1.5.3. Етапи технологічного процесу

Основними етапами технологічного процесу ГІС є отримання даних, введення і попередня обробка, керування даними, маніпулювання та аналіз, генерування інформаційного продукту (рис.1.4.)[ 33].

1.Отримання даних

2.Введення і попередня обробка:

• перетворення форматів;

• зменшення даних і генералізація;

• виявлення помилок і редагування;

• побудова об’єктів;

• підгін країв;

• ректифікація або реєстрація;

• інтерполяція;

• фотоінтерпритація;

3.Керування даними:

• введення;

• редагування;

• пошук;

• запити;

• виведення;

4. Маніпулювання та аналіз:

• рекласифікація та агрегуваня;

• геометричні операції (поворот, перенесення, масштабування , ректифікація, реєстрація);

• визначення центроїди;

• перетворення структур даних;

• просторові операції (зв’язок, сусідство);

• вимірювання (відстань, напрямок);

• просторовий аналіз (дескриптивна статистика, регресія,кореляція,кростабуляція);

• моделювання

5.Генерування інформаційного продукту

Рис.1.4 Етапи технологічного процесу ГІС

Джерелами даних є картографічні матеріали, статистичні дані, аерокосмічні знімки, результати натурних вимірювань і зйомок, фондові й текстові матеріали.

Карти, які використовуються для побудови картографічних моделей поділяються на топографічні, тематичні, екологічні, економічні, демографічні тощо. Іншим видом картографічної інформації є матеріали космічного моніторингу (рис.1.5.).

Збирання даних

Обробка даних

Екологічне моделювання геосистем

Реляцій-

ні бази даних

Перетворення

Опорні дані

даних

Фізико-хімічні моделі

Спектральні властивості об’єктів

Граничні

умови

Фізичні властивості геосистем

Дистанційне

зондування

Бази вектор-них даних

Просторові дані

Результати моделювання

Обробка

Космо -знімків

Бази кадаст-рових даних

Інші

умови

х ара

Характеристики

г Геометрія

Тематичні карти

(індикатори довкілля)

Моделі, схеми, пропозиції для прийняття рішень

Рис.1.5. Структура використання даних дистанційного зондування навколишнього природного середовища з космосу

На наступному етапі здійснюється введення первинних даних у комп’ютер і перетворення їх формату (перетворення інформації з карт, фотографій, друкованих записів на формат , придатний для внесення інформації у комп’ютерну базу даних) та ідентифікація розміщення об’єктів. Процес перетворення даних з паперових карт у комп’ютерні називають відцифруванням. Навколишнє середовище у ГІС розглядається з трьох аспектів: просторового, тимчасового і тематичного.

Просторовий аспект пов’язаний з визначенням місця розташування об’єкта на карті, тимчасовий – зі зміною об’єкта чи процесу в часі, тематичний – виділенням одних ознак об’єкта і виключенням з розгляду інших. При цьому усі вимірні дані при збереженні їх у ГІС підпадають під одну з характеристик: місце, час, предмет. У більшості технологій ГІС для вивчення місця використовують один клас даних – координати, для визначення описової інформації і часу – інший клас даних – атрибути [37 ].

Координати точок просторових об’єктів необхідні для вказівки місця розташування об’єктів на земній поверхні, що реально має складну форму. У якості її математичної моделі використовується референц-еліпсоїд Ф.Н.Красовського. Для відображення положення точок поверхні Землі в двомірному представленні на карті застосовуються різні математичні моделі поверхні (картографічні проекції) і різні системи координат. В основному застосовуються два типи координат: плоскі і сферичні. Вибір системи координат залежить від розмірів досліджуваних ділянок поверхні і, як наслідок, від впливу кривизни Землі. Плоскі координати – декартові чи полярні – застосовуються при зображені невеликих (20X 20 км) ділянок Землі. При цьому положення точки визначається відповідно або значенням декартових координат X, У (вісь X вказує на схід, вісь У на північ), або відстанню від початку координат r і кутом від фіксованого напрямку на північ . Якщо ураховується кривизна Землі застосовуються сферичні системи координат. Найбільш відома з них — географічна система координат, у якій положення точки визначається широтою і довготою. У ГІС використовуються наступні системи координат: геоцентричні, топоцентричні, полярні, геодезичні, еліптичні тощо.

У картографії існує кілька класів проекцій для створення карт. За характером і розміром викривлень картографічні проекції розділяють на рівнокутні, рівновеликі, довільні тощо. За способом формування розрізняють: конічні, азимутальні, циліндричні, поліконічні проекції . Велике поширення одержала проекція Гаусса-Крюгера. У багатьох країнах для складання карт застосовують універсальну поперечно-циліндричну проекцію Маркатора (UТМ), що за своїми властивостями і розподілом викривлень близька до проекції Гаусса — Крюгера.

Різноманітність проекцій створює складності при формуванні електронних карт у ГІС з використанням картографічної продукції, виконаної в різних проекціях. Розходження картографічних проекцій особливо істотно для дрібномасштабних карт. Для великомасштабних карт немає такої різноманітності проекцій, однак мається розмаїтість моделей Землі і географічних координат. Тому в ГІС підтримується широкий спектр (у деяких ГІС до декількох десятків) різноманітних картографічних проекцій і координат і досить розвиті засоби для їхнього взаємного перетворення.

Зображені на карті геооб’єкти, представляються сукупністю наборів точок, ліній, контурів і ареалів і мають конкретні метричні значення: довжину, ширину, площу. Ця інформація в ГІС утворює клас координатних даних, і описується координатними моделями. Моделі просторових (координатних) даних класифікуються за трьома типами:

• растрова модель;

• векторна модель, що не містить топологічних характеристик;

• векторна топологічна модель.

Растрові моделі одержують за допомогою відображення безперервних поверхонь геооб’єктів у набір дискретних комірок (пікселей), що утворюють регулярну мережу. Кожній комірці відповідає однакова за розміром, але різна за характеристикою(колір, інтенсивність, щільність)ділянка поверхні об'єкта. Упорядкована сукупність таких атомарних моделей утворює растр, що і є моделлю карти чи об'єкта. Растрові моделі характеризуються наступними показниками.

Роздільна здатність — мінімальний лінійний розмір реального об'єкта, відображуваного одним пікселем, що звичайно являє собою прямокутник чи квадрат. Більш висока роздільна здатність (і, отже, більш висока якість відображення) має -растр із меншим розміром комірок.

Значення — елемент інформації, що зберігається в пікселі. Це може бути ціле чи дійсне число, символ, що мають самостійне змістове значення чи те, що є посиланням (кодом) для зв'язку з атрибутивною базою даних.

Орієнтація — кут між напрямком на північ і положенням колонок растра.

Зона растрової моделі включає примикаючі одна до одної комірки, що мають однакове значення. Зоною можуть бути, наприклад, окремі об'єкти, природні явища, ареали типів ґрунтів, області поширення забруднень тощо. В окремий клас виділяють так називані буферні зони — зони, границі яких вилучені на відому відстань від будь-якого об'єкта на карті. Основні характеристики зони — її значення і положення.

Положення задається номером рядка і стовпця комірки растра, що однозначно визначають положення кожного елемента об'єкта, відображуваного в растрі. Точність прив'язки елемента растра визначають як половину ширини і половину висоти комірки растра.

Растрові моделі застосовуються в тому випадку, коли потрібно якісне представлення даних, (наприклад, при обробці аерокосмічних знімків). Дані в растрових моделях збирають з рівномірно розташованої мережі точок і за допомогою статистичної обробки одержують об'єктивні характеристики досліджуваних об'єктів. До переваг растрових моделей варто віднести той факт, що процес їхнього одержання — сканування — набагато простіший алгоритмічно, ніж побудова векторних моделей. У загальному випадку растрові дані добре стискуються і при збереженні в системі займають менше місця, ніж векторні дані. Крім того, у багатьох растрових моделях передбачена можливість введення векторних даних. Разом з тим при відображенні реальних об'єктів у растровій моделі займається весь графічний простір, що потребує великих обсягів пам'яті й істотних витрат часу.

Векторні представлення в порівнянні з растровими мають наступні переваги:

• векторна технологія ефективніше при виконанні розрахунків;

• при збереженні у вихідному виді векторні файли займають менший (у 100. ..1000 разів) обсяг пам'яті;

• векторні малюнки легко редагуються; масштабування і трансформування векторних зображень на відміну від растрових відбуваються без перекручувань.

