Геоинформационные системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. История развития ГИС

В современной литературе по геоинформационным технологиям авторы выделяют три основных периода развития программно-аппаратных средств ГИС: пионерный, государственных инициатив, пользовательский (коммерческий).

Пионерный период: конец 50-х - начало 70-х годов прошлого столтия. В этот период в сфере информационных технологий выполняются работы по изучению новых возможностей картографии с использованием электронной вычислительной техники. Данный период характеризуется развитием картографии в связи с бурным развитием компьютерных технологий: создание и использование электронных вычислительных машин в 50-х гг, принтеров, крупных графических дисплеев, анализаторов поверхности и других периферийных устройств.Важные значения имели научные и теоритические работы в области географии и картографии по оценке пространственных взаимосвязей между геообъектами, а также изучение количественных методов в географии в странах - США, Канаде, Англии, Швеции (работы У. Гаррисона (William Garrison), Т. Хагерстранда (Torsten Hagerstrand), Г. Маккарти (Harold McCarty), Я. Макхарга (Ian McHarg).

Прорывом в области создания геоинформационных систем и началом развития геоинформатики является разработка и создание Географической Информационной Системы Канады (Canada Geographic Information System, CGIS). История которой начинается с 60 годов прошлого века и по сей день эта крупномасштабная геоинформационная система развивается и поддерживается. Ведущим разработчиком ГИС Канады, или как называют его на родине «Отцом» ГИС считается Роджер Томлинсон (Roger Tomlinson), идеи и концептуальные и технологические разработки которого были успешно реализованы в ГИС.

ГИС Канады предназначалась:

в первую очередь, для изучения и анализа большого количества данных, которые имелись в Канадской службой земельного учета (Canada Land Inventory);

во вторую очередь, для получении статистических данных о земле в целях дальнейшего применения этих данных при разработки планов землеустройства больших земельных площадей предназначенных в основном для сельского и лесного хозяйства.

Для решения данных задач перед разработчиками ГИС требовалось создать классификацию земельных территорий, которые культивируются сельскохозяйственной, рекреационной, экологической, лесохозяйственной отрасли, и отобразить использования этих земель, с учетом их принадлежности к пользователям и владельцам.

На данном этапе от разработчиков требовалось найти решение ввода в систему исходных картографических и тематических геоданных. В связи с этим требовалось разработать и исследовать совершенно новую технологию которая бы позволяла пользователям работать с большими массивами картографических и пользовательских данных. При этом пользователи должны были иметь возможность управлять данными и проводить расчеты.

Работа с широкоформатными планами (земельными и гидрографичскими) проводилась с использованием специально спроектированным и созданным сканирующим прибором (устройством).

Разработчиками было принято совершенно новое решение о разделении картографической информации на тематические слои, с записью информации в «таблицах атрибутивных данных». Данная концепция заложила основы разделения геоинформации о местоположении объектов и информации об этих объектах, с созданием логически связанной файловой системой. Канадские ученые разработали функции и алгоритмы оверлейных операций с полигонами, расчет площадей и других показателей необходимых при работе с картографической информацией.

геоинформационный технология картографический

Гарвардская лаборатория компьютерной графики и пространственного анализа (Harvard Laboratory for Computer Graphics & Spatial Analysis) Массачусетского технологического института с 60 годов, также занималась исследованиями в области ГИС и имела большие концептуальные и практические наработки в области развития геоинформационных технологий, что позволило их использовать до 80-х годов прошлого столетия. Программные продукты ГИС Гарвардской лаборатории получили широкое распространение в мире и помогли заложить платформу для развития различных ГИС приложений. В этот период в лаборатории Дана Томлин (Dana Tomlin) разработала основы картографической алгебры, параллельно разработала и обосновала возможность применения программных средств Map Analysis Package - MAP, PMAP, aMAP. Созданный учеными и исследователями Гарвардской лаборатории OSU-MAP является свободно распространяемым программным продуктом ГИС.

Упорство и большие результаты в исследовании ГИС позволили Гавардской лаборатории быть лидером области информационной картографирования и предложенные ими картографические модели данных, картографический метод исследований, картографические способы работы с картографической и пользовательской информации находят применения и в настоящее время при разработка современных ГИС.

Период государственных инициатив: характерен для периода с 70-х годов по начало 80-х годов. Данный период характеризуется созданием и развитием крупных геоинформационных проектов под покровительством государства, что соответствует названию периода.

Увеличивается количество государственных институтов в области геоинформационных технологий, при снижении роли и заслуг отдельных исследователей и небольших групп.

В США, в научных кругах того времени, активно обсуждались вопросы применения ГИС при обработки и представления данных Национальных переписей населения (U.S. Census Data).

Была поставлена задача перед специалистами о разработки методики, позволяющей вести географическую «привязку» данных переписи. Главной концептуальной проблемой была задача перевода адресов проживания граждан указанных в их анкетах, в географические координаты, для последующего формирования электронной карты страны с учетом данных переписи населения

В связи с этим перед Национальным бюро переписи США (U.S. Census Bureau) ставиться вопрос о разработке совершенно нового подхода к переписи населения, с учетом географического проживания граждан страны.

Результатом работы является перепись населения США в 1970 г, которая была проведена с учетом применения геоинформационной системы.

Для этого специалисты разработали специальный формат представления картографических данных DIME (Dual Independent Map Encoding), который включил прямоугольные координаты перекрёстков, разбивающих улицы на отдельные области картографических полей. Алгоритмы обработки и представления картографических данных были взяты с ГИС Канады и Гарвардской лаборатории и представлены в виде программного продукта POLYVRT, позволяющий провести перевод (конвертирование) адресов граждан в координаты, представленным графическим сегментом улицы.

Разработка и апробация результатов при государственной поддержки и обновление DIME-файлов позволило увеличить рост исследовательских работ в области использования ГИС, которые основывалась на базах данных уличных сетей.

По мимо применения ГИС в землепользовании и переписи населения исследуются вопросы работы систем навигации с картографической поддержкой при управлении городском транспортом и в других целях, где необходима точна привязка объекта к картографическим данным.

Использование ГИС при переписи населения в США позволили создать атласы нескольких крупных городов США и упрощенных электронных карт для торговых и транспортных компаний.

Пользовательский (коммерческий) период: Начиная с 1981 года и по настоящее время.

Для этого периода характерно массовая коммерческая эксплуатация программных продуктов и приложений ГИС.

Использование ГИС и баз данных с учетом применения сетевых технологий, систем навигации позволило выпустить на пользовательский рынок большое количество программных продуктов ГИС поддерживающих индивидуальную работу с картографическими данными на ПЭВМ и при применении в государственных и коммерческих организациях. Бурное развитее средств вычисления и персональных ЭВМ сделало доступными программные и аппаратные средства, сетевые информационные ресурсы широкому кругу специалистов-прикладников.

Ярким примером, является разработка программного продукта ГИС ARC/INFO исследовательского института экологических систем (Environmental Systems Research Institute, ESRI Inc).

В программе ARC/INFO были применены правила раздельного представления геометрической (картографической) и атрибутивной информации, при этом хранение и работа с атрибутивной информацией осуществлялась в виде таблиц (INFO), а для хранения и работы с графическими объектами в виде дуг (ARC).

Разработчикам ARC/INFO удалось создать первый программный продукт с ГИС который эффективно применяется на ПЭВМ и доступен для разных технических платформ и операционных систем.

Еще одним примером отличной коммерческой реализации в области производства аппаратно-программных средств для ГИС стал и до сих пор является Intergraph Corp. Успехи фирмы в области применения ГИС были связаны были связаны с реализацией в интересах вооруженных сил США систем управления ракетами в реальном времени. Заслугой фирмы Intergraph Corp. Является также создание системы интерактивного картографирования для управления территориями.

В настоящее время период пользовательского (коммерческого) развития ГИС очень активно продолжается. Общемировой объем продаж в области ГИС оценивается более 9 млрд долларов США в год. ГИС-технологии являются незаменимыми инструментами проводимых исследований в области в различных областях деятельности человека.

За уникальную способность ГИС работать с данными о географической поверхности даже стали использоваться при изучении космического пространства.

2. Понятие геоинформационных систем

Геоинформационная система (ГИС) - это многофункциональная информационная система, предназначенная для сбора, обработки, моделирования и анализа пространственных данных, их отображения и использования при решении расчетных задач, подготовке и принятии решений. Основное назначение ГИС заключается в формировании знаний о Земле, отдельных территориях, местности, а также своевременном доведении необходимых и достаточных пространственных данных до пользователей с целью достижения наибольшей эффективности их работы.

Геоинформационные технологии (ГИТ) -- это информационные технологии обработки географически организованной информации.

Основной особенностью ГИС, определяющей ее преимущества в сравнении с другими АИС, является наличие геоинформационной основы, т.е. цифровых карт (ЦК), дающих необходимую информацию о земной поверхности. При этом ЦК должны обеспечивать:

* точную привязку, систематизацию, отбор и интеграцию всей поступающей и хранимой информации (единое адресное пространство);

* комплексность и наглядность информации для принятия решений;

* возможность динамического моделирования процессов и явлений;

* возможность автоматизированного решения задач, связанных с анализом особенностей территории;

* возможность оперативного анализа ситуации в экстренных случаях.

История развития ГИТ восходит к работам Р. Томлисона по созданию Канадской ГИС (CGIS), проводившимся в 1963-1971 гг.

В широком смысле ГИТ - это наборы данных и аналитические средства для работы с координатно привязанной информацией. ГИТ - это не информационные технологии в географии, а информационные технологии обработки географически организованной информации.

Существо ГИТ проявляется в ее способности связывать с картографическими (графическими) объектами некоторую описательную (атрибутивную) информацию (в первую очередь алфавитно-цифровую и иную графическую, звуковую и видеоинформацию). Как правило, алфавитно-цифровая информация организуется в виде таблиц реляционной БД. В простейшем случае каждому графическому объекту (а обычно выделяют точечные, линейные и площадные объекты) ставится в соответствие строка таблицы - запись в БД. Использование такой связи, собственно, и открывает столь богатые функциональные возможности перед ГИТ. Эти возможности, естественно, различаются у разных систем, но есть базовый набор функций, обычно имеющийся в любой реализации ГИТ, например, возможность ответа на вопросы "что это?" указанием объекта на карте и "где это находится?" выделением на карте объектов, отобранных по некоторому условию в БД. К базовым можно также отнести ответ на вопрос "что рядом?" и его различные модификации. Исторически первое и наиболее универсальное использование ГИТ - это информационно-поисковые, справочные системы.

Таким образом, ГИТ можно рассматривать как некое расширение технологии БД для координатно привязанной информации. Но даже в этом смысле она представляет собой новый способ интеграции и структурирования информации. Это обусловлено тем, что в реальном мире большая часть информации относится к объектам, для которых важную роль играет их пространственное положение, форма и взаиморасположение, а следовательно, ГИТ во многих приложениях значительно расширяют возможности обычных СУБД, так как ГИТ более удобны и наглядны в использовании и предоставляют ДЛ свой "картографический интерфейс" для организации запроса к базе данных вместе со средствами генерации "графического" отчета. И, наконец, ГИТ добавляет обычным СУБД совершенно новую функциональность - использование пространственных взаимоотношений между объектами.

ГИТ позволяет выполнять над множествами картографических объектов операции, подобные обычным реляционным (JOIN, UNION, INTERSECTION). Операции этой группы называются оверлейными, так как используют в разных вариантах пространственное наложение одного множества объектов на другое. Фактически оверлейные операции обладают большим аналитическим потенциалом, и для многих сфер применения ГИТ являются основными, обеспечивая решение прикладных задач (землепользования, комплексной оценки территорий и другие).

ГИТ предлагает совершенно новый путь развития картографии. Прежде всего, преодолеваются основные недостатки обычных карт: статичность данных и ограниченность емкости "бумаги" как носителя информации. В последние десятилетия не только сложные специализированные карты типа экологических, но и ряд обычных бумажных карт из-за перегруженности информацией становятся "нечитаемыми". ГИТ решает эту проблему путем управления визуализацией информации. Появляется возможность выводить на экран или на твердую копию только те объекты или их множества, которые необходимы пользователю в данный момент. То есть фактически осуществляется переход от сложных комплексных карт к серии взаимоувязанных частных карт. При этом обеспечивается лучшая структурированность информации, что позволяет ее эффективно использовать (манипулирование, анализ данных и т.п.). Очевидно, что наблюдается тенденция возрастания роли ГИТ в процессе активизации информационных ресурсов, т.к. огромные массивы картографической информации эффективно переводимы в активную машиночитаемую форму только с помощью ГИТ. Кроме того, в ГИТ карта становится действительно динамическим объектом.

Последнее обусловлено следующими новыми возможностями ГИТ:

* изменяемостью масштаба;

* преобразованием картографических проекций:

* варьированием объектным составом карты;

* "опросом" через карту в режиме реального времени многочисленных БД, содержащих изменяемую информацию;

* варьированием символогией, то есть способом отображения объектов (цвет, тип линии и т.п.), в том числе определение символогии через значения атрибутивных признаков объектов, что позволяет синхронизировать визуализацию с изменениями в БД.

В настоящее время широко распространено понимание того, что ГИТ - это не класс или тип программных систем, а базовая технология {umbrella technology) для многих компьютерных приложений (методов и программ), работающих с пространственной информацией.

Поскольку ЦКМ являются наборами данных сложной структуры, то их целесообразно представлять в различных форматах. Под форматом ЦКМ понимается специально введенная система классификации и кодирования данных о местности. От принятого формата ЦКМ во многом зависит оперативность решения функциональных задач (ФЗ) в системах управления военного назначения. Так, например, в случае представления рельефа местности горизонталями вычисление профиля местности занимает в тысячи раз больше времени, чем при представлении рельефа в форме матрицы высот.

Одним из важнейших и наиболее часто встречающихся типов информационной потребности в геоинформации является построение изображения участка карты на экране АРМ {визуализация карты). Но средства отображения ЦКМ на экране АРМ, наряду с приведенными выше требованиями к средствам доступа, должны отвечать еще ряду специфических требований, обусловленных необходимостью восприятия информации человеком. По существу - это следующие эргономические требования, которые целесообразно рассматривать в комплексе с другими:

по "читабельности" обстановки (т.е. обладать достаточно высокими характеристиками скорости и достоверности восприятия человеком информации оперативной обстановки на фоне карты);

по "читабельности" карты, (т.е. обладать достаточно высокими характеристиками скорости и достоверности восприятия человеком собственно картографической информации);

по "комфортности" восприятия, (т.е. форма отображения данных не должна вызывать чрезмерных напряжения человека при восприятии информации и раздражения его органов чувств в целях обеспечения требуемой продолжительности сохранения его работоспособности).

ФЗ требует для своего решения различные данные о местности. По мнению авторов, все множество этих задач по характеру использования ЦКМ можно разделить на четыре основных класса:

* задачи, требующие выдачу изображения карты на устройства ввода- вывода средств автоматизации и использующие ее в качестве фона для вывода оперативной обстановки (ОКФ);

* задачи, использующие информацию о характере и профилях местности (ОХПМ);

* задачи, использующие информацию о дорожной сети (РДС);

* задачи, использующие информацию о местоположении объекта в пределах территории государства, зоны ответственности или нейтральной территории (ОМП).

