Методичка

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Российский государственный гидрометеорологический университет

Факультет заочного обучения

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по курсу

“Географические информационные системы”

Специальность 320300 - Геоэкология

Курс V

Подлежит возврату

на факультет заочного обучения

Санкт-Петербург

2000

Одобрено Ученым Советом

Российского государственного гидрометеорологического университета

В методических указаниях по дисциплине «Географические информационные системы» представлены все разделы программы курса, дана их краткая характеристика с указанием вопросов, на которые студентам следует обратить особое внимание. Приведены варианты контрольной работы.

Одобрено методической комиссией факультета экологии и физики природной среды РГГМУ

Составитель: Третьяков В.Ю., кандидат географических наук, Российский государственный гидрометеорологический университет.

Ответственный редактор: Шелутко В.А., доктор географ. наук, профессор, Российский государственный гидрометеорологический университет.

Рецензент: Осипов Г.К., доктор географических наук, профессор, председатель Северо-западного регионального отделения ГИС-ассоциации России, Санкт-Петербургский государственный технический университет.

Российский государственный гидрометеорологический университет (РГГМУ),

2000 г.

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

Настоящие методические указания составлены на основе и в полном соответствии с программой курса “Географические информационные системы”. Необходимость данного курса определяется прежде всего тем, что основным предназначением специалиста-эколога является получение новой смысловой информации об экологическом состоянии объектов окружающей среды и прогнозирование их будущего, что возможно лишь на основании обработки имеющейся разнородной и противоречивой информации, различных видов моделирования, т.е. с широким применением информационных технологий. Профессиональные же картографы и программисты имеют слабое представление о тех естественнонаучных проблемах, инструментом для решения которых должны являться ГИС-технологии. Поэтому для эколога совершенно необходимым является овладение методологией применения ГИС-технологий. Разумеется, для получения достаточно прочных знаний совершенно необходимым является самостоятельная работа с географическими информационными системами на компьютере, разработка собственных ГИС-проектов. Однако специфика заочной формы обучения не позволяет выполнить это требование. Поэтому в настоящем курсе основной упор сделан на овладение обучающимися понятийным аппаратом ГИС-технологий. Данные указания содержат лишь краткие резюме рассматриваемых вопросов и отнюдь не заменяют собой рекомендованную учебную и научную литературу, с которой необходимо работать.

Основной формой обучения является самостоятельная работа студентов-заочников с рекомендованными учебниками и пособиями. При работе с литературой следует конспектировать изучаемый материал, акцентируя внимание на ясное определение и понимание терминов. Необходимо стремиться к тому, чтобы в конспекте в достаточно полном объеме были отражены вопросы, по которым выполняется самопроверка.

Учебным планом предусматривается самостоятельное выполнение контрольной работы в форме реферата. Контрольная работа, аккуратно оформленная и имеющая поля для замечаний рецензента, высылается в Университет. Во время лабораторно-экзаменационной сессии преподавателями Университета читаются установочные и обзорные лекции по курсу.

К выполнению контрольной работы студент должен приступить только после усвоения материала. Ответы на вопросы контрольной работы нельзя дословно выписывать их текста учебного пособия. Студент должен уметь собственными словами передать проработанный материал. Для оформления контрольной работы нужно использовать отдельную тетрадь и разборчиво написать в ней текст работы, оставляя поля для замечаний. Ответы на вопросы следует излагать в том порядке, в котором они указаны в задании. На титульном листе контрольной работы выписывается номер зачетной книжки. Работа должна быть датирована, подписана студентом и представлена в университет не позже, чем за 40-50 дней до начала сессии. Если студент имеет возможность разработки собственных ГИС-проектов или хотя бы их отдельных элементов, то он может представить их в качестве курсовой работы. В этом случае экзамен будет приниматься в форме обсуждения с преподавателем разработанного студентом ГИС-проекта.

