35

Лекции по гис

Литература

1. Берлянт А.М. Картография. Москва, 2001.

2. Коновалова Н.В. Капралов Е.Г. Введение в ГИС. Москва, 1997.

3. Королев Ю.К. Общая геоинформатика. Москва, 1998.

4. Кошкарев А.В., Тикунов B.C. Геоинформатика (под редакцией Д.В. Лисицкого). Москва, 1993.

5. Геоинформатика. Толковый словарь основных терминов. Под редакцией A.M. Берлянта и А.В. Кошкарева. Москва, 1999.

6. Кошкарев А.В. Понятия и термины геоинформатики и ее окружения. Москва, 2000.

7. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. Москва, 1998.

8. Шайтура С.В. Геоинформационные системы и методы их создания. Калуга, 1998.

9. Раклов В.П. Географические информационные системы в тематической картографии. Учебное пособие для студентов высших учебных заведений. Москва, 2003.

10. Методические указания по курсу.

Лекция №1

Вводная лекция

План:

1. Основные понятия в геоинформатике:

• географические информационные системы;

• геоинформационные технологии.

2. Структура и связи геоинформатики. Картография и геоинформатика.

3. Структура и функции типовой ГИС. Области применения ГИС.

4. Классификация и виды ГИС.

5. Основные этапы создания ГИС.

1.

В конце XX в. автоматизация, компьютеризация и информатизация всех сфер человеческой деятельности обусловили формирование и развитие в науках о Земле новой науки — Геоинформатики, которая занимается сбором, обработкой и представлением информации о свойствах объектов, процессов и явлений, происходящих на Земле.

Русский термин «геоинформатика» (ГИ) происходит от слов:

• «информатика» — научное направление, занимающееся изучением законов, методов и способов накапливания, обработки и передачи информации с помощью компьютера и других технических средств;

• «гео» — географическая, т.е. пространственная, территориальная.

Существует много вариантов определения этого понятия. Мы запишем только два. Наибольшей простотой отличается определение, данное Ю.К. Королевым (3): Геоинформатика — специфический раздел информатики, имеющий дело с пространственно привязанной информацией.

Второе определение из «Толкового словаря основных терминов. Геоинформатика» звучит так: Геоинформатика — это наука, технология и производственная деятельность по научному обоснованию, проектированию, созданию, эксплуатации и использованию Географических Информационных Систем (ГИС) и по разработке геоинформационных технологий. Т.е., коротко, — это учение о ГИС.

Все методы, техники, приемы, средства, системы, теории, направления и т.д. и т.п., которые нацелены на сбор, переработку и использование информации, вместе называются информационными технологиями и ГИС — одна из них.

Понятие ГИС заимствовано из английского языка. Это дословный перевод оригинала: Geographic (al) Information System — GIS. В русскоязычной литературе термин появился в 1970-х гг. и имеет синонимы: Географические Информационные Системы (прямая полная расшифровка), Геоинформационные Системы (сокращенная расшифровка).

Однако то, что в названии фигурирует слово «Географическая», ни в коем случае нельзя трактовать как информационную систему, применяемую в географии, геологии, геодезии. В данном случае «гео» означает, что информационная система оперирует информацией об объектах (предметах, явлениях) имеющих пространственную привязку относительно поверхности Земли. По этой причине такие информационные системы иногда называют пространственными информационными системами, при этом возникают такие понятия как пространственный объект и пространственная информация. В литературе также часто можно встретить понятие LIS (Land Information System) или ЗИС (земельная информационная система) — это частный случай приложения ГИС в целях земельного кадастра, управления земельными ресурсами, планирования использования земель.

ГИС содержит данные о пространственных объектах в форме их цифровых представлений (векторных, растровых, и др.). Другими словами — это цифровое представление объекта реальности, цифровая модель объекта местности.

