История развития ГИС. 2

     Введение 
 

     Одна  из наиболее интересных черт раннего  развития ГИС, особенно в шестидесятые годы, заключается в том, что первые инициативные проекты и исследования сами были географически распределены по многим точкам, причем эти работы осуществлялись независимо, часто без упоминания и даже с игнорированием себе подобных.

     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.

     Особо следует отметить идеи и опыт комплексного тематического картографирования, убедительно продемонстрировавшего  эффект системного использования разнохарактерных данных для извлечения новых знаний о географических объектах. Комплексность  и интегративность до сих пор  остается важнейшим свойством ГИС, привлекающим пользователей.

     Интересно, что один из первых удачных опытов использования принципа комплексирования (совмещения и наложения) пространственной данных с помощью согласованного набора карт датируется XVIII веком.

Французский картограф Луи-Александр Бертье использовал прозрачные слои, накладываемые  на базовую карту для показа перемещения  войск в сражении под Йорктауном.

     Совсем  кратко историю ГИС можно описать  несколькими предложениями. Геоинформационные  системы - явление относительно новое, хотя основами подобных систем были география и картография, появившиеся сотни лет назад. Первые географические информационные системы разработаны в 50—60-х годах, первоначально в гражданском секторе. В 70—80-х годах развилась сильная и активная ГИС-индустрия с явным лидерством США. А в 1990 г. были опубликованы первые работы по истории ГИС. 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 Развитие ГИС 
 

    Начало  развития ГИС относится к концу 60-х годов, но только в последние 6-7 лет эта технология получила бурное распространение. Основной причиной такого скачка, несомненно, является развитие вычислительной техники.

      Колоссальные  объемы текстовой и графической  информации, модельные расчеты, качественная графика, которыми оперируют ГИС, требуют значительных машинных ресурсов. До недавнего времени ЭВМ, имеющие характеристики, приемлемые для ГИС, стоили очень дорого, и подобную покупку могли позволить себе лишь большие организации, такие, как мэрии крупных городов.

     В 1990 году для приобретения небольших  ГИС требовалось 500 тыс. USD, более типичные затраты на программное и аппаратное обеспечение составляли 1 млн. USD. Сегодня в связи со значительным снижением цен на вычислительную технику машины с высоким быстродействием стали доступны гораздо большему кругу потенциальных покупателей. Значительно увеличилось также число  поставщиков на рынке ГИС, проводится большое количество ГИС-ориентированных конференций, огромная работа ведется членами профессиональных ассоциаций, таких, как URISA и AM/FM International.

      Существует  несколько причин растущей популярности ГИС. Среди них - развитие некоторых родственных областей, постоянное совершенствование диалога между машиной и пользователем, благодаря которому овладеть работой с ГИС можно путем минимального обучения.

        Все расширяющийся круг пользователей;  ГИС открыл новые возможности для обмена накопленной информацией. Некоторые системы, например, такие, как ATLAS GIS комплектуются по желанию заказчика готовыми базами данных. Все это приводит к тому, что в настоящее время покупателями ГИС становятся небольшие города и области, отдельные отрасли промышленности, здравоохранение, образование и т. п.

      Небольшие учебные и справочно-информационные ГИС хотят иметь вузы,  и  даже частные лица, чья деятельность связана с управлением. Исследование рынка ГИС, проведенное в 1993 году Denver-based Research Corporation и охватившее 386 респондентов как небольших городов, так я городов с 3,5 миллионным населением показало, что около 40% североамериканских городов и поселков уже закупили ГИС.

      Среди тех, кто еще не приобрел ее, 15% намерены совершить покупку в течение ближайших 12 месяцев, еще 45% через 2-3 года.

      Современный крупный город в условиях перехода к рыночным отношениям, децентрализации  управления, повышения ответственности местных органов власти за конечный результат хозяйственной деятельности и социальный уровень жизни граждан не может нормально функционировать без четко налаженной системы всестороннего учета, анализа и опенки городских территорий.

      Зарубежный  и отечественный опыт последних 10-15 лет показал, что приоритетными  и наиболее жизнедеятельными информационными системами являются ГИС, которые служат информационным базисом для решения следующих задач:

• принятие решений управленческого уровня;
• научно-обоснованное перспективное и оперативное планирование развития города и его отдельных территорий;
• оптимальное проектирование объектов промышленного и гражданского назначения на территории города;
• разработка генерального плана города и контроль за его реализацией;
• изучение состояния экологических, социально-экономических, природно-ресурсных условий территории и их экономическая оценка;
• совершенствование учета и рационального использования городских земель и недвижимости (зданий и сооружений);
• получение достоверной информации о местоположении и эксплуатации инженерных сетей городского коммунального хозяйства;
• сбор горно-геологических данных, сведений о техногенных процессах и природных запасах недр многоцелевого применения;
• проведение налогообложения, взимание платежей за использование природных ресурсов, недвижимости, за загрязнение окружающей среды;
• охрана прав пользователей, собственников, других потребителей региональных ресурсов.

     Опыт  длительной эксплуатации ГИС показал  широкое применение накопленной информации в узковедомственных и потребительских сферах - транспорт, ценообразование, туризм, купля-продажа, справочные услуги и пр.

     Таким образом, ГИС по назначению и по своим  функциям является многоцелевой и ориентирована на обеспечение данными о городской среде широкого круга организаций и граждан.

     К потенциальным потребителям геоинформации  можно отнести:

1. городские структуры распорядительной и исполнительной власти;
2. планирующие органы;
3. налоговые инспекции;
4. юридические и правоохранительные органы;
5. архитектурно-планировочные и земельные службы города;
6. эксплуатирующие организации (коммуникации, транспорт, здания и сооружения); 
7. научно-исследовательские и проектные институты;
8. строительные организации;
9. торговые организации, биржи всех назначений;
10. инспекции и контрольные органы социально-экономического и технического надзоров;
11. иностранных партнеров и инвеститоров;
12. коммерческие образования, предпринимателей, частных лиц.

     Создание  и функционирование ГИС сопряжено  с целым рядом специфических  задач организационно-правового, научно-технического, технологического и финансово-экономического характера, решение которых невозможно перенести из существующих методов информационного обеспечения.

      Проблема  усугубляется еще и тем, что в  нашей стране службы управления городом до настоящего времени не занимались созданием кадастров и ГИС и не имеют необходимого опыта работы, а научные организации не обладают достаточным заделом научных разработок, способных обеспечить производство современной научно-методической базой.

      Сказывается и слабая обеспеченность вычислительной техникой и программным обеспечением. Однако потери, прямо или косвенно связанные с отсутствием упорядоченной и достоверной информации, о городской территории, уже сегодня превосходят необходимые затраты на создание ГИС.

      С дальнейшим развитием рыночных отношений  отсутствие такой информации будет приводить к все более ощутимым потерям, а решение таких задач, как регулирование земельных вопросов, градостроительство, определение налоговых ставок, охрана окружающей среды, сделает весьма проблематичным.

      О значимости ГИС можно судить   по тому вниманию, которое уделяется  им в большинстве развитых стран. Во многих из них образованы национальные и региональные организации, в задачи которых входят развитие исследований, связанных с ГИС и автоматизированной картографией, разработка предложений в сфере национального и городского планирования информации, координация программ получения, обработки и распространения этой информации, создание сетей ГИС.

      Для этих целей разработана правовая база, производится мощное аппаратное и программное обеспечение, налажена подготовка и переквалификация необходимого класса специалистов. К примеру, в штате Калифорния (США) вопросами ГИС в 1991 году было занято 72 специализированных отдела по планированию, определяющих деятельность множества сторон жизни штата.

      Ресурсами информационной системы являются: земля, воздух, вода, движимое и недвижимое имущество, рабочая сила, средства (деньги), материалы, концепции и технологии.

      Назначение  системы — повышение уровня жизни  людей на конкретной территории. Ежегодный  оборот таких отделов в 1991 г. достиг 2,5 млрд. USD.

      Широко  используются ГИС в области кадастра. Кадастр — это упорядоченная совокупность сведений о правовом, природном, хозяйственном и экономическом положениях физических объектов и явлений среды во времени в структурном, организационном, функциональном я информационном аспектах.

      В Российской Федерации в составе  Федеральной службы геодезии и картографии создан центр ГИС и цифровой картографии (РОСГЕОИНФОРМ) и пять функциональных региональных центров.

      Обогащение  рынка вычислительной техники, необходимость  в управлении географической информацией  неизбежно приведет к широкому применению ГИС на территории такой крупной  страны как Россия. 
 
 

2 Периоды ГИС 
 

     В истории развития геоинформационных  систем можно выделить четыре периода :

1. Пионерный период - поздние 1950-е - ранние 1970-е гг.

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

2. Период государственных инициатив - ранние 1970-е - ранние 1980-е гг.

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

3. Период коммерческого развития - ранние 1980-е - 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.

4. Пользовательский период - поздние 1980-е - 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.

     Пионерный период (поздние 1950-е - ранние 1970-е гг.) 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  георафии и пространственных взаимосвязей, а также становление количественных методов в географии в США, Канаде, Англии, Швеции (работы У.Гаррисона (William Garrison), Т.Хагерстранда (Torsten Hagerstrand), Г.Маккарти (Harold McCarty), Я.Макхарга (Ian McHarg).

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

     "Отцом"  ГИС Канады считается Роджер  Томлинсон (Roger Tomlinson), под руководством  которого были разработаны и  реализованы многие концептуальные  и технологические решения. 

     Назначение  ГИС Канады состояло в анализе  многочисленных данных, накопленных  Канадской службой земельного учета (Canada Land Inventory), 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.

     Создатели ГИС Канады внесли огромный вклад 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

и многое другое...

     Большое воздействие на развитие ГИС оказала  Гарвардская лаборатория компьютерной графики и пространственного  анализа ( Harvard Laboratory for Computer Graphics & Spatial Analysis) Массачусетского технологического института. Ее основал в середине 60-х годов Говард Фишер (Howard Fisher) 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 (Dana Tomlin) заложила основы картографической алгебры, создав знаменитое семейство  растровых программных средств Map Analysis Package - MAP, PMAP, aMAP.

Одним из производных программных продуктов, свободно распространяемых в сети Internet, является OSU-MAP, созданный в Университете штата Огайо выходцами из Гарвардской  лаборатории.

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.

     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 (ранние 1970е - ранние 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 Национальных Переписей Населения (US Census Data).

   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.

   Для этих целей Национальное Бюро Переписей  США (U.S. Census Bureau) разработало комплексный  подход к "географии переписей" и 1970 год - год очередной Национальной Переписи США, проводимой раз в десять лет - впервые стал годом "географически  локализованной переписи"

   Был разработан специальный формат представления  картографических данных DIME (Dual Independent Map Encoding), для которого былиопределены 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.

   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 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.

     В этот период пример нового отношения  к пользователям показали разработчики и владельцы геоинформационного программного продукта GRASS (Geographic Resources Analysis Support System) для рабочих станций, созданного американскими военными специалистами (Army Corps of Engineers) для задач  планирования природопользования и  землеустройства.

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

     В настоящее время GRASS Version 4.1, созданная  в 1993 году, включая исходные тексты программ, системную и справочную документацию, учебное пособие для  пользователей, ряд наборов данных в качестве примеров, открыто распространяется в сетях Internet. Примеру Army Corps of Engineers последовал ESRI,Inc., открывший в 1994 году для неограниченного бесплатного  пользования свой программный продукт ArcView 1 for Windows, который также доступен в сетях Internet.

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

     Это потребовало существенных наборов  цифровых геоданных, а также необходимости  формирования системы профессиональной подготовки и обучения специалистов по ГИС.

     В наиболее развитых в геоинформационном  отношении странах эти проблемы решаются в настоящее время путем  формирования государственных национальных и междуниродных инициатив по разработке и созданию т.н. Инфраструктур  Геопространственных Данных, включающих вопросы ГИС технологии, телекоммуникации, стандартизации данных и профессиональной подготовки.

     Так, например, 19 октября l990 года в США, был  опубликован Циркуляр А-16, направленный на "максимальное развитие национальных цифровых ресурсов пространственной информации, с привлечением к этой деятельности федеральных, региональных и местных  органов управления, а также частного сектора. Эти национальные информационные ресурсы, взаимосвязанные с помощью  единых критериев и стандартов, обеспечат  распространение и эффективный  обмен пространственными данными  между производителями и пользователями". Для этих целей был создан Федеральный  Комитет Пространственных Данных.

     В развитие Циркуляра А-16, 11 Апреля 1994 Президент Клинтон издал Правительственное  распоряжение под названием "Координация  в области получения и доступа  к данным: Национальная Инфраструктура Пространственных данных"

     К сожалению, Россия и бывший СССР не участвовали в мировом процессе развития геоинформационных технологий вплоть до середины 1980-х годов. Тем  не менее, наша страна имеет свой опыт развития геоинформационных систем и технологий

3 История ГИС в США 
 

     Длинная цепь событий привела к созданию современных геоинформационных  систем.

     Бюро  переписи США - одна из организаций, сыгравших ключевую роль в развитии геоинформационных систем, - в конце 60-х годов оно разработало формат GBF-DIME (Geographic Base File, Dual Independent Map Encoding). В этом формате впервые была реализована схема определения пространственных отношений между объектами, называемая топологией, которая описывает, как линейные объекты на карте соединены между собой, какие площадные объекты граничат друг с другом, а какие объекты состоят из смежных элементов. Впервые были пронумерованы узловые точки, присвоены идентификаторы площадям по разные стороны линий. Это стало революционным нововведением. Формат GBF-DIME позже трансформировался в TIGER.

     История GBF-DIME началась в феврале., когда Бюро переписи США занялось экспериментами по компьютерному картографированию. Программисты Бюро боролись с неэффективностью и избыточностью при конвертировании  напечатанных на бумаге карт в карты  цифровые. Проблема была в том, что  в те времена каждое пересечение  улиц (в городах США часто встречается  решетчатая система, когда улицы  образуют сетку из стритов и авеню), вводилось ровно восемь раз. По словам Доналда Кука (Donald Cooke), который был  программистом Бюро в то время  и прославился, в частности, высказываниями типа «бумажные карты приводят к  пожарам, но хорошо выполняют декоративные функции», проблема была преодолена благодаря  принципам картографической топологии, предложенной математиком Бюро Джеймсом Корбеттом (James Corbett).

     Таким образом была открыта схема кодирования, известная позже как DIME (Dual Independent Map Encoding). Основная идея заключалась  в том, чтобы перенумеровать узлы (в данном случае - пересечения улиц) и площади (кварталы). Летом. нововведения показали свою эффективность на практике - они резко повысили эффективность оцифровки и обнаружения ошибок и стали основой для картографирования результатов переписи. События развивались стремительно - через три месяца после начала первых опытов по топологии Кук и Максфилд (Maxfield) выступили на конференции с большим докладом.

     В течение 70-х годов карты в формате GBF-DIME были созданы для всех городов  США. Эту технологию и по сей день использует множество современных  геоинформационных систем. По общему мнению, открытие из области топологии  было признано так быстро еще и  потому, что авторы сделали доклад в нужное время и в нужном месте.