2.2. Развитие географических информационных систем

С самого развития вычислительной техники образовались два основных направления ее использования:

применение вычислительной техники для выполнения чис­ленных расчетов. Становление этого направления способствовало интенсификации методов численного решения сложных мате­матических задач, развитию класса языков программирования, ориентированных на удобную запись численных алгоритмов, становлению обратной связи с разработчиками новых архитектур ЭВМ;

использование средств вычислительной техники в автомати­ческих или автоматизированных информационных системах. Обычно объемы информации, которые применяют в таких систе­мах, достаточно велики, а сама информация имеет сложную структуру. Классические примеры информационных систем — банковские системы, системы резервирования авиационных или железнодорожных билетов, мест в гостиницах и т. д.

Первые геоинформационные системы были созданы в Канаде и США в сере­дине 60-х годов.

Это было обусловлено несколькими факторами:

развитием технологий и совершенствованием аппаратных средств, особенно графических;

развитием и применением теории пространственных процессов в экономичес­кой и социальной географии, антропологии, краеведении и других отраслях зна­ний;

ростом образовательного уровня и мобильности населения, усилением соци­альной и экологической напряженности;

увеличением интенсивных транспортных потоков и т. д.

В Институте географии Вашингтонского университета в 1958—1961гг. получили развитие статистические методы и начали разрабатывать компьютерные программы и машинную картографию.

Целью Канадской географической информационной системы (КанГИС), раз­работку которой начали в середине 60-х годов, были анализ данных инвентариза­ции земель Канады (КИЗ) и получение статистических результатов для исполь­зования при разработке планов системы землепользования в крупных сельских районах страны. В результате КИЗ были созданы карты (масштаб 1:50000) сис­тематизации земель по следующим признакам: пригодность почв для земледе­лия; возможность рекреации; условия обитания дикой фауны (копытные); усло­вия обитания дикой фауны (водоплавающие птицы); возможность ведения лес­ного хозяйства; современное использование земель; особенности прибрежной полосы.

Было получено семь исходных карт, на каждой из которых были показаны ареалы с однородными характеристиками, а остальные слои создались на основе этих карт, например зоны переписи населения.

Гарвардская лаборатория машинной графики и пространственного анализа оказала решающее влияние на развитие ГИС до начала 80-х годов путем разработ­ки прикладных программ, таких, как SYMAP (пакет программ общегеографического картографирования); CALFORM (использование графопостроителя); SYMVU (трехмерное представление пространственных данных); POLYVRT (фор­мирование ареалов).

В Институте систем окружающей среды (ESRI) в начале 80-х годов создана си­стема ARC/INFO, в которой была соединена стандартная реляционная система управления базами данных (INFO), обеспечивающая манипулирование таблица­ми свойств, со специализированной программой (ARC), которая позволяет мани­пулировать объектами, хранящимися в виде дуг.

ARC/INFO стала первой ГИС, использующей преимущества персональных компьютеров. Последующие ГИС могли базироваться на платформе, стоимость которой стала доступна многим органам управления по рациональному использо­ванию природных ресурсов, в том числе и земельных.

Период развития ГИС в России до 1990 г. можно определить как период научных исследований, когда цифровой картографи­ей и моделированием занимались ученые, работавшие в основ­ном в области наук о Земле. Период, наступивший после 1990 г., характеризовался постепенной коммерциализацией геоинформатики в России, поскольку ГИС — потенциально экономически эффективный инструмент, потому что около 80 % всей информа­ции имеет пространственную привязку. Появились представи­тельства крупнейших компаний — западных разработчиков ГИС, началась разработка собственных ГИС, появились специализи­рованные печатные издания и была создана ГИС — Ассоциация России.

Кроме западных продуктов на российском рынке геоинформа­ционных систем появились собственные российские разработки: ГИС ПАРК компании ЛАНЭКО, ГИС Ингео компании «Интегро», ГИС ПАНОРАМА, разработанная в Министерстве обороны, и др. Самой успешной российской ГИС является Geo Draw/Гео-Граф, разработанная Центром геоинформационных исследований Института географии РАН.

С 1995 г. началось активное развитие геоинформационных тех­нологий в России.

К 1997г. в России рынок геоинформационных технологий и услуг включал следующие крупные блоки: программные продук­ты, пространственные данные, квалифицированная рабочая сила, компьютерная техника, средства специализированного оборудо­вания (компьютерная периферия, геодезическое оборудование, станции приема ДДЗ, ОР8).

Наиболее активно финансировали ГИС-проекты управленчес­кие структуры городов. Так, суммарные расходы муниципальных структур на создание в 1997г. превысили федеральный бюджет. Связано это, во-первых, с осознанием мэриями городов с числен­ностью населения 300...500 тыс. невозможности управления го­родской инфраструктурой без современных информационных технологий; во-вторых, с появлением механизма самоокупаемости через инвентаризацию и регистрацию прав на недвижимость (Санкт-Петербург, Оренбург, Саратов и др.); в-третьих, необходи­мостью комплексных БД для реформирования городского ЖКХ и адресной социальной помощи (Зеленоград, Красноярск, Обнинск и др.); в-четвертых, с применением комплексного анализа разви­тия территорий с учетом их градостроительной ценности, инже­нерной инфраструктуры, экологии в тех городах, где уже накопле­ны значительные информационные объемы (Таганрог).

Геоинформационные технологии, миновав стадии пилотных и крупных государственных проектов, вышли на этап офисного применения. Так, в широко распространенные электронные таб­лицы Ехсеl и Lotus стали встраивать упрощенные ГИС-модули. Кроме того, ни одну из «легких» Desktop-систем не продают без цифровой картографической основы, позволяющей быстро осве­тить продукт и сразу его использовать.

Процесс развития «открытости» ГИС сопровождался увеличением числа предложений поставщиков прикладных средств разра­ботки систем для конечного пользователя (ESRI — MapObjekt, ЦГИ ИГ РАН — «Геокоструктор» и др.), что уменьшило сроки и затраты при организации групповой работы. Кроме того, обяза­тельными требованиями к ГИС стали поддержка стандартных средств документооборота и связь с СУБД развитого уровня (Oracle, Sysbase, Informix). В то же время ведущие поставщики СУБД модернизируют формат хранения данных, с тем чтобы опе­рировать пространственной информацией не только в специально разрабатываемых приложениях, но и в стандартном ядре поставки I (Огас1е 8.0).

В 1997 г. практически все разработчики ГИС создали специаль­ные программные продукты для работы с картографической и пространственной информацией в 1п1егпе1 с учетом стремительно­го увеличения быстродействия персональных компьютеров на базе Intel-процессоров.

Другая важная технологическая тенденция в этот период — ши­рокое привлечение к использованию в ГИС-проектах всех уров­ней данных дистанционного зондирования (ДДЗ) — единственно доступной в организационном и финансовом планах технологии получения актуализированной информации. Это потребовало раз­вивать рынок, как самих данных, так и программных средств их обработки и дешифрирования.

Развитие оперативных технологий ввода и обновления государ­ственной информации связано с комплексными решениями, пре­дусматривающими применение как ДДЗ, так и современного электронного геодезического оборудования, среди которого все больший удельный вес приобретают приборы спутникового пози­ционирования. Системы GPS (США) и ГЛОНАСС (Россия) ши­роко используют при воздушной и водной навигации, в автомо­бильном и железнодорожном транспорте, при землеустроитель­ных и земельно-кадастровых действиях. Все более привлекатель­ными и производительными становятся решения геодезических задач с помощью GPS Ashtech. Растущие объемы инвентаризаци­онных задач в стране оказывают стимулирующее воздействие на применение современных технологий спутникового позициони­рования в геодезии.

В последние годы вслед за традиционными информационными системами «укрупняются» ГИС — развивается производство про­граммных продуктов, рассчитанных на корпоративных пользова­телей. Необходимость обрабатывать гигантские объемы данных и обеспечивать многопользовательские режимы работы способству­ет развитию технологий «клиент-сервер», концентрируя внимание На применении стандартных SQL-серверов. Для производителей ГИС это направление не является новым: производители систем управления рациональными базами данных встраивают в свои продукты расширения для работы с пространственными данными, а производители программного обеспечения ГИС создают подоб­ные расширения для различных СУБД, как правило, с помощью первых. В то же время производители программного обеспечения ГИС стремятся сделать сервер пространственных данных универ­сальным по отношению к SQL-серверу, который выступает как хранилище данных. Таким образом расширяется возможность об­работки пространственных данных для всех популярных СУБД-серверов, таких, как Огас1е, DВ2, Informix, MS SQL Server.

Стоимость пространственного расширения СУБД-серверов — дорогой продукт, стоимость которого значительно превышает сто­имость программного обеспечения сервера реляционной БД. Иногда стоимость серверов пространственных баз данных ESRI для MS SQL Server в несколько десятков раз превышает стоимость последнего.