Если работа не зачтена, ее нужно выполнить второй раз в соответствии с замечаниями рецензента. Исправленные ответы приводятся в конце тетради. Контрольная работа, выполненная студентом не по своему варианту, не рецензируется и не засчитывается. На экзаменационную сессию нужно являться, имея при себе рецензию на выполненную контрольную работу.

Литература.

Основная:

Экоинформатика. Теория. Практика. Методы и системы. /Под ред. акад. РАН В.Е.Соколова. Спб, ГМИ, 1992.

Кошкарев А.В., Тикунов В.С. Геоинформатика// Под ред. Д.В. Лисицкого. - М.: “Картоцентр”-”Геоиздат”, 1993.

Коновалова Н.В., Капралов Е.Г. Введение в ГИС. Учебное пособие. Изд. 2-е исправленное и дополненное. Комитет ГИС-образование ГИС-Ассоциации. М.: 1997.

Дополнительная:

“Информационный бюллетень” ГИС-Ассоциации (периодическое издание) М.: ГИС-Ассоциация.

Программно-аппаратное обеспечение, фонд цифрового материала, услуги и нормативно-правовая база геоинформатики. Ежегодный обзор. Вып. 3 (1996-1997, в двух томах). Приложение к “Информационному бюллетеню” ГИС-Ассоциации.- М.: ГИС-Ассоциация.

ГИС-обозрение. Журнал. М.

Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. М.: Изд-во Финансы и статистика, 1998.

Хаскольд Вильям. Введение в городские географические информационные системы. Пер. с англ. 1996.

Заявки на литературу можно посылать в ГИС-Ассоциацию по адресу:

117917, Москва, ГСП-1, Ленинский пр-т, 65, ГАНГ, исх. 107,

тел./факс (095) 135-76-86, 137-37-87

ТАБЛИЦА ВАРИАНТОВ КОНТРОЛЬНЫХ ВОПРОСОВ

Вариант контрольных вопросов определяется по последней цифре номера студенческого билета. Например, номер студенческого билета 38224 последняя цифра 4, ей соответствует вариант № 4. Вопросы с соответствующими номерами даны в конце каждого раздела.

№

варианта Номера вопросов

1 1 11 27 37 42 52 57

2 2 12 28 38 43 53 58

3 3 14 29 39 44 54 59

4 6 13 30 40 45 55 60

5 7 15 31 41 46 56 61

6 4 16 21 22 32 47 62

7 5 17 23 33 48 63 67

8 8 18 24 34 49 64 68

9 9 19 25 35 60 65 69

0 10 20 26 36 51 66 70

УКАЗАНИЯ ПО РАЗДЕЛАМ ПРОГРАММЫ

Введение

Географические информационные системы – это компьютерные системы (или в более узком смысле программные пакеты), предназначенные для сбора, хранения, дополнения, обработки, анализа, моделирования, визуализации пространственно-координированной (т.е. имеющей пространственную привязку, пространственно-распределенной) информации, а также проведения экспертиз при принятии управленческих решений.

По одному из определений "информация - это все, чем могут быть дополнены наши знания, убеждения и предположения. Другими словами, информация есть способность к накоплению знаний". Основоположник кибернетики Норберт Винер считал, что информация - фундаментальная категория (понятие), такая же основа мироздания, как вещество или энергия: "Информация есть информация, а не материя и не энергия. Информация - это совокупность сведений, уменьшающих неопределенность в выборе различных возможностей. Информация - основное понятие кибернетики. Кибернетика изучает технические и биологические системы исключительно с точки зрения их способности воспринимать определенную информацию, сохранять информацию в памяти, передавать ее по каналам связи и перерабатывать информацию в сигналы, направляющие деятельность устройств или организмов. Адекватное восприятие информации обеспечивает нормальное функционирование технических устройств, оно является необходимым условием выживания любого организма.

