Географические информационные системы (ГИС)

Географические информационные системы — это возможность нового взгляда на окружающий нас мир с помощью современной компьютерной технологии для картирования и анализа объектов реального мира, а также событий, происходящих на нашей пла­нете. Эта технология объединяет традиционные операции работы с базами данных, такими как запрос и статистический анализ, с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эти возможности отличают ГИС от других информационных систем и обеспечивают уникальные возможности для ее применения в широком спектре задач, связанных с анализом и прогнозом явле­ний и событий окружающего мира, с осмыслением и выделением главных факторов и причин, а также их возможных последствий, с планированием стратегических решений и текущих последствий предпринимаемых действий [119].

Понятие географической информационной системы вошло в нашу жизнь еще до появления компьютеров. Ранние ГИС ис­пользовали нарисованные от руки и накладываемые друг на друга слои из прозрачного материала (кальки), которые содержали ин­формацию о почвах, рельефе и растительности. Разглядывая их на просвет, ландшафтные архитекторы и градостроители могли при­нимать обоснованные решения о наилучших местах для размеще­ния новых сооружений, учитывая практические потребности и параметры окружающей среды. В начале 1960-х гг. разработанные в Гарвардском университете и Массачусетском технологическом институте (США) универсальные компьютеры и программное обеспечение сформировали основу для автоматизированной об­работки географической информации [22].

Первая реально работающая ГИС (CGIS) появилась в Канаде в начале 1960-х гг. ГИС развивались на базе информационно-поис­ковых систем и позднее — картографических банков данных. Ин­формационные системы рассматривались как первый этап авто­матизированного создания карт, позднее в функции стали вклю­чать блоки математико-картографического моделирования и авто­матизированного воспроизведения карт. Большинство ГИС и сей­час включают в свои задачи создание карт или используют карто­графические материалы как источник базовой информации [24].

Понятие «географическая информационная система» настолько комплексно и так сильно меняется во времени, что мы считаем целесообразным привести несколько его определений.

Географическая информационная система — информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отоб­ражение и распространение пространственных данных. ГИС пред­назначены для решения научных и прикладных задач инвента­ризации, анализа, оценки, прогноза и управления окружающей средой и территориальной организацией общества [127].

Географическая информационная система — это особая инфор­мационная система, ориентированная на пространственно-органи­зованные данные, сочетание современной компьютерной техники и традиционных наук о Земле. Как всякая информационная система, это — совокупность процессов манипулирования с исходными дан­ными в целях получения информации, пригодной для принятия решений. Для выполнения своего предназначения геоинформаци­онная система должна иметь полный набор функциональных воз­можностей, в том числе наблюдение, измерение, описание, ин­терпретацию, прогноз, принятие решений. ГИС — система технических средств, программного обеспечения и процедур, предназна­ченная для сбора пространственных данных, управления и манипу­лирования ими, их анализа, моделирования и отображения в целях решения комплекса задач по планированию и управлению [48].

Географическая информационная система — аппаратно-про­граммный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-ко­ординированных данных, интеграцию данных и знаний о террито­рии для их эффективного использования при решении научных и прикладных географических задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением окружающей средой и территориальной организацией общества [15].

Научным обоснованием, проектированием, созданием, экс­плуатацией и использованием географических информационных систем, разработкой геоинформационных технологий и приклад­ными аспектам или приложениями ГИС для практических или научных целей занимается геоинформатика. В ее задачи входят как научные и технологические разработки, так и производственная деятельность.

Основные задачи, которые решаются с помощью ГИС: ведение комплексного и отраслевого кадастра; поиск и рациональное ис­пользование природных ресурсов; мониторинг экологических си­туаций; контроль условий жизни населения — здравоохранение, социальное обслуживание; картографирование — создание тема­тических карт, национальных и региональных атласов, обновле­ние карт; территориальное и отраслевое планирование и управле­ние промышленностью, сельским хозяйством, транспортом, энер­гетикой и многие другие [124].

Существуют различные классификации ГИС, например по тер­риториальному охвату (общенациональные и региональные ГИС); по целям (многоцелевые, специализированные, в том числе ин­формационно-справочные, инвентаризационные, для нужд пла­нирования, управления); по тематической ориентации (общегеогра­фические, отраслевые, в том числе водных ресурсов, использования земель, лесопользования, рекреации и др.) [24].

Функциональные возможности ГИС:

- ввод данных в машинную среду путем импорта из существующих наборов цифровых данных или с помощью оцифровки источников данных;

- преобразование данных, включая их конвертирование из одного формата в другой, трансформацию картографических проекций, изменение систем координат;

- хранение, манипулирование и управление данными во внутренних и внешних базах данных;

- картометрические операции;

- средства персональных настроек пользователей [127].

Работающая ГИС включает в себя пять ключевых составляю­щих: аппаратные средства, программное обеспечение, данные, исполнителей и методы.

Аппаратные средства — это компьютер, на котором работает ГИС. В настоящее время ГИС работают на различных типах компьютерных платформ — от персональных компьютеров до цен­трализованных серверов.

Программное обеспечение ГИС содержит функции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географи­ческой (пространственной) информации. Ключевые компоненты программных продуктов: инструменты для ввода и оперирования географической информацией; система управления базой данных (DBMS, или СУБД); инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения); графический пользовательский интерфейс (GUI, или ГИП) для легкого доступа к инструментам (см. раздел 4.6).

Данные (информационное обеспечение). Данные о пространствен­ном положении (географические данные) и связанные с ними табличные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем либо приобретаться. В процессе управления про­странственными данными 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. Часто используются геодезические, кадастровые данные, ма­териалы дистанционного зондирования, текстовые данные и т.д.

Исполнители. Пользователями ГИС могут быть как технические специалисты, разрабатывающие и поддерживающие систему, так и конечные пользователи, которым ГИС помогает решать различ­ные задачи.

Методы. Успешность и эффективность применения ГИС во мно­гом зависят от правильно составленного плана и правил работы, которые обусловлены спецификой решаемых задач [119].

ГИС-моделирование — создание многослойной электронной карты, в которой опорный слой описывает географию определен­ной территории, а из остальных слоев — один из аспектов состоя­ния этой территории. Выявление взаимосвязей, прогнозирование, оценка объектов и явлений осуществляются на основе различного сочетания и сопряженного анализа этих слоев [124].

ГИС хранит информацию о реальном мире в виде набора тема­тических слоев, которые объединены на основе географического положения. Этот простой, но очень гибкий подход доказал свою ценность при решении разнообразных реальных задач: для отсле­живания передвижения транспортных средств и материалов, де­тального отображения реальной обстановки и планируемых ме­роприятий, моделирования глобальной циркуляции атмосферы.

Слой — совокупность однотипных пространственных объек­тов, относящихся к одной теме или классу объектов в пределах некоторой территории и в системе координат, общих для набора слоев.

Данные, встречающиеся на карте, представляют собой связан­ные объекты. Каждый объект может быть описан одним или не­сколькими геометрическими примитивами и атрибутами. К гео­метрическим примитивам относятся прежде всего точки, линии и площади. Атрибуты — это числовые или символьные характеристики, содержащиеся в базе данных, они могут относиться как к самим примитивам, так и к объектам.

Совокупность примитивов и атрибутов образует простой объект. Совокупность простых объектов образует сложный, или составной, объект. Все объекты и примитивы должны иметь свой номер или идентификатор, при помощи которого можно привязать к графи­ческой информации тематическую [39].

Любая географическая информация содержит сведения о про­странственном положении, будь то привязка к географическим или другим координатам, ссылки на адрес, почтовый индекс, избирательный округ или округ переписи населения, идентифи­катор земельного или лесного участка, название дороги и т. п. При использовании подобных ссылок для автоматического определе­ния местоположения или местоположений объектов применяется процедура, называемая геокодированием. С ее помощью можно быстро определить и посмотреть на карте, где находится интере­сующий вас объект или явление [119].

ГИС может работать с двумя существенно различающимися ти­пами данных — векторными и растровыми. В векторной модели информация о точках, линиях и полигонах кодируется и хранится в виде набора координат X, Y. Местоположение точки (точечного объекта), например, буровой скважины, описывается парой коор­динат (X, Y). Линейные объекты, такие, как дороги, реки или трубопроводы, сохраняются как наборы координат X, Y. Полиго­нальные объекты, типа речных водосборов, земельных участков или областей обслуживания, хранятся в виде замкнутого набора координат. Векторная модель особенно удобна для описания дис­кретных объектов и меньше подходит для описания непрерывно меняющихся свойств, таких как типы почв или доступность объек­тов. Растровая модель оптимальна для работы с непрерывными свойствами. Растровое изображение представляет собой набор зна­чений для отдельных элементарных составляющих (ячеек), оно подобно отсканированной карте или картинке. Обе модели имеют свои преимущества и недостатки. Современные ГИС могут рабо­тать как с векторными, так и с растровыми моделями.

ГИС обычно выполняет с данными пять процедур: ввод, мани­пулирование, управление, запрос и анализ, визуализацию.

Ввод. Для использования в ГИС данные должны быть преобра­зованы в подходящий цифровой формат. Процесс преобразова­ния данных с бумажных карт в компьютерные файлы называется оцифровкой. В современных ГИС этот процесс может быть автома­тизирован с применением сканерной технологии, что особенно важно при выполнении крупных проектов, либо, при небольшом объеме работ, данные можно вводить с помощью диджитайзера. Многие данные уже переведены в форматы, напрямую воспри­нимаемые ГИС-пакетами.

Манипулирование. Часто для выполнения конкретного проекта имеющиеся данные нужно дополнительно видоизменить в соот­ветствии с требованиями вашей системы. Например, географи­ческая информация может быть в разных масштабах (осевые ли­нии улиц — в масштабе 1:100 000, границы округов переписи на­селения — в масштабе 1:50 000, а жилые объекты — в масштабе 1:10 000). Для совместной обработки и визуализации все данные удобнее представить в едином масштабе. ГИС-технология предо­ставляет разные способы манипулирования пространственными данными и выделения данных, нужных для конкретной задачи.

Управление. В небольших проектах географическая информация может храниться в виде обычных файлов. Но при увеличении объема информации и росте числа пользователей для хранения, структу­рирования и управления данными эффективнее применять систе­мы управления базами данных. В ГИС наиболее удобно использо­вать реляционную структуру, при которой данные хранятся в таб­личной форме.

Запрос и анализ. В ГИС вы сможете получать ответы на простые вопросы (Кто владелец данного земельного участка? На каком расстоянии друг от друга расположены эти объекты? Где располо­жена данная промзона?) и более сложные, требующие дополни­тельного анализа, запросы (Где есть места для строительства но­вого дома? Каков основный тип почв под еловыми лесами? Как повлияет на движение транспорта строительство новой дороги?). С помощью ГИС можно выявлять и задавать шаблоны для поиска, проигрывать сценарии по типу «что будет, если». Современные ГИС имеют множество мощных инструментов для анализа, среди них наиболее значимы два: анализ близости и анализ наложения. Для проведения анализа близости объектов друг относительно друга в ГИС применяется процесс, называемый буферизацией. Он помо­гает ответить на вопросы типа: Сколько домов находится в преде­лах 100 м от этого водоема? Сколько покупателей живет не далее 1 км от данного магазина? Какова доля добытой нефти из сква­жин, находящихся в пределах 10 км от здания руководства данного НГДУ? Процесс наложения включает интеграцию данных, рас­положенных в разных тематических слоях. В простейшем случае это — операция отображения, но при ряде аналитических операций данные из разных слоев объединяются физически. Наложе­ние, или пространственное объединение, позволяет, например, интегрировать данные о почвах, уклоне, растительности и земле­владении со ставками земельного налога.

Визуализация. Для многих типов пространственных операций конечным результатом служит представление данных в виде карты. Это очень эффективный и информативный способ хранения, пред­ставления и передачи географической (имеющей пространствен­ную привязку) информации. С помощью ГИС визуализация самих карт может быть легко дополнена отчетными документами, трех­мерными изображениями, графиками и таблицами, фотография­ми и другими средствами (например, мультимедийными).

ГИС тесно связана с рядом других типов информационных си­стем. Ее основное отличие заключается в способности манипули­ровать и проводить анализ пространственных данных. ГИС могут быть связаны с системами настольного картографирования, ис­пользующими картографическое представление для организации взаимодействия пользователя с данными и системами САПР, ко­торые способны составлять чертежи проектов и планы зданий и инфраструктуры и системами дистанционного зондирования Земли (см. раздел 4.7).

Следует заметить, что ГИС — это не инструмент для выдачи решений, а средство, помогающее ускорить и повысить эффектив­ность процедуры принятия решений, обеспечивающее ответы на запросы и функции анализа пространственных данных, представ­ления результатов анализа в наглядном и удобном для восприятия виде. ГИС помогает, например, в решении таких задач, как пре­доставление разнообразной информации по запросам органов пла­нирования, разрешение территориальных конфликтов, выбор оп­тимальных (с разных точек зрения и по разным критериям) мест для размещения объектов и т.д. Требуемая для принятия решений информация может быть представлена в лаконичной картографи­ческой форме с дополнительными текстовыми пояснениями, гра­фиками и диаграммами. Можно достаточно быстро рассмотреть несколько вариантов решения и выбрать наиболее эффектный и эффективный [119].