Под пространственным объектом понимаются объекты и явления на местности, которые имеют «привязку» к определенной точке в пространстве, т. е. для которых важную роль играет их положение, форма, размеры, взаиморасположение по отношению к другим объектам и явлениям. Пространственные данные — сведения, которые характеризуют местоположение и геометрическое описание объектов в пространстве и относительно друг друга (на местности).

В литературе также можно встретить много вариантов определений понятия ГИС, данных различными авторами. Многие из этих определений приведены в (4), (9). Однако мы воспользуемся определением из «Толкового словаря основных терминов. Геоинформатика» (5), где данный термин толкуется в двух смыслах.

ГИС — это:

• С одной стороны — аппаратно-программные комплексы, обеспечивающие сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственно-координированных данных. Одна из основных функций ГИС — создание и использование компьютерных (электронных) карт, атласов и других произведений.

• С другой стороны — программный продукт, в котором реализованы функциональные возможности ГИС.

Что касается первого определения, то с ним вполне можно согласиться, но было бы весьма уместным добавить в число основных обеспечиваемых функций — анализ, т.к. это одно из определяющих и важнейших функциональных свойств ГИС, означающее, что из ГИС можно извлекать не только информацию, непосредственно введенную в систему, но и информацию, полученную в результате анализа непосредственно введенной информации. Например, в систему ввели данные обо всех дорогах и земельных участках. В результате пространственного анализа можно получить новую производную информацию: список участков, удаленных от дорог не более указанного допуска. Это и есть одно из важнейших отличительных свойств и функций ГИС.

Поэтому как информационной системе можно было бы дать ГИС следующее определение:

ГИС — система технических и программных средств, технологического, организационно-методического и информационного обеспечения, предназначенная для сбора, накопления, хранения, обработки, отображения, анализа, представления и распространения информации о пространственных объектах.

При этом, конечно, не утрачивает понимание ГИС (во втором смысле) как программного продукта, на базе которого все это реализуется.

Первые ГИС были созданы в Канаде, США и Швеции для изучения природных ресурсов в середине 1960-х гг. Сейчас существуют и интенсивно развиваются, в том числе и у нас, тысячи и десятки тысяч ГИС. Геоинформационные технологии широко используются в городском кадастре, земельном кадастре, науке и т.д. В том числе и то, что изучаете вы на практических занятиях, а именно, ГИС MapInfo.

ГИС интегрируют картографическую информацию, данные дистанционного зондирования (ДЗ), экономического мониторинга, статистику, гидрометеонаблюдения и т.д. В создании ГИС участвуют многие министерства и ведомства, научные организации, частные фирмы, учебные заведения и т.д. Затрачиваются колоссальные средства (недешевое удовольствие!), но это окупается.

Сущность ГИС состоит в том, что они позволяют собирать данные, создавать базы данных (БД), вводить их в компьютерные системы, хранить, обрабатывать и преобразовывать. А потом выдавать по запросам пользователям, чаще всего в картографической форме, либо в виде таблиц, графиков, текстов.

ГИС можно рассматривать одновременно как:

• инструмент научных исследований;

• технологии;

• ГИС-индустрию.

Технологической основой ГИС, позволяющей реализовать функциональные возможности ГИС, являются геоинформационные технологии (синоним — ГИС-технологии). В самом общем виде суть геоинформационных технологий составляет ввод, обработка и вывод пространственных данных, а ее ядро составляют операции пространственного анализа (ПА) и геомоделирования (ГМ).

Пространственный анализ — это группа функций, обеспечивающих анализ размещения, связей и иных пространственных отношений географических объектов. Например: анализ зон видимости-невидимости (артиллеристы), анализ соседства, анализ сетей, анализ цифровой модели рельефа и др.

Геомоделирование — (пространственное моделирование) — это исследование каких-либо пространственных явлений, процессов, объектов или отдельных их свойств путем построения и изучения их модели. Наиболее яркий пример — построение цифровой модели рельефа.

2.

Геоинформатика как наука подразделяется на: общую геоинформатику и прикладную геоинформатику (теорию и практику).

Общая геоинформатика (теоретическая) занимается исследованием и разработкой научных основ, концепций, обобщающим анализом ГИС-технологий и ГИС безотносительно к их прикладному характеру. Общая геоинформатика базируется на теории множеств, общей теории систем, математической логике, структурном и лингвистическом анализе, теории моделирования и построении абстрактных моделей, а также на: геодезии, картографии, геометрии и т.д.

Прикладная геоинформатика изучает практические методы работы с ГИС и ГИС-технологиями.

Теоретиков очень мало, во всем мире — несколько человек. А практиков, занимающихся прикладной геоинформатикой, — много.

Как технология геоинформатика является технологической основой создания и эксплуатации ГИС.

Как производственная деятельность геоинформатика представлена в форме Геоинформационной индустрии (ГИС-индустрии). Ядро отрасли составляет разработка и продажа программных средств ГИС; выполнение ГИС-проектов. Сюда же относят разнообразный сервис по внедрению ГИС-технологий или отдельных ее операций или этапов. Например: цифрование (в т.ч. сканирование) и векторизация, конвертирование (перевод из формата в формат), системная интеграция с иными информационными системами и технологиями (такими как дистанционное зондирование (ДЗ), спутниковое позиционирование).

Геоинформатика тесно связана с картографией, ДЗ, географией, фотограмметрией, геодезией, информатикой, математикой и статистикой. А также и другими дисциплинами, занимающимися обработкой пространственной информации: геологией, почвоведением и т.д.

На лекции мы не станем тратить время на очевидные подробности. Об этих связях вы прочтете в предложенной к изучению литературе, наиболее кратким и доступным из которых является «Учебное пособие» Раклова В.П. Скажу только о связи с картографией.

С картографией связи проявляются в следующем:

• географические карты — это основной источник пространственной информации для ГИС.

• системы координат и разграфка, принятые в картографии, служат основой для географической локализации данных ГИС.

Следует добавить, что географические карты — это основной вид информации, поступающий, обрабатываемый и хранимый в ГИС. ГИС-технологии, в основном, опираются на методы картографического анализа и математико-картографического моделирования. Картографические изображения — это самая целесообразная форма представления геоинформации потребителям, а составление карт — основная функция ГИС.

Связи геоинформатики и ГИС с другими науками.

География:

• объясняет сущность природных и социально-экономических явлений, их происхождение, взаимосвязь и распространение на земной поверхности; имеет давние традиции пространственного анализа, обеспечивает методы для его осуществления, предлагает пространственный взгляд на любое исследование;

• получает мощный инструментарий для пространственного анализа и все большее количество необходимых достоверных данных для решения своих задач.

Картография:

• в настоящее время основным источником входных данных для ГИС являются карты, которые представляют собой основную форму представления (визуализации) информации в ГИС;

• компьютерная картография, (называемая также «цифровой» или «автоматизированной» картографией) дает методы цифрового описания картографической информации;

• получает мощное средство и колоссальные наборы данных для создания всевозможных картографических произведений.

Дистанционное зондирование:

• изображения, полученные с самолетов и космических летательных аппаратов, являются главными источниками географических данных;

• отдешифрированные данные дистанционного зондирования могут быть легко объединены с другими слоями данных в ГИС;

• многие ГИС имеют для анализа изображений сложные аналитические функции.

Геодезия:

• обеспечивает высококачественное создание первичных топографических карт по результатам наземной съемки и на их основе создание большого числа тематических карт;

• обеспечивает высококачественные данные о размерах и форме Земли и других планет, методы определения опорных точек на поверхности Земли, пространственном местоположении границ землепользовании и землевладений, угодий, зданий, дорожной сети, рек и т.п.

• изучает методы и способы создания базовых карт и планов состояния и использования земель с применением таких средств как GPS (Global Position System) и электронных тахеометров;

Фотограмметрия:

• разрабатывает методы определения положения, размеров и формы объектов на земной поверхности по их фотографическим изображениям, является основополагающим звеном в общей технологической схеме цифровой обработки аэро- и космических фотоснимков.

Информатика:

• автоматизированное проектирование (САПР) оказало влияние на методы ввода, визуализации и представления данных, особенно для трехмерных объектов;

• достижения компьютерной графики (технические средства и программное обеспечение) используются при обработке и демонстрации графических объектов, заимствуются и методы визуализации, включая мультимедийные средства;

• системы управления базами данных (СУБД) дают методы представления данных в цифровой форме, процедуры создания систем и обработки больших объемов данных, в частности обеспечение доступа, хранения и обновления;

Математика и статистика:

• различные отрасли математики, особенно геометрия, теория графов, теория баз данных, исследование операций, оптимальное управление и статистика широко используются в ГИС при проектировании систем, а также анализе и моделировании пространственных данных.

В настоящее время ГИС — это целая индустрия, в которую вовлечены миллионы людей во всем мире. Эту технологию применяют практически во всех сферах человеческой деятельности — будь-то анализ таких глобальных проблем, как перенаселение, загрязнение территории, голод и перепроизводство сельскохозяйственной продукции, сокращение лесных угодий, природные катастрофы; или решение частных задач, таких как поиск наилучшего маршрута движения между пунктами, подбор оптимального расположения нового населенного пункта, поиск дома по его адресу, прокладка трубопровода или линии электропередачи на местности, различные муниципальные задачи по регистрации земельной собственности или отводу земельного участка. Как же удается с помощью одной технологии решать столь разные задачи? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим последовательно устройство, работу и примеры использования ГИС.

3.

В самом общем виде структура типовой ГИС включает три блока (или подсистемы): блок ввода; блок обработки; блок вывода.

Блок ввода включает устройства для преобразования пространственной информации в цифровую форму и ввода ее в память компьютера или в БД. Это — сканер, дигитайзер, клавиатура.

Блок обработки состоит из компьютера, системы управления и программного обеспечения.

Блок вывода — комплекс устройств для визуализации обработанной информации в картографической форме. Это — монитор, принтер, плоттер и т.д.

Подробнее об этом пойдет речь на одной из следующих лекций.

Важнейшие функции ГИС:

• ввод данных;

• преобразование (трансформация) данных;

• конвертирование (конвертация) форматов данных;

• трансформация картографических проекций;

• хранение, манипулирование и управление данными в БД;

• картометрические операции;

• операции оверлея (взаимного наложения слоев);

• операции пространственного анализа;

• цифровое моделирование рельефа;

• пространственное моделирование (геомоделирование);

• визуализация данных;

• вывод данных.

Областей применения ГИС очень много, и их число увеличивается. В каждой из прикладных областей существуют свои специфические потребности и терминология.

Мы уже говорили, что ГИС, хотя они и называются географическими информационными системами, никак нельзя трактовать в общем случае как информационные технологии и информационные системы для географии (или геологии, геодезии). Приставка «гео» означает, прежде всего, использование пространственного принципа организации информации. Поэтому области применения ГИС сегодня находятся почти во всех сторонах человеческой деятельности. Можно сказать, что перечислить сферы применения ГИС не проще, чем перечислить сферы применения компьютеров. Сегодня можно назвать, оставляя в стороне сугубо научные приложения, следующие крупные области применения ГИС, причем этот список далеко не полный, и приводится просто для примера.

1. Управление земельными ресурсами, земельные кадастры.

2. Инвентаризация и учет объектов распределенной производственной инфраструктуры и управление ими.

3. Проектирование, инженерные изыскания и планирование в градостроительстве, архитектуре, промышленном и транспортном строительстве.

4. Тематическое картографирование практически в любых областях его применения. Создание тематических карт и атласов, обновление карт, оперативное картографирование.

5. Морская картография и навигация.

6. Аэронавигационное картографирование и управление воздушным движением.

7. Навигация и управление движением наземного транспорта.

8. Дистанционное зондирование и космический мониторинг.

9. Использование и управление природными ресурсами (водными, лесными и т. д.)

10. Представление и анализ рельефа местности.

11. Моделирование процессов в природной среде, управление природоохранными мероприятиями.

12. Мониторинг состояния окружающей среды. Оценка техногенных последствий. Реагирование на чрезвычайные и кризисные ситуации.

13. Планирование и оперативное управление перевозками.

14. Геология, минерально-сырьевые ресурсы и горнодобывающая промышленность.

15. Планирование развития транспортных и телекоммуникационных сетей.

16. Маркетинг, анализ рынка.

17. Археология.

18. Комплексное управление и планирование развития территории, города.

19. Безопасность, военное дело и разведка.

20. Общее и специальное образование.

21. Сельское хозяйство.

Никакого особенного порядка в этом списке нет. Отметим только, что в нем присутствуют как термины, относящиеся к предмету активности (земельные ресурсы), так и относящиеся к задачам или целям (планирование развития, управление перевозками), а также к методам и средствам (дистанционное зондирование).

В этом списке можно выделить несколько основных типов. Одни связаны с задачами учетно-инвентаризационного типа, где акцент делается на данных и измерениях (например, задачи земельного кадастра или управления распределенной производственной инфраструктурой большого предприятия). Другие связаны с задачами управления и принятия решений. В-третьих, акцент делается на моделировании и сложном анализе данных. Первый тип является наиболее важным хотя бы в силу того, что на этот тип задач приходится максимальное число реализованных и находящихся в режиме эксплуатации систем.

4.

Наиболее распространенной в настоящее время является классификация ГИС по следующим признакам:

• по территориальному охвату — в зависимости от масштабного ряда цифровых картографических данных, составляющих базу данных ГИС;

• по назначению (по проблемной специализации) — в зависимости от целевого использования и характера решаемых задач;

• по предметно-тематической (ведомственной, отраслевой) ориентации — в зависимости от области применения;

• по способу организации географических данных — в зависимости от форматов ввода, хранения, обработки и представления картографической информации.

Принято различать следующие виды ГИС.

По территориальному охвату: глобальные, национальные, региональные, локальные, местные.

По назначению: многоцелевые, информационно-справочные, учебные, мониторинговые, исследовательские, издательские. Для решения следующих задач: инвентаризация (инвентаризационные), управление, кадастровая оценка, прогнозирование. А также и иного назначения.

По предметно-тематической ориентации: городские — инженерных коммуникаций и городского хозяйства (муниципальные), земельные (это ГИС земельно-ресурсной и земельно-кадастровой ориентации), природоохранные, экологические и природопользовательские, лесные; коммунальные; транспортные, социально-экономические, геологические, чрезвычайных ситуаций, навигационные,, торгово-маркетинговые, археологические и т.д.

По способу организации географических данных: векторные, растровые, векторно-растровые, трехмерные.

5.

В широком смысле создание ГИС включает следующие этапы:

1. Этапы предпроектных исследований, в том числе: изучение требований пользователей и функциональных возможностей используемых программных средств ГИС; технико-экономическое обоснование (ТЭО), оценка соотношений «затраты — прибыль».

2. Системное проектирование ГИС, включая стадию «Пилот-проект».

3. Сама разработка ГИС.

4. Тестирование ГИС на тестовом участке (небольшом территориальном фрагменте).

5. Создание опытного образца ГИС.

6. Внедрение ГИС.

7. Эксплуатация ГИС.

Просьба не смешивать эту схему создания ГИС с технологическими схемами создания карт средствами ГИС.

Созданием ГИС занимаются такие известные крупные компании как Intergraph, Esri.

Лекция №2