Геоинформационные системы (ГИС)

ГИС-технологии – технологическая основа создания географических информационных систем, позволяющая реализовать их функциональные возможности.

Геоинформационный анализ – анализ размещения, структуры, взаимосвязей объектов и явлений с использованием методов пространственного анализа и геомоделирования.

Функциональные  возможности ГИС – набор функций  географических информационных систем и соответствующих программных  средств:

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

• преобразование данных, включая конвертирование  данных 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.

Геоинформатика  – наука, технология и производственная деятельность:

• по научному обоснованию, проектированию, созданию, эксплуатации и использованию географических информационных систем;

• по разработке геоинформационных технологий;

• по прикладным аспектам или приложениям ГИС  для практических или геонаучных целей.

Геоматика — это совокупность применений информационных технологий, мультимедиа и средств телекоммуникации для обработки данных, анализа геосистем, автоматизированного картографирования; также этот термин употребляется как синоним геоинформатики или геоинформационного картографирования.

Цифровое  покрытие (слой, тема) – семейство однотипных (одной мерности) пространственных объектов, относящихся к одному классу объектов в пределах некоторой территории и в системе координат, общих для набора слоев. По типу объектов различают точечные, линейные и полигональные цифровые покрытия.

Пространственный  объект (графический примитив) –  цифровое представление объекта реальности (цифровая модель местности), содержащее его местоуказание и набор свойств, характеристик, атрибутов или сам этот объект. Выделяют четыре основных типа пространственных объектов:

(1) точечные, (2) линейные, (3) площадные (полигональные), контурные и (4)поверхности.

1.3. История развития  ГИС

 

История ГИС берет своё начало с конца  пятидесятых годов прошлого столетия. За шестьдесят лет пройдено несколько этапов, позволивших создать самостоятельно функционирующую сферу – сферу геоинформационных технологий. Основные достижения в геоинформационной картографии были, к сожалению, получены в США, Канаде и Европе, а не в России. Россия и бывший СССР не участвовали в мировом процессе создания и развития геоинформационных технологий вплоть до середины 1980-х годов. Тем не менее, наша страна имеет свой, пусть небольшой, опыт развития геоинформационных систем и технологий.

В истории  развития геоинформационных систем выделяют четыре периода: 

Новаторский (пионерский) период (поздние 1950е - ранние 1970е гг.)

• исследование принципиальных возможностей информационных систем, пограничных областей знаний и технологий, наработка эмпирического  опыта, первые крупные проекты и  теоретические работы. 

Период  государственного влияния (ранние 1970е - ранние 1980е гг.)

• развитие крупных геоинформационных проектов, финансируемых государством, формирование государственных институтов в области  геоинформатики, снижение роли и влияния  отдельных исследователей и небольших групп.

Период  коммерческого развития (ранние 1980е - настоящее время)

• широкий  рынок разнообразных программных  средств, развитие настольных инструментальных ГИС, расширение области их применения за счет интеграции с базами атрибутивных данных, создание сетевых приложений, появление значительного числа непрофессиональных пользователей, организация систем, поддерживающие индивидуальные наборы данных на отдельных компьютерах и поддерживающим корпоративные и распределенные базы геоданных. 

Период  потребления (поздние 1980е - настоящее время)

• повышенная конкурентная борьба среди коммерческих производителей геоинформационных технологий и услуг дает преимущества пользователям ГИС, доступность и “открытость” программных средств позволяет пользователям самим настраивать, адаптировать, использовать и даже модифицировать программы, появление пользовательских “клубов”, телеконференций,

территориально  разобщенных, но связанных единой тематикой  пользовательских групп, возросшая  потребность в географических данных, начало формирования геоинформационной инфраструктуры планетарного масштаба.

Хотелось  бы несколько слов сказать об организациях, проектах и исследователях, сыгравших ключевую роль в развитии ГИС.

В конце 60-х Бюро переписи США разработало формат GBF-DIME (Geographic Base File, Dual Independent Map Encoding). В этом формате впервые была реализована схема определения пространственных отношений между объектами, называемая топологией, которая описывает, как линейные объекты на карте взаимосвязаны между собой, какие площадные объекты граничат друг с другом, а какие объекты состоят из соседствующих элементов. Впервые были пронумерованы узловые точки, впервые были присвоены идентификаторы площадям по разные стороны линий. Это было революционное нововведение. Формат GBF-DIME позже трансформировался в TIGER. Важными лицами этого

процесса  явились математик Джеймс Корбетт (James Corbett), программисты Дональд Кук (Donald Cooke) и Максфилд (Maxfield). Карты в формате GBF-DIME в течение 70х годов были сформированы для всех городов Соединенных Штатов. Эту технологию по сегодняшний день использует множество современных ГИС. Многие важные идеи, касающиеся ГИС, возникли в стенах Лаборатории компьютерной графики и пространственного анализа Гарварда. Из этой лаборатории вышло несколько ключевых фигур ГИС индустрии: это Говард Фишер (Howard Fisher) – основатель лаборатории и программист Дана Томлин (Dana Tomlin), заложившая основы картографической алгебры, создав знаменитое семейство растровых программных средств Map Analysis Package - MAP, PMAP, aMAP. Наиболее известными и хорошо зарекомендовавшими себя программными продуктами Гарвардской лаборатории являются:

• SYMAP (система  многоцелевого картографирования);

• CALFORM (программа вывода картографического изображения на плоттер);

• SYMVU (просмотр перспективных (трехмерных) изображений);

• ODYSSEY (предшественник знаменитого ARC/INFO).

Большое влияние на развитие ГИС-технологий оказали теоретические разработки в области географии и пространственных взаимоотношений, а также в развитие количественных методов в географии в США, Канаде, Франции, Англии, Швеции (работы У.Гаррисона (William Garrison), Т.Хагерстранда (Torsten Hagerstrand), Г.Маккарти (Harold McCarty), Я.Макхарга (Ian McHarg).

В завершении этого краткого экскурса в историю  ГИС отметим старейшие компании, основанные в 1969 году, которые являются и по сей день крупнейшими разработчиками ГИС – это ESRI и Intergraph. Эти две компании являются производителями самых популярных в США и в мире геоинформационных систем – так, вдвоем они производят ровно половину ГИС, используемых в США. Начиная с 90-х гг. прошлого столетия, эти фирмы активно осваивают российский рынок ГИС.

1.4. Сферы и уровни использования ГИС

ГИС используются для решения разнообразных задач, основные их которых можно сгруппировать следующим образом:

• поиск и рациональное использование природных ресурсов;
• территориальное и отраслевое планирование и управление размещением промышленности, транспорта, сельского хозяйства, энергетики, финансов;
• обеспечение комплексного и отраслевого кадастра;
• мониторинг экологических ситуаций и опасных природных явлений, оценка техногенных воздействий на среду и их последствий, обеспечение экологической безопасности страны и регионов, экологическая экспертиза;
• контроль условий жизни населения, здравоохранение и рекреация, социальное обслуживание, обеспеченность работой и др.;
• обеспечение деятельности органов законодательной и исполнительной власти, политических партий, движений, средств массовой информации;
• обеспечение деятельности правоохранительных органов и силовых структур;
• научные исследования и образование;
• картографирование (комплексное и отраслевое): создание тематических карт и атласов, обновление карт, оперативное картографирование.

Разнообразие сфер использования ГИС порождает множественность их видов и типов, разнящихся по тематике, пространственному охвату, назначению. Принято различать следующие территориальные уровни ГИС и соответствующие им масштабы.

1.5. Классификация ГИС

ГИС системы разрабатываются с целью решения научных и прикладных задач по мониторингу экологических ситуаций, рациональному использованию природных ресурсов, а также для инфраструктурного проектирования, городского и регионального планирования, для принятия оперативных мер в условиях чрезвычайных ситуаций 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 ориентированы 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:

- 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.

1.6. Составные части ГИС

Работающая  ГИС включает в себя пять ключевых составляющих:

- аппаратные средства

- программное обеспечение

- данные

- исполнители

- методы

Аппаратные  средства. Это компьютер, на котором запущена ГИС. В настоящее время ГИС работают на различных типах компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров.

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