155

11. Геоинформационные системы (гис)

11.1. Развитие и определение гис

В настоящее время существует множество определений ГИС. Эта особенность обусловлена тем, что исторически ГИС развивались длительной время. Естественно, что они совершенствовались и, по мере их изменения, менялись их основные функции и свойства. Все это приводило к появлению новых определений ГИС, учитывающих их новые свойства и новые особенности [4, 8, 11, 20, 44-46, 51, 56, 74,75,82,98, 105].

Первые ГИС назывались "Географические информационные системы". Их определяли как комплексный блок компьютеров, пред­назначенных для ввода, хранения, анализа и вывода пространственно связанных данных. Эти ГИС ведут свое происхождение от Географи­ческой информационной системы Канады, построенной на базе пер­вых больших ЭВМ и пакетной системы обработки данных. Эта пер­вая ГИС была разработана в начале 1960-х гг. задолго до появления недорогих персональных компьютеров и доступных для пользования баз данных. В это время геоинформатика как наука еще не сформи­ровалась.

Несмотря на технические ограничения таких систем, было вы­явлено, что определенные виды анализа карт и инвентаризации, мо­гут выполняться на ЭВМ значительно эффективней, чем вручную.

Следующим этапом развития ГИС считают начало 80-х годов. Этот этап связывают с появлением реляционной модели данных, разработанной Коддом еще в 1969-70 гг. и разработанных на ее основе реляционных баз, заменивших иерархические базы данных.

Увлечение базами данных привело к тому, что ГИС стали назы­вать "компьютеризированной базой данных" для хранения географи­ческой и тематической информации.

Однако базы данных предназначаются в основном для хране­ния, а не для обработки информации. Поэтому ГИС продолжали развиваться.

После разработки и использования специального программного обеспечения для решения задач геоинформатики появились новые определения ГИС, как "систем программного обеспечения" (без включения в них технологических возможностей). В этот период геоинформатика как наука завершала свое формирование.

156

Увлечение автоматизацией кадастра, в первую очередь город­ского, привело к появлению названия - городские информационные системы.

Следующим этапом развития ГИС следует считать использова­ние программного обеспечения систем автоматизированного проек­тирования (САПР) для работы с графической информацией и по­строения карт. Это середина 80-х годов. В это время еще не были созданы специализированные программные продукты для задач ГИС и работы по автоматизированному составлению карт велись с помо­щью программных пакетов САПР. Следует упомянуть популярный продукт того времени "Автокад" фирмы Автодеск.

Главным достижением программного обеспечения САПР яви­лось создание системы послойного представления графической ин­формации (чертежей, карт). Графическая информация типизирова­лась (см. гл.2) и типизированные данные помещались в отдельный слой. Каждый слой напоминал ы прозрачную бумагу. Совокупность слоев создавала привычную крртину графической информации, но в отдельности каждый слой было удобно обрабатывать независимо от других.

Другим достижением САПР было введение так называемых "блоков" для получения проектных документов. Блоками называли типовые повторяющиеся элементы, хранящиеся в базе данных. Блок создавался независимо и вставлялся в заданные точки чертежа неог­раниченное число раз. Это существенно сокращало объем данного чертежа при его хранении в базе данных.

В случае редактирования блока, редакция автоматически про­исходила во всех частях чертежа, в которых этот бок был вставлен. Этим существенно сокращались редакционные работы графического документа. Позже механизм блоков послужит основой создания библиотек условных картографических знаков.

В начале 90-х годов стали появляться интегрированные про­граммные продукты и интегрированные информационные системы. Информатика становится основой подготовки различных специали­стов в области обработки информации [6, 25-28, 55, 59-60, 83-86, 92, 114].

Кроме того, появилась потребность в информационных систе­мах, позволяющих осуществлять глобальную интеграцию различных видов информации. Появились новые информационные технологии и системы.

157 Все это привело к необходимости создания ГИС как автомати­зированной интегрированной информационной системы [8, 98].

На рис.11.1. приведена структура ГИС как автоматизированной интегрированной информационной системы (АИИС). Она включает следующие подсистемы:

• подсистему сбора,

• подсистему хранения данных (чаще всего это база данных или экспертная система),

• подсистему обработки данных (моделирования),

• подсистему представления информации,

• телекоммуникационную подсистему.

Наличие этих подсистем определяет различные аспекты инте­грации данных и методов обработки.

158

Перечислим основные аспекты интеграции: интеграция исход­ных данных, интеграция технологий сбора, интеграция данных для хранения и моделирования, интеграция технологий обработки, инте­грация технологий хранения, интеграция данных для представления и передачи, интеграция технологий представления информации.

В современных ГИС следует различать два дополняющих друг друга вида интеграции:

интеграцию технологий;

интеграцию данных.

Интеграция технологий в ГИС заключается в разработке ком­плекса взаимосвязанных технологий на основе некой базовой техно­логии.

Интеграция данных означает в ГИС, что для создания инфор­мационной основы данной информационной системы выбирают определенный класс данных, а все остальные типы данных преобра­зуются применительно к свойствам этого класса.

Интеграция технологий в ГИС осуществляется на основе тех­нологий САПР, а интеграция данных в ГИС осуществляется на осно­ве географической информации.

Таким образом, возникнув как специализированная или при­кладная географическая информационная система, ГИС в процессе эволюции стала обобщением автоматизированных информационных систем и перешла в категорию интегрированных предметных ин­формационных систем.

Напомним, что предметными информационными системами (базами данных) называют системы, относящиеся к предметной об­ласти. Прикладными информационными системами (базами данных) называют более узкий класс систем, решающих прикладные задачи.

Объектом исследования ГИС стала не только география или географическая информация, а все процессы и явления, происходя­щие на земной поверхности. Именно поэтому современная ГИС яв­ляется геоинформационной системой. Отсюда следует, что поня­тия «геоинформационная систем» и «географическая информацион­ная система» - неравноценны. Вторые являются частным случаем первых.

Рассмотренный процесс эволюции ГИС дает возможность сформулировать следующее определение для нее.

ГИС - интегрированная автоматизированная информационная система, предназначенная для обработки пространственно-временных данных, основой интеграции данных, в которых является

159

географическая информация, а основой интеграции технологий обработки в ГИС являются технологии САПР. 11.2. Особенности ГИС Для дальнейшего описания ГС рассмотрим ряд ее особенно­стей.

1. Основой интеграции данных в ГИС является географическая информация, но большинство задач решаемых в ГИС далеки от гео­графических.

2. Основой интеграции технологий в ГИС являются технологии САПР, но решаемые задачи значительно шире проектных.

3. По формальному определению ГИС относится к информаци­онным системам (т.е. к системам АСИС хранения информации), но по своему функциональному назначению ГИС относятся к классу систем обработки данных и управления (СОДУ).

4. Современная ГИС рассчитана не просто на обработку дан­ных, а на проведение во многих ситуациях экспертных оценок. Дру­гими словами ГИС должна включать в свой состав экспертную сис­тему или экспертную технологию.

Данные, которые обрабатывает и хранит ГИС, имеют не только пространственную, но и временную характеристику. По временной характеристики информация, хранимая в ГИС, подразделяется на:

• долгосрочную (десятки лет хранения);

• среднесрочную (годы);

• годовую и сезонную;

• оперативную.

В ГИС осуществляется комплексная обработка информации от сбора данных до ее хранения, обновления и представления, поэтому следует рассмотреть ГИС с различных позиций.

Как системы управления ГИС -предназначены для обеспечение процесса принятия решений по оптимальному управлению землями и ресурсами, городским хозяйством, организации транспорта и розничной торговли, использованию океанов или других пространст­венных объектов [68].

В отличие от автоматизированных систем управления АСУ в ГИС появляется множество новых технологий пространственного анализа данных. В силу этого ГИС является мощным средством преобразования и синтеза разнообразных данных для задач управле­ния, в котором присутствуют эффективные методы для точного и быстрого применения картографической информации.

160 Опишем применение ГИС в различных областях. Как автоматизированные информационные системы ГИС объ­единяют ряд технологий или технологических процессов известных информационных систем типа АСНИ, САПР, АСИС.

Как "гео" системы ГИС включают технологии (прежде всего технологии сбора информации) таких систем как: Географические информационные системы (ГИС), Системы картографической ин­формации (СКИ), Автоматизированные системы картографирования (АСК), Автоматизированные фотограмметрические системы (АФС), Земельные информационные системы (ЗИС), Автоматизированные кадастровые системы (АКС) и т.п.

Как системы, использующие базы данных, ГИС характерны широким набором данных, собираемых с помощью разных методов и технологий. При этом следует подчеркнуть, что они объединяют в себе как базы данных обычной (цифровой) информации, так и гра­фические базы данных.

Как системы моделирования ГИС используют максимальное количество методов и процессов моделирования, применяемых в других автоматизированных системах.

Как системы получения проектных решений ГИС во многом используют методы автоматизированного проектирования и решают ряд специальных проектных задач, которые в типовом автоматизи­рованном проектировании не встречаются.

Как системы представления информации ГИС являются разви­тием автоматизированных систем документационного обеспечения с использованием современных технологий MultiMedia. Это определя­ет значительно большую наглядность по сравнению с обычными картами. Технологии представления данных позволяют оперативно получать визуальное представление картографической информации с различными нагрузками, переходить от одного масштаба к другому, получать атрибутивные данные в табличной или графовой формах.

Как интегрированные системы ГИС являют собой пример со­временной интегрированной системы, созданной на основе интегра­ции технологий на основе технологий САПР и интеграции данных на основе географической информации, объединения различных мето­дов и технологий в единый комплекс.

По территориальному признаку, т.е. по сфере действия ГИС на тот или иной регион вводят понятие территориального уровня ис­пользования ГИС

161

В России выделяют следующие территориальные уровни при­менения ГИС.

Глобальный уровень - Россия на глобальном и евразийском фо­не масштаб 1: 45 000 О00 - 1 : 100 000 000.

Всероссийский уровень - вся территория страны, включая при­брежные акватории и приграничные районы, масштаб 1 : 2 500 000

- 1 : 20 000 000.

Региональный уровень - крупные и природные экономические регионы, субъекты федерации М 1 : 500 000 - 1 : 4 000 000.

Локальный уровень - области , районы , национальные парки, ареал кризисных ситуаций - 1 : 50 000 - 1 000 000.

Муниципальный уровень - города, городские районы, приго­родные зоны. М 1 : 50 000 и крупнее.

Как прикладные системы ГИС не имеют себе равных по широ­те, т.к. применяются в транспорте, навигации, геологии, географии, военном деле, топографии, экономике , экологии и т.д. Как следствие широких возможностей применения ГИС для решения различных специальных задач на их основе интенсивно развивается тематиче­ское картографирование. Именно эффективность последнего обеспе­чивает разнообразное решение задач в разных отраслях при исполь­зовании интеграции данных на основе картографической информа­ции.

Можно считать, что современные ГИС интегрировали в себя технологии практически всех других автоматизированных систем топографо-геодезического производства. Разумеется это не исключа­ет существование "чисто" Географических информационных систем

- ГИС, однако в более общем случае будем понимать под термином ГИС геоинформациокные системы.

При этом следует подчеркнуть, что ГИС как системы массового пользования позволяют использовать картографическую информа­цию на уровне деловой графики, что делает их доступными не толь­ко специалисту географу, а любому школьнику или бизнесмену.

Именно поэтому применение ГИС -технологий не сводится к созданию карт, а лишь использует картографические данные для принятие решений во многих оластях.

Основой создания ГИС служат так называемые инструменталь­ные программно-технологические комплексы. В отличии от систем "под ключ" инструментальные допускают настройку под конкретные запросы пользователя, что может приводить к различию в организа-

162 ции структур данных, проектированию баз данных, функциональному назначению даже на базе родственных систем.

Инструментальные системы позволяют отображать различные данные, имеющие пространственную привязку и создавать интегрированные геоинформационные технологии, прикладные геоинформационные системы, цифровые картографические системы.

Основу процессов обработки информации в ГИС составляет цифровое моделирование. Использование такого типа моделирования позволяет осуществлять векторно-топологическое моделирование, буферизацию объектов, анализ сетей, построение ЦММ и т.д.

Основным назначением ГИС следует считать формирование знаний о процессах и явлениях на земной поверхности и применение этих знаний для решения практических задач во всех сферах человеческой деятельности.

Подводя итог, следует констатировать, что ГИС в настоящее время представляют собой современный тип интегрированной информационной системы, применяемой в разных направлениях. Она отвечает требованиям глобальной информатизацией общества. ГИС является системой способствующей решению управленческих и экономических задач на основе средств и методов информатизации, т.е. способствующей процессу информатизации общества в интересах прогресса.

ГИС как система и ее методология совершенствуются и развиваются, ее развитие осуществляется в следующих

направлениях:

• развитие теории и практики информационных систем;

• изучение и обобщение опыта работы с пространственными данными;

• исследование и разработка концепций создания системы пространственно-временных моделей;

• совершенствование технологии автоматизированного изготовления электронных и цифровых карт;

• разработки технологий визуальной обработки данных;

• разработки методов поддержки принятия решений на основе интегрированной пространственной информации;

• интеллектуализации ГИС.

К недостаткам ГИС как информационной системы следует отнести слабые программно-технологические реализации по обработке данных и принятию решений при потенциально больших возможностях.

163