Понятие о ГИС
Что такое ГИС?
Определение ГИС сейчас, наверное, самое часто употребляемое
слово у городских и областных чиновников. Даже те из них, кто далек от
компьютерных технологий, на вопрос, что такое ГИС, без запинки ответят - геоинформационные системы. Впрочем, такой интерес
объясняется очень просто: еще в 1995 году Правительство РФ приняло
постановление "Об организации работ по созданию ГИС для органов
государственной власти". Вертикаль должна охватить все уровни: от
президента и правительства до районных администраций.
География является связующим звеном информации, получаемой
из многочисленных источников. Прежде всего это различные типы карт: планы
застроек, топографические и различные тематические карты. Кроме того, данные
могут поставляться с аэро- и космических снимков, они
поступают из файлов, из отчетов и компьютерных систем, из результатов полевых
измерений.
Значительная часть географических данных быстро меняется с течением времени, и поэтому неприемлемым становится использование бумажных карт; быстроту получения информации и ее актуальность может гарантировать только автоматизированная система.
ГИС – это:
“информационная система,
осуществляющая сбор, хранение, обработку и отображение пространственно
распределенной информации
“такая система, в состав который
входят компоненты для сбора, передачи, хранения, обработки и выдачи информации
о территории”Langeforce, 1966];
“пространственно определенная
система для сбора, хранения, поиска, и манипулирования данными”[Star et. al.,1984];
“информационная система, которая
может обеспечить ввод, манипулирование и анализ географически определенных
данных для поддержки принятия решения”[Vitek et., 1984];
“система, включающая базу данных,
аппаратуру, специализированное матобеспечение и
пакеты программ, предназначенных для расширения базы данных, для
манипулирования данными, их визуализации в виде карт или таблиц и, в конечном
итоге, для принятия решения о том или ином варианте хозяйственной
деятельности”[Lillesand, Liefer,
1987];
“научно-технические комплексы
автоматизированного сбора, систематизации, переработки и представления геоинформации в новом качестве с условием прироста знаний
об исследуемых пространственных системах” [Сербенюк,
1990];
Геоинформационные системы создаются на стыке нескольких наук, обычно цифровой картографии и автоматизированных систем управления, планирования и научных исследований по отраслям наук. ГИС объединяет информацию, содержащуюся на общегеографических картах и планах, с экологическими, кадастровыми и другими данными в зависимости от назначения ГИС.
Современная ГИС - автоматизированная система, имеющая большое количество графических и тематических баз, соединенная с модельными и расчетными функциями для манипулирования ими и преобразования в пространственную картографическую информацию для принятия на ее основе разнообразных решений и осуществления контроля.
Основным назначением ГИС следует считать формирование знаний о территориях с размещенными на них объектами и их фактологическими характеристиками для своевременного получения необходимых пространственно размещенных данных различными пользователями.
По сложности можно выделить следующие виды ГИС:
· комплексные или многоцелевые для решения общих проблем (региональное планирование);
· проблемные (планирование транспорта);
· узкоспециализированные (по земельным участкам).
Функциями ГИС являются: сбор, систематизация, накопление, хранение, анализ, преобразование, распространение картографической и тематической информации.
Целями разработки ГИС являются: анализ, моделирование, управление, прогноз, планирование, инвентаризация земель, мониторинг, картографирование, обслуживание пользователей.
По охвату территорий ГИС разбивают на три уровня:
1. Глобальный
Масштаб таких ГИС 1:1000000 и мельче, система координат географическая.
Такие ГИС используют для общего управления отраслями народного хозяйства.
2. Региональный
К этому уровню относят ГИС на основе национальных карт масштаба 1:100000 и
1:200000. Система координат - геодезическая в проекции
Гаусса-Крюгера.
3. Локальный
ГИС этого уровня создаются по картам масштабов 1:25000 и крупнее и служат
для управления городским хозяйством, создания кадастровых карт.
Форма хранения данных для ГИС обеспечивает возможность анализа взаимосвязей между различными феноменами. ГИС позволяет на базе цифровой топографической карты делать производные карты, объединяя их с тематической информацией, хранящейся в базе данных.
Средства, обеспечивающий функционирование ГИС, можно сгруппировать по видам обеспечения.
1.
Техническое обеспечение ГИС
- совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств,
предназначенных для обработки данных, подготовки и ввода данных, отображения и
документирования, архивирования данных и передачи их по сетям.
Аппаратные средства ГИС состоят из:
-
персональных компьютеров;
- графических
станций;
-
устройств ввода графической информации - дигитайзеров, сканеров;
-
устройств вывода информации - плоттеров, принтеров;
-
серверов;
-
средств организации вычислительных сетей различного уровня и назначения.
2. Математическое обеспечение ГИС объединяет в себе математические модели формирования цифровых карт.
3. Программное обеспечение ГИС объединяет совокупность программ, выполняющих функции ГИС. Программное обеспечение делится на общесистемное, базовое и прикладное. Общесистемное программное обеспечение предназначено для организации функционирования технических средств - это операционные системы MC DOC и UNIX, операционные оболочки Нортон Командер, Windows и PC TOOLS. К базовому программному обеспечению относят программы, обеспечивающие функционирование прикладных программ. В прикладном программном обеспечении реализуется математическое обеспечение для непосредственного обеспечения функций ГИС.
Программный комплекс должен обеспечивать следующие основные
функции:
·
просмотр
графической и текстовой информации, включающей возможность запроса к данным;
·
поиск
объектов городской инфраструктуры по адресу в пределах карт-схемы
базового варианта;
·
возможность
изменения масштаба отображения, задаваемых участков;
·
возможность
подключения собственных баз данных к карт-схемам
базового варианта;
·
возможность
создания собственных слоев и баз возможность управления отображением любых
объектов;
·
отображение
информации на внешних устройствах.
4.
Информационное обеспечение ГИС
объединяет геоинформационные и тематические данные и
включает в себя базы данных, экспертные системы и базы правил. Совокупность
программных средств, обеспечивающих функционирование базы данных, называется
системой управления базой данных (СУБД). СУБД бывают реляционного,
иерархического и сетевого типа. В ГИС чаще всего используются реляционные базы
данных Dbase. Географическая
(картографическая) информация является основой ГИС и служит для привязки любой
другой информации.
Географическая информация формируется путем электронной
оцифровки на компьютере имеющихся карт и топопланов,
а также путем обработки топографо-геодезических материалов, полученных в
результате инвентаризации земель.
Географическая информация должна:
-
быть актуальной - содержать достоверные данные о текущем расположении объектов;
-
иметь топологическую структуру объектов, обеспечивающую проверку геометрической
корректности вводимой информации (замкнутость границ площадных объектов,
связность, прилегание) и позволяющую выполнять запросы о пространственном
расположении объектов;
-
быть точной - расположение объектов на карте должно точно соответствовать их
расположению на местности;
-
обеспечивать возможность синхронного редактирования данных об объекте на картах
разных масштабов.
Географическая информация разделяется на отдельные слои
согласно их тематическому назначению.
Атрибутивная информация содержит семантические данные,
поясняющие и уточняющие характеристики объектов географической информации.
Атрибутивная информация сгруппирована в отдельные
реляционные базы данных согласно слоям географической информации.
Атрибутивная информация должна быть актуальной - содержать
текущие значения характеристик географических объектов.
Сопровождающая информация дополняет и поясняет атрибутивную
информацию о географических объектах.
Сопровождающая информация представляет собой архивы,
содержащие полные тексты правоустанавливающих и правоутверждающих
документов, справок, описаний объектов, изображения чертежей, рисунков,
фотографий и т. д.
5. Лингвистическое обеспечение ГИС представлено совокупностью языков, использующихся в ГИС для описания картографической информации, процесса и средств формирования цифровых и электронных карт, при помощи которой происходит общение в человеко-машинных системах. Языки, используемые в ГИС, подразделяются на языки программирования и языки проектирования. Последние разбиваются на входные, выходные, внутренние, сопровождения, промежуточные.
История развития ГИС
Начало развития ГИС
относится концу 60-х годов, но только в последние 6-7 лет 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 большие организации, такие, как
мэрии крупных городов.
О значимости ГИС можно судить и по тому вниманию, которое уделяется им в большинстве развитых стран. Во многих из них образованы национальные и региональные организации, в задачи которых входят развитие исследований, связанных с ГИС и автоматизированной картографией, разработка предложений в сфере национального и городского планирования информации, координация программ получения, обработки и распространения этой информации, создание сетей ГИС. Для этих целей разработана правовая база, производится мощное аппаратное и программное обеспечение, налажена подготовка и переквалификация необходимого класса специалистов. К примеру, в штате Калифорния (США) вопросами ГИС в 1991 году было занято 72 специализированных отдела по планированию, определяющих деятельность множества сторон жизни штата. Ресурсами информационной системы являются: земля, воздух, вода, движимое и недвижимое имущество, рабочая сила, средства (деньги), материалы, концепции и технологии . Назначение системы - повышение уровня жизни людей на конкретной территории. Ежегодный оборот таких отделов в 1991 г. достиг 2,5 млрд. USD.
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 г. 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 представители властей выступили с инициативой о скорейшем начале работ по созданию ГИС . Государственным учреждениям были поручены работы по поиску технических средств и ГИС-технологий, координированием работ занято Министерство строительства и городского планирования, принята государственная и городские программы по созданию автоматизированных систем управления данными, выделены средства.
ГИС
на рынке России.
Западные ГИС.
Надо сказать, что в Россию
преимущественно попадают такие образцы ГИС, которые ориентированы либо на
работу в основном с мелкомасштабными картами (например, М 1:1000000 – М 1:50000),
либо на бизнес-анализ территориально распределённой информации, причём для
отображения карты в таких системах не ставится задача удовлетворения всем
необходимым стандартам на представление картографической информации.
В области работы с весьма
насыщенными и громоздкими крупномасштабными (М 1:2000 или М 1:500) картами
городов подобные западные ГИС не очень хорошо приспособлены. Другие же ГИС, -
которые призваны моделировать сложные динамические процессы, протекающие на
территориях городов, или физические процессы в инженерных коммуникациях, стоят
многие тысячи долларов на каждое рабочее место, а потому перспективы их продаж
в России в период кризиса очень плохие. Их практически и не завозят в нашу
страну. Продаются в основном не самые развитые продукты, которые трудно
применить на городском уровне в той мере, в какой это необходимо большинству
городских служб.
Наиболее хорошо себя зарекомендовали для работы с мелкомасштабными "природными" картами (геология, сельское хозяйство, навигация, экология и т.п.) такие ГИС, как Arc Info и Arc View GIS. Обе системы разработаны американской компанией ESRI и весьма распространены в мире.
Из относительно простых западных ГИС, которые начинали свою родословную с анализа территорий в объёме, необходимом для бизнеса и относительно простых применений, можно назвать систему MapInfo, которая также распространена в мире весьма широко. Эта система очень быстро прогрессирует и сегодня может составить конкуренцию самым развитым ГИС. Корпорацией Intergraph поставляется ГИС MGE (Modular GIS Environment), базирующаяся на основе AutoCAD-подобной системы Micro Station, выпускаемой в свою очередь компанией Bently Systems. Система MGE представляет собой целое семейство различных программных продуктов, помогающих решать набольшее множество задач, существующих в области геоинформатики. Все указанные продукты имеют и Internet-ГИС-серверы, позволяющие публиковать цифровые карты в Internet. Правда, приходится говорить только о вьюерах, поскольку обеспечить сегодня редактирование топологических карт со стороны удалённого клиента Internet нельзя по причине недостаточной развитости, как ГИС, так и Internet-технологий. Microsoft, подтвердила, что ГИС станет в ближайшем будущем такой системой, которую должен иметь на своём компьютере всякий мало-мальски уважающий себя пользователь, как он имеет сегодня у себя Excel или Word. Microsoft выпустила продукт MapPoint (Microsoft MapPoint 2000 Business Mapping Software), который войдёт в состав Office 2000. Эта компонента офисного продукта будет ориентирована в основном на бизнес-планирование и анализ.
Повторением концепции ArcInfo, но сильно уступающей последней по функциональной полноте является отечественная система GeoDraw, разработанная в ЦГИ ИГРАН (г. Москва). Возможности её ограничены сегодня в основном мелкомасштабными картами. С нашей точки зрения значительно "сильнее" здесь выглядит "старейшина" отечественной геоинформатики - ГИС Sinteks ABRIS. В последней хорошо представлены функции по анализу пространственной информации.
В геологии сильны позиции
ГИС ПАРК (Ланэко, г. Москва), в которой также
реализованы уникальные методы моделирования соответствующих процессов.
Наиболее
"продвинутыми" в области представления и дежурства крупномасштабных
насыщенных карт городов и генпланов крупных предприятий можно считать две
отечественные системы: GeoCosm (ГЕОИД, г. Геленджик) и "ИнГео"
(ЦСИ "Интегро", г. Уфа). Эти системы - одни
из самых молодых и потому разрабатывались сразу с использованием самых
современных технологий. А систему "ИнГео"
разрабатывали даже не столько геодезисты, сколько специалисты, относящие себя к
профессионалам в области имитационного моделирования и кадастровых систем. В
целом в России едва ли не в каждой организации создают свою ГИС. Однако этот
процесс - весьма непростой, и вероятность его завершения неудачно несравненно
более высока, чем вероятность без проблемной реализации, не говоря уже о
возможности выхода коммерческого продукта, допускающим отчуждение от
разработчиков.
Структура ГИС
ГИС может быть построена по одному из трех принципов организации банка данных и сбора информации:
· полная централизация;
· частичная централизация;
· децентрализация.
Централизованный банк данных может быть создан как на базе персональной машины, так и на базе больших рабочих станций. Децентрализация банка данных возможна путем создания локальной вычислительной сети на базе персональных компьютеров и рабочих станций.
Современная ГИС должна быть способна интегрировать данные по различным темам и из разных источников. Основу каждой ГИС составляет автоматизация процессов сбора, обработки и выдачи информации. Система создается в виде функциональных блоков, взаимодействующих между собой.
Любая ГИС работает с базами данных двух типов - графическими и атрибутивными или тематическими.
В графических базах данных хранится графическая (или метрическая) основа, атрибутивные 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 или информация, содержащаяся в отчетах.
Оба вида баз представляют из себя файлы (наборы) цифровых данных. Для работы с этими данными ГИС должна иметь систему управления базами данных (СУБД).
Любая ГИС имеет систему визуализации данных, выводящую на экран имеющуюся информацию в виде карт, таблиц, схем и т.п., и систему анализа данных.
|
|
|
|
Система управления |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
графическими базами данных |
|
|
|
|
|
|
|
|
Система |
|
|
|
|
|
Система |
|
Система |
|
Система |
|
Ввода |
|
|
|
|
|
визуализации |
|
обработки и анализа |
|
вывода |
|
|
|
|
Система управления |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
атрибутивными базами данных |
|
|
|
|
|
|
|
Наиболее широко в геоинформатике используются картографические, статистические и аэрокосмические материалы, реже используются данные специально проводимых полевых исследований и съемок, а также текстовые источники.
Система ввода - это программный блок, отвечающий за получение данных, источниками которых могут являться:
· клавиатура;
· внешние компьютерные системы;
· сканер;
· дигитайзер;
· электронные геодезические приборы;
· космические и аэрофотоснимки.
Эффективное использование цифровых данных предполагает наличие программных средств, обеспечивающих функции их хранения, описания, обновления и т.д. В зависимости от типов и форматов их представления, от уровня программных средств ГИС и некоторых характеристик среды и условий их использования могут быть предложены различные варианты организации хранения и доступа к пространственным данным, причем способы организации различаются для позиционной (графической) и семантической их части.
Особо широкое применение при разработке программного обеспечения ГИС получили реляционные СУБД.
СУБД реляционного типа позволяют представить данные о пространственных объектах (точках, линиях и полигонах) и их характеристиках (атрибутах) в виде отношений или таблицы, строки которой - индексированные записи - соответствуют набору значений атрибутов объекта, а колонки (столбцы) обычно устанавливают тип атрибута, его размер и имя атрибута. В число атрибутов не входят геометрические атрибуты, описывающие геометрию и топологию. Векторные записи координат объектов упорядочиваются и организуются с использованием особых средств. Связь между геометрическим описанием объектов и их семантикой в реляционной таблице устанавливается через уникальные номера - идентификаторы.
Большинство баз данных для хранения данных используют таблицы. Каждая таблица состоит из строк и столбцов. Строки называют записями, а столбцы - полями.
Информация имеет постоянную структуру данных. Каждую строку можно рассматривать как единичную запись. Информация внутри записей состоит из полей. Все записи состоят из одинаковых полей. Данные для одного поля во всех записях имеют одинаковый тип, но разные поля могут иметь разный тип данных.
СУБД обеспечивают высокую скорость поиска информации. Кроме того базы данных обладают высокой компактностью, так несколько тысяч записей может поместиться на одной дискете.
В реляционных базах данных информация хранится в одной или нескольких таблицах. Связь между таблицами осуществляется посредством значений одного или нескольких совпадающих полей.
Каждая строка таблицы в реляционных базах данных уникальна. Для обеспечения уникальности строк используют ключи, которые содержат одно или несколько полей таблицы. Ключи хранятся в упорядоченном виде, что обеспечивает прямой доступ к записям таблицы во время поиска.
Обычно реализуются следующие операции с базами данных реляционного типа:
1. установка текущих логических позиций в базе данных;
2. выборка;
3. добавление новых записей;
4. удаление;
5. обновление.
Большинство коммерческих
программных средств ГИС имеют интерфейс с коммерческими СУБД типов ORACLE
(например MGE), Dbase4 (ARC/INFO), FoxBase (MapInfo) и др.
Удобство манипулирования данными в БД существенно зависит от языковых средств СУБД. Широкие возможности предоставляются пользователю СУБД, в которых реализован язык обработки запросов SQL и его расширения, адаптированные к описанию пространственных запросов к БД ГИС и содержащие конструкции, включающие пространственные переменные и условия.
Одним из главных мотивов, определяющих необходимость использования технологии баз данных при создании ГИС в настоящее время, является поддержка современными СУБД сетевых возможностей хранения и использования технологий локальных сетей и удаленных сетей в так называемых распределенных БД. Тем самым достигается оптимальное использование вычислительных ресурсов и возможность коллективного доступа пользователей к запрашиваемым БД.
Система анализа данных составляет ядро геоинформационных технологий, все остальные операции которых с некоторой точки зрения могут представляться сервисными, обеспечивающими возможность выполнения системой ее основных аналитических и моделирующих функций. Существуют различные классификации позволяющие сгруппировать элементарные операции аналитического характера или их последовательности в группы. Обобщая некоторые из них и опираясь на состав и структуру аналитических модулей, можно выделить следующие их группы:
1. Операции переструктурирования данных;
2. Трансформация проекций и изменение систем координат;
3. Операции вычислительной геометрии;
4. Оверлейные операции (наложение разноименных и разнотипных слоев данных);
5. Общие аналитические, графо-аналитические и моделирующие функции.
Система визуализации данных. Результаты обработки данных, покидая свою цифровую оболочку, должны трансформироваться в “антропо-читаемый” документ. Программные средства ГИС включают достаточно широкий набор средств генерации выходных данных.
Документы, генерируемые на выходе:
· табличные;
· графические;
· картографические.
К техническим средствам, используемым для генерации документов, принадлежат средства машинной графики, конверторы данных, позволяющие преобразовывать данные из одних форматов в другие без потерь их геометрических и семантических атрибутов, графопостроители (плоттеры), графические дисплеи с высоким разрешением, полутоновые и цветные лазерные или струйные принтеры. А также данные могут представляться посредством магнитных носителей, видеофильма или слайдов, внешних систем.
Сферы использования ГИС
Опыт длительной эксплуатации ГИС показал широкое применение накопителей информации в узковедомственных и потребительских сферах. Таким образом, ГИС по назначению и по своим функциям является многоцелевой и ориентирована на обеспечение данными о городской среде широкого круга организаций и граждан.
К потенциальным потребителям геоинформации можно отнести:
· структуры распорядительной и исполнительной властей;
· планирующие органы;
· налоговые инспекции;
· юридические и правоохранительные органы;
· архитектурно-планировочные и земельные службы города;
· эксплуатирующие организации;
· научно-исследовательские и проектные институты;
· строительные организации;
· биржи всех назначений;
· инспекции и контрольные органы социально-экономического и технического надзоров;
· юридические и частные лица.
О значимости ГИС можно судить по вниманию, которое уделяется им в большинстве развитых стран. Во многих из них образованы национальные и региональные организации, в задачи которых входят развитие исследований, связанных с ГИС и автоматизированной картографией, разработка предложений в сфере национального и городского планирования информации, координация программ получения, обработки и распространения этой информации, создание сетей ГИС. Для этих целей разработана правовая база, производится мощное аппаратное и программное обеспечение, налажена подготовка и переквалификация необходимого класса специалистов.
В
Российской Федерации в составе Федеральной службы геодезии и картографии создан
центр ГИС и цифровой картографии
(РОС ГЕОИНФОРМ) и пять функциональных региональных центров.
Обогащение рынка вычислительной техники, необходимость в управлении географической информацией неизбежно приведет к широкому применению ГИС на территории такой крупной страны, как Россия.
Литература: