Лекции по гис Введение. История

В конце прошлого века появился новый класс информационных систем – географические информационные системы (ГИС), которые стали одним из основных средств управления природными ресурсами и организации многих видов производства. Возникновение и развитие ГИС было предопределено богатейшим опытом топографического (особенно тематического) картографирования, автоматизацией процесса составления карт, достижениями в области компьютерных технологий, информатики и компьютерной графики.

Основу ГИС составляют идеи комплексного тематического картографирования и интегрированность, демонстрирующие эффект системного использования разнохарактерных данных для извлечения новых знаний о географических объектах.

Современные геоинформационные сиситемы (ГИС) представляют собой новый тип интегрированных информационных систем, которые с одной стороны, включают методы обработки данных многих ранее существовавших автоматизированных систем (АС), с другой – обладают спецификой в организации и обработке данных. Практически это определяет ГИС как многоцелевые, многоаспектные системы.

Первый удачный опыт использования принципа комплексирования (совмещения и наложения) пространственной информации с помощью согласованного набора карт датируется XVIII веком. Французский картограф Луи-Александр Бертье использовал прозрачные слои, накладываемые на базовую карту для показа перемещения войск в сражении под Йорктауном.

В истории развития геоинформационных систем можно выделить четыре этапа:

I этап (конец 50 гг. – начало 70 гг. прошлого века) характеризуется исследованием принципиальных возможностей, пограничных областей знаний и технологий, наработка эмпирического опыта, первые крупные проекты и тематические работы.

Первый этап развивался на фоне успехов компьютерных технологий: появление ЭВМ, цифрователей плоттеров, дисплеев, разработке алгоритмов графического отображения информации на дисплеях и с помощью плоттеров, формальных методов пространственного анализа, развития средств управления базами данных.

Большое влияние в этот период оказали теоретические работы в области географии и пространственных взаимосвязей, а также становление количественных методов в географии в США, Канаде, Англии, Швеции (работы У. Гаррисона, Т. Хагерстранда, Г. Маккарти, Я. Макхарга).

Первая крупная успешная разработка этого периода – Географическая Информационная Система Канады (Canada Geographic Information System, CGIS, 60-е годы). ГИС Канады разрабатывалась под руководством Роджера Томлинсона. Назначение ГИС Канады состояло в анализе многочисленных данных, накопленных Канадской службой земельного учета (Canada Land Inventory), и получении статистических данных о земле, которые бы использовались при разработке планов землеустройства огромных площадей преимущественно сельскохозяйственного назначения. Наиболее сложной частью проекта было обеспечение эффективного ввода исходных картографических и тематических данных. Для решения этой задачи разработчики ГИС Канады создали новую технологию, позволяющую оперировать отдельными слоями и делать картометрические измерения на основе таблиц атрибутивных данных, которые могли храниться в разных файлах: плановой (геометрической) геоинформации о местоположении объектов и содержащих тематическую (содержательную) информацию об этих объектах. Были разработаны алгоритмы оверлейных операций с полигонами, подсчет площадей и других картометрических показателей. Для ввода крупноформатных земельных планов было спроектировано и создано специальное сканирующее устройство.

Большой вклад в развитие ГИС-систем оказала Гарвардская лаборатория компьютерной графики и пространственного анализа (Harvard Laboratory for Computer Graphics & Spatial Analysis) Массачусетского технологического института. Ее основал в середине 60-х Говард Фишер. Программное обеспечение Гарвардской лаборатории широко распространялось и помогло создать базу для развития многих ГИС-приложений. Именно в этой лаборатории Дана Томлин заложила основы картографической алгебры. Создав семейство растровых программных средств Map Analysis Package – MAP, PMAP aMAP.

Благодаря работам Гарвардской лаборатории были определены картографические модели данных, картографический метод исследований, картографические способы представления информации в современных геоинформационных системах. Наиболее известными программными продуктами Гарвардской лаборатории являются: SYSMAP (система многоцелевого картографирования), CALFORM (программа вывода картографического изображения на плоттер), SYMVU (просмотр перспективных (трехмерных) изображений), ODYSSEY (предшественник ARC/INFO).

II этап (начало 70 гг. – начало 80 гг. прошлого века) связан с развитием крупных геоинформационных проектов поддерживаемых госурством, формирование государственных институтов в области ГИС.

В конце 60-х годов в США сформировалось мнение о необходимости использования ГИС-технологий для обработки и представления данных Национальных Переписей Населения (US Census Data).

Потребовалась методика, обеспечивающая корректную географическую «привязку» данных переписи. Основной проблемой проекта была необходимость конвертирования адресов проживания населения, присутствующих в анкетах переписи, в географические координаты так, чтобы результаты переписи можно было бы оформить в виде карт по территориальным участкам и зонам Национальной переписи.

В результате решения проблемы к 1970 году (очередному году переписи) был разработан специальный формат представления картографических данных DIME (Dual Independent Map Encoding), для которого были определены прямоугольные координаты перекрестков, разбивающих улицы всех населенных пунктов США на отдельные сегменты. Алгоритмы обработки и представления картографических данных были заимствованы у разработчиков ГИС Канады и Гарвардской лаборатории и оформлены в виде программы POLYVRT, осуществляющей конвертирование адресов проживания в соответствующие координаты, описывающие графические сегменты улиц. В этой разработке впервые были использованы топологический подход к организации управления географической информацией, содержащей математический способ описания пространственных данных взаимосвязей между объектами.

Государственная поддержка и обновление DIME-файлов стимулировали развитие ГИС, основанных на использовании баз данных по уличным сетям: автоматизированные системы навигации, системы вывоза городских отходов и мусора, движение транспортных средств в чрезвычайных ситуациях и др.

Одновременно на основе обработанных данных переписи 1970 г. Была создана серия атласов крупных городов, большое количество упрощенных компьютерных карт для маркетинга, планирования розничной торговли и тп.

III этап (начало 80-х гг. XX века и по настоящее время) – коммерческое развитие ГИС. Этот этап характеризуется широким рынком разнообразных программных средств, развитием настольных ГИС, расширением области их использования, интеграцией ГИС-пакетов с базами непространственных данных, появлением сетевых приложений, развитием удобного пользовательского интерфейса, поддержкой возможности использования корпоративных и распределенных баз геоданных.

В наиболее развитых в отношении ГИС стран сформировались государственные национальные и международные инициативы по разработке и созданию Инфраструктур Геопространственных Данных, включая вопросы технологий, телекоммуникации, стандартизации данных и профессиональной подготовки.

В США 19 октября 1990 г. был опубликован Циркуляр А-16, направленный на «максимальное развитие национальных цифровых ресурсов пространственной информации, с привлечением к этой деятельности федеральных, региональных и местных органов управления, а также частного сектора. Эти национальные информационные ресурсы, взаимосвязанные с помощью единых критериев и стандартов, обеспечат распространение и эффективный обмен пространственными данными между производителями и пользователями. Для этих целей был создан Федеральный Комитет Пространственных Данных. В развитие Циркуляра А-16, 11.44.1994 президент Клинтон издал правительственное распоряжение «Координация в области получения доступа к данным; Национальная Инфраструктура Пространственных данных».

В России в декабре 1996 года было принято постановление Правительства России «ГИС как органы государственной власти (ОГВ)» призванное способствовать развитию ГИС в России.

IV этап (с конца 80-х) повышение конкуренции среди коммерческих производителей геоинформационных услуг, доступность и открытость программных средств позволяет использовать и модифицировать программы, рост потребность в геоданных, форматирование геоинформационной инфраструктуры.

Это период приближения программных продуктов к пользователям. Так владельцы ГИС GRASS (Geographic Resources Analysis Support System) для рабочих станций, созданного американскими военными специалистами (Army Corps of Engineers) для задач планирования природопользования и землеустройства, открыли его для бесплатного пользования, включая снятие авторских прав на исходные тексты программ и разместили GRASS Version 4.1 (созданную в 1993 г.) вместе с исходными текстами программ, справочной документацией и учебными пособием в Интернете.

Их примеру последовали ESRI Inc., открывшие в 1994 году для неограничеснного бесплатного пользования свой продукт ArcView 1 for Windows.

Насыщение рынка программных продуктов для ГИС, особенно предназначенных для ПК резко увеличило область применения ГИС-технологий.

Перспективы ГИС. Для бизнесменов открываются огромные перспективы в использовании Интернет технологий для доступа к ГИС данным. Многие компании предоставляют доступ, готовы хранить данные и даже комбинировать их с данными третьих фирм по запросу.

Перспектива использования ГИС систем в беспроводных сетях начинается с навигационных приборов частного автомобиля и продолжается до систем нефтеразведки. Такие системы могут использоваться для мониторинга домашней электроники, определения местонахождения детей, родственников и тп. ГИС интегрируется все плотнее с системами мобильной связи. В Японии например подобные разработки позволяют определить местонахождение собеседника.

В Росси ГИС-технологии получили распрастронение начиная с 1992 года. Сегодня в России над реализацией геоинформационных проектов различных уровней (от крупных отраслевых и региональных до проектов районного масштаба) трудится более тысячи организаций, насчитывающих десятки тысяч специалистов. Решаемые ими задачи затрагивают практически все сферы человеческой деятельности: оперативное управление промышленностью, транспортом и сельским хозяйством, планирование использования материальных и природных ресурсов, мониторинг экологической обстановки, строительство и архитектура, природные и городской кадастры, география бизнеса и финансов, земельная реформа и т.д. Особо следует выделить задачи управления территориями и крупными предприятиями, поскольку без знания своих собственных ресурсов невозможно сейчас решить проблему развития региона в целом и предприятия в частности.

Геоинформационные системы выросли их технологий, развитых в системах автоматизированного проектирования (САПР), которые эффективно используют графический инструмент рисования схем и процедуры связи с атрибутивными базами данных.

Многофункиональность и широта применения ГИС объясняет множество существующих на сегодня определений ГИС. Если быть достаточно кратким в определении, то можно ГИС определить следующим обраом:

Геоинформационные системы - это компьютерные системы для сбора, хранения, обработки, анализа и вывода территориально - ориентированных данных.

Таким образом, ГИС сочетают в себе графические функции и функции работы с БД, а, следовательно, имеют графический модуль и модуль СУБД. Последний позволяет хранить и организовывать атрибутивные данные, связанные с объектами карт, планов и т.д. ГИС совместно обрабатывает наборы графических и атрибутивных данных, а пользователь выбирает, какие связи между ними будут анализироваться и контролирует отображение результатов этого анализа. Встроенные СУБД позволяют ГИС получать, хранить данные, управлять ими и анализировать данные, как результат выполнения этих данных ГИС позовляют создавать карты.

Ввод графической информации осуществляется с помощью дигитайзеров, сканеров и т.п., при этом может предусматриваться как автоматическая, так и интерактивная векторизация растровых изображений.

ГИС содержит средства визуализации данных в виде различных карт, графиков, трехмерных поверхностей и чертежей. В процессе визуализации ГИС предоставляют различные средства редактирования и трансформации изображений, позволяют накладывать карты друг на друга, используя понятие «слой карты», объединяющий те или иные компоненты по смысловому признаку. Выбор объектов на карте может осуществляться как чисто геометрически (например, обрисовкой прямоугольной области), так и путем формирования запросов к БД, учитывающих значения атрибутов объектов. Здесь графический модуль соприкасается с модулем СУБД. Как правило, все развитые ГИС позволяют в качестве БД использовать как отдельные файлы известных форматов (например, DBF), так и формировать SQL-запросы к мощным серверам БД (Oracle, Sybase и т.д.). Информация, получаемая из БД, может быть представлена не только графически, но и в виде таблиц.

На карте легко увидеть особенности и тенденции, которые практически невозможно выявить в списочно-организованных данных. Можно легко вычислить расстояния между клиентами и магазинами; можно увидеть местоположение офиса клиента, потратившего наибольшую сумму за прошлый год; размер символов, отмечающих местоположение магазинов на тематической карте, может зависеть от объема продаж.

Следует отметить, что развитие геоинформационных технологий идет по пути интеграции ГИС с другими информационными технологиями и системами. В настоящее время вырос спрос на картографические приложения, которые позволяют не только обеспечивать пользователя информацией о продуктах и услугах через Интернет, но и сообщать ему, где именно он может получить этот продукт/услугу и как добраться до этого места кратчайшим маршрутом.