Все предметы на второй семестр / tch__120303__6__Osnovi_geoinformatiki__Lections[2003-02-04] / ОснГеоЛек / ЛЕКЦИЯ 1(история)

Лекция N 1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ГИС

Вопросы:

1. Определение ГИС

2. Типы ГИС

3. Этапы создания ГИС

4. Определение геоинформатики

5. Место и роль ГИС в системе территориальной информации.

6. Источники информации ГИС

7. Цели и задачи ГИС

8. Потенциальные потребители ГИС

9. Составные части ГИС.

10. Разработка и внедрение ГИС.

11. История развития ГИС.

1

Географическая информационная система (геоинформационная система, ГИС)... — информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение прост­ранственно-координированных данных (пространственных данных) с уточнением, что "ГИС содержит данные о пространственных объ­ектах в форме их цифровых представлений (векторных, растровых, квадрогомических и иных)", а программные средства ГИС включает соответствующий задачам набор функциональных возможностей, в которых реализуются операции геоинформационных технологий.

2

Типы ГИС.

-по объектам информационного моделирования (земля, лес, вода, население и т.п.);

- по предметной (ведомственной, отраслевой) ориентации (лес­ное хозяйство, землеустройство, природные катастрофы и т.п.);

- по проблемной специализации (инвентаризация, кадастр, оценка, мониторинг, управление, прогнозирование);

• по территориальному охвату (ГИС планетарного, суб­континентального, континентального, национального, межна­ционального, регионального, субрегионального, локального (местного) и ультралокального уровней) с соответствующими масштабами, точностями и пространственными разрешениями представления данных, правовым, кадровым .и организационным обеспечением.

• по предметной области информационного моделирования, например, городские ГИС, или муниципальные ГИС, МГИС , природоохранные ГИС и т.п.; среди них особое наименование, как особо широко распространенные, получили земельные информационные системы.

• по проблемной ориентации ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными и прикладными), среди них инвентаризация ресурсов (в том числе кадастр), анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений. Интегрированные ГИС, ИГИС сов­мещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обра­ботки изображений (данных дистанционного зондирования) — в единой интегрированной среде. Полимаспггабные, или масштабно-независимые ГИС осно­ваны на множественных, или полимасштабных представлениях про­странственных объектов , обеспечивая графическое, или картографическое вос­произведение данных на любом из избранных уровней масштабного ряда на основе единственного набора данных с наибольшим простран­ственным разрешением. Пространственно-временные ГИС оперируют пространственно-временными данными.

3

Ре­ализация геоинформационных проектов, создание ГИС в широком смысле слова включает этапы: предпроектных исследова­ний , в том числе изучение требований пользователя и функциональных возможностей используемых программных средств ГИС, технико-экономическое обоснование, оценку соотношения "затраты/прибыль" ; системное проек­тирование ГИС, включая стадию пилот-проекта , разработку ГИС ; ее тестирование на небольшом территориальном фрагменте, или тестовом участке , прототипирование, или создание опытного образца, или прото­типа; внедрение ГИС; эксплуатацию и использование.

4

Научные, технические, технологические и приклад­ные аспекты проектирования, создания и использования ГИС изуча­ются геоинформатикой.

Геоинформатика — наука, тех­нология и производственная деятельность по научному обос­нованию, проектированию, созданию, эксплуатации и использованию географических информационных систем, по разработке геоинформа­ционных технологий, по прикладным аспектам, или приложению ГИС...для практических или геонаучных целей.

5

Прежде всего давайте рассмотрим на конкретных примерах какую роль играет географическая информация в анализе различных явлений и принятии управленческих и инженерных решений.

Зачастую даже большое количество информации не может решить проблему, пока она не будет визуализирована на географической карте. Например, данные о количестве дорожно-транспортных происшествий тесно связаны с другими факторами:

• организацией дорожного движения на перекрестках,

• схемой расстановки дорожных знаков,

• схемой дорожной разметки,

• интенсивностью и составом движения и т.д.

В большинстве случаев, только будучи представленными на карте или схеме, они позволяют определить критические участки и предоставляют возможность быстрого принятия оптимальных решений по ликвидации причин дорожно-транспортных происшествий.

