Метод геоинформационных систем в географической науке

МИНИСТЕРСТВО КУЛЬТУРЫ РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КУЛЬТУРЫ И ИСКУССТВ

Метод геоинформационных систем в географической науке.

Курсовая работа

г. Санкт-Петербург

2010 г.

Выступление.

Во все времена знания о пространственной ориентации физических объектов были очень важны для людей. Современное общество живет, работает и сотрудничает, опираясь на информацию о том, что и где находится.

Развитие метода геоинформационных систем стало определяющим в современной географии, важным направлением информационных технологий. Географические информационные системы, как правило, интерпретируются в двух смыслах: широком и узком. Геоинформационная систе­ма — 1. Информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработ­ку, доступ, визуализацию и распространение пространственных данных. — 2. Программное средство ГИС — программный продукт, в котором реализованы функциональ­ные возможности ГИС.

На сегодняшний день, геоинформационные технологии постепенно завоевывают международный рынок. Поэтому изучение механизмов подготовки, функционирования и применения геоинформационных систем становится актуальнее от года к году. Все это обусловило выбор темы курсовой работы, формулировку ее объекта, предмета и цели.

Объект и предмет работы. Объектом курсовой работы является метод геоинформационных систем в географической науке, а предметом исследования - обзор функциональных возможностей, сфер применения ГИС.

Цель курсовой работы: анализ элементов предметной области, а именно аналитический обзор литературы и документации с целью систематизации и обобщения сведений как о классических методах исследований в географии, так и современных, уделяя основное внимание методу ГИС, освещению его основных  блоков, функциональных возможностей, состояния, тенденциях и прогнозах развития.

Регламент обзора. Хронологические границы: в силу информационного «голода», соседствующего с информационным «взрывом», связанного с трудностями обмена и доступа к уже накопленному материалу, ведомственными и даже личными барьерами, препятствующими свободному доступу, ГИС-литература представлена периодом с 1980 по 2009 год. Однако литература, посвященная географии и ее методам, освещена шире и глубже и представлена за временной период в основном с 1993-2008 год.

Видовые границы: спектр использованных в обзоре видов литературных источников достаточно широк: использованы официальные материалы, монографии, статьи из периодических и непериодических изданий, учебники, словари, справочники, учебные пособия, стандарты, диссертации, материалы конференций, электронные издания, материалы сайтов.

Географические границы: информационный интерес для раскрытия темы работы представили исследования ГИС России, США, Германии, Великобритании, Франции, соответственно определены и языковые границы: в обзор включены переведенные документы  с английского, немецкого, украинского, белорусского и французского языков.

Структура работы. Курсовая работа состоит из 4х глав. Первая глава работы посвящена географии как науке, излагаются сведения об объекте, предмете географической науки, а также ее целях и задачах. Подразделы посвящены структуре географии, ее месте в системе наук,  подробно рассмотрены методы (классические и современные) географических исследований наряду с общими проблемами методики научного исследования.

Вторая глава вводит в сферу геоинформатики, определяется понятие географических информационных систем, приводится классификация ГИС по различным признакам. В следующем подразделе рассматривается геоинформатика как наука, технология и производственная деятельность, определяется ее предмет и метод, место в системе наук, направления взаимодействия с другими науками и технологиями, области применения.

В третьей главе изложены функциональные возможности важнейших технологических блоков ГИС. В первом подразделе рассмотрены модели пространственных объектов и работа в базах данных с ГИС. Во втором подразделе второй главы описаны операции, связанные с анализом пространственно-временных данных. Завершает этот подраздел материал по математико-картографическому моделированию. Следующий подраздел касается вывода и документирования результатов обработки данных средствами ГИС. Завершают главу анимации карт и виртуально-реальностных изображений.

В четвертой главе рассмотрены наиболее интересные и современные примеры использования ГИС, в том числе наряду с использованием статистики и математических алгоритмов.

Результатом аналитического обзора литературы по данной проблематике явилась  систематизация и обобщение сведений о методах исследований в географии, в частности, метода геоинформационных систем. В курсовой работе освещены основных  блоки ГИС, функциональные возможности, состояние на сегодняшний день, тенденции и прогнозы развития. Обзор дает представление об информационных системах, оперирующих геопространственными данными, иллюстрируется примерами, раскрывающими их суть и  возможности.

Анализ рассмотренных в курсовой работе возможностей ГИС, сфер применения, позволяют говорить о том, что метод ГИС стал одним из самых эффективных, современных и успешных, хотя и самых дорогостоящих методов в географии. Этими факторами обуславливается повышенное внимание к этим системам, навсегда перевернувшим представление о географии.

Реферат.

Целью данного исследования является аналитический обзор литературы, посвященной методу геоинформационных систем - одному из самых эффективных, современных и успешных методов в географии.