Векторні моделі будуються на використанні векторів, що займають лише частину простору, і тому ефективніші растрових моделей.

Векторні моделі використовують просторову і описову інформацію про форму географічних об'єктів і їхні просторові зв'язки з іншими об'єктами і описову інформацію про ці об'єкти.

У векторних ГІС, як і в САПР, для відображення графічних об'єктів застосовують набір простих базових геометричних моделей(примітивів), з яких потім одержують більш складні.

У ГІС використовуються наступні основні моделі (рис.1.6.):

• точка — пара координат X, Y (вузли, вершини);

• лінія ( незамкнута дуга) — упорядкований набір координат X, Y, причому координати початку і кінця не збігаються;

• контур (замкнута лінія) — упорядкований набір координат вершин X, Y, причому координати початку і кінця збігаються;

• полігон — майданний об'єкт — задається аналогічно контуру.

Рис. 1.6 Прості базові геометричні моделі в ГІС

Відповідно розрізняють точкові об'єкти, що використовуються для зображення на карті об'єктів, розмір яких занадто малий для зображення їх лінією чи контуром; лінійні об'єкти, що характеризуються тільки довжиною і зображені лінією або контуром; майданні об'єкти — замкнуті об'єкти, що обмежують однорідну за якими-небудь властивостями територію, що мають межу (контур) і площу. Кожній простій моделі в ГІС ставиться у відповідність системний порядковий номер (ідентифікатор) і збережені разом з ним координати (рис.1.7.).

Номер точки Координати X,Y

1 2,4

2 3,2

3 5,3

4 6,2

Номер лінії Координати X,Y

1 1,5 3,6 6,5 7,8

2 1,1 3,3 6,2 7,3

Номер полігону Координати X,Y

1 2,4 2,5 3,6 4,5 3,4 2,4

2 3,2 3,3 4,3 5,4 6,2 5,1

4.1 4.2 3.2

Рис.1.7. Кодування координатних даних ГІС

Просторові зв'язки між об'єктами (взаємне розташування об'єктів, їхня далекість один від одного, суміжність, можливість проїзду від однієї точки до іншої тощо) на цифрових картах описуються за допомогою топології.¹ При використанні топології дані зберігаються більш ефективно, що прискорює їхню обробку і дозволяє в підсумку обробляти набори даних великих розмірів. При наявності топологічних зв'язків стають можливими такі операції аналізу, як, наприклад, моделювання потоків за допомогою зв'язування ліній у мережу, об'єднання суміжних полігонів з однаковими характеристиками, накладення графічних об'єктів тощо.

Відомі наступні топологічні характеристики моделей, які використовуються у ГІС:

• зв’язність лінійних об'єктів;

• зв’язність полігональних об'єктів (взаємне розташування);

• перетинання лінійних об'єктів;

• близькість просторових об'єктів.

Топологічні зв'язки в різних ГІС реалізуються по-різному. Наприклад, у такій відомій системі як ARC / INFO, прийняті наступні топологічні концепції:

• дуги (лінії) з'єднуються між собою у вузлах (зв’язність);

• дуги, що обмежують фігуру, визначають полігон (визначення площ);

• дуги мають напрямок, а також ліву і праву сторони (безперервність).

Внутрішні точки (вершини) дуги визначають її форму, а з'єднуватися між собою дуги можуть тільки в кінцевих точках (вузлах), що дозволяє визначати зв’язність дуг за наявністю загального вузла. Напрямок дуги задається вказівкою її початкового і кінцевого вузла. Полігони задаються за допомогою списків номерів дуг, їх утворюючих. Наявність загальної дуги свідчить про суміжність полігонів. Крім того, в ARC / INFO ведеться список полігонів, що знаходяться ліворуч і праворуч від дуги, чим забезпечується безперервність графічного представлення об'єкта.

Для введення географічної інформації в ГІС в електронному вигляді використовуються дигітайзери і сканери. Перші дозволяють одержувати цифрові карти у векторному форматі, другі — у растровому. Для перетворення растрового формату у векторний застосовуються спеціальні програмні засоби — векторизатори. І в тому, і в іншому випадку процес створення цифрової карти у векторному форматі — дуже трудомістка і тривала операція, що вимагає великих витрат ручної праці. Як приклад найбільш розповсюджених програмних засобів векторизации можна назвати такі, як Easy Trase, MapEdit, Vectory, WinGIS.

Для планів міст, промислових і видобувних підприємств використовуються цифрові карти масштабів 1:10000, 1:2000, 1:500; для зображення території держави і регіонів – карти масштабів 1:1000000, 1:500000, 1:250000,1:100000.

Похідні масштаби карт використовується на окремих ділянках територій.

В ГІС здійснюється керування даними, тобто введення інформації після попередньої обробки в базу даних, поновлення, вилучення даних та їх пошук. Залежно від типів і формативів даних, програмного забезпечення ГІС використовуються різні способи організації зберігання, розподілу та доступу до даних. Робота ГІС базується на системі управління базами даних.

База даних у ГІС – це сукупність просторових і семантичних (змістових) даних, що організовані згідно із загальними принципами опису, зберігання і маніпулювання даними, незалежно від тематичного спрямування прикладних програм. Система управління базами даних -це комплекс програмних засобів, призначених для створення, ведення і використання баз даних. Необхідною умовою забезпечення зберігання, структурування та керування великими обсягами інформації є використання СУБД.

У ГІС прийнята концепція пошарового представлення графічної інформації. Картографічні об'єкти на основі типізації за загальними властивостями чи функціональними ознаками організуються в набори шарів. Такими властивостями можуть бути: приналежність до одного типу координатних об'єктів (точкові, лінійні, полігональні); приналежність до одного типу просторових об'єктів (житлові будинки, комунікації, адміністративні границі); відображення одним кольором тощо. Сукупність шарів утворює інтегровану основу картографічної частини ГІС (рис.1.8.)

Мапа

Водойми Полігони

Сквери Полігони

Побудови Полігони

Дороги Лінії

Рис.1.8. .Шари картографічної інформації ГІС

Пошарова організація інформації дозволяє використовувати групову обробку властивостей об'єктів, що підвищує продуктивність ГІС. Дані, розташовувані в шарах, можуть оброблятися в інтерактивному чи автоматичному режимі. За допомогою системи фільтрів об'єкти одного шару можуть бути одночасно масштабовані, переміщені, скопійовані, записані в базу даних. При необхідності можна ввести заборону на їхнє редагування чи перегляд тощо. Багатошарова організація електронної карти при наявності гнучкого керування шарами дозволяє, з одного боку, легко поєднувати інформацію, що міститься в них, з іншого боку — спрощує аналіз картографічних даних, надаючи можливість «відключення» непотрібних даних. Шари можуть мати як векторні, так і растрові формати. Більшості програм ГІС потрібно, щоб дані були представлені у векторному форматі. Однак у багатьох векторних системах растрові зображення використовуються як підкладка. У цілому сполучення методів топології і пошарового представлення картографічної інформації дає якісно нові можливості аналізу картографічних даних.

Інформація про навколишнє середовище у вигляді набору тематичних шарів , що накладаються один на одний, об’єднана на основі географічного положення.

Кожен шар містить різні об’єкти карти. Наприклад, один шар містить гідрографічну мережу, другий – символи населених пунктів, третій – лісові масиви, джерела забруднення тощо. Можливо працювати з окремим шаром, або, накладаючи шари один на одного, створити комплексну карту і працювати з нею.

Як у групі растрових, так і в групі векторних зображень, форма запису у файл у кожній конкретній системі неоднакова. Існує безліч різних форматів (практично в кожної фірми-розроблювача інструментальних засобів ГІС — свій), що відрізняються швидкістю читання(запису) у файл, ступенем стискальності даних, повнотою опису інформації. Широко відомі такі формати растрових даних як PSX, ТIFF, GIF, RLE, RLC. До векторних форматів відносяться формати DXF, DX90, PIC, DWG, IGES, DGN, HPGL та ін. Деякі з них стали фактично стандартними в силу їхніх програмних продуктів, що використовують, чи прийняті такими на підставі рішень комісій зі стандартів. Так, формат IGES, що має статус національного стандарту США, прийнятий і міжнародною організацією стандартизації ISO.

ГІС працюють у власному, найбільш зручному для даної системи внутрішньому форматі даних. Разом з тим у них обов'язково передбачаються засоби для конвертування в цей формат даних, одержуваних з інших систем, що надзвичайно важливо для широкого використання вже створеної цифрової картографічної продукції, якщо врахувати дуже трудомісткий і тривалий процес її створення.

Як уже відзначалося, крім координатних даних в ГІС можуть зберігатися й оброблятися описові і тимчасові характеристики об'єктів, що складають так називаний клас атрибутивних даних. До описових даних відносяться, наприклад, назви географічних чи політичних одиниць, міст, рік; екологічні показники регіонів, наприклад, склад забруднюючих речовин у водоймах чи у викидах промислових підприємств, інтенсивність руху по дорогах чи їх окремим ділянкам тощо. Характерним прикладом тимчасових даних є дані екологічного моніторингу. Це можуть бути результати неперервних вимірів метеорологічних факторів чи концентрацій забруднюючих речовин, результати періодичного пробовідбірного аналізу стану навколишнього середовища, результати спостережень за змінами флори і фауни в конкретних регіонах тощо.

Тимчасові характеристики можуть відображатися наступними способами:

• зазначенням тимчасового інтервалу існування об'єкта;

• співвіднесенням інформації з визначеним моментом часу;

• зазначенням швидкості руху об'єкта.

У залежності від способу відображення тимчасової характеристики вона може розміщатися в одній чи декількох таблицях атрибутивних даних.

При побудові моделей даних на основі спостережень у геоінформаційних системах часто один параметр вважають «незмінним», значеннями іншого «задаються», і при цьому фіксують «зміни» третього параметра. Наприклад, зафіксувавши географічне положення автоматизованих посад екологічного контролю і задавши знімання інформації з датчиків протягом доби, можна створити відповідну таблицю для збереження результатів вимірів системи екологічного моніторингу.

Описові атрибути об'єктів карти зберігаються комп'ютером подібно координатам. Вони можуть зберігатися у виді наборів чисел, символів, текстів, чи схем фотографій, звукових записів. Застосування атрибутів дозволяє здійснювати аналіз об'єктів ГІС з використанням стандартних форм запитів і різного роду фільтрів, а також виразів математичної логіки, що особливо ефективно при тематичному картографуванні. Крім того, за допомогою атрибутів виробляються типізація і структурування некоординатних даних. Таким чином, атрибутивний опис доповнює координатний і разом з ним створює повний опис даних ГІС, вирішує задачі типізації і класифікації даних, спрощує їхню обробку.

Як для збереження координат, так і для збереження атрибутивних даних у ГІС використовуються, в основному, реляційні моделі даних. Реляційна модель даних розроблена Коддом ще в 1969—1970 р. на основі математичної теорії відносин. Вона спирається на систему таких понять, як таблиця, відношення, рядок (запис, кортеж), стовпець (поле, домен), первинний ключ, зовнішній ключ.

Реляційна база даних у загальному випадку містить декілька (не менш однієї) тематичних таблиць. Таблиця складається з рядків і стовпців, має унікальне ім'я в базі даних і характеризує визначений тип об'єкта навколишнього середовища. Кожен рядок (запис) таблиці містить опис конкретного об'єкта, кожен стовпець характеризує визначену властивість (атрибут) об'єктів даного типу. Діапазон припустимих значень для кожного атрибута задається заздалегідь. Структура запису (набір атрибутів і їх властивості) задає відношення, що характеризує тип сутності. Будь-яка таблиця має один чи кілька стовпців, значення в яких однозначно ідентифікують кожен її рядок. Такий стовпець (чи комбінація стовпців) називається первинним ключем таблиці.

Взаємозв'язок організується за допомогою зовнішніх ключів, у якості яких використовуються загальні атрибути різних таблиць. При цьому розрізняють два види зв'язку, які можна установити між таблицями: реляційне зв'язування (тимчасове з'єднання) і реляційне з'єднання. І в тому, і в іншому випадку кожен запис однієї таблиці з'єднується з тим рядком іншої таблиці, що має таке ж значення загального атрибута. Зв'язування тимчасово розширює таблицю атрибутів об'єктів, якби додаючи атрибути, що насправді в ній не зберігаються. При використанні зв'язування зв'язані файли можуть підтримуватися й обновлятися порізно. При операції з'єднання таблиці зливаються за загальним атрибутом, утворюючи нову загальну таблицю. При цьому редагування даних може здійснюватися тільки у вихідних таблицях. У загальному випадку реляційні операції дозволяють формувати зв'язку типу: одна-до-однієї, одна-до-багатьох, багато-до-однієї. Операції реляційного зв'язування і з'єднання забезпечують можливість незалежного створення окремих таблиць, що належать до однієї тематично зв'язаної бази даних, і зменшують надмірність даних.