Геоэкология предполагает системный (кибернетический) подход к исследованию геосистем, которые рассматриваются как кибернетические системы, получающие извне вещество, энергию и информацию, потребляющие их, преобразующие, перераспределяющие между различными своими компонентами и выделющими за свои пределы материю, энергию и информацию в иных формах. Применение информационных технологий в геоэкологии тем более важно, что геоэкология является синтезирующей наукой, интегрирующей достижения целого комплекса естественных, точных и социальных наук.

Информация бывает трех родов. Информация первого рода - это фактические результаты непосредственных измерений. Далее информация подвергается обработке: классификации, статистической обработке, составлению таблиц, карт, атласов, диаграмм и т.д. Это вторичная информация первого вида. Впоследствии она преобразуется во вторичную информацию второго вида. Это: научные отчеты, статьи, ипломные, диссертационные работы, обобщения, закономерности, гипотезы, теории. В общем случае первичная информация может быть преобразована во вторичную информацию многими способами. При этом на основании одной и той же первичной информации можно в принципе получить различающуюся и даже противоречивую вторичную информацию: различные выводы, гипотезы, представления. Вторичная информация представляется на специфическом языке данной науки и рассчитана для потребления специалистами в данной области знания. Затем вторичная информация преобразуется в третичную информацию, предназначенную для "лиц, принимающих решения": представителей власти, управляющих производством и т.д. Третичная информация представляет собой рекомендации или методики, написанные доступным для неспециалистов языком. Ясно, что адекватность "конвертации" геоэкологической информации может быть обеспечена лишь адекватностью реальности принятых теорий функционирования и развития геосистем.

В любой ГИС можно выделить ее стандартное программное ядро: программное обеспечение, программный пакет, разработанный одной из крупных фирм по производству программного обеспечения. В большинстве случаев для анализа и моделирования экологических процессов, или хотя бы для разработки собственного интерфейса пользователя необходимо создавать программы, которые будут управлять работой ГИС для данного конкретного проекта. Эта возможность реализуется при помощи встроенного в стандартную ГИС внутреннего языка создания ГИС приложений. Разработка стандартных ГИС - дело многочисленных коллективов профессиональных программистов специализированных фирм. Однако эти программисты не имеют экологического образования и не знают специфики задачи, для решения которой разрабатывается конкретная ГИС. Поэтому разработка конкретного ГИС-приложения или участие в его создании совместно с программистом-профессионалом - дело специалиста-эколога.

Таким образом, для реализации конкретной ГИС необходима совокупность из программных и технических средств хотя бы в пределах одного компьютера. Это тот случай, когда получение поставляемых в ГИС данных находится вне рамок данной конкретной ГИС: данные каким-то образом получены, записаны в файлы необходимых форматов и импортируются в ГИС. Однако возможен такой случай, когда к ГИС подключаются блоки автоматизированного измерения различных характеристик, т.е. в ГИС включена информационно-измерительная система. Вообще информационной системой называется система, реализующая автоматизированный сбор, обработку и манипулирование данными и включающая в себя технические средства обработки данных, программное обеспечение и соответствующий персонал. Упрощенная структура информационной системы подразумевает наличие измерительного блока, блока ввода данных в базы данных, системы управления базами данных, комплекса прикладных программ и обслуживающего персонала. Информационные системы подразделяются на измерительные информационные системы и обрабатывающие информационные системы. Разумеется, система может быть одновременно и измерительной, и обрабатывающей. Отличие информационной системы от геоинформационной состоит в отсутствии блоков визуализации информации и ее анализа. В общем случае в состав конкретной геоинформационной системы может входить информационно-измерительная система. В таком случае в состав конкретной ГИС кроме измерительных датчиков должны входить телекоммуникационные средства передачи информации: кабельная сеть, модемы и т.д.

Вопросы для самопроверки:

1. Что такое информация?

2. Типы информации.

3. Определение географической информационной системы (ГИС) и ее обобщенная структура.

4. Информационно-измерительная система и ее отличие от ГИС.

Литература.

Экоинформатика. Теория. Практика. Методы и системы. С. 7-13, 90-103.

Кошкарев А.В., Тикунов В.С. Геоинформатика. С.5-20.

Коновалова Н.В., Капралов Е.Г. Введение в ГИС. С. 7-11.

1. Геоинформационные системы: общие вопросы.

В информатике существует 3 основных подхода: вероятностно-статистический, связанный в первую очередь с именем Клода Шеннона, комбинаторный, или теоретико-множественный, и семантический.

В основе вероятностно-статистического подхода теории информации лежит предложенный в 1948 г. Шенноном способ измерения количества информации, содержащегося в одном случайном объекте (событии, величине, функции) относительно другого случайного объекта. Этот способ приводит к выражению количества информации числом. По теории Шеннона количество информации I вычисляется по формуле:

n

I=Spilogpi,

i=1

где pi - вероятность появления - го сигнала, n - количество всех возможных сигналов. У этой теории есть значительный недостаток - она не учитывает содержательную сторону информации. По ней совокупность из 100 букв, выбранных случайным образом, фраза в 100 букв из газеты, пьесы Шекспира или теории Эйнштейна имеют в точности одинаковое количество информации.

Вместе с тем понятно, что нас интересует не только и даже не столько количество информации, сколько ее содержательная сторона, ее смысл и полезность. Одно и то же сообщение может иметь колоссальное значение для одного получателя и не иметь никакого значения для другого. Более того, одно и то же сообщение для различных субъектов может иметь весьма различный и даже противоположный смысл. Очевидно, что характер восприятия информации зависит от собственных характеристик субъекта, извлекающего или применяющего информацию.

Преодолеть недостаток теории Шеннона и отразить качественную сторону информации стремится семантическая теория информации. Семантика является частью математической логики. Область семантики - исследование интерпретаций логического исчисления, формальной аксиоматической теории; изучение смысла и значения конструкций формализованного языка теории, способа понимания его логических связок и формул. Семантика уделяет внимание возможности точного описания и определения таких понятий, как "истина", "определимость", "обозначение", по крайней мере применительно к точно описанным языкам.

Семантическая теория информации описывает сообщения со структурно-лингвистических позиций и ориентирована на построение моделей, отображающих собственные законы организации объектов окружающего мира и представления их в информационных системах. Смысл информации может быть понят приемником только в том случае, если он знает язык природы или располагает способами его построения.

Реальное использование информации только отчасти определяется собственными качествами информации. Довольно характерно, что весьма редко полученная первооткрывателем качественно новая информация достойно оценивается обществом и быстро находит реализацию в практической деятельности.

Прагматическая ценность информации связывается с представлением о цели. При этом под целью понимается опережающее отражение, предвосхищение результата человеческой деятельности, идеальный образ предмета потребности. Чем более способствует информация достижению цели, тем более она ценна. При таких логических построениях фактически предполагается, что существует некоторое множество целей, к которым стремится субъект. Для достижения этих целей он неизбежно должен управлять окружающей средой и в какой-то мере своим поведением. Для управления ему необходима информация. Эта информация тем ценней, чем она надежней выводит субъекта к поставленной цели. Однако сами по себе цели не даются откуда-то со стороны, а получаются фактически в результате моделирования системы отношений "субъект - окружающая среда" самим субъектом. Истинность этой модели сама по себе требует доказательства. Если модель ложна, т.е. неадекватно отражает окружающий мир, то могут быть ложны и цели. Фактически мы движемся по замкнутому кругу: "модель - информация - модель". Этот круг можно разорвать, если рассматривать не субъективное состояние субъекта относительно целей, порожденных его собственным субъективным видением реального мира, а объективное его состояние относительно реальных условий его жизнедеятельности. Так как субъект стремится обеспечить свою устойчивость в пространстве внешних переменных, а проще говоря, стремится обеспечить свое развитие и выживание, то ценность информации может быть определена по тому, насколько она способствует достижению этого результата. Ценность информации тем выше, чем более надежно она предупреждает субъекта о приближении к границе устойчивости. Связав ценность информации со степенью устойчивости субъекта, можно ввести и соответствующую систему измерения. Однако это можно сделать лишь с позиции стороннего наблюдателя, наблюдающего входные переменные и информацию, поступившую от среды к субъекту и реакцию на нее субъекта. Ценность информации зависит от расстояния субъекта от границы области устойчивости. Но такая система измерения ценности информации самим субъектом в принципе не реализуема. Любой способ измерения ценности информации самим субъектом, будь то конкретный человек или общество в целом, будет всегда условен, хотя ценность информации является безусловно объективной категорией.

И тем не менее в реальной жизни мы всегда говорим о ценности информации. В рамках взаимодействия субъекта с информацией по мере ее использования ценность ее очевидным образом теряется. При этом процесс потери ценности информации в большей степени подчиняется законам количественной информации. Получение новой информации всегда связано, по крайней мере при ее восприятии, с первоначально редкими событиями (сообщениями). Их редкость может иметь различную природу и в том числе определяться слабой разработанностью технических средств измерений или их принципиальной новизной, или переходом субъекта в новые, для него незнакомые условия среды (например, экспедиция в ранее неизученную акваторию или территорию). Разумеется, субъект может "стоять на месте", а со временем могут изменяться условия среды, что наиболее характерно для современности. Пока некоторые события редки и при этом осознается их соотношение с целью, их информационная ценность очень велика. По мере увеличения частоты их повторяемости и накопления опыта их использования в системе принятия решений ценность их постепенно снижается. Как явления окружающего мира эти события (сообщения) становятся обычными и не способными существенно влиять на изменение механизмов управления.

Прагматическая ценность информации сохраняется тогда, когда она связывается с объектами, поведение которых трудно предсказуемо, когда субъект пребывает в состоянии постоянного ожидания событий (например, прогноз погоды, наводнений, землетрясений и т.п.). В целом же по мере использования информации об окружающем мире ценность ее снижается.

Однако поскольку разные субъекты и один и тот же субъект в разное время могут извлекать из одной и той же информации совершенно различное содержание, постольку и ее потенциальная ценность во времени остается неизменной и неизмеримой. С этой точки зрения закон сохранения на информацию не распространяется, а количество информации от ее использования не зависит.

Тем не менее желание оценить информацию объективно совершенно оправдано. В конце концов с этим прямо связана оценка, в том числе и стоимостная, работы самых различных информационных служб общества и в конечном итоге практически всех его членов, относимых к классу научных работников. Именно "полезность любой вещи делает ее потребительной стоимостью. Потребительное свойство не зависит от того, много или мало труда стоит человеку его присвоение. Потребительная стоимость реализуется лишь в процессе потребления". Эти положения, сформулированные в "Капитале" Карла Маркса, не подвергаются в наше время мировой экономической наукой сомнению. Информация не может быть стоимостью, не будучи предметом потребления. Поскольку в информацию вложен человеческий труд, то она может рассматриваться как товар. Если на нее нет спроса, то у нее нет и стоимости. Однако вещь в настоящее время может не представлять ценности, а в будущем стать очень ценной: так, для человека каменного века железная руда не представляла никакой ценности, так же, как для человека 18 века бокситы. Сбор информации первичен по отношению к потреблению и она собирается тогда, когда еще не может быть стоимостью. Общество оплачивает этот труд, создающий лишь базу для раскрытия возможной полезности загодя, заведомо не зная, где, когда, как и в какой области эти полезности будут раскрыты. В этот локальный момент времени полученная, но еще не используемая обществом информация не имеет стоимости, а труд людей, связанных с ее сбором, переработкой, хранением и представлением оплачивается обществом в целом в соответствии с общим уровнем общественного развития. Сбор такой информации - область фундаментальной науки. Соответственно до тех пор, пока исторически не раскрыта полезность собранной в рамках этой деятельности информации, труд связавших себя с фундаментальной наукой людей не образует стоимости.

Как только потребительная стоимость вещи и соответственно связанной с ней информации раскрыта, то информация становится обычным товаром со всеми атрибутами экономики. Ее ценность определяется в системе спроса-предложения и здесь начинают действовать вполне объективные законы рынка и проблема прагматической ценности информации становится чисто экономической. Ее прагматическая ценность начинает выражаться в системе спроса-предложения в соответствующих денежных эквивалентах.

Информация является атрибутом взаимодействия. Будучи порождением чисто материальных отношений, сама по себе она не материальна. На информацию не распространяются физические законы сохранения и она фактически вступает в качестве регулятора процессов, определяемых этими законами. Так, на сбор, передачу, хранение информации неизбежно затрачиваются вещество и энергия, но увеличение скорости ее обращения и повышение адекватности ее использования приводит к экономии вещества, энергии и человеческого труда в объемах, намного превышающих затраты.

Элемент геоэкологических данных содержит три главные компоненты: атрибутивные сведения, которые описывают сущность характеристики; географические сведения, описывающие положение элемента в пространстве; временные сведения, описывающие момент или период времени, к которым относится элемент данных. Данные выступают как сырье, которое путем переработки можно превратить в информацию, т.е. данные – строительный материал для создания информации. Они рассматриваются как объект обработки и основа для получения информации. Данные – это атрибут информации, который обозначает факты, понятия, инструкции, которые представлены в условной форме, удобной для пересылки, интерпретации и обработки человеком или автоматическими средствами. Информация – это смысл, вкладываемый человеком в данные. Знания в философском их понимании – отражение семантических аспектов реальности в мозгу человека или в технической системе.

Первичная информация подразделяется в зависимости от целей, для достижения которых она собирается, на научно-поисковую, научную режимную и практического назначения. Особенность научно-поисковой информации, собираемой обычно в рамках фундаментальных исследований под новые, иногда очень нечетко определенные гипотезы и цели состоит в том, что она почти всегда избыточна и интерактивна. Избыточность связана с большой неопределенностью при постановке задач, высокая интерактивность объясняется необходимостью быстрой смены методов и методик наблюдений, что в свою очередь обеспечивает расширенный научный поиск. Научная режимная информация связана с теми исследованиями, при помощи которых осуществляется верификация достаточно реалистичных гипотез и теорий. Ее характерной чертой является четкое обоснование переменных, методов, объемов собираемой информации. Такого типа исследования в норме проводятся по хорошо обоснованным программам. Специфической чертой первичной информации в сфере практической деятельности является ее жесткое подчинение определенным хозяйственным задачам с максимальным удешевлением всей процедуры сбора. Измеряются только те переменные и в таком объеме, в каком это необходимо и достаточно для надежных практических действий в данной предметной области. В информацию последнего типа входит выделившаяся в отдельную область мониторинговая информация.

Согласно словарю “Природопользование” Н.Ф.Реймерса (1984) под мониторингом окружающей среды понимается “слежение за состоянием окружающей человека природной среды и предупреждение о создающихся критических ситуациях, вредных или опасных для здоровья людей и других живых организмов”. В других определениях мониторинга, приведенных в данном словаре (всего их 10!), обращается внимание либо на прстранственный аспект, либо на методы его реализации: космический, авиационный, биологический и т.д. При таком подходе смысл мониторинга заключается в осуществлении двух взаимосвязанных функций - наблюдения (слежения) и предупреждения. Такой мониторинг нацелен на фиксацию отрицательных последствий хозяйственных действий и их вторичных эффектов. и поэтому обладает низким прогностическим потенциалом.