1. Понятие о географических информационных системах (ГИС). Геоинформатика как научная дисциплина, технология и сфера производственной деятельности.

Геоинформационная система (ГИС) — система сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных^[1] (географических) данных и связанной с ними информацией о необходимых объектах.

Термин также используется в более узком смысле — ГИС как инструмент (программный продукт), позволяющий пользователям искать, анализировать и редактировать цифровые карты, а также дополнительную информацию об объектах, например высоту здания, адрес, количество жильцов.

ГИС включают в себя возможности cистем управления базами данных (СУБД), редактороврастровой и векторной графики и аналитических средств и применяются в картографии, геологии, метеорологии,землеустройстве, экологии, муниципальном управлении, транспорте, экономике, обороне и многих других областях.

Геоинформатика:

ГИС:

2. Классификации ГИС: по пространственному охвату, предметной области, проблемной ориентации, функциональности и уровню управления.

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:

1)По пространственному охвату различают глобальные, или пла­нетарные, ГИС, субконтинентальные, национальные (зачастую имеющие статус государственных), межнациональные, региональ­ные, субрегиональные и локальные (местные), в том числе муни­ципальные, и ультра локальные ГИС. 

2)ГИС различаются предметной областью информационного мо­делирования; среди предметно-ориентированных, как правило, ведомственных ГИС различают, например, природоохранные ГИС, земельные информационные системы (ЗИС), городские, или му­ниципальные ГИС (МГИС), ГИС для целей предотвращения и ло­кализации последствий чрезвычайных ситуации (ГИС для целей ЧС).

3) Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней научными и прикладными задачами. Они могут быть выстроены в ряд по мере их усложнения и наращивания возможностей управ­ления моделируемыми объектами и процессами: инвентаризация (кадастр, паспортизация) объектов и ресурсов, анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений, экологические и природопользовательские, социально-экономические, земельно-кадастровые, геологические, инженерных коммуникаций и городского хозяйства, чрезвычайных ситуаций, навигационные, транспортные и т.п.

4) 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).

5) Классификация геоинформационных систем по уровням управления. Уровни управления системой определяются уровнем квалификации пользователя. Условно выделяют три уровня управления:

• оперативный (операционный),

• функциональный (тактический),

• стратегический.

Соответственно за работу каждого уровня информационной системы отвечают пользователи различной квалификации. Нижний уровень работы геоинформационной системы – это уровень специалистов исполнителей. В геоинформационной системе на оперативном уровне происходит создание цифровых моделей, установление связей, редактирование, хранение и выдача информации пользователям и во внешние информационные системы. Задачи, цели и источники информации на операционном уровне заранее определены и в высокой степени структурированы. Информационная система этого уровня является связующим звеном между пользователями системы на более высоких уровнях и внешней средой. Система этого уровня – основной поставщик информации, содержит как оперативную, так и архивную информацию. Информационные системы тактического (функционального) уровня дают возможность специалистам, работающим с данными, повысить продуктивность и производительность работ инженеров и проектировщиков. Задача этого уровня – интеграция и обработка оперативной и архивной информации с целью получения новых знаний. По мере информатизации общества развитие экономики все больше зависит от уровня развития таких систем. Информационные системы тактического уровня используются специалистами для мониторинга процессов, интерпретации полученной информации и принятия решений. Можно выделить два типа систем этого уровня – управленческие и системы поддержки принятия решений. Источником информации для систем этого уровня служат системы оперативного уровня. Управленческие ГИС имеют крайне небольшие аналитические возможности и служат для поддержки принятия решений по оперативной обстановке. Системы поддержки принятия решений обслуживают частично структурированные задачи, осуществляют прогноз ситуаций. Они имеют мощный математический аппарат. Информацию получают из управленческих систем своего уровня и с нижнего операционного уровня. Характеристики систем поддержки принятия решений:

• обеспечивают решение проблем, развитие которых трудно прогнозировать,

• оснащены сложными инструментальными средствами моделирования и анализа,

• позволяют легко изменять поток входных данных и постановку решаемых задач,

• имеют технологию, максимально ориентированную на пользователя.

Рис. 3. Уровни управления

12.Интеграция ГИС и глобальной сети Internet. Картографирование в Интернет и Интернет-ГИС. Технологии Web-GIS картографирования

На всякий случай, учебник Лурье.

Web-GIS - (web based Geoinformation service) – web-ориентированные геоинформационные сервисы и/или системы. В мире сложился данный термин, подразумевающий технологию создания современных картографических веб-сервисов, геоинформационных порталов (геопорталов) – для сети Интернет или корпоративных геоинформационных систем (ГИС) на «тонком» клиенте с возможностью доступа к геоданным больших компаний, имея обычный Интернет-браузер.

