Використання ГІС у створенні і впровадженні територіальних геоінформаційних проектів

 

 

 

 

 

 

 

Використання ГІС

у створенні і впровадженні територіальних геоінформаційних проектів

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Роботу виконав

Сергєєв Михайло Сергійович

учень 11 - А класу

спеціалізованої школи  № 102

Шевченківського району м. Києва

Під керівництвом:

вчителя географії і економіки, методиста Чернобровкіної Тетяни Григорівни

і вчителя інформатики Зубко Лариси Яківни

 

КИЇВ – 2010

 

 

Зміст

 

ВСТУП

«Сьогодні геоінформатика являє собою систему, яка охоплює  науку, техніку і виробництво ...» 

А. М. Берлянт 

Рівень та обсяги наявної  на сьогодні інформації про навколишній  світ настільки значні, що вже неможливо  її опрацьовувати, аналізувати та розуміти без сучасних апаратно-програмних засобів. Тому є необхідним створення автоматизованої системи кадастру на основі сучасних комп’ютерних технологій та телекомунікацій як єдиного комплексу.

Класифікація інформаційних  систем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГІС - це сучасна комп’ютерна технологія для картування і аналізу об’єктів реального світу, також подій, які відбуваються на нашій планеті. Ця технологія об’єднує традиційні операції роботи з базами даних, такими як запит і статистичний аналіз, з перевагами повноцінної візуалізації та географічного (просторового) аналізу, які надає карта. Ці можливості відрізняють ГІС від інших інформаційних систем і забезпечують унікальні можливості для її застосування в широкому спектрі задач, пов’язаних з аналізом та прогнозом явищ і подій довкілля, з осмисленням і виділенням головних факторів и причин, а також їх можливих наслідків.

ГІС об’єднує традиційні операції при роботі з базами даних  – запит і статистичний аналіз – з перевагами повноцінної візуалізації і географічного (просторового) аналізу, які надає карта. Ця особливість дає унікальні можливості для застосування ГІС в розв’язуванні широкого спектру задач, пов’язаних з аналізом явищ і подій, прогнозуванням їх імовірних наслідків, плануванням стратегічних рішень.

Мета  дослідження:  опис поточної ситуації на світовому ринку ГІС, визначення сучасних тенденцій і основних показників системи, опис споживачів і виробників на ринку. До дослідження даної теми нас привела думка про те, що серед різноманіття сучасних інформаційних систем геоінформаційна система є всеосяжною і об’єднує та пов’язує різноманітні аспекти життя і господарської діяльності суспільства.

Об'єкт дослідження: ГІС (геоінформаційна система) в географії

Предмет дослідження: історія виникнення та розвитку ГІС; докладне ознайомлення з системою, як одним з елементів автоматизованої системи кадастру; розповсюдження, виробництво і застосування, якісні і кількісні характеристики системи. 

Завдання дослідження: дослідити історію виникнення ГІС; проаналізувати  значення ГІС, як однієї з головних складових сучасних інформаційних систем; визначити місце  у світовому господарстві та міжнародному географічному поділу праці; описати і проаналізувати, де і як застосовують ГІС; навести приклади використання ГІС; базуючись на дослідженнях минулого року створити проект «Шацький національний природний парк» з використанням технології ГІС.

Джерела інформації: науково-популярна література, інформаційні матеріали ЗМІ, енциклопедичні і електронні словники, ресурси всесвітньої мережі Інтернет.

  Практичне значення роботи полягає в тому, що в ній до певної міри узагальнений матеріал, який може служити цілям ознайомлення, вивчення, опису ГІС в інших дослідницьких роботах, бути застосований в учбовій і позаурочній діяльності учнів.

Методи дослідження: використано документи та інформаційні джерела, довідкову літературу, нормативну базу; здійснено пошук інформації в Інтернеті (вивчення, аналіз, опрацювання, оформлення); залучено методи статистичного, економіко-математичного та системного аналізу, моделювання, наукового пояснення, географічного порівняння; використано соціологічні методи дослідження та графічний інструментарій; створено інформаційний блок, карти, умовні позначки; оформлено карти з використанням таблиць та діаграм; використано метод проектів.

Особистий внесок: проведено узагальнення та аналіз інформаційних джерел; наукові положення, висновки й рекомендації дослідження обґрунтовано не тільки теоретично, але й  підтверджено  результатами практичного впровадження розроблених карт, таблиць. Всі дані, які включені в роботу, були одержані шляхом пошуку, збору і аналізу вторинної інформації, тобто зібраної раніше для вирішення інших завдань і опублікованої у відкритих джерелах. Створено власний проект «Шацький національний природний парк».

Практичне значення одержаних результатів: Матеріали роботи  можна використати на уроках географії й економіки, а також як інформаційне джерело для написання доповідей, рефератів і проведення семінарів та круглих столів. Ця робота буде цікавою знахідкою для пересічного споживача, бо вона має не тільки наукове але й пізнавальне значення.

 

1. Передумови розвитку  геоінформатики

Ще в 70-80 роки ХХ століття радянські географи –  И.П. Герасимов, Ю.Г. Саушкін, С.Б. Лаврів, В.С. Преображенський звернули увагу на зростання суспільної і наукової значимості географії і географічного підходу при вирішенні різних господарських завдань територіального планування, раціонального використання природних ресурсів, природоохоронної діяльності.

Географія, географічна  інформація, просторовий аналіз виявилися необхідними для вирішення багатьох прикладних завдань і проблем сучасного постіндустріального світового співтовариства.

Нові завдання сприяли виникненню і залученню  нових методів і технічних  засобів, що відповідають виклику часу. І такі методи й засоби знайшлися. Наприкінці XX століття математика, астрономія, фізика і хімія, через інформатику, вищу геодезію, електроніку, прикладну космонавтику, озброїли географів новими технічними і методичними засобами швидкого одержання, збереження, переробки, аналізу і передачі величезного обсягу територіально розподіленої інформації.

Саме на цій  базі дуже швидко розвивається останнім часом нова галузь нашої древньої науки - геоінформатика.

2. Суть геоінформатики та ГІС

Геоінформатика – наука, що поєднує теорію, методи і традиції класичної картографії і географії з можливостями й апаратом прикладної математики, інформатики і комп'ютерної техніки. Вона з'єднала в собі вирішення необхідних прикладних завдань з можливостями людини, обчислювальної машини і програмних засобів, що обробляють просторову інформацію і передають її споживачам на екран монітора, друкувальний пристрій чи на канали зв'язку.

Так спочатку зародилися цифрова картографія й автоматизоване картографування, доповнені згодом іншими численними функціями і можливостями, що в комплексі стало основою ГІС.

Сьогодні ГІС  поширені в усьому світі і швидко розростаються і вдосконалюються. Обсяги продажів ГІС-продуктів, ГІС-технологій, та ГІС-послуг щорічно збільшуються на 20-30% і досягають декількох мільярдів доларів США на рік.

3. Що таке геоінформаційна система – ГІС

Географічна інформаційна система (ГІС) – сучасна комп’ютерна  технологія для картографування  і аналізу об’єктів реального  світу, явищ та подій, які відбуваються або прогнозуються. Геоінформаційні системи найприродніше відображують просторові дані.

Дані в геоінформаційних системах зберігаються у вигляді  набору тематичних шарів, які об’єднані  на основі їх географічного положення. Цей гнучкий підхід та можливість геоінформаційних систем працювати як з векторними, так і з растровими моделями даних, є ефективним при розв’язуванні задач, які стосуються просторової інформації.

Геоінформаційні системи тісно зв’язані с іншими інформаційними системами і використовують їх дані для аналізу об’єктів.

ГІС характеризують:

• розвинуті аналітичні функції;
• можливість керувати великими обсягами даних;
• інструменти для введення, обробки та відображення просторових даних.

Ключові переваги геоінформаційних систем

• Зручне для користувача відображення просторових даних

Картографування просторових  даних, в тому числі в трьохвимірному вимірі, є найзручнішим для сприйняття, що спрощує побудову запитів та їх наступний аналіз.

• Інтеграція даних всередині організації

Геоінформаційні системи  об’єднують дані, накопичені в різних підрозділах компанії чи навіть в різних галузях діяльності організацій цілого регіону. Колективне використання накопичених даних та їх інтеграція в єдиний інформаційний масив надає істотні конкурентні переваги і збільшує ефективність експлуатації геоінформаційних систем.

• Прийняття обґрунтованих рішень

Автоматизація процесу  аналізу і побудови звітів про  любі явища, зв’язані з просторовими даними, допомагає прискорити і підвищити  ефективність процедури прийняття  рішень.

• Зручний засіб для створення карт

Геоінформаційні системи  оптимізують процес розшифровки  даних космічних та аерозйомок і  використовують вже створені плани  місцевості, схеми, креслення. ГІС істотно  економлять часові ресурси, автоматизуючи  процес роботи з картами, і створюють трьохвимірні моделі місцевості.

Складові геоінформаційних систем

• апаратні засоби
• програмне забезпечення 
  Програмно забезпечення ГІС містить функції і інструменти, необхідні для збереження, аналізу і візуалізації географічної (просторової) інформації.
• дані 
  Дані можуть бути представлені у вигляді готових карт з необхідними тематичними шарами, або у вигляді знімків космічної і аерофотозйомки тощо.

Операції, які здійснюються ГІС

• введення даних 

В геоінформаційних системах автоматизовано процес створення цифрових карт, що кардинально скорочує терміни технологічного циклу.

• управління даними

Геоінформаційні системи  зберігають просторові і атрибутивні  дані для їх подальшого аналізу та обробки.

• запити і аналіз даних

Геоінформаційні системи  виконують запити про властивості об’єктів, розташованих на карті, і автоматизують процес складного аналізу, порівнюючи значну кількість параметрів для отримання відомостей чи прогнозування явищ.

• візуалізація даних

Зручне представлення  даних безпосередньо впливає  на якість і швидкість їх аналізу. Просторові дані в геоінформаційних системах представляються у вигляді інтерактивних карт. Звіти про стан об’єктів можуть бути побудовані у вигляді графіків, діаграм, трьохвимірних зображень.

Галузеве використання ГІС

На сьогоднішній день у світі розроблені і використовуються сотні різноманітних Гіс-пакетів, а на їхній базі створені десятки тисяч Гіс-систем. ГІС була створена в першу чергу для географії і під географію, однак зараз на Заході ГІС використовується у величезному числі управлінських структур, у різних фірмах, на підприємствах, у військових відомствах, у наукових і освітніх закладах.

Гіс-системи  і Гіс-технології знайшли дуже широке застосування в різноманітних сферах і напрямках територіальної діяльності:

Можливості геоінформаційних систем можуть бути задіяні в різноманітних галузях діяльності. Наведемо деякі приклади використання ГІС:

адміністративно-територіальне  управління

• міське планування і проектування об’єктів;
• ведення кадастрів інженерних комунікацій, земельного, містобудівного, зелених насаджень;
• прогноз надзвичайних ситуацій техногенно-екологічного характеру;
• управління транспортними потоками і маршрутами міського транспорту;
• побудова мереж екологічного моніторингу;
• інженерно-геологічне районування міста.

телекомунікації

• транковий і стільниковий зв’язок, традиційні мережі;
• стратегічне планування телекомунікаційних мереж;
• вибір оптимального розташування антен, ретрансляторів тощо;
• визначення маршрутів прокладки кабелю;
• моніторинг стану мереж;
• оперативне диспетчерське управління.

інженерні комунікації

• оцінка потреб в мережах водопостачання і каналізації;
• моделювання наслідків стихійних лих для систем інженерних комунікацій;
• проектування інженерних мереж;
• моніторинг стану інженерних мереж і запобігання аварійним ситуаціям.

транспорт

• автомобільний, залізничний, водний, трубопровідний, авіатранспорт;
• управління транспортною інфраструктурою і її розвитком;
• управління парком рухомих засобів і логістика;
• управління рухом, оптимізація маршрутів і аналіз вантажопотоків.

нафтогазовий  комплекс

• геологорозвідка і польові пошукові роботи;
• моніторинг технологічних режимів роботи нафто- і газопроводів;
• проектування магістральних трубопроводів;
• моделювання і аналіз наслідків аварійних ситуацій.

силові відомства

• служби швидкого реагування, збройні сили, міліція, пожежні служби;
• планування рятувальних операцій і охоронних заходів;
• моделювання надзвичайних ситуацій;
• стратегічне і тактичне планування військових операцій;
• навігація служб швидкого реагування і інших силових відомств.

екологія 

• оцінка і моніторинг стану природного середовища;
• моделювання екологічних катастроф і аналіз їх наслідків;
• планування природоохоронних заходів.

лісове  господарство

• стратегічне управління лісовим господарством;
• управління лісозаготівлями, планування підходів до лісу і проектування доріг;
• ведення лісних кадастрів.

сільське  господарство

• планування обробки сільськогосподарських угідь;
• облік землевласників і орних земель;
• оптимізація транспортування сільськогосподарських продуктів і мінеральних добрив.

Цим переліком  не вичерпується все коло напрямків  діяльності, що відчувають стійкий  інтерес до ГІС і геоінформаційних технологій. ГІС потрібна практично  скрізь, де використовується територіально  розподілена інформація і є необхідність територіального аналізу, територіальної оцінки і територіального прогнозу.

Джерела даних та їх типи

Серед джерел даних, які  широко використовують в геоінформатиці, найчастіше це картографічні, статистичні  та аерокосмічні матеріали. Рідше використовують дані спеціальних польових досліджень та зйомок, а також текстові джерела. Використання географічних карт як джерел вхідних даних для формування тематичних структур баз даних є зручним та ефективним з ряду причин. Дані, отримані з карт, мають такі переваги:

• мають чітку територіальну прив’язку,
• в них немає пропусків, “білих плям” в межах зображуваної території,
• вони в любій своїй формі придатні для запису на машинні носії

інформації.

4. Картографія

Карта – одне із найважливіших джерел масових даних для формування позиційної і змістової частини баз даних ГІС у вигляді цифрових карт-основ, які створюють єдину основу для позиціонування об’єктів, і набору тематичних шарів даних, сукупність яких створює загальну інформаційну основу ГІС. Пошарове представлення просторових об’єктів має прямі аналогії з поелементним розподілом тематичного та загальногеографічного змісту карт.

Шар (Map Layer) – покриття, яке розглядається в контексті його змістовної визначеності (рослинність, рельєф, адміністративний поділ тощо) чи його статусу в середовищі редактора (активний шар, пасивний шар).

Шар, як правило, є однорідним не тільки за тематикою, але і за типами об’єктів (точкові, лінійні, полігональні, растрові).

Багато процедур обробки і аналізу  даних в ГІС базуються на методичному апараті, раніше розробленому в надрах окремих галузей картографії. До них належать операції трансформації картографічних проекцій та інші операції на еліпсоїді, які спираються на теорію і практику математичної картографії і теорії картографічних проекцій, операції обчислювальної математики, які дають можливість здійснювати розрахунок площ, периметрів, показників форм геометричних об’єктів, що не мають аналогів в карто- і морфометрії.

Структура і класифікація

Обов’язковими елементами більш менш повного визначення ГІС слід вважати вказівку на “просторовість”, операційно-функціональні можливості та прикладну орієнтацію систем.

Вважається, маючи на увазі  ГІС професійно-географічної направленості, що просторовість є необхідною умовою для кваліфікації певної інформаційної системи як географічної (наприклад, автоматизовані радіонавігаційні системи, хоч і оперують просторово визначеними даними, до географічних інформаційних систем не належать). Основою для відокремлення “ географічних ” від “негеографічних “ інформаційних систем не може служити і зміст даних, які збирають: ідентичні за своїм змістом бази даних можуть обслуговувати зовсім відмінні (в тому числі чисто географічні і явно негеографічні) додатки. Навпаки, системи різного цільового призначення вимушені акумулювати одинакові дані. Наприклад, база даних з цифровим представленням рельєфу використовується для автоматизованого викреслювання ізогіпсів на топографічній карті (топографічна картографія), розрахунку та картографування морфометричних показників (геоморфологія і тематична картографія), пошуку оптимальних трас шосейних доріг чи інших комунікацій (інженерні пошуки та проектування).

ГІС зберігає інформацію про реальний світ у вигляді набору тематичних шарів, які об’єднані на основі географічного положення. Цей простий, але дуже гнучкий підхід довів свою цінність при розв’язуванні різноманітних реальних задач: для слідкування за пересуванням транспортних засобів і матеріалів, детального відображення реальної обстановки та запланованих заходів, моделювання глобальної циркуляції атмосфери.

Будь яка географічна інформація містить дані про просторове положення, чи то прив’язка до географічних чи інших координат, чи посилання на адресу, поштовий індекс, виборчий округ  чи округ перепису населення, ідентифікатор земельної чи лісової ділянки, назва дороги і т.п. При використанні подібних посилань для автоматичного визначення місцезнаходження об’єкта (об’єктів) застосовується процедура, яка називається геокодуванням. За її допомогою можна швидко визначити і подивитись на карті, де знаходиться об’єкт чи явище, яке нас цікавить, таке як будинок, в котрому проживає ваш знайомий чи знаходиться потрібна вам організація, де відбувся землетрус чи повінь, за яким маршрутом простіше і швидше можна дістатися до потрібного вам пункту чи будинку.

Проте, завдання ГІС виходять далеко за межі картографії, роблячи їх основою  для інтеграції приватних географічних та інших (геологічних, ґрунтових, економічних  тощо) наук при комплексних системних  геонаукових дослідженнях.

Набір функціональних компонентів  інформаційних систем кадастрового призначення повинен містити ефективний та швидкодіючий інтерфейс, засоби автоматизованого введення даних, адаптовану для розв’язування відповідних задач систему управління базами даних, широкий набір засобів аналізу, а також засобів генерації зображень, візуалізації та виведення картографічних документів.

Описова інформація організовується  в базу даних, окремі таблиці зв’язуються  між собою через ключові поля, для них можуть бути визначені  індекси, відношення тощо. Крім того, в  ГІС описова інформація зв’язується з просторовими даними. Відмінність ГІС від стандартних систем управління базами даних (dBASE, Access і т.п.) полягає як раз в тому, що ГІС дає можливість працювати з просторовими даними.

Просторові дані в ГІС представляються у двох основних формах - векторній і растровій. Векторна модель даних базується на представленні карти у вигляді точок, ліній і плоских замкнутих фігур. Растрова модель даних базується на представленні карти з допомогою регулярної сітки однакових за формою і площею елементів. Відмінності між цими моделями даних пояснюються рисунком

На цьому рисунку показано як об’єкти місцевості – озеро, річка, ліс, поле і т.п. відображаються з  допомогою векторної моделі –  лініями і полігонами, а також  як вони ж відображаються з допомогою растрової моделі – по-різному розфарбованими квадратиками. В нижній частині рисунка показано відображення озера і річки в іншій проекції. Тут видно, що растрова модель даних це набір однакових за величиною, але по різному розфарбованих, квадратиків. В векторній моделі даних озеро зображено пофарбованим многокутником, який в ARC\INFO називається полігоном (polygon), а річка ламаною лінією, яка називається дугою (arc). Початок і кінець цієї ламаної лінії називаються вузлами (node).

5. Застосування ГІС

На верхньому рівні  класифікації всі інформаційні системи  розподіляються на просторові і непросторові. ГІС, відповідно, відносяться до просторових, діляться на тематичні ( наприклад, соціально-економічні) і земельні (кадастрові, лісові, інвентаризаційні та інші). Існує розподіл за територіальним охопленням (загальнонаціональні і регіональні ГІС); за метою (багатоцільові, спеціалізовані, в тому числі інформаційно-довідкові, інвентаризаційні, для нужд планування, управління); за тематичною орієнтацією (загальногеографічні, галузеві, в тому числі водних ресурсів, використання земель, лісокористування, туризму, рекреацій тощо). (Додаток 6).

Одним із основних джерел даних для ГІС є матеріали  дистанційного зондування. Вони об’єднують всі типи даних, які отримують з носіїв космічного (пілотовані орбітальні станції, кораблі багаторазового використання типу ”ШАТТЛ”, автономні супутникові знімальні системи і т.п.) та авіаційного базування (літаки, гелікоптери та мікроавіаційні радіокеровані апарати) і складають значну частину дистанційних даних (remotely sensed data) як антонім контактних (перш за все наземних) видів зйомок, способів отримання даних вимірювальними системами в умовах фізичного контакту з об’єктами зйомки. До неконтактних (дистанційних) методів зйомки окрім аерокосмічних відносяться різноманітні вимірювальні системи морського (надводного) и наземного базування, включаючи, наприклад, фототеодолітну зйомку, сейсмо- , електро-, магніторозвідку та інші методи геофізичного зондування надр, гідроакустичні зйомки рельєфу морського дна з допомогою гідролокаторів бокового огляду, інші способи, засновані на реєстрації власного чи відбитого сигналу хвильової природи.

Геоінформаційні системи  є важливим інструментом збору та планування географічних об’єктів. Світові ГІС можна досить чітко розбити на три основні категорії:

• Потужні повнофункціональні ГІС на основі робочих станцій на UNIX-

системах та RISC-процесорах.

• ГІС середньої потужності ( чи ГІС з редукованими можливостями)

класу MAPINFO на PC-платформі.

• Програми, які побудовані за принципом ГІС та мають малі потреби в

ресурсах ЭОМ.

Останнім часом в  середовищі ГІС широко використовуються портативні приймачі даних про координати об’єктів з глобальної системи навігації (позиціонування) GPS, які дають можливість отримувати планові і висотні координати з точністю від кількох метрів до кількох міліметрів, що у поєднанні з портативними персональними ЭОМ та спеціалізованим програмним забезпеченням обробки даних з системи GPS дозволяє використовувати їх для польових зйомок в умовах необхідності їх надоперативного виконання (наприклад, при ліквідації наслідків стихійних лих та техногенних катастроф).( Додатки 1, 3 – 5).

Мінімальний набір критеріїв, які дозволяють ідентифікувати кожну  конкретну геоінформаційну систему, створює “систему координат“ трьохвимірного простору, осями якого є: територіальне охоплення і пов’язаний з ним функціонально масштаб (чи просторовий розв’язок), предметна галузь інформаційного моделювання та проблемна орієнтація. Однією із галузей застосування технології ГІС є пошук затонулих кораблів.

(Додаток 2).

6. Перспективи розвитку ГІС на найближчі роки

Характеристика  напрямків розвитку

Перший напрямок розвитку ГІС. Гіс-технології об'єднані з даними дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) з космосу, з літаків і будь-яких інших літальних апаратів. Десятки орбітальних систем передають високоточні космічні знімки будь-якої території нашої планети. Сформовані архіви і банки даних цифрових знімків на величезну територію земної кулі. Вони відносно доступні для споживача (оперативний пошук, замовлення й одержання по системі Інтернет), що дає можливість проведення зйомок будь-якої території за бажанням споживача, з наступною обробкою й аналізом фотографій із космосу за допомогою різних програмних засобів, інтегрованих з ГІС-пакетами і ГІС-системами.

Другий напрямок розвитку ГІС - спільне і широке використання даних високоточного глобального розташування того чи іншого об'єкта отриманих за допомогою систем GPS (США) чи ГЛОССНАС (Росія). Ці системи, особливо GPS, уже зараз широко використовуються в морській навігації, повітроплаванні, геодезії, військовій справі й інших галузях людської діяльності.

Третій напрямок розвитку ГІС пов'язаний із розвитком системи телекомунікацій, у першу чергу міжнародної мережі Інтернет і масовим використання глобальних міжнародних інформаційних ресурсів.

 

Висновки

Створення карт і географічний аналіз не є чимось абсолютно новим. Проте технологія ГІС автоматизує  процедуру аналізу и прогнозу.

Сьогодні ГІС вивчають в школах, коледжах та університетах. Цю технологію застосовують практично у всіх сферах людської діяльності – чи то аналізу таких глобальних проблем як перенаселення, забруднення території, скорочення лісових угідь, природні катастрофи, чи то розв’язування окремих задач, таких як пошук найкращого маршруту між пунктами, підбір оптимального розташування нового офісу, пошук будинку за адресою, прокладка трубопроводу на місцевості, різноманітні муніципальні задачі.

Створення та ведення  всіх видів кадастрів залишається  однією з найважливіших проблем управління територіями на сучасному етапі. Дані кадастрів необхідні для інформаційного забезпечення господарської діяльності в регіонах і містах, екологічного моніторингу та раціонального використання природних ресурсів.