Общая характеристика геоинформационных систем

Содержание:

1. Введение…………………………………………………………………………...3

2. Понятие  геоинформационной системы (ГИС)……………………….................5

3. История развития геоинформационных систем……………………………..….6

4. Составные  части ГИС…………………………………………………………...11

5. Классификация ГИС……………………………………………………………..12

6. Функциональные  подсистемы ГИС и их характеристика…………………….15

7. Области применения  геоинформационных систем……………………………16

8. Заключение……………………………………………………………………….20

9. Библиографический список………………………………………………...…...22 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     ХХI век… Объем информации, существующий в современном мире, не может сравниться с тем, который был получен в прошлых веках. Темпы жизни стремительно растут, методы получения информации приобретают все более индустриальный характер. Для организованного хранения, поиска нужной информации, ее обработки и анализа требуются современные, основанные на компьютерных технологиях, средствах.

     C каждым годом информационные потребности человека затрагивают все новые сферы его деятельности. Практически во всех современных отраслях знаний накоплен богатый опыт использования информации, получаемой из многочисленных источников.

     Со  временем значительная часть информации быстро меняется, и поэтому все труднее становится ее использование в традиционном бумажном виде для принятия управленческих решений, в том числе и в области Государственного земельного кадастра и управления земельными ресурсами. Быстроту получения информации и ее актуальность может гарантировать только автоматизированная система. Поэтому возникла необходимость создания автоматизированной системы, имеющей большое количество графических и тематических баз данных и соединенной с модельными расчетными функциями для преобразования данных в пространственную информацию и последующего принятия управленческих решений.

      К таким системам можно отнести  и многофункциональную информационную систему, предназначенную для сбора, обработки, моделирования пространственных данных, их отображения и использования при решении расчетных задач, подготовке и принятии решений. Таким образом, основная задача ГИС – формирование знаний о земном шаре, его отдельных территориях, а также обеспечение пространственными данными различных пользователей. [1] 
 

     Геоинформационные системы являются классом информационных систем, имеющим свои особенности. Они построены с учетом закономерностей геоинформатики и методов, применяемых в этой науки.

     ГИС как интегрированные информационные системы предназначены для решения  различных задач науки и производства на основе использования пространственно-локализованных данных об объектах и явлениях природы и общества. Неразрывно с ГИС связаны и геоинформационные технологии.

     Геоинформационные технологии можно определить как  совокупность программно-технологических  средств получения новых видов информации об окружающем мире. Геоинформационные технологии предназначены для повышения эффективности: процессов управления, хранения и представления информации, обработки и поддержки принятия решений. [2]

      В процессе курсовой работы будут рассмотрены общие вопросы, характеризующие геоинформационные системы.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Понятие геоинформационной  системы

      В наиболее общем смысле, геоинформационные  системы это инструменты для обработки пространственной информации, обычно явно привязанной к некоторой части земной поверхности, которые используются для ее управления. Это рабочее определение не является ни полным, ни точным. Как и в случае с географией, термин трудноопределим и представляет собой объединение многих предметных областей. В результате, нет общепринятого определения ГИС. Сам термин изменяется в зависимости от интеллектуальных, культурных, экономических и даже политических целей.

      ГИС – цифровая модель реального пространственного  объекта местности в векторной, растровой и других формах.

      Функции ГИС заключаются в сборе, системной обработке, моделировании и анализе пространственных данных, их отображении и использовании при подготовке и решении управленческих решений.

      ГИС предназначены для создания карт на основе получаемой информации на конкретный момент времени.

      С научной точки зрения ГИС –  метод моделирования и познания природных и социально-экономических систем. ГИС – это система, применяемая для исследования природных, общественных и природно-общественных объектов и явлений, которые изучают науки о Земле и смежные с ними социально-экономические науки.

      В технологическом аспекте ГИС  средство сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения пространственно-координационной географической информации. Таким образом, ГИС можно рассматривать как систему технологических средств, программного обеспечения и процедур, предназначенную для сбора пространственных данных, их анализа, моделирования и отображения в целях решения комплекса задач по планированию и управлению.

      С производственной точки зрения ГИС – комплекс аппаратных устройств и программных продуктов, предназначенных для обеспечения управления и принятия решений, причем важнейший элемент этого комплекса – автоматические картографические системы. ГИС использует географические данные, а также непространственные данные и располагает операционными возможностями, необходимыми для пространственного их анализа. Назначение ГИС – обеспечение процесса принятия решений по оптимальному управлению ресурсами, организации функционирования транспорта и розничной торговли, использование объектов недвижности, водных, лесных и других пространственных ресурсов.

      Таким образом, ГИС можно одновременно рассматривать как метод научного исследования, технологию и продукт ГИС-индустрии. [1]

      История развития геоинформационных систем

   Возникновение и бурное развитие ГИС было предопределено богатейшим опытом топографического и, особенно, тематического картографирования, успешными попытками автоматизировать картосоставительский процесс, а также революционным достижениями в области компьютерных технологий, информатики и компьютерной графики.

   В истории развития геоинформационных  систем можно выделить четыре периода 

                                                                                                                    Таблица 1

Периоды развития геоинформационных систем 

      Первый  период развивался на фоне успехов  компьютерных технологий: появление электронных вычислительных машин (ЭВМ) в 50-х годах, цифрователей, плоттеров, графических дисплеев и других периферийных устройств в 60-х при одновременном, часто независимом друг от друга, создании программных алгоритмов и процедур графического отображения информации на дисплеях и с помощью плоттеров, формальных методов пространственного анализа, программных средств управления базами данных.

Большое влияние в этот период оказывают  теоретические работы в области географии и пространственных взаимосвязей, а также становление количественных методов в географии в США, Канаде, Англии, Швеции.

Первый  безусловный крупный успех становления  геоинформатики и ГИС - это разработка и создание Географической Информационной Системы Канады. Начав свою историю в 60-х годах, эта крупномасштабная ГИС поддерживается и развивается по сей день.

   Назначение  ГИС Канады 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.

   Для этих целей требовалось создать  классификацию использования земель, используя данные по сельскохозяйственной, рекреационной, экологической, лесохозяйственной пригодности земель, отразить сложившуюся структуру использования земель, включая землепользователей и землевладельцев.

   Наиболее  узким местом проекта являлось обеспечение  эффективного ввода исходных картографических и тематических данных. Для этого разработчикам ГИС Канады, не имевшим опыта по внутренней организации больших массивов пространственных данных, потребовалось создать новую технологию, ранее нигде не применявшуюся, позволяющую оперировать отдельными слоями и делать картометрические измерения. Для ввода крупноформатных земельных планов было даже спроектировано и создано специальное сканирующее устройство.

   Что же принципиально нового внесли создатели  ГИС Канады в становление и развитие ГИС-технологий?

• 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. Ее основал в середине 60-х годов с целью разработки программных средств многофункционального компьютерного картографирования, которые стали существенным шагом в алгоритмическом совершенствовании ГИС и оставались ими вплоть до начала 80-х годов. В настоящее время эти исследования продолжаются в более меньших масштабах.

   Программное обеспечение Гарвардской лаборатории  широко распространялось и помогло создать базу для развития многих ГИС-приложений. Именно в этой лаборатории Дана Томлин заложила основы картографической алгебры, создав знаменитое семейство растровых программных средств Map Analysis Package.

   Благодаря работам Гарвардской лаборатории в области компьютерного картографирования была окончательно закреплена ведущая роль, которую играют картографические модели данных, картографический метод исследований, картографические способы представления информации в современных геоинформационных системах.

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

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

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

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

   Создание, государственная поддержка и обновление DIME-файлов стимулировали также 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.

   Одновременно  на основе этой информации была создана  серия атласов крупных городов, содержащих результаты переписи 1970 года, а также большое количество упрощенных компьютерных карт для маркетинга, планирования розничной торговли и т.д.

   Пользовательский  период поздние 1980 - настоящее время:

   В этот период пример нового отношения  к пользователям показали разработчики и владельцы геоинформационного программного продукта GRASS для рабочих станций, созданного американскими военными специалистами для задач планирования природопользования и землеустройства.

   Они открыли GRASS для бесплатного пользования, включая снятие авторских прав на исходные тексты программ. В результате, пользователи и программисты могут создавать собственные приложения, интегрирую GRASS с другими программными продуктами.

   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 необходимости формирования системы профессиональной подготовки и обучения специалистов по ГИС. [3]

   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.

     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 другой 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 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. [4]

     Классификация ГИС

     ГИС системы разрабатываются с целью решения научных и прикладных задач по мониторингу экологических ситуаций, рациональному использованию природных ресурсов, а также для инфраструктурного проектирования, городского и регионального планирования, для принятия оперативных мер в условиях чрезвычайных ситуаций др.

     Множество задач, возникающих в жизни, привело  к созданию различных ГИС, которые  могут классифицироваться по следующим  признакам:

      По  функциональным возможностям:

- полнофункциональные  ГИС общего назначения;

- специализированные  ГИС ориентированы на решение   конкретной задачи в какой  либо предметной области;

- информационно-справочные  системы для домашнего и информационно-справочного  пользования.

     Функциональные  возможности ГИС определяются также  архитектурным принципом их построения:

- закрытые  системы - не имеют возможностей  расширения, они способны выполнять только тот набор функций, который однозначно определен на момент покупки.

- открытые  системы отличаются легкостью  приспособления, возможностями расширения, так как могут быть достроены самим пользователем при помощи специального аппарата (встроенных языков программирования).

     По  пространственному (территориальному) охвату:

- глобальные (планетарные);

- общенациональные;

- региональные;

- локальные (в  том числе муниципальные).

     По  проблемно-тематической ориентации:

- общегеографические;

- экологические  и природопользовательские;

- отраслевые (водных  ресурсов, лесопользования, геологические,  туризма и т.д.). [4]

Кроме того ГИС можно классифицировать по типам представления географической информации. Выделяют два типа ГИС, в которых используются разные модели представления данных (рис.1):

   - ГИС на основе растровой модели  представления данных. В таких  ГИС цифровое представление географических объектов формируется в виде совокупности ячеек растра (пикселей) с присвоенным им значением класса объекта;

 - ГИС  на основе векторной модели  представления данных. В этом случае цифровое представление точечных, линейных и полигональных пространственных объектов осуществляется в виде набора координатных чисел.

      Следует отметить, что современные геоинформационные  системы обычно работают как с векторной, так и с растровой моделями представления данных.

      Рассмотрим  преимущества растровой и векторной  моделей.

          Растровая модель:

1.    Картографические проекции просты  и точны, т.е. любой объект  неправильной формы описывается с точностью до одной ячейки растра.

2.    Непосредственное соединение в  одну картину снимков дистанционного  зондирования (спутниковые изображения или отсканированные аэрофотоснимки).

3.    Поддерживает большое разнообразие  комплексных пространственных исследований.

4.    Программное обеспечение для  растровых ГИС легче освоить  и оно более дешевое, чем для векторных ГИС.

      Векторная модель:

1. Хорошее  визуальное представление географических ландшафтов.

2. Топология  местности может быть детально  описана, включая телекоммуникации, линии электропередач, газо- и нефтетрубопроводы, канализационную систему.

3. Превосходная  графика, методы которой детально  моделируют реальные объекты.

4. Отсутствие  растеризации (зернистости) графических  объектов при масштабировании зоны просмотра. [5]

Рис.1 Растровая и векторная модели пространственных данных (http://k502.xai.edu.ua/gis/index.php?p=aboutgis)

Функциональные подсистемы ГИС и их характеристика

      Подсистемы  ГИС:

      1. Подсистема ввода и преобразования данных. Основная функциональная задача этой подсистемы – создание целостного информационного цифрового образа исследуемого объекта или явления на основе преобразования графической информации в цифровой вид и ввода ее в компьютер.

      Источниками данных могут быть бумажные и цифровые карты, различные геодезические приборы, аэрофото- и космические снимки. Такая информация может быть введена с клавиатуры, с помощью сканера или получена из другой компьютерной системы.

      Наиболее  распространены три способа преобразования графической информации в цифровую форму: точечный, линейный и сканирование.

      2. Подсистемы обработки и анализа  ГИС. В их задачи входит выполнение процедур обработки данных, манипулирования пространственными и семантическими данными, осуществляемых при отработке пользовательских запросов. К наиболее важным относят операции, обеспечивающие выбор и внесение данных в память машины, а также все аналитические операции, которые происходят при решении задачи: поиск данных в памяти; установление размерности отдельных исследуемых областей; проведение размерности отдельных исследуемых областей; проведение логических операций над данными территориальных единиц исследуемого региона; статистические расчеты; специальные математические расчеты в соответствии с требованиями пользователя.

      3. Подсистема вывода (визуализации) данных. Она служит для вывода изображений  на экран монитора или печатающие  устройства, что позволяет выполнять  следующие действия: создание диаграмм; вывод статистических данных; создание картографической продукции; совмещение этих результатов в отчетах и т.д.

      4. Подсистема предоставления информации. Она предназначена для оперативного предоставления данных по запросам пользователей ГИС. В данной подсистеме также определяются условия и режимы предоставления информации по запросам пользователей, осуществляется защита от несанкционированного доступа.

      5. Пользовательский интерфейс. Он  должен отвечать требованиям  физического и психологического комфорта пользователя, быть эффективным, быстродействующим, обладать возможностями адаптации для конкретного пользователя, сочетать возможности интерактивного ввода, текстовых и графических меню. Пользовательский интерфейс должен обеспечить многооконное отображение графических данных с возможностью открытия неограниченного числа окон, связывать с окнами как различные изображения, так и фрагменты одного и того же изображения, представленные в разных масштабах.