Интеграция ГИС- и Интернет-технологий. Интернет-услуги в области геоданных постоянно расширяются и технологически со­вершенствуются, затрагивая все более глубокие пласты геоинфор­мационной деятельности: производство и распространение циф­ровых геоданных, их стандартизацию и классификацию, созда­ние ГИС с возможностями удаленного доступа для широкого кру­га пользователей посредством «открытых» сетей (т.е. не требую­щих создания особых информационно-технологических инфра­структур), осуществление комплексных научно-исследовательских ГИС-проектов, подготовку профессиональных кадров в области ГИС. Можно говорить о формировании в сети Интернет мощного геоинформационного «пласта», который уже сейчас оказывает существенное влияние на развитие ГИС и геоинформационных наук в мире. Ключевой проблемой дальнейшего совершенствования «интер­нетовского направления» развития ГИС-индустрии является со­здание специализированных ГИС-технологий. Уже сейчас пред­лагаемые и реализованные технологические решения достаточно разнообразны. Это разнообразие диктуется желанием учесть, по возможности, широкий спектр функциональных и пользователь­ских требований, предъявляемых к интернетовским ГИС-прило-жениям, таких, как скорость формирования, передачи и выпол­нения запросов, набор геоинформационных услуг, предоставляе­мых сервером, возможность доступа и обработки больших масси­вов географической информации, удобство и легкость работы кли­ента и т.д. Несмотря на такое разнообразие требований, фирмы-произ­водители программного обеспечения ГИС, исследовательские и университетские коллективы, работающие в этой области, в пос­ледние годы предлагают и разрабатывают практически только одно принципиальное решение, основанное на интеграции ГИС- и WWW-технологий. Web-сервер (World Wide Web) уже давно стал своеобразной «визитной карточкой» и символом глобальной сети Интернет. 207 Простота общения с ним, внешняя легкость поиска необходимой информации, привлекательный и логически понятный даже но­вичку пользовательский интерфейс, основанный на гипертексто­вом представлении информации, — все это снискало Web-техно­логии всемирное признание и популярность. Достаточно сказать, что общее количество HTML-страниц, составляющих информа­ционную начинку Web-серверов сети Интернет, к настоящему времени по некоторым оценкам превысило 50 млрд единиц. При­общившись к Web-серверам и освоив навигацию по Мировой па­утине, сотни тысяч пользователей сети Интернет уже не пред­ставляют себе иного способа общения с базами данных и инфор­мационными системами любого назначения и содержания, кроме как с помощью специальных Web-браузеров — просмотровщиков гипертекстовых страниц. Поэтому в настоящее время все серьез­ные разработчики программного обеспечения в области ГИС, СУБД, офисных технологий и т. д. в обязательном порядке снаб­жают свои продукты программными модулями, поддерживающи­ми так называемую технологию «клиент/сервер», при которой пользователь имеет дело именно с гипертекстовыми (HTML) стра­ницами, не задумываясь при этом, каким образом организованы данные, как обрабатываются запросы и представляются их ре­зультаты. Следует отметить, что ГИС-специалистами и пользователями геоданных появление и становление Web-технологии было встре­чено с энтузиазмом и сопровождалось бурными дебатами о том, сможет ли последняя быть интегрирована с ГИС на профессио­нальном уровне или останется только привлекательной игруш­кой, иллюстрирующей то, как здорово управляются ГИС с разно­образными геоданными. Время быстро расставило все на свои ме­ста, показав, что в современном развитии ГИС одним из самых привлекательных и полезных направлений является их интегра­ция с Web-технологией. Все это привело к формированию нового технологического направления работы с геопространственными данными в сетевом режиме, получившее название Web-GIS-системы, а разрабатыва­емые интегрированные информационно-технологические реше­ния все чаще называют Web-GIS-технологиями. Главное достоинство Web-GIS-технологии заключается в том, что эта технология «связывает» между собой и делает доступной для широкого и совместного использования геоданные, рассре­доточенные по различным точкам земного шара. Именно для обо­значения таких данных Брэндон Плеве (Brandon Plewe) предло­жил термин «распределенная географическая информация» (distributed geographic information). Важнейшим свойством разра­батываемых в настоящее время Web-GIS-технологий является то, что, применяя их, пользователи Интернет получают возможность 208 активной работы с геоданными (вплоть до реализации собствен­ных ГИС-проектов), не приобретая для этого геоинформацион­ные программные средства (ГИС-оболочки). Основным инстру­ментом работы остаются только Интернет-навигаторы/браузеры, оснащенные некоторыми стандартными или специализированны­ми программными приложениями, распространяемые, как пра­вило, в сети Интернет бесплатно. Таким образом, Web-GIS-технологии позволяют практически добавить геоинформационные функции широкому спектру при­ложений, основанных на сетевом доступе и используемых в биз­несе, управлении, образовании. Ряд подобных технологических решений разрабатывается одновременно и как Интернет-прило­жения, расширяя таким образом возможности локальных сетей, функционирующих во многих организациях в части работы с гео­данными. Некоторые экспериментальные работы посвящены использо­ванию Web-GIS-технологий для создания Интернет-серверов ин­терактивного картографирования, включая и такие инновации, как организация геоинформационных и картографических услуг на основе все более популярного интернетовского принципа «рау-for-use» (плати за использование). Основное направление исследований в области технологиче­ских Web-GIS-приложений касается создания систем программ­ного обеспечения, которые являлись бы платформно-независи-мыми и выполнялись бы на открытых TCP/IP-сетях, что обеспе­чивает подключение к Интернету любого компьютера с помощью стандартного Web-браузера. В Интернете уже имеется немало ресурсов в виде Web-серве­ров, где такие решения реализованы с помощью различных, в первую очередь специализированных, программных средств. При­чем уже сейчас можно выделить несколько различных направле­ний их функционального применения:

• справочно-информационное картографическое обслуживание;

• справочно-аналитическое картографическое обслуживание;

• тематико-картографическое обслуживание;

• визуально-картографическое представление цифровых баз геоданных в интересах их распространения.

Как видно, все перечисленные направления в любом случае опираются на картографическое представление запроса или его результата, что позволяет считать практически все Web-GIS-cep-веры «Картографическими Интернет-серверами».

15.Пространственный анализ данных в ГИС.

Анализ пространственных данных

1. Задачи пространственного анализа

     

К средствам пространственного анализа относятся различные процедуры манипулирования пространственными и атрибутивными данными, выполняемые при обработке запросов пользователя. К ним относятся, например, операции наложения графических объектов, средства анализа сетевых структур или выделения объектов по заданным признакам.

Для каждого ГИС-пакета характерен свой набор средств пространственного анализа, обеспечивающий решение специфических задач пользователя, в тоже время можно выделить ряд основных функций, свойственных практически каждому ГИС-пакету. Это, прежде всего, организация выбора и объединения объектов в соответствии с заданными условиями, реализация операций вычислительной геометрии, анализ наложений, построение буферных зон, сетевой анализ.

2. Основные функции пространственного анализа данных

Выбор объектов по запросу: самой простой формой запроса является получение характеристик объекта указанного курсором на экране и обратная операция, когда изображаются объекты с заданными атрибутами. Более сложные запросы позволяют выбирать объекты по нескольким признакам, например по признаку удаленности одних объектов от других, совпадающие объекты, но расположенные в разных слоях и т. д.

Для выбора данных в соответствии с определенными условиями используются SQL- запросы. Для выполнения запросов разной сложности реализованы возможности использования при составлении запросов математических и статистических функций, а также географических операторов, позволяющих выбирать объекты на основании их взаимного расположения в пространстве (например, находится ли анализируемый объект внутри другого объекта или пересекается с ним).

Обобщение данных может проводиться по равенству значений определенного атрибута, в частности для зонирования территории. Еще один способ группировки – объединение объектов одного тематического слоя в соответствии с их размещением внутри полигональных объектов других тематических слоев.

Геометрические функции: к ним относят расчеты геометрических характеристик объектов или их взаимного положения в пространстве, при этом используются формулы аналитической геометрии на плоскости и в пространстве. Так для площадных объектов вычисляются занимаемые ими площади или периметры границ, для линейных - длины,  а также расстояния между объектами и т.д.

Оверлейные операции (топологическое наложение слоев) являются одними из самых распространенных и эффективных средств. В результате наложения двух тематических слоев образуется другой дополнительный слой в виде графической композиции исходных слоев. Учитывая, что анализируемые объекты могут относиться к разным типам (точка, линия, полигон), возможны  разные формы анализа: точка на точку, точка на полигон и т.д. Наиболее часто анализируется совмещение полигонов.  

Построение буферных зон. Одним из средств анализа близости объектов является построение буферных зон.Буферные зоны – это районы (полигоны), граница которых отстоит на заданном расстоянии от границы исходного объекта. Границы таких зон вычисляются на основе анализа соответствующих атрибутивных характеристик. При этом ширина буферной зоны может быть как постоянной, так и переменной. Например, буферная зона вокруг источника электромагнитного излучения, будет иметь форму круга, а зона загрязнения от дымовой трубы завода с учетом розы ветров будет иметь форму близкую к эллипсу.

Сетевой анализ позволяет пользователю проанализировать пространственные сети связных линейных объектов (дороги, линии электропередач и т. д.). Обычно сетевой анализ служит для задач определения ближайшего, наиболее выгодного пути, определения уровня нагрузки на сеть, определение адреса объекта или маршрута по заданному адресу и другие задачи.