Географические информационные системы. Геоинформационные системы Примеры использования гис

Базовый составляющий геоинформатики являются геоинформационные систе­мы. Геоинформационная система (ГИС) - специализированная информационная система, предназначенная для работы на интегрированной основе с геопространс­твенными и различными по содержанию семантическими данными.

Поскольку ГИС является сложной интегрированной системой, она подчиняет­ся всем принципам системного анализа. Системный анализ - это совокупность методов и средств исследования сложных, многоуровневых и многокомпонентных систем, объектов, процессов, опирающихся на комплексный подход, учет взаимо­связей и взаимодействий между элементами системы. В системном анализе под системой понимается множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определенную целостность, единство. Элементами системы являются ее части, представление о которых нецелесообразно подвергать дальнейшему членению. Сложная система - это система, характеризуемая боль­шим числом элементов и большим числом взаимосвязей.

Интеграцией называют восстановление и повышение качественного уровня взаимосвязей между элементами системы, а также процесс создания из несколь­ких разнородных систем единой системы с целью исключения функциональной и структурной избыточности и повышения общей эффективности функциони­рования.

Назначением ГИС является ввод, хранение, обработка и вывод геопростран­ственной информации по запросам пользователей.

Таким образом, ГИС интегрируется, с одной стороны, с системами сбора ин­формации (дистанционное зондирование, геодезическая съемка, мониторинг окружающей среды), с другой - с системами хранения информации (информа- ционно-поисковые системы, базы данных, базы знаний, экспертные системы), с третьей стороны, с системами обработки информации (обработка изображений, моделирование, генерализация), с четвертой стороны, с системами отображения информации (компьютерная графика, электронные карты, создание трехмерных видеомоделей и сцен).

Поскольку геопространственные данные менее подвержены изменениям, чем семантические данные, они часто являются основой для интеграции данных в дру­гих автоматизированных системах (автоматизированного управления, проектиро­вания и научных исследований).

При интеграции ГИС с другими системами создаются новые технологии. Техно­логия включает в себя методы, приемы,режим работы, последовательность операций и процедур, она тесно связана с применяемыми средствами, оборудованием, инс­трументами, используемыми материалами. Геоинформационная технология - это совокупность приемов, способов и методов применения аппаратно-программных средств обработки и передачи информации на основе реализации функциональных возможностей ГИС.

Рассмотрим теперь различные методы классификации ГИС (рис. 1). По про­блемной ориентации можно выделить следующие виды ГИС.

Универсальные географические (комплексные или многоцелевые) для реше­ния общих проблем. Обычно это интегрированные ГИС, которые совмещают си­стемы цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) с функциональными возможностями ГИС по моделированию и многофакторному анализу данных в единой интегрированной среде. Такие ГИС используются в сферах управления федерального и регионального управления и планирования.

Отраслевые (тематические) - по проблеме одной отрасли. Основные проблемы, решаемые современными ГИС, сводятся к проблемам оптимального взаимораспо­ложения и определения местонахождения, размещения и распределения объектов и ресурсов, к классификации и районированию территории, выбору оптимального маршрута. Круг проблем, решаемых ГИС, может меняться в зависимости от требо­ваний времени и функциональных возможностей, определяющихся уровнем раз­работки структуры базы данных и ее программно-аппаратной реализацией. Про­блемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными и прикладными), среди них инвентаризация ресурсов (в том числе кадастр), анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений.

Специализированные. Предметом рассмотрения таких ГИС могут быть: не­дра, природопользование, экология, транспорт, связь, социально-экономические показатели, политология, городское хозяйство.

По целевому назначению ГИС могут быть:

Информационно-справочные. Такие ГИС либо используются в сети Интернет, либо тиражируются на компакт-дисках. Они широко используются для справоч­ных, туристических и образовательных целей.

Инвентаризационные, кадастровые. Такие ГИС создаются для учета и ведения земельного, лесного, водного, экологического, градостроительного и других видов кадастра, а также систем муниципального управления.

ГИС для принятия управленческих решений. Обычно такие ГИС создаются либо на федеральном уровне, либо на уровне различного рода министерств и ведомств и служат для получения оперативных данных в процессе принятия решений.

ГИС для управления процессами и системами. Такие ГИС помогают оператив­но управлять энергоресурсами, планировать работу транспорта, связи и т. д.

Как правило математическую основу ГИС составляют топоданные (топокарты). По территориальному охвату ГИС разбивают на несколько уровней.

1. Глобальные. Масштаб базовых карт, по которым создается ГИС, 1:4000 000 и мельче, система координат - географическая. Цифровые карты хранятся на оптических или компакт-дисках. Примером глобальных ГИС является цифро­вая карта мира.

2. Межгосударственные (субконтинентальные). В этих ГИС по территориально­му признаку объединяются несколько государств. Масштаб базовых карт для них - от 4000 000 до 1:200 000. В основном они имеют информационно-спра­вочное назначение.

3. Федеральные (общенациональные, государственные). Исходным картографи­ческим материалом для этих ГИС могут служить карты масштаба 1:4 000 000 до 1:1 000 000.

4. Региональные и субрегиональные. К этому уровню относят ГИС на основе то­пографических и картографических данных масштабов 1:100 000 и 1:200 000. Система координат - геодезическая (в США, Канаде и Западной Европе - 17ГМ, в РФ - Гаусса-Крюгера).

5. Муниципальные. Создаются для управления городским хозяйством. Напри­мер, для создания муниципальных кадастровых карт. Масштабы картографи­ческих и топографических данных состовляют 1:10 000 и 1: 25 000.

6. Локальные (районные). ГИС этого уровня создаются по геопространственным данным масштабов 1:10 000 и крупнее и служат для управления городским хо­зяйством, создания кадастровых карт и других целей местного значения.

Целями разработки ГИС являются: анализ, моделирование, управление, про­гноз, планирование, инвентаризация земель, мониторинг, геомаркетинг, картогра­фирование, обслуживание пользователей.

Сфера применения ГИС весьма широка. Это и управление территориальными образованиями, и исследование природных ресурсов, и экология, и рациональное землепользование, транспорт и строительство.

Реализация геоинформационных проектов, создание ГИС в широ­ком смысле слова, включает этапы: предпроектных исследований, в том числе изучение требований пользователя и функцио­нальных возможностей используемых программных средств ГИС, технико-эконо­мическое обоснование, оценку соотношения «затраты/прибыль»; системное проектирование ГИС, включая стадию пилот-проекта, разработку ГИС; ее тестирование на небольшом территориальном фрагменте, или тестовом участке, прототипирование, или создание опытного образца, или прототипа; внедрение ГИС; эксплуатацию и использование.

Особенности различных источников данных создаваемых ГИС позволяют ввести еще один принцип классификации - тип исходных данных, что дает воз­можность выделять системы, ориентированные на использование определенных материалов (карт, аэро- и космических снимков, таблиц, текстов, диаграмм, муль­тимедиа), либо их комплексов в интегрированной ГИС.

Проблемы, стоящие перед проектированием ГИС, реализуются посредством решения комплексов отдельных задач. Задача, определяемая как простейший цикл обработки типизированных данных, может быть отнесена к одной из групп:

1) учетно-инвентаризационных задач,

2) задач управления и принятия решений,

3) задач для моделирования и сложного анализа данных.

Комплексность решения задач в ГИС есть следствие ее эффективности, выте­кающей из ее интегрированности, картографической визуализации и наглядности информации. Несмотря на обилие задач, ГИС оперирует немногими категориями - природными и антропогенными объектами, а также изменяющимися в пространс­тве явлениями. Структура БД в первую очередь должна быть разработана с учетом возможности обеспечения манипулирования этими категориями при работе с ГИС.

В большинстве практически функционирующих ГИС все многообразие задач ГИС сводится к выполнению в основном запросов из БД двух типов: 1) запрос ин­формации «через карту» посредством «картографического интерфейса», с одной стороны, и 2) создание/выдача картографического отчета (т. е. в виде карты) по запросу из БД. При этом оба типа запросов могут иметь дополнительные ограни­чения, основанные на пространственных и непространственных характеристиках с использованием понятий расстояния, включения, пространственных взаимоот­ношений объектов (например, соседства или пересечения).

Выполнение каждой задачи можно рассматривать как с позиции функциональ­ности отдельных подсистем ГИС, так и в аспекте их программно-аппаратного обес­печения.

Функции ГИС закладываются в процессе создания ГИС. Акцент на функции оп­ределяет конфигурацию ГИС. Различные аспекты применения ГИС могут быть све­дены к следующим группам функций ГИС:

· сбор, кодирование и ввод информации - обеспечение формирования циф­рового представления пространственных объектов и явлений;

· редактирование, обновление, эффективное хранение данных, реорганиза­ция в разные формы, контроль правильности и качества данных, поддержа­ние системы на актуальном уровне;

· получение информации - в первичном и обобщенном виде (в том числе ге­нерализированном, суммарном, усредненном) и в виде результатов анализа, моделирования и интегрирования разнородной информации;

· сложные запросы, в том числе осуществляемые в ходе сложного анализа;

· вывод результатов в виде документов - таблиц, карт, диаграмм.

