1. Геоинформационные системы
1.1. Понятие о географических информационных системах
Географические данные являются связующим звеном информации, получаемой из многочисленных источников: различных типов карт и планов, данных из материалов аэрофото- и космических съемок. Часть географических данных меняется с течением времени, и поэтому информация, получаемая из бумажных карт, устаревает. Актуальность и быстроту получения информации может гарантировать только автоматизированная система. Первыми попытками применения автоматизации в географии стали банки географической информации. Появление географических информационных систем (ГИС) относят к началу 60-х гг. прошлого века. Именно тогда сложились предпосылки и условия для информатизации и компьютеризации сфер деятельности, связанных с моделированием географического пространства и решением пространственных задач. Их разработка базировалась на исследованиях университетов, академических учреждений, оборонных ведомств и картографических служб.
Современная ГИС – это автоматизированная система, имеющая большое количество графических и тематических баз данных, соединенная с модельными и расчетными функциями для манипулирования ими и преобразования их в пространственную картографическую информацию для принятия на ее основе разнообразных решений и осуществления контроля [1].
1.2. Развитие и определение гис
Впервые термин «географическая информационная система» появился в англоязычной литературе и использовался в двух вариантах – как geographic information system и как geographical information system. Далее он получил сокращенное наименование (аббревиатуру) GIS. Позже этот термин проник в российский научный лексикон, где существует в двух равнозначных формах: исходной полной – в виде «географической информационной системы» и редуцированной – в виде «геоинформационной системы» (ГИС) [2].
Кратко ГИС определялись как информационные системы, обеспечивающие сбор, хранение, обработку, отображение и распространение данных, а также получение на их основе новой информации и знаний о пространственно-координированных явлениях.
В настоящее время существует множество определений ГИС. Это обусловлено тем, что исторически ГИС развивались длительное время. Естественно, что они совершенствовались и, по мере их изменения, менялись их основные функции и свойства. Все это приводило к появлению новых определений ГИС, учитывающих их новые свойства и новые особенности.
Первые системы такого рода назывались географическими информационными системами. Их определяли как комплексный блок программ, предназначенных для ввода, хранения, анализа и вывода пространственно связанных данных. Эти ГИС ведут свое происхождение от Географической информационной системы Канады, построенной на базе первых больших ЭВМ и пакетной системы обработки данных. Эта первая ГИС была разработана в начале 1960-х гг., задолго до появления недорогих персональных компьютеров и доступных для пользования баз данных. В это время геоинформатика как наука еще не сформировалась [1].
Несмотря на технические ограничения таких систем, было выявлено, что определенные виды анализа карт и материалов инвентаризации могут выполняться на электронных вычислительных машинах (ЭВМ) значительно эффективней, чем вручную.
Следующим этапом развития ГИС считают начало 1980-х гг. Этот этап связывают с появлением реляционной модели данных, разработанной еще в 1969–1970 гг., и реализованных на ее основе реляционных баз, заменивших иерархические базы данных [1, 2, 3].
Совершенствование баз данных привело к тому, что ГИС стали называть «компьютеризированной базой данных» для хранения географической и тематической информации.
Поскольку базы данных предназначаются в основном для хранения, а не для обработки информации, ГИС продолжали развиваться.
После разработки и использования специального программного обеспечения для решения задач геоинформатики появились новые определения ГИС как «систем программного обеспечения» (без включения в них технологических возможностей). В этот период геоинформатика как наука завершала свое формирование.
Автоматизация процессов кадастровых видов работ, в первую очередь городского кадастра, привела к появлению городских информационных систем.
Следующим этапом развития ГИС следует считать использование программного обеспечения систем автоматизированного проектирования (САПР) для работы с графической информацией и построения карт в середине 1980-х гг. В это время еще не были созданы специализированные программные продукты для задач ГИС, и работы по автоматизированному составлению карт велись с помощью программных пакетов САПР. Следует упомянуть популярный продукт того времени «АutoCad» фирмы «Аutodesk, Inc (США)».
Главным достижением программного обеспечения САПР явилось создание системы послойного представления графической информации (чертежей, карт). Графическая информация типизировалась, и типизированные данные помещались в отдельный слой. Каждый слой напоминал прозрачную бумагу. Совокупность слоев создавала привычную картину графической информации, но в отдельности каждый слой было удобно обрабатывать независимо от других [1].
Другим достижением САПР было введение «блоков» для получения проектных документов. Блоками называли типовые повторяющиеся элементы, хранящиеся в базе данных. Блок создавался независимо и вставлялся в заданные точки чертежа неограниченное число раз. Это существенно сокращало объем данного чертежа при его хранении в базе данных.
В случае редактирования блока, редакция автоматически происходила во всех частях чертежа, в которых этот блок был вставлен. Таким действием существенно сокращались редакционные работы графического документа. Позже механизм блоков послужит основой создания библиотек условных картографических знаков.
В начале 1990-х гг. стали появляться интегрированные программные продукты и интегрированные информационные системы. Информатика становится основой подготовки различных специалистов в области обработки информации.
Кроме того, появилась потребность в информационных системах, позволяющих осуществлять интеграцию различных видов информации. Появились новые информационные технологии и системы.
Все это привело к необходимости создания ГИС как автоматизированной интегрированной информационной системы.
На рис. 1.1 приведена структура ГИС как автоматизированной интегрированной информационной системы (АИИС). Она включает следующие подсистемы:
подсистему сбора;
подсистему хранения данных (чаще всего это база данных или экспертная система);
подсистему обработки данных (моделирование);
подсистему представления информации;
телекоммуникационную подсистему.
Наличие этих подсистем определяет различные аспекты интеграции данных и методов обработки.
Перечислим основные аспекты интеграции: интеграция исходных данных, интеграция технологий сбора, интеграция данных для хранения и моделирования, интеграция технологий обработки, интеграция технологий хранения, интеграция данных для представления и передачи, интеграция технологий представления информации.
В современных ГИС различают два дополняющих друг друга вида интеграции:
интеграцию технологий;
интеграцию данных.
Интеграция технологий в ГИС заключается в разработке комплекса взаимосвязанных технологий на основе базовой технологии.
Интеграция данных в ГИС означает, что для создания информационной основы данной информационной системы выбирают определенный класс данных, а все остальные типы данных преобразуются применительно к свойствам этого класса.
Для дальнейшего описания ГИС рассмотрим ряд их особенностей.
Основой интеграции данных в ГИС является географическая информация, но большинство задач, решаемых в ГИС, далеки от географических.
Основой интеграции технологий в ГИС являются технологии САПР, но решаемые задачи значительно шире проектных.
По формальному определению ГИС относится к информационным системам (т. е. к системам хранения информации), но по своему функциональному назначению ГИС относится к классу систем обработки данных и управления.
Современная ГИС рассчитана не просто на обработку данных, а на проведение во многих ситуациях экспертных оценок. Другими словами, ГИС должна включать в свой состав экспертную систему или экспертную технологию.
Данные, которые обрабатывает и хранит ГИС, имеют не только пространственную, но и временную характеристику. По временной характеристике информация, хранимая в ГИС, подразделяется на следующую:
долгосрочную (десятки лет хранения);
среднесрочную (годы);
годовую и сезонную;
оперативную.
В ГИС осуществляется комплексная обработка информации от сбора данных до ее хранения, обновления и представления, поэтому следует рассмотреть ГИС с различных позиций.
Как системы управления, ГИС предназначены для обеспечения процесса принятия решений по оптимальному управлению землями и ресурсами, городским хозяйством, организации транспорта и розничной торговли, использованию океанов или других пространственных объектов.
В отличие от автоматизированных систем управления (АСУ), в ГИС появляется множество новых технологий пространственного анализа данных. В силу этого ГИС является мощным средством преобразования и синтеза разнообразных данных для задач управления, в котором присутствуют эффективные методы для точного и быстрого применения картографической информации.
Рассмотрим применение ГИС в различных областях.
Как автоматизированные информационные системы, ГИС объединяют ряд технологий или технологических процессов известных информационных систем типа АСНИ, САПР, АСИС.
Как геосистемы, ГИС включают технологии (прежде всего технологии сбора информации) таких систем, как географические информационные системы (ГИС), системы картографической информации (СКИ), автоматизированные системы картографирования (АСК), автоматизированные фотограмметрические системы (АФС), земельные информационные системы (ЗИС), автоматизированные кадастровые системы (АКС) и т. п.
Как системы, использующие базы данных, ГИС обеспечивают широкий набор данных, собираемых с помощью разных методов и технологий. При этом следует подчеркнуть, что они объединяют в себе как базы данных обычной (цифровой) информации, так и графические базы данных.
Как системы моделирования, ГИС используют максимальное количество методов и процессов моделирования, применяемых в других автоматизированных системах.
Как системы получения проектных решений, ГИС во многом используют методы автоматизированного проектирования и решают ряд специальных проектных задач, которые в типовом автоматизированном проектировании не встречаются.
Как системы представления информации, ГИС являются развитием автоматизированных систем документационного обеспечения с использованием современных технологий MultiMedia. Это определяет значительно большую наглядность по сравнению с обычными картами. Технологии представления данных позволяют оперативно получать визуальное представление картографической информации с различными нагрузками, переходить от одного масштаба к другому, получать картографические данные в табличной или графической формах.
По территориальному признаку, т. е. по сфере действия ГИС на тот или иной регион, используется понятие территориального уровня ГИС.
В России выделяют следующие территориальные уровни применения ГИС.
Глобальный уровень – Россия на глобальном и евразийском фоне, масштаб 1:45 000 000–1:100 000 000.
Всероссийский уровень – вся территория страны, включая прибрежные акватории и приграничные районы, масштаб 1:2 500 000–1:20 000 000.
Региональный уровень – крупные и природные экономические регионы, субъекты федерации, масштаб 1:500 000–1:4 000 000.
Локальный уровень – области, районы, национальные парки, ареал кризисных ситуаций, масштаб 1:50 000–1:1 000 000.
Муниципальный уровень – города, городские районы, природные зоны, масштаб 1:50 000 и крупнее.
Как прикладные системы, ГИС не имеют себе равных по широте, так как применяются в транспорте, навигации, геологии, географии, военном деле, топографии, экономике, экологии и т. д. Как следствие широких возможностей применения ГИС для решения различных специальных задач на их основе интенсивно развивается тематическое картографирование. Именно эффективность последнего обеспечивает разнообразное решение задач, в разных отраслях при использовании интеграции данных на основе картографической информации.
Можно считать, что современные ГИС интегрировали в себя технологии практически всех других автоматизированных систем топографо-геодезического производства.
При этом следует подчеркнуть, что ГИС, как системы массового пользования, позволяют использовать картографическую информацию на уровне деловой графики, что делает их доступными не только специалисту-географу, но и любому школьнику или бизнесмену.
Основой создания ГИС служат так называемые инструментальные программно-технологические комплексы. В отличие от систем «под ключ», инструментальные допускают настройку под конкретные запросы пользователя, что может приводить к различию в организации структур данных, проектированию баз данных, функциональному назначению даже на базе родственных систем.
Инструментальные системы позволяют отображать различные данные, имеющие пространственную привязку, и создавать интегрированные геоинформационные системы, цифровые картографические системы.
Основу процессов обработки информации в ГИС составляет цифровое моделирование. Использование такого типа моделирования позволяет осуществлять векторно-топологическое моделирование, буферизацию объектов, анализ сетей, построение ЦММ и т. д.
Основным назначением ГИС следует считать формирование знаний о процессах и явлениях на земной поверхности и применение этих знаний для решения практических задач во всех сферах человеческой деятельности.
В [1] констатируется, что ГИС в настоящее время представляет собой современный тип интегрированной информационной системы, применяемой в разных направлениях. Она отвечает требованиям глобальной информатизации общества. ГИС является системой, способствующей решению управленческих и экономических задач на основе средств и методов информатизации, т. е. способствуют процессу информатизации общества в интересах прогресса.
Развитие ГИС осуществляется в следующих направлениях:
развитие теории и практики информационных систем;
изучение и обобщение опыта работы с пространственными данными;
исследование и разработка концепций создания системы пространственно-временных моделей;
совершенствование технологии автоматизированного изготовления электронных и цифровых карт;
разработка технологий визуальной обработки данных;
разработка методов поддержки принятия решений на основе интегрированной пространственной информации;
интеллектуализация ГИС.
Рассмотрим определения ГИС, принятые Национальным стандартом Российской Федерации [4].
Геоинформационная система (ГИС) – информационная система, оперирующая пространственными данными.
Информационная система – система, предназначенная для хранения, обработки, поиска, распространения, передачи и представления информации.
Данные – информация, представленная в виде, пригодном для обработки автоматическими средствами при возможном участии человека.
Пространственные данные – данные о пространственных объектах и их наборах.