1. ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ: ПОНЯТИЙНЫЙ АППАРАТ И ОСНОВНЫЕ ПОДСИСТЕМЫ
1.1. Геоинформационные системы как подход к отображению пространства
Географическая информационная система (ГИС) является цифровой средой для сбора, управления и анализа данных с учетом их территориального распределения. ГИС, как научная концепция и ее воплощение с использованием программного обеспечения, основана на географическом подходе к описанию и пониманию нашего мира, объединяя множество типов данных. Она анализирует информацию на основе местоположения и организует ее в тематические слои, обеспечивает ее визуализацию с использованием карт и трехмерных сцен. Благодаря этой уникальной возможности ГИС позволяет получить глубокое понимание свойств данных, выявить их пространственные закономерности, взаимоотношения, помогая лучше понять ситуацию и принимать более взвешенные решения.
Сотни тысяч организаций практически во всех областях используют ГИС для создания интеллектуальных карт, которые обеспечивают наглядное представление данных, выполнение продвинутого анализа, облегчают обмен информацией и помогают решать сложные проблемы. Это меняет наше понимание процессов, происходящих в мире и влияющих на его преобразование
В качестве источников данных для создания ГИС служат: - картографические материалы (топографические и общегеографические карты, карты административно-территориального деления, кадастровые планы и др.). Так как получаемые с карт данные имеют пространственную привязку, они используются в качестве базового слоя ГИС; - данные дистанционного зондирования (ДДЗ), прежде всего, материалы, получаемые с космических аппаратов и спутников. При дистанционном зондировании изображения получают и передают на Землю с носителей съемочной аппаратуры, размещенных на разных орбитах. Полученные снимки отличаются разным уровнем обзорности и детальности отображения объектов природной среды в нескольких диапазонах спектра (видимый и ближний инфракрасный, тепловой инфракрасный и радиодиапазон). Благодаря этому с применением ДДЗ решают широкий спектр экологических задач.
К методам дистанционного зондирования относятся также аэро- и наземные съемки, и другие неконтактные методы, например гидроакустические съемки рельефа морского дна. Материалы таких съемок обеспечивают получение как количественной, так и качественной информации о различных объектах природной среды;
-результаты геодезических измерений на местности, выполняемые нивелирами, теодолитами, электронными тахеометрами, GPS приемниками и т. д.;
- данные государственных статистических служб по самым разным отраслям народного хозяйства, а также данные стационарных измерительных постов наблюдений (гидрологические и метеорологические данные, сведения о загрязнении окружающей среды и т. д).
- литературные данные (справочные издания, книги, монографии и статьи, содержащие разнообразные сведения по отдельным типам географических объектов). В ГИС редко используется только один вид данных, чаще всего это сочетание разнообразных данных на какую-либо территорию.
1.2.Классификации геоинформационных систем
ГИС системы разрабатывают и применяют для решения научных и прикладных задач инфраструктурного проектирования, городского и регионального планирования, рационального использования природных ресурсов, мониторинга экологических ситуаций, а также для принятия оперативных мер в условиях чрезвычайных ситуаций и др.
Множество задач, возникающих в жизни, привело к созданию различных ГИС, которые могут классифицироваться по следующим признакам:
По функциональным возможностям:
- полнофункциональные ГИС общего назначения;
- специализированные ГИС, ориентированные на решение конкретной задачи в какой либо предметной области;
- информационно-справочные системы для домашнего и информационно-справочного пользования.
Функциональные возможности ГИС определяются также архитектурным принципом их построения:
- закрытые системы не имеют возможностей расширения, они способны выполнять только тот набор функций, который однозначно определен на момент покупки;
- открытые системы отличаются легкостью приспособления, возможностями расширения, так как могут быть достроены самим пользователем при помощи специального аппарата (встроенных языков программирования).
По пространственному (территориальному) охвату ГИС подразделяются на глобальные (планетарные), общенациональные, региональные, локальные (в том числе муниципальные). По проблемно-тематической ориентации – общегеографические, экологические и природопользовательские, отраслевые (водных ресурсов, лесопользования, геологические, туризма и т. д.).
По способу организации географических данных – векторные, растровые, векторно-растровые ГИС.
Основные компоненты геоинформационных систем.