Рассмотрены сведения об объекте, предмете географической науки, а также ее целях и задачах. Определена структура географии, ее место в системе наук.

Широко освещены основные методы географических исследований: классические (картографический, сравнительно-географический, сравнительно-исторический) методы, а также современные (математическое моделирование, аэрокосмический метод, геофизический, геохимический и метод геоинформационных систем).

Основное внимание уделено сфере геоинформатики, ее роли как науки, технологии и индустрии. Приводится классификация геоинформационных систем по различным признакам.

Также анализируются функциональные возможности важнейших технологических блоков геонформационных систем: работа с пространственными данными, моделирование (одна из ключевых тем). Рассмотрены процессы аналого-цифрового преобразования данных.

Приведены наиболее интересные и наглядные примеры использования геоинформационных систем в практических и теоретических исследованиях.

Отмечается, что метод геоинформационных систем остается одним из самых дорогостоящих, что обуславливает низкую скорость внедрения инноваций в уже сформировавшийся рынок геоинформационных услуг. Однако этим системам можно найти применение практически в любой сфере трудовой деятельности человека. Геоинформационные системы эффективны во всех областях, где осуществляется учет и управление территорией и объектами на ней.

The purpose of this study is an analytical review of the literature on the method of Geographic Information Systems - one of the most efficient, modern and successful methods in geography.

We consider information about the object, the subject of geographical science, as well as its aims and objectives. The structure of geography and its place in the sciences are fixed.

Basic methods of geographical research are widely covered: сlassic (mapping, the comparative geographical, the comparative-historical) methods, as well as modern (mathematical modeling, aerospace methods, geophysical, geochemical and method of geographic information systems).

The focus is on the field of geoinformatics, its role as a science, technology and industry. Classification of Geographic Information Systems adduces on various grounds.

The functionalities of the major technological blocks of Geographic Information Systems are also analyzed: working with spatial data, modeling (one of the key themes), the processes of analog-digital conversion of data.

We present the most interesting and illustrative examples of GIS in practical and theoretical studies.

It is noted that the method of Geographic Information Systems is one of the most expensive, which leads to a low rate of innovation in the already formed market of geoinformation services. However, these systems can find application in virtually any field of human labor. Geographic information systems are effective in all spheres where the accounting and management of territories and objects on it are realized.

Оглавление.

Введение                                                                                                                                                                        7

Глава 1. География как наука                                                                                                                              9

1.1. Объект, предмет и содержание географической науки, ее цели и задачи                                          9

1.1.1. Определение географической науки                                                                                                  9

1.1.2. Объект изучения географии                                                                                                                9

1.1.3. Предмет изучения географии                                                                                                            10

1.1.4. Задачи и цели географии                                                                                                                          11

1.2. Структура географии, и ее место в системе наук                                                                                12

1.2.1 География в системе наук                                                                                                            12

1.2.2. Система географических наук                                                                                                            12

1.3. Общие проблемы методики научного исследования. Методы географических исследований                                                                                                                                                                    13

1.3.1. Классические методы исследований в географии                                                                  14

1.3.1.1. Картографический метод исследований                                                                  14

1.3.1.2. Сравнительно-географический метод                                                                                15

1.3.1.3. Сравнительно-исторический метод                                                               16

1.3.2. Современные методы                                                                                                                          16

1.3.2.1. Математическое моделирование                                                                                16

1.3.2.2. Аэрокосмический метод                                                                                                            17

1.3.2.3. Геофизические методы                                                                                                            17

1.3.2.4. Геохимический метод                                                                                                            18

1.3.2.5. Метод геоинформационных систем                                                                               19

Глава 2. Геоинформационные системы (ГИС)                                                                                              20

2.1. Понятие геоинформационных систем                                                                                              20

2.2. Геоинформатика: наука, технология, индустрия                                                                                21

2.3. Периодизация развития геоинформатики                                                                                              22

2.4. Области применения ГИС                                                                                                                          25

2.5. Рынок геоинформатики России: состояние, проблемы, перспективы                                      27

2.5.1. Состояние рынка геоинформатики РФ в 2006 году                                                                  27

2.5.2. Основные тенденции и проблемы развития рынка                                                                  29

Глава 3. Метод геоинформационных систем. Функциональные возможности ГИС    30

3.1. Ввод, предобработка и хранение данных                                                                                              31

3.1.1. Источники данных                                                                                                                          31

3.1.2. Модели организации пространственных данных                                                                  32

3.1.3. Ввод данных в ГИС                                                                                                                          35

3.1.4. Базы данных и управление ими                                                                                                            35

3.2. Геоанализ и моделирование                                                                                                                          36

3.2.1. Общие аналитические операции и методы пространственно-временного моделирования                                                                                                                                                      36

3.2.2. Цифровое моделирование рельефа (местности). Математические алгоритмы     38

3.2.3. Математико-картографическое моделирование                                                                  40

3.3. Визуализация данных                                                                                                                                        41

3.3.1. Картографическая визуализация                                                                                              41

3.3.2. Виртуально-реальностные изображения                                                                              42

3.3.3. Картографические анимации                                                                                                            43

Глава 4. Практическое применение метода геоинформационных систем                                      45

4.1. Цифровое моделирование рельефа при помощи математических алгоритмов                        45

4.2. Математико-картографическое моделирование социальных и демографических

процессов                                                                                                                                                                    46

4.3. Картографическая визуализация статистических данных                                                                  48

4.4. Виртуально-реальностные изображения рельефа (местности)                                                    50

Заключение                                                    53

Список использованной литературы и документации                                                    55

Глоссарий                                                    58

Указатель авторов                                                    65

Указатель иллюстраций                                                    67

Указатель таблиц                                                    68

Приложения                                                    69

Введение.

Актуальность исследования. Во все времена знания о пространственной ориентации физических объектов были очень важны для людей. Современное общество живет, работает и сотрудничает, опираясь на информацию о том, что и где находится.

Развитие метода геоинформационных систем стало определяющим в современной географии, важным направлением информационных технологий, толчком к разработке нового программного обеспечения и специализированного оборудования, включая периферий­ные устройства, геодезические приборы, съемочную и иную ап­паратуру обработки пространственных данных. Сформировалась целая индустрия, которая породила рынок, связанный с производством и потреблением (использованием) геоинформа­ционных продуктов и услуг.

Степень разработанности проблемы. В мировой практике метод ГИС уже в 80-е годы стал основополагающим не только для географов, но и для специалистов других областей, уже в 90-е годы  в области теории проходило совершенствование фундаментальных поня­тий, «интеллектуализация» ГИС. Применение ГИС из стадии экспериментов перешло в сферу практического использования.

Для российской географической науки геоинформационные системы - в целом новая область. Большинство российских специалистов по ГИС не имеют фундаментальной подготовки в данной области и получили знания в процессе выполнения разнообразных прикладных ГИС-проектов. В опубликованной литературе недостаточно проработаны общетеоретические и методические вопросы ГИС. Все это обусловило выбор темы курсовой работы, формулировку ее цели.

Объект и предмет работы. Объектом курсовой работы является метод геоинформационных систем в географической науке, а предметом исследования - обзор функциональных возможностей, сфер применения ГИС.

Цель курсовой работы: анализ (исследование) элементов предметной области, а именно аналитический обзор литературы и документации с целью систематизации и обобщения сведений как о классических методах исследований в географии, так и современных. Основное внимание акцентируется на методе ГИС, освещении его основных  блоков, функциональных возможностей, состояния, тенденциях и прогнозах развития. Обзор дает представление об информационных системах, оперирующих геопространственными данными, иллюстрируется примерами, раскрывающими их возможности.

Регламент обзора. Хронологические границы: в силу информационного «голода» (соседствующего с информационным «взрывом»), связанного с трудностями обмена и доступа к уже накопленному материалу, ведомственными и даже личными барьерами, режимными ограничениями и неупорядоченности данных, препятствующими свободному доступу, литература представлена периодом с 1980 по 2009 год. Однако литература, посвященная географии и ее методам, освещена шире и подробнее, представлена за временной период в основном с 1993-2008 год.

Видовые границы: спектр использованных в обзоре видов литературных источников достаточно широк: использованы официальные материалы, монографии, статьи из периодических и непериодических изданий, учебники, словари, справочники, учебные пособия, стандарты, диссертации, материалы конференций, электронные издания, материалы сайтов.

Географические границы: информационный интерес для раскрытия темы работы представили исследования ГИС России, США, Германии, Великобритании, Франции.

Языковые границы: в обзор включены переведенные документы  с английского, немецкого, украинского, белорусского и французского языков.

Структура работы. Первая глава работы посвящена географии как науке, излагаются сведения об объекте, предмете географической науки, а также ее целях и задачах. Второй подраздел посвящен структуре географии, ее месте в системе наук. В третьем разделе подробно рассмотрены методы (классические и современные) географических исследований наряду с общими проблемами методики научного исследования.

Вторая глава вводит в сферу геоинформатики, определяются понятие о географических информационных системах, приводится классификация ГИС по различным признакам. В следующем подразделе рассматривается геоинформатика как наука, технология и производственная деятельность, определяется ее предмета и метода, место в системе наук, направления взаимодействия с другими науками и технологиями.