При всем многообразии операций, целей, областей моделирования, проблем­ной ориентации тех или иных атрибутов, логически организованных в них, в лю­бой ГИС выделяются блоки (подсистемы), выполняющие определенные группы функций.

Если рассматривать ГИС как системотехническое устройство, то она включает в себя: аппаратные средства, программное обеспечение, данные и ре­сурсы, технологии и информационный менеджмент.

Аппаратные средства. Это компьютер или сеть компьютеров, входящих в ГИС, а также состав специализированных информационно-технических средств, обес­печивающих функционирование ГИС.

Программное обеспечение ГИС содержит системные и прикладные фун­кции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации гео­пространственной информации. Ключевыми компонентами программных продуктов являются: инструменты для ввода и оперирования геоданными; сис­тема управления базой данных (БВМ8 или СУБД); инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения); графи­ческий пользовательский интерфейс (С1Л или ГИП) для легкого доступа к инст­рументам.

Данные, один из наиболее важных компонентов ГИС. Данные о пространс­твенном положении (геопространственные данные) и связанные с ними таблич­ные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем либо приобретаться у поставщиков на коммерческой или другой основе. В процессе управления ГИС интегрирует пространственные данные с другими типами и ис­точниками данных, а также может использовать СУБД, применяемые многими организациями для упорядочивания и поддержки имеющихся в их распоряже­нии данных.

Геоинформационный менеджмент . Широкое применение ГИС-технологии невозможно без людей, которые работают с программными продуктами и разра­батывают планы их использования при решении реальных задач. Пользователями ГИС могут быть как технические специалисты, разрабатывающие и поддержи­вающие систему, так и обычные сотрудники (конечные пользователи), которым ГИС помогает решать текущие каждодневные дела и проблемы. Успешность и эф­фективность (в том числе экономическая) применения ГИС во многом зависит от правильно составленного плана и правил работы, которые составляются в соот­ветствии со спецификой задач и работы каждой организации.

Географические информационные системы или просто геоинформационные системы (ГИС) – это управления пространственными данными. Пространственные данные , в свою очередь, это данные, описывающие местоположение объектов в пространстве, чаще всего, в виде двух или трехмерной геометрии. Геоинформационные системы позволяют выполнять с пространственными данными все то же самое, что и любые другие информационные системы со своими данными, а именно: предоставляют возможность их добавлять, удалять, обновлять, осуществлять к ним запросы, просматривать, анализировать и т.д.

Выделяют два основных формата представления пространственных данных: в виде векторной графики и в виде растров:

Растровая графика или растровое изображение это обычно двумерный массив точек, каждая из которых представлена своим цветом. Современные ГИС позволяют работать с растровыми изображениями практически любых форматов от bmp, png и jpeg и до TIFF/GeoTIFF. Используется растровая графика обычно для оформления “подложки” цифровой карты, поверх которой уже отображается векторная геометрия. За примерами далеко ходить не надо: откройте Google Maps или карты Яндекс и там вы увидите огромное количество растров. В виде векторной графики на этих картах представлено совсем немного, а именно граф дорог, границы территорий и некоторые другие объекты. Неоспоримым плюсом растровых изображений на цифровых картах является то, что они позволяют отображать огромное количество пространственной информации при относительно небольших объемах занимаемой памяти. Минусом является то, что качество изображения на растре резко снижается при значительном увеличении масштаба отображения, поэтому для разных масштабов используют растры различного территориального охвата и разрешения, которые сменяют друг друга при увеличении и уменьшении картинки. Как это происходит можно увидеть, работая с теми же Google Maps и картами Яндекс.

Векторная графика – это, собственно, геометрия, представленная в виде наборов координат. Формат представления векторной графики не хранит само изображение - оно формируется “налету“ подсистемой рендеринга (визуализации) ГИС, и поэтому качество картинки всегда высокое, независимо от текущего масштаба. Выделяют следующие виды векторных пространственных данных:

• Точечная геометрия . Используется в тех случаях, когда на заданном масштабе электронной карты важно лишь местоположение объекта. Обычно точечная геометрия и отображается в виде точки на карте определенного цвета, но некоторые ГИС позволяют заменять эту точку растровым рисунком или векторным символом, например стрелкой, условным обозначением или иконкой. Помимо координат точки, сама точечная геометрия может быть дополнительно параметризирована ориентацией на плоскости или в пространстве, что определяет угол поворота соответствующего символа или иконки на карте. Использовать точечную геометрию могут для визуализации практически любых объектов, за исключением протяженных, поскольку все зависит от масштаба карты.


• Линейная геометрия . Используется для представления объектов, для которых важно отразить их протяженность (длину) и линейную конфигурацию. К таким объектам относят дороги, реки (на мелких масштабах), участки территориальных границ и прочие подобные объекты. Опять же, на более крупных масштабах те же объекты могут уже изображаться в виде площадной геометрии.


• Площадная геометрия . Используется тогда, когда важно все: и местоположение и протяженность и площадь. К примеру, участок с домом на мелком масштабе может быть представлен точечной геометрией, а на более крупном уже площадной и линейной. Площадная геометрия – это не только полигоны, но и комплексы, состоящие из линейных фрагментов, дуг различных радиусов, а также, содержащих дыры, представленные другими полигонами.

ГИС и основы информационного моделирования

Векторная и растровая геометрия в ГИС не конкурируют между собой, а выполняют каждая свои функции. Растровая графика используется для оформления графического представления электронной карты. Она помогает ориентироваться пользователю при просмотре и поиске объектов на карте, поскольку местность чаще всего представлена аэрофотоснимками местности. Векторная графика – это средство представления на карте значимых в контексте текущей конфигурации ГИС объектов – тех объектов, данными которых управляет информационная система. Если это карта города, то в виде векторной графики обычно представлены улицы, дома, инженерные сооружения и прочие объекты городской инфраструктуры. Если это инженерные сети, к примеру, сети водоканала или теплосети, то значимыми объектами в данном случае дополнительно являются участки трубопроводов, узловые подстанции, оборудование и т.д.

К достоинствам векторной графики, помимо упомянутого выше постоянного качества изображения на любых масштабах, следует отнести возможность выбирать объекты на карте, редактировать их представление с помощью встроенных в ГИС инструментов или выполнять к таким данным пространственные запросы.

Пространственный запрос – это структурированный запрос к пространственным данным, критериями которого являются условия, связанные с координатами векторной геометрии. К примеру, можно запросить все объекты определенного типа, которые находятся внутри заданного контура, пересекают заданную границу или находятся на определенном расстоянии от заданной точки.

С пространственными данными может быть связана также любая неграфическая информация, дополнительно характеризующая тот или иной объект в системе. Более того, любой объект информационной модели в ГИС может быть представлен совокупностью пространственных объектов и наборов, связанных с ними семантических атрибутов, описывающих этот объект точно так же, как если бы он был представлен в любой неграфической системе. Допустим, если ГИС использует для хранения своих данных СУБД, то семантическая часть описания объектов - это записи в таблицах реляционной базы данных. Пример: ГИС управляет данными сетей газопровода. Объект “участок газопровода” в этом случае может быть представлен структурами линейной геометрии для просмотра сети на мелком масштабе карты; площадной геометрии для крупного масштаба и отдельной таблицей для хранения его длины, радиуса, материала и прочих технических характеристик. Довольно часто структурированные запросы к данным под управлением ГИС представляют собой симбиоз традиционных к базе данных и параметров пространственных запросов. К примеру, запрос на выбор всех участков газопровода определенного радиуса на заданной некоторым полигоном территории.

С основными принципами информационного моделирования, которые также справедливы и для ГИС вы можете познакомиться .

Из чего состоит и как работает геоинформационная система

Подсистема работы с хранилищами пространственных данных. Есть ГИС решения, которые в качестве хранилища пространственных данных используют базы данных, взаимодействуя с СУБД. Есть программные продукты, которые данные хранят в файлах собственного формата, а есть те, которые могут работать с различными источниками графической информации. Подсистема работы с хранилищами пространственных данных – это программные компоненты ГИС, ответственные за создание соединений с самими хранилищами и обмена с ними данными, в том числе, по сетевым протоколам.

