ГИС - это современная компьютерная технология для картирования и анализа объектов реального мира, также событий, происходящих на нашей планете. Технология объединяет традиционные операции работы с базами данных, такими как запрос и статистический анализ, с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Это и отличает ГИС от других информационных систем и обеспечивает уникальные возможности для ее применения в широком спектре задач. Такие задачи могут быть связанных с анализом и прогнозом явлений и событий окружающего мира, с осмыслением и выделением главных факторов и причин, а также их возможных последствий, а также с планированием стратегических решений и текущих последствий предпринимаемых действий.

Широкий спектр задач, стоящих перед системами экологического мониторинга, включает оперативный контроль энерго-экологического, социального и медико-биологического состояния ОС, а также оценку текущей картины состояния ОС, здоровья населения, факторов экологического неблагополучия региона, в том числе источников негативного воздействия на ОС и здоровье человека. Необходим системный анализ огромного массива взаимосвязанной разнородной информации, как правило, имеющей четкую зависимость от географического региона [37].

Наиболее полно всем перечисленным выше требованиям отвечают современные ГИС, представляющие собой новый тип интегрированных информационных систем. Эти системы с одной стороны включают методы обработки данных многих, ранее существовавших автоматизированных систем, а с другой обладают такой спецификой в организации и обработке данных, которая позволяет использовать ГИС в качестве основы современных систем управления. Это обуславливает повышенный интерес к ГИС.

Разработка ГИС началась более 30 лет назад. Тогда это были чисто географические данные. Их качественно новое изменение произошло в последние 7--8 лет, что в первую очередь связано с развитием вычислительной техники. Теперь в основе этих систем лежит принцип интеграции самых различных видов данных на базе географических данных, а в качестве их обработки принята технология систем автоматизированного проектирования.

Сегодня ГИС представляет собой организованный набор аппаратуры, программного обеспечения, геоданных и персонала, предназначенные для эффективного сбора, ввода, обновления, обработки, хранения, анализа и визуализации всех видов географически привязанной информации (пространственной, “картографируемой”). [37].

На первый взгляд достаточно очевидным является только применение ГИС в подготовке и распечатке карт и, может быть, в обработке аэро- и космических снимков. Реальный же спектр применений системы гораздо шире [37]:

Составные части ГИС.

Работающая ГИС включает в себя пять ключевых составляющих: аппаратные средства, программное обеспечение, данные, исполнители и методы.

Аппаратные средства. Это компьютер, на котором запущена программа ГИС. В настоящее время ГИС работают на различных типах компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров.

Программное обеспечение ГИС содержит функции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации. Ключевыми компонентами программных продуктов являются: инструменты для ввода и оперирования географической информацией; система управления базой данных (DBMS или СУБД); инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения); графический пользовательский интерфейс для легкого доступа к инструментам и функциям.

Данные. Это вероятно наиболее важный компонент ГИС. Данные о пространственном положении (географические данные) и связанные с ними табличные данные могут собираться и подготавливаться самими пользователями, либо приобретаться у поставщиков на коммерческой или другой основе. В процессе управления пространственными данными. ГИС интегрирует пространственные данные с другими типами и источниками данных, а также может использовать СУБД, применяемые многими организациями для упорядочивания и поддержки имеющихся в их распоряжении данных.

Исполнители. Широкое применение технологии ГИС невозможно без людей, которые работают с программными продуктами и разрабатывают планы их использования при решении реальных задач. Пользователями ГИС могут быть как технические специалисты, разрабатывающие и поддерживающие систему, так и обычные сотрудники (конечные пользователи), которым ГИС помогает решать текущие каждодневные дела и проблемы.

Векторная и растровая модели. ГИС может работать с двумя существенно отличающимися типами данных - векторными и растровыми, формируя векторные модели и растровые модели. Обе модели имеют свои преимущества и недостатки.

Рисунок 1. Представление объектов в векторном формате

В векторной модели информация о точках, линиях и полигонах кодируется и хранится в виде набора координат X,Y (Рисунок 1). Местоположение точки (точечного объекта), например, буровой скважины, описывается парой координат (X,Y). Линейные объекты, такие как дороги, реки или трубопроводы, сохраняются как наборы координат X,Y. Полигональные объекты, типа речных водосборов, земельных участков или областей обслуживания, хранятся в виде замкнутого набора координат. Векторная модель особенно удобна для описания дискретных объектов и меньше подходит для описания непрерывно меняющихся свойств, таких как типы почв или доступность объектов [38].

