1. ВОЗМОЖНОСТИ ГИС И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
1.1 Общие сведения о геоинформационных системах
Информатизация и развитие компьютерных технологий охватили все сферы жизни современного человека. В области современных технологий ведущую роль играют технологии, основанные на достижениях информатики, как комплекса наук и методов обработки, хранения, передачи информации. Не исключением является область обработки географической информации. Современная география и наука о Земле в основном полагается на цифровые пространственные данные, полученные с помощью технологий дистанционного зондирования, обработанные и визуализированные с помощью специальных географических информационных систем. В этой связи в информатике выделилось самостоятельное крупное направление – геоинформатика.
Под геоинформатикой принято понимать научно-технический комплекс, объединяющий информатику, технологию и прикладную деятельность, которые связаны с разработкой и реализацией ГИС. Данный комплекс формируется на стыке географии, информатики, теории информационных систем, картографии и других дисциплин с привлечением системного подхода и новейших достижений в области вычислительной техники.[2].
Современные ГИС представляют собой новый тип интегрированных информационных систем. Геоинформационные системы – это автоматизированные информационные системы, предназначенные для обработки пространственно-временных данных, основой интеграции которых является графическая информация.
Основные цели ГИС:
? объединение в единую систему пространственной информации и информации других типов, а также создание согласованной структуры для анализа географических и пространственных данных;
? открытие новых путей обработки и использования географических знаний и их отображения благодаря переводу карт и других источников пространственной информации в цифровую форму;
? обеспечение взаимосвязи между различными видами деятельности, основываясь на данных о географической близости.
Выделяют несколько общих задач, решаемых ГИС:
? создание высококачественной картографической продукции;
? связывание графических объектов с информацией в базах данных;
? представление данных в виде карт, диаграмм, графиков, схем;
? анализ пространственных данных, моделирование обстановки;
? интегрирование данных из разных источников информации;
? взаимодействие с другими информационными системами и технологиями.
ГИС может использоваться для научных исследований, управления природными ресурсами и планирования развития. В строгом смысле ГИС – это компьютерная система, позволяющая компоновать, сохранять, манипулировать и отображать справочную географическую информацию, то есть данные идентифицируются в соответствии со своим положением.
Существует несколько принципов построения ГИС. Первым из них является комплексность, то есть ГИС представляется как комплекс программного, аппаратного, информационного обеспечения управляемый специальным персоналом. Вторым принципом является пространственность, это значит, что ГИС – инструмент, работающий с любыми данными распределенными в пространстве и имеющими свою систему координат. ГИС также позволяет осуществлять операции с данными, не имеющими пространственной привязки, но основная функциональность ГИС ориентирована именно на работу с пространственными данными. Заключительным третьим принципом является связанность – наличие тесной взаимосвязи между пространственной и атрибутивной информацией. В рамках ГИС впервые эти два типа информации были тесно объединены, во многом это определило появление ГИС в виде отдельной области программного обеспечения. Как уже было сказано выше, ГИС часто называют системой управления базами данных (СУБД) с возможностью создания карт или системой цифровой картографии с расширенной поддержкой баз данных.
Любая ГИС включает в себя пять основных элементов, формирующих понятие информационной системы.[3].
Аппаратные (технические) средства включают системный блок, дисплей, клавиатуру, устройства ввода и вывода информации, ее анализа, преобразования, хранения.
Эффективность применения ГИС во многом определяют используемые методы и правила, то есть совокупность приемов (способов) достижения цели, а также точность составления плана выполнения работ, который разрабатывается в соответствии со спецификой решаемых в каждой организации задач. Методы и правила регламентируют поведение операторов, делая их стандартными в процессе эксплуатации системы и содержащегося в нем программного обеспечения.
Данные являются наиболее важным компонентом ГИС. Данные о пространственном положении (географические данные) и связанная с ними табличная (атрибутивная) информация формируются непосредственно пользователем ГИС или приобретаются у поставщиков на коммерческой или другой основе. В ГИС эти данные интегрируются с другими типами и источниками информации. При этом различными организациями могут применяться внешние, более мощные системы управления базами данных, для упорядочивания и использования имеющихся в их распоряжении сведений.