Большое внимание уделяют развитию Интернет/Интернет-технологиям. Отчасти это связано с появлением спроса на ГИС кор­поративных пользователей, удовлетворить потребности которых призвано применение этих технологий.

В последнее время рынок информационных технологий разви­вается в направлении разработки решений для использования в Интернете и их применения в корпоративных аппаратно-про­граммных сетях. Разработчики и пользователи ГИС предпочитают программу Wintel персональным компьютерам на основе микро­процессоров (или их клонов) фирмы Intel и операционной систе­мы Windows. Кроме того, если раньше программные продукты ГИС разрабатывались на основе рабочая станция + UNIX, а затем импортировались (переносились) на Wintel, то новые проекты крупных фирм (ESRI, Intergraph) все в большей степени тяготеют к разработке непосредственно на Wintel.

В области инструментальных средств для создания ГИС-приложений все более популярными становятся библиотеки функций и компонентов, предоставляющие разработчику приложений воз­можность выбора языка и среды программирования. Преимуще­ства такого подхода перед встроенными интерпретаторами специ­ализированного языка программирования от производителя ГИС:

возможность создания автономного приложения; отсутствие необходимости вникать в новый язык программиро­вания (со всеми его недостатками) с получением преимуществ профессионально выполненной среды программирования и от­ладки программ;

возможность использования в приложении наряду с ГИС-комментариями других компонентов и даже создания собственных приложений.

На рынке информационных технологий представлено несколько видов систем, работающих с пространственно распределенной информацией: автоматизированного проектирования (САD); автоматизированного картографирования (АМ); управления сетя­ми (FМ); системы пространственного анализа; ГИС (GIS).

Первые три вида систем наряду с системами мелкомасштабно­го пространственного анализа и системами управления базами данных можно считать предшественниками, на базе которых со­здавались ГИС. Они до сих пор накладывают существенный отпе­чаток на те дочерние системы, которые развились на их основе. Так, системы фирмы Intergrapt, в основе которых лежит САD-система, существенно отличаются по идеологии от системы Arc-Info, которая развилась на базе системы мелкомасштабного про­странственного анализа.

СAD-системы — это системы для автоматизированного проек­тирования с использованием средств машинной графики, являю­щиеся хорошо развитой областью применения программного обеспечения, на которой специализируются известные фирмы Autodesc Limited, Seli и др. Такие системы работают только с тех­ническими чертежами. В процессе традиционного проектирова­ния информация, как правило, передается с помощью чертежей, графиков и диаграмм. По оценкам специалистов, черчение со­ставляет около 70 % общей трудоемкости проектной деятельнос­ти, поэтому понятно стремление использовать компьютеры для снижения затрат на процесс конструирования. Применение САD-систем имеет большие преимущества перед традиционным черче­нием: это быстрое (в среднем в 2,5...3 раза) по сравнению с рабо­той за кульманом выполнение чертежей; повышение точности их выполнения за счет более детального просмотра любого элемента чертежа в произвольном масштабе; улучшение качества чертежей за счет того, что САD позволяет быстро вносить исправления без ухудшения качества конечного продукта. Кроме того, возможно многократное копирование, так как любой чертеж или его часть могут быть сохранены и затем при необходимости повторно ис­пользованы. САD-системы могут быть ориентированы и на рабо­чие станции, и на ПК, доступные большому кругу пользователей. Большинство задач проектирования может быть успешно решено на ПК. Значительное число САВ для ПК позволяет применять их в различных областях промышленности. Например, для ПК раз­работаны такие системы, как DataCAD, AutoCAD, САD-КЕУ-3, DesignCAD 3В, Anvil 1000, МахiСАD, Меgа Моdel, МicroStation РС, САD-Оnе, МоdelМаtе Рlus, VersaCAD DESIGN и др.

Первоначально САD использовались как двумерные системы, обеспечивающие только автоматизацию выпуска конструкторской Документации на изделия. Дальнейшая эволюция систем связана с введением трехмерных моделей объектов и операций над ними (таких, как перенос, поворот, масштабирование, удаление скрытых линий, визуализация модели трехмерного объекта и т. д.). САD поддерживают большой список устройств ввода/вывода, по­зволяют работать со слоями, имеют множество достоинств, но не способны обеспечить работу с пространственной информацией и, в частности, с картой. Причины непригодности САD-систем для решения задач, стоящих перед ГИС: использование условной де­картовой системы координат для описания элементов чертежа и манипуляция только с геометрическими объектами (кругами, эл­липсами, цилиндрами, кубами и т. п., а не с реальными объекта­ми); отсутствие семантической или тематической части в описа­нии объектов, без которой решение задач анализа практически невозможно.

В последних версиях САD-систем (также как и в ГИС) по­явились базы данных, что связано с растущей популярностью ГИС и потерей производителями САD-продуктов части пользо­вателей.

АМ-системы — программные продукты, специально предназ­наченные для профессионального производства карт. Эти систе­мы базируются в основном на рабочих станциях, хотя встречаются и настольные системы для ПК, с помощью которых можно созда­вать карты простого содержания. Профессиональные АМ-систе­мы позволяют получить продукт, качество которого не уступает типографскому, однако они не нацелены на управление данными в течение длительного периода времени, практически лишены средств анализа. АМ эффективно используют при производстве стандартных морских или топографических карт, где все элементы содержания известны заранее, хранятся в специальных библиоте­ках, содержащих сам символ и его код. В АМ регламентируются заливки, штриховки, виды и размеры шрифтов. Изображение на карту наносится в строгом соответствии с принятыми условными знаками. Такой подход позволяет быстро создавать стандартные карты при очень хорошем качестве получаемого продукта, однако поскольку АМ-системы лишены возможностей моделирования и анализа, их нельзя использовать, например, в тематическом кар­тографировании, при решении управленческих задач, ведении мо­ниторинга земель и решении других задач.

FМ-системы управления сетями, например водопроводными, трубопроводными, энергетическими и телефонными, — это систе­мы управления пространственно распределенными объектами, с каждым из которых связана существенная содержательная инфор­мация, что объединяет ГИС и эти системы. Для решения боль­шинства задач сетевого управления не важна метрическая точ­ность действительного положения объектов в пространстве, что сближает FМ-системы с САD-системами. Однако наметившееся в последнее время расширение функций этих систем не только функциями управления сетевыми объектами, но и задачами про­ектирования и эксплуатации привело к необходимости точной координатной привязки сетей и совместному использованию ; этой информации с другой пространственной информацией, оп­ределяющей взаимное положение и влияние объектов реального мира (сетей, зданий и сооружений, природных объектов и т. п.).

Системы мелкомасштабного пространственного анализа связаны прежде всего с задачами природопользования, а также территори­ального планирования и управления. Поэтому одним из первых разработчиков ГИС был Институт исследований систем окружаю­щей среды (ESRI) из США. В России такие системы впервые по­явились в организациях геологического и географического профи­ля (фирма «Ланэко», ЦГИ ИГ РАН, географический факультет МГУ). Именно с системами пространственного анализа связаны два подхода к построению ГИС: растровый и векторный.

Исторически ГИС в современном их понимании развивались на базе информационно-поисковых систем и позднее картографи­ческих банков данных. Информационные системы рассматривали как первый этап автоматизированного создания карт, позднее в функции ГИС (в их широком понимании) стали включать блоки математико-картографического моделирования и автоматизиро­ванного воспроизведения карт. Рассматривая карту как инстру­мент для географического анализа и выделяя подсистему пользо­вателя, ГИС стали охватывать и область использования карт. Большинство ГИС включают в свои задачи создание карт или используют картографические материалы как источник инфор­мации.

В промышленно развитых странах существуют тысячи ГИС, используемых в экономике, политике, экологии, управлении ре­сурсами и охране природы, кадастре, науке и образовании. ГИС охватывают все пространственные уровни: глобальный, регио­нальный, национальный, локальный, муниципальный, интегри­руя разнообразную информацию о нашей планете (картографи­ческую, данные дистанционного зондирования, статистику и пе­реписи, кадастровые сведения, гидрометеорологические данные, материалы полевых экспедиционных наблюдений, результаты бу­рения, подводного зондирования и др.).

В создании ГИС участвуют международные организации, пра­вительственные учреждения, министерства и ведомства, картогра­фические, геологические и земельные службы, статистические уп­равления, частные фирмы, научно-исследовательские институты и университеты. На разработку ГИС ассигнуют значительные фи­нансовые средства, в процессе участвуют целые отрасли промыш­ленности, создается разветвленная геоинформационная структу­ра, сопряженная с телекоммуникационными сетями.

Во многих странах образованы национальные и региональные органы, в задачи которых входят развитие ГИС и автоматизиро­ванного программирования, формирование государственной по­литики в области геоинформатики, национального планирования, сбора и распространения информации, включая и исследования правовых проблем, связанных с владением и передачей географи­ческой информации, с ее защитой. Федеральная программа Рос­сии предусматривает создание цифровых и электронных карт мас­штабом 1:10 000—1:1 000 000 и банков данных для этих карт, раз­работку различных ГИС для органов государственного управле­ния, для демаркации границ России, региональных ГИС по Северу, Байкалу, муниципальных, территориальных и отраслевых ГИС. В Москве сформирован первый Российский научно-произ­водственный центр геоинформации (Росгеоинформ). Одновре­менно развернуты региональные производственные центры в Санкт-Петербурге, Екатеринбурге, Новосибирске, Иркутске и Ха­баровске. При создании разветвленной ГИС-инфраструктуры к этим центрам предполагается привязать местные и отраслевые ГИС разной проблемной ориентации, а также центры сбора и об­работки аэрокосмической информации. В сеть ГИС России обя­зательно должны быть включены научные и научно-производ­ственные базы и банки тематических данных, существующие в институтах Академии наук, вузах, отраслевых учреждениях и ве­домствах.

Все организации, работающие сегодня на геоинформационном рынке, можно подразделить:

на государственные структуры управления (регуляторы рынка и реализаторы федеральных проектов);

организации-пользователи (реализаторы ГИС-проектов);

поставщиков программных средств, цифровых геоданных (ДЦЗ, цифровая картография, измерения на местности);

поставщиков вычислительной техники, оборудования (специа­лизированной компьютерной периферии, специального геодези­ческого оборудования, станций приема ДЦЗ);

организации, организующие обучение и консалтинг;

системные интеграторы ГИС-проектов.

Один из наиболее распространенных видов ГИС в науках о Земле — ресурсные, предназначенные для инвентаризации, оцен­ки, охраны и рационального использования ресурсов, прогноза результатов их эксплуатации. Чаще всего для их формирования используют уже имеющиеся карты, которые цифруют и вводят в базы данных в виде отдельных информационных слоев, отражаю­щих существующее состояние пахотных земель, пастбищ, лесов, поселений и других категорий и угодий земельного фонда. Их можно дополнять информацией по отдельным рекам, озерам, уго­дьям, поселениям (название, источники загрязнения, степень нарушенности). При этом каждую карту можно укрупнить, совмес­тить с другой, сделать с нее печатную копию.

В большинстве случаев ГИС создаются на основе обширных банков и баз данных цифровой информации, куда кроме карто­графических материалов включают данные многолетних наблюдений, статистические сведения, данные дистанционного зондирования.

Геоинформационные системы можно классифицировать:

по назначению (в зависимости от целевого использования и решаемых задач);

тематической ориентации (в зависимости от области примене­ния);

территориальному охвату (в зависимости от масштабного ряда цифровых картографических данных, составляющих базу данных

ГИС);

функциональным возможностям (в зависимости от наличия технических средств защиты визуализации данных);

архитектурным типам построения (в зависимости от возможно­сти расширения и изменения);

способу организации географических данных (в зависимости от форматов ввода, хранения, обработки и предоставления картогра­фической информации) (рис. 2.1).

По функциональным возможностям можно выделить мощные универсальные, настольные, персональные ГИС.

Мощные универсальные ГИС — это ГИС, ориентированные на рабочие станции или мощные ПК и сетевую эксплуатацию систе­мы, обрабатывающие большие объемы информации, имеющие разнообразные средства ввода (от дигитайзеров и сканеров до станций обработки космических снимков) и вывода, развитые средства документирования, которые позволяют создавать карты, не уступающие создаваемым с использованием традиционных технологий.

Яркими представителями этого класса являются универсаль­ные ГИС фирм INTERGRAPH, СDS, ESRI, которые с одинако­вым успехом применяют в различных отраслях

Настольные геоинформационные системы обладают несколько меньшими возможностями, чем универсальные, и предназначены Для решения в первую очередь научных задач, но могут быть ис­пользованы и для решения задач управления. В этих системах не ставится столь жестких требований к качеству и разнообразию средств визуализации, объемам обрабатываемой информации, защите информации и ее сохранности. Эти системы доступны боль­шинству коллективов и могут работать в любом малом офисе. Типичные представители таких систем — МарInfo, Atlas GGIS и др.

В этом классе систем можно выделить сокращенные версии крупных ГИС (INTERGRAPH, ARC/Info) для систем UNIX и Windows NT, предназначенные для работы на ПК в операционных системах DOS и Windows. Поскольку первоначально эти системы создавали для станций, при переносе на менее мощный компью­тер не учитывали ограничения на размер памяти и быстродействие,