Глобальные информационные системы

Геоинформационные системы

Определение и области применения геоинформационных систем. Быстрое развитие глобальной сети Internet привело в середине 1980;х гг. к появлению ИС, которые позволяли организовать в режиме On-Line работу транснациональных корпораций, находящихся на разных континентах. Расстояния перестали быть препятствием для эффективной работы распределенных компаний — развивающиеся информационно-коммуникационные технологии (ИКТ) обеспечивали практически мгновенную связь и доставку информации для анализа и принятия делового решения, реализуя известный принцип «7 дней в неделю х 24 ч в сутки». Значительную часть этой информации практически в любой сфере деятельности получают в виде рисунков и карт, планов и схем. Это могут быть схемы магистрального газового трубопровода из Сибири в Западную Европу или движения подводных лодок и самолетов боевого патрулирования вдоль границ России, схемы железнодорожных путей в масштабе страны или метро в городе, план здания или схема взаимосвязей между офисами компании, карта экологического мониторинга территории, атлас земельного кадастра или карта природных ресурсов и т. д. Появилась насущная необходимость представлять географическую и сопутствующую информацию в удобном графическом виде, совмещая на экране монитора несколько листов сканированного изображения карты. Быстрое развитие специализированных систем и технологий, получивших название географических информационных систем (ГИС) (Geographical Information Systems — GIS), позволило к концу XX в. успешно решать такие задачи.

Современные ГИС сочетают высокую точность и качество изображения двумерных и трехмерных (рельефных) географических, геодезических, геологических, метеорологических и прочих карт и огромную справочную информацию в электронном виде (базы данных), имеют мощные инструменты для работы в глобальных и региональных сетях, обработки, анализа и визуализации динамичных данных (рис. 13.1). Такие ГИС все чаще интегрируются с системами поддержки принятия решения (Decision Support System — DSS), управления деятельностью и ресурсами предприятия (Enterprise Resource.

Рис. 13.1. Сочетание современными ГИС высокой точности и качества изображения двумерных и трехмерных (рельефных) карт^1.

¹ См.: GIS GRASS — Geographic Resources Analysis Support System. [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.geoinformatika.ru.

Рис. 13.2. Области применения ГИС.

Planning), цепочками поставок (Supply Chain Management), экспертными системами (Expert Information Systems — EIS) и др.

Технологии ГИС получили настолько широкое распространение и нашли столь широкое применение в науке, технике, бизнесе: координатно-временная привязка объектов в геодезии, картографии, геологии, мореходном деле, обработка и сведение в единую систему фотографических снимков из космоса в научных и военных целях, обработка данных геофизики и геодинамики, использование в народном хозяйстве (составление городских, региональных и федеральных земельных кадастров) и многое другое, — что многочисленные определения понятия «геоинформационная система» и «геоинформационная технология» отражают многоплановость понятий (рис. 13.2).

Таким образом, ГИС-технологии — это прежде всего компьютерные технологии и системы, позволяющие эффективно работать с динамическими данными о пространственно-распределенных объектах, дополняя их наглядностью представления и возможностью строить модели и решать задачи пространственно-временного анализа. Как и любая ИС, снабженная средствами сбора и обработки данных, ГИС дает возможность накапливать и анализировать подобную информацию, оперативно находить и обрабатывать нужные географические сведения и отображать их в удобном для пользователя виде (рис. 13.3). Применение ГИС-технологий позволяет резко увеличить оперативность и качество работы с пространственно-распределенной информацией по сравнению с традиционными «бумажными» картографическими методами.

Географические пространственно-распределенные данные означают информацию, которая идентифицирует географическое.

Рис. 13.3. Общая структура GIS-платформы^1.

¹ См.: Сырецкий, Г. А. Информатика. Фундаментальный курс. — Т. II. / Г. А. Сырецкий — СПб.: БХВ, 2007. — С. 825.

местоположение и свойства естественных или искусственно созданных объектов, а также их границ на земле, над и под землей, на воде, над и под водой, в космическом пространстве. Эта информация может быть получена с помощью дистанционного зондирования, картографирования и различных видов съемок, включая съемки из космоса. Данные содержат четыре интегрированных компонента: местоположение и пространственные отношения объектов, время, на которое зафиксированы эти компоненты, и скорость изменения указанных параметров.

Для поддержки критически важных областей деятельности — атомной энергетики, добычи и транспортировки нефти и газа, ликвидации последствий природных и техногенных катастроф, деятельности в оборонной сфере — в настоящее время все шире разрабатываются и применяются специализированные Web-ресурсы для реализации распределенных ГИС и ГИС-порталов. Разработка таких порталов производится сегодня на базе международных стандартов, созданных известными международными организациями по стандартизации — ISO (International Organization for Standardization) и OGC (Open Geospatial Consortium). Это такие стандарты, как ISO 19 115 MetaData, ISO 19 139 MetaData — XML Schema Implementation, Catalog Interfaces, Geography Markup Language и Web Map Service.

В настоящее время создание ГИС является одним из наиболее бурно растущих сегментов рынка высоких компьютерных технологий, на котором работает большое количество крупных фирм за рубежом и в России. Среди этих фирм можно отметить «Intergraph»^[1], «ESRI»^[2], «Maplnfo»^[3], «Autodesk»^[4], «CalComp», «Space Imaging»^[5], Центр геоинформационных исследований Института географии РАН (сайт «Мир карт»^[6], завоевавший в 2003 г. «Интел-Интернет-премию» России) и др. Для непрофессиональных пользователей существуют Web-ресурсы GoogleMap^[7] и Geography NetWork^[8].

Классификация ГИС, функциональность и средства поддержки. Многообразие существующих ГИС-решений укладывается в различные виды классификаций ГИС [10, 3, 8].

Геоинформационные системы различаются предметной областью информационного моделирования — городские или муниципальные (Urban GIS — UGIS), природоохранные (Environmental GIS), производственные (Manufacturing Facilities GIS — MFGIS) и т. д. Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней научными и прикладными задачами, — инвентаризация ресурсов (кадастр), анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений. Интегрированные ГИС (Integrated GIS — IGIS) совмещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) в единой интегрированной среде. Масштабно-независимые ГИС (Multiscale GIS — MSGIS) основаны на множественных представлениях пространственных объектов (Multiscale Representation), обеспечивая графическое или картографическое воспроизведение данных на любом уровне масштабирования на основе того набора данных, который гарантирует наибольшее пространственное разрешение. Пространственно-временные ГИС (Spatiotemporal GIS — STGIS) оперируют пространственно-временными данными.

Реализация геоинформационных проектов (GIS Project) включает в себя обычные этапы жизненного цикла: предпроектных исследований (Feasibility Study), в том числе изучение требований пользователя (User Requirements) и функциональных возможностей (Functional Facilities) используемых программных средств ГИС; технико-экономическое обоснование разработки ГИС; оценку соотношения «затраты/прибыль» (Costs/Benefits); системное проектирование ГИС (GIS Designing), включая стадию пилотного проекта (GIS Pilot Project); разработку (GIS Development); тестирование на небольшом территориальном фрагменте, или тестовом участке (Test Area); прототипирование или создание опытного образца (Prototyping); внедрение (GIS Implementation); введение в эксплуатацию и использование (Setting into Operation).

Научные, технические, технологические и прикладные аспекты проектирования, создания и использования ГИС являются предметом изучения быстро развивающейся ветви информатики — геоинформатики.

Отметим сразу, что ГИС — это не просто географическая карта, перенесенная на компьютер. Геоинформационные системы хранят информацию в виде наборов тематических электронных слоев, которые можно объединять по любому требуемому признаку. В связи с этим технологии ГИС интегрируют в себе операции для работы со слоями, базами данных, средствами анализа.

Рис. 13.4. Тематические слои ГИС.

и визуализации слоев, содержащих требуемые данные в нужных сочетаниях. Например, строительство крупного супермаркета в мегаполисе требует совместного анализа данных, указанных на рис. 13.4.

Трансформация (объединение, расщепление, масштабирование и т. д.) слоев и конвертирование данных из одного формата в другой производятся методами математической картографии и управления данными в базе данных (рис. 13.5).

Функциональные возможности [1]. В ГИС в целом выполняется пять основных функциональных процедур с данными: ввод,.

Рис. 13.5. Трансформация слоев и конвертирование данных из одного формата в другой манипулирование, управление, запрос и анализ, визуализация. Кроме указанных базовых операций, современные ГИС имеют достаточно много специальных групп функций, реализующих пользовательские задачи: прокладку оптимального маршрута, поиск кратчайших расстояний, расчетные задачи пространственной статистики, создание моделей геологических структур, морских и воздушных течений и т. д.

Модели географических данных. Для графического представления географических данных, описывающих реальные объекты и их модели в ГИС, используются электронные карты и тематические описания. Параметры местоположения объектов и их отношений есть пространственные (метрические) данные, параметры временных и тематических свойств, атрибутивная (описательная) информация.

В основе моделей данных в ГИС лежит классификатор объектов карты. Он определяет состав и содержание метрических, семантических, тематических, динамических свойств объекта и их изобразительных средств. Система условных обозначений формируется с использованием палитры красок, текстуры линий и заливок, шаблонов знаков и шрифтов. В современных ГИС реализована технология послойного графического представления информации. Она соответствует представлению координатных моделей в топологической форме (представление объектов и их связей в виде графа). Атрибутивная информация отображается на слое электронной карты числами, символами и их совокупностями — надписями. Связь координатных и атрибутивных данных устанавливается в базе данных через соответствующие идентификаторы (по умолчанию или через пользовательский интерфейс). Ддя представления географических объектов применяются растровые и векторные модели.

Растровая модель—это отображение участков поверхности суши и океанов в виде дискретного набора элементов, составляющих нужную картину. Такие элементы называются пикселями (Picture Element). Они образуют отображение тематического слоя электронной карты на экране монитора. Каждый пиксель занимает некоторую малую площадь в виде прямоугольника, имеет координаты центра (X, У) в плоскости слоя карты, связанные с координатами точек географического объекта, и описание его свойств (яркость, цвет и плотность тона), соответствующих аналогичным свойствам объекта. Растровые цифровые изображения могут быть получены непосредственно при цифровом фотографировании земной поверхности со спутников либо при обработке аэрокосмических фотографий методами цифрового сканирования с использованием диджитайзеров. Такие изображения хороши для зрительного восприятия и удобны для многоаспектной обработки. Однако они занимают много места в памяти вычислительных устройств и плохо масштабируются — при многократном и многоразовом изменении масштаба, сжатии и дешифровке четкость изображений сильно ухудшается. В тех случаях, где заранее оговаривается необходимость масштабирования изображений без потери четкости, применяется технология векторной графики.

Векторная модель — это структурно заданное графическое изображение пространственного объекта. Положение точек объекта задается координатами конца вектора (х, у, z) и описанием свойств этой точки. Отображение объекта задается совокупностью векторов. Так как конец вектора (точка) не имеет площади, то при многократном увеличении или уменьшении изображения объекта (масштабировании) искажения не происходит (рис. 13.6).

Векторная графика оперирует точечными, линейными (дуги и контуры) и площадными (полигонными) моделями пространственных объектов.

Допустимы следующие формы векторной модели данных: цельнополигональная структура (топологическая структура типа «спагетти»), линейно-узловая (графовая структура), реляционная (структура отношений), нерегулярная триангуляционная сеть.

Рис. 13.6. Растровая и векторная модели графического изображения пространственного объекта.

Формирование топологии заключается в определении положения точек и узлов в выбранной системе координат на плоскости или в пространстве (для рельефных изображений) и цифровое кодирование взаимосвязей между точечными, линейными и площадными географическими объектами. В настоящее время применяются объектно-ориентированные модели баз географических данных (например, ArcGIS компании ESRI), формирующие классы объектов, классы отношений, геометрические сети и послойную топологию.

• [1] Режим доступа: http://www.intergraph.com/gis.
• [2] Режим доступа: http://www.esri.com.
• [3] Режим доступа: http://www.mapinfo.com.
• [4] Режим доступа: http://www.autodesk.com.
• [5] Режим доступа: http://www.geoeye.com.
• [6] Режим доступа: http://www.mirkart.ru.
• [7] Режим доступа: http://maps.google.com.
• [8] Режим доступа: http://geographynetwork.com.