Модуль управления координатными системами. Координаты, которыми представлены пространственные данные в геоинформационном хранилище могут соответствовать либо прямоугольной (декартовой), либо географической, построенной на основе эллипсоида, системе координат. Если раньше считалось, что земля круглая, то в наше время ее форма описывается довольно сложной фигурой – геоидом . Поверхность геоида совпадает с уровнем вод мирового океана, условного продолженного под материками. Эллипсоид , в свою очередь, это геометрическое место точек, полученное вращением геоида вокруг своей главной оси. Я не являюсь специалистом в геодезии, посему в тонкости построения земных систем координат вдаваться не буду, а продолжу свой рассказ с позиции пользователя ГИС. Система координат может быть также глобальной (на всю территорию земли) или локальной - предназначенной для позиционирования в определенных пределах земной поверхности. Есть локальные географические системы координат, которые для конкретной местности обладают более высокой точностью, чем мировая система координат. Достигается это за счет того, что построены такие системы координат на основе более точного в условиях данной местности локального эллипсоида (в сравнении с глобальным его описанием). Прямоугольные системы координат, по природе своей, все локальные, поскольку лишь на небольших территориях погрешность, связанная с тем, что земля все-таки не плоская, а круглая, не мешает строить относительно точные карты. Начало координат таких систем координат выбирается произвольно, а создаются они для разных целей, в том числе и для того, чтобы иметь представление о взаимном расположении объектов, но исключить в целях безопасности возможность получения их истинных (мировых) координат. Примером локальной системы координат является местная система координат города Москвы, имеющая нулевые координаты в районе главного здания МГУ.

Модуль управления координатными системами предназначен для преобразования точек из исходной системы координат хранилища пространственных данных в координаты плоскости, с которыми работает графическое ядро операционной системы, позволяющее выводить изображение на экран, принтер и другие устройства вывода. Данный модуль также ответственен за обратное преобразование: трансформацию координат точки на плоскости в координаты информационного хранилища (мировые или локальные координаты). Обратное преобразование используется в процессе редактирования (оцифровки) геометрии инструментальными средствами ГИС. Чаще всего ГИС имеет дело с системой координат WGS 84 (World Geodetic System), являющейся единой системой координат на всю территорию планеты Земля. Географическая или, как ее еще называют, геоцентрическая система координат, такая как WGS 84, является эллипсоидной системой координат, определяющей координаты объектов относительно центра масс земли. Географические системы координат отличаются друг от друга формой эллипсоида, на котором они базируются. Набор преобразований, которые применяются для трансформации координат географической системы координат в декартову систему координат, называется картографической проекцией. Другими словами, картографическая проекция – это отражение (развертывание) эллипсоида географической системы координат на плоскость. Наиболее широко распространенными проекциями являются проекция UTM (Universal Transverse Mercator) и проекция Гаусса Крюгера (ГК).

Легенда или подсистема настройки графического представления. Любое хранилище пространственных данных представлено набором объектов векторной и растровой графики. В ГИС 2D отдельные объекты пространственных данных часто называют слоями, поскольку изображение, формируемое в окне электронной карты, создается последовательно: подсистема отображения “рисует” по очереди каждый тип объектов. Таким образом, результат формирования изображения – это многослойная двухмерная картинка, где каждый последующий слой нанесен поверх предыдущего. Легенда – это основной инструмент в ГИС, при помощи которого определяется не только порядок вывода объектов на карту (порядок слоев), но и параметры их отображения (цвет, толщина линий, шрифт подписей и т.д.). С помощью легенды отдельные объекты можно включать и исключать из списка отображаемых слоев на карте. Легенда может описывать слои, которые представляют объекты, извлекаемые подсистемой работы с пространственными данными из разных соединений. К примеру, на одной карте объединяются данные топографической карты (местности) из одного источника и данные инженерных сетей (газопровод, теплосеть и т.п.) из другого источника.

Подсистема отображения. Важным параметром настройки графического представления пространственных данных является номинальный масштаб карты . Именно тогда, когда масштаб отображения данных в окне электронной карты ГИС соответствует номинальному масштабу, толщина линий, размер шрифта и прочих параметров соответствует тем, что заданы в легенде, а в условиях другого масштаба, который легко может быть изменен пользователем, толщина линий и размер шрифта будут увеличены или уменьшены соответственно. Таким образом, номинальный масштаб карты – это точка отсчета для подсистемы отображения. По какому принципу подсистема отображения формирует графическое представление пространственных данных, во многом определяется легендой конкретной карты. Рабочее место ГИС может состоять из целого набора электронных карт, каждая из которых представлена своей легендой.

Подсистема редактирования пространственных данных. Это, собственно, тот набор инструментальных пользовательских средств ГИС, которые позволяют редактировать пространственные данные. Нанесение новой или редактирование существующей геометрии обычно сводится к последовательному указанию точек на карте. При выборе этих точек модуль управления координатными системами трансформирует координаты курсора на экране в точки, соответствующие системе координат информационного хранилища. Современные системы графического ввода могут также позволять при указании точек “привязываться” к уже имеющимся данным, например, к углам или серединам отрезков ломаных линий, к точечной геометрии и т.д.

Подсистема анализа пространственных данных. Та самая подсистем, которая позволяет настраивать, выполнять и отображать результаты пространственных запросов. Параметры графического представления результатов пространственных запросов, также определяются средствами легенды.

Подсистема печати. Разновидность подсистемы отображения, предназначенная для вывода фрагментов электронных карт на принтер или плоттер (графопостроитель). К дополнительным функциям подсистемы печати, в сравнении с подсистемой вывода изображения на экран, можно отнести настройку и формирование графического представления на распечатке самой легенды, а также условного обозначения масштаба, компаса, и прочих атрибутов, необходимых для работы с бумажной версией карты.

Подсистема бизнес логики. Любые программные средства, используемые в ходе настройки работы геоинформационной системы для решения конкретной прикладной задачи или группы задач. К таким средствам может относиться и подсистема информационного моделирования предметной области, для интеграции с другими информационными системами, и , создаваемых, к примеру, на встроенном в ГИС и многое другое. Состав подсистемы бизнес логики у разных программных продуктов этого класса может существенно отличаться, а может вообще отсутствовать, поскольку все зависит от назначения конкретного решения.

Наиболее известные современные ГИС

Наиболее известными представителями программных компонентов ГИС являются продукты трех американских компаний. Это семейство решений Geomedia компании Intergraph, продукты ArcGIS компании ESRI и инструментарий MapInfo компании Pitney Bowes. В России, в силу ряда обстоятельств наиболее популярными являются последние две, хотя Geomedia во многих аспектах является более универсальным и современным продуктом. В частности, Geomedia и Geomedia Professional позволяет пользователю работать с пространственными данными различных форматов непосредственно (в том числе с данными ArcGIS и MapInfo), не прибегая к предварительным процедурам их конвертации и импорта, в то время как решения конкурентов предпочитают работать только со своими форматами данных.

P.S. Примеры проектирования подсистем ГИС на языке C# в контексте изучения объектно-ориентированного подхода в программировании, а именно: классы для работы с векторной графикой, подсистема работы с геоинформационным хранилищем, архитектура сервиса линейных преобразований и некоторые другие рассматриваются курса программирования .

Геоинформационная система (ГИС , также географическая информационная система ) - это интегрированные в единой информационной среде электронные пространственно-ориентированные изображения (карты, схемы, планы и т.п.) и базы данных. ГИС включают в себя возможности систем управления базами данных (СУБД), редакторов растровой и векторной графики и аналитических средств и применяются в картографии, геологии, метеорологии, землеустройстве, экологии, муниципальном управлении, транспорте, экономике, обороне и многих других областях.

По территориальному охвату различают глобальные ГИС (global GIS), субконтинентальные ГИС, национальные ГИС, зачастую имеющие статус государственных, региональные ГИС (regional GIS), субрегиональные ГИС и локальные, или местные ГИС (local GIS).

Как работает ГИС

ГИС хранит информацию о реальном мире в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе географического положения. Этот простой, но очень гибкий подход доказал свою ценность при решении разнообразных реальных задач: для отслеживания передвижения транспортных средств и материалов, детального отображения реальной обстановки и планируемых мероприятий, моделирования глобальной циркуляции атмосферы.

Любая географическая информация содержит сведения о пространственном положении, будь то привязка к географическим или другим координатам, или ссылки на адрес, почтовый индекс, избирательный округ или округ переписи населения, идентификатор земельного или лесного участка, название дороги или километровый столб на магистрали и т.п.

послойное представление географической информации в ГИС

Ключевые преимущества ГИС

• удобное для пользователя отображение пространственных данных
  Картографирование пространственных данных, в том числе в трехмерном измерении, наиболее удобно для восприятия, что упрощает построение запросов и их последующий анализ.
• интеграция данных внутри организации
  Геоинформационные системы объединяют данные, накопленные в различных подразделениях компании или даже в разных областях деятельности организаций целого региона. Коллективное использование накопленных данных и их интеграция в единый информационный массив дает существенные конкурентные преимущества и повышает эффективность эксплуатации геоинформационных систем.
• принятие обоснованных решений
  Автоматизация процесса анализа и построения отчетов о любых явлениях, связанных с пространственными данными, помогает ускорить и повысить эффективность процедуры принятия решений.
• удобное средство для создания карт
  Геоинформационные системы оптимизируют процесс расшифровки данных космических и аэросъемок и используют уже созданные планы местности, схемы, чертежи. ГИС существенно экономят временные ресурсы, автоматизируя процесс работы с картами, и создают трехмерные модели местности.

Отраслевое использование ГИС

Возможности геоинформационных систем могут быть задействованы в самых различных областях деятельности. Вот лишь некоторые примеры использования ГИС:

административно-территориальное управление

• городское планирование и проектирование объектов;
• ведение кадастров инженерных коммуникаций, земельного, градостроительного, зеленых насаждений;
• прогноз чрезвычайных ситуаций техногенно-экологического характера;
• управление транспортными потоками и маршрутами городского транспорта;
• построение сетей экологического мониторинга;
• инженерно-геологическое районирование города.

телекоммуникации

• транковая и сотовая связь, традиционные сети;
• стратегическое планирование телекоммуникационных сетей;
• выбор оптимального расположения антенн, ретрансляторов и др.;
• определение маршрутов прокладки кабеля;
• мониторинг состояния сетей;
• оперативное диспетчерское управление.

инженерные коммуникации

• оценка потребностей в сетях водоснабжения и канализации;
• моделирование последствий стихийных бедствий для систем инженерных коммуникаций;
• проектирование инженерных сетей;
• мониторинг состояния инженерных сетей и предотвращение аварийных ситуаций.

транспорт

• автомобильный, железнодорожный, водный, трубопроводный, авиатранспорт;
• управление транспортной инфраструктурой и ее развитием;
• управление парком подвижных средств и логистика;
• управление движением, оптимизация маршрутов и анализ грузопотоков.

нефтегазовый комплекс

• геологоразведка и полевые изыскательные работы;
• мониторинг технологических режимов работы нефте- и газопроводов;
• проектирование магистральных трубопроводов;
• моделирование и анализ последствий аварийных ситуаций.

силовые ведомства

• службы быстрого реагирования, вооруженные силы, милиция, пожарные службы;
• планирование спасательных операций и охранных мероприятий;
• моделирование чрезвычайных ситуаций;
• стратегическое и тактическое планирование военных операций;
• навигация служб быстрого реагирования и других силовых ведомств.

экология

• оценка и мониторинг состояния природной среды;
• моделирование экологических катастроф и анализ их последствий;
• планирование природоохранных мероприятий.

лесное хозяйство

• стратегическое управление лесным хозяйством;
• управление лесозаготовками, планирование подходов к лесу и проектирование дорог;
• ведение лесных кадастров.

сельское хозяйство

• планирование обработки сельскохозяйственных угодий;
• учет землевладельцев и пахотных земель;
• оптимизация транспортировки сельскохозяйственных продуктов и минеральных удобрений.

Примеры ГИС

Google Earth

Проект компании Google, в рамках которого в сети Интернет были размещены спутниковые фотографии всей земной поверхности. Фотографии некоторых регионов имеют беспрецедентно высокое разрешение.

В отличие от других аналогичных сервисов, показывающих спутниковые снимки в обычном браузере (например, Google Maps), в данном сервисе используется специальная, загружаемая на компьютер пользователя клиентская программа Google Earth. Такой подход хотя и требует закачивания и установки программы, но зато в дальнейшем обеспечивает дополнительные возможности, трудно реализуемые с помощью веб-интерфейса. Эта программа изначально была выпущена компанией Keyhole, а затем куплена компанией Google, которая и сделала программу общедоступной. Существуют также платные версии Google Earth Plus и Google Earth Pro, отличающиеся поддержкой GPS навигации, средств презентаций и повышенным разрешением распечатки.

Возможности:

• Google Earth автоматически подкачивает из интернета необходимые пользователю изображения и другие данные, сохраняет их в памяти компьютера и на жёстком диске для дальнейшего использования. Скачанные данные сохраняются на диске, и при последующих запусках программы закачиваются только новые данные, что позволяет существенно экономить трафик.
• Для визуализации изображения используется трёхмерная модель всего земного шара (с учётом высоты над уровнем моря), которая отображается на экране при помощи интерфейсов DirectX или OpenGL. Именно в трёхмерности ландшафтов поверхности Земли и состоит главное отличие программы Google Earth от её предшественника Google Maps. Пользователь может легко перемещаться в любую точку планеты, управляя положением «виртуальной камеры».
• Практически вся поверхность суши покрыта изображениями, полученными от компании DigitalGlobe, и имеющими разрешение 15 м на пиксель. Есть отдельные участки поверхности (как правило, покрывающие столицы и некоторые крупные города большинства стран мира), имеющие более подробное разрешение. Например, Москва снята с разрешением 0,6 м/пк, а многие города США - c разрешением 0,15 м/пк. Данные ландшафта имеют разрешение порядка 100 м.
• Также имеется огромное количество дополнительных данных, которые можно подключить по желанию пользователя. Например, названия населённых пунктов, водоёмов, аэропортов, дороги, ж/д, и др. информация. Кроме этого, для многих городов имеется более подробная информация - названия улиц, магазины, заправки, гостиницы, и т. д. Имеется слой геоданных (синхронизированный через Интернет с соответствующей базой данных), на котором отображены (с пространственной привязкой) ссылки на статьи из Википедии. В России можно видеть названия улиц всех городов в центральных областях.
• Пользователи могут создавать свои собственные метки и накладывать свои изображения поверх спутниковых (это могут быть карты, или более детальные снимки, полученные из других источников). Этими метками можно обмениваться с другими пользователями программы через форум Google Earth Community. Отправленные на этот форум метки становятся примерно через месяц видны всем пользователям Google Earth.
• В программе есть слой «3D Здания», с трёхмерными моделями, добавляемыми разработчиками или самими пользователями, посредством сервиса 3D Warehouse. В городах России можно найти модели некоторых значимых памятников архитектуры.
• Есть также упрощённая Java-версия программы для сотовых телефонов.
• Имеется функция измерения расстояний.
• В версии 4.2 появилась технология Google Sky, позволяющая рассматривать звёздное небо.
• В версии 5.0 была введена возможность просматривать трёхмерную карту дна морей и океанов.

Технология GeoMedia является архитектурой ГИС нового поколения, позволяющая работать напрямую без импорта/экспорта одновременно с множеством пространственных данных в различных форматах. Это достигается применением специальных компонентов доступа к данным - Intergraph GeoMedia Data Server.

Позволяет визуализировать и анализировать пространственную информацию (поиск, фильтрация по условию, динамическая визуализация по условию или от изменения информации в БД, буферные зоны, статистика, анализ близости, топологический анализ (типа «находится ли объект А внутри объекта Б» и пр.) и мн. другое), подготовка карт к печати. Для конечных пользователей (не ГИС-конструкторов и администраторов) выполнение запросов по шаблону в среде настроенного рабочего сеанса. Напрямую (без конвертации и порчи в этот момент данных) подключается к следующим источникам информации (серверам и файлам в соотв. форматах): ArcGIS, MapInfo, MGE, GeoMedia (хранилище на платформе Microsoft Access, Microsoft SQL Server, Oracle Server), универсальные базы данных Oracle Server, IBM DB2 и Microsoft SQL Server, векторные карты или графика в форматах MicroStation (Bentley Systems), AutoCAD (Autodesk) и др., растровые данные (с и без геопривязки) такие, как аэрокосмические снимки и сканированные бумажные картматериалы в форматах TIFF, JPEG, CIT, RLE и пр., Веб-серверы WMS, электронные таблицы, табличные источники данных ODBC и даже ASCII тексты (в качестве полноценного хранилища, но, конечно же, форматированные). Не подходит для редактирования и/или создания данных (цифровых карт).

NASA World Wind

Полностью трёхмерный интерактивный виртуальный глобус, созданный NASA. Использует спутниковые снимки NASA и аэрофотосъёмку USGS для построения трёхмерных моделей планеты. Первоначально в программе содержатся карты с низким разрешением. При приближении некоторой рассматриваемой области на карте, изображения с высоким разрешением скачиваются с серверов NASA.

Программа позволяет выбирать масштаб, направление и угол зрения, видимые слои, производить поиск по географическим названиям. Возможно отображение названий географических объектов и политических границ.

Функция изменения масштаба реализована в World Wind как изменение высоты, с которой на поверхность смотрит камера. С большой высоты изображение выглядит плоским, однако с высоты несколько десятков километров в горах отчетливо заметен эффект перспективы, а плавная прокрутка изображения создает впечатление полета над реальной местностью.

Кроме изображения Земли, программа показывает также и поверхность Луны. Изображения получены со спутника «Клементина», запущенного в 1994 году и сделавшего за это время около 1.8 миллионов снимков. NASA World Wind позволяет наблюдать Луну почти в любой ей точке, регулируя приближение изображения. На изображении отчётливо просматривается рельеф естественного спутника, горы, кратеры и расщелины. Некоторые изображения настолько детализированы, что даёт возможность настройки вида поверхности Луны с двадцати метров.

gvSIG

Свободная геоинформационная система с открытым исходным кодом . Первая рабочая версия появилась в конце 2006 года и распространялась через интернет. Является инструментарием управления географической информацией с интуитивно понятным интерфейсом, прекрасно работающим как с растровым, так и с векторным форматом. gvSIG развивается с правительственного гранта Испании.