Задачами ОКФ являются все задачи, отображающие оперативную обстановку на местности в процессе диалога с пользователем. Данные задачи могут отображать "поверх карты" информацию о группировках своих войск и войск противника, зонах радиоактивного, химического, биологического заражения, сплошных разрушений, пожаров, затоплений, о направлениях и рубежах действий, районах сосредоточения и др. Общая для задач ОКФ особенность использования ЦКМ заключается в необходимости быстрого вывода изображения карты на экран АРМ в различных масштабах.

К задачам ОХПМ относятся задачи выбора места развертывания радиорелейных станций (РРС), тропосферных станций (ТРС), радиолокационных станций (PJIC), средств радиотехнической разведки, радиоэлектронной борьбы и т.д. Задачи оценки защитных свойств местности в районах развертывания пунктов управления (ПУ) и узлов связи (УС), планирования огневого воздействия и т.п. также относятся к классу ОХПМ. Особенностью задач ОХПМ является необходимость определения с высокой скоростью характеристик местности в окрестностях точки с произвольными координатами.

К задачам РДС относятся, в частности, задачи определения маршрута и планирования порядка перемещения воинских формирований, оптимального планирования перевозок средств снабжения или почты и некоторые другие. Данные задачи используют данные ЦКМ о дорожной сети, которые должны быть представлены в специальной форме - в виде графа, в котором все пересекающиеся дороги имеют общую вершину в перекрестках.

Задачи ОМП используют в ЦКМ данные о государственных (сухопутных и морских) и иных границах, заданные в специальной форме - в виде замкнутых контуров.

По типу информационных потребностей многие ФЗ можно отнести сразу к нескольким различным классам. В частности, задача определения оптимального района развертывания РРС может обладать свойствами классов ОХПМ и РДС, а в процессе решения для организации диалога с пользователем - свойствами класса ОКФ.

В связи с глубоким взаимопроникновением ГИС и других информационных технологий целесообразно рассмотреть взаимосвязь ГИТ с другими технологиями.

Прежде всего, это графические технологии систем автоматизированного проектирования (САПР), векторных графических редакторов, и с другой стороны - технологии реляционных СУБД. Большинство реализаций современных ГИТ в своей основе и представляет собой интеграцию этих двух типов информационных технологий. Следующий тип родственных информационных технологий - технологии обработки изображений растровых графических редакторов. Некоторые реализации ГИТ базируются на растровом представлении графических данных. Поэтому очень многие современные ГИС общего назначения интегрируют возможности как векторного, так и растрового представления. В свою очередь, ряд технологий обработки изображений, предназначенных для работы с данными аэро- и космических съемок, очень близко примыкают к ГИТ, а иногда частично выполняют и их функции. Но обычно они к ГИТ комплементарны и имеют специальные средства для взаимодействия с ними (ERDAS LiveLink to ARC/INFO)

Близкородственны к ГИТ картографические (геодезические) технологии, применяющиеся при обработке данных полевых геодезических съемок и построении по ним карт (при построении карт по аэроснимкам с использованием фотограмметрических методик и при работах с цифровой моделью рельефа местности). Здесь также наблюдается тенденция к интеграции, т.к. подавляющее число современных ГИС включают в себя средства координатной геометрии (COGO), которые позволяют непосредственно использовать данные полевых геодезических наблюдений, в том числе прямо с приборов с цифровой регистрацией или с приемников спутниковой глобальной системы позиционирования (GPS). Фотограмметрические пакеты обычно ориентируются на совместную работу с ГИС и в ряде случаев включаются в ГИС как модули.

Сущность ГИТ проявляется в ее способности связывать с картографическими (графическими) объектами некоторую описательную (атрибутивную) информацию (в первую очередь алфавитно-цифровую и иную графическую, звуковую и видеоинформацию). Как правило, алфавитно-цифровая информация организуется в виде таблиц реляционной БД. В простейшем случае каждому графическому объекту (точечному, линейному или площадному) ставится в соответствие строка таблицы - запись в БД. Использование такой связи и обеспечивает богатые функциональные возможности ГИТ. Эти возможности, естественно, различаются у разных систем, но есть базовый набор функций, обычно имеющийся в любой реализации ГИТ, например, возможность ответа на вопросы "что это?" указанием объекта на карте и "где это находится?" выделением на карте объектов, отобранных по некоторому условию в БД. К базовым можно также отнести ответ на вопрос "что рядом?" и его различные модификации. Исторически первое и наиболее универсальное использование ГИТ - это информационно-поисковые, справочные системы.

Таким образом, ГИТ можно рассматривать как некое расширение технологии БД для координатно привязанной информации. Но даже в этом смысле она представляет собой новый способ интеграции и структурирования информации. Это обусловлено тем, что в реальном мире большая часть информации относится к объектам, для которых важную роль играет их пространственное положение, форма и взаиморасположение. Следовательно, ГИТ во многих приложениях значительно расширяют возможности обычных СУБД.

ГИТ, так же как и любая другая технология, ориентирована на решение определенного круга задач. Поскольку области применения ГИС достаточно широки (военное дело, картография, география, градостроительство, организация транспортных диспетчерских служб, и т.д.), то ввиду специфики проблем, решаемых в каждой из них, и особенностей, связанных с конкретным классом решаемых задач и с требованиями, предъявляемыми к исходным и выходным данным, точности, техническим средствам и прочее, говорить о какой-то единой ГИС-технологии достаточно проблематично.

Вместе с тем любая ГИТ включает в себя ряд операций, которые можно рассматривать как базовые. Они различаются в конкретных реализациях только деталями, например, программным сервисом сканирования и постсканерной обработки, возможностями геометрического преобразования исходного изображения в зависимости от исходных требований и качества материала и т.д.

Поскольку приведенная модель является обобщенной, то естественно, что она либо не содержит отдельных блоков, свойственных какой-либо конкретной технологии, либо наоборот имеет в своем составе те блоки, которые в ряде случаев могут отсутствовать.

По результатам анализа обобщенной модели ГИС-технологии можно выделить следующие базовые операции ГИТ:

* редакционно-подготовительные работы, т. е. сбор, анализ и подготовка исходной информации (картографические данные, аэрофотоснимки, данные дистанционного зондирования, результаты наземных наблюдений, статистическая информация и т.д.) для автоматизированной обработки;

* проектирование геодезической и математической основ карт;

* проектирование карт;

* построение проекта цифровой тематической карты;

* преобразование исходных данных в цифровую форму;

* разработка макета тематического содержания карты;

* определение методов автоматизированного построения тематического содержания;

* формирование цифровой общегеографической основы создаваемой карты;

* создание цифровой тематической карты в соответствии с разработанным проектом;

* получение выходной картографической продукции.

Для ввода исходной информации используются растровые сканирующие устройства, дигитайзеры, полутоновые сканеры аэрофотонегативов. Полученные цифровые массивы данных поступают в комплекс технических средств обработки растровых и векторных данных, построенный на базе рабочих станций и персональных профессиональных ЭВМ. На этой же инструментальной базе осуществляются все этапы проектирования, преобразования исходной информации и создания цифровой тематической карты.

Сформированная цифровая картографическая модель поступает в комплекс технических средств формирования выходной картографической продукции, включающей в себя плоттеры, принтеры, специализированные устройства вывода на фотоноситель и т.д.

Исходные и обработанные цифровые данные хранятся в подсистеме архивного хранения данных, базирующейся в настоящее время на стримерах или на оптических дисках.

Области применения ГИТ в настоящее время чрезвычайно многообразны.

Прежде всего, это различные кадастры, системы управления распределенным хозяйством и инфраструктурой. Здесь развиты специализированные приложения, например, для систем: электрических сетей энергетической компании, кабельной сети телефонной или телевизионной компании, сложного трубопроводного хозяйства большого химического завода, земельного кадастра, оперирующие недвижимостью, а также такие приложения, как комплексные системы, обслуживающие многие составляющие инфраструктуры города или территории

и способные решать сложные задачи управления и планирования. Конкретные цели и задачи в таких системах очень разнообразны: от задач инвентаризации и учета, справочных систем общего пользования до налогообложения, градо- строительно-планировочных задач, планирования новых транспортных маршрутов и оптимизации перевозок, распределения сети ресурсов и услуг (складов, магазинов, станций скорой помощи, пунктов проката автомобилей).

Еще одной развитой областью применения ГИТ является учет, изучение и использование природных ресурсов, включая сюда и охрану окружающей среды. Здесь также встречаются как комплексные системы, так и специализированные: для лесного хозяйства, водного хозяйства, изучения и охраны дикой фауны и флоры и т.д. К этой области применения непосредственно примыкает использование ГИТ в геологии, как в научных, так и в практических ее задачах. Это не только задачи информационного обеспечения, но и, например, задача прогнозирования месторождений полезных ископаемых, контроль экологических последствий разработок и т.п. В геологических применениях, как и в экологических, велика роль приложений, требующих сложного программирования или комплексирования ГИТ со специфическими системами обработки и моделирования. Особенно в этом плане выделяются приложения в области нефти и газа. Здесь на стадии поисков и разведки широко используются данные сейсморазведки и весьма специфическое и развитое ПО по их обработке и анализу. Велика потребность в комплексных решениях, увязывающих собственно геологические и иные проблемы, что невозможно решить без привлечения универсальных ГИС.

Отдельно следует выделить сугубо транспортные задачи. Среди них: планирование новых маршрутов транспорта и оптимизация процесса перевозок с возможностью учета распределения ресурсов и меняющейся транспортной обстановки (ремонты, пробки, таможенные барьеры). Особенно перспективными в стратегическом плане предполагаются навигационные системы, особенно базирующиеся на спутниковых системах навигации с использованием цифровой картографии.

Характерной чертой внедрения ГИТ в настоящее время является интеграция систем и баз данных в национальные, международные и глобальные информационные структуры. К глобальным проектам относится, например, GDPP - "Проект глобальной базы данных", разрабатываемый в рамках Международной геосферно-биосферной программы. На национальном уровне существуют ГИС в США, Канаде, Франции, Швеции, Финляндии и других странах. В России в настоящее время разрабатываются региональные ГИС, в частности, для ведения земельного кадастра и муниципального управления, а также ведомственные ГИС, например, в Министерстве внутренних дел.

Анализ существующего на сегодняшний день опыта применения ГИТ показывает, что основной формой применения ГИТ является различные по целям, сложности, составу и возможностям ГИС.

Современные ГИС представляют собой новый тип интегрированных систем, которые, с одной стороны, включают методы обработки данных существующих автоматизированных систем, а с другой - обладают спецификой в организации и обработке данных

Так как в ГИС осуществляется комплексная обработка информации (от ее сбора до хранения, обновления и предоставления), их можно рассматривать со следующих различных точек зрения:

* ГИС как система управления - предназначена для обеспечения поддержки принятия решений на основе использования картографических данных;

* ГИС как автоматизированная информационная система - объединяет ряд технологий известных информационных систем (САПР и других);

* ГИС как геосистема - включает технологии фотометрии, картографии;

* ГИС как система, использующая БД, - характеризуется широким набором данных, собираемых с помощью разных методов и технологий;

* ГИС как система моделирования, система предоставления информации - является развитием систем документального оборота, систем мультимедиа и т.д.

ГИС с развитыми аналитическими возможностями близки к системам статистического анализа и обработки данных, причем в ряде случаев они интегрированы в единые системы, например:

имплантация в современную ГИС ARC/INFO мощного статистического пакета S-PLUS;

добавление некоторых возможностей пространственной статистики и картографической визуализации в массовые статистические пакеты (SYSTATfor Windows);

развитие собственной ГИС в рамках пакета SAS - лидера среди систем обработки числовой информации.

Наиболее развитые ГИС (обычно с сильной поддержкой и растровой модели), имеющие хорошие средства программирования, широко используются для моделирования природных и техногенных процессов, в том числе распространения загрязнений, лесных пожаров и др. Некоторые обычные СУБД, работающие в графических средах типа MS Windows, также включают в себя простейшие средства картографической визуализации.

Наличие широкого спектра тенденций развития в разных областях информационных технологий, интересы которых сходятся в области ГИТ, а также появление универсальных пакетов широкого применения привело к тому, что границы определения ГИТ становятся менее четкими. Поэтому в настоящее время сложилось понятие полнофункциональная ГИС (full GIS).

Современная полнофункциональная ГИС - это многофункциональная информационная система, предназначенная для сбора, обработки, моделирования и анализа пространственных данных, их отображения и использования при решении расчетных задач, подготовке и принятии решений. Основное назначение полнофункциональной ГИС заключается в формировании знаний о Земле, отдельных территориях, местности, а также своевременном доведении необходимых и достаточных пространственных данных до пользователей с целью дос тижения наибольшей эффективности их работы.

Полнофункциональная ГИС должна обеспечивать:

* двустороннюю связь между картографическими объектами и записями табличной базы данных;

* управление визуализацией объектов, обеспечивающее выбор состава и формы отображения;

* работу с точечными, линейными и площадными объектами;

* ввод карт с дигитайзера или сканера и их редактирование;

* поддержку топологических взаимоотношений между объектами и проверку с их помощью геометрической корректности карты, в т.ч. замкнутости площадных объектов, связности, прилегания и др.;

* поддержку различных картографических проекций;

* геометрические измерения на карте длины, периметра, площади и др.; построение буферных зон вокруг объектов и реализацию других оверлейных операций;

* создание собственных обозначений, в том числе новых типов маркерных знаков, типов линий, типов штриховок и др.; создание дополнительных элементов оформления карты, в частности подписей, рамок, легенд;

* вывод высококачественных твердых копий карт; решение транспортных и других задач на графах, например, определение кратчайшего пути и т.п.;

* работу с топографической поверхностью.

Помимо полнофункциональных ГИС общего назначения, выделяют специализированные, которые часто имеют нечеткие границы со специализированными пакетами, не являющимися в этом смысле ГИС. Например, ГИС, ориентированные на задачи планирования связи, транспортные и навигационные задачи, задачи инженерных изысканий и проектирования сооружений.

Неспециализированные ГИС более низкого уровня, чем полнофункциональные системы общего назначения, обычно называют "персональными системами картографической визуализации" {desktop mapping systems, desktop GIS), иногда даже отделяя этот класс систем от собственно ГИС. Отличительной их чертой являются, прежде всего, ограниченные аналитические возможности (например, отсутствуют оверлейные операции для площадных объектов) и слабые возможности ввода и редактирования картографической основы. Типичным примером такой системы является ГИС Maplnfo, в которой за счет своей меньшей сложности более проста в обучении и использовании и более доступна массовому пользователю.

К настоящему времени число ГИС-пакетов, предлагаемых на рынке, исчисляется несколькими тысячами. Однако в большинстве это специализированные системы. Реальных полнофункциональных ГИС-пакетов общего назначения на рынке несколько десятков. В основном программное обеспечение для ГИС разрабатывают специализированные фирмы, только в некоторых случаях это продукты крупных фирм, для которых ГИС - не основной продукт (IBM, Intergraph, Computervision, Westinghouse Electric Corp., McDonnel Douglas, Siemens Nixdorf). По числу известных пакетов и по числу инсталляций преобладают ПК (MS DOS, MS Windows) и UNIX- рабочие станции.