К основным компонентам ГИС относят: технические (аппаратные) и программные средства, информационное обеспечение. Технические средства – это комплекс аппаратных средств, применяемых при функционировании ГИС. К ним относятся рабочая станция (персональный компьютер), устройства ввода-вывода информации, устройства обработки и хранения данных, средства телекоммуникации. Рабочая станция используется для управления работой ГИС и выполнения процессов обработки данных, основанных на вычислительных и логических операциях. Современные ГИС способны оперативно обрабатывать огромные массивы информации и визуализировать результаты. Ввод данных реализуется с помощью разных технических средств и методов: непосредственно с клавиатуры, с помощью дигитайзера или сканера, через внешние компьютерные системы. Пространственные данные могут быть получены с электронных геодезических приборов, с помощью дигитайзера или сканера, либо с использованием фотограмметрических приборов.
Устройства для обработки и хранения данных интегрированы в системном блоке компьютера, включающем в себя центральный процессор, оперативную память, запоминающие устройства (жесткие диски, переносные магнитные и оптические носители информации, карты памяти, флеш-накопители и др.). Устройства вывода данных – монитор, графопостроитель, плоттер, принтер, с помощью которых обеспечивается наглядное представление результатов обработки пространственно-временных данных.
Программные средства – программное обеспечение (ПО) для реализации функциональных возможностей ГИС. Оно подразделяется на базовое и прикладное ПО. Базовые программные средства включают: операционные системы (ОС), программные среды, сетевое программное обеспечение, системы управления базами данных, а также модули управления средствами ввода и вывода данных, систему визуализации данных и модули для выполнения пространственного анализа.
К прикладному ПО относятся программные средства, предназначенные для решения специализированных задач в конкретной предметной области. Они реализуются в виде отдельных модулей (приложений) и утилит (вспомогательных средств). Информационное обеспечение – совокупность массивов информации, систем кодирования и классификации информации. Особенность хранения пространственных данных в ГИС – их разделение на слои. Многослойная организация электронной карты, при наличии гибкого механизма управления слоями, позволяет объединить и отобразить гораздо большее количество информации, чем на обычной карте.
Ввод данных в ГИС.
Ввод данных – это процедура кодирования данных в форму понятную компьютеру и их запись в базу данных ГИС. Обычно процедура ввода данных включает в себя три основных шага – непосредственно сбор данных, редактирование, собранных данных и их очистку, и последний шаг – это геокодирование данных.
Существует несколько способов, а именно:
Ввод с помощью клавиатуры – используется главным образом для ввода атрибутивных данных и очень редко для ввода пространственных данных;
Ручное цифрование – широко используется для ввода пространственных данных, однако этот метод требует очень много времени, предъявляет высокие требования к квалификации исполнителя и допускает наличие ошибок.
Сканирование изображений – очень широко используется для ввода пространственных данных, однако, как и предыдущий метод имеет свои недостатки: часто полученные изображения требуют доработки и редактирования для улучшения качества; изображение должно преобразовываться в векторный формат и т.д.; но есть и свои преимущества, например использование данных дистанционного зондирования. Ввод существующих цифровых файлов – здесь существуют две проблемы: первая – это наличие необходимой Вам пространственной информации в формате, который "понимает" ваша ГИС и вторая – финансовая, то есть наличие средств, что бы эту информация приобрести. Получение данных по средствам систем точного позиционирования (GPS) или координатная геометрия – в основном используется для ведения земельного кадастра и учета землепользования. Очень дорогой метод, так как предполагает проведение полевых геодезических измерений или использование спутника. Основные проблемы можно разбить на три группы. Проблемы исходных картографических материалов. И первая проблема из этой группы – это старение исходных картографических материалов. Недостаточное финансирование предприятий Роскартографии и как следствие, очень большие сроки обновления карт. Например, на некоторые малообжитые, но перспективные нефтегазоносные территории Западной Сибири топографические карты средних масштабов не обновлялись около 30 лет. В результате, в ряде случаев создавать цифровые карты по имеющимся традиционным не имеет смысла по причине старения последних. Вторая проблема заключается в том, что процесс составления традиционной карты является творческим. Качество получаемой карты существенно зависит от квалификации ее составителя. Но каковы бы ни были его опыт и знания, известно, что человек существо ненадежное и субъективное. Следовательно, ошибки на картах при ручной технологии составления неизбежны, и с этим приходится либо мириться, либо искать альтернативные технологии. Указанные ошибки могут быть исправлены при их обнаружении в процессе составления карты, когда все исходные материалы под рукой. Но при цифровании они, как правило, неустранимы, так как отсутствуют первичные материалы (абрисы, аэроснимки, материалы дешифрирования и т.п.).
