Геоинформационная система

Введение

 

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА — это хранилище информации, снабженное процедурами ввода, поиска, размещения и выдачи информации. Наличие таких процедур — главная особенность информационных систем, отличающих их от простых скоплений информационных материалов.

Например, личная библиотека, в которой может ориентироваться  только ее владелец, информационной системой не является. В публичных же библиотеках  порядок размещения книг всегда строго определенный. Благодаря ему поиск и выдача книг, а также размещение новых поступлений представляют собой стандартные процедуры, близкие к алгоритмам.

Работа информационных систем заключается в обслуживании двух встречных потоков информации: ввода новой информации и выдачи текущей информации по запросам.

Поскольку главная задача информационной системы — обслуживание клиентов, система должна быть устроена так, чтобы ответ на любой запрос выдавался быстро и был достаточно полным. Эти требования обеспечиваются наличием стандартных процедур поиска информации и тем, что данные системы расположены в определенном порядке.

Сама идея информационных систем и некоторые принципы их организации возникли задолго до появления ЭВМ. Библиотеки, архивы, адресные бюро, телефонные справочники — все это информационные системы. Однако компьютеризация на несколько порядков повысила эффективность информационных систем и расширила сферы их применения.

Во-первых, резко возросли скорости всех видов обработки информации: поиска и размещения (внутри ЭВМ), выдачи (на экран или печать), передачи и ввода (по средствам электронной и космической связи в информационные системы любой точки земного шара). Для некоторых видов информационных систем именно скорости передачи и ввода играют решающую роль. Таковы, например, автоматизированные системы продажи авиационных и железнодорожных билетов или многотерминальные системы электронной торговли ценными бумагами, где только высокая скорость ввода информации может исключить продажу мест (или акций), которые минуту назад были проданы с другого терминала.

Во-вторых, во много раз увеличились возможности хранения больших объемов информации: как за счет того, что машинные носители информации (диски и ленты) в сотни и тысячи раз компактнее бумажных носителей (бумаг и книг), так и за счет того, что только при высоких скоростях ЭВМ можно проводить поиск в таких объемах за приемлемое время.

В-третьих, благодаря использованию электронной связи и сетей ЭВМ потеряло значение расстояние между информационной системой, источниками информации и ее клиентами. Достаточно иметь терминал, т. е. персональную ЭВМ или другое устройство, позволяющее запрашивать и получать нужную информацию и соединенное с системой каналами связи.

Обращение пользователя к системе за информацией называется запросом. В простейшем случае фиксируется небольшое число возможных запросов, на которые заранее готовы ответы.

Несколько более  сложный случай — запрос, в котором  зафиксирован набор признаков. Значения некоторых признаков указываются  пользователем (по ним надо искать), значения остальных признаков должна указать система. Здесь естественная форма запроса — бланк (на бумаге или на экране дисплея), графы которого — стандартные, но число вариантов заполнения может быть велико.

Программное обеспечение  первых информационных систем создавалось каждый раз "с нуля": для новой системы заново строились структура данных и программы обработки информации в ней, разрабатывался язык запросов, транслятор с него и т. д. В настоящее время существуют разнообразные средства программирования информационных систем — системы управления базами данных (СУБД), в состав которых входят средства организации структуры данных, языки запросов и выходных документов, программы ввода информации, удаления мусора и др. СУБД существенно ускоряют процесс разработки информационных систем.

Массовое распространение  ЭВМ, электронных средств связи и совершенствование СУБД ведут к постоянному расширению областей использования информационных систем. Справочные службы, библиотечные каталоги, различные картотеки — это традиционные сферы их применения. Автоматизированные информационные системы применяются также на производстве: в них вводится информация о ходе выполнения производственных заказов, о наличии инструмента, деталей, сырья на складах предприятия. В деловой сфере, где постоянно обновляются сведения о товарах и фирмах, биржевая и банковская информация, курсы валют и ценных бумаг, и в сфере обслуживания (системы продажи билетов, бронирования мест в гостиницах) они также необходимы.

Имея персональный компьютер и несложную СУБД, человек, не знающий программирования, может  создать собственную информационную систему. Это удобно для профессионалов, род деятельности которых требует обширных картотек и записных книжек: ученых, писателей, юристов, маклеров. Современные средства связи позволяют, не выходя из дома, подключить свой компьютер к соответствующим каналам связи и стать абонентом различных информационных систем.

Геоинформационная система (ГИС)

ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА - это информационная система, использующая географически координированные данные.

ГЕОПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ДАННЫЕ означают информацию, которая идентифицирует географическое местоположение и свойства естественных или искусственно созданных объектов, а также их границ на земле. Эта информация может быть получена с помощью (помимо иных путей),дистанционного зондирования, картографирования и различных видов съемок.

Географические  данные содержат четыре интегрированных  компонента:

• местоположение
• свойства и характеристики
• пространственные отношения
• время

А теперь постараемся  дать строгое определение геоинформационной  системы:

ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА  - это система аппаратно-программных средств и алгоритмических процедур, созданная для цифровой поддержки, пополнения, управления, манипулирования, анализа, математико-картографического моделирования и образного отображения географически координированных данных.

Отличие ГИС от иных информационных систем

ГИС:

• Обеспечивает взаимосвязь между любыми количественными и качественными характеристиками географических объектов и явлений, представленных в базе данных в виде точек, линий, площадей и равномерных сеток
• Содержит алгоритмы анализа пространственно координированных данных

и поэтому она: - ПРОСТРАНСТВЕННО ОРГАНИЗОВАННАЯ И  ПРОСТРАНСТВЕННО "МЫСЛЯЩАЯ".

ПОЧЕМУ о ГИС так  много говорят и считают их столь важными

ПОТОМУ, что ГИС:

• интегрирует пространственную и любые иные типы информации;
• предлагает единую концептуальную, методическую и технологическую основу для организации географически координированных данных;
• позволяет рассматривать данные, основанные на признаках географического взаиморасположения объектов (близости/удаленности) в реальном окружающем нас мире;
• предлагает новые, более близкие к аналоговым и потому легко воспринимаемые, способы манипулирования и отображения данных (посредством картографических образов).

Научные дисциплины, благодаря  которым стало возможным появление  и развитие ГИС.

Прежде всего, это  такие науки, как:

• Геодезия
• География
• Дистанционное зондирование Земли
• Информатика
• Картография
• Математика
• Статистика
• Теория управления
• Топография
• Фотограмметрия

Типовые вопросы, на которые  способна ответить ГИС:

• Где находится А?
• Как расположено А по отношению к В?
• Сколько А расположено в пределах расстояния D от В?
• Каково значение функции Z в точке X?
• Как велико по размерам В?
• Каков результат пересечения А и В?
• Каков оптимальный маршрут от Х до Y?
• Что находится в X1, X2,…, Xn?
• Какие объекты следуют за теми, у которых наблюдается определенное сочетание определенных свойств?
• Как изменится пространственное распределение объектов, если изменить существующую классификацию?
• Что может случиться с А, если изменится В и его расположение относительно А?

Основные области  приложения ГИС.

 Экология и природопользование  

• Земельный кадастр и землеустройство  
• Управление городским хозяйством  
• Региональное планирование  
• Демография и исследование трудовых ресурсов  
• Управление дорожным движением  
• Оперативное управление и планирование в чрезвычайных ситуациях  
• Социология и политология

ЧЕМ занимаются специалисты, работающие в области ГИС и  геоинформационных технологий

• Накоплением первичных  данных
• Проектированием баз данных
• Проектированием ГИС
• Планированием, управлением и администрированием геоинформационных проектов
• Разрабрткой и поддержкой ГИС
• Маркетингом и распространением ГИС-продукции и геоданных
• Профессиональным геоинформационным образование и обучением ГИС-технологиям

 

Классификация ГИС

 

Что касается классификации ГИС, то здесь наметилось несколько направлений.

