Лекція № 3 Структура географічних інформаційних систем

Мета:    познайомити студентів з поняттям Географічні Інформаційні Системи (GIS), обґрунтувати їх важливість у сучасних географічних дослідженнях та життєдіяльності людини, дати характеристику історії розвитку ГІС.

ЛІТЕРАТУРА

1.  Коновалова Н.В., Капралов Е.Г. Введение в ГИС: Учебное  пособие - М.: ГИС-Ассоциация, 1997. - 160с.

2.  Основы геоинформатики: В 2кн: Учебное пособие для вузов  /Е.Г.Капралов, А.В. Кошкарев, В.С. Тикунов и др. - М.: Академия, 2004

3.  ДеМерс, Майкл Н. Географические информационные системы.: пер. с анг. - М.: Дата +, 1999

4.  Трифонова Т.А., Мищенко Н.В., Краснощеков А.Н. Геоинформационные системы и дистанционное зондирование в экологических исследованиях - М.:, УМО РФ, 2005. - 349с.

5.  Карпик А.П. Методологические и технологические основы геоинформационного обеспечения территорий: Монография. - Новосибирск: СГГА, 2004. - 260 с.

ПЛАН

1. Сучасні технології в науці та житті людини.

2. Поняття гіс.

3. Історія розвитку гіс.

ВВЕДЕННЯ В ГІС. Розвиток інформаційних технологій на базі обчислювальної техніки, створення автоматизованих, високопродуктивних робочих станцій, банків даних і баз знань, а також обчислювальних мереж привело до появи геоінформатики, в основі якої лежать геоінфрмаційні системи і геоінформаційні технології.

Геоінформатика граючись оперує немислимими масивами даних, дає можливість отримувати однозначні результати, має високу репродуктивність результатів та зручність використання.

Інформація - те, що не відповідає принципам збереження маси-енергії, її можна продавати не втрачаючи і збільшувати нічого не додаючи. Інформація - добре упакований товар, безмитна торгівля і прозорі границі. У наше століття бума інформаційних технологій можна спостерігати масове впровадження обробки просторової інформації. І дуже суттєву роль у цій справі грають географічні інформаційні системи (ГІС).

ГІС забезпечує могутній інструментарій, для вирішення проблем, зв'язаних з географією і навколишнім середовищем. ГІС дозволяє нам упорядковувати інформацію про дану місцевість чи місто у вигляді комплекту карт. У кожній карті представлена інформація про якусь одну характеристику місцевості. (наприклад річкова мережа, авто та залізні дороги, комунікаційні лінії, ізотерми, кількість населення та інші) Кожна з цих окремих карт називається шаром (слоем). Кожен шар точно накладений на інші так, що місце розташування будь-якого об'єкта в точності відповідало його розташуванню на всіх інших картах. Самий нижній шар найбільш важливий, тому що він представляє сітку координатної системи (широту і довготу). Це дозволяє аналізувати і порівнювати інформацію у всіх шарах комбінуючи їх на власний розсуд. 

Головним у ГІС є "природне" представлення інформації (як власне просторової інформації, так і іншої – тематичної тощо), що має відношення до об'єктів, розташованим "у просторі". Ця інформація характеризує відображаємий об’єкт та називається атрибутивною. Способи представлення атрибутивної інформації різні: це може бути числове значення з датчика, таблиця з бази даних про характеристики об'єкта, його фотографія, чи навіть відеозображення. 

Геоинформаційні системи впроваджені й успішно працюють у таких областях, як автоматичне картографування, керування ресурсами і господарством. Об'єкти, які представляються в ГІС, мають крім геодезичних даних, ще і технологічні характеристики, що представляються у виді різноманітних баз даних. Головна мета впровадження інформаційної системи це організація загального рішення проблем з збільшення ступеня автоматизації графічних робіт, збору і систематизації інформації у виді баз даних, схем і карт, ефективного збереження і пошуку інформації у виді електронних архівів. Крім цього система повинна забезпечуватися постійним розвитком функціональних можливостей для рішення нових задач. Довідково-інформаційні і нормативно-технічні дані повинні представлятися на реальному картографічному матеріалі з можливістю видачі "твердої копії" як графічної, так і текстової інформації. Відповідно до цієї задачі, необхідно вводити данні в комп'ютер, прив'язувати їх до географічних об'єктів, і відслідковувати будь-які зміни що відбуваються. 

