Географические информационные системы

В конце XX в. благодаря активной автоматизации и компьютеризации картография стала держательницей и распорядительницей огромных массивов информации о важнейших аспектах существования, взаимодействия и функционирования природы и общества. Информатизация проникла во все сферы науки и практики — от школьного образования до высокой государственной политики.

На базе информационных технологий созданы географические информационные системы (ГИС) — особые аппаратно-программные комплексы, обеспечивающие сбор, обработку, отображение и распространение пространственно координированных данных. Одна из основных функций ГИС — создание и использование компьютерных (электронных) карт, атласов и других картографических произведений.

Первая географическая информационная система была разработана в Канаде на базе ЭВМ и пакетной системы обработки данных в начале 1960-х гг. Она позволяла значительно усовершенствовать процессы инвентаризации и анализа карт. Появилась возможность хранения большого количества тематической и географической информации.

Позже стало разрабатываться специальное программное обеспечение для решения различных гео-информационных задач. В середине 1980-х гг. были созданы программные продукты для систем автоматизированного проектирования (САПР), с помощью которых производилось автоматизированное составление карт. Появилась возможность создавать системы послойного типизированного представления чертежей и других изображений. Теперь работать можно было как с отдельным слоем, так и с совокупностью, и это напоминало географический атлас, выполненный на прозрачной пленке.

Типовые повторяющиеся элементы, которые хранились в банке данных, объединялись в отдельные независимые блоки, которые можно было вставлять в определенные позиции чертежа неограниченное количество раз. Резко упрощался процесс редактирования, поскольку корректировка в блоке автоматически дублировалась по всему чертежу или графическому документу.

Появление интегрированных программных продуктов и информационных систем, позволяющих осуществлять интеграцию различных видов информации ознаменовало в начале 1990-х гг. новый этап в развитии ГИС как автоматизированной интегрированной информационной системы [14].

В настоящее время в рамках ГИС исследуется не только географическая информация, но и все процессы и явления, которые происходят на земной поверхности. Поэтому понятие «геоинформационная система» более широкое и включает в себя понятие «геогафическая информационная система» [33]. Современные ГИС являются интегрированными, поскольку совмещают в себе как данные, так и технологии.

В промышленно развитых странах существуют тысячи ГИС, используемых в экономике, политике, экологии, управлении и охране природных ресурсов, кадастре, науке, образовании и т. д. Они интегрируют картографическую информацию, данные дистанционного зондирования и экологического мониторинга, статистику и переписи, гидрометеорологические наблюдения, экспедиционные материалы, результаты бурения и др.

В создании ГИС участвуют многие международные организации (ООН, ЮНЕСКО, Программа по окружающей среде и др.), правительственные учреждения, министерства и ведомства, картографические, геологические и земельные службы, частные фирмы, науч но-исследовательские институты и университеты. На разработку ГИС затрачивают значительные финансовые средства, в деле участвуют целые отрасли промышленности, создается разветвленная геоинформацион-ная инфраструктура. Во многих странах образованы национальные и региональные органы, в задачи которых входит развитие ГИС и автоматизированного картографирования, а также определение государственной политики в области геоинформатики.

Создаются базы и банки данных. Так, в 1985 г. в рамках Департамента ЮНЕП по проблемам экологической информации и оценок состояния окружающей среды создана Глобальная информационная база данных о природных ресурсах (ГРИД, GRID — Global Resource Information Database). Через эту базу получают необходимые данные как управленческие службы и агентства ООН, так и другие международные и правительственные организации. Программа ГРИД имеет центр в Кении и объединяет более десяти центров в других странах, в том числе и России. Основная задача ГРИД — обеспечение пользователей различными экологическими данными [81, 82]. В рамках этой программы под эгидой ЮНЕП в России также создан ряд баз и банков данных, в том числе: по видам растений, занесенных в Красную книгу, по некоторым промышленным отходам, вредным веществам, оценке качества жизни и др.

В государственных программах России много внимания уделяется развитию геоинформационных технологий для картографирования, а также созданию ГИС разного ранга и назначения для целей управления. В крупнейших городах России — Москве, Санкт-Петербурге, Екатеринбурге, Новосибирске, Иркутске и Хабаровске — созданы центры геоинформации. К ним привязывают местные ГИС и центры сбора аэрокосмических данных. В единую ГИС-инфраструктуру России постепенно включают базы и банки данных научных институтов и университетов. Принято различать следующие территориальные уровни ГИС и соответствующие им масштабы (табл. 1.1), [12].

ГИС подразделяют и по проблемной ориентации (тематике). Созданы специализированные земельные информационные системы (ЗИС), кадастровые (КИС), экологические (ЭГИС), учебные, морские и многие иные системы. Одни из наиболее распространенных в географии — ГИС ресурсного типа. Они создаются на основе обширных и разнообразных по тематике информационных массивов и предназначены для инвентаризации, оценки, охраны и рационального использования ресурсов, прогноза результатов их эксплуатации.

Таблица 1.1

Территориальные уровни ГИС

Вид ГИС

Охват территории

Масштабы

Глобальные

5x108 км2

1:1 000 000-1:100 000 000

Национальные

104-107 км2

1:1 000 000-1:10 000 000

Региональные

103-105 км2

  • 1:100 000-
  • 1:2500 000

Муниципальные

103 км2

1:1000-1:50000

Локальные (заповедники, национальные парки и др.)

102-103 км2

1:1000-1:100000

К обязательным признакам ГИС относятся:

  • • географическая (пространственная) привязка данных;
  • • генерирование новой информации на основе синтеза имеющихся данных;
  • • отражение пространственно-временных связей объектов;
  • • обеспечение принятия решений;
  • • возможность оперативного обновления баз данных за счет вновь поступающей информации.

Любая ГИС базируется на аппаратных средствах — различных типах компьютеров; программном обеспечении — программных продуктах, обеспечивающих хранение, анализ, визуализацию пространствен ной информации и т. п.; информационном обеспечении — данных о географическом положении, включая материалы дистанционного зондирования, кадастра и т. д. Управление ГИС осуществляют пользователи (исполнители), которые разрабатывают и поддерживают систему или просто решают поставленные задачи.

Структуру ГИС обычно представляют как набор информационных слоев. Слой — это совокупность однотипных пространственных объектов, относящихся к одной теме или классу объектов в пределах некоторой территории и в системе координат, общих для набора слоев [24]. Например, базовый слой содержит данные о рельефе, затем следуют слои гидрографии, дорожной сети, населенных пунктов, почв, растительного покрова, распространения загрязняющих веществ и т. д. Условно эти слои можно рассматривать в виде «этажерки», на каждой полочке которой хранится карта или цифровая информация по определенной теме. Картографическая и геоинформационная структура данных в ГИС представлена на рис. 1.1.

Картографическая и геоинформационная структура данных в ГИС

Рис. 1.1. Картографическая и геоинформационная структура данных в ГИС

В процессе решения поставленных задач слои анализируют по отдельности или совместно в разных комбинациях, выполняют их взаимное наложение — оверлей. Таким образом, оверлейные операции — это наложение разноименных слоев с генерацией производных объектов, возникающих при их геометрическом наложении. Чаще всего оверлей проводят с двумя полигональными слоями. Совокупность слоев образует интегрированную основу графической части ГИС, и принадлежность объекта или его части к слою позволяет добавлять групповые свойства объектам конкретного слоя [69]. Так, по данным о рельефе можно построить производный слой углов наклона местности, по данным о дорожной сети и населенных пунктах — рассчитать степень обеспеченности территории дорожной сетью и сформировать новый слой.

Возможны и комбинации указанных основ, например ландшафтных карт с топографическими или фотокарт с картами использования земель и т. п. В каждом конкретном случае выбор и дополнительная подготовка базовой карты (например, ее разгрузка или нанесение дополнительной информации) составляют центральную задачу этапа географо-картографического обоснования ГИС.

Многослойная электронная карта-ГИС позволяет не только хранить большой объем пространственной информации, но и проводить селекцию данных, их анализ, осуществлять визуализацию, повышать эффективность интерактивной обработки.

Основу любой ГИС составляет автоматизированная картографическая система — комплекс приборов и программных средств, обеспечивающих создание и использование карт, которая состоит из ряда подсистем, важнейшими из которых являются подсистемы ввода, обработки и вывода информации.

Функциональные возможности ГИС многообразны, основные из них:

  • • ввод в компьютер цифровых данных;
  • • преобразование данных, трансформация картографических проекций, конвертирование данных в различные форматы;
  • • хранение и управление данными;
  • • картометрические операции и др.

В ГИС можно работать как с растровыми, так и с векторными данными. Векторные модели используются для описания объектов с дискретными свойствами; растровые — для работы с объектами, обладающими свойством непрерывности.

Функции ГИС представлены на рис. 1.2.

Функции ГИС

Рис. 1.2. Функции ГИС

Подсистема ввода информации — это устройства для преобразования пространственной информации в цифровую форму и ввода ее в память компьютера или в базу данных. Для цифрования применяют цифрова-тели (дигитайзеры) и сканеры. С помощью цифровате-лей на исходной карте прослеживают и обводят контуры и другие обозначения, а в память компьютера при этом поступают текущие координаты этих контуров и линий в цифровой форме. Сам процесс прослеживания оператор выполняет вручную, с чем связаны большая трудоемкость работ и возникновение погрешностей при обводе линий. Сканеры же осуществляют автоматическое считывание информации последовательно по всему полю карты, строка за строкой. Сама карта размещается на планшете или на барабане. Сканирование выполняется быстро и точно, но приходится дополнительно разделять (распознавать) оцифрованные элементы: реки, дороги, другие контуры и т. п. Качественные и количественные характеристики цифруемых объектов, а также статистические данные вво дят с клавиатуры компьютера. Вся цифровая информация поступает в базы данных.

Базы данных — упорядоченные массивы данных по какой-либо теме (темам), представленные в цифровой форме, например, базы данных о рельефе, населенных пунктах, базы геологической или экологической информации. Формирование баз данных, доступ и работу с ними обеспечивает система управления базами данных (СУБД), которая позволяет быстро находить требуемую информацию и проводить ее дальнейшую обработку. Если базы данных размещены на нескольких компьютерах (например, в разных учреждениях или даже в разных городах и странах), то их называют распределенными базами данных. Это удобно, так как каждая организация формирует свой массив, следит за ним и поддерживает на уровне современности. Совокупности баз данных и средств управления ими образуют банки данных. Распределенные базы и банки данных соединяют компьютерными сетями, и доступ к ним (запросы, поиск, чтение, обновление) осуществляется под единым управлением.

Подсистема обработки информации состоит из самого компьютера, системы управления и программного обеспечения. Созданы сотни разнообразных специализированных программ (пакетов программ), которые позволяют выбирать нужную проекцию, приемы генерализации и способы изображения, строить карты, совмещать их друг с другом, визуализировать и выводить на печать. Программные комплексы способны выполнять и более сложные работы: проводить анализ территории, дешифрировать снимки и классифицировать картографируемые объекты, моделировать процессы, сопоставлять, оценивать альтернативные варианты и выбирать оптимальный путь решения. А современные «интеллектуальные» программы моделируют даже некоторые процессы человеческого мышления. Большая часть подсистем обработки информации работают в диалоговом (интерактивном) режиме, в ходе которого идет непосредственный двусторонний обмен информацией между картографом и компьютером.

Подсистема вывода (выдачи) информации — комплекс устройств для визуализации обработанной информации в картографической форме. Это экраны (дисплеи), печатающие устройства (принтеры) различной конструкции, чертежные автоматы (плоттеры) и др. С их помощью быстро выводят результаты картографирования и варианты решений в той форме, которая удобна пользователю. Это могут быть не только карты, но и тексты, графики, трехмерные модели, таблицы, однако если речь идет о пространственной информации, то чаще всего она дается в картографической форме, наиболее привычной и легко обозримой.

Все подсистемы, входящие в автоматические картографические системы, входят также и в ГИС. В состав картографической ГИС производственного назначения включают еще и подсистему издания карт, которая позволяет изготовлять печатные формы и печатать тиражи карт. Если тираж небольшой, что обычно при выполнении научных исследований, то используют настольные картографические издательские системы.

ГИС, ориентированные на работу с аэрокосмической информацией, включают специализированную подсистему обработки изображений. В этом случае программное обеспечение позволяет выполнять различные операции со снимками: проводить их коррекцию, преобразование, улучшение, автоматическое распознавание и дешифрирование, классификацию и др.

Особую подсистему в высокоразвитых ГИС может составлять база знаний, т. е. совокупность формализованных знаний, логических правил и программных средств для решения задач определенного типа (например, для проведения границ или районирования территории). Базы знаний помогают диагностировать состояние геосистем, предлагать варианты решения проблемных ситуаций, давать прогноз развития. Можно считать, что в базах знаний реализуются некоторые принципы функционирования искусственного интеллекта.

Вопросы к главе 1

  • 1. Развитие каких научно-практических направлений предшествовало появлению географических информационных систем?
  • 2. Что такое геоинформационное картографирование, и каковы его достоинства?
  • 3. Каковы взаимосвязи между картографией, геоинформатикой и дистанционным зондированием?
  • 4. Что такое географическая информационная система?
  • 5. Для чего создана глобальная система мониторинга окружающей среды — ГСМОС?
  • 6. Области применения геоинформационных систем.
  • 7. По каким признакам и свойствам подразделяются ГИС?
  • 8. Какие признаки являются обязательными для ГИС?
  • 9. Какова структура данных в геоинформационных системах?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >