Геоинформационные системы в развитии современного общества

          МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

       Таврический  национальный университет им. В.И.  Вернадского

                                  Географический факультет

                   Кафедра социальной и экономической  географии

 

 

                      Жарковский Кирилл Юрьевич

 

 

            ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ В  РАЗВИТИИ 

                                СОВРЕМЕННОГО ОБЩЕСТВА

 

                          специальность – 6.040104 – география

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                               Курсовая работа

                                                                               3 курс, гр. Г

                                                                               Научный руководитель:

                                                                               Асс. Кайданский В. В.

                                                                              

 

 

   

                                        Симферополь – 2011                                                                          

                                                    Реферат

 

Геоинформационные технологии относятся  к ключевым технологиям, с помощью которых решается самая главная цель – обеспечение устойчивого развития страны, ее социальной, экономической, экологической и военной безопасности в современном мире с его многочисленными и разнообразными проблемами. Вот почему во всем мире они активно используются и развиваются. Поэтому очень важным и перспективным остается изучение данных систем обществом.

Ключевые слова:  ГИС, ДЗЗ, ГЕОИНФОРМАЦИЯ, ГЕОИНФОРМАТИКА, КАРТОГРАФИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТ, МОДЕЛИ ДАННЫХ, КАДАСТР, КАРТА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Геоінформаційні технології відносяться до ключових технологій, за допомогою яких вирішується найголовніша мета - забезпечення стійкого розвитку країни, її соціальній, економічній, екологічній і військовій безпеці у сучасному світі з його численними і різноманітними проблемами. Ось чому у всьому світі вони активно використовуються і розвиваються. Тому дуже важливим і перспективним залишається вивчення данних систем суспільством.

Ключові слова:  ГІС, ДЗЗ, ГЕОІНФОРМАЦІЯ, ГЕОІНФОРМАТИКА, КАРТОГРАФІЧНИЙ ОБ'ЄКТ, МОДЕЛІ ДАНИХ, КАДАСТР, КАРТА

 

                                                   Содержание

Введение……………………………………………………………………………...4

Глава 1. История развития геоинформационных систем………………………....6

               1.1. Понятие геоинформационной системы (ГИС) ……………………..6

               1.2. Этапы развития ГИС………………………………………………….8

Глава 2. Основные направления и использование ГИС в современном

               обществе. Базовые концепции ГИС……………………………………..15

               2.1. Понятия о пространственных данных и объектах………………....15

               2.2. Геоинформационные структуры  и модели данных………………..19

               2.3. Классификация и функциональные подсистемы ГИС…………….23

Глава 3. Области применения геоинформационных систем и технологий.........27

               3.1. Уровень развития современных ГИС – технологий в Украине…..28

               3.2. ГИС в земельном кадастре………………………………………….31

     3.3. ГИС в сельском хозяйстве…………………………………………..35

               3.4. Геотехнологии в управлении территориальным развитием………40

Заключение………………………………………………………………………….46

Литература………………………………………………………………………47-48

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                 Введение

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. Все вышеизложенное определило актуальность курсовой работы.

Объектом исследования в курсовой работе являются геоинформационные системы.

Предметом является уровень развития современных ГИС в обществе.

Цель данной курсовой работы состоит  в том, чтобы раскрыть сущность и  принципы работы ГИС, на примере показать как они используются в современном обществе и в каких сферах. Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

• сформировать представление о ГИС;
• выявить этапы развития ГИС;
• провести анализ уровня использования геоинформационных систем в современных географических исследованиях.

         Для решения  поставленных задач использовались  следующие методы исследования:

• метод ГИС-анализа;
• литературного анализа;
• картографический.

Материал первой главы знакомит нас с понятием ГИС, раскрывает историю  и этапы становления науки. Во второй главе рассмотрена сама сущность геосистем, рассмотрены общие вопросы, характеризующие геоинформационные системы. В третьей, заключительной главе приведен ряд примеров того, как и где обществом используются геоинформационные системы. В данной курсовой работе, объемом в 48 страниц, было использовано 16 источников литературы. Количество таблиц - 5, рисунков - 11.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

              Глава 1. История развития геоинформационных систем

                    1.1. Понятие геоинформационной системы (ГИС)

      Понятие географической информационной системы заимствовано из   английского языка и является дословным переводом термина geographic

information system. Этот термин появился в русскоязычной литературе в середине семидесятых годов, и уже на ранней стадии заимствования он получил более краткую форму геоинформационная система.

      ГИС представляет собой аппаратно-программный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных, интеграцию данных и знаний о территории для их эффективного использования при решении научных и прикладных задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением окружающей средой и территориальной организацией общества [11].

Как известно ГИС тесно связан с картографией [рис. 1].

Их взаимосвязь проявляется в следующих аспектах:

• тематические и топографические карты – главный источник пространственно-временной информации;
• системы географических и прямоугольных координат и картографическая разграфка служат основой для координатной привязки всей информации, поступающей и хранящейся в ГИС;
• карты – основное средство географической интерпретации и организации данных дистанционного зондирования и другой используемой в ГИС информации;
• картографический анализ – один из наиболее эффективных способов выявления географических закономерностей, связей, зависимостей при формировании баз знаний, входящих в ГИС;
• математико-картографическое и ЭВМ-картографическое моделирование – главное средство преобразования информации в процессе обеспечения принятия решений, управления, проведения экспертиз, составления прогнозов развития геосистем и т.п.;
• картографическое изображение – целесообразная форма представления информации потребителям, а автоматическое изготовление оперативных и базовых карт, трехмерных картографических моделей, дисплей-фильмов – одна из главных функций ГИС.

 

 

 

 

 

 

 

        Рис. 1. Связь ГИС с научными дисциплинами и технологиями [2]

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. В этом аспекте Майкл ДеМерс приводит характерный пример синонимичных к «ГИС» понятий [табл. 1].

 

 

 

 

 

                                                                                                                       Таблица 1    

        Примеры синонимичных к "ГИС" понятиям и их источники [4] 

Термин	Источник
Географическая информационная система  (Geographic Information System)	Американская терминология
Географическая информационная система  (Geographical Information System)	Европейская терминология
Геоинформатика (Geoinformatics)	Канадская  терминология
Геореляционная информационная система (Georelational Information System)	Техническая  терминология
Информационная система по природным ресурсам  (Natural  Resources Information System)	Дисциплинарная  терминология
Информационная система по геологии или наук о  Земле (Geoscience or Geological Information System)	Дисциплинарная  терминология
Пространственно информационная система (Spatial  Information System)	Негеографический   термин
Система анализа пространственных данных (Spatial     Data  Analysis System)	Терминология на основе функций системы

 

Исходя из выше изложенного, ГИС можно рассматривать с  различных позиций. К примеру 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 [14].

 

 

                                     1.2. Этапы развития ГИС

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 [табл. 2].

                                                                                                                 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                       Таблица 2

                    Периоды развития геоинформационных систем [14]

Начальный период (поздние 1950 - ранние 1970)	Исследование принципиальных возможностей, пограничных областей знаний и технологий, наработка эмпирического опыта, первые крупные проекты и теоретические работы по ГИС.
Период государственных инициатив (ранние 1970 - ранние 1980)	Поддержка государством и формирование государственных институтов в области ГИС, снижение роли и влияния отдельных исследователей и небольших групп.
Период коммерческого развития (ранние 1980 - 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 1980 - 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, начало формирования мировой геоинформационной инфраструктуры.

 

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, развивается и 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 [14].

 Создатели ГИС Канады внесли в становление и развитие ГИС-технологий следующее:

• 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, но в 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. 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 [9].

Современному обществу без ГИС-технологий не обойтись. Без них невозможно построение экономики и ведение современного хозяйства. Тенденции в мире таковы, что необходима возможность во времени управлять огромной базой пространственных данных, а для этого необходимы ГИС. До недавнего времени эту задачу было сложно решить, т.к. был малый банк данных, ограничивался доступ получения пространственных данных о земле (космоснимки). Но в последние несколько лет ситуация изменилась в лучшую сторону и с появлением новых технологий, ГИС поднимаются на ступень выше. Это позволяет внедрять ГИС в новые сферы жизнедеятельности общества.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                           Глава 2. Обзор базовых концепций ГИС

   2.1. Основные направления и использование ГИС в современном 

           обществе. Базовые концепции ГИС

       Пространственный объект может быть определен как цифровое представление объекта реальности, иначе цифровая модель объекта местности, содержащая его координаты и набор свойств, характеристик, атрибутов, или сам этот объект. Термин «картографический объект» встречается и в англоязычной литературе по цифровой картографии и ГИС: картографируемый объект местам (Cartographic entity (real world)), его цифровое представление (Cartographic object (digital storage)) и обобщающего понятия картографических объектов (Cartographic feature), которое применимо и к объектам реальности, и к их цифровым представлениям, описаниям, моделям.

Объект - представление в цифровом виде всей и части сущности ее

характеристиками (атрибутами), геометрией и (возможно) связями с другими

предметами (например, описание в цифровом виде участка  дороги, включая категорию дороги, ширину проезжей части…, его геометрическое положение также связь с мостом, если такая существует).

Картографический  объект - графический объект, необходимый для

обеспечения определенных требований представления информации. Атрибуты картографического объекта (если они необходимы) обеспечивают дополнительные указания по воспроизведению. Примеры картографических объектов: стрелка направления течения [10].

       Пространственный объект - как цифровая модель объекта так и сам объект «реальности», или «местности». Распространен синоним термина «пространственный объект» - географический объект, или «геообъект».

 Представление пространственных объектов реальной действительности основано на следующих допущениях:

• 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.

      Множество цифровых данных о пространственных объектах образует пространственные данные. Пространственные данные состоят из двух взаимосвязанных частей: позиционной и непозиционной составляющей данных, иначе говоря, описания пространственного положения и тематического содержания данных. При этом выделяются соответственно   тополого-геометрические и атрибутивные данные. В самом общем виде в пространственных данных следует различать и выделять три составные части: топологическую, геометрическую и атрибутивную.  В настоящее время сформировалось два различных подхода к определению понятия «пространственные данные» [2]. В первом случае под пространственными данными понимаются цифровые данные об объектах реальности (местности, территории, акватории и т.п.), которыми оперируют при создании геоинформационной системы. Во втором случае термин «пространственные данные» понимается в более широком смысле слова, включая в себя не только данные в первом значении, но все «пространственно-координированные данные» (цифровые изображения, цифровые карты, каталоги  координат пунктов опорной геодезической сети и т.п.).  Термин «пространственные данные» имеет несколько синонимов, употребляемых в обоих значениях. Первый из них (по частоте употребления)- «географические данные» - может претендовать на роль стандартизованного, наряду с «пространственными данными». К менее распространенным относятся «геоданные», «геоинформационные данные» и «геопространственные данные», имеющие свою концептуальную схему в организации [рис. 2].

 

 

 

 

 

 

 

               

             Рис. 2. Концептуальная схема организации данных в ГИС [15]

Перечень элементарных пространственных объектов (основные метрические и тополого-геометрические примитивы), которыми оперируют современные ГИС, выглядит следующим образом:

• Точка син. точечный объект;
• Линия син. линейный объект;

• Полигон син. полигональный объект, многоугольник, контурный объект, область;

• Поверхность син. Рельеф;
• Тело;
• Пиксел син. пиксель, пэл;
• Ячейка (регулярной сети).

Выбор способа  организации данных в ГИС, и, в  первую очередь, модели

данных, т.е. способы  цифрового описания пространственных объектов, значительно важнее, чем  выбор программного продукта, поскольку  напрямую определяет функциональные возможности создаваемой ГИС и применимость или иных технологий ввода информации.

От типа модели данных зависит как пространственная точность представления графической  части информации, так и возможность  получения качественного картографического материала и организации контроля карт. Для облегчения работы и получения наиболее удачного варианта проекта карты, применяется выборка, определяющаяся  темой [рис. 3].

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Пространственная выборка (уточнение территории) [2]

Содержание базы пространственных данных включает:

1) цифровые версии реально существующих  объектов (например, зданий);

2) цифровые версии искусственно  выделенных свойств карты (например, контуры);

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

Разновидность непрерывных  свойств:

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

Компоненты пространственных данных:

- расположение: пространственные данные вообще часто называются данными о размещении;

- пространственные отношения: взаимосвязи между пространственными объектами описываются как пространственные отношения между ними;

- атрибуты: атрибуты фиксируют тематические описания, определяя различные характеристики объектов;