Аналогично вышеприведенному примеру, необходимость проанализировать графическое расположение явлений и объектов, их количественные и качественные характеристики при помощи карты возникает у представителей различных профессий. Прежде всего, это, конечно, управляющие структуры, владеющие большими массивами информации, на основе которой принимаются управленческие решения и, в частности, решения по управлению городскими территориями. В картографических данных также нуждаются специалисты, оценивающие и прогнозирующие состояние какой-либо области человеческой деятельности, например, застройки территории, рынков сбыта продукции, загрязнений территории и т.п. Круг возможных потребителей географической информации чрезвычайно широк, это является одной из причин резко возросшего за последние годы спроса на географические информационные системы - ГИС.

6

При анализе большого массива информационных данных именно география является связующим звеном информации, получаемой из многочисленных источников. Источниками информации являются:

1) различные типы карт (графическая база данных): планы застроек, топографические и аналитические карты, карты растительности и экологии, геологические и гидрогеологические карты;

2) информационные базы данных (тематические или семантические базы данных):материалы статистической отчетности, данные гидрометеорологических наблюдений, экологического мониторинга и т.д.

3) аэрофото - и космические снимки.

Значительная часть географических данных быстро меняется с течением времени, и поэтому все более затруднительным, а зачастую и просто неприемлемым становится использование бумажных карт: быстроту получения информации и ее актуальность может гарантировать только автоматизированная система. Первыми попытками применения автоматизации в географии стали банки географической информации. Однако с течением времени накапливался опыт сбора, хранения и управления данными, нарабатывались библиотеки программ, решающих стандартные задачи.

7

Целью использования ГИС является принятие оптимальных управленческих и инженерных решений.

ГИС выдают информацию пользователю по запросу в наиболее удобной для него форме: обычно - в виде карт, схем и таблиц.

ГИС, служат информационным базисом для решения следующих задач:

1) принятие решений управленческого уровня;

2) научно-обоснованное перспективное и оперативное планирование развития города и его отдельных территорий;

3) оптимальное проектирование объектов промышленного и гражданского назначения на территории города;

4) разработка генерального плана города и контроль за его реализацией;

5) изучение состояния экологических, социально-экономических, природно-ресурсных условий территории и их экономическая оценка;

6) совершенствование учета и рационального использования городских земель и недвижимости;

7) получение достоверной информации о местоположении и эксплуатации инженерных сетей городского коммунального хозяйства;

8) сбор горно-геологических данных, сведений о техногенных процессах и природных запасах недр многоцелевого применения;

9) проведение налогообложения, взимание платежей за использование природных ресурсов, недвижимости, за загрязнение окружающей Среды;

10) охрана прав пользователей, собственников, других потребителей региональных ресурсов.

Опыт длительной эксплуатации ГИС показал широкое применение накопленной информации в узковедомственных и потребительских сферах - транспорт, ценообразование, туризм, купля-продажа, справочные услуги и пр.

Таким образом, ГИС по назначения и своим функциям является многоцелевой и ориентирована на обеспечение данными о городской среде широкого круга организаций и граждан.

8

К потенциальным потребителям геоинформации можно отнести:

1) городские структуры законодательной и исполнительной власти;

2) службы городского, градостроительного, земельного кадастров города;

3) планирующие органы;

4) налоговые инспекции;

5) юридические и правоохранительные органы;

6) управления архитектуры и градостроительства городов;

7) земельную службу города;

8) организации эксплуатационной службы города (коммуникации, транспорт, здания и сооружения);

9) научно-исследовательские и проектные институты;

10) строительные организации;

11) торговые организации, биржи всех назначений;

12) инспекции и контрольные органы социально-экономического и технического надзоров;

13) иностранные партнеры и инвесторы;

14) коммерческие образования, предприниматели;

15) частные лица.

С точки зрения городского, градостроительного кадастров и оценки недвижимости большой интерес представляет использование возможностей географических информационных систем для маркетинговых исследований рынка недвижимости и определения градостроительной ценности территории. Основной проблемой в данном вопросе является достоверность и актуальность получения информации от официально признанных источников.

Возможности ГИС в настоящее время начали использоваться при проведении экономической оценки земель городских территорий. Следует отметить, что только наличие актуальных и достоверных кадастровых данных о землях (правовой режим, размещение на территории, качественная оценка земель, данные инвентаризации земель) позволяют выполнить работы по оценке земель на должном уровне. Одной из тематических задач, реализованных при использовании ГИС-технологий в некоторых городах России, является дифференциация урбанизированной территории по зонам градостроительной ценности земель, составление специальных карт балльной оценки факторов, определяющих качество городских земель, создание на базе этих карт синтезированной карты классов балльной оценки городской территории для расчета ставок земельного налога и нормативной цены земли для землевладельцев и землепользователей.

9

Составными частями ГИС являются (рис.1):

• базы данных;

• система визуализации данных;

• система управления данными;

• система ввода информации;

• система вывода информации.

Базы данных являются обязательными компонентами ГИС. Существуют два типа баз данных: графические и тематические (семантические).

В графических базах данных хранится то, что принято называть топографической основой.

Тематические базы данных содержат в себе так называемую нагрузку карты и дополнительные данные, которые относятся к пространственным, но не могут быть прямо нанесены на карту - это описания территорий, строений, коммуникаций и другая информация, содержащаяся в отчетах.

Оба вида баз данных представляют собой файлы (наборы) данных, хранящиеся на магнитных носителях.

Кроме них любая ГИС имеет систему визуализации данных, выводящую на экран имеющуюся информацию в виде карт, таблиц, схем и т.п. При помощи системы управления и обработки данных происходит их поиск, сортировка, удаление, добавление, исправление и анализ.

Система ввода - это программный блок, отвечающий за получение данных, источниками которых могут являться различные электронные устройства, такие как дигитайзер (цифрователь), на котором осуществляется цифрование карт, сканер, считывающий изображение в виде растровой картинки, электронные теодолиты и другие геодезические приборы. Информация может быть введена с клавиатуры вручную или получена из другой компьютерной системы. Ее источниками могут быть аэрофото- и космические снимки, обрабатываемые на специализированных рабочих станциях (рис. 2).

Система вывода ГИС предназначена для представления результатов работы в виде, удобном потребителю. При помощи плоттера (графопостроителя), например, можно получить очень качественные черно-белые и цветные изображения - практически готовую карту. Используются также разнообразные принтеры, в том числе и лазерные.

Результаты работы могут быть представлены в виде видеофильмов, записаны на дисках, распечатаны в форме отчетов или отправлены по сети во внешние компьютерные системы (рис. 3).

Обычно столь широким спектром возможностей ввода/вывода данных обладают лишь немногие крупные ГИС. Большинство систем имеют ограниченный набор вариантов ввода/вывода данных. Конкретный перечень устройств, поддерживаемый системой, часто формируется по заказу пользователя.

10

На создании ГИС специализируются как крупные фирмы (INTERGRAPH, SYSSCAN, ESRI), так и сравнительно небольшие, а также отдельные группы разработчиков. На сегодняшний день в России не существует мощных разработок ГИС, подобных системам вышеперечисленных фирм. Связано это, в первую очередь, с тем, что в нашей стране до сих пор наибольшее распространение имеют персональные компьютеры типа IBM PC, в то время как в ГИС используются колоссальные по размерам базы данных, качественная графика, которые требуют очень больших объемов машинной памяти и быстродействующих процессоров. Поэтому ГИС, на которых решаются задачи, подобные задачам управления городом, не могут быть в полной мере реализованы на базе ПК, они требуют более мощных компьютеров, так называемых рабочих станций.

ГИС не является серийным продуктом, заказчику трудно с самого начала точно представить себе все задачи, которые он хотел бы решить с ее помощью, поэтому процесс внедрения крупной ГИС может занимать, по западным оценкам, 5-7 лет и требует больших вложений. Такой срок связан, в первую очередь, со сбором и сортировкой информации и необходимостью формирования больших баз данных. Для сокращения сроков и расходов первоначально выполняется тщательное изучение поставленной задачи и определяются наиболее рациональные пути ее решения. Начало эксплуатации ГИС возможно задолго до окончания формирования баз, но превышение дохода над расходом обычно наступает лишь на шестом году эксплуатации системы. Эксперты полагают, что для нашей страны этот срок может быть существенно меньше.

11

Ранние ГИС, еще до появления компьютеров, использова­ли нарисованные от руки и накладываемые друг на друга слои (кальки) из прозрачного материала, ко­торые содержали информацию о почвах, рельефе и растительности. Разглядывая их на просвет, ландшафтные архитекторы и градостроители мог­ли принимать обоснованные решения о наилучших местах для размещения новых сооружений, учиты­вая практические потребности и параметры окру­жающей среды. В начале 1960-х гг. разработанные в Гарвардском университете и MIT универсальные компьютеры и программное обеспечение, сфор­мировали основу для автоматизированной обра­ботки географической информации. Будучи примитивными в сравнении с сегодняшним уровнем, они, тем не менее, были предвестниками техноло­гии, которая сегодня называется ГИС.