Программа поддерживает все необходимые функции ГИС:

• Pабота со слоями, благодаря которой можно отображать лишь необходимые в данный момент объекты;
• Функции масштабирования карты;
• Поддержка сохранения необходимых ракурсов карты;
• Автоматические расчёты расстояния между объектами и площадей областей;
• Размещение активных объектов на карту;
• Создание профессиональных географических карт с необходимыми элементами, которые можно впоследствии печатать.

ArcGIS

Семейство программных продуктов американской компании ESRI, одного из лидеров мирового рынка геоинформационных систем. ArcGIS построена на основе технологий COM, .NET, Java, XML, SOAP. Новейшая версия - ArcGIS 10.

ArcGIS позволяет визуализировать (представить в виде цифровой карты) большие объёмы статистической информации, имеющей географическую привязку. В среде создаются и редактируются карты всех масштабов: от планов земельных участков до карты мира.

Также в ArcGIS встроен широкий инструментарий анализа пространственной информации.

ArcGis используется в самых различных областях:

Геоинформационная система, предназначенная для геомоделирования, управления пространственными векторными и растровыми данными, обработки спутниковых снимков, создания печатной картографической продукции и многого другого.

Пакет работает со всеми современными СУБД, поддерживает топологию, трехмерную визуализацию, позволяет проводить векторизацию по различным методикам и имеет множество других возможностей, присущих дорогим коммерческим продуктам вроде ESRI ArcGIS или MapInfo. Благодаря этим качествам, GRASS широко используется в коммерческих и научных проектах (например, GRASS активно использует NASA).

Следует отметить, что GRASS GIS одна из старейших геоинформационных систем. Ее разработку инициировала лаборатория U. S. Army Construction Engineering Research в 1982 году. В 1995 исходные тексты GRASS были опубликованы под лицензией GPL.

Главнейшей особенностью GRASS является модульная структура, позволяющая формировать из отдельных функциональных единиц ГИС, оптимизированную под нужды конечного пользователя.

Основные группы модулей:

• визуализация;
• взаимодействие с СУБД (хранение пространственной и атрибутивной информации);
• image processing (обработка спутниковых снимков, создание композитных снимков, геометрическая и хроматическая коррекция);
• управление печатью;
• работа с растровыми картами (shade-модели, масштабирование);
• работа с векторными картами (операции пространственного анализа, атрибутивные запросы);
• и др.

Для работы с картографическими проекциями и системами координат GRASS использует библиотеку proj, что позволяет «понимать» более 30 тыс. различных их типов. Импорт и экспорт осуществляется через библиотеку GDAL. Поддерживаются форматы Shapefile, MapInfo TAB, PostGIS, DXF, GeoTIFF, IMG и любой другой.

Источники

1. http://tinyurl.com/2ulhlrh
2. http://ru.wikipedia.org/wiki/ На сегодняшний день пользователям GeoMedia доступны компоненты для всех основных индустриальных форматов хранилищ цифровых картографических данных: ArcInfo, ArcView, ASCII, AutoCAD, FRAMME, GeoMedia, GML, MapInfo, MGE, MicroStation, Oracle Spatial и др., включая растровые, табличные и мультимедийные данные. При этом пользователи могут разработать собственный GeoMedia Data Server на основе шаблона для произвольного формата. Компоненты Intergraph GeoMedia Data Server позволяют на одной карте увидеть и одновременно проанализировать данные из произвольного количества источников, хранящихся в разных форматах, системах координат, имеющие различную точность. Такой подход позволяет сохранить инвестиции в уже существующие ГИС-решения, одновременно с этим перейдя на новый уровень интеграции информационных ресурсов предприятия.

   Семейство продуктов GeoMedia включает две базовые линейки продуктов - настольные и серверные, плюс дополнительные прикладные модули.

   GeoMedia является прообразом первой версии международных стандартов в области ГИС, разрабатываемых Open GIS Consortium и, одновременно, является первой реализацией этих стандартов.

ГИС (ДубльГИС Барнаул)

Однозначное краткое определение этому явлению дать достаточно сложно. Географическая информационная система (ГИС) - это возможность нового взгляда на окружающий нас мир. Если обойтись без обобщений и образов, то ГИС - это современная компьютерная технология для картирования и анализа объектов реального мира, также событий, происходящих на нашей планете. Эта технология объединяет традиционные операции работы с базами данных, такими как запрос и статистический анализ, с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эти возможности отличают ГИС от других информационных систем и обеспечивают уникальные возможности для ее применения в широком спектре задач, связанных с анализом и прогнозом явлений и событий окружающего мира, с осмыслением и выделением главных факторов и причин, а также их возможных последствий, с планированием стратегических решений и текущих последствий предпринимаемых действий. Создание карт и географический анализ не являются чем-то абсолютно новым. Однако технология ГИС предоставляет новый, более соответствующий современности, более эффективный, удобный и быстрый подход к анализу проблем и решению задач, стоящих перед человечеством в целом, и конкретной организацией или группой людей, в частности. Она автоматизирует процедуру анализа и прогноза. До начала применения ГИС лишь немногие обладали искусством обобщения и полноценного анализа географической информации с целью обоснованного принятия оптимальных решений, основанных на современных подходах и средствах. В настоящее время ГИС - это многомиллионная индустрия, в которую вовлечены сотни тысяч людей во всем мире. ГИС изучают в школах, колледжах и университетах. Эту технологию применяют практически во всех сферах человеческой деятельности - будь то анализ таких глобальных проблем как перенаселение, загрязнение территории, сокращение лесных угодий, природные катастрофы, так и решение частных задач, таких как поиск наилучшего маршрута между пунктами, подбор оптимального расположения нового офиса, поиск дома по его адресу, прокладка трубопровода на местности, различные муниципальные задачи. По территориальному охвату различают глобальные ГИС (global GIS), субконтинентальные ГИС, национальные ГИС, зачастую имеющие статус государственных, региональные ГИС (regional GIS), субрегиональные ГИС и локальные, или местные ГИС (local GIS).

ГИС различаются предметной областью информационного моделирования, к примеру, городские ГИС, или муниципальные ГИС, МГИС (urban GIS), природоохранные ГИС (environmental GIS) и т. п.; среди них особое наименование, как особо широко распространённые, получили земельные информационные системы. Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными и прикладными), среди них инвентаризация ресурсов (в том числе кадастр), анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений. Интегрированные ГИС, ИГИС (integrated GIS, IGIS) совмещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) в единой интегрированной среде.

Полимасштабные, или масштабно-независимые ГИС (multiscale GIS) основаны на множественных, или полимасштабных представлениях пространственных объектов (multiple representation, multiscale representation), обеспечивая графическое или картографическое воспроизведение данных на любом из избранных уровней масштабного ряда на основе единственного набора данных с наибольшим пространственным разрешением. Пространственно-временные ГИС (spatio-temporal GIS) оперируют пространственно-временными данными. Реализация геоинформационных проектов (GIS project), создание ГИС в широком смысле слова, включает этапы: предпроектных исследований (feasibility study), в том числе изучение требований пользователя (user requirements) и функциональных возможностей используемых программных средств ГИС, технико-экономическое обоснование, оценку соотношения «затраты/прибыль» (costs/benefits); системное проектирование ГИС (GIS designing), включая стадию пилот-проекта (pilot-project), разработку ГИС (GIS development); её тестирование на небольшом территориальном фрагменте, или тестовом участке (test area), прототипирование, или создание опытного образца, или прототипа (prototype); внедрение ГИС (GIS implementation); эксплуатацию и использование. Научные, технические, технологические и прикладные аспекты проектирования, создания и использования ГИС изучаются геоинформатикой.

История ГИС

Начальный период (поздние 1950е - ранние 1970е гг.)

Исследование принципиальных возможностей, пограничных областей знаний и технологий, наработка эмпирического опыта, первые крупные проекты и теоретические работы.

• Появление электронных вычислительных машин (ЭВМ) в 50-х годах.
• Появление цифрователей, плоттеров, графических дисплеев и других периферийных устройств в 60-х.
• Создание программных алгоритмов и процедур графического отображения информации на дисплеях и с помощью плоттеров.
• Создание формальных методов пространственного анализа.
• Создание программных средств управления базами данных.

Период государственных инициатив (нач. 1970е - нач. 1980е гг.)

Государственная поддержка ГИС стимулировала развитие экспериментальных работ в области ГИС, основанных на использовании баз данных по уличным сетям:

• Автоматизированные системы навигации.
• Системы вывоза городских отходов и мусора.
• Движение транспортных средств в чрезвычайных ситуациях и т. д.

Период коммерческого развития (ранние 1980е - настоящее время)

Широкий рынок разнообразных программных средств, развитие настольных ГИС, расширение области их применения за счет интеграции с базами непространственных данных, появление сетевых приложений, появление значительного числа непрофессиональных пользователей, системы, поддерживающие индивидуальные наборы данных на отдельных компьютерах, открывают путь системам, поддерживающим корпоративные и распределенные базы геоданных.

Пользовательский период (поздние 1980е - настоящее время)

Повышенная конкуренция среди коммерческих производителей геоинформационных технологий услуг дает преимущества пользователям ГИС, доступность и «открытость» программных средств позволяет использовать и даже модифицировать программы, появление пользовательских «клубов», телеконференций, территориально разобщенных, но связанных единой тематикой пользовательских групп, возросшая потребность в геоданных, начало формирования мировой геоинформационной инфраструктуры.

Принцип работы ГИС

ГИС хранит информацию о реальном мире в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе географического положения. Этот простой, но очень гибкий подход доказал свою ценность при решении разнообразных реальных задач: для отслеживания передвижения транспортных средств и материалов, детального отображения реальной обстановки и планируемых мероприятий, моделирования глобальной циркуляции атмосферы. Любая географическая информация содержит сведения о пространственном положении, будь то привязка к географическим или другим координатам, или ссылки на адрес, почтовый индекс, избирательный округ или округ переписи населения, идентификатор земельного или лесного участка, название дороги и т.п. При использовании подобных ссылок для автоматического определения местоположения или местоположений объекта (объектов) применяется процедура, называемая геокодированием. С ее помощью можно быстро определить и посмотреть на карте где находится интересующий вас объект или явление, такие как дом, в котором проживает ваш знакомый или находится нужная вам организация, где произошло землетрясение или наводнение, по какому маршруту проще и быстрее добраться до нужного вам пункта или дома.

Векторная и растровая модели

ГИС может работать с двумя существенно отличающимися типами данных - векторными и растровыми. В векторной модели информация о точках, линиях и полигонах кодируется и хранится в виде набора координат X,Y. Местоположение точки (точечного объекта), например буровой скважины, описывается парой координат (X,Y). Линейные объекты, такие как дороги, реки или трубопроводы, сохраняются как наборы координат X,Y. Полигональные объекты, типа речных водосборов, земельных участков или областей обслуживания, хранятся в виде замкнутого набора координат. Векторная модель особенно удобна для описания дискретных объектов и меньше подходит для описания непрерывно меняющихся свойств, таких как типы почв или доступность объектов. Растровая модель оптимальна для работы с непрерывными свойствами. Растровое изображение представляет собой набор значений для отдельных элементарных составляющих (ячеек), оно подобно отсканированной карте или картинке. Обе модели имеют свои преимущества и недостатки. Современные ГИС могут работать как с векторными, так и с растровыми моделями.

Слои ГИС

Вся картографическая информация в ГИС организована в виде слоев. Слои, это самый первый уровень абстракции в ГИС. Работая с ГИС, мы обязаны разделить существующие у нас данные на слои. Каждый слой содержит объекты определенного вида, объединенные общими характеристиками. Работая в ГИС, мы можем подключать и отключать интересующие нас слои, или менять порядок их отображения. Слои бывают следующих типов:

Точечные

Точечные слои содержат объекты, которые можно абстрагировать до точки, например скважины или города. Ради ясности понимания даже город можно представить точкой.

Линейные

Эти объекты можно абстрагировать до ломаной или гладкой линии, например реки, дороги, или трубопроводы.

Полигональные или площадные

Объекты этого типа представляются как находящиеся в пределах некоторого полигона, например лицензионные участки.

Площадные объекты могут состоять из нескольких контуров. Это необходимо если требуется представить полигон с дыркой внутри. На рисунке представлен пример обычного полигона и полигона, состоящего из двух контуров.

Последняя точка полигона всегда должна совпадать с первой точкой. Правильно это или нет, но так уж повелось в геоинформационных системах. Таким образом, полигон не может иметь менее четырех точек. Если полигон имеет нулевую площадь, то есть вырождается, то его необходимо удалить. Полигон также не должен иметь самопересечений. Подобные недочеты позже могут привести к серьезным ошибкам в расчетах, и потому их следует избегать.

Изображения

Растровые графические изображения, привязанные к географическим координатам, например космоснимки или отсканированые карты.

Сеточные модели

Это структурные карты и карты параметров. Первоначально такие модели основывались на прямоугольной сетке, где в узлах сетки указано значение Z (параметра).

Теперь строение подобных моделей зачастую боле сложное, но по традиции их продолжают называть сетками или гридами. Современные гриды могут содержать разломы, области уточнения или быть основаны на сплайнах. Смысл сеточных моделей остается прежним: непрерывное представление параметра на определенной площади.

Сетка сплайнов отличается от обычной сетки тем, что ее поверхность является идеально гладкой, что более естественно для большинсва моделей. Сетки с разломами содержат дополнительные сегменты для моделирования ровного разрыва. На обычной сеточной модели разрыв получается ступенчатым. Сеточные модели, также называют картами в изолиниях.

Специальные виды слоев

Эти пять типов слоев стандартны для любой профессиональной ГИС, но кроме них могут существовать и другие, специальные типы данных, обусловленые областью применения данной системы. Например, это могут быть разломы (для моделирования сеток с разломами), растровые карты (для представления очень больших растровых изображений), 3D модели (для трехмерных моделей пластов).

Таблицы данных ГИС

Точки линии и полигоны имеют таблицы аттрибутивных данных для своих объектов.

Каждому объекту на карте соответствует строка в таблице данных. Используя таблицу данных можно находить и сортировать объекты, выделять их на карте по аттрибутам или смотреть атрибуты выделенных объектов. Атрибутивная таблица позволяет искать объекты, сортировать их, выделять по условиям, группировать, создавать фильтры, проводить вычисления. Таблица аттрибутов превращает ГИС в базу данных, в которой вы можете проводить анализ данных или управление данными при помощи развитых инструментов ГИС. Без таблиц аттрибутов геоинформационные системы не имели бы смысла, а карты в них не были бы картами, а были просто рисунками, как рисунки в CorelDraw или Paint.

Точки в составе линий и полигонов также имеют свои аттрибутивные таблицы. Так, например, сейсмопрофили можно загрузить вместе с данными по отпикированным горизонтам и использовать их для построения карт в изолиниях. Таблица данных поддерживает понятие выделенных объектов, такие строки в таблице помечены другим цветом. Выделенные объекты также, несколько иначе отображаются и на карте. Выделение объектов очень часто используется при анализе данных. Выделять объекты можно как в таблице, так и на карте, а также по заданным условиям.

Формирование слоев

Очень важной темой является правильное формирование структуры слоев. Полезность любой базы данных, и ГИС в том числе, сильно зависит от правильной структуры данных. Даже можно сформулировать следующее: полезность базы прямо пропорциональна ее правильной организации и порядку в данных. Если данные в базе содержат большое количество ошибок или неправильно организованы, то это может свести на нет все достоинтва базы данных как таковой. По этой причине важным является умение правильно структурировать информацию. Например, если вы загружаете данные сейсморазведки, то правильно будет объединить все сейсмопартии в одном слое, а не создавать несколько слоев групируя их по районам или площадям. Лучше придерживаться такого правила: один тип данных - одна таблица (или один слой). С другой стороны разнородные объекты лучше помещать в разные слои, даже если они объеденены общей тематикой. Так автодороги и железные дороги лучше разделить на два слоя, а потом поместить их в группу "Транспортные пути".

Координаты

Всем известно, что земля круглая, а карта плоская, и поверхность шара невозможно развернуть на плоскость без деформаций. По этой причине в картографии используют проекции. Поекции это правила и формулы преобразования одних координат в другие. Обычно используется преобразование из сферических (географических) координат в прамоугольные координаты (координаты карты). Проекции бывают равноплощадными или равноугольными, то есть сохраняют площадь объектов или углы. Иногда проекция может искажать и то и другое, минимизируя искажения вобщем. Для нашей страны стандартной сиситемой преобразования является система координат "42-ого года". Система "42-ого года" делит территорию земного шара на 60 зон, по 6 градусов. Тюменская область, например, находится в пределах 12-ой, 13-ой и 14-ой зон. "42-ой год" это равноплощадная проекция. ГИС устроены так, что могут хранить данные в одной системе координат, а отображать в другой. Поэтому необходимо не запутаться с тем, в какой системе координат хранятся данные, и в какой они отображены на карте. Чтобы уменьшить путаницу с проекциями Isoline поддерживает только два варианта исходных данных:

• Прямогугольные координаты (любые произвольные координаты, к которым не применяется никаких преобразований).
• Географические координаты (градусы, минуты, секунды, которые при отображении на карте пересчитываются в какую либо проекцию).

Вот варианты отображения одного и того же участка в разных системах координат и проекциях.

Проекция "поликоническая". Реальные координаты - градусы, отображаемые кординаты - градусы.

Проекция не установлена. Реальные координаты - "поликонические", отображаемые кординаты - прямоугольные.

Проекция не установлена. Реальные координаты - градусы, отображаемые кординаты - прямоугольные.

Проекция "поликоническая". Реальные координаты - "поликонические", отображаемые кординаты - прямоугольные.

Как видно из рисунков два верхних нас вполне устраивают, а третий и четвертый нет. Третий рисунок, на самом деле, вполне корректен, но проекция не указана, и поэтому мы видим изображение "как есть", в градусах. На четвертом рисунке мы попытались отобразить полигон, данные которого не градусы, в проекции "поликонической" и система нас не поняла. Из этого можно сделать следующее заключение: для прямоугольных координат устанавливать проекцию нельзя, так как в этом случае формулы преобразования применяются к ним второй раз, и изображение получается неверным.

Также необходимо принимать во внимание такой факт, что прямая проведенная в одной системе координат не является прямой в другой системе, а площади объектов могут отличаться, даже если проекции равноплощадные.

Прямоугольные координаты

"поликонические", без корректировки отображения.

Координатная сиситема Мольвейде.

поликонические", с корректировкой отображения.

Поэтому если вам нужны точные длины линий, точные площади, и точное отображение, то необходимо воспользоваться специальными средствами системы.

Задачи, которые решает ГИС

ГИС общего назначения, в числе прочего, обычно выполняет пять процедур (задач) с данными: ввод, манипулирование, управление, запрос и анализ, визуализацию.

Ввод

Для использования в ГИС данные должны быть преобразованы в подходящий цифровой формат. Процесс преобразования данных с бумажных карт в компьютерные файлы называется оцифровкой. В современных ГИС этот процесс может быть автоматизирован с применением сканерной технологии, что особенно важно при выполнении крупных проектов, либо, при небольшом объеме работ, данные можно вводить с помощью дигитайзера. Многие данные уже переведены в форматы, напрямую воспринимаемые ГИС-пакетами.

Манипулирование

Часто для выполнения конкретного проекта имеющиеся данные нужно дополнительно видоизменить в соответствии с требованиями вашей системы. Например, географическая информация может быть в разных масштабах (осевые линии улиц имеются в масштабе 1: 100 000, границы округов переписи населения - в масштабе 1: 50 000, а жилые объекты - в масштабе 1: 10 000). Для совместной обработки и визуализации все данные удобнее представить в едином масштабе. ГИС-технология предоставляет разные способы манипулирования пространственными данными и выделения данных, нужных для конкретной задачи.

Управление

В небольших проектах географическая информация может храниться в виде обычных файлов. Но при увеличении объема информации и росте числа пользователей для хранения, структурирования и управления данными эффективнее применять системы управления базами данных (СУБД), то специальными компьютерными средствами для работы с интегрированными наборами данных (базами данных). В ГИС наиболее удобно использовать реляционную структуру, при которой данные хранятся в табличной форме. При этом для связывания таблиц применяются общие поля. Этот простой подход достаточно гибок и широко используется во многих, как ГИС, так и не ГИС приложениях.

Запрос и анализ

При наличии ГИС и географической информации Вы сможете получать ответы простые вопросы (Кто владелец данного земельного участка? На каком расстоянии друг от друга расположены эти объекты? Где расположена данная промзона?) и более сложные, требующие дополнительного анализа, запросы (Где есть места для строительства нового дома? Каков основный тип почв под еловыми лесами? Как повлияет на движение транспорта строительство новой дороги?). Запросы можно задавать как простым щелчком мышью на определенном объекте, так и с посредством развитых аналитических средств. С помощью ГИС можно выявлять и задавать шаблоны для поиска, проигрывать сценарии по типу “что будет, если…”. Современные ГИС имеют множество мощных инструментов для анализа, среди них наиболее значимы два: анализ близости и анализ наложения. Для проведения анализа близости объектов относительно друг друга в ГИС применяется процесс, называемый буферизацией. Он помогает ответить на вопросы типа: Сколько домов находится в пределах 100 м от этого водоема? Сколько покупателей живет не далее 1 км от данного магазина? Какова доля добытой нефти из скважин, находящихся в пределах 10 км от здания руководства данного НГДУ? Процесс наложения включает интеграцию данных, расположенных в разных тематических слоях. В простейшем случае это операция отображения, но при ряде аналитических операций данные из разных слоев объединяются физически. Наложение, или пространственное объединение, позволяет, например, интегрировать данные о почвах, уклоне, растительности и землевладении со ставками земельного налога.

Визуализация

Для многих типов пространственных операций конечным результатом является представление данных в виде карты или графика. Карта - это очень эффективный и информативный способ хранения, представления и передачи географической (имеющей пространственную привязку) информации. Раньше карты создавались на столетия. ГИС предоставляет новые удивительные инструменты, расширяющие и развивающие искусство и научные основы картографии. С ее помощью визуализация самих карт может быть легко дополнена отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками и таблицами, фотографиями и другими средствами, например, мультимедийными.

Технологии, связанные с ГИС

ГИС тесно связана рядом других типов информационных систем. Ее основное отличие заключается в способности манипулировать и проводить анализ пространственных данных. Хотя и не существует единой общепринятой классификации информационных систем, приведенное ниже описание должно помочь дистанциировать ГИС от настольных картографических систем (desktop mapping), систем САПР (CAD), дистанционного зондирования (remote sensing), систем управления базами данных (СУБД или DBMS) и технологии глобального позиционирования (GPS).

Системы настольного картографирования используют картографическое представление для организации взаимодействия пользователя с данными. В таких системах все основано на картах, карта является базой данных. Большинство систем настольного картографирования имеет ограниченные возможности управления данными, пространственного анализа и настройки. Соответствующие пакеты работают на настольных компьютерах - PC, Macintosh и младших моделях UNIX рабочих станций.

Системы САПР

Системы САПР способны чертежи проектов и планы зданий и инфраструктуры. Для объединения в единую структуру они используют набор компонентов с фиксированными параметрами. Они основываются на небольшом числе правил объединения компонентов и имеют весьма ограниченные аналитические функции. Некоторые системы САПР расширены до поддержки картографического представления данных, но, как правило, имеющиеся в них утилиты не позволяют эффективно управлять и анализировать большие базы пространственных данных.

Дистанционное зондирование и GPS

Методы дистанционного зондирования - это искусство и научное направление для проведения измерений земной поверхности с использованием сенсоров, таких как различные камеры на борту летательных аппаратов, приемники системы глобального позиционирования или других устройств. Эти датчики собирают данные в виде изображений и обеспечивают специализированные возможности обработки, анализа и визуализации полученных изображений. Ввиду отсутствия достаточно мощных средств управления данными и их анализа, соответствующие системы вряд ли можно отнести к настоящим ГИС.

Системы управления базами данных предназначены для хранения и управления всеми типами данных, включая географические (пространственные) данные. СУБД оптимизированы для подобных задач, поэтому во многие ГИС встроена поддержка СУБД. Эти системы не имеют сходных с ГИС инструментов для анализа и визуализации.

Что ГИС могут сделать для Вас

Делать пространственные запросы и проводить анализ

Способность ГИС проводить поиск в базах данных и осуществлять пространственные запросы позволила многим компаниях сэкономить миллионы долларов. ГИС помогает сократить время получения ответов на запросы клиентов; выявлять территории подходящие для требуемых мероприятий; выявлять взаимосвязи между различными параметрами (например, почвами, климатом и урожайностью с/х культур); выявлять места разрывов электросетей. Риэлторы используют ГИС для поиска, к примеру, всех домов на определенной территории, имеющих шиферные крыши, три комнаты и 10-метровые кухни, а затем выдать более подробное описание этих строений. Запрос может быть уточнен введением дополнительных параметров, например стоимостных. Можно получить список всех домов, находящих на определенном расстоянии от определенной магистрали, лесопаркового массива или места работы.

Улучшить интеграцию внутри организации

Многие применяющие ГИС организации обнаружили, что одно из основных ее преимуществ заключается в новых возможностях улучшения управления собственной организацией и ее ресурсами на основе географического объединения имеющихся данных и возможности их совместного использования и согласованной модификации разными подразделениями. Возможность совместного использования и постоянно наращиваемая и исправляемая разными структурными подразделениями база данных позволяет повысить эффективность работы как каждого подразделения, так и организации в целом. Так, компания, занимающаяся инженерными коммуникациями, может четко спланировать ремонтные или профилактические работы, начиная с получения полной информации и отображения на экране компьютера (или на бумажных копиях) соответствующих участков, например водопровода, и заканчивая автоматическим определением жителей, на которых эти работы повлияют, и уведомлением их о сроках предполагаемого отключения или перебоев с водоснабжением.

