические специалисты, разрабатывающие и поддерживающие систему, так и обычные сотрудники (конечные пользователи), которым ГИС помогает решать каждодневные дела и проблемы.

Методы. Успешность и эффективность (в том числе экономическая) применения ГИС во многом зависит от правильно составленного плана и правил работы, которые устанавливаются в соответствии со спецификой задач и работы каждой организации.

Как работает ГИС?

ГИС хранит информацию о реальном мире в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе географического положения. Этот простой, но очень гибкий подход доказал свою ценность при решении разнообразных реальных задач: для отслеживания передвижения транспортных средств и материалов, детального отображения реальной обстановки и планируемых мероприятий, моделирования глобальной циркуляции атмосферы.

Любая географическая информация содержит сведения о пространственном положении, будь то привязка к географическим или другим координатам либо ссылки на адрес, почтовый индекс, избирательный округ или округ переписи населения, идентификатор земельного или лесного участка, название дороги или километровый столб на магистрали и т.п. При использовании подобных ссылок для автоматического определения местоположения или местоположений объекта (объектов) применяется процедура, называемая геокодированием. С ее помощью можно быстро определить и посмотреть на карте, где находится интересующий вас объект или явление (дом, в котором проживает ваш знакомый или находится нужная вам организация; место, где произошло землетрясение или наводнение; маршрут, по которому проще и быстрее добраться до нужного вам пункта или дома).

Векторная и растровая модели. ГИС может работать с двумя существенно различающимися типами данных - векторными и растровыми. В векторной модели информация о точках, линиях и полигонах кодируется и хранится в виде набора координат X,Y (в современных ГИС часто добавляется третья пространственная и четвертая, например, временная координата). Местоположение точки (точечного объекта), например буровой скважины, описывается парой координат (X,Y). Линейные объекты, такие как дороги, реки или трубопроводы, сохраняются как наборы координат X,Y. Полигональные объекты типа речных водосборов, земельных участков или областей обслуживания хранятся в виде замкнутого набора координат. Векторная модель особенно удобна для описания дискретных объектов и меньше подходит для описания непрерывно меняющихся свойств, таких как плотность населения или доступность объектов. Растровая модель оптимальна для работы с непрерывными свойствами. Растровое изображение представляет собой набор значений для отдельных элементарных составляющих (ячеек); оно подобно отсканированной карте или картинке. Обе модели имеют свои преимущества и недостатки. Современные ГИС могут работать как с векторными, так и с растровыми моделями данных.

Задачи, которые решают ГИС

ГИС общего назначения, в числе прочего, обычно выполняют пять процедур (задач) с данными: ввод, манипулирование, управление, запрос и анализ, визуализацию.

Ввод. Для использования в ГИС данные должны быть преобразованы в подходящий цифровой формат. Процесс преобразования данных с бумажных карт в компьютерные файлы называется оцифровкой. В современных ГИС этот процесс может быть автоматизирован с применением сканерной технологии, что особенно важно при выполнении крупных проектов. При сравнительно небольшом объеме работ данные можно вводить с помощью дигитайзера. Некоторые ГИС имеют встроенные векторизаторы, автоматизирующие процесс оцифровки растровых изображений. Многие данные уже переведены в форматы, напрямую воспринимаемые ГИС-пакетами.

Манипулирование. Часто для выполнения конкретного проекта имеющиеся данные нужно дополнительно видоизменить в соответствии с требованиями вашей системы. Например, географическая информация может быть представлена в разных масштабах (осевые линии улиц имеются в масштабе 1:100 000, границы округов переписи населения - в масштабе 1:50 000, а жилые объекты - в масштабе 1:10 000). Для совместной обработки и визуализации все данные удобнее представить в едином масштабе и одинаковой картографической проекции. ГИС-технология предоставляет разные способы манипулирования пространственными данными и выделения данных, нужных для конкретной задачи.

Управление. В небольших проектах географическая информация может храниться в виде обычных файлов. Но при увеличении объема информации и росте числа пользователей для хранения, структурирования и управления данными эффективнее применять системы управления базами данных (СУБД), специальные компьютерные средства для работы с интегрированными наборами данных (базами данных). В ГИС наиболее удобно использовать реляционную структуру, при которой данные хранятся в табличной форме. При этом для связывания таблиц применяются общие поля. Этот простой подход достаточно гибок и широко используется во многих ГИС- и «не ГИС»-приложениях.

Запрос и анализ. При наличии ГИС и географической информации вы сможете получать ответы как на простые вопросы (кто владелец данного земельного участка? на каком расстоянии друг от друга расположены эти объекты? где расположена данная промзона?), так и на более сложные, требующие дополнительного анализа (где есть место для строительства нового дома? каков основный тип почв под еловыми лесами? как повлияет на движение транспорта строительство новой дороги?). Вопросы можно задавать простым щелчком мыши на определенном объекте, а также посредством развитых аналитических средств. С помощью ГИС можно выявлять и задавать шаблоны для поиска, проигрывать сценарии по типу «что будет, если…». Современные ГИС имеют множество мощных инструментов для анализа. Среди них наиболее значимы два: анализ близости и анализ наложения. Для проведения анализа близости объектов относительно друг друга в ГИС применяется процесс, называемый буферизацией. Он помогает ответить на вопросы следующих типов: сколько домов находится в пределах 100 м от этого водоема? сколько покупателей живет на расстоянии не более 1 км от данного магазина? какова доля добытой нефти из скважин, находящихся в пределах 10 км от здания управления данного НГДУ? Процесс наложения включает интеграцию данных, расположенных в разных тематических слоях. В простейшем случае это операция отображения, но при ряде аналитических операций данные из разных слоев объединяются физически. Наложение, или пространственное объединение, позволяет, например, интегрировать данные о почвах, уклоне, растительности и землевладении со ставками земельного налога.