В 1969 г. г-н Данжермонд основал ESRI, кото­рый сегодня является мировым лидером ГИС ин­дустрии, создающим программное обеспечение и предоставляющим другие услуги для более чем миллиона пользователей, постоянно расширяю­щим свою технологическую базу и долю на рынке.

Начало развития ГИС относится к концу 60-х годов, но только в последние годы эта технология получила бурное распространение. Основной причиной такого скачка, несомненно, является развитие вычислительной техники. Колоссальные объемы текстовой и графической информации, модельные расчеты, качественная графика, которыми оперируют ГИС, требуют значительных машинных ресурсов. До недавнего времени ЭВМ, имеющие характеристики, приемлемые для ГИС, стоили очень дорого, и подобную покупку могли позволить себе лишь очень большие организации, такие, как мэрии крупных городов.

Шесть лет назад для приобретения небольших ГИС требовалось 500 тыс. USD, более типичные затраты на программное и аппаратное обеспечение составляли 1 млн. USD. Сегодня в связи со значительным снижением цен на вычислительную технику машины с высоким быстродействием стали доступны гораздо большему кругу потенциальных покупателей. Значительно увеличилось также число поставщиков на рынке ГИС, проводится большое количество ГИС-ориентированных конференций, огромная работа ведется членами профессиональных ассоциаций. Существуют несколько причин растущей популярности ГИС.

Среди них - развитие некоторых родственных областей, постоянное совершенствование диалога между машиной и пользователем, благодаря которому овладеть работой с ГИС можно путем минимального обучения. Все расширяющийся круг пользователей ГИС открыл новые возможности для обмена накопленной информацией. Некоторые системы комплектуются по желанию заказчика готовыми базами данных. Все это приводит к тому, что в настоящее время покупателями ГИС становятся небольшие города и области, отдельные отрасли промышленности, здравоохранение, образование и т.п. Небольшие учебные и справочно-информационные ГИС хотят иметь вузы и даже частные лица, чья деятельность связана с управлением.

Исследование рынка ГИС, проведенное еще в начале 90-х годов кампанией Denver-based Reserch Corporation и охватившее 386 респондентов как небольших городов, так и городов с 3,5-миллионным населением, показало, что около 40% североамериканских городов и поселков уже закупили ГИС. Среди тех, кто еще не приобрел ее, 15% намерены совершить покупку в течение ближайших 12 месяцев, еще 45% - через 2-3 года.

Широко используются ГИС в области кадастра. Кадастр - это система учета, регистрации и оценки физических объектов и явлений среды во времени.

Во Франции с конца 60-х годов действует кадастровая информационная система "Majic". Система объединяет 5 региональных центров (GRI) и 306 местных бюро кадастра (CDIP), предназначенных для сбора, хранения и пополнения кадастровой информации, объем которой достигает 40 Мб.

Статьи расходов системы "Majic":

1. Организационные расходы на создание

• на одно бюро - 0,5 млн. фр.;

• на 306 бюро - 150 млн. фр.

2. Текущие расходы в год

• на 306 бюро - 1 000 млн.фр.

Доходы от деятельности кадастровых бюро в виде налоговых поступлений в бюджет Франции составляют:

• от одного бюро - 50 000 млн.фр.;

• от всех бюро - 1 200 000 млн.фр.

• экономия служащих за счет применения системы - 25 %.

Интересен опыт создания кадастровых систем в Польше, так как предпосылки и ситуация при этом были весьма схожими с теми, которые мы имеем в России. Группой польских специалистов в 1987 году были начаты работы по созданию универсальной системы управления данными (подобной ГИС). К сожалению, начавшийся в Польше экономический кризис привел к замораживанию основных фондов и сокращению научно-исследовательских работ. Кроме того, не было специалистов по ГИС. Некомпетентность в области ГИС и непонимание их важности для общества вызвали отрицательную реакцию у городских властей.

Однако потребности диктовали свое, и спустя непродолжительное время уже представители властей выступили с инициативой о скорейшем начале работ по ГИС. Государственным учреждениям поручили работы по поиску технических средств и ГИС-технологий, координированием работ занялось Министерство строительства и городского планирования, приняты государственная и городская программы по созданию автоматизированных систем управления данными, выделены средства.

Сегодня в Польше уже функционируют такие системы ГИС, как "Земля", "Здания и сооружения", "Инженерные коммуникации".

В Российской Федерации в составе Геодезической федеральной службы создан центр ГИС и цифровой картографии (РОСГЕОИНФОРМ) и пять региональных функциональных центров.

7