В третьей главе изложены функциональные возможности важнейших технологических блоков ГИС. В первом подразделе рассмотрены представления (модели) пространственных объектов и данных о них в базах данных ГИС. Во втором подразделе второй главы описаны операции, связанные с анализом пространственно-временных данных - картометрические функции. Завершает этот подраздел материал по математико-картографическому моделированию. Следующий подраздел касается вывода и документирования результатов обработки данных средствами ГИС. Завершают главу анимации карт и виртуально-реальностных изображений.

В четвертой главе рассмотрены наиболее интересные и современные примеры использования ГИС, в том числе наряду с использованием статистики и математических алгоритмов.

Источники информации. Методологической и теоретической основой данного исследования явились положения и выводы, сформулированные и обоснованные в трудах по теории и методологии экономической, социальной и политической географии, концептуальные и методические подходы в области геоинформатики и моделирования на основе ГИС-технологий, а также программно-прогнозные разработки.

В основе географических подходов исследования данной проблематики лежат труды основоположников и современных исследователей в области географии – Э.Б. Алаева, Н.Н. Баранского, Ю.Н. Гладкого, С.Б. Лаврова, Ю.Г. Саушкина, М.Д. Шарыгина и др.

Геоинформационные технологии опираются при этом на сложившиеся как традиционные картографические подходы, так и исследования в области геоинформатики, опыт которых представлен в трудах таких ученых как К.В. Бердников, А.М. Берлянт, Ю.Л.  Бугаевский, А.В.  Кошкарев, В.С. Тикунов, А.М. Трофимов и др.

Значимыми при анализе региональных параметров экономической динамики оказались также публикации на Web-сайте ГИС-Ассоциации и сайте Академии ГИС и САПР.

Методы сбора и обработки информации. Весь процесс сбора и обработки информации был разбит на несколько этапов (методов). Первоначальные сбор и обработка информации из внешних источников: в ЦГПБ им. В.В.Маяковского производился поиск по алфавитному, систематическому и электронному каталогу, главной информационной картотеке, так же использовались ресурсы сети Интернет при помощи поисковой cистемы Google. Затем - первичная обработка и приведение информации к унифицированному виду. Это упрощает последующую обработку. После сбора и обработки информации произведена систематизация и организация накопленных данных. Проведение глубокого анализа информации, систематизация, анализ и обобщение можно отнести к четвертому методу обработки информации. Завершает сбор и обработку информации последний этап, этап формирования отчета в виде представленного аналитического обзора.

1. География как наука.

1.1. Объект, предмет и содержание географической науки, ее цели и задачи.

1.1.1. Определение географической науки.

При изучении любой науки первостепенное внимание уде­ляется определению этой науки, которое включает в себя по­нятие ее объекта и предмета.

Согласно определению, данному М.М. Голубчиком: «География — наука о законах развития пространственно-временных систем (геосистем)». Также, это «наука о методах прогнозирования этих систем и управления ими»; «наука о происхождении, строе­нии, функционировании, динамике и развитии пространст­венно-временных природно-общественных геосистем; систе­ма естественных и общественных наук о природных, терри­ториально-производственных и социально-территориальных комплексах Земли и их компонентах» [50, с.5-6].

Более широкое понятие дает Wikipedia - электронная энциклопедия: «География (греч. γεωγραφία - землеописание, от γεια — Земля и γραφειν — писать, описывать):

1.              Единый комплекс наук, изучающих географическую оболочку Земли и акцентирующихся на выявлении пространственно-временных закономерностей».

2.              Свод знаний о пространственно-временных особенностях какой-либо территории, объекта, явления или процесса» [12].

Иное определение географии дано Зиминым Б.Н. и Шупером В.А.: «География (Geography) (От греч. Ge - земля + Grapho – описываю) - система физико-географических, экономико-географических и социально-географических дисциплин, изучающих географическую оболочку Земли, природно-территориальные, территориально-производственные и социально-территориальные комплексы, их взаимосвязь и составляющие их компоненты» [23, c.6].

Авторами вводится и другое определение, аналогичное данному М.М. Голубчиком: «География - наука о законах развития пространственно-временных систем, формирующихся на земной поверхности в процессе взаимодействия природы и общества и о методах регулирования этих систем и управления ими» [см. там же, с.6-7].

Более развернутое определение дает Жекулин В.С.: «География – наука о законах развития пространственно-временных систем (геосистем), формирующихся на земной поверхности в процессе взаимодействия природы и общества, о методах прогнозирования этих систем и управления ими». Автор подчеркивает, что «география является конструктивной наукой, призванной организовать пространственную жизнь общества». Более лаконично ученый определяет географию, как  «науку, комплексно изучающую в целом и по частям поверхность земного шара в отношении к человеческому обществу» [22, с.4].