Визуализация. Для многих типов пространственных операций конечным результатом является представление данных в виде карты или графика. Карта - это очень эффективный и информативный способ хранения, представления и передачи географической (имеющей пространственную привязку) информации. Раньше карты создавались на столетия. ГИС предоставляет новые удивительные инструменты, расширяющие и развивающие искусство и научные основы картографии. С ее помощью визуализация самих карт может быть легко дополнена отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками, таблицами, диаграммами, фотографиями и другими средствами, например мультимедийными.

Связанные технологии

ГИС тесно связана с рядом других типов информационных систем. Ее основное отличие заключается в способности манипулировать и проводить анализ пространственных данных. Хотя единой общепринятой классификации информационных систем не существует, приведенное ниже описание должно помочь дистанцировать ГИС от настольных картографических систем (desktop mapping), систем САПР (CAD), дистанционного зондирования (remote sensing), систем управления базами данных (СУБД или DBMS) и технологии глобального позиционирования (GPS).

Системы настольного картографирования используют картографическое представление для организации взаимодействия пользователя с данными. В таких системах все основано на картах, карта является базой данных. Большинство систем настольного картографирования имеет ограниченные возможности управления данными, пространственного анализа и настройки. Соответствующие пакеты работают на настольных компьютерах - PC, Macintosh и младших моделях рабочих станций UNIX.

Системы САПР способны создавать чертежи проектов, планы зданий и инфраструктуры. Для объединения в единую структуру они используют набор компонентов с фиксированными параметрами. Они основываются на небольшом числе правил объединения компонентов и имеют весьма ограниченные аналитические функции. Некоторые системы САПР расширены до поддержки картографического представления данных, но, как правило, имеющиеся в них утилиты не позволяют эффективно управлять большими базами пространственных данных и анализировать их.

Дистанционное зондирование и GPS. Методы дистанционного зондирования - это и искусство, и научное направление для проведения измерений земной поверхности с использованием сенсоров, таких как различные камеры на борту летательных аппаратов, приемники системы глобального позиционирования и другие устройства. Эти датчики собирают данные в виде наборов координат или изображений (в настоящее время преимущественно цифровых) и обеспечивают специализированные возможности обработки, анализа и визуализации полученных данных. Ввиду отсутствия достаточно мощных средств управления данными и их анализа, соответствующие системы в чистом виде, то есть без дополнительных функций, вряд ли можно отнести к настоящим ГИС.

Системы управления базами данных предназначены для хранения и управления всеми типами данных, включая географические (пространственные) данные. СУБД оптимизированы для подобных задач, поэтому во многие ГИС встроена поддержка СУБД. Эти системы в массе своей не имеют сходных с ГИС инструментов для анализа и визуализации.

Что ГИС могут сделать для вас?

Пожалуй, главным «козырем« ГИС является наиболее естественное (для человека) представление как собственно пространственной информации, так и любой другой информации, имеющей отношение к объектам, расположенным в пространстве (так называемой атрибутивной информации). Способы представления атрибутивной информации различны: это может быть числовое значение с датчика, таблица из базы данных (как локальной, так и удаленной) о характеристиках объекта, его фотография или реальное видеоизображение. Таким образом, ГИС могут помочь везде, где используется пространственная информация и/или информация об объектах, находящихся в определенных местах пространства. С точки зрения областей своего применения и экономического эффекта, ГИС могут следующее:

  1. Делать пространственные запросы и проводить анализ. Способность ГИС проводить поиск в базах данных и осуществлять пространственные запросы позволила многим компаниям заработать миллионы долларов. ГИС помогают сократить время получения ответов на запросы клиентов; выявлять территории, подходящие для требуемых мероприятий; выявлять взаимосвязи между различными параметрами (например, почвами, климатом и урожайностью сельскохозяйственных культур); выявлять места разрывов электросетей. Риэлтеры используют ГИС для поиска, к примеру, всех домов на определенной территории, имеющих шиферные крыши, три комнаты и 10-метровые кухни, а затем для выдачи более подробного описания этих строений. Запрос может быть уточнен введением дополнительных параметров, например стоимостных. Можно получить список всех домов, находящихся на заданном расстоянии от определенной магистрали, лесопаркового массива или места работы.
  2. Улучшить интеграцию внутри организации. Многие организации, применяющие ГИС, обнаружили, что одно из основных их преимуществ заключается в новых возможностях улучшения управления собственной организацией и ее ресурсами на основе географического объединения имеющихся данных, в возможности их совместного использования и согласованной модификации разными подразделениями. Возможность коллективного использования и постоянно наращиваемая и исправляемая разными структурными подразделениями база данных позволяют повысить эффективность работы как каждого подразделения, так и организации в целом. Так, компания, занимающаяся инженерными коммуникациями, может четко спланировать ремонтные или профилактические работы, начиная с получения полной информации и отображения на экране компьютера (или на бумажных копиях) соответствующих участков, например водопровода, и заканчивая автоматическим выявлением жителей, на которых эти работы повлияют, и уведомлением их о сроках предполагаемого отключения отопления или перебоев с водоснабжением.
  3. Помогать принятию более обоснованных решений. ГИС, как и другие информационные технологии, подтверждают известную поговорку о том, что лучшая информированность помогает принять лучшее решение. Но ГИС - это не инструмент для выдачи решений, а средство, помогающее ускорить и повысить эффективность процедуры их принятия. Оно обеспечивает ответы на запросы и функции анализа пространственных данных, представление результатов анализа в наглядном и удобном для восприятия виде. ГИС помогают, например, в решении таких задач, как предоставление разнообразной информации по запросам органов планирования, разрешение территориальных конфликтов, выбор оптимальных (с разных точек зрения и по разным критериям) мест для размещения объектов и т.д. Требуемая для принятия решений информация может быть представлена в лаконичной картографической форме с дополнительными текстовыми пояснениями, графиками и диаграммами. Наличие доступной для восприятия и обобщения информации позволяет ответственным работникам сосредоточить свои усилия на поиске решения, не тратя значительного времени на сбор и осмысление доступных разнородных данных. Можно достаточно быстро рассмотреть несколько вариантов решения и выбрать из них наиболее эффективный и экономически целесообразный.
  4. Создавать карты. Картам в ГИС отведено особое место. Процесс создания карт в ГИС более прост и гибок, чем в традиционных методах ручного или автоматического картографирования. Он начинается с создания базы данных. В качестве источника получения исходных данных можно пользоваться и оцифровкой обычных бумажных карт. Основанные на ГИС картографические базы данных могут быть непрерывными (без деления на отдельные листы и регионы) и не связанными с конкретным масштабом или картографической проекцией. На основе таких баз данных можно создавать карты (в электронном виде или как твердые копии) любой территории, любого масштаба, с нужной нагрузкой, с ее выделением и отображением требуемыми символами. В любое время база данных может пополняться новыми данными (например, из других баз данных), а имеющиеся в ней данные можно корректировать и тут же отображать на экране по мере необходимости. В крупных организациях созданная топографическая база данных может использоваться в качестве основы другими отделами и подразделениями; при этом возможны быстрое копирование данных и их пересылка по локальным и глобальным сетям.

«САПР и графика» 5"2000

Геоинформационные системы и технологии

Геоинформационная система (ГИС) - это многофункциональная информационная система, предназначенная для сбора, обработки, моделирования и анализа пространственных данных, их отображения и использования при решении расчетных задач, подготовке и принятии решений. Основное назначение ГИС заключается в формировании знаний о Земле, отдельных территориях, местности, а также своевременном доведении необходимых и достаточных пространственных данных до пользователей с целью достижения наибольшей эффективности их работы.

Геоинформационные технологии (ГИТ) - это информационные технологии обработки географически организованной информации.
Основной особенностью ГИС, определяющей ее преимущества в сравнении с другими АИС, является наличие геоинформационной основы, т.е. цифровых карт (ЦК), дающих необходимую информацию о земной поверхности. При этом ЦК должны обеспечивать:
точную привязку, систематизацию, отбор и интеграцию всей поступаю¬щей и хранимой информации (единое адресное пространство);
комплексность и наглядность информации для принятия решений;
возможность динамического моделирования процессов и явлений;
возможность автоматизированного решения задач, связанных с анализом особенностей территории;
возможность оперативного анализа ситуации в экстренных случаях.
История развития ГИТ восходит к работам Р. Томлисона по созданию Канадской ГИС (CGIS), проводившимся в 1963-1971 гг.
В широком смысле ГИТ - это наборы данных и аналитические средства для работы с координатно привязанной информацией. ГИТ - это не информационные технологии в географии, а информационные технологии обработки географически организованной информации.
Существо ГИТ проявляется в ее способности связывать с картографическими (графическими) объектами некоторую описательную (атрибутивную) информацию (в первую очередь алфавитно-цифровую и иную графическую, звуковую и видеоинформацию). Как правило, алфавитно-цифровая информация организуется в виде таблиц реляционной БД. В простейшем случае каждому графическому объекту (а обычно выделяют точечные, линейные и площадные объекты) ставится в соответствие строка таблицы - запись в БД. Использование такой связи, собственно, и открывает столь богатые функциональные возможности перед ГИТ. Эти возможности, естественно, различаются у разных систем, но есть базовый набор функций, обычно имеющийся в любой реализации ГИТ, например, возможность ответа на вопросы "что это?" указанием объекта на кар¬те и "где это находится?" выделением на карте объектов, отобранных по некоторому условию в БД. К базовым можно также отнести ответ на вопрос "что рядом?" и его различные модификации. Исторически первое и наиболее универсальное использование ГИТ - это информационно-поисковые, справочные системы.
Таким образом, ГИТ можно рассматривать как некое расширение технологии БД для координатно привязанной информации. Но даже в этом смысле она представляет собой новый способ интеграции и структурирования информации. Это обусловлено тем, что в реальном мире большая часть информации относится к объектам, для которых важную роль играет их пространственное положение, форма и взаиморасположение, а следовательно, ГИТ во многих приложениях значительно расширяют возможности обычных СУБД, так как ГИТ более удобны и наглядны в использовании и предоставляют ДЛ свой "картографический интерфейс" для организации запроса к базе данных вместе со средствами генерации "графического" отчета. И, наконец, ГИТ добавляет обычным СУБД совершенно новую функциональность - использование пространственных взаимоотношений между объектами.
ГИТ позволяет выполнять над множествами картографических объектов операции, подобные обычным реляционным (JOIN, UNION, INTERSECTION). Операции этой группы называются оверлейными, так как используют в разных вариантах пространственное наложение одного множества объектов на другое. Фактически оверлейные операции обладают большим аналитическим потенциалом, и для многих сфер применения ГИТ являются основными, обеспечивая решение прикладных задач (землепользования, комплексной оценки территорий и другие).
ГИТ предлагает совершенно новый путь развития картографии. Прежде всего, преодолеваются основные недостатки обычных карт: статичность данных и ограниченность емкости "бумаги" как носителя информации. В последние десятилетия не только сложные специализированные карты типа экологических, но и ряд обычных бумажных карт из-за перегруженности информацией становятся "нечитаемыми". ГИТ решает эту проблему путем управления визуализацией информации. Появляется возможность выводить на экран или на твердую копию только те объекты или их множества, которые необходимы пользователю в данный момент. То есть фактически осуществляется переход от сложных комплексных карт к серии взаимоувязанных частных карт. При этом обеспечивается лучшая структурированность информации, что позволяет ее эффективно использовать (манипулирование, анализ данных и т.п.). Очевидно, что наблюдается тенденция возрастания роли ГИТ в процессе активизации информационных ресурсов, т.к. огромные массивы картографической информации эффективно переводимы в активную машиночитаемую форму только с помощью ГИТ. Кроме того, в ГИТ карта становится действительно динамическим объектом.


Последнее обусловлено следующими новыми возможностями ГИТ:
изменяемостью масштаба;
преобразованием картографических проекций:
варьированием объектным составом карты;
"опросом" через карту в режиме реального времени многочисленных БД, содержащих изменяемую информацию;
варьированием символогией, то есть способом отображения объектов (цвет, тип линии и т.п.), в том числе определение символогии через значения атрибутивных признаков объектов, что позволяет синхронизировать визуализацию с изменениями в БД.
В настоящее время широко распространено понимание того, что ГИТ - это не класс или тип программных систем, а базовая технология {umbrella technology) для многих компьютерных приложений (методов и программ), работающих с пространственной информацией.
Поскольку ЦКМ являются наборами данных сложной структуры, то их целесообразно представлять в различных форматах. Под форматом ЦКМ понимается специально введенная система классификации и кодирования данных о местности. От принятого формата ЦКМ во многом зависит оперативность решения функциональных задач (ФЗ) в системах управления военного назначения. Так, например, в случае представления рельефа местности горизонталями вычисление профиля местности занимает в тысячи раз больше времени, чем при представлении рельефа в форме матрицы высот.
Одним из важнейших и наиболее часто встречающихся типов информационной потребности в геоинформации является построение изображения участка карты на экране АРМ {визуализация карты). Но средства отображения ЦКМ на экране АРМ, наряду с приведенными выше требованиями к средствам доступа, должны отвечать еще ряду специфических требований, обусловленных необходимостью восприятия информации человеком. По существу - это следующие эргономические требования, которые целесообразно рассматривать в комплексе с другими:
по "читабельности" обстановки (т.е. обладать достаточно высокими характеристиками скорости и достоверности восприятия человеком информации оперативной обстановки на фоне карты);
по "читабельности" карты, (т.е. обладать достаточно высокими характеристиками скорости и достоверности восприятия человеком собственно картографической информации);
по "комфортности" восприятия, (т.е. форма отображения данных не должна вызывать чрезмерных напряжения человека при восприятии ин¬формации и раздражения его органов чувств в целях обеспечения требуемой продолжительности сохранения его работоспособности).
ФЗ требует для своего решения различные данные о местности. По мнению авторов, все множество этих задач по характеру использования ЦКМ можно разделить на четыре основных класса:
задачи, требующие выдачу изображения карты на устройства ввода- вывода средств автоматизации и использующие ее в качестве фона для вывода оперативной обстановки (ОКФ);
задачи, использующие информацию о характере и профилях местности (ОХПМ);
задачи, использующие информацию о дорожной сети (РДС);
задачи, использующие информацию о местоположении объекта в пределах территории государства, зоны ответственности или нейтральной территории (ОМП).
Задачами ОКФ являются все задачи, отображающие оперативную обстановку на местности в процессе диалога с пользователем. Данные задачи могут отображать "поверх карты" информацию о группировках своих войск и войск противника, зонах радиоактивного, химического, биологического заражения, сплошных разрушений, пожаров, затоплений, о направлениях и рубежах действий, районах сосредоточения и др. Общая для задач ОКФ особенность использования ЦКМ заключается в необходимости быстрого вывода изображения карты на экран АРМ в различных масштабах.
К задачам ОХПМ относятся задачи выбора места развертывания радиорелейных станций (РРС), тропосферных станций (ТРС), радиолокационных станций (PJIC), средств радиотехнической разведки, радиоэлектронной борьбы и т.д. Задачи оценки защитных свойств местности в районах развертывания пунк¬тов управления (ПУ) и узлов связи (УС), планирования огневого воздействия и т.п. также относятся к классу ОХПМ. Особенностью задач ОХПМ является необходимость определения с высокой скоростью характеристик местности в окрестностях точки с произвольными координатами.
К задачам РДС относятся, в частности, задачи определения маршрута и планирования порядка перемещения воинских формирований, оптимального пла-нирования перевозок средств снабжения или почты и некоторые другие. Данные задачи используют данные ЦКМ о дорожной сети, которые должны быть представлены в специальной форме - в виде графа, в котором все пересекающиеся дороги имеют общую вершину в перекрестках.
Задачи ОМП используют в ЦКМ данные о государственных (сухопутных и морских) и иных границах, заданные в специальной форме - в виде замкнутых контуров.
По типу информационных потребностей многие ФЗ можно отнести сразу к нескольким различным классам. В частности, задача определения оптимального района развертывания РРС может обладать свойствами классов ОХПМ и РДС, а в процессе решения для организации диалога с пользователем - свойствами класса ОКФ.

В связи с глубоким взаимопроникновением ГИС и других информационных технологий целесообразно рассмотреть взаимосвязь ГИТ с другими техноло­гиями.

Прежде всего, это графические технологии систем автоматизированного проектирования (САПР), векторных графических редакторов, и с другой сторо­ны - технологии реляционных СУБД. Большинство реализаций современных ГИТ в своей основе и представляет собой интеграцию этих двух типов инфор­мационных технологий. Следующий тип родственных информационных техно­логий - технологии обработки изображений растровых графических редакто­ров. Некоторые реализации ГИТ базируются на растровом представлении гра­фических данных. Поэтому очень многие современные ГИС общего назначения интегрируют возможности как векторного, так и растрового представления. В свою очередь, ряд технологий обработки изображений, предназначенных для работы с данными аэро- и космических съемок, очень близко примыкают к ГИТ, а иногда частично выполняют и их функции. Но обычно они к ГИТ ком­плементарны и имеют специальные средства для взаимодействия с ними (ERDAS LiveLink to ARC/INFO)

Близкородственны к ГИТ картографические (геодезические) технологии, применяющиеся при обработке данных полевых геодезических съемок и по­строении по ним карт (при построении карт по аэроснимкам с использованием фотограмметрических методик и при работах с цифровой моделью рельефа ме­стности). Здесь также наблюдается тенденция к интеграции, т.к. подавляющее число современных ГИС включают в себя средства координатной геометрии (COGO), которые позволяют непосредственно использовать данные полевых геодезических наблюдений, в том числе прямо с приборов с цифровой регист­рацией или с приемников спутниковой глобальной системы позиционирования (GPS). Фотограмметрические пакеты обычно ориентируются на совместную работу с ГИС и в ряде случаев включаются в ГИС как модули.

Сущность ГИТ проявляется в ее способности связывать с картографически­ми (графическими) объектами некоторую описательную (атрибутивную) ин­формацию (в первую очередь алфавитно-цифровую и иную графическую, зву­ковую и видеоинформацию). Как правило, алфавитно-цифровая информация организуется в виде таблиц реляционной БД. В простейшем случае каждому графическому объекту (точечному, линейному или площадному) ставится в со­ответствие строка таблицы - запись в БД. Использование такой связи и обеспе­чивает богатые функциональные возможности ГИТ. Эти возможности, естест­венно, различаются у разных систем, но есть базовый набор функций, обычно имеющийся в любой реализации ГИТ, например, возможность ответа на вопро­сы "что это?" указанием объекта на карте и "где это находится?" выделением на карте объектов, отобранных по некоторому условию в БД. К базовым можно также отнести ответ на вопрос "что рядом?" и его различные модификации. Ис­торически первое и наиболее универсальное использование ГИТ - это инфор­мационно-поисковые, справочные системы.

Таким образом, ГИТ можно рассматривать как некое расширение техноло­гии БД для координатно привязанной информации. Но даже в этом смысле она представляет собой новый способ интеграции и структурирования информации. Это обусловлено тем, что в реальном мире большая часть информации относит­ся к объектам, для которых важную роль играет их пространственное положе­ние, форма и взаиморасположение. Следовательно, ГИТ во многих приложени­ях значительно расширяют возможности обычных СУБД.

ГИТ, так же как и любая другая технология, ориентирована на решение оп­ределенного круга задач. Поскольку области применения ГИС достаточно ши­роки (военное дело, картография, география, градостроительство, организация транспортных диспетчерских служб, и т.д.), то ввиду специфики проблем, ре­шаемых в каждой из них, и особенностей, связанных с конкретным классом ре­шаемых задач и с требованиями, предъявляемыми к исходным и выходным данным, точности, техническим средствам и прочее, говорить о какой-то еди­ной ГИС-технологии достаточно проблематично.

Вместе с тем любая ГИТ включает в себя ряд операций, которые можно рас­сматривать как базовые. Они различаются в конкретных реализациях только де­талями, например, программным сервисом сканирования и постсканерной обра­ботки, возможностями геометрического преобразования исходного изображе­ния в зависимости от исходных требований и качества материала и т.д.

Поскольку приведенная модель является обобщенной, то естественно, что она либо не содержит отдельных блоков, свойственных какой-либо конкретной технологии, либо наоборот имеет в своем составе те блоки, которые в ряде слу­чаев могут отсутствовать.

По результатам анализа обобщенной модели ГИС-технологии можно выде­лить следующие базовые операции ГИТ:

  • редакционно-подготовительные работы, т. е. сбор, анализ и подготовка исходной информации (картографические данные, аэрофотоснимки, дан­ные дистанционного зондирования, результаты наземных наблюдений, статистическая информация и т.д.) для автоматизированной обработки;
  • проектирование геодезической и математической основ карт;
  • проектирование карт;
  • построение проекта цифровой тематической карты;
  • преобразование исходных данных в цифровую форму;
  • разработка макета тематического содержания карты;
  • определение методов автоматизированного построения тематического содержания;
  • формирование цифровой общегеографической основы создаваемой кар­ты;
  • создание цифровой тематической карты в соответствии с разработанным проектом;
  • получение выходной картографической продукции.

Для ввода исходной информации используются растровые сканирующие устройства, дигитайзеры, полутоновые сканеры аэрофотонегативов. Получен­ные цифровые массивы данных поступают в комплекс технических средств об­работки растровых и векторных данных, построенный на базе рабочих станций и персональных профессиональных ЭВМ. На этой же инструментальной базе осуществляются все этапы проектирования, преобразования исходной инфор­мации и создания цифровой тематической карты.

Сформированная цифровая картографическая модель поступает в комплекс технических средств формирования выходной картографической продукции, включающей в себя плоттеры, принтеры, специализированные устройства вы­вода на фотоноситель и т.д.

Исходные и обработанные цифровые данные хранятся в подсистеме архив­ного хранения данных, базирующейся в настоящее время на стримерах или на оптических дисках.

Области применения ГИТ в настоящее время чрезвычайно многообразны.

Прежде всего, это различные кадастры, системы управления распределен­ным хозяйством и инфраструктурой. Здесь развиты специализированные при­ложения, например, для систем: электрических сетей энергетической компании, кабельной сети телефонной или телевизионной компании, сложного трубопро­водного хозяйства большого химического завода, земельного кадастра, опери­рующие недвижимостью, а также такие приложения, как комплексные системы, обслуживающие многие составляющие инфраструктуры города или территории

и способные решать сложные задачи управления и планирования. Конкретные цели и задачи в таких системах очень разнообразны: от задач инвентаризации и учета, справочных систем общего пользования до налогообложения, градо- строительно-планировочных задач, планирования новых транспортных мар­шрутов и оптимизации перевозок, распределения сети ресурсов и услуг (скла­дов, магазинов, станций скорой помощи, пунктов проката автомобилей).

Еще одной развитой областью применения ГИТ является учет, изучение и использование природных ресурсов, включая сюда и охрану окружающей сре­ды. Здесь также встречаются как комплексные системы, так и специализиро­ванные: для лесного хозяйства, водного хозяйства, изучения и охраны дикой фауны и флоры и т.д. К этой области применения непосредственно примыкает использование ГИТ в геологии, как в научных, так и в практических ее задачах. Это не только задачи информационного обеспечения, но и, например, задача прогнозирования месторождений полезных ископаемых, контроль экологиче­ских последствий разработок и т.п. В геологических применениях, как и в эко­логических, велика роль приложений, требующих сложного программирования или комплексирования ГИТ со специфическими системами обработки и моде­лирования. Особенно в этом плане выделяются приложения в области нефти и газа. Здесь на стадии поисков и разведки широко используются данные сейсмо­разведки и весьма специфическое и развитое ПО по их обработке и анализу. Ве­лика потребность в комплексных решениях, увязывающих собственно геологи­ческие и иные проблемы, что невозможно решить без привлечения универсаль­ных ГИС.

Отдельно следует выделить сугубо транспортные задачи. Среди них: плани­рование новых маршрутов транспорта и оптимизация процесса перевозок с воз­можностью учета распределения ресурсов и меняющейся транспортной обста­новки (ремонты, пробки, таможенные барьеры). Особенно перспективными в стратегическом плане предполагаются навигационные системы, особенно бази­рующиеся на спутниковых системах навигации с использованием цифровой картографии.

Характерной чертой внедрения ГИТ в настоящее время является интеграция систем и баз данных в национальные, международные и глобальные информа­ционные структуры. К глобальным проектам относится, например, GDPP - "Проект глобальной базы данных", разрабатываемый в рамках Международной геосферно-биосферной программы. На национальном уровне существуют ГИС в США, Канаде, Франции, Швеции, Финляндии и других странах. В России в настоящее время разрабатываются региональные ГИС, в частности, для ведения земельного кадастра и муниципального управления, а также ведомственные ГИС, например, в Министерстве внутренних дел.

Анализ существующего на сегодняшний день опыта применения ГИТ пока­зывает, что основной формой применения ГИТ является различные по целям, сложности, составу и возможностям ГИС.

Современные ГИС представляют собой новый тип интегрированных систем, которые, с одной стороны, включают методы обработки данных существующих автоматизированных систем, а с другой - обладают спецификой в организации и обработке данных

Так как в ГИС осуществляется комплексная обработка информации (от ее сбора до хранения, обновления и предоставления), их можно рассматривать со следующих различных точек зрения:

  • ГИС как система управления - предназначена для обеспечения поддерж­ки принятия решений на основе использования картографических дан­ных;
  • ГИС как автоматизированная информационная система - объединяет ряд технологий известных информационных систем (САПР и других);
  • ГИС как геосистема - включает технологии фотометрии, картографии;
  • ГИС как система, использующая БД, - характеризуется широким набо­ром данных, собираемых с помощью разных методов и технологий;
  • ГИС как система моделирования, система предоставления информации - является развитием систем документального оборота, систем мультиме­диа и т.д.

ГИС с развитыми аналитическими возможностями близки к системам стати­стического анализа и обработки данных, причем в ряде случаев они интегриро­ваны в единые системы, например:

имплантация в современную ГИС ARC/INFO мощного статистического пакета S-PLUS;

добавление некоторых возможностей пространственной статистики и картографической визуализации в массовые статистические пакеты (SYSTATfor Windows);

развитие собственной ГИС в рамках пакета SAS - лидера среди систем обработки числовой информации.

Наиболее развитые ГИС (обычно с сильной поддержкой и растровой моде­ли), имеющие хорошие средства программирования, широко используются для моделирования природных и техногенных процессов, в том числе распростра­нения загрязнений, лесных пожаров и др. Некоторые обычные СУБД, рабо­тающие в графических средах типа MS Windows, также включают в себя про­стейшие средства картографической визуализации.

Наличие широкого спектра тенденций развития в разных областях информа­ционных технологий, интересы которых сходятся в области ГИТ, а также появ­ление универсальных пакетов широкого применения привело к тому, что гра­ницы определения ГИТ становятся менее четкими. Поэтому в настоящее время сложилось понятие полнофункциональная ГИС (full GIS).

Современная полнофункциональная ГИС - это многофункциональная ин­формационная система, предназначенная для сбора, обработки, моделирования и анализа пространственных данных, их отображения и использования при ре­шении расчетных задач, подготовке и принятии решений. Основное назначение полнофункциональной ГИС заключается в формировании знаний о Земле, от­дельных территориях, местности, а также своевременном доведении необходимых и достаточных пространственных данных до пользователей с целью дос­тижения наибольшей эффективности их работы.

Полнофункциональная ГИС должна обеспечивать:

  • двустороннюю связь между картографическими объектами и записями табличной базы данных;
  • управление визуализацией объектов, обеспечивающее выбор состава и формы отображения;
  • работу с точечными, линейными и площадными объектами;
  • ввод карт с дигитайзера или сканера и их редактирование;
  • поддержку топологических взаимоотношений между объектами и про­верку с их помощью геометрической корректности карты, в т.ч. замкну­тости площадных объектов, связности, прилегания и др.;
  • поддержку различных картографических проекций;
  • геометрические измерения на карте длины, периметра, площади и др.;построение буферных зон вокруг объектов и реализацию других овер­лейных операций;
  • создание собственных обозначений, в том числе новых типов маркерных знаков, типов линий, типов штриховок и др.;создание дополнительных элементов оформления карты, в частности подписей, рамок, легенд;
  • вывод высококачественных твердых копий карт;решение транспортных и других задач на графах, например, определение кратчайшего пути и т.п.;
  • работу с топографической поверхностью.

Помимо полнофункциональных ГИС общего назначения, выделяют специа­лизированные, которые часто имеют нечеткие границы со специализированны­ми пакетами, не являющимися в этом смысле ГИС. Например, ГИС, ориентиро­ванные на задачи планирования связи, транспортные и навигационные задачи, задачи инженерных изысканий и проектирования сооружений.

Неспециализированные ГИС более низкого уровня, чем полнофункциональ­ные системы общего назначения, обычно называют "персональными системами картографической визуализации" {desktop mapping systems, desktop GIS), иногда даже отделяя этот класс систем от собственно ГИС. Отличительной их чертой являются, прежде всего, ограниченные аналитические возможности (например, отсутствуют оверлейные операции для площадных объектов) и слабые возмож­ности ввода и редактирования картографической основы. Типичным примером такой системы является ГИС Maplnfo, в которой за счет своей меньшей сложно­сти более проста в обучении и использовании и более доступна массовому пользователю.

К настоящему времени число ГИС-пакетов, предлагаемых на рынке, исчис­ляется несколькими тысячами. Однако в большинстве это специализированные системы. Реальных полнофункциональных ГИС-пакетов общего назначения на рынке несколько десятков. В основном программное обеспечение для ГИС раз­рабатывают специализированные фирмы, только в некоторых случаях это про­дукты крупных фирм, для которых ГИС - не основной продукт (IBM, Intergraph, Computervision, Westinghouse Electric Corp., McDonnel Douglas, Siemens Nixdorf). По числу известных пакетов и по числу инсталляций преобладают ПК (MS DOS, MS Windows) и UNIX- рабочие станции.

Следует отметить, что в настоящее время полнофункциональные ГИС обще­го назначения в основном ориентированы на рабочие станции с операционной системой UNIX. На ПК, как правило, функционируют системы с редуцирован­ными возможностями. Отчасти это определяется спецификой пользователей ПК, для многих из которых простая ГИС нужна только как дополнение к обыч­ному офисному ПО. Но главная причина - в требованиях, которые мощная ГИС предъявляет к аппаратным средствам компьютера.

Топологические векторные структуры данных по своей природе сложны, а процессы их использования требуют интенсивных расчетов, существенно боль­ших, чем работа с обычной векторной графикой, в том числе и в части операций с плавающей точкой. Серьезные приложения часто требуют работы с длинными целыми и действительными числами двойной точности. Для работы с ГИС ну­жны дисплеи высокого разрешения и быстрый графический адаптер или акселе­ратор, причем требования к палитре жестче, чем в САПР. Они скорее аналогич­ны требованиям к издательским системам профессиональной полиграфии. Осо­бенно высокие требования к скорости отрисовки предъявляет типичная для ГИС (и менее типичная для САПР) задача заливки штриховками большого чис­ла замкнутых многоугольников (полигонов) сложной формы.

Серьезные проекты с использованием ГИС требуют работы с большими объемами данных, от сотен мегабайт до нескольких десятков гигабайт. Особен­но высокие требования к объемам дисковой и основной памяти, а также к быст­родействию компьютера, предъявляют ГИС с обработкой изображения в виде растровых структур, например, в задачах геометрической коррекции аэросним­ков, моделирования природных процессов и при работе с рельефом земной по­верхности. Один цветной аэроснимок высокого разрешения стандартного фор­мата, если перевести его в цифровую форму без потери "точности" (24 bit, 1200 dpi) занимает около 200 Мб. Во многих задачах регионального характера требу­ется использовать совмещенную и геометрически откорректированную мозаику из мйогих таких снимков, тем более, что признано целесообразным использо­вать растровую подложку из такой мозаики аэро- или космических снимков (digital orthophoto) в качестве базового слоя для векторных карт, т.е. фотосним­ки "впечатываются" в изображение карты. То же замечание справедливо и для работы с аэрокосмическими снимками, которые, как правило, должны обраба­тываться различными способами, чтобы избирательно выделить на них различ­ную информацию (операции различного рода фильтрации, преобразования кон­траста, операции с использованием быстрого преобразования Фурье, классифи­кационные алгоритмы, дискриминантный, кластерный и факторный анализ, а также метод главных компонент). Поэтому вместо того, чтобы хранить десятки версий обработки, что потребовало бы до сотен Гбайт на 1 кадр, рациональнее

выполнять их по требованию. Современные специализированные рабочие стан­ции справляются с такой задачей, для ПК же она еще трудна. Иногда операция с одним кадром на ПК длится несколько минут. Когда необходимо моделировать сложные природные процессы, в частности распространение загрязнения, лес­ных пожаров, либо применять данные аэрокосмических съемок, использование специализированной рабочей станции неизбежно.

Следует отметить, что скорость накопления объемов аэрокосмических (осо­бенно космических) данных пока идет в том же темпе или даже опережает тем­пы роста вычислительных мощностей ПК и рабочих станций. Действительно, ежемесячно над каждым участком Земли размером с большой город собирается не менее 800-1000 Мбайт спутниковых изображений. И если даже учесть, что половина их по условиям облачности непригодна для использования в ГИТ- приложениях, все равно это составляет огромный поток. И еще одно замечание: разрешение систем сбора дистанционной информации постоянно растет, а уве­личение геометрического разрешения на местности с 20 до 10 м увеличивает объем данных в 4 раза. Так что каждые 2-4 года компьютерная система должна в несколько раз увеличивать свою производительность, чтобы не отстать от темпов развития устройств сбора информации. Отсюда ясно, что еще длитель­ное время технической основой мощных полнофункциональных ГИС с анали­тическими функциями будут оставаться специализированные рабочие станции.

Еще одним моментом, который обуславливает необходимость обращения существенного внимания к рабочим WVZY-станциям является тот факт, что се­годня основные пакеты наиболее "серьезных" ГИС еще не переведены на ПК.

Основными направлениями использования ПК при работе с ГИС в настоя­щее время являются:

  • использование ПК в качестве терминалов совместно с рабочими стан­циями для работы с большими ГИС (ARC/INFO);
  • использование ПК в качестве станций ввода и модификации цифровых карт местности с дигитайзера или сканера (PC ARC!INFO, ArcCAD);
  • использование ПК для ГИТ-проектов с небольшим объемом единовре­менно активной информации (PC ARC/INFO, ArcCAD, ArcView);
  • использование ПК в учебных целях, для знакомства с методологией ГИТ;
  • использование ПК на начальных стадиях больших проектов, когда объем базы данных еще не вырос, не требуется полная функциональность на больших объемах и требуется еще доказывать полезность использования ГИТ и необходимость вложения серьезных средств.

Так как современные ГИС представляют собой, как правило, сложные про­граммно-информационные комплексы, разработанные специально для приме­нения в конкретных областях информационной деятельности или для решения специализированных задач, то в их состав входят:

  • операционная система;
  • ядро прикладного программного обеспечения;
  • модули тематической обработки данных;
  • интерактивный интерфейс пользователя.

К модулям тематической обработки данных относятся:

  • программное обеспечение ввода-вывода данных;
  • прикладное программное обеспечение анализа векторной и растровой информации;
  • СУБД;
  • программное обеспечение распознавания образов;
  • программное обеспечение выбора картографической проекции;
  • программное обеспечение для преобразования изображений;
  • программное обеспечение картографической генерализации;
  • программное обеспечение генерации условных знаков и т.д..
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Вам также может быть интересно
Текущие плагины и программы для Mozilla Firefox ® и др Как удалить плагин в мозиле фаерфокс
Ноутбуки
13.1. ПОНЯТИЯ О ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ В конце XX в. благодаря активной автоматизации и компьютеризации картография стала держательницей и распорядительницей огромных массивов информации о...
Символы для Вконтакте, самый большой архив!
Мобильные
13.1. ПОНЯТИЯ О ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ В конце XX в. благодаря активной автоматизации и компьютеризации картография стала держательницей и распорядительницей огромных массивов информации о...
ArCon – архитектурное проектирование
Мобильные
13.1. ПОНЯТИЯ О ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ В конце XX в. благодаря активной автоматизации и компьютеризации картография стала держательницей и распорядительницей огромных массивов информации о...
Дзз в применении навигационных систем
Компьютер
13.1. ПОНЯТИЯ О ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ В конце XX в. благодаря активной автоматизации и компьютеризации картография стала держательницей и распорядительницей огромных массивов информации о...
История создания Android История операционной системы андроид
Ноутбуки
13.1. ПОНЯТИЯ О ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ В конце XX в. благодаря активной автоматизации и компьютеризации картография стала держательницей и распорядительницей огромных массивов информации о...
Предварительный темброблок
Мобильные
13.1. ПОНЯТИЯ О ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ В конце XX в. благодаря активной автоматизации и компьютеризации картография стала держательницей и распорядительницей огромных массивов информации о...