На етапі введення інформації ГІС надають велику допомогу в наочному представленні первинної інформації, тут багато загального із системами автоматизованого керування виробничими об'єктами (САПР). Якщо складний об'єкт може бути представлений у виді деякої схеми, то ГІС може бути зручною для доступу до цієї інформації. 

Наприклад, це може бути схема транспортної мережі (автодороги, залізниці, трубопроводи). У такому випадку за допомогою ГІС користувач може вказати курсором на деякий елемент схеми й одержати інформацію про характеристики і стан відповідного йому об'єкта: діаметр і товщина стінок труби, ширина колії, наявність потягів на перегоні, тип покриття дороги, продуктивність роботи, "історія" створення, час коли відбувались інспекції і ремонт, і т.д. ГІС також містять зручні засоби для створення і редагування таких схем, для організації зв'язку картографічних даних з первинними джерелами інформації. Окремим напрямком, тісно зв'язаним з ГІС, є супутникові системи геопозиціонування (GPS), що використовуються для визначення географічного положення об'єктів.

ГІС зберігає інформацію про реальний світ у виді набору об’єднаних тематичних шарів. Цей простий, та дуже гнучкий підхід довів свою цінність при рішенні різноманітних реальних задач: для відстеження пересування транспортних засобів і матеріалів, детального відображення реальної обстановки і планованих заходів, моделювання глобальної циркуляції атмосфери тощо. Будь-яка географічна інформація що представлена в ГІС містить також дані про просторове положення об’єктів, будь то прив’язка до географічних координат, чи адреса, поштовий індекс, виборчий округ чи округ перепису населення, ідентифікатор земельної чи лісової ділянки, назва дороги і т.п.

При використанні подібних посилань для автоматичного визначення місця розташування об'єкта (об'єктів) застосовується процедура, називана геокодуванням. З її допомогою можна швидко визначити і подивитися на карті де знаходиться будь-який об'єкт чи явище. Наприклад будинок, у якому проживає ваш знайомий чи вулиця де знаходиться потрібна вам організація, місце де відбулося землетрус чи повінь, найбільш простий та швидкий маршрут щоб добратися до потрібного вам місця чи будинку.

У ГІС використовують так звану реляційну структуру, при якій дані зберігаються в табличній формі. В даний час існують  і успішно функціонують сотні ГІС різного рівня. Як показав аналіз можливостей ГІС-технологій: геоінформаційну систему загальнодержавного і регіонального рівнів доцільно орієнтувати на рішення задач у таких проблемних областях як:

1.  Оцінка стану природних ресурсів регіону і планування процесів їхнього раціонального використання.

2.  Оцінка і прогнозування екологічного стану регіону.

3.  Оцінка ефективності і прогноз господарського використання території регіону. 

4.  Вироблення рекомендацій із забезпечення функцій керування регіоном.

Ці проблемні області є також домінуючими для дистанційних досліджень Землі з космосу. 

2. Що ж це таке ГІС? 

Це поняття отримало вже багато визначень – вісь деякі з їх:

А). ГІС - це: "комплекс апаратно-програмних засобів і діяльності людини по збереженню, маніпулюванню і відображенню географічних (просторово співвіднесених) даних" Джерело: Abler R. The National Science Foundation National Center for Geographic Information and Analisis. - Int. J. of Geographical Information Systems, 1987, v. 1, N 4, pp. 302-306.

Б). ГІС - це: "внутрішньо позиціонувана автоматизована просторова інформаційна система, створювана для керування даними, їхньоім картографічним відображенням й аналізом" Джерело: Berry J. Fundamental operations in computer-assisted map analisis. - International Journal of Geographical Information Systems, 1987, v. 1, pp. 119-136.

В). ГІС - це: "особливий вид інформаційної системи, де база даних складається зі спостережень за просторово розподіленими явищами, процесами чи подіями, що можуть бути визначені як крапки, лінії і контури" Джерело: Clarce K.C. Geographic information systems: definitions and prospects. - Bull. Geogr. and Map Div. Spec. Libr. Assoc., 1985, N 142, pp.12-17.

Г). ГІС - це: "динамічно організована безліч даних (динамічна база чи банк даних), з'єднане з безліччю моделей, реалізованих на ЕОМ для розрахункових, графічних і картографічних перетворень цих даних у просторову інформацію з метою задоволення специфічних потреб визначених користувачем у межах структури точно визначених концепцій і технологій" Джерело: Degani A. Methodological observation on the state of geocartographic analisis in the context of automated spatial information systems. - Map Data Process. - Proc. NATO Adv. Study Inst. Maratea, June 18-29, 1979, Acad. Press. 1980, pp. 207-220.

Д). ГІС - це: "система, що складається з людей, а також технічних і організаційних засобів, що здійснюють збір, передачу, введення й обробку даних з метою вироблення інформації, зручної для подальшого використання в географічному дослідженні і для її практичного застосування" Джерело: Konecny M. Geograficke informacni systemy. - Folia prirodoved. fak. UJEP v Brne, 1985, t. 26, N 13, 196 s.

Е). ГІС це: "апаратно-програмний людино-машинний комплекс, що забезпечує збір, обробку, відображення і поширення просторово-координованих даних, їх інтеграцію з інформацією про територію для їхнього ефективного використання при рішенні наукових і прикладних географічних задач, зв'язаних з інвентаризацією, аналізом, моделюванням, прогнозуванням і керуванням навколишнім середовищем і територіальною організацією суспільства" Джерело: Кошкарев А.В. Картографія і геоинформатика: шляху взаємодії. Изв. АН СРСР, сер. геогр., 1990, N 1, с. 32

Ж). ГІС - це: "така система, до складу якої входять компоненти для збору, передачі, збереження, обробки і видачі інформації про територію". Джерело: Langeforce B. Theoretical Analisis of Information Systems. Lund, 1966.

З). ГІС - це: "система, що включає базу даних, апаратуру, спеціалізоване матзабезпечення і пакети програм, призначених для розширення бази даних, для маніпулювання даними, їхньої візуалізації у виді чи карт таблиць і, в остаточному підсумку, для прийняття рішень про той чи інший варіант господарської діяльності" Джерело: Lillesand T. Remote sessing and image interpretation. N.Y., John Willey and Sons, 1987, 722 p.

И). ГІС - це: "система, проектована для збору, збереження, маніпулювання, пошуку і відображення географічно визначених даних" Джерело: MacDonald C.L., Crain I.K. Appied computer graphics in a geographic information system: prob- lems and successes. - Computer graphics and application, 1985, vol. 5, N 10, pp. 34-39.

К). ГІС - це: "система, що маніпулює і керує даними, що зберігаються у виді тематичних шарів, географічно визначених щодо карти-основи" Джерело:Reisinger T.W., Davis C.J. A map-based decision support system for operational planning of timber harvests. - Winter Meet. Amer. Soc. Arg. Eng., Ayatt Regency, Chicago, Decem- ber 17-20, 1985. Paper N 1604. - St. Joseph: ASAE, 1985, 12 p.

Л). ГІС це: "науково-технічні комплекси автоматизованого збору, систематизації, переробки і представлення (видачі) геоінформації в новій якості з умовою приросту знань про досліджувані просторові системи" Джерело:Сербенюк С.Н. Картографія і геоинформатика - їхня взаємодія. М., 1990, 159 с.

М). ГІС - це: "система аппаратно-програмних засобів і алгоритмічних процедур, створена для цифрової підтримки, поповнення, керування, маніпулювання, аналізу, математико-картографічного моделювання й образного відображення географічно координованих даних" Джерело: Симонов А.В. Агроекологічна картографія. - Кишинів, изд-во "Штиинца", 1991 р. - с.127

Н). ГІС - це: "просторово визначена система для збору, збереження, пошуку і маніпулювання даними". ГІС - це: "засіб аналізу і керування просторово визначеними даними". Джерело: Star J.L., Cosentino M.J., Foresman T.W. Geographic information systems: question to ask before іt's to late. - Mashine Processing of Remotely ensed Data with Special emphasis on Thematic Mapper Data and Geographic Information Systems, 1984, pp.194-197.

О). ГІС це: "інтерактивні системи, здатні реалізувати збір, систематизацію, збереження, обробку, оцінку, відображення і поширення даних і є також засобом одержання на їхній основі нової інформації і знань про просторово-тимчасові явища" Джерело: Тикунов В.С. Сучасні засоби дослідження системи "суспільство - природне середовище". - Звістки Всесоюзн. Географич. суспільства, 1989, т. 121, вип. 4, с. 299-306.

П). ГІС - це: "інформаційна система, що може забезпечити введення, маніпулювання й аналіз географічно визначених даних для підтримки прийняття рішень" Джерело: Vitek J.D., Walsh St.J., Gregory M.S. Accuracy in geographoc information systems: an assessment of inherent and operational errors. - Record 9th Symp. Spat. Technol. Remote Sens. Today and Tomorrow. Sioux Falls, S.D., 2-4 Oct. 1984. - Proc. ilver Spring, 1984, pp.296-302.

Дамо наступні визначення системи.

1. ГІС - це автоматизована інформаційна система, призначена  для картографування  й аналізу об'єктів (природних і штучних) і подій (явищ), що відбуваються на Землі.  ГІС має справу з просторово-тимчасовими, географічно координованими даними. Географічно координовані дані - це дані, прив'язані до картографічної основи, до карти місцевості, тобто  дані, що мають або географічні координати (широту і довготу), або прямокутні координати (X,Y,Z), або поштові адреси (поштові індекси, коди), що ідентифікують місце розташування на карті. Таким чином, сполучною ланкою інформації в ГІС є географія.  

Ще одне визначення ГІС (Берлянт, 1997): 2. Географічна інформаційна система (ГІС) – автоматизована апаратно-програмна система, що здійснює збір, обробку, збереження, відображення і поширення просторово-координована геоінформації. ГІС призначені для рішення наукових і прикладних задач інвентаризації, аналізу, оцінки, прогнозу і керування навколишнім середовищем і територіальною організацією суспільства. Основу ГІС складають автоматизовані картографічні системи.

Таке різноманіття визначень говорить про те, що визначення не є настільки важливим, як основні ідеї, на яких ґрунтується геоінформаційна технологія: тобто будучи "географічної", вона містить данні та концепції, що пов'язані з просторовим розміщенням об’єктів та явищ; будучи "інформаційної", вона дає необхідну користувачеві інформацію сучасними електронними методами; будучи "системою", вона припускає послідовність та різноманіття використовуємих методів. У дуже практичному змісті ГІС складається з інтегрованого комп'ютерного устаткування і програмного забезпечення, яке використовується для введення, збереження, маніпулювання і відображення географічних даних.

Дані можуть бути в будь-якій формі (текстовій, картографічній чи цифровій), вони здатні інтегруватися усередині однієї системи. ГІС існує в безлічі форм і втілює в собі величезний потенціал для необмеженого використання. 

Зробимо три зауваження до приведеного визначення:

ГІС можуть бути віднесені до іншими електронних баз даних (наприклад підприємств чи банків), однак з важливою відмінністю. Вся інформація в ГІС зв'язана з географічними просторовими характеристиками. Так інші бази даних також можуть включати інформацію про розташування (таку як адреси вулиць, поштові коди), але база даних ГІС використовує географічні посилання як первинно значущі для збереження і отримання інформації.

ГІС інтегровані з сучасною технологію. Тоді як інші технології можуть бути використані тільки для аналізу космічних і аерознимків, створення статистичних карт, повна ГІС містить у собі усі ці можливості. ГІС з її безліччю функцій може бути представлена як процес пов’язаний з програмним забезпеченням чи комп'ютерним устаткуванням.

ГІС існує для прийняття рішень. Спосіб у який вводяться, зберігаються й аналізуються дані усередині ГІС повинний бути сприятливим для їх використання у господарській діяльності, дослідженнях чи задачах пов’язаних з ухваленням рішення. Дивитися на ГІС як на систему програмного забезпечення і комп'ютерного устаткування значить втратити уявлення про її вирішальну роль, яку вона відіграє в процесі ухвалення рішення.

3. Етапи розвитку ГІС.

Одна з найбільш цікавих рис раннього розвитку ГІС, особливо в шістдесяті роки, полягає в тому, що перші ініціативні проекти і дослідження самі були ГЕОГРАФІЧНО РОЗПОДІЛЕНІ по багатьом підприємствам, причому ці роботи здійснювалися незалежно друг від друга, часто навіть не знаючи що подібні системи вже існують чи розробляються ще кимсь... 

Виникнення і бурхливий розвиток ГІС пов’язаний з набуттям багатого досвіду топографічного і тематичного картографування, успішними спробами автоматизувати процес побудови карти, а також революційними досягненнями в області комп'ютерних технологій, програмного забезпечення і комп'ютерної графіки. Особливо слід зазначити ідеї і досвід комплексного тематичного картографування, що переконливо продемонстрували ефект системного використання різних даних (наприклад зволоження, температура, рух атмосфери тощо) для отримання нових знань про географічні об'єкти.

Комплексність і інтегративність інформації є найважливішою властивістю ГІС, що притягає користувачів. Цікаво, що один з перших вдалих досвідів використання принципу комплексного аналізу (поєднання і накладення карт) просторових даних за допомогою погодженого набору карт датується XVIII століттям! Французький картограф Луи-Александр Бертье (Louis-Alexandre Berthier) використовував прозорі шари, що накладаються на базову карту для показу переміщення військ у бої під Йорктауном (Yorktown).

В ІСТОРІЇ РОЗВИТКУ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ МОЖНА ВИДІЛИТИ ЧОТИРИ ПЕРІОДИ

Піонерний період (1960е - 1970е рр.) - дослідження принципових можливостей, прикордонних областей знань і технологій, наробіток емпіричного досвіду, перші великі проекти і теоретичні роботи

Період державних ініціатив (ранні 1970е - ранні 1980е рр.) - розвиток великих геоінформаційних проектів фінансуємих та підтримуваних державою, формування державних інститутів в області ГІС, зниження ролі і впливу окремих дослідників і невеликих груп. 

Період комерційного розвитку (ранні 1980е - сьогодення) - широкий ринок різноманітних програмних засобів, розвиток настільних ГІС, розширення області їхнього застосування за рахунок інтеграції з базами непросторових даних, поява мережних БД, ріст кількості  непрофесійних користувачів.

Користувальницький період (пізні 1980е - сьогодення) підвищена конкуренція серед комерційних виробників геоінформаційнх технологій і послуг дає переваги користувачам ГІС (зниження цін, підвищення якості продукту, легкості роботи, різноманітні додаткові послуги і т.д.), з’являються користувальницькі "клуби", телеконференції, користувачі об’єднуються в групи, зростає потреба в геоданних, почала формуватись світова геоінформаційна інфраструктура.

Науково-технічною передумовою розвитку ГІС виявився якісний і кількісний скачок у використанні географічних інформаційних систем який відбувся в 80-і роки: від повної невідомості до повсякденної роботи в сферах бізнесу, керування й досліджень. В даний час багато організацій - як державних, так і приватних – витрачають  значні кошти в цій області. Західними експертами прогнозується, що в наступному десятилітті з цією метою будуть витрачені мільярди доларів. Чому це відбулося зараз, хоча всього кілька років назад ГІС були рідкістю? Головна причина полягає в тім, що вартість комп'ютерного  устаткування, необхідного для рішення цих задач, швидко знижується і стає прийнятної для все більш широких шарів споживачів. Цей фактор виявився свого роду каталізатором бурхливого процесу росту ГІС, потреба в яких існувала завжди і є частиною нашого повсякденного життя. Майже кожне рішення, що ми приймаємо, так чи інакше зв'язано з географічним фактором і, тому, ГІС мають тісні зв'язки з такими науковими дисциплінами як географія, картографія, геодезія, будівельна справа, лісове господарство, лісоінженерна справа, сільське господарство, медицина, військова справа, комп'ютерні науки і багатьма іншими напрямками соціальних, природних і інженерних наук. 

Завдання для самостійної роботи

1. Знаті що таке растрова графіка.

2. Знаті що таке векторна графіка.

3. Знаті програми для роботи з векторною та растровою графікою.

http://nashaucheba.ru/v11414/%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%86%D1%96%D1%97_-_%D0%B3%D0%B5%D0%BE%D1%96%D0%BD%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0%D1%86%D1%96%D0%B9%D0%BD%D1%96_%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B8_%D1%96_%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D1%96%D1%97

http://lib.rushkolnik.ru/text/4463/index-1.html

http://lagao.at.ua/publ/naukovi_publikaciji/fiziki_shutjat/7-1-0-9

http://geo.mdpu.org.ua/index.php?option=com_mtree&task=viewlink&link_id=495&Itemid=0

http://www.youtube.com/watch?v=qRU_6LLeyIo