Принятие более обоснованных решений

ГИС, как и другие информационные технологии, подтверждает известную поговорку о том, что лучшая информированность помогает принять лучшее решение. Однако, ГИС - это не инструмент для выдачи решений, а средство, помогающее ускорить и повысить эффективность процедуры принятия решений, обеспечивающее ответы на запросы и функции анализа пространственных данных, представления результатов анализа в наглядном и удобном для восприятия виде. ГИС помогает, например, в решении таких задач, как предоставление разнообразной информации по запросам органов планирования, разрешение территориальных конфликтов, выбор оптимальных (с разных точек зрения и по разным критериям) мест для размещения объектов и т. д. Требуемая для принятия решений информация может быть представлена в лаконичной картографической форме с дополнительными текстовыми пояснениями, графиками и диаграммами. Наличие доступной для восприятия и обобщения информации позволяет ответственным работникам сосредоточить свои усилия на поиске решения, не тратя значительного времени на сбор и обмысливание доступных разнородных данных. Можно достаточно быстро рассмотреть несколько вариантов решения и выбрать наиболее эффектный и эффективный.

Создание карт

Картам в ГИС отведено особое место. Процесс создания карт в ГИС намного более прост и гибок, чем в традиционных методах ручного или автоматического картографирования. Он начинается с создания базы данных. В качестве источника получения исходных данных можно пользоваться и оцифровкой обычных бумажных карт. Основанные на ГИС картографические базы данных могут быть непрерывными (без деления на отдельные листы и регионы) и не связанными с конкретным масштабом. На основе таких баз данных можно создавать карты (в электронном виде или как твердые копии) на любую территорию, любого масштаба, с нужной нагрузкой, с ее выделением и отображением требуемыми символами. В любое время база данных может пополняться новыми данными (например, из других баз данных), а имеющиеся в ней данные можно корректировать по мере необходимости. В крупных организациях созданная топографическая база данных может использоваться в качестве основы другими отделами и подразделениями, при этом возможно быстрое копирование данных и их пересылка по локальным и глобальным сетям.

ГИС в России

Наибольшее распространение в России из зарубежных систем имеют: программный продукт ArcGIS компании ESRI , семейство продуктов GeoMedia корпорации Intergraph и MapInfo Professional компании Pitney Bowes MapInfo .

Из отечественных разработок широкое распространение получила программа ГИС Карта 2008 компании ЗАО КБ "Панорама" .

Используются также и другие программные продукты отечественной и зарубежной разработки: ГИС ИНТЕГРО , MGE корпорации Intergraph (использует MicroStation в качестве графического ядра), IndorGIS , STAR-APIC , ДубльГИС , Mappl , ГеоГраф ГИС , 4geo и пр.

Геоинформационные системы и технологии

Геоинформационная система (ГИС) - это многофункциональная информационная система, предназначенная для сбора, обработки, моделирования и анализа пространственных данных, их отображения и использования при решении расчетных задач, подготовке и принятии решений. Основное назначение ГИС заключается в формировании знаний о Земле, отдельных территориях, местности, а также своевременном доведении необходимых и достаточных пространственных данных до пользователей с целью достижения наибольшей эффективности их работы.

Геоинформационные технологии (ГИТ) - это информационные технологии обработки географически организованной информации.
Основной особенностью ГИС, определяющей ее преимущества в сравнении с другими АИС, является наличие геоинформационной основы, т.е. цифровых карт (ЦК), дающих необходимую информацию о земной поверхности. При этом ЦК должны обеспечивать:
точную привязку, систематизацию, отбор и интеграцию всей поступаю¬щей и хранимой информации (единое адресное пространство);
комплексность и наглядность информации для принятия решений;
возможность динамического моделирования процессов и явлений;
возможность автоматизированного решения задач, связанных с анализом особенностей территории;
возможность оперативного анализа ситуации в экстренных случаях.
История развития ГИТ восходит к работам Р. Томлисона по созданию Канадской ГИС (CGIS), проводившимся в 1963-1971 гг.
В широком смысле ГИТ - это наборы данных и аналитические средства для работы с координатно привязанной информацией. ГИТ - это не информационные технологии в географии, а информационные технологии обработки географически организованной информации.
Существо ГИТ проявляется в ее способности связывать с картографическими (графическими) объектами некоторую описательную (атрибутивную) информацию (в первую очередь алфавитно-цифровую и иную графическую, звуковую и видеоинформацию). Как правило, алфавитно-цифровая информация организуется в виде таблиц реляционной БД. В простейшем случае каждому графическому объекту (а обычно выделяют точечные, линейные и площадные объекты) ставится в соответствие строка таблицы - запись в БД. Использование такой связи, собственно, и открывает столь богатые функциональные возможности перед ГИТ. Эти возможности, естественно, различаются у разных систем, но есть базовый набор функций, обычно имеющийся в любой реализации ГИТ, например, возможность ответа на вопросы "что это?" указанием объекта на кар¬те и "где это находится?" выделением на карте объектов, отобранных по некоторому условию в БД. К базовым можно также отнести ответ на вопрос "что рядом?" и его различные модификации. Исторически первое и наиболее универсальное использование ГИТ - это информационно-поисковые, справочные системы.
Таким образом, ГИТ можно рассматривать как некое расширение технологии БД для координатно привязанной информации. Но даже в этом смысле она представляет собой новый способ интеграции и структурирования информации. Это обусловлено тем, что в реальном мире большая часть информации относится к объектам, для которых важную роль играет их пространственное положение, форма и взаиморасположение, а следовательно, ГИТ во многих приложениях значительно расширяют возможности обычных СУБД, так как ГИТ более удобны и наглядны в использовании и предоставляют ДЛ свой "картографический интерфейс" для организации запроса к базе данных вместе со средствами генерации "графического" отчета. И, наконец, ГИТ добавляет обычным СУБД совершенно новую функциональность - использование пространственных взаимоотношений между объектами.
ГИТ позволяет выполнять над множествами картографических объектов операции, подобные обычным реляционным (JOIN, UNION, INTERSECTION). Операции этой группы называются оверлейными, так как используют в разных вариантах пространственное наложение одного множества объектов на другое. Фактически оверлейные операции обладают большим аналитическим потенциалом, и для многих сфер применения ГИТ являются основными, обеспечивая решение прикладных задач (землепользования, комплексной оценки территорий и другие).
ГИТ предлагает совершенно новый путь развития картографии. Прежде всего, преодолеваются основные недостатки обычных карт: статичность данных и ограниченность емкости "бумаги" как носителя информации. В последние десятилетия не только сложные специализированные карты типа экологических, но и ряд обычных бумажных карт из-за перегруженности информацией становятся "нечитаемыми". ГИТ решает эту проблему путем управления визуализацией информации. Появляется возможность выводить на экран или на твердую копию только те объекты или их множества, которые необходимы пользователю в данный момент. То есть фактически осуществляется переход от сложных комплексных карт к серии взаимоувязанных частных карт. При этом обеспечивается лучшая структурированность информации, что позволяет ее эффективно использовать (манипулирование, анализ данных и т.п.). Очевидно, что наблюдается тенденция возрастания роли ГИТ в процессе активизации информационных ресурсов, т.к. огромные массивы картографической информации эффективно переводимы в активную машиночитаемую форму только с помощью ГИТ. Кроме того, в ГИТ карта становится действительно динамическим объектом.

Последнее обусловлено следующими новыми возможностями ГИТ:
изменяемостью масштаба;
преобразованием картографических проекций:
варьированием объектным составом карты;
"опросом" через карту в режиме реального времени многочисленных БД, содержащих изменяемую информацию;
варьированием символогией, то есть способом отображения объектов (цвет, тип линии и т.п.), в том числе определение символогии через значения атрибутивных признаков объектов, что позволяет синхронизировать визуализацию с изменениями в БД.
В настоящее время широко распространено понимание того, что ГИТ - это не класс или тип программных систем, а базовая технология {umbrella technology) для многих компьютерных приложений (методов и программ), работающих с пространственной информацией.
Поскольку ЦКМ являются наборами данных сложной структуры, то их целесообразно представлять в различных форматах. Под форматом ЦКМ понимается специально введенная система классификации и кодирования данных о местности. От принятого формата ЦКМ во многом зависит оперативность решения функциональных задач (ФЗ) в системах управления военного назначения. Так, например, в случае представления рельефа местности горизонталями вычисление профиля местности занимает в тысячи раз больше времени, чем при представлении рельефа в форме матрицы высот.
Одним из важнейших и наиболее часто встречающихся типов информационной потребности в геоинформации является построение изображения участка карты на экране АРМ {визуализация карты). Но средства отображения ЦКМ на экране АРМ, наряду с приведенными выше требованиями к средствам доступа, должны отвечать еще ряду специфических требований, обусловленных необходимостью восприятия информации человеком. По существу - это следующие эргономические требования, которые целесообразно рассматривать в комплексе с другими:
по "читабельности" обстановки (т.е. обладать достаточно высокими характеристиками скорости и достоверности восприятия человеком информации оперативной обстановки на фоне карты);
по "читабельности" карты, (т.е. обладать достаточно высокими характеристиками скорости и достоверности восприятия человеком собственно картографической информации);
по "комфортности" восприятия, (т.е. