ГИС среди других автоматизированных систем

Автоматизированная обработка информации в ГИС предполагает использование ряда технологических процессов из различных смежных предметных областей: фотограмметрии, САПР, АСНИ и т. д. В силу этого целесообразно рассмотреть технологии функционирования достаточно апробированных автоматизированных систем, таких, как АСНИ, САПР, АСИС, экспертные системы (ЭС), что позволит при оптимальном учете их специфики использовать технологические достижения и решения, применимые во всех исследуемых предметных областях.

Основные принципы функционирования АСНИ АСНИ технологически настроена на сбор и первичную обработку разнообразной информации, что является также и потребностью ГИС. По этой причине можно рассматривать АСНИ как систему, наиболее близкую к ГИС на этапах сбора и первичной обработки данных.

По формам организации АСНИ делятся на три группы: специальные, локальные и глобальные.

Специальные АСНИ решают узкий класс задач на заданном наборе параметров. Их основная задачаконтроль протекания процессов и предотвращение нежелательных ситуаций. Наиболее широко эта группа АСНИ представлена в интегрированном производстве, она в большой степени использует измерительно-вычислительные комплексы и относится функционально к классу контрольно-измерительных. Эта группа не имеет аналогов в среде ГИС.

Локальные АСНИ функционируют в рамках лабораторий. Их развитие связано с «персонализацией» технологий вычислительной техники, в частности с появлением ЭВМ, персональных баз данных, интеллектуальных терминалов и т. п. По организации эта группа наиболее близка ГИС, функционирующим на уровне города, области.

Глобальные АСНИ создаются в рамках института, КБ, НПО и т. п. ГИС аналогичного класса обслуживают страну или большой регион. Одним из направлений развития систем этой группы является создание распределенных систем (АСНИ, ГИС), в том числе и на основе локальных вычислительных сетей (ЛВС).

По функциям можно также выделить три группы АСНИ: информационно-поисковые, подсказывающие и обучающие; расчетные на основе модельного машинного эксперимента; экспериментальных исследований. В свою очередь каждая из этих групп может быть разбита на подгруппы, однако для анализа ГИС это не играет существенной роли.

Возможности АСНИ во многом определяются уровнем вычислительных средств и набором периферийных устройств к ним.

Интеграция предъявляет новые требования к базовым техническим средствам, входящим в состав АСНИ. Для реализации возможности интегрированной обработки информации эти средства должны либо являться элементами распределенной вычислительной системы или локальной сети, либо базироваться на более сложных вычислительных системах по сравнению с применяемыми для лабораторных АСНИ.

В настоящее время характерен рост интегрированных систем, которые включают технологии АСНИ на уровнях сбора и первичной обработки данных.

Большое значение при интеграции АСНИ имеют выбор единой информационной основы, составление классификаторов информации и способов ее кодирования. Эффективным средством, повышающим скорость кодирования, являются системы речевого ввода-вывода, разработка которых в нашей стране идет с 60-х гг. Однако эти системы не находят достаточно широкого применения при кодировании первичных данных в ГИС.

Системы автоматизированного проектирования.

Технологии САПР служат основой интеграции всех прочих технологий в ГИС. Основное назначение САПР— получение оптимальных проектных решенийотвечает требованиям ГИС на уровне моделирования и хранения (формирования ЦММ) и проектирования (карт) на основе уже собранной, унифицированной информации.

Проектирование в САПР осуществляется путем декомпозиции проектной задачи с последующим синтезом общего проектного решения. В процессе синтеза проекта используются информационные ресурсы базы данных в условиях диалогового взаимодействия проектировщиков с комплексом средств автоматизации проектирования.

Технологии проектирования в САПР базируются на следующих принципах:

• ? использование комплексного моделирования;
• ? интерактивное взаимодействие с цифровой моделью;
• ? принятие проектных решений на основе математических моделей и проектных процедур, реализуемых средствами вычислительной техники;
• ? обеспечение единства модели проекта на всех этапах и стадиях проектирования;
• ? использование единой информационной базы для автоматизированных процедур синтеза и анализа проекта, а также для управления процессом проектирования;
• ? проведение многовариантного проектирования и комплексной оценки проекта с применением методов оптимизации;
• ? обеспечение максимальной инвариантности информационных ресурсов, их слабой зависимости от конкретной области применения, простоты настройки на отраслевую специфику.
• ? Все перечисленные принципы приемлемы для моделирования и проектирования в ГИС.
• ? Проектирование. Анализ технологических процессов в САПР позволяет дать простую классификацию типов проектных работ по степени (уровню) интеграции процессов, вполне подходящую для решения задач ГИС:
• ? процедураэлементарная операция обработки информации;
• ? задача-совокупность процедур для получения одного вида проектной продукции;
• ? функция (группы специализированных задач) — технологический процесс, в ходе которого выпускается специализированный комплект проектных документов;
• ? комплекс работсовокупность работ, заканчивающихся выпуском общего комплекта проектных документов;
• ? интегрированные работывыпуск комплекта документов; поддержка и автоматическое обновление базы данных; внесение данных в экспертную систему; выдача наряду с типовым комплектом документации прогнозов, рекомендаций, экспертных оценок проекта; информационный обмен с сетями баз данных.

Одна из основных технологических групп задачразработка и автоматизация типовых проектных процедур, включающих декомпозицию, симплификацию, унификацию, композицию и синтез, взаимосвязана с группой задач оптимальной классификации и кодирования входной информации.

Поскольку невозможно для ряда задач полностью автоматизировать процесс проектирования, актуальным является эффективное интерактивное общение пользователя с ЭВМ. Этот подход особенно важен при использовании ГИС, так как большое количество информации в таких системах требует специальных экспертных решений, не входящих в методы типового проектирования или моделирования. Интерактивная обработка для удобства общения пользователя с ЭВМ требует специального лингвистического обеспечения. Как вспомогательная возникает задача автоматизированного обучения пользователя ГИС.

В процессе проектирования наиважнейшими остаются задачи оптимизации, например задача оптимального выбора структуры процесса проектирования или оптимизации самого проектного решения. Оптимальные решения можно выбирать разными путями, используя метод имитационного моделирования, векторные критерии оценки качества и т. п.

В большинстве САПР проект создается на основе типовых проектных процедур, типовых проектных решений, типовых элементов проекта. Этот подход полностью приемлем для ГИС, но при наличии хорошо организованной базы данных и интегрированной информационной основы.

Таким образом, эффективность применения технологий САПР в ГИС определяется, прежде всего, степенью интеграции информационной основы ГИС.

Отметим различие на уровне УМХ между ГИС и САПР. В ГИС графическая информация значительно сложнее и больше по объему по сравнению с аналогами в САПР. Кроме того, в ГИС возможно наличие видео баз данных для хранения видеоинформации, а в САПР такие базы, как правило, отсутствуют. Следовательно, разработка и эксплуатация БД в ГИС должны проводиться более углубленно по сравнению с САПР. Простой перенос технологий БД или использование систем управления базами данных (СУБД) без технологических изменений, учитывающих специфику данных и их методов обработки в ГИС, не обеспечит максимального эффекта от применения баз данных в ГИС.

Моделирование. Выбор методов моделирования определяется главным образом предметной областью объекта моделирования. Построение моделей основано на их представлении в виде совокупностей декларативных, процедурных, семантических, метрических информационных массивов.

Моделирование с использованием аналитических моделей находит широкое применение для тех классов объектов, которые легко описываются аналитическими выражениями.

В случае использования неоднородных компонентов применяется структурно-процедурная модель процессов автоматизации проектирования, учитывающая свойства этих компонентов.

Для моделирования проектируемого объекта используют двухкомпонентную модель, включающую структурно-иерархическую и функционально-геометрическую части. Такой же подход применяется в некоторых ГИС.

Для САПР, имеющих разнородную (гетерогенную) структуру, на ранней стадии проектирования целесообразно моделирование для устранения погрешностей и сокращения общего времени проектирования.

В большинстве случаев эффективность проектирования обусловлена возможностью использования наборов базовых моделей для решения многих задач Для многократного использования модели целесообразно ее хранение в виде компонентов, определенных на заданных общих типах или подклассах моделей данных. Это относится как к цифровой модели местности, так и к цифровой модели объекта.

В САПР применяют только цифровые модели объекта с высокой степенью типизации информации. В ГИС цифровое моделирование значительно сложнее, а класс цифровых моделей включает большее число типов, чем в САПР, причем типизация цифровых моделей в ГИС меньше, чем в САПР.

При проектировании нетиповых и сложных объектов используют интерактивное и логическое проектирование, реализуемое в большинстве случаев с помощью сценария, как в САПР, так и в ГИС.

Процессы моделирования в САПР могут включать совокупность разных уровней: схемного, логического, вентильного, системного.

В ГИС не применяются схемный и вентильный уровни, поэтому их рассмотрение будет опущено.

Системный уровень моделирования позволяет оценивать общие свойства проектируемой системы при функционировании ее в заданном окружении. Во многих ГИС на этом уровне описываются только начальная стадия обработки или основные концепции. Однако до формализованного описания технологий моделирование на этом уровне не доводится.

Логический уровень дает возможность построить логические схемы и использовать исчисление предикатов для оценки оптимальности процессов обработки в системе или структуры самой системы. В ГИС на этом уровне осуществляют проектирование ГИС как системы, проектирование процессов обработки информации, описание обработки некоторых данных.

Автоматизированные справочно-информационные системы Автоматизированная справочно-информационная система использует ЭВМ на этапах ввода, обработки и выдачи справочных данных по различным запросам потребителей. Она представляет собой развитие информационно-поисковых систем, обеспечивающих ранее выполнение функций автоматизации архивов и информационного поиска.

Существует ряд специфических ГИС, рассматриваемых как архивы. Подобно архиву каждая ГИС хранит какую-либо информацию. Поэтому технологии АСИС интересны для использования в ГИС именно с целью организации хранения архивных данных.

Концепция создания автоматизированных архивов актуальна и сегодня, поскольку многие учреждения имеют и используют архивы, которые необходимо внедрять в ГИС-технологии.

Технологическая совместимость АСИС и ГИС проявляется на этапах хранения, обновления информации (второй уровень) и выдачи разного рода справок, отчетов, графических отображений (третий уровень).

В современных интегрированных информационных системах АСИС утратили значение независимых систем и преобразовались в более мобильные и универсальные подсистемы документационного обеспечения. Другим направлением их развития явились экспертные системы, о которых речь пойдет ниже.

Для современных АСИС характерны преимущества системного направления развития:

• ? многофункциональность, т. е. способность решать разнообразные задачи;
• ? одноразовость подготовки и ввода данных;
• ? независимость процесса сбора и обновления (актуализации) данных от процесса их использования прикладными программами;
• ? независимость прикладных программ от физической организации базы данных;
• ? развитые средства лингвистического обеспечения. Все это технологически совместимо с представлением информации в ГИС. Тем не менее, имеется существенное отличие.

В ГИС по сравнению с АСИС графическая информация значительно сложнее и занимает больший объем. В обеих системах могут быть видеобазы данных для хранения видеоинформации, однако между ними существует качественное различие.

В ГИС видеоданные (изображения объектов) получены с высоким разрешением, поскольку используются как для визуальной оценки, так и для высокоточной геометрической обработки. В АСИС видеоданные, как правило, служат только для визуального просмотра. Различие особенно касается информационной емкости этих данных. В видеобазах ГИС объем файла видеоизображения достигает 1 гигабайта, в АСИСсоставляет десятки килобайт, т. е. разница составляет четыре порядка.

Для полного решения какой-либо информационной задачи в информационных системах необходимо, чтобы ЭВМ понимала смысл текста, написанного на естественном языке, что тесно связано с проблемой искусственного интеллекта.

Информация, хранимая в АСИС, разделяется по различным признакам:

• ? по временному фактору-ретроспективная, текущая и прогнозная;
• ? по тематической деятельностиузкотематическая и широкотематическая;
• ? по производственной принадлежности-служебная (учрежденческая), отраслевая и межотраслевая;
• ? по характеру применения-рабочая и концептуальная.

В зависимости от формы хранения АСИС подразделяют на документографические (текстовые) и фактографические. Информационным массивом документографической АСИС служат различные неформализованные (слабо типизированные данные) документы (цитаты, статьи, письма и т. д.) на естественном или ограниченном искусственном языке, например текстовые файлы, получаемые с помощью текстовых процессоров.

Информационный массив фактографической АСИС составляется из формализованных записей (сильно типизированных данных), например, записей базы данных или электронных таблиц.

Фактографические информационные системы предполагают составление специальных форм документов для ввода информации в ЭВМ. Идентификация осуществляется с использованием ключей (дескрипторов), которые вводятся с помощью стандартных форм или задаются средствами самой системы.

Таким образом, разработка фактографических АСИС связана с необходимостью создания стандартных форм и методов контроля информации. Эти требования распространяются и на ГИС.

Следует отметить, что, как и в АСИС, в ГИС информация имеет временную характеристику.

Главные технические показатели АСИСинформационная емкость и скорость обмена информациейопределяются в первую очередь техническими данными ЭВМ и типом базы данных и во вторую — технологией обработки информации. В силу этого базы данных являются основой АСИС и составной частью ГИС.

Разработка информационной основы — первоочередная задача проектирования и функционирования АСИС (также и ГИС). При этом необходимо решать задачи структуризации, кодирования и классификации данных.

Созданию информационной основы должны предшествовать изучение информационных потребностей пользователя, видов запросов, анализ предметной области, базовых и составных моделей данных. Данный подход обязателен для ГИС, однако не применяется многими разработчиками ГИС, которые, мягко говоря, игнорируют большой опыт использования АСИС при решении этой задачи.

Рост объема информации в автоматизированных архивах, информационных системах, базах данных наряду с внедрением сетевых информационных структур обмена информацией требует создания новых методов не только фильтрации и выбора нужной информации, но и оценки ее полезности. Это весьма важно при использовании ГИС для решения экономических, экологических и других задач.

Следует отметить некоторые особенности архивов, создаваемых на основе технологий ГИС, в частности то, что библиотека карт является традиционным архивом, в котором данные классифицируются как тематически, так и географически.

В большинстве атласов и библиотек карт иерархия данных определена последовательностью классификации: вначале географические, а затем тематические данные.

Цифровые архивы пространственных данных (архивы ГИС) обычно организуются иначе: первый ключ — тематический, второй — географический. В мировой практике применяют набор стандартных форматов обмена архивными данными:

• ? топографические данныераспространяются USGS в форматах DGL (цифровой граф линий) и DEM (цифровая модель рельефа);
• ? данные о сети улиц — распространяет Бюро переписей США в формате TIGER;
• ? дистанционные изображения поступают из НАСА и других космических агентств.

Преимуществом построения архивов на основе ГИС является возможность использования старых и минимального количества новых данных для оперативного синтеза новых картографических материалов. Многие задачи синтеза и получения картографических композиций требуют экспертных решений. Это более эффективно по сравнению с БД решают экспертные системы. Следовательно, их применение в ГИС более актуально, чем во многих АСИС.

Сравнивая модели и методы использования экспертных систем в ГИС, САПР, АСНИ и АСИС, можно отметить следующие различия. Если в АСНИ применяются, как правило, сложные, комплексные, динамические, многопараметрические модели, то в САПР, АСИС и ГИС наблюдается тенденция к типизации, т. е. к использованию типовых элементов, и декомпозиции сложных объектов на типовые.

Кроме того, если предметом моделирования в АСНИ являются в большей степени процессы и в меньшейобъекты, то в САПР наоборот: в первую очередь — объекты, во вторуюпроцессы (технологические). В АСИС предмет моделированияформы данных.

В ГИС целью моделирования является: на уровне сбора и первичной обработки информациисоздание моделей данных, на уровне моделирования и храненияпостроение моделей геообъектов, на уровне представления — получение разнообразных форм данных.

Во всех системах можно выделить общееиспользование цифровых моделей.

Следовательно, моделирование в ГИС носит наиболее сложный характер по отношению к другим автоматизированным системам. Но, с другой стороны, процессы моделирования в ГИС на каждом системном уровне и в какой-либо из рассмотренных систем весьма близки. В целом основы моделирования и построения моделей в ГИС должны базироваться на известных принципах и подходах, которые применяют в других АС.

Подводя итог сравнения ГИС и автоматизированных систем общего назначения с использованием результатов системного анализа ГИС, т. е. представления ее в виде трех системных уровней (рис. 1.1), можно сделать следующие выводы.

Рисунок 1.1 Дополнительные возможности ГИС по сравнению с автоматизированными системами на разных системных уровнях На уровне сбора наиболее близкой ГИС является технология АСНИ. Но в ГИС по сравнению с АСНИ более широко используются технологии сбора данных на местности и особенно технология GPS.

На уровне моделирования и хранения в ГИС наиболее ярко представлены технологии САПР и АСИС. Но и на этом уровне технологии ГИС более полны, чем в отмеченных системах. В частности, в отличие от САПР в ГИС имеются оригинальные методы наложения оверлея, анализа сетей, более широк спектр технологий пространственного анализа, возможна обработка файлов (принадлежащих одному объекту) больших объемов (до 1 гигабайта).

На уровне представления ГИС полностью включает в себя технологии автоматизированных систем документационного обеспечения с набором средств компьютерной полиграфии и мультимедиа. Однако и здесь технологии ГИС полнее, поскольку они содержат методы издания картографической продукции.

На уровне сбора информации технологии ГИС включают в себя отсутствующие в АСУ методы сбора пространственно-временных данных, технологии использования навигационных систем, технологии реального масштаба времени, GPS и т. д.

На уровне хранения и моделирования дополнительно к обработке социально-экономических данных (как и в АСУ) технологии ГИС включают в себя набор технологий пространственного анализа, применение цифровых моделей и видеобаз данных, а также комплексный подход к принятию решений.

На уровне представления ГИС дополняет технологии АСУ применением интеллектуальной графики (представление картографических данных в виде карт, тематических карт или на уровне деловой графики), что делает ГИС более доступными и понятными по сравнению с АСУ для бизнесменов, работников управления, работников органов государственной власти [2].

Рисунок 1.2 Дополнительные возможности ГИС по сравнению с АСУ по основным уровням обработки даннях.