Для обробки інформації, розташовуваної в таблицях реляційної бази даних, використовуються метадані — додаткові дані, що містять опис структури таблиць, формату стовпців тощо. Метадані також представляються у вигляді таблиць і зберігаються в спеціальному словнику даних.

У реляційної моделі не передбачається підтримка логічної упорядкованості записів, однак кортежі містяться у фізичну пам'ять у визначеному порядку, що використовується згодом для формування вибірок даних і модифікації таблиць.

У цілому, переваги реляційних моделей полягають у простій структурі даних (таблиці); незалежності логічної структури даних від фізичного способу їхнього збереження і специфіки апаратури; можливості використання не процедурних мов запиту; розвинених засобах захисту від збоїв і можливість роздільного доступу до даних декількох користувачів.

Крім таблиць у ГІС можуть зберігатися і такі об'єкти, як екранні форми, звіти, представлення карт і прикладні програми, що працюють на основі з інформації, розміщеної в реляційній базі даних.

Сучасні ГІС мають, як правило, власні реляційні СУБД, що володіють обмеженою ємністю. Тому для рішення складних об'ємних інформаційних задач у них передбачені засоби комунікації для використання зовнішніх баз даних, наприклад Oracl,SQL-сервер тощо.

Перевага ГІС полягає в зв'язуванні графічних (просторових) і табличних (атрибутивних) даних і можливості на цій основі реалізації комплексних картографічних запитів.

Такий зв'язок створюється і підтримується в ГІС автоматично. Після того, як він встановлений, можна и створювати карту на основі атрибутів що зберігаються в таблиці. На основі такого зв'язку в ГІС виконуються також операції просторового накладення об'єктів.

Розглянуті можливості по організації даних у ГІС дозволяють вважати цю технологію основною для цілей обробки і керування інформацією. У самій концепції ГІС закладені всебічні можливості збору, інтеграції й аналізу будь-яких розподілених у просторі чи прив'язаних до конкретного місця даних. ГІС дають можливість візуалізувати наявну інформацію у виді карти з графіками чи діаграмами, створити, доповнити чи видозмінити базу даних просторових об'єктів, інтегрувати її з іншими базами даних.

Засоби ГІС набагато перевершують можливості звичайних картографічних систем, хоча включають і всі основні функції отримання високоякісних карт і планів. У цілому ГІС є комп'ютеризованою системою керування базами даних для пошуку, збереження, зміни, аналізу і просторового (локального) відображення визначених даних, тобто ГІС — це бази даних і аналітичні засоби для роботи з будь-якою координатно прив'язаною інформацією.

Бази даних ГІС містять екологічні показники, дані їх теріторіальної і часової прив’язки, джерела отримання їх тощо. Ці бази складаються з блоків, інформація, в яких згрупована за даними напрямами: геолого-геморфологічний, ґрунтовий, гідрологічний, біологічний, кліматичний, економічний, соціальний тощо. Це дозволяє виконувати інтегральну оцінку стану довкілля і отримувати характеристику комплексного антропогенного впливу. Найпотужнішою складовою ГІС є модуль аналізу даних. Сучасні ГІС виконують наступні аналітичні і моделювальні функції:

• операції з перереструктуризації даних;

• зміна систем координат, трансформація проекцій;

• операції обчислювальної геометрії та графоаналітичні процедури;

• операції по створенню композицій із кількох тематичних шарів даних;

• аналітичні функції і моделювальні процедури.

Як уже було показано, основою ГІС-технології є картографічна інформація в єдиній системі координат (географічна карта чи план) у цифровій формі — географічна база даних. Така база даних представляється у вигляді набору окремих тематичних карт (шарів), що описують об'єкти визначеної території, що у сукупності містять усю необхідну географічну інформацію.

З картографічними об'єктами (точковими, лінійними чи полігональними) у ГІС зв'язується описова атрибутивна інформація про особливості цих об'єктів, у першу чергу алфавітно-цифрова, іноді також інша графічна (графіки, ілюстрації, схеми), звукова тощо. Такий зв'язок здійснюється через ідентифікатори місця розташування — геокоди, які одночасно присвоюються картографічним об'єктам і записам у неграфічній базі даних.

Алфавітно-цифрова інформація, як правило, організується у виді реляційних баз даних, що дозволяють легко керувати інформацією, що зберігається в окремих файлах даних, поєднувати різні файли при вирішенні конкретних задач, не змінюючи їхньої власної структури, легко нарощувати проблемно-орієнтовані блоки бази даних. При цьому в ГІС кожному географічному об'єкту ставиться у відповідність рядок таблиці — запис у базі даних. Використання такого зв'язку забезпечує багаті функціональні можливості ГІС.

У принципі, ГІС можна розглядати як деяке розширення концепції звичайних баз даних для координатно прив'язаної інформації; ГІС являє собою новий рівень і спосіб інтеграції і структурування інформації, особливо в тих випадках, коли інформація, що цікавить користувача, відноситься до об'єктів, для яких важливі їхнє просторове положення, форма і взаємне розташування.

Найбільш важливими інструментами для просторового аналізу є аналіз близькості та аналіз накладання . Для проведення аналізу близькості об'єктів відносно один одного застосовують буферизацію. Процес накладання включає інтеграцію даних , розташованих у різних тематичних шарах.

Географічна інформаційна система володіє розвиненою системою запитів, яка надає можливість користувачу отримувати відповіді на різні запитання (Рис. 1.9.),скорочує час на отримання запитань, допомагає встановити зв’язки між такими, наприклад,параметрами як грунти, клімат, врожайність сільськогосподарських культур ,обсяг промислового виробництва, ступені забруднення атмосфери, водних об’єктів, грунтів тощо.

Запити

Просторові

Непросторові

Модельовані

Що це ?

Середнє значення параметра

Запити виду «що...якщо»

Де це ?

Екстремальне значення параметра

Вибір маршруту руху автотранспорту

Якого розміру цей об’єкт ?

Сума

Відновлення полей по дискретним значенням змінних

Статистика

Нормалізація

Рис.1.9. Типи запитів в ГІС

ГІС має деякий базовий набір функцій:

• картографічний інтерфейс для організації запиту до бази даних («Що це?», див. рис. 1.9.)

• засоби генерації картографічного звіту по запиту до тематичної бази даних («Де це знаходиться?»);

• просторові запити про взаємини між об'єктами («Що поруч?», «Який шлях коротше?», «З якими об'єктами зв'язаний, межує даний об'єкт?», «Положення яких об'єктів у просторі перетинається і наскільки?»);

• оверлейні операції, що використовують у різних варіантах просторове накладення однієї безлічі об'єктів на іншу.

Ці функції дозволяють користувачу ГІС отримати відповіді на цілий ряд екологічних запитань, таких як: який обсяг викиду в атмосферу?; який ступінь забруднення грунтів на земельній ділянці?; яка якість поверхневих вод на виділеній території тощо.

Геоінформаційні системи мають широкий набір засобів математичного моделювання просторових процесів. Математичне моделювання в ГІС включає: побудову проекту карти на основі методології САПР; проекційні перетворення; геометричний аналіз (визначення відстаней, довжин ламаних ліній, розрахунок площ, пошук точок перетинання ліній тощо); побудова буферних зон; аналіз мереж; перетворення форм представлення даних, у тому числі інтерполяція, наприклад цифрове моделювання рельєфу. Крім базових просторових моделей природних об’єктів у ГІС застосовуються фізико-математичні моделі природних процесів, що дозволяє прогнозувати розвиток різноманітних екологічний ситуацій в довкіллі.

Останнім етапом технологічного процесу ГІС є генерування інформаційного продукту, тобто створення карт, таблиць, графіків, діаграм, тривимірних зображень.

Сучасні ГІС тісно пов'язані з графічними засобами САПР, наприклад такими, як AutoCad, могутніми реляційними СУБД (Огас1, SQL-сервер тощо), пакетами обробки аеро- і космічних знімків, пакетами статистичного аналізу й обробки даних тощо.

ГІС існують практично на всіх комп'ютерних платформах — від персональних комп'ютерів під керуванням MS DOS до робочих станцій під керуванням UNIX. Серед відомих геоінформаційних систем розрізняють інструментальні пакети ГІС загального призначення і спеціалізовані (наприклад, орієнтовані на рішення транспортних задач).

Інструментальні пакети програмного забезпечення на відміну від жорстко функціональних систем дають змогу побудовувати систему з урахуванням особливостей роботи, виду інформації, методів її обробки, збереження, представлення. Більшість інструментальних пакетів складається із серії модулів, що забезпечують вибір технології обробки інформації вирішення загальних задач: ( оцифровка карт; обмін даними в різних форматах; робота з точковими, лінійними і майданними об'єктами; робота з реляційними базами даних; оверлейні операції з накладенням карт; керування візуалізацією карт на дисплеї; інтерактивне графічне редагування; геометричні виміри на карті; пошук об'єктів по їхніх адресах; інтерполяція й екстраполяція даних; відповіді на широкий набір запитів тощо ).

У залежності від широти спектра наданих можливостей ГІС загального призначення розділяються на повнофункціональні системи і системи картографічної візуалізації. Системи картографічної візуалізації (настільні чи персональні геоінформаційні системи) мають меншу складність і вартість, орієнтовані на обчислювальні ресурси персональних комп'ютерів, але в той же час мають обмежені аналітичні можливості і слабкі можливості редагування картографічної основи. Повнофункціональні ГІС досить складні, задовільно функціонують у повному обсязі тільки на робочих станціях, однак дозволяють створювати на їх основі проблемно-орієнтовані геоінформаційні системи з розвиненими засобами просторового аналізу, що має особливу значимість при вирішенні задач в області екології.

До найбільш розвинутих повнофункціональних ГІС відносяться програмні продукти фірми ESRI США ( ARC / INFO ), фірми Micro-station США (МGE Intergraph) і трохи менш розповсюджений пакет фірми Siemens Nixdorf Німеччина (SICAD). Визнаним світовим лідером в області систем обробки аерокосмічних знімків вважається система ERDAS Imagine США.

У списку настільних ГІС безумовними лідерами є програмні засоби ARC View (ESRI) і Maplnfo. Разом з тим слід зазначити, що постійне нарощування функціональних можливостей ARC View, проведене фірмою ESRI, модульний принцип побудови, простий користувальницький інтерфейс у стандарті Windows роблять цей пакет програм усе більш привабливим для вирішення широкого кола задач. В даний час ARC View GIS — це могутній засіб для створення самостійних проблемно-орієнтованих прикладних систем. Він дозволяє проводити оцифровку карт із використанням дигитайзера, містить у собі об’єктно-орієнтовану мову і середовище розроблювача додатків Avenue для роботи з просторово-організованими даними, дозволяє легко створювати і модифікувати бази даних з алфавітно-цифровою інформацією, імпортувати дані стандартних форматів dBase, ASCII, Excel, Lotus 1-2-3, використовувати зовнішні бази даних Oracl, SYBASE, INFORMIX тощо, обробляє дані у форматі ARC/INFO, DXF і інших графічних форматах, має відкритий графічний формат шейп-файлів і можливість їхнього редагування. Система ARC View GIS реалізує об’єктно-орієнтований підхід до керування географічною інформацією і дозволяє виконувати: аналіз інформації з побудовою графіків і діаграм; перетворення картографічних проекцій безпосередньо в процесі роботи з картою; комбінації складного логічного і просторового запитів; запити через таблиці, діаграми і графіки.

Крім того, можливість включення до складу пакета таких додаткових модулів розширення, як Network, Spatial Analyst і інші, дозволяє виконувати складний аналіз лінійних мереж, моделювати рельєф, відновлювати неперервні поля за результатами вимірів, проводити багатокритеріальну оцінку даних. Таким чином, система ARC View GIS усе більш наближається за своїми функціями до можливостей повнофункціональних систем, зберігаючи при цьому всі переваги настільної ГІС. Названі переваги ARC View GIS визначають широке застосування цієї системи для рішення задач в різних галузях народного господарства та екології.

В Україні геоінформаційні системи і технології широко застосовують Національне космічне агентство, Український центр менеджменту землі і ресурсів при Раді Національної безпеки та оборони України, Укргеодезкартографія в складі Міністерства охорони навколишнього природного середовища (МОНПС), Міжвідомчий центр електронної картографії та ін.