Геоинформационная система. Геоинформационная система - гис Геоинформационная подсистема

56. Геоинформационные системы (ГИС).

Понятие о геоинформационных системах

Геоинформационные системы (ГИС) – это автоматизированные системы, основными функциями которых являются сбор, хранение, интеграция, анализ и графическая визуализация в виде карт или схем пространственно-временных данных, а также связанной с ними атрибутивной информации о представленных в ГИС объектах.

ГИС возникли в 1960–70 гг. на стыке технологий обработки информации в системах управления базами данных и визуализации графических данных в системах автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированного производства карт, управления сетями. Интенсивное использование ГИС началось в середине 90-х гг. ХХ в. В это время появляются мощные и относительно дешевые персональные компьютеры, становится более доступным и понятным программное обеспечение.

В качестве источников данных для создания ГИС служат:

Картографические материалы (топографические и общегеографические карты, карты административно-территориального деления, кадастровые планы и др.). Так как получаемые с карт данные имеют пространственную привязку, они используются в качестве базового слоя ГИС;

Данные дистанционного зондирования (ДДЗ), прежде всего, материалы, получаемые с космических аппаратов и спутников. При дистанционном зондировании изображения получают и передают на Землю с носителей съемочной аппаратуры, размещенных на разных орбитах. Полученные снимки отличаются разным уровнем обзорности и детальности отображения объектов природной среды в нескольких диапазонах спектра (видимый и ближний инфракрасный, тепловой инфракрасный и радиодиапазон). Благодаря этому с применением ДДЗ решают широкий спектр экологических задач. К методам дистанционного зондирования относятся также аэро- и наземные съемки, и другие неконтактные методы, например гидроакустические съемки рельефа морского дна. Материалы таких съемок обеспечивают получение как количественной, так и качественной информации о различных объектах природной среды;

Результаты геодезических измерений на местности, выполняемые нивелирами, теодолитами, электронными тахеометрами, GPS приемниками и т. д.; - данные государственных статистических служб по самым разным отраслям народного хозяйства, а также данные стационарных измерительных постов наблюдений (гидрологические и метеорологические данные, сведения о загрязнении окружающей среды и т. д).

Литературные данные (справочные издания, книги, монографии и статьи, содержащие разнообразные сведения по отдельным типам географических объектов). В ГИС редко используется только один вид данных, чаще всего это сочетание разнообразных данных на какую-либо территорию.

Классификация геоинформационных систем.

ГИС системы разрабатывают и применяют для решения научных и прикладных задач инфраструктурного проектирования, городского и регионального планирования, рационального использования природных ресурсов, мониторинга экологических ситуаций, а также для принятия оперативных мер в условиях чрезвычайных ситуаций и др. Множество задач, возникающих в жизни, привело к созданию различных ГИС, которые могут классифицироваться по следующим признакам:

По функциональным возможностям: - полнофункциональные ГИС общего назначения;

Специализированные ГИС, ориентированные на решение конкретной задачи в какой либо предметной области;

Информационно-справочные системы для домашнего и информационно-справочного пользования. Функциональные возможности ГИС определяются также архитектурным принципом их построения:

Закрытые системы не имеют возможностей расширения, они способны выполнять только тот набор функций, который однозначно определен на момент покупки; - открытые системы отличаются легкостью приспособления, возможностями расширения, так как могут быть достроены самим пользователем при помощи специального аппарата (встроенных языков программирования).

По пространственному (территориальному) охвату ГИС подразделяются на глобальные (планетарные), общенациональные, региональные, локальные (в том числе муниципальные).

По проблемно-тематической ориентации – общегеографические, экологические и природопользовательские, отраслевые (водных ресурсов, лесопользования, геологические, туризма и т. д.).

По способу организации географических данных – векторные, растровые, векторно-растровые ГИС.

Основные компоненты геоинформационных систем.

К основным компонентам ГИС относят: технические (аппаратные) и программные средства, информационное обеспечение.

Технические средства – это комплекс аппаратных средств, применяемых при функционировании ГИС. К ним относятся рабочая станция (персональный компьютер), устройства ввода-вывода информации, устройства обработки и хранения данных, средства телекоммуникации.

Рабочая станция используется для управления работой ГИС и выполнения процессов обработки данных, основанных на вычислительных и логических операциях. Современные ГИС способны оперативно обрабатывать огромные массивы информации и визуализировать результаты.

Ввод данных реализуется с помощью разных технических средств и методов: непосредственно с клавиатуры, с помощью дигитайзера или сканера, через внешние компьютерные системы. Пространственные данные могут быть получены с электронных геодезических приборов, с помощью дигитайзера или сканера, либо с использованием фотограмметрических приборов.

Устройства для обработки и хранения данных интегрированы в системном блоке компьютера, включающем в себя центральный процессор, оперативную память, запоминающие устройства (жесткие диски, переносные магнитные и оптические носители информации, карты памяти, флеш-накопители и др.). Устройства вывода данных – монитор, графопостроитель, плоттер, принтер, с помощью которых обеспечивается наглядное представление результатов обработки пространственно-временных данных.

Программные средства – программное обеспечение (ПО) для реализации функциональных возможностей ГИС. Оно подразделяется на базовое и прикладное ПО.

Базовые программные средства включают: операционные системы (ОС), программные среды, сетевое программное обеспечение, системы управления базами данных, а также модули управления средствами ввода и вывода данных, систему визуализации данных и модули для выполнения пространственного анализа.

К прикладному ПО относятся программные средства, предназначенные для решения специализированных задач в конкретной предметной области. Они реализуются в виде отдельных модулей (приложений) и утилит (вспомогательных средств).

Информационное обеспечение – совокупность массивов информации, систем кодирования и классификации информации. Особенность хранения пространственных данных в ГИС – их разделение на слои. Многослойная организация электронной карты, при наличии гибкого механизма управления слоями, позволяет объединить и отобразить гораздо большее количество информации, чем на обычной карте.

(Тут всё обычно. По пунктам.)

Базовый составляющий геоинформатики являются геоинформационные систе­мы. Геоинформационная система (ГИС) - специализированная информационная система, предназначенная для работы на интегрированной основе с геопространс­твенными и различными по содержанию семантическими данными.

Поскольку ГИС является сложной интегрированной системой, она подчиняет­ся всем принципам системного анализа. Системный анализ - это совокупность методов и средств исследования сложных, многоуровневых и многокомпонентных систем, объектов, процессов, опирающихся на комплексный подход, учет взаимо­связей и взаимодействий между элементами системы. В системном анализе под системой понимается множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определенную целостность, единство. Элементами системы являются ее части, представление о которых нецелесообразно подвергать дальнейшему членению. Сложная система - это система, характеризуемая боль­шим числом элементов и большим числом взаимосвязей.

Интеграцией называют восстановление и повышение качественного уровня взаимосвязей между элементами системы, а также процесс создания из несколь­ких разнородных систем единой системы с целью исключения функциональной и структурной избыточности и повышения общей эффективности функциони­рования.

Назначением ГИС является ввод, хранение, обработка и вывод геопростран­ственной информации по запросам пользователей.

Таким образом, ГИС интегрируется, с одной стороны, с системами сбора ин­формации (дистанционное зондирование, геодезическая съемка, мониторинг окружающей среды), с другой - с системами хранения информации (информа- ционно-поисковые системы, базы данных, базы знаний, экспертные системы), с третьей стороны, с системами обработки информации (обработка изображений, моделирование, генерализация), с четвертой стороны, с системами отображения информации (компьютерная графика, электронные карты, создание трехмерных видеомоделей и сцен).

Поскольку геопространственные данные менее подвержены изменениям, чем семантические данные, они часто являются основой для интеграции данных в дру­гих автоматизированных системах (автоматизированного управления, проектиро­вания и научных исследований).

При интеграции ГИС с другими системами создаются новые технологии. Техно­логия включает в себя методы, приемы,режим работы, последовательность операций и процедур, она тесно связана с применяемыми средствами, оборудованием, инс­трументами, используемыми материалами. Геоинформационная технология - это совокупность приемов, способов и методов применения аппаратно-программных средств обработки и передачи информации на основе реализации функциональных возможностей ГИС.

Рассмотрим теперь различные методы классификации ГИС (рис. 1). По про­блемной ориентации можно выделить следующие виды ГИС.

Универсальные географические (комплексные или многоцелевые) для реше­ния общих проблем. Обычно это интегрированные ГИС, которые совмещают си­стемы цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) с функциональными возможностями ГИС по моделированию и многофакторному анализу данных в единой интегрированной среде. Такие ГИС используются в сферах управления федерального и регионального управления и планирования.

Отраслевые (тематические) - по проблеме одной отрасли. Основные проблемы, решаемые современными ГИС, сводятся к проблемам оптимального взаимораспо­ложения и определения местонахождения, размещения и распределения объектов и ресурсов, к классификации и районированию территории, выбору оптимального маршрута. Круг проблем, решаемых ГИС, может меняться в зависимости от требо­ваний времени и функциональных возможностей, определяющихся уровнем раз­работки структуры базы данных и ее программно-аппаратной реализацией. Про­блемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными и прикладными), среди них инвентаризация ресурсов (в том числе кадастр), анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений.

Специализированные. Предметом рассмотрения таких ГИС могут быть: не­дра, природопользование, экология, транспорт, связь, социально-экономические показатели, политология, городское хозяйство.

По целевому назначению ГИС могут быть:

Информационно-справочные. Такие ГИС либо используются в сети Интернет, либо тиражируются на компакт-дисках. Они широко используются для справоч­ных, туристических и образовательных целей.

Инвентаризационные, кадастровые. Такие ГИС создаются для учета и ведения земельного, лесного, водного, экологического, градостроительного и других видов кадастра, а также систем муниципального управления.

ГИС для принятия управленческих решений. Обычно такие ГИС создаются либо на федеральном уровне, либо на уровне различного рода министерств и ведомств и служат для получения оперативных данных в процессе принятия решений.

ГИС для управления процессами и системами. Такие ГИС помогают оператив­но управлять энергоресурсами, планировать работу транспорта, связи и т. д.

Как правило математическую основу ГИС составляют топоданные (топокарты). По территориальному охвату ГИС разбивают на несколько уровней.

1. Глобальные. Масштаб базовых карт, по которым создается ГИС, 1:4000 000 и мельче, система координат - географическая. Цифровые карты хранятся на оптических или компакт-дисках. Примером глобальных ГИС является цифро­вая карта мира.

2. Межгосударственные (субконтинентальные). В этих ГИС по территориально­му признаку объединяются несколько государств. Масштаб базовых карт для них - от 4000 000 до 1:200 000. В основном они имеют информационно-спра­вочное назначение.

3. Федеральные (общенациональные, государственные). Исходным картографи­ческим материалом для этих ГИС могут служить карты масштаба 1:4 000 000 до 1:1 000 000.

4. Региональные и субрегиональные. К этому уровню относят ГИС на основе то­пографических и картографических данных масштабов 1:100 000 и 1:200 000. Система координат - геодезическая (в США, Канаде и Западной Европе - 17ГМ, в РФ - Гаусса-Крюгера).

5. Муниципальные. Создаются для управления городским хозяйством. Напри­мер, для создания муниципальных кадастровых карт. Масштабы картографи­ческих и топографических данных состовляют 1:10 000 и 1: 25 000.

6. Локальные (районные). ГИС этого уровня создаются по геопространственным данным масштабов 1:10 000 и крупнее и служат для управления городским хо­зяйством, создания кадастровых карт и других целей местного значения.

Целями разработки ГИС являются: анализ, моделирование, управление, про­гноз, планирование, инвентаризация земель, мониторинг, геомаркетинг, картогра­фирование, обслуживание пользователей.

Сфера применения ГИС весьма широка. Это и управление территориальными образованиями, и исследование природных ресурсов, и экология, и рациональное землепользование, транспорт и строительство.

Реализация геоинформационных проектов, создание ГИС в широ­ком смысле слова, включает этапы: предпроектных исследований, в том числе изучение требований пользователя и функцио­нальных возможностей используемых программных средств ГИС, технико-эконо­мическое обоснование, оценку соотношения «затраты/прибыль»; системное проектирование ГИС, включая стадию пилот-проекта, разработку ГИС; ее тестирование на небольшом территориальном фрагменте, или тестовом участке, прототипирование, или создание опытного образца, или прототипа; внедрение ГИС; эксплуатацию и использование.

Особенности различных источников данных создаваемых ГИС позволяют ввести еще один принцип классификации - тип исходных данных, что дает воз­можность выделять системы, ориентированные на использование определенных материалов (карт, аэро- и космических снимков, таблиц, текстов, диаграмм, муль­тимедиа), либо их комплексов в интегрированной ГИС.

Проблемы, стоящие перед проектированием ГИС, реализуются посредством решения комплексов отдельных задач. Задача, определяемая как простейший цикл обработки типизированных данных, может быть отнесена к одной из групп:

1) учетно-инвентаризационных задач,

2) задач управления и принятия решений,

3) задач для моделирования и сложного анализа данных.

Комплексность решения задач в ГИС есть следствие ее эффективности, выте­кающей из ее интегрированности, картографической визуализации и наглядности информации. Несмотря на обилие задач, ГИС оперирует немногими категориями - природными и антропогенными объектами, а также изменяющимися в пространс­тве явлениями. Структура БД в первую очередь должна быть разработана с учетом возможности обеспечения манипулирования этими категориями при работе с ГИС.

В большинстве практически функционирующих ГИС все многообразие задач ГИС сводится к выполнению в основном запросов из БД двух типов: 1) запрос ин­формации «через карту» посредством «картографического интерфейса», с одной стороны, и 2) создание/выдача картографического отчета (т. е. в виде карты) по запросу из БД. При этом оба типа запросов могут иметь дополнительные ограни­чения, основанные на пространственных и непространственных характеристиках с использованием понятий расстояния, включения, пространственных взаимоот­ношений объектов (например, соседства или пересечения).

Выполнение каждой задачи можно рассматривать как с позиции функциональ­ности отдельных подсистем ГИС, так и в аспекте их программно-аппаратного обес­печения.

Функции ГИС закладываются в процессе создания ГИС. Акцент на функции оп­ределяет конфигурацию ГИС. Различные аспекты применения ГИС могут быть све­дены к следующим группам функций ГИС:

· сбор, кодирование и ввод информации - обеспечение формирования циф­рового представления пространственных объектов и явлений;

· редактирование, обновление, эффективное хранение данных, реорганиза­ция в разные формы, контроль правильности и качества данных, поддержа­ние системы на актуальном уровне;

· получение информации - в первичном и обобщенном виде (в том числе ге­нерализированном, суммарном, усредненном) и в виде результатов анализа, моделирования и интегрирования разнородной информации;

· сложные запросы, в том числе осуществляемые в ходе сложного анализа;

· вывод результатов в виде документов - таблиц, карт, диаграмм.

При всем многообразии операций, целей, областей моделирования, проблем­ной ориентации тех или иных атрибутов, логически организованных в них, в лю­бой ГИС выделяются блоки (подсистемы), выполняющие определенные группы функций.

Если рассматривать ГИС как системотехническое устройство, то она включает в себя: аппаратные средства, программное обеспечение, данные и ре­сурсы, технологии и информационный менеджмент.

Аппаратные средства. Это компьютер или сеть компьютеров, входящих в ГИС, а также состав специализированных информационно-технических средств, обес­печивающих функционирование ГИС.

Программное обеспечение ГИС содержит системные и прикладные фун­кции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации гео­пространственной информации. Ключевыми компонентами программных продуктов являются: инструменты для ввода и оперирования геоданными; сис­тема управления базой данных (БВМ8 или СУБД); инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения); графи­ческий пользовательский интерфейс (С1Л или ГИП) для легкого доступа к инст­рументам.

Данные, один из наиболее важных компонентов ГИС. Данные о пространс­твенном положении (геопространственные данные) и связанные с ними таблич­ные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем либо приобретаться у поставщиков на коммерческой или другой основе. В процессе управления ГИС интегрирует пространственные данные с другими типами и ис­точниками данных, а также может использовать СУБД, применяемые многими организациями для упорядочивания и поддержки имеющихся в их распоряже­нии данных.

Геоинформационный менеджмент . Широкое применение ГИС-технологии невозможно без людей, которые работают с программными продуктами и разра­батывают планы их использования при решении реальных задач. Пользователями ГИС могут быть как технические специалисты, разрабатывающие и поддержи­вающие систему, так и обычные сотрудники (конечные пользователи), которым ГИС помогает решать текущие каждодневные дела и проблемы. Успешность и эф­фективность (в том числе экономическая) применения ГИС во многом зависит от правильно составленного плана и правил работы, которые составляются в соот­ветствии со спецификой задач и работы каждой организации.

ГИС-технологии сегодня используются практически везде - в лесообработке, строительстве, картографии, экологии, сейсмологии и так далее. Их изучают в университетах и научных институтах. ГИС-технологии это целая индустрия, которая влияет на практически все аспекты человеческой жизни. Но при этом дать четкое определение этому виду технологий очень сложно. Ведь это не просто набор систематизированных знаний. Это особый взгляд на окружающий мир. О том, как работают ГИС-технологии и для чего они предназначены, расскажет вам наша статья.
Что такое ГИС?
ГИС – это географическая информационная система. Она позволяет картировать объекты окружающего мира, а затем анализировать их по огромному количеству параметров, визуализировать их и на основе этих данных прогнозировать самые различные события и явления. Столь мощная технология позволяет решать при помощи ГИС огромное количество задач, как глобальных, так и частных. ГИС-технологии могут стоять на службе у всего человечества, предотвращая экологически катастрофы или помогая решать проблемы перенаселения отдельных регионов.
ГИС можно использовать и для нужд отдельных компаний, налаживать с его помощью эффективно работающий бизнес. Например, перевозочная компания при помощи специальных баз данных может подбирать оптимальные маршруты для своих транспортных средств, коммунальные службы – прокладывать коммуникации к новым домам и так далее.
Как работает ГИС?
Информационная система – это огромная база цифровых данных, преобразованных в цифровой формат. Они представляют собой детализованные слои, объединенные по географическому признаку и привязанных к определенной системе координат. Любые происходящие события могут с успехом отслеживаться по такой базе данных. Кроме того, с ее помощью можно найти практически любую точку земного шара, отследить движение практически любого объекта.
Базы данных ГИС способны выполнять пять различных задач. Вы можете осуществлять ввод актуальных данных в базу, причем в большинстве случаев это происходит автоматически при помощи сканера. Вы можете манипулировать данными, масштабировать их по своему усмотрению, собирать необходимые для решения определенной задачи сведения. Как и обычными базами данных, системой ГИС можно управлять. Это делается по средствам целого набора интегрированных приложений.
Большое количество данных, содержащихся в базе, дает широкие возможности для анализа по самым различным параметрам. Вы можете найти свободные участки для строительства дома, оптимальным образом сформировать транспортные потоки, проанализировать близость различных объектов (например, определить количество человек, живущих в шаговой доступности от вашего магазина), наложить друг на друга различные показатели и проанализировать получившуюся картину.
Последняя задача, которую позволяет выполнять ГИС, это визуализация данных. Вы можете получить карты, графики, таблицы и даже фотографии интересующей вас местности. Эти данные имеют огромное значение как для научных исследований, так и для работы отдельных компаний и организаций.

Где применяются ГИС-технологии?
Из предложенных выше описаний становится понятно, что ГИС-технологии находят широкое применение в самых различных областях деятельности. Но что конкретно они могут делать? Приведем несколько примеров, которые показывают в чем реальная польза ГИС-технологий.
· Выявив взаимосвязь между различными показателями, вы можете разрабатывать более эффективные технологии работы, экономить достаточно большие средства. Проанализируйте, как соотносится между собой тип почвы, климат и урожайность определенных сельскохозяйственных культур, и вы поймете, где лучше всего заниматься их выращиванием.
· Задав определенные критерии поиска, вы легко можете найти необходимый вам объект, и, не тратя лишнего времени, заниматься его освоением. Найти квартиру, которая будет иметь определенное количество комнат, метраж кухни и при этом будет расположена недалеко от работы и школы ваших детей теперь очень просто.
· ГИС могут быть оказывать положительное влияние на бизнес-процессы, происходящие внутри организаций. Огромная база данных может быть полезна в любой сфере, ведь дает возможности для четкого планирования работы. Коммунальные службы могут не только оперативно отслеживать износ оборудования и планировать профилактические работы, но и оповещать об этом тех жителей, которых это коснется.
· Сегодня карты городов и местностей быстро устаревают – ведется новое строительство, проектируются дороги. ГИС позволяют отслеживать эти изменения и вносить их в базу данных практически молниеносно. Запущенная в виртуальную сеть, такая карта позволит всегда иметь под рукой актуальные данные.

ГИС-технологии – это не просто компьютерная база данных. Это огромные возможности для анализа, планирования и регулярного обновления информации. ГИС-технологии сегодня находят применение практически во всех сферах жизни, и это помогает действительно эффективно решать многие задачи.

Внедрение информационных систем в разные сферы деятельности человека находят свое место в области геодезии и смежных, связанных с ней и другими земными областями исследований. Направляясь параллельным курсом с возникновением и развитием спутниковой геодезии, информационные системы предоставили технологические, управленческие, геологические, метеорологические, картографические, транспортные, многоотраслевые возможности получения необходимой пространственной информации определенной степени точности.

Любая геоинформационная система (ГИС) - это, говоря современным языком, прежде всего проект на основе научных и практических данных с целью получения какого-то конечного результата по поставленной тематике.

ГИС - это своего рода новая форма геоизысканий, связанных на основе сбора и обработки необходимых данных методами геодезии, прикладной математики и созданных компьютерных приложений.

В словосочетании «геоинформационная система» содержатся три основополагающих слова, раскрывающих его сущность.

Со словом «гео» связаны все объекты изысканий и исследований внутри, около и на земной поверхности.

С «информационной» составляющей словосочетания связаны методы обработки и преобразования получаемой информации в необходимый цифровой графический продукт.

«Система» считается связующей составляющей, которая придает целостность всей картине исследований и объединяет все ее элементы и параметры в пространственную форму.

Геоинформационные системы можно рассматривать как программные средства, которые позволяют работать с пространственно-соотнесенной информацией, с геоизображением, но не с простым изображением, а которое зарегистрировано. Процесс регистрации (привязки) подразумевает под собой определенные действия по ориентированию изображений конкретным образом в той или иной системе координат . Именно такая возможность считается главной особенностью ГИС в отличие от других программ.

Она обладает и специальными инструментами, которые позволяют обычную карту сделать реальной моделью существующей поверхности. Так в определенный момент пришла идея карту совместить с информацией, то есть карта не сама по себе, а она обладает специальными атрибутами (описательными характеристиками), которые являются непространственными. Соотнесение пространственной информации с непространственной, увязка в единую систему и создание инструментов анализа привело к появлению ГИС конструкций. Совмещение позиционной и непозиционной информаций можно считать главным ноу-хау ГИС построений.

Структура геоинформационной системы

Геоинформационная конструкции состоит из четырех составных частей:

• Первая часть подразумевает под собой сбор данных и материалов из всевозможных первоисточников информации; существуют позиционные (с координатной привязкой) и непозиционные (описательные, в атрибутивных таблицах) первоисточники;
• Вторая часть состоит из выборки необходимых данных и ее хранения на компьютерных носителях;
• Третья часть технологическая, которая служит для систематизации, описания, сравнения, выделения, и главное анализа данных различными способами;
• Четвертая часть результирующая, с выводами окончательных результатов в требуемых формах в соответствии с техническими заданиями.

Возможности, возникающие при работе в ГИС

В процессе работы с геоинформационными системами можно сделать вывод о том, что они позволяют давать быстрые ответы на многие вопросы и принимать оптимальные решения в различных сферах деятельности человека, а именно:

• что находится в определенных районах местоположения?
• Где находится конкретный объект?
• Оценивать динамику изменений во времени, пространстве, объемах и так далее;
• какие пространственные структуры существуют?
• Позволяют осуществлять моделирование с конкретными техническими проектными условиями (например, картограмма земляных масс)

Основные функциональные возможности приложений ГИС состоят в следующем:

• Регистрации геоизображений;
• Создание новых геоизображений (векторизацмя);
• Создание баз данных и ихстатистическая обработка;
• Анализ и обработка пространственных данных (геоанализ);
• Анализ непространственных (атрибутивных) данных;
• Визуализация и картографирование;
• Хранение данных.

Виды геоинформационного строительства

Следует выделить возможности классифицировать ГИС по разным критериям:

• По территориальному признаку (глобальные, национальные, региональные, территориальные, местные)
• По тематическому признаку (геологические, сельскохозяйственные, лесные, метеорологические, городские и другие)
• По функциональным признакам (многомасштабные, пространственно-временные)

Перспективы развития геоинформационных конструкций

В настоящее время перспективными направлениями развития геоинформационного порядка считаются:

• данные дистанционного зондирования земли (все, что получаем с космических мультиспектральных снимков различного диапазона, радиоданных искусственных спутников земли);
• глобальное позиционирование (GPS технологии) с ГИС-приложениями в коммуникационном пространстве;
• интернет и геоинформационные системы (хранение информации в сети по технологии «облако», поисковые системы, другие порталы);
• ГИС телевидение;
• ГИС2 (ГИС изучающие сами себя).

Географические информационные системы или просто геоинформационные системы (ГИС) – это управления пространственными данными. Пространственные данные , в свою очередь, это данные, описывающие местоположение объектов в пространстве, чаще всего, в виде двух или трехмерной геометрии. Геоинформационные системы позволяют выполнять с пространственными данными все то же самое, что и любые другие информационные системы со своими данными, а именно: предоставляют возможность их добавлять, удалять, обновлять, осуществлять к ним запросы, просматривать, анализировать и т.д.

Выделяют два основных формата представления пространственных данных: в виде векторной графики и в виде растров:

Растровая графика или растровое изображение это обычно двумерный массив точек, каждая из которых представлена своим цветом. Современные ГИС позволяют работать с растровыми изображениями практически любых форматов от bmp, png и jpeg и до TIFF/GeoTIFF. Используется растровая графика обычно для оформления “подложки” цифровой карты, поверх которой уже отображается векторная геометрия. За примерами далеко ходить не надо: откройте Google Maps или карты Яндекс и там вы увидите огромное количество растров. В виде векторной графики на этих картах представлено совсем немного, а именно граф дорог, границы территорий и некоторые другие объекты. Неоспоримым плюсом растровых изображений на цифровых картах является то, что они позволяют отображать огромное количество пространственной информации при относительно небольших объемах занимаемой памяти. Минусом является то, что качество изображения на растре резко снижается при значительном увеличении масштаба отображения, поэтому для разных масштабов используют растры различного территориального охвата и разрешения, которые сменяют друг друга при увеличении и уменьшении картинки. Как это происходит можно увидеть, работая с теми же Google Maps и картами Яндекс.

Векторная графика – это, собственно, геометрия, представленная в виде наборов координат. Формат представления векторной графики не хранит само изображение - оно формируется “налету“ подсистемой рендеринга (визуализации) ГИС, и поэтому качество картинки всегда высокое, независимо от текущего масштаба. Выделяют следующие виды векторных пространственных данных:

• Точечная геометрия . Используется в тех случаях, когда на заданном масштабе электронной карты важно лишь местоположение объекта. Обычно точечная геометрия и отображается в виде точки на карте определенного цвета, но некоторые ГИС позволяют заменять эту точку растровым рисунком или векторным символом, например стрелкой, условным обозначением или иконкой. Помимо координат точки, сама точечная геометрия может быть дополнительно параметризирована ориентацией на плоскости или в пространстве, что определяет угол поворота соответствующего символа или иконки на карте. Использовать точечную геометрию могут для визуализации практически любых объектов, за исключением протяженных, поскольку все зависит от масштаба карты.


• Линейная геометрия . Используется для представления объектов, для которых важно отразить их протяженность (длину) и линейную конфигурацию. К таким объектам относят дороги, реки (на мелких масштабах), участки территориальных границ и прочие подобные объекты. Опять же, на более крупных масштабах те же объекты могут уже изображаться в виде площадной геометрии.


• Площадная геометрия . Используется тогда, когда важно все: и местоположение и протяженность и площадь. К примеру, участок с домом на мелком масштабе может быть представлен точечной геометрией, а на более крупном уже площадной и линейной. Площадная геометрия – это не только полигоны, но и комплексы, состоящие из линейных фрагментов, дуг различных радиусов, а также, содержащих дыры, представленные другими полигонами.

ГИС и основы информационного моделирования

Векторная и растровая геометрия в ГИС не конкурируют между собой, а выполняют каждая свои функции. Растровая графика используется для оформления графического представления электронной карты. Она помогает ориентироваться пользователю при просмотре и поиске объектов на карте, поскольку местность чаще всего представлена аэрофотоснимками местности. Векторная графика – это средство представления на карте значимых в контексте текущей конфигурации ГИС объектов – тех объектов, данными которых управляет информационная система. Если это карта города, то в виде векторной графики обычно представлены улицы, дома, инженерные сооружения и прочие объекты городской инфраструктуры. Если это инженерные сети, к примеру, сети водоканала или теплосети, то значимыми объектами в данном случае дополнительно являются участки трубопроводов, узловые подстанции, оборудование и т.д.

К достоинствам векторной графики, помимо упомянутого выше постоянного качества изображения на любых масштабах, следует отнести возможность выбирать объекты на карте, редактировать их представление с помощью встроенных в ГИС инструментов или выполнять к таким данным пространственные запросы.

Пространственный запрос – это структурированный запрос к пространственным данным, критериями которого являются условия, связанные с координатами векторной геометрии. К примеру, можно запросить все объекты определенного типа, которые находятся внутри заданного контура, пересекают заданную границу или находятся на определенном расстоянии от заданной точки.

С пространственными данными может быть связана также любая неграфическая информация, дополнительно характеризующая тот или иной объект в системе. Более того, любой объект информационной модели в ГИС может быть представлен совокупностью пространственных объектов и наборов, связанных с ними семантических атрибутов, описывающих этот объект точно так же, как если бы он был представлен в любой неграфической системе. Допустим, если ГИС использует для хранения своих данных СУБД, то семантическая часть описания объектов - это записи в таблицах реляционной базы данных. Пример: ГИС управляет данными сетей газопровода. Объект “участок газопровода” в этом случае может быть представлен структурами линейной геометрии для просмотра сети на мелком масштабе карты; площадной геометрии для крупного масштаба и отдельной таблицей для хранения его длины, радиуса, материала и прочих технических характеристик. Довольно часто структурированные запросы к данным под управлением ГИС представляют собой симбиоз традиционных к базе данных и параметров пространственных запросов. К примеру, запрос на выбор всех участков газопровода определенного радиуса на заданной некоторым полигоном территории.

С основными принципами информационного моделирования, которые также справедливы и для ГИС вы можете познакомиться .

Из чего состоит и как работает геоинформационная система

Подсистема работы с хранилищами пространственных данных. Есть ГИС решения, которые в качестве хранилища пространственных данных используют базы данных, взаимодействуя с СУБД. Есть программные продукты, которые данные хранят в файлах собственного формата, а есть те, которые могут работать с различными источниками графической информации. Подсистема работы с хранилищами пространственных данных – это программные компоненты ГИС, ответственные за создание соединений с самими хранилищами и обмена с ними данными, в том числе, по сетевым протоколам.

Модуль управления координатными системами. Координаты, которыми представлены пространственные данные в геоинформационном хранилище могут соответствовать либо прямоугольной (декартовой), либо географической, построенной на основе эллипсоида, системе координат. Если раньше считалось, что земля круглая, то в наше время ее форма описывается довольно сложной фигурой – геоидом . Поверхность геоида совпадает с уровнем вод мирового океана, условного продолженного под материками. Эллипсоид , в свою очередь, это геометрическое место точек, полученное вращением геоида вокруг своей главной оси. Я не являюсь специалистом в геодезии, посему в тонкости построения земных систем координат вдаваться не буду, а продолжу свой рассказ с позиции пользователя ГИС. Система координат может быть также глобальной (на всю территорию земли) или локальной - предназначенной для позиционирования в определенных пределах земной поверхности. Есть локальные географические системы координат, которые для конкретной местности обладают более высокой точностью, чем мировая система координат. Достигается это за счет того, что построены такие системы координат на основе более точного в условиях данной местности локального эллипсоида (в сравнении с глобальным его описанием). Прямоугольные системы координат, по природе своей, все локальные, поскольку лишь на небольших территориях погрешность, связанная с тем, что земля все-таки не плоская, а круглая, не мешает строить относительно точные карты. Начало координат таких систем координат выбирается произвольно, а создаются они для разных целей, в том числе и для того, чтобы иметь представление о взаимном расположении объектов, но исключить в целях безопасности возможность получения их истинных (мировых) координат. Примером локальной системы координат является местная система координат города Москвы, имеющая нулевые координаты в районе главного здания МГУ.

Модуль управления координатными системами предназначен для преобразования точек из исходной системы координат хранилища пространственных данных в координаты плоскости, с которыми работает графическое ядро операционной системы, позволяющее выводить изображение на экран, принтер и другие устройства вывода. Данный модуль также ответственен за обратное преобразование: трансформацию координат точки на плоскости в координаты информационного хранилища (мировые или локальные координаты). Обратное преобразование используется в процессе редактирования (оцифровки) геометрии инструментальными средствами ГИС. Чаще всего ГИС имеет дело с системой координат WGS 84 (World Geodetic System), являющейся единой системой координат на всю территорию планеты Земля. Географическая или, как ее еще называют, геоцентрическая система координат, такая как WGS 84, является эллипсоидной системой координат, определяющей координаты объектов относительно центра масс земли. Географические системы координат отличаются друг от друга формой эллипсоида, на котором они базируются. Набор преобразований, которые применяются для трансформации координат географической системы координат в декартову систему координат, называется картографической проекцией. Другими словами, картографическая проекция – это отражение (развертывание) эллипсоида географической системы координат на плоскость. Наиболее широко распространенными проекциями являются проекция UTM (Universal Transverse Mercator) и проекция Гаусса Крюгера (ГК).

Легенда или подсистема настройки графического представления. Любое хранилище пространственных данных представлено набором объектов векторной и растровой графики. В ГИС 2D отдельные объекты пространственных данных часто называют слоями, поскольку изображение, формируемое в окне электронной карты, создается последовательно: подсистема отображения “рисует” по очереди каждый тип объектов. Таким образом, результат формирования изображения – это многослойная двухмерная картинка, где каждый последующий слой нанесен поверх предыдущего. Легенда – это основной инструмент в ГИС, при помощи которого определяется не только порядок вывода объектов на карту (порядок слоев), но и параметры их отображения (цвет, толщина линий, шрифт подписей и т.д.). С помощью легенды отдельные объекты можно включать и исключать из списка отображаемых слоев на карте. Легенда может описывать слои, которые представляют объекты, извлекаемые подсистемой работы с пространственными данными из разных соединений. К примеру, на одной карте объединяются данные топографической карты (местности) из одного источника и данные инженерных сетей (газопровод, теплосеть и т.п.) из другого источника.

Подсистема отображения. Важным параметром настройки графического представления пространственных данных является номинальный масштаб карты . Именно тогда, когда масштаб отображения данных в окне электронной карты ГИС соответствует номинальному масштабу, толщина линий, размер шрифта и прочих параметров соответствует тем, что заданы в легенде, а в условиях другого масштаба, который легко может быть изменен пользователем, толщина линий и размер шрифта будут увеличены или уменьшены соответственно. Таким образом, номинальный масштаб карты – это точка отсчета для подсистемы отображения. По какому принципу подсистема отображения формирует графическое представление пространственных данных, во многом определяется легендой конкретной карты. Рабочее место ГИС может состоять из целого набора электронных карт, каждая из которых представлена своей легендой.

Подсистема редактирования пространственных данных. Это, собственно, тот набор инструментальных пользовательских средств ГИС, которые позволяют редактировать пространственные данные. Нанесение новой или редактирование существующей геометрии обычно сводится к последовательному указанию точек на карте. При выборе этих точек модуль управления координатными системами трансформирует координаты курсора на экране в точки, соответствующие системе координат информационного хранилища. Современные системы графического ввода могут также позволять при указании точек “привязываться” к уже имеющимся данным, например, к углам или серединам отрезков ломаных линий, к точечной геометрии и т.д.

Подсистема анализа пространственных данных. Та самая подсистем, которая позволяет настраивать, выполнять и отображать результаты пространственных запросов. Параметры графического представления результатов пространственных запросов, также определяются средствами легенды.

Подсистема печати. Разновидность подсистемы отображения, предназначенная для вывода фрагментов электронных карт на принтер или плоттер (графопостроитель). К дополнительным функциям подсистемы печати, в сравнении с подсистемой вывода изображения на экран, можно отнести настройку и формирование графического представления на распечатке самой легенды, а также условного обозначения масштаба, компаса, и прочих атрибутов, необходимых для работы с бумажной версией карты.

Подсистема бизнес логики. Любые программные средства, используемые в ходе настройки работы геоинформационной системы для решения конкретной прикладной задачи или группы задач. К таким средствам может относиться и подсистема информационного моделирования предметной области, для интеграции с другими информационными системами, и , создаваемых, к примеру, на встроенном в ГИС и многое другое. Состав подсистемы бизнес логики у разных программных продуктов этого класса может существенно отличаться, а может вообще отсутствовать, поскольку все зависит от назначения конкретного решения.

Наиболее известные современные ГИС

Наиболее известными представителями программных компонентов ГИС являются продукты трех американских компаний. Это семейство решений Geomedia компании Intergraph, продукты ArcGIS компании ESRI и инструментарий MapInfo компании Pitney Bowes. В России, в силу ряда обстоятельств наиболее популярными являются последние две, хотя Geomedia во многих аспектах является более универсальным и современным продуктом. В частности, Geomedia и Geomedia Professional позволяет пользователю работать с пространственными данными различных форматов непосредственно (в том числе с данными ArcGIS и MapInfo), не прибегая к предварительным процедурам их конвертации и импорта, в то время как решения конкурентов предпочитают работать только со своими форматами данных.

P.S. Примеры проектирования подсистем ГИС на языке C# в контексте изучения объектно-ориентированного подхода в программировании, а именно: классы для работы с векторной графикой, подсистема работы с геоинформационным хранилищем, архитектура сервиса линейных преобразований и некоторые другие рассматриваются курса программирования .