Наконец, проблема картографических материалов проявляется и в том, что карта, как канал передачи информации обладает определенными ограничениями, в частности на объем передаваемой информации. Например, при составлении карты из всех элементов ее содержания рельеф принято наделять наименьшим приоритетом. Поэтому при очень высокой плотности элементов ситуации горизонтали или подписи высот земной поверхности на карту не наносятся, чтобы избежать перегруженности карты. Как следствие, нередко на некоторых участках плана застроенных территорий рельеф представлен с недостаточной точностью. При создании цифровой модели рельефа программным путем земная поверхность на таких участках сглаживается так, что ошибки определения высот по модели могут намного превышать допуски, установленные для исходной карты.
Технологические проблемы. Сегодня эффективность технологий создания цифровых карт практически полностью определяется качеством программного обеспечения. Мы имеем импортное и отечественное программное обеспечение. Зарубежное программное обеспечение существенно дороже нашего; часто стоимость программных средств для одного рабочего места превышает стоимость оборудования. Отечественное программное обеспечение более приемлемо по стоимости, но его функциональные возможности часто не оправдывают ожиданий и не удовлетворяют потребностей производства. Кроме того, не всегда последующие версии программного обеспечения совместимы с предыдущими, и тогда приходится заново повторять цифрование. Одной из серьезных проблем в цифровом картографировании является отсутствие национальных стандартов на классификацию и кодирование топографической информации, и форматы обмена цифровыми топографическими данными.
Проблемы готовности потребителя к использованию цифровых карт. У подавляющего большинства потенциальных пользователей отсутствуют возможности внедрения геоинформационных систем, либо нет почти никакого представления о преимуществах их применения для управления территориями или распределенными в пространстве комплексами и системами, так как эти вопросы рассматривались до сих пор преимущественно в специальных изданиях. Основными причинами недостаточного распространения ГИС-технологий в России, являются: низкий общий уровень информатизации, слабая информированность о возможностях ГИС, отсутствие специалистов, дефицит программного обеспечения для решения задач конкретных пользователей и психологическая неготовность к применению новых технологий управления. Система контроля качества строится на определенных принципах:
На отдельных этапах технологий, создающих конечные и промежуточные виды продукции, обязательно выполняется входной и выходной контроль.
Самостоятельный контроль исполнителя - ежесменная самокорректура в конце рабочего дня.
Контроль «во вторую руку», т.е. редактирование более квалифицированным исполнителем.
Контроль и приемка независимым структурным подразделением - ОТК.
Максимальная степень выполнения контроля программным способом.
Реализация принципа «цифрование с одновременным контролем» с наименьшим последующим редактированием.
Автоматизированная диспетчеризация последовательности технологических процессов, позволяющая «не забыть» выполнение каких либо процессов (особенно контрольных).
Постоянное редакционное сопровождение технологий (т.е. консультация с редактором карты).
Ведение формуляра создания цифровой картографической информации [ЦКИ](этапы создания, исполнители и ответственные на каждом этапе создания и контроля ЦКИ).
Вывод ГИС. По сравнению с возможностями традиционной картографии ГИС предоставляют принципиально новые возможности отображения пространственной информации при сохранении и обогащении старых картографических приемов. Обычные бумажные карты ограничены двумя измерениями, в рамки которых часто с большим трудом укладывается многообразие трех - и четырехмерных пространственно - временных объектов и явлений. Ограничения полиграфических возможностей или умений у картографа отражаются на внешнем виде карт: одинаковая толщина и цвет линий, бедная цветовая гамма, неравномерность окраски или штриховки и т. д. Машинно-генерируемые карты создаются при помощи специально разработанных устройств, включая широкоформатные мониторы, принтеры, графопостроители, устройства видеоанимации. Совмещаются растровые и векторные изображения, накладываются в различных комбинациях тематические слои, определяются различные шкалы градаций цвета, текстуры и тона заливки контуров, подключаются библиотеки динамически масштабируемых условных знаков и шрифтов, строятся трехмерные модели, возможен показ временных или пространственных серий карт (анимация). Разрабатываются и все шире внедряются в повседневную практику системы автоматизированного картографирования (Maplnfo, AtlasGIS и другие), давая возможность все большему количеству пользователей самостоятельно составлять и выпускать картографическую продукцию. Процесс вывода и представления информации, содержащейся в ГИС, включает в себя не только простой подбор тематических знаков, условных знаков и масштабов. Визуализация - это процесс преобразования (переноса) информации, закодированной в базе данных ГИС, в человеческий разум. Что собственно оператор-картограф пытается передать пользователю информации и какое отношение это имеет к содержанию базы данных? Информация в базе данных - формализованная версия объектов и явлений реальной действительности. Информация, передаваемая конечному пользователю в виде картографической продукции, должна передавать впечатление именно об этой реальной действительности, а не о базе данных.
Для процесса визуализации необходимо наличие следующих компонентов:
база данных, содержащая информацию;
аппаратные средства для отображения информации (монитор, Принтер и т. д);
визуальная система человека;
обработка воспринятого образа в мозгу человека.
Правильное восприятие зависит от функционирования всех этих компонентов, но главным является субъективное восприятие пользователя карт. Некоторые люди вообще не имеют навыков чтения карт, другие могут работать с самыми сложными и насыщенными информацией изображениями, но быстро теряют интерес и ищут альтернативныe источники. Процесс создания оптимальной для каждого конкретного случая карты - это своеобразная фильтрация содержащейся в базе данных информации с целью устранить нежелательную сложность, заказать образцы или тенденции. Визуализация должна использовать вариант детализации, необходимый конкретной категории пользователей, от общего краткого обзора до детального понимания. Эффективная визуализация требует хорошего понимания картографических символов пользователем. В идеальном случае набор картографических символов понятен совершенно любому пользователю, без двойственных толкований смысла символов, набор символов может расширятся и модернизироваться. Классы картографических символов точно соответствуют классам пространственных объектов: точка, линия, полигон. Визуальные разногласия среди символов карты собственно и переводят информацию. Человеческий глаз оценивает взаиморасположение для расстояния между символами, их цвет, насыщенность, взаимный размер и форму, интервал, ориентацию и т. д. Разногласия символов. Должны быть заметны, чтобы они могли быть использованы. Картографы выделяют: только значимое различие - самое маленькое различие, которое может быть реально воспринято между символами, их размерами, цветами, формой и т.д наименьшее практическое различие - самое маленькое различие, которое может воспроизводиться процессом машинной картографии. Чувствительность глаза к различным графическим наборам может быть различной, например, желто-красные наборы символов лучше передают опасность, неблагополучность чего-либо. Многие другие цвета и формы тоже имеют установившиеся ассоциации с определенными явлениями и концепциями. Однако психологические признаки восприятия во многом зависят от понимания природы явлений. Некоторое значение при визуализации имеет и временной фактор, зависящий от быстродействия аппаратного комплекса, особенно его видеоадаптера. Сколько времени требуется на перерисовку или вывод изображения при редактировании карты, сколько нужно ждать результатов поиска в базе данных - от этого зависит комфортность и эффективность работы. Стандартом для хорошо спроектированной и сбалансированной системы является почти мгновенный вывод данных при простых операциях и максимум пятисекундное ожидание для самых сложных. Особенно это актуально при анимации картографических изображений или при работе с трехмерной графикой - цифровыми моделями рельефа и др. Трехмерные изображения являются самым "зрелищным" элементом в изобразительных возможностях ГИС. Большинство систем могут работать только с контурными трехмерными изображениями в виде прямоугольных (DEM-модель) или треугольных (TIN-модель) сетей пересекающихся линий. Современные ГИС могут оснащаться специальными модулями для подготовки к публикации таких трехмерных изображений, оснащенных функциями сглаживания и заливки рельефа. Угловатая контурная модель сглаживается набором сплайн-функций для придания "реалистичности", после чего межреберные пространства заливаются цветным фоном (rendering) по определенному алгоритму. Цвет заливки может определяться положением точки по высоте над уровнем моря, ориентации относительно источника света (Солнца) или любой другой качественной или количественной характеристики. Иногда на полученную таким образом модель рельефа могут накладываться двухмерные карты для визуального анализа или трехмерные условные знаки. Внешний вид картографических документов, изготавливаемых при помощи ГИС, в конечном счете определяется техническими характеристиками доступных периферийных устройств: мониторов, плоттеров и принтеров. Мониторы и принтеры отображают информацию при помощи массивов цветных или черно-белых точек - пикселей (pixels). Размер пикселя определяет наименьший размер условного знака, точность позиционирования и пространственное разрешение. Большое значение имеет и набор доступных для ГИС цветов, которое обеспечивает конкретное устройство. Большинство мониторов уверенно дают только несколько цветов при разрешении стандарта VGA, получение большего набора (52 тыс. или 16.7 млн. цветов при более высоком разрешении экрана - 600х800 , 780х1024 до 1400х2100) требует применения дорогостоящих видеоадаптеров и видеодрайверов. Возможности многих перьевых плоттеров ограничены набором из 6 перьев с фиксированной толщиной. Лучшие возможности для полноцветных изображений - у струйных плоттеров, однако стоимость подобных устройств наиболее употребимых картографических форматов (АЗ-АО) достигает 5-10 тыс. долл. США.
2. ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОИНОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В РАЗЛИЧНЫХ СФЕРАХ ЖИЗНИ ОБЩЕСТВА
2.1. Области применения ГИС
ГИС позволяют точнейшим образом учитывать координаты объектов и площади участков, 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. Все это в свою очередь дает возможность широко применять ГИС в многообразных сферах и направлениях территориальной деятельности:
- в кадастрах (земельном, водном, лесном, недвижимости и т.д.);
- в градостроении и муниципальном управлении;
- в проектировании, строительстве, эксплуатации объектов;
- в геологических исследованиях;
- в разработке и эксплуатации различных месторождений;
- в сельском, лесном и водном хозяйстве;
- в изучении и прогнозе погоды;
- в здравоохранении;
- в природопользовании и при экологическом мониторинге;
- в торговле и маркетинге;
- в бизнесе, управлении финансами и банковском деле;
- в планировании и прогнозировании;
- в обороне, безопасности и при чрезвычайных ситуациях;
- в политике и управлении государством;
- в науке и образовании и т.д.
Если помимо функциональных возможностей ГИС в системе присутствуют возможности цифровой обработки изображений, то такие системы называются интегрированными ГИС (ИГИС). Полимасштабные, или масштабно-независимые ГИС основаны на множественных, или полимасштабных представлениях пространственных объектов, обеспечивая графическое или картографическое воспроизведение данных на любом из избранных уровней масштабного ряда на основе единственного набора данных с наибольшим пространственным разрешением. Пространственно-временные ГИС оперируют пространственно-временными данными. Управление земельными ресурсами, земельные кадастры. Для решения проблем, имеющих пространственную привязку и начали создавать ГИС. Типичные задачи — составление кадастров, классификационных карт, определение площадей участков и границ между ними и т. д. Инвентаризация, учет, планирование размещения объектов распределенной производственной инфраструктуры и управление ими. Например, нефтегазодобывающие компании или компании, управляющие энергетической сетью, системой бензоколонок, магазинов и т. п. Проектирование, инженерные изыскания, планировка в строительстве, архитектуре. Такие ГИС позволяют решать полный комплекс задач по развитию территории, оптимизации инфраструктуры строящегося района, требующегося количества техники, сил и средств. Тематическое картографирование. Управление наземным, воздушным и водным транспортом. ГИС позволяет решать задачи управления движущимися объектами при условии выполнения заданной системы отношений между ними и неподвижными объектами. В любой момент можно узнать, где находится транспортное средство, рассчитать загрузку, оптимальную траекторию движения, время прибытия и т. п. Управление природными ресурсами, природоохранная деятельность и экология. ГИС помогает определить текущее состояние и запасы наблюдаемых ресурсов, моделирует процессы в природной среде, осуществляет экологический мониторинг местности. Чрезвычайные ситуации. С помощью ГИС производится прогнозирование чрезвычайных ситуаций (пожаров, наводнений, землетрясений, селей, ураганов), расчет степени потенциальной опасности и принятие решений об оказании помощи, расчет требуемого количества сил и средств для ликвидации чрезвычайных ситуаций, расчет оптимальных маршрутов движения к месту бедствия, оценка нанесенного ущерба.