Растровая модель оптимальна для работы с непрерывными свойствами (Рисунок 2). Растровое изображение представляет собой набор значений для отдельных элементарных составляющих (ячеек), оно подобно отсканированной карте или картинке [37, 38, 39].

Рисунок 2. Представление объектов в растровом формате

Геообъекты, содержащиеся на карте, представляются совокупностью наборов точек, линий, контуров и ареалов, которые кроме определенного положения на карте имеют конкретные метрические значения: длину, ширину, площадь. Эта информация в ГИС образует класс координатных данных, которые являются частью общей модели данных в ГИС и описываются координатными моделями. В общем случае модели пространственных (координатных) данных в ГИС можно классифицировать по трем типам [39]:

- растровая модель;

- векторная модель, не содержащая топологических характеристик;

- векторная топологическая модель.

Растровые модели получают посредством отображения непрерывных поверхностей (цифровых пространственных моделей) геообъектов в набор дискретных ячеек (пикселей), образующих регулярную сеть. Каждой ячейке соответствует одинаковый по размерам, но разный по характеристикам (цвет, интенсивность, плотность) участок поверхности объекта. Упорядоченная совокупность таких атомарных моделей образует растр, который и является моделью карты или объекта. Растровые модели характеризуются следующими показателями.

Разрешение -- минимальный линейный размер реального объекта, отображаемого одним пикселем, который обычно представляет собой прямоугольник или квадрат. Более высоким разрешением (и, следовательно, более высоким качеством отображения) обладает растр с меньшим размером ячеек.

Значение -- элемент информации, хранящийся в пикселе. Это может быть целое или действительное число или символ, имеющее самостоятельное смысловое значение или являющееся ссылкой (кодом) для связи с атрибутивной базой данных.

Ориентация -- угол между направлением на север и положением колонок растра.

Зона растровой модели включает примыкающие друг к другу ячейки, имеющие одинаковое значение. Зоной могут быть, например, отдельные объекты, природные явления, ареалы типов почв, области распространения загрязнений и т.д. В отдельный класс выделяют так называемые буферные зоны -- зоны, границы которых удалены на известное расстояние от любого объекта на карте.

Основные характеристики зоны -- ее значение и положение. Положение обычно задается номером строки и столбца ячейки растра, которые однозначно определяют положение каждого элемента объекта, отображаемого в растре. Точность привязки элемента растра определяют как половину ширины и половину высоты ячейки растра.

Растровые модели широко применяются в том случае, когда требуется качественное представление данных, а не манипулирование ими, или их анализ. Например, при обработке аэрокосмических снимков отображения данных дистанционного зондирования Земли применяются растровые модели данных. Растровые модели также часто используются при изучении новых явлений. При этом данные собирают с равномерно расположенной сети точек и с помощью статистической обработки получают объективные характеристики исследуемых объектов.

К достоинствам растровых моделей следует отнести тот факт, что процесс их получения -- сканирование -- много проще алгоритмически, чем построение векторных моделей. В общем случае растровые данные хорошо сжимаются и при хранении в системе занимают меньше места, чем векторные данные. Кроме того, во многих растровых моделях предусмотрена возможность ввода векторных данных; в растровом виде также эффективнее решаются задачи построения буферных зон [39].

Вместе с тем при отображении реальных объектов в растровой модели занимается все графическое пространство, и, следовательно, для обработки и манипулирования данными в таких моделях требуются дополнительные преобразования (например, распознавание образов определенных объектов), большие объемы памяти и существенные затраты времени.

В целом векторные представления по сравнению с растровыми имеют ряд преимуществ:

- векторная технология эффективнее при выполнении расчетов;

- при хранении в исходном виде векторные файлы занимают меньший (в 100...1000 раз) объем памяти;

- векторные рисунки легко редактируются, масштабирование, и трансформирование векторных изображений в отличие от растровых происходят без искажений.

Векторные модели строятся на использовании векторов, занимающих лишь часть пространства, и поэтому на порядки эффективнее растровых моделей. Полная векторная модель данных ГИС включает:

- пространственную информацию, описывающую положение и форму географических объектов, и их пространственные связи с другими объектами;

- описательную информацию об этих объектах.

В векторных ГИС, для отображения графических объектов применяют набор базовых геометрических моделей (примитивов), из которых затем получают более сложное [38].

В ГИС используются следующие основные модели [37]:

- точка -- пара координат X, Y (узлы, вершины);

- линия незамкнутая (дуга) -- упорядоченный набор координат X, Y, причем координаты начала и конца не совпадают;

- контур (замкнутая линия) -- упорядочены набор координат вершин X, Y, причем координаты начала и конца совпадают;

- полигон -- площадной объект -- задается аналогично контуру.

Соответственно различают:

- точечные объекты, которые используются для изображения на карте объектов, размер которых слишком мал для изображения их линией или контуром;

- линейные объекты, т.е. объекты, не имеющие площади, xapaктеризующиеся только длиной и изображаемые линией или контуром;

- площадные объекты -- замкнутые объекты, ограничивающие однородную по каким-либо свойствам территорию, имеющие границу (контур) и площадь.

Каждому примитиву в ГИС ставится в соответствие системный порядковый номер (идентификатор) и хранимые вместе с ним координаты (Рисунок 3).

Рисунок 3. Пример основных моделей ГИС.

При создании медицинской информационной системы, частью которой является ГИС, данные должны быть организованы так, чтобы любая разнородная информация (заболеваемость, параметры загрязнения окружающей среды и пр.) была привязана географическому месту точек (Рисунок 4) [40].

Рисунок 4. Привязка информации к географическому месту точек.

Организовав соответствующим образом базы разнородных данных можно сформировать картографические слои, которые представляют полную информацию об объекте на карте [37,40].

Итак, геоинформационные системы (ГИС) - это новый взгляд на разнородные данные в пространстве. Этот инструмент, с реализованными в нем методами пространственного анализа (от простейших картирований до продвинутых геостатистических), помогает исследователю выявить неявные закономерности, выяснить причинно-следственные связи, найти приоритетные факторы, смоделировать и спрогнозировать ситуацию, правильно сформировать исследовательские задачи и принять эффективные управленческие решения [36,41].

В условиях крупного города для анализа территориального распределения показателей здоровья населения и ресурсов здравоохранения целесообразно применение ГИС-технологии, предоставляющей возможность визуальной и статистической оценки различий характеристик здравоохранения (например, показатели ресурсов здравоохранения, заболеваемость и др.) между территориями, опускаясь, при детализации объектов сравнения, вплоть до уровня кварталов и отдельных зданий. То есть, в существующем виде система может использоваться для выявления проблемных задач и ситуационных оценок. В случае совместного использования БД, характеризующих здоровье населения и влияющих на него факторов с территориальной "привязкой" соответствующих характеристик в ГИС, появляется возможность глубоко анализа причинно-следственных связей [36].

В РФ сегодня развиваются региональные ГИС уровня исполнительной власти, по интеграции геоданных и созданию единых геопорталов согласно Концепции создания и развития инфраструктуры пространственных данных Российской Федерации (РИПД), (Распоряжение Правительства Российской Федерации от 21 августа 2006 г. № 1157-р). Однако такие интерактивные карты, в основном несут справочных характер по расположению ЛПУ и, распространены не повсеместно сегодня в РФ [42] и следует принимать во внимание проблемы межведомственного взаимодействия между органами исполнительной власти в субъектах РФ, которые тормозят развитие аналитических возможностей ГИС-технологий для здравоохранения. Автор считает, что аналитические задачи и постановка таких задач должна быть на стороне органов управления здравоохранением субъекта и Территориальных управлений Роспотребнадзора, а также организаций подведомственных им (МИАЦ, Центров гигиены и эпидемиологии). В этом случае аналитические методы при помощи ГИС-технологии, в т.ч. рассматриваемые в настоящей диссертационной работе, будут распространены и приведут к быстрым и ощутимым результатам. Это мнение подтверждено многими специалистами с разны городов РФ, выступающими на Всероссийских конференциях «ГИС в здравоохранении РФ: данные, аналитика, решения» [42]

1.3 Информационная модель «Человек - окружающая среда - город»

Существует пространственная зависимость зависимости характеристик здоровья населения Санкт-Петербурга от некоторых факторов ОС [43].

Внешние факторы окружающие каждого человека в социуме - это социально-экономические факторы, метеорологические, физико-химические, физические, химические, психофизиологические и другие.

Психофизические факторы относятся к внутренним факторам воздействия. Они могут вызывать отклики у человека как отдельно от внешних факторов, так совместно с ними. Например: стрессовые ситуации ослабляют организм. Вследствие их сложной регистрации у каждого индивидуума в сообществе, а также - отсутствия единого понимания и объяснения факторов, которые могут вызвать отклики у организма, мы не рассматриваем психофизические факторы в работе.

Человеческое сообщество, живущее на определенной территории, имеет свои особенности. В модели территория жизнеобеспечения социума - это город. Город, как правило, является частью страны со своей политикой и экономикой. Таким образом, социально-экономические факторы, действующие на сообщество жителей города, сильно зависят от страны, в которой этот город расположен, от ее особенностей, традиций ее народа и тому подобное. Мы рассмотрим субъект Российской Федерации - город Санкт-Петербург и его жителей. Значимость социально-экономических факторов для нашей страны сильно зависит от выбора временного промежутка [21].

Человеческое сообщество (социум), функционируя на определенной территории, находится во взаимодействии, как с членами социума, так и с техносферой. В результате преобразования человеком естественной среды обитания, можно говорить уже о реальном существовании нового ее состояния - о техносфере. Понятие “техносфера” выражает совокупность технических устройств и систем вместе с областью технической деятельности человека. Ее структура достаточно сложна, так как включает в себя техногенное вещество, технические системы, живое вещество, верхнюю часть земной коры, атмосферу, гидросферу. Техносфера изменяет ландшафты. Город - яркий тому пример. Факторы, влияющие на человека внутри техносферы, мы будем называть факторами техносферы (производственные, химические, физические факторы) [14].

Таким образом, социум для поддержания своего жизнеобеспечения привязан к территории, на которой функционирует техносфера. Следовательно, социум и человек не может не подвергаться воздействию техносферы: химическим и физико-химическим факторам воздействия [36].

В соответствии с многозначительными клиническими исследованиями воздействия химических факторов на живое (и на человека в частности), приоритетным для рассмотрения является именно химические факторы. Кроме того, они измерены и присутствуют во всех компонентах ОС [43,44,45,46].

Значимость того или иного фактора, а также сам отклик объекта исследования, зависит от пути воздействия этого фактора, т.е. от компонента ОС.

К настоящему времени в Санкт-Петербурге сложилась экологическая ситуация, которую следует рассматривать как близкую к критической [28]. Территория города выделяется самой большой техногенной нагрузкой на ОС в регионах европейской части страны по комплексу показателей экологической опасности, что и обуславливает его проблемы; в частности более 40% территории занимают промышленные предприятия и обслуживающие их структуры. Почти 1000 крупных индустриальных объектов, так или иначе, загрязняют природную среду [28].

Приоритетным загрязнителем атмосферы города является предприятия топливно-энергетического комплекса, металлургии, металлообработки и более всего автотранспорт (78%). Наибольший вклад в массу выбросов промышленных предприятий вносят пыль, диоксид азота, диоксид серы и оксид углерода, а также вещества из первого класса опасности - это свинец, кадмий и сажи [28].

Откликом на изменение окружающей среды и, как следствие, отклонением от нормального состояния каждого индивидуума человеческого общества, может являться заболеваемость [23,33,36].

В результате получаем упрощенную модель воздействия загрязняющих веществ в атмосфере и почве на население Санкт-Петербурга (Рисунок 5)

Рисунок 5. Общая модель воздействия факторов среды на человека - жителя города (подготовлена автором на основе [43]).

Характеристики Факторов.

При изучении проблемы состояния здоровья населения выяснилось, что на здоровье населения оказывают влияние следующие факторы [18]:

социальные условия и образ жизни (50-52%);

генетический статус (20-22%);

состояние ОС (18-20%);

состояние здравоохранения (7-12%).

Социальными факторами, как наименее измеримыми с т.з. технических систем, мы пренебрегаем. Вместе с тем, уже сегодня имеются данные, что до 77% всех случаев заболеваний, более 50% смертей и около 60% неправильного физического развития связаны, так или иначе, с условиями изменяющейся ОС.

В России в течение ближайших 30 лет при сохранении существующих тенденций развития народного хозяйства и экономики, состояние здоровья населения будет на 50-70% определяться качеством ОС. Под последним понимается “совокупность условий, обеспечивающих здоровье человека, то есть соответствие среды жизни человека его потребностям, интегрально отражаемое средней продолжительностью жизни, мерой здоровья людей и уровнем их заболеваемости, стандартизированных для данной группы населения” [14].