ГИС предназначены для широкого круга пользователей и специалистов, которые непосредственно применяют конкретный программный продукт. При этом можно выделить первичных пользователей или операторов, осуществляющих непосредственное взаимодействие с системой, и вторичных, являющихся обычными потребителями информации, то есть юридическими или физическими лицами. Вторичные пользователи используют ГИС для решения своих производственных, научных и прочих задач.
Программное обеспечение ГИС содержит инструментарий, необходимый для ввода, визуализации, анализа, преобразования, хранения, а также вывода атрибутивной и пространственной информации на какой-либо носитель (например, принтер или в другие системы).
В настоящее время нет единой классификации ГИС, которая бы охватывала все имеющиеся системы.
В зависимости от степени автоматизации информационных процессов в сфере управления, геоинформационные системы подразделяются на автоматические и автоматизированные. Автоматические геоинформационные системы обеспечивают обработку информации на определенном этапе ее преобразования без участия человека (оператора). Автоматизированные геоинформационные системы, в отличие от этого, предполагают непрерывное взаимодействие оператора и тп.
По назначению можно выделить ГИС, используемые для поддержания процесса принятия решения, а также создания справочных и офисных систем. Системы поддержки принятия решения представляют собой информационные системы, в которых с помощью запросов производятся отбор и анализ данных по временным, географическим и прочим показателям. Современные информационно-справочные системы формируются главным образом в виде гипертекстовых документов и мультимедиа. Офисные системы обеспечивают перевод в электронный вид документов, представленных на бумажной основе, для целей автоматизации делопроизводства.
С учетом функциональных возможностей ГИС можно выделить следующие основные группы:
? инструментальные ГИС – это системы с наиболее широкими возможностями, включающие подсистемы ввода данных, подсистемы пространственного моделирования и анализа данных, мощные средства запросов, средства вывода информации на твердые носители, средства расширения возможности систем;
? ГИС-вьюеры (вьюверы) представляют собой системы сопровождения инструментальных ГИС и предназначены для просмотра информации. Они также позволяют формировать информационные запросы и корректировать данные;
? справочные картографические системы являются аналогом ГИС-вьюеров (вьюверов). Они содержат встроенные базы данных, которые пользователь не может редактировать, и в них отсутствуют средства расширения, обновления и корректировки данных;
? средства обработки данных дистанционного зондирования. [4].
В процессе классификации по охвату описываемой территории, в зависимости от масштабного ряда и цифровой картографической информации, составляющей базы данных, можно выделить глобальные, общенациональные, региональные, локальные и муниципальные ГИС, обеспечивающие потребителей информацией в указанных границах.
По топологии ГИС подразделяются на топологические и нетопологические. Топологические ГИС обеспечивают связь между объектами и их элементами, которая может быть разорвана только по желанию пользователя. Такие ГИС используются для решения многих задач пространственного анализа (определение расстояний между объектами, видимости между ними и т. д.).
По типу представления данных различают системы, работающие с двумерной графикой, и системы, работающие с трехмерной графикой. Во втором случае пользователям предоставляются широкие возможности по формированию объемных изображений объектов, а также по изучению рельефа без выхода на местность.
С учетом аппаратных средств и программного обеспечения можно выделить два класса ГИС: инструментальные и ГИС-приложения.
Инструментальные ГИС могут быть полнофункциональными, узкоспециализированными и настольно-картографическими. Они обеспечивают формирование сложных запросов и пространственный анализ.
ГИС-приложения ориентированы на одну из предметных областей и обычно создаются на базе инструментальных ГИС. Основой интеграции данных в ГИС служит географическая информация. Однако некоторые задачи, решаемые средствами геоинформационных систем, не связаны с местоположением объектов. По формальному признаку они относятся к информационным системам, но по своему функциональному назначению принадлежат к классу систем обработки данных и проведения экспертных оценок.
Классификация по типу используемых данных позволяет выделить системы, ориентированные на обработку векторной, растровой или гибридной информации. Выбор типа данных зависит от круга решаемых задач и финансовых возможностей пользователя. Данные могут быть импортированы из различных источников, например из геоинформационных систем какой-либо организации, Internet, коммерческих баз данных и т. д.
Все ГИС, представленные на современном рынке, с учетом архитектурных принципов построения, подразделяются на два типа: открытые и закрытые.
Открытые системы пользователь может изменять для решения специфических задач путем добавления своих модулей, используя встроенные в систему языки программирования. Таким образом, открытые системы, как правило, на 10-30 % могут быть расширены самим пользователем при помощи специального аппарата создания приложений.
Закрытые системы не имеют возможностей расширения. У них отсутствуют встроенные языки программирования. Кроме этого, они не предусматривают создание пользовательских приложений. Такие системы выполняют только то, что в них заложено разработчиком.
Классификация по масштабируемости означает эффективность обслуживания различного числа клиентов одновременно. Здесь можно выделить три основные группы: одиночные, групповые и корпоративные ГИС.
Классификация ГИС по проблемной ориентации зависит от области их применения. Здесь можно выделить экологические, природопользовательские, социально-экономические, земельно-кадастровые системы, системы коммунального и городского хозяйства, чрезвычайных ситуаций, навигационные, транспортные, торгово-маркетинговые, археологические, учебные, исследовательские и прочие системы.
1.2 Функциональные возможности геоинформационных систем
Под функциональными возможностями ГИС понимается комплекс функций геоинформационных систем и соответствующего программного обеспечения, позволяющих пользователям решать свои научные, производственные и бытовые задачи.
ГИС не являются серийным продуктом, поскольку заказчик не может с самого начала точно представить себе все задачи, которые ему предстоит решать. Разработчики ГИС, как правило, имеют для них готовые модули, обеспечивающие выполнение одной из задач, например: поддержка устройств ввода и вывода, работа с базами данных, визуализация и анализ данных.
В процессе оформления заказа на геоинформационную систему согласовывается перечень модулей, необходимых конкретному заказчику. Некоторые модули могут быть созданы разработчиками в индивидуальном порядке. На рисунке 3 показаны основные функции ГИС, которые обеспечивают пользователям решение широкого круга задач. [6].
Ввод данных в ГИС представляет собой операцию чтения информации с различных носителей. Данные перед вводом в ГИС должны быть преобразованы в цифровой формат. Этот процесс называется оцифровкой и в современных ГИС может быть автоматизирован за счет применения сканерной технологии, что особенно важно для реализации крупных проектов. Если объемы работ незначительны, то целесообразно использовать дигитайзеры, которые также позволяют преобразовывать изображения в цифровую форму. Некоторые ГИС имеют встроенные векторизаторы, автоматизирующие процесс оцифровки растровых изображений. Ввод цифровой информации в ГИС может осуществляться с клавиатуры, из GPS-приемников, систем дистанционного зондирования, фотограмметрических приборов, электронных тахеометров, лазерных и магнитных носителей информации, а также путем импортирования из других систем и посредством речевого ввода. Устройство речевого ввода данных, как правило, включает микрофон, анализатор речевых звуков и блок их распознавания, блок эталонов звуков и блок их кодирования для ввода в компьютер.
Функция хранения, манипулирования и управления графической и атрибутивной (неграфической) информацией дает возможность пользователям осуществлять отбор, обновление, преобразование и хранение данных. Эта функция включает также статистические вычисления, поддержание пользовательских запросов и представление полученных результатов.
В небольших проектах географическая информация может храниться в виде обычных файлов. При увеличении объема информации для ее структуризации и хранения целесообразно применять системы управления базами данных (СУБД) и специальные компьютерные средства для работы с интегрированными наборами данных. Как правило, в современных ГИС используются реляционные модели данных, которые обеспечивают хранение информации в табличной форме. Манипулирование данными осуществляется в целях упорядочения информации по какому-либо полю (полям), а также ее поиска, редактирования и предоставления пользователям по их запросам.
Вывод данных является одним из важнейших этапов, в результате которого реализуется возможность изучения информации, ее корректировки и предоставления потребителю в удобном для него виде. Информация может быть представлена в графической, текстовой или табличной форме. К основным устройствам вывода данных относятся: монитор, принтер, графопостроитель, магнитные и лазерные носители информации, а также другие информационные системы (операция экспорта).
Картометрические операции представляют собой процесс выполнения различных измерений по карте для определения геометрических параметров пространственных объектов (например, длины линий, периметры и площади замкнутых объектов), а также оценки полученных результатов.
Генерация пользовательских запросов и документирование. Если в ГИС имеется необходимая информация, то предоставляется возможность получать ответы как на простые вопросы (кто владелец данного земельного участка), так и на более сложные запросы, требующие дополнительного анализа (например, где выбрать площадку для строительства нового дома с учетом сложившейся застройки). Решение таких задач осуществляется посредством использования Structured Query Language (SQL), что в переводе означает «язык структурированных запросов». Запрос – это поиск на электронной карте (плане) нужной информации и выделение каким-либо условным знаком объектов, соответствующих теме запроса.
Информация, предоставляемая пользователям по их запросам, должна не только удовлетворять поставленным условиям, но также быть формализована, то есть представлена в виде единых унифицированных форм документов, отчетов, графиков, таблиц, схем и т. д. Реализация вышеуказанных действий может быть осуществлена посредством встроенных языков программирования и макросов.
Оверлейные операции являются одними из самых мощных и распространенных аналитических алгоритмов, используемых в среде ГИС. Эти операции основаны на наложении двух и более разноименных картографических слоев и создании производных объектов, возникающих при их геометрическом наложении. Атрибутивная информация, привязанная к исходным объектам, может наследоваться производными объектами напрямую или с использованием различных вычислительных алгоритмов (вычисление среднего, суммирование и др.). Оверлейные операции обеспечивают реализацию одной из основных функций геоинформационных систем, которые предназначены для наложения друг на друга различных слоев, представленных в цифровой форме, в целях комплексного изучения содержания электронной карты.
Моделирование данных представляет собой процедуру преобразования пространственных данных, включающую совокупность правил формирования структуры таблиц и взаимосвязей информации в базах данных. Геоинформационное моделирование – это процесс преобразования моделей пространственных объектов, обеспечивающий корректировку их форм по изменившимся значениям таблиц баз данных.
Настройка геоинформационной системы на требования пользователя предназначена для ее адаптации под конкретные требования пользователей, которыми могут являться физические или юридические лица, использующие ГИС для решения своих научных, производственных или бытовых задач.
Визуализация данных обеспечивает отображение информации на экране монитора, ее масштабирование, перемещение, редактирование, а также создание и использование библиотеки условных обозначений в растровом или векторном форматах. Функция визуализации цифровой информации позволяет решать задачи по выявлению пространственно-логических отношений.
Преобразование пространственных данных. В процессе работы с данными возникает задача их преобразования для последующего картографического отображения и представления в удобном для пользователя виде. Сюда включаются операции по реструктуризации данных, которые обеспечивают, например, изменение размера ячеек растрового изображения, перевод данных из одного формата в другой. Процедура преобразования данных реализует задачу трансформации координат объектов при переходе из одной проекции в другую, а также перевычисление прямоугольных координат точек в географические (или географических координат в прямоугольные). Кроме перечисленного, данная функция позволяет осуществлять конвертирование данных в различные форматы в процессе реализации функций экспорта и импорта, а также растрово-векторное и векторно-растровое преобразование данных для последующего использования в различных ГИС.
Пространственный анализ является наиболее важной функцией, которая базируется главным образом на процессах визуализации объектов электронной карты (плана). На основании пространственного анализа решаются задачи по выявлению наличия пересечений и примыканий объектов, а также многие другие операции. Современные ГИС имеют множество мощных инструментов для пространственного анализа, среди которых наиболее значимы анализ видимости, близости и наложения.
Анализ видимости обеспечивает определение прямой видимости (или невидимости) между изучаемыми объектами с учетом рельефа местности и окружающих строений. Для проведения анализа близости объектов относительно друг друга в ГИС применяется процесс, называемый буферизацией. Буферные зоны формируются эквидистантными линиями (то есть равноудаленными друг от друга), отражающими область действия каких-либо факторов. Под буферной зоной понимается территория, отделяющая две или несколько зон различного функционального назначения. Такие зоны создаются, например, для выделения опасных территорий вокруг аварийных объектов. Они могут быть рассчитаны по нормативам предельно-допустимых концентраций вредных веществ с учетом мощности концентрации, направления ветров, рельефа местности, а также сферы распространения вредных веществ, вибрации, шума и т. д.
При этом можно решать ряд практических задач, например, определить количество домов, расположенных в радиусе пятисот метров от указанного учреждения, подсчитать численность населения в конкретной зоне и т. д. Использование процесса буферизации предоставляет возможность решать проблемы водопользования, размещения объектов культурно-бытового назначения и т. д.
Процесс наложения информации обеспечивает интеграцию данных, расположенных в различных тематических слоях. Кроме обычного отображения объектов, здесь могут быть применены операции их физического объединения. Таким образом, могут быть решены различные задачи, связанные с определением рельефа местности, величины уклона и т. д.
1.3 Применение ГИС для решения научных задач
Геоинформатика как научная дисциплина, изучает природные и социально-экономические геосистемы (их структуру, взаимосвязи, динамику, функционирование в пространстве и времени) посредством компьютерного моделирования. Применения геоинформационных систем тесно связано с наукой картографией. Таким образом, ГИС в настоящее время используются областью наук, которые являются смежными картографии, а также используют ее научные методы (география, геология, сейсмология, тектонофизика, навигация и другие).
Программные продукты ГИС применяются в научной среде в целях аналитического вывода информации, решения научных и прикладных географических задач, прогнозирования различных динамических процессов на Земле (таких как: океанические течения, движение литосферных плит, температурный режим, погодные условия), оценки природных ресурсов и антропогенного воздействия на них, мониторинга природных явлений. К прикладным географическим задачам относятся: инвентаризация, анализ, моделирование, прогнозирование и управление окружающей средой и территориальной организацией общества
Структура данных ГИС определяются объектами информационного моделирования, какими являются как собственно феномены реальности (лес, земля, вода, население, хозяйство), так и процессы (наводнении, загрязнение окружающей среды, миграционные процессы), а также нематериальные объекты, или идеи.
Под «данными» в среде ГИС понимаются «объекты о явлениях реального мира; результаты наблюдений и измерений этих объектов. Элемент данных содержит три главных компонента: атрибутивные сведения, которые описывают сущность (семантику), характеристики, переменные, значения и тому подобные его квалификации: географические сведения, характеризующие его положение в пространстве относительно других данных; временные явления, описывающие момент или период времени, для которого предоставляются данные. Они рассматриваются как объект обработки и основа для получения информации.
2. ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В СФЕРЕ УЧЕТА И ОЦЕНКИ ОБЪЕКТОВ НЕДВИЖИМОСТИ
Геоинформационные системы могут быть классифицированы по проблемной ориентации — решаемым научным и прикладным задачам. Таковыми задачами могут быть инвентаризация ресурсов, среди которых и располагается кадастр, анализ, оценка; мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений, геомаркетинг. Кроме того, интегрированные геоинформационные системы совмещают функциональные возможности и систем цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) в единой интегрированной среде.
ГИС земельного кадастра включает технологическую цепочку, состоящую из звеньев:
? Составление цифровых картографических моделей земельных участков на основе оцифровки исходных материалов;
? Формирование атрибутов данных;
? Разработка структуры БД (формирование справочника);
? Заполнение атрибутов БД;
? Создание топологии площадных, линейных и точечных объектов;
? Организация и построение тематических слоев, обеспечивающих возможности пространственного анализа.
Основные процедуры, обеспечивающие ГИС в земельно-кадастровых системах:
? Осуществление запросов к БД разных иерархических уровней;
? Визуализация результатов запросов;
? Пространственный анализ для обеспечения задач земельного кадастра и землеустройства проектирования;
? Оценка земельных участков.
ГИС обеспечивает автоматизацию процессов оценки в кадастровой системе во всем многообразии форм оценки от бонитировки почв до оценки инвестиционной привлекательности земельного участка.[7].
Основные положения, обеспечивающие эффективное функционирование ГИС в системе земельного кадастра:
? Создание подробной (топографической) цифровой телоосновы, выполненной в единой проекции, в единой системе координат;
? Унификация исходящих данных, поставляемых в кадастровую систему из разных источников информации;
? Унификация системы кодирования разных типов информации;
? Использование единого программного обеспечения для ведения разнообразных кадастровых систем;
? Организация обмена информацией (свободного) между всеми участками кадастрового процесса.
Потребность кадастра оперировать данными и информацией, имеющими пространственную привязку, обусловила необходимость использования компьютерных систем с географической информацией. Такие системы получили название географических информационных систем - ГИС. В разных системах и регионах используются решения на разных ГИС-платформах.
