Введение в геоинформационные технологии.

Появление географических информационных систем относятся к началу 60-х годов прошлого века. Именно тогда сложились предпосылки и условия для информатизации и компьютеризации сфер деятельности, связанных с моделирование географического пространства и решением пространственных задач. Их разработка базировалась на исследованиях университетов, академических учреждений, оборонных ведомств и картографических служб.

Кратко ГИС определялись как информационные системы, обеспечивающие сбор, хранение, обработку, отображение и распространение данных, а также получение на их основе новой информации и знаний о пространственно-координированных явлениях. [2]

       Человек, абсолютно незнакомый с географическими информационными системами, может задать вопрос: “а зачем мне нужно знать, что такое геоинформатика?” Действительно, в жизни большинства из нас далеко не каждый день возникает необходимость обращаться к географическим атласам или картам. Но если разобраться, то геоинформационные технологии представляют из себя несколько больше, чем просто карту, помещенную в компьютер. В то же время, понятие “географическая информационная система (геоинформационная система, ГИС)” неразрывно связано с обычной печатной картой. По сути, любая географическая карта есть модель земной поверхности, и является объектом анализа её пользователей.

Человек в научной, производственной и управленческой деятельности постоянно сталкивается с необходимостью обработки больших массивов информации, которые связанны с пространственным местоположением разных объектов, описывающих трансформацию их свойств и характеристик в зависимости от времени. В итоге получают визуальное отображение, а весь процесс визуализации – есть процесс создания карты.

Большинство задач для ГИС можно решить просто, без компьютерного анализа или моделирования. Однако печатать текст можно и на печатной машинке, а мы сейчас предпочитаем использовать компьютер. Это очень удобно, быстро, эффективно. Обычно человек подходит к ГИС незаметно для себя. Все начинается с использования распространенных графических редакторов, таких как Photoshop, CorelDraw, Illustrator. В процессе работы становится ясно, что на нашу схему или тематический слой нужно разместить дополнительные данные из других источников (как нанести изображение на контурную карту). Для таких операций требуется единое координатное пространство. Это является первым шагом к использованию определенных систем координат и картографических проекций. На следующем этапе возникает необходимость составлять и делать запросы по атрибутивной информации. Простейшие запросы можно делать в графических редакторах. Но часто существует потребность в более сложных запросах, таких, как отметить все офисные многоэтажные здания, построенные из бетонных блоков, или найти нужную улицу на карте. Как только вы начали формировать подобного рода задачи, вы становитесь потенциальным пользователем ГИС. [4]

1.2. Сферы применения ГИС

 

В настоящее время геоинформационные технологии проникли практически во все сферы жизни. Отметим основные:

- экология и природопользование;

- земельный кадастри землеустройство;

- морская, авиационная и автомобильная навигация;

- управление городским хозяйством;

- региональное планирование;

- маркетинг;

- демография и исследование трудовых ресурсов;

- управление дорожным движением;

- оперативное управление и планирование в чрезвычайных ситуациях;

- социология и политология.

Кроме того, ГИС используются для решения разнородных задач, таких как:

- обеспечение комплексного и отраслевого кадастра;

- поиск и эффективное использование природных ресурсов;

- территориальное и отраслевое планирование;

- контроль условий жизни населения, здравоохранение, социальное обслуживание, трудовая занятость;

- обеспечение деятельности правоохранительных органов и силовых структур;

- наука и образование;

- картографирование.

Специалисты, работающие в области ГИС и геоинформационных технологий, занимаются следующим:

- накоплением первичных данных;

- проектированием баз данных;

- проектированием ГИС;

- планированием, управлением и администрированием геоинформационных проектов;

- разработкой и поддержкой ГИС;

- маркетингом и распространением ГИС-продукции и геоданных;

-профессиональным геоинформационным образование и обучением ГИС-технологиям. [4, 11, 9]

 

 

1.3. Базовые компоненты ГИС

 

Любая ГИС включает в себя следующие компоненты:

-аппаратная платформа(hardware);

- программное обеспечение (software);

- данные (data);

- человек-аналитик.

Аппаратная платформа в свою очередь состоит из следующих частей:

- компьютеры (рабочие станции, ноутбуки, карманные ПК);

- средства хранения данных (винчестеры, компакт-диски, дискеты, флэш-память);

- устройства ввода информации (дигитайзеры, сканеры, цифровые камеры и фотоаппараты, клавиатуры, компьютерные мыши);

- устройства вывода информации (принтеры, плоттеры, проекторы, дисплеи).

Сердцем любой ГИС являются используемые для анализа данные. Устройства ввода позволяют конвертировать существующую географическую информацию в тот формат, который используется в данной ГИС. Географическая информация включает в себя бумажные карты, материалы аэрофотосъемок и дистанционного зондирования, адреса, координаты объектов собранные при помощи систем глобального позиционирования GPS (Global Position System), космических спутников или цифровой географической информации, хранимой в других форматах.

Если говорить о программном обеспечении ГИС, то следует отметить, что большинство программных пакетов обладают схожим набором характеристик, такими как, послойное картографирование, маркирование, кодирование геоинформации, нахождение объектов в заданной области, определение разных величин, но очень сильно различаются в цене и функциональности. Выбор программного обеспечения зависит от конкретных прикладных задач, решаемых пользователем. [1]

1.4.Типология ГИС

 

Геоинформационные системы можно классифицировать по разным признакам и характеристикам, но при этом нужно учитывать тот факт, что жесткая конкурентная борьба между основными производителями специализированного ПО ведет к совершенствованию ГИС от версии к версии. Исходя из этого, критерии оценки систем крайне условны и справедливы лишь в течение какого-то определенного временного интервала.

Наиболее существенная классификация на сегодняшний день - это классификация по функциональным возможностям .

 В соответствии с ней ГИС подразделяются на:

- профессиональные , нацеленные на обработку больших массивов информации на высокопроизводительных компьютерах и вычислительных сетях, предназначенные для серьезных научных исследований, руководства целыми отраслями или крупными территориями (государствами, мегаполисами, городами). Наиболее выделяющиеся среди них программные продукты фирм ESRI, INTERGRAPH, AutoDesk, GDS и др.;

- настольные , имеющими по сравнению с первыми меньшую производительность и используемыми для решения прикладных научных задач оперативного управления и планирования. Среди них можно отметить такие продукты, как MapInfo Professional, ArcView, WinGIS, Atlas GIS, Credo, ГИС-Конструктор и т.д. (Рис.1)

 

Рис. 1. Окно программы ArcView GIS

 

- вьюверы (viewer), электронные атласы, т.е. простые недорогие системы для информационно-справочного использования. Программные продукты этого класса лишены возможности редактирования информации и предназначены в основном для поиска и визуального отображения информации, подготовленной в профессиональных или настольных ГИС.

Кроме того ГИС можно классифицировать по типам представления географической информации. Выделяют два типа ГИС, в которых используются разные модели представления данных:

- ГИС на основе растровой модели представления данных ( регулярно-ячеистое представление и квадротомическое представление) .В таких ГИС цифровое представление географических объектов формируется в виде совокупности ячеек растра (пикселей) с присвоенным им значением класса объекта. (Рис. 2.)

 

Рис. 2. Пример структуры, описываемой растровой моделью. 1 – жилой район, 2 – водоем, 3 – с/х земли

 

- ГИС на основе векторной модели представления данных ( векторно-топологическое представление и векторно-нетопологическое). В этом случае цифровое представление точечных, линейных и полигональных пространственных объектов осуществляется в виде набора координатных чисел. (Рис. 3.)

 

Рис. 3.  Пример структуры, описываемой векторной моделью. 1 – жилой район, 2 – водоем, 3 – с/х земли.

Следует отметить, что современные геоинформационные системы обычно работают как с векторной, так и с растровой моделями представления данных.

Рассмотрим преимущества растровой и векторной моделей.

Растровая модель:

1. Картографические проекциипросты и точны, т.е. любой объект неправильной формы описывается с точностью до одной ячейки растра.

2. Непосредственное соединение в одну картину снимков дистанционного зондирования (спутниковые изображения или отсканированные аэрофотоснимки).

3. Поддерживает большое разнообразие комплексных пространственных исследований.

4. Программное обеспечение для растровых ГИС легче освоить и оно более дешевое, чем для векторных ГИС.

Векторная модель:

1. Хорошее визуальное представление географических ландшафтов.

2. Топология местности может быть детально описана, включая телекоммуникации, линии электропередач, газо - и нефтетрубопроводы, канализационную систему.

3. Превосходная графика, методы которой детально моделируют реальные объекты.

4. Отсутствие растеризации (зернистости) графических объектов при масштабировании зоны просмотра.

Кроме представленных выше классификаций, существующие ГИС можно разделять по используемой в системе топологической модели данных :

- без топологической поддержки;

- с объектной топологической поддержкой;

- с линейно-узловой топологической поддержкой.

По принципам внутреннего устройства и функционирования ГИС выделяют открытые (расширяемые) и закрытые системы.

Открытые системы позволяют пользователю адаптировать программную среду для решения его прикладных задач путем создания собственных приложений. Для этого используют широко распространенные языки программирования, такие как С++, Java, Delphi и др.

Закрытые системыне имеют этих достоинств. Они изначально нацелены на решение специфических прикладных задач и при изменении хотя бы одного условия задачи становятся бессильными. Помимо этого, зачастую возникают проблемы, связанные с обменом информации между приложениями. Это можно объяснить недостаточной документированностью внутренних форматов цифрового представления данных.

Широкое использование ГИС приводит к множественности типов геоинформационных систем, которые отличаются функциональностью, территориальным охватом, тематикой. Так выделяют несколько видов ГИС, разнящихся величиной пространственного охвата и масштабом. (Табл. 1.) [4]

Виды ГИС.

Вид ГИС	Охват территории, км2	Масштаб
Глобальные	105 - 108	1:1000000 - 1:100000000
Национальные	104 - 107	1:1000000 – 1:10000000
Региональные	103 - 105	1:100000 – 1:2500000
Муниципальные	103	1:1000 – 1:50000
Локальные	102 - 103	1:1000 – 1:100000

 

 

 

 

 

1. 6. Современные ГИС

MapInfo

MapInfo Professional – географическая информационная система (ГИС), предназначенная для сбора, хранения, отображения, редактирования и анализа пространственных данных. Первая версия ГИС MapInfo Professional была разработана в 1987 году компанией MapInfo Corp., и быстро стала одной из самых популярных ГИС в мире. Сейчас MapInfo Professional используется в 130 странах мира, переведена на 20 языков, включая, русский, и установлена в десятках тысяч организаций. В России благодаря простоте освоения, богатым функциональным возможностям и умеренной стоимости MapInfo Professional стала самой массовой геоинформационной системой.

ГИС MapInfo (Рис. 4.) – высокоэффективное средство для визуализации и анализа пространственных данных. Сферы применения ГИС MapInfo: бизнес и наука, образование и управление, социологические, демографические и политические исследования, промышленность и экология, транспорт и нефтегазовая индустрия, землепользование и кадастр, службы коммунального хозяйства и быстрого реагирования, армия и органы правопорядка, а также многие другие отрасли народного хозяйства.

На сегодняшний день основными программными продуктами компании MapInfo являются:

- MapInfo Professional – полнофункциональная геоинформационная система;

- MapBasic – среда программирования для MapInfo Professional;

- MapInfo SpatialWare – технология управления пространственной информацией в БД SQL

Server/Informix;

- MapInfo MapX – библиотека разработчика приложений;

- MapXtreme – программное обеспечение для разработки картографических приложений для Intranet или Internet.

Рис. 4. Интерфейс ГИС MapInfo.

 

Источники данных MapInfo:

- Обменные векторные форматы САПР и геоинформационных систем: AutoCAD (DXF, DWG), Intergraph/Micro Station Design, ESRI Shape файл, ARC/INFO Export, а также растровые карты в форматах GIF, JPEG, TIFF, PCX, BMP, MrSID, PSD, ECW, BIL (снимки SPOT) и GRID (GRA, GRD). В MapInfo можно отображать данные, полученные с помощью GPS и других электронных геодезических приборов.

- Файлы Excel, Access, xBASE, Lotus 1-2-3 и текстовые, в которых кроме атрибутивной информации могут храниться координаты точечных объектов.

- ГИС MapInfo может выступать в роли “картографического клиента” при работе с такими известными СУБД, как Oracle и DB2, поскольку поддерживает эффективный механизм взаимодействия с ними через протокол ODBC. Более того, доступ к данным из СУБД Oracle возможен и через внутренний интерфейс (OCI) этой базы данных.

В одном сеансе работы одновременно могут использоваться данные разных форматов. Встроенный язык запросов SQL, благодаря географическому расширению, позволяет организовывать выборки с учетом пространственных отношений объектов, таких как удаленность, вложенность, перекрытия, пересечения, площади объектов и т.п. Запросы к базе данных можно сохранять в виде шаблонов для дальнейшего использования. В MapInfo имеется возможность поиска и нанесения объектов на карту по координатам, адресу или системе индексов.