Следует отметить, что в настоящее время полнофункциональные ГИС общего назначения в основном ориентированы на рабочие станции с операционной системой UNIX. На ПК, как правило, функционируют системы с редуцированными возможностями. Отчасти это определяется спецификой пользователей ПК, для многих из которых простая ГИС нужна только как дополнение к обычному офисному ПО. Но главная причина - в требованиях, которые мощная ГИС предъявляет к аппаратным средствам компьютера.

Топологические векторные структуры данных по своей природе сложны, а процессы их использования требуют интенсивных расчетов, существенно больших, чем работа с обычной векторной графикой, в том числе и в части операций с плавающей точкой. Серьезные приложения часто требуют работы с длинными целыми и действительными числами двойной точности. Для работы с ГИС нужны дисплеи высокого разрешения и быстрый графический адаптер или акселератор, причем требования к палитре жестче, чем в САПР. Они скорее аналогичны требованиям к издательским системам профессиональной полиграфии. Особенно высокие требования к скорости отрисовки предъявляет типичная для ГИС (и менее типичная для САПР) задача заливки штриховками большого числа замкнутых многоугольников (полигонов) сложной формы.

Серьезные проекты с использованием ГИС требуют работы с большими объемами данных, от сотен мегабайт до нескольких десятков гигабайт. Особенно высокие требования к объемам дисковой и основной памяти, а также к быстродействию компьютера, предъявляют ГИС с обработкой изображения в виде растровых структур, например, в задачах геометрической коррекции аэроснимков, моделирования природных процессов и при работе с рельефом земной поверхности. Один цветной аэроснимок высокого разрешения стандартного формата, если перевести его в цифровую форму без потери "точности" (24 bit, 1200 dpi) занимает около 200 Мб. Во многих задачах регионального характера требуется использовать совмещенную и геометрически откорректированную мозаику из многих таких снимков, тем более, что признано целесообразным использовать растровую подложку из такой мозаики аэро- или космических снимков (digital orthophoto) в качестве базового слоя для векторных карт, т.е. фотоснимки "впечатываются" в изображение карты. То же замечание справедливо и для работы с аэрокосмическими снимками, которые, как правило, должны обрабатываться различными способами, чтобы избирательно выделить на них различную информацию (операции различного рода фильтрации, преобразования контраста, операции с использованием быстрого преобразования Фурье, классификационные алгоритмы, дискриминантный, кластерный и факторный анализ, а также метод главных компонент). Поэтому вместо того, чтобы хранить десятки версий обработки, что потребовало бы до сотен Гбайт на 1 кадр, рациональнее выполнять их по требованию. Современные специализированные рабочие станции справляются с такой задачей, для ПК же она еще трудна. Иногда операция с одним кадром на ПК длится несколько минут. Когда необходимо моделировать сложные природные процессы, в частности распространение загрязнения, лесных пожаров, либо применять данные аэрокосмических съемок, использование специализированной рабочей станции неизбежно.

Следует отметить, что скорость накопления объемов аэрокосмических (особенно космических) данных пока идет в том же темпе или даже опережает темпы роста вычислительных мощностей ПК и рабочих станций. Действительно, ежемесячно над каждым участком Земли размером с большой город собирается не менее 800-1000 Мбайт спутниковых изображений. И если даже учесть, что половина их по условиям облачности непригодна для использования в ГИТ- приложениях, все равно это составляет огромный поток. И еще одно замечание: разрешение систем сбора дистанционной информации постоянно растет, а увеличение геометрического разрешения на местности с 20 до 10 м увеличивает объем данных в 4 раза. Так что каждые 2-4 года компьютерная система должна в несколько раз увеличивать свою производительность, чтобы не отстать от темпов развития устройств сбора информации. Отсюда ясно, что еще длительное время технической основой мощных полнофункциональных ГИС с аналитическими функциями будут оставаться специализированные рабочие станции.

Еще одним моментом, который обуславливает необходимость обращения существенного внимания к рабочим WVZY-станциям является тот факт, что сегодня основные пакеты наиболее "серьезных" ГИС еще не переведены на ПК.

Основными направлениями использования ПК при работе с ГИС в настоящее время являются:

* использование ПК в качестве терминалов совместно с рабочими станциями для работы с большими ГИС (ARC/INFO);

* использование ПК в качестве станций ввода и модификации цифровых карт местности с дигитайзера или сканера (PC ARC!INFO, ArcCAD);

* использование ПК для ГИТ-проектов с небольшим объемом единовременно активной информации (PC ARC/INFO, ArcCAD, ArcView);

* использование ПК в учебных целях, для знакомства с методологией ГИТ;

* использование ПК на начальных стадиях больших проектов, когда объем базы данных еще не вырос, не требуется полная функциональность на больших объемах и требуется еще доказывать полезность использования ГИТ и необходимость вложения серьезных средств.

Так как современные ГИС представляют собой, как правило, сложные программно-информационные комплексы, разработанные специально для применения в конкретных областях информационной деятельности или для решения специализированных задач, то в их состав входят:

* операционная система;

* ядро прикладного программного обеспечения;

* модули тематической обработки данных;

* интерактивный интерфейс пользователя.

К модулям тематической обработки данных относятся:

* программное обеспечение ввода-вывода данных;

* прикладное программное обеспечение анализа векторной и растровой информации;

* СУБД;

* программное обеспечение распознавания образов;

* программное обеспечение выбора картографической проекции;

* программное обеспечение для преобразования изображений;

* программное обеспечение картографической генерализации;

* программное обеспечение генерации условных знаков и т.д.

3. Области применения ГИС

Ученые подсчитали, что 85% информации, с которой сталкивается человек в своей жизни, имеет территориальную привязку. Поэтому перечислить все области применения ГИС просто невозможно. Этим системам можно найти применение практически в любой сфере трудовой деятельности человека.

ГИС эффективны во всех областях, где осуществляется учет и управление территорией и объектами на ней. Это практически все направления деятельности органов управления и администраций: земельные ресурсы и объекты недвижимости, транспорт, инженерные коммуникации, развитие бизнеса, обеспечение правопорядка и безопасности, управление ЧС, демография, экология, здравоохранение и т.д.

ГИС позволяют точнейшим образом учитывать координаты объектов и площади участков. Благодаря возможности комплексного (с учетом множества географических, социальных и других факторов) анализа информации о качестве и ценности территории и объектов на ней, эти системы позволяют наиболее объективно оценивать участки и объекты, а также могут давать точную информацию о налогооблагаемой базе.

В области транспорта ГИС давно уже показали свою эффективность благодаря возможности построения оптимальных маршрутов как для отдельных перевозок, так и для целых транспортных систем, в масштабе отдельного города или целой страны. При этом возможность использования наиболее актуальной информации о состоянии дорожной сети и пропускной способности позволяет строить действительно оптимальные маршруты.

Учет коммунальной и промышленной инфраструктуры - задача сама по себе не простая. ГИС не только позволяет эффективно ее решать, но и также повысить отдачу этих данных в случае чрезвычайных ситуаций. Благодаря ГИС специалисты различных ведомств могут общаться на общем языке.

Интеграционные возможности ГИС поистине безграничны. Эти системы позволяют вести учет численности, структуры и распределения населения и одновременно использовать эту информацию для планирования развития социальной инфраструктуры, транспортной сети, оптимального размещения объектов здравоохранения, противопожарных отрядов и сил правопорядка.

ГИС позволяют вести мониторинг экологической ситуации и учет природных ресурсов. Они не только могут дать ответ, где сейчас находятся "тонкие места", но и благодаря возможностям моделирования подсказать, куда нужно направить силы и средства, чтобы такие "тонкие места" не возникали в будущем.

С помощью геоинформационных систем определяются взаимосвязи между различными параметрами (например, почвами, климатом и урожайностью сельскохозяйственных культур), выявляются места разрывов электросетей.

Риэлторы используют ГИС для поиска, к примеру, всех домов на определенной территории, имеющих шиферные крыши, три комнаты и 10-метровые кухни, а затем выдачи более подробного описания этих строений. Запрос может быть уточнен введением дополнительных параметров, например, стоимостных. Можно получить список всех домов, находящих на определенном расстоянии от конкретной магистрали, лесопаркового массива или места работы.

Компания, занимающаяся инженерными коммуникациями, может четко спланировать ремонтные или профилактические работы, начиная с получения полной информации и отображения на экране компьютера (или на бумажных копиях) соответствующих участков, скажем водопровода, и заканчивая автоматическим определением жителей, на которых эти работы повлияют, с уведомлением их о сроках предполагаемого отключения или перебоев с водоснабжением.

Для космических и аэрофотоснимков важно то, что ГИС могут выявлять участки поверхности с заданным набором свойств, отраженных на снимках в разных участках спектра. В этом - суть дистанционного зондирования. Но на самом деле эта технология может с успехом применяться и в других областях. Например, в реставрации: снимки картины в разных областях спектра (в том числе и в невидимых).

Геоинформационная система может использоваться для осмотра как больших территорий (панорама города, штата или страны), так и ограниченного пространства, к примеру, зала казино. С помощью этого программного продукта управленческий персонал казино получает карты с цветовым кодированием, отражающим движение денег в играх, размеры ставок, взятие "банка" и другие данные из игорных автоматов.

ГИС помогает, например, в решении таких задач, как предоставление разнообразной информации по запросам органов планирования, разрешение территориальных конфликтов, выбор оптимальных (с разных точек зрения и по разным критериям) мест для размещения объектов и т. д. Требуемая для принятия решений информация может быть представлена в лаконичной картографической форме с дополнительными текстовыми пояснениями, графиками и диаграммами.

ГИС служат для графического построения карт и получения информации, как об отдельных объектах, так и пространственных данных об областях, например о расположении запасов природного газа, плотности транспортных коммуникаций или распределении дохода на душу населения в государстве. Отмеченные на карте области во многих случаях гораздо нагляднее отражают требуемую информацию, чем десятки страниц отчетов с таблицами.

Размещено на Allbest.ru

...