 

Например, классификация  по их проблемной ориентации :

 

1.   Инженерные;

2.   Имущественные (ГИС для учета недвижимости), предназначенные для обработки кадастровых данных;

3.   ГИС для тематического и статистического картографирования, имеющие целью управление природными ресурсами, составление карт переписям и планирование окружающей среды;

4.   Библиографические, содержащие каталогизированную информацию о множестве географических документов;

5.   Географические файлы с данными о функциональных и административных границах;

6.   Системы обработки изображений  и др.

 

Однако быстрая изменчивость и  множественность вариантов решаемых проблем требует введения иных классификаций, учитывающих структуру и архитектуру ГИС.

 

Разработана и представлена 3 - х компонентная классификация ГИС по следующим признакам:

1) характеру проблемно - процессорной  модели;

2)  структуре модели баз данных;

3) особенностям модели интерфейса.

 

На верхнем уровне классификации  все информационные системы подразделены на:

1.     пространственные и

2.     непространственные.

 

ГИС, естественно, относятся к пространственным, делясь на:

1.     тематические ( например социально - экономические)

2.     земельные (кадастровые, лесные, инвентаризационные и др.).

 

Существует разделение по территориальному охвату:

1.     общенациональные ГИС

2.     региональные ГИС)

 

По целям:

1.     многоцелевые

2.     специализированные

3.     информационно - справочные

4.     инвентаризационные, для нужд планирования, управления)

 

По тематической ориентации:

1.     общегеографические

2.     отраслевые, в том числе водных ресурсов

3.     использования земель

4.     лесопользования

5.     туризма

6.     рекреации и др.

 

 

 

Концептуальная  схема организации данных в ГИС

 

 

Пространственная  выборка (уточнение территории)

 

Тематическая  выборка (проблемно-ориентированная)

 

 

История развития геоинформационных  систем

Пионерский 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.

 

Первый крупный успех ГИС - разработка и создание Географической Информационной Системы Канады.

 

Ее назначение состояло в анализе  многочисленных данных, накопленных  Канадской службой земельного учета, и в получении статистических данных о земле, которые бы использовались при разработке планов землеустройства огромных площадей преимущественно сельскохозяйственного назначения.

 

Создатели ГИС Канады внесли следующие  новшества:

Использование сканирования для автоматизации  процесса ввода геоданных

Расчленение картографической информации на тематические слои и разработка концептуального решения о "таблицах атрибутивных данных", что позволило  разделить файлы плановой (геометрической) геоинформации о местоположении объектов и файлы, содержащие тематическую (содержательную) информацию об этих объектах.

Функции и алгоритмы оверлейных операций с полигонами, подсчет площадей и других картометрических показателей 

 

Большое воздействие на развитие ГИС  оказала Гарвардская лаборатория  компьютерной графики и пространственного  анализа Массачусетского технологического института.

 

Программное обеспечение Гарвардской  лаборатории широко распространялось и помогло создать базу для  развития многих ГИС-приложений. В этой лаборатории были заложены основы картографической алгебры, создано семейство растровых  программных средств Map Analysis Package - MAP, PMAP, aMAP.

 

Наиболее известными программными продуктами Гарвардской лаборатории  являются:

SYMAP (система многоцелевого картографирования) 

CALFORM (программа вывода картографического  изображения на плоттер) 

SYMVU (просмотр перспективных (трехмерных) изображений) 

ODYSSEY (предшественник знаменитого ARC/INFO)

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

 

Развитие крупных геоинформационных  проектов поддерживаемых государством, формирование государственных институтов в области ГИС, снижение роли и  влияния отдельных исследователей и небольших групп.

 

В конце 60х годов в США сформировалось мнение о необходимости использования  ГИС-технологий для обработки и  представления данных Переписи Населения.

 

Потребовалась методика, обеспечивающая корректную географическую "привязку" данных переписи. Основной проблемой  стала необходимость конвертирования  адресов проживания населения, в  географические координаты так, чтобы  результаты переписи можно было бы оформлять в виде карт по территориальным  участкам и зонам Национальной переписи.

 

Был разработан специальный формат представления картографических данных, для которого были определены прямоугольные  координаты перекрестков, разбивающих  улицы всех населенных пунктов США  на отдельные сегменты.

 

Алгоритмы обработки и представления  картографических данных были заимствованы у разработчиков ГИС Канады и  Гарвардской лаборатории и оформлены  в виде программы POLYVRT, осуществляющей конвертирование адресов проживания в соответствующие координаты, описывающие  графические сегменты улиц.

 

Таким образом, в этой разработке ВПЕРВЫЕ  был широко использован ТОПОЛОГИЧЕСКИЙ подход к организации управления географической информацией, содержащий математический способ описания пространственных взаимосвязей между объектами 

 

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

 

В НАЧАЛЕ 1980-Х ГОДОВ БЫЛ РЕАЛИЗОВАН ЗНАМЕНИТЫЙ ARC/INFO

 

ARC/INFO был и остается наиболее  успешным воплощением идей о  раздельном внутреннем представлении  геометрической (графической) и атрибутивной  информации.

 

Для хранения и работы с атрибутивной информацией в виде таблиц (INFO) был  успешно применен формат стандартной  реляционной системы управления базами данных, а для хранения и  работы с графическими объектами  в виде дуг (ARC) было разработано специальное  программное обеспечение.

 

ARC/INFO стал первым программным  пакетом ГИС, который эффективно  использовал пользовательские качества  персональных компьютеров, в то  же время он доступен для  разных технических платформ  и операционных сред.

 

В настоящее время является одним  самым популярным в мире пакетов.

 

Другим успешным коммерческим предприятием в области производства аппаратно-программных  средств для ГИС стал и и до сих пор является Intergraph,Corp.

 

Эта фирма была организована в 1969 году бывшим сотрудником IBM Джимом Мидлоком. Первые успехи были связаны с разработкой для ВПК США систем управления ракетами в реальном времени. В 1973 фирма впервые создала мощную удаленную рабочую станцию. И сейчас фирма является лидером по разработке и выпуску рабочих станций для ГИС, программного обеспечения.

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

 

Этот период характеризуется новым  отношением к пользователям.

 

Так разработчики геоинформационного программного продукта GRASS для рабочих  станций, созданного американскими  военными специалистами (Army Corps of Engineers) для задач планирования природопользования и землеустройства открыли его для бесплатного пользования, включая снятие авторских прав на исходные тексты программ. В результате, пользователи и программисты могут создавать собственные приложения, интегрируя GRASS с другими программными продуктами.

 

В 1994 году для неограниченного бесплатного  пользования был открыт ArcView 1 for Windows.

 

Насыщение рынка программных средств для ГИС, в особенности, предназначенных для персональных компьютеров резко увеличило область применения ГИС-технологий.

 

Это потребовало существенных наборов  цифровых геоданных, а также наличия специалистов по ГИС.

Структура геоинформационных систем

 

 

 

Геоинформационные системы  включают 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. Данные о пространственном положении (географические данные) и  связанные с ними табличные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем либо приобретаться  у поставщиков. В процессе управления пространственными данными географическая информационная система объединяет (а лучше сказать – совмещает) географическую информацию с данными  других типов. Например, с конкретным кусочком электронной карты могут  быть связаны уже накопленные  данные о населении, характере почв, близости опасных объектов и т. д. (в зависимости от задачи, которую  придется решать при помощи ГИС). Причем в сложных, распределенных системах сбора и обработки информации часто с объектом на карте связывают  не существующие данные, а их источник, что позволяет в реальном времени  отслеживать состояние этих объектов. Такой подход применяется, например, для борьбы с чрезвычайными ситуациями вроде лесных пожаров или эпидемий.

 

Исполнителями именуют людей, которые  работают с программными продуктами и разрабатывают планы их использования  при решении реальных задач. Может  показаться странным, что люди, работающие с программным обеспечением, рассматриваются  как составная часть ГИС, однако в этом есть свой смысл. Дело в том, что для эффективной работы географической информационной системы необходимо соблюдение методов, предусмотренных  разработчиками, поэтому без подготовленных исполнителей даже самая удачная  разработка может утратить всякий смысл.

 

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.

 

Методы. 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.

 

Структура ГИС, как правило, включает четыре обязательные подсистемы:

 

1) Ввода данных, обеспечивающую  ввод и/или обработку пространственных  данных, полученных с карт, материалов  дистанционного зондирования и  т.д.;

 

2) Хранения и поиска, позволяющую оперативно получать данные для соответствующего анализа, актуализировать и корректировать их;

 

3) Обработки и анализа, которая  дает возможность оценивать параметры,  решать расчетно-аналитические задачи;

 

4) Представления (выдачи) данных  в различном виде (карты, таблицы,  изображения, блок-диаграммы, цифровые  модели местности и т.д.)

 

Таким образом, создание карт в круге «обязанностей» ГИС занимает далеко не первое место, ведь чтобы получить твердую копию карты совершенно не нужна большая часть функций ГИС, или они применяются опосредованно. Тем не менее, как в мировой, так и в отечественной практике, ГИС широко используются именно для подготовки карт к изданию и, в меньшей степени, для аналитической обработки пространственных данных или управления потоками товаров и услуг.

Представление пространственных объектов в ГИС

Представление пространственных объектов реальной действительности

Пространственные данные состоят  из цифровых представлений реально  существующих дискретных пространственных объектов.

Свойства, показанные на карте, например, озера, здания, контуры, должны пониматься как дискретные объекты.

Содержание карты может быть зафиксировано в базе данных, путем  превращения свойств карты в  пространственные объекты.

Многие свойства, которые показаны на карте, на самом деле виртуальны. Например, контуры или границы  реально не существуют, но здания и  озера - реальные объекты.

Содержание базы пространственных данных включает:

Цифровые версии реально существующих объектов (например, зданий)

Цифровые версии искусственно выделенных свойств карты (например, контуры)

Искусственные объекты, созданные  специально для целей построения базы данных (например, пиксели).

Разновидность непрерывных свойств

Некоторые свойства пространственных объектов существуют повсеместно и  изменяются непрерывно над земной поверхностью (высота, температура, атмосферное давление) и не имеют реально представленных границ.

Непрерывная изменчивость может быть представлена в базе данных несколькими  способами:

посредством величин измерений  в некоторых характерных пунктах (точках), например, метеостанции и посты

посредством описаний трансектов (профилей – вертикальных разрезов участков земной поверхности)

посредством разделения площади на контуры, зоны, принимая при этом, что  некоторое значение свойства внутри контура (зоны) есть величина постоянная

посредством построения изолиний, например горизонталей для отображения рельефа

 

Каждый из этих способов создает  дискретные объекты, которые могут  быть зафиксированы в виде точек, линий, площадей.

Компоненты пространственных данных

Расположение: пространственные данные вообще часто называются данными  о размещении

Пространственные отношения: взаимосвязи  между пространственными объектами  описываются как пространственные отношения между ними (например, А содержит B; смежен с С, находится к северу от D)

Атрибуты: Атрибуты фиксируют тематические описания, определяя различные характеристики объектов

Время: временная изменчивость фиксируется  разными способами:

- интервалом времени, в течение  которого существует объект

- скоростью изменчивости объектов

- временем получения значений  свойств

Источники пространственных данных

 

Совокупности первичных данных (измерений и съемок) по выборкам:

произвольная выборка, каждое место  или время одинаково вероятно, чтобы быть выбранным

систематическая выборка проводится согласно правилу, например через каждый 1 км

упорядоченная выборка, когда известно, что генеральная совокупность содержит существенно различные подсовокупности

 

Совокупности вторичных данных, полученные из существующих карт, таблиц, или других баз данных.

Ввод данных в ГИС.

 

Ввод данных - процедура кодирования  данных в компьютерно-читаемую форму  и их запись в базу данных GIS.

 

Ввод данных включает три главных  шага:

Сбор данных

Их редактирование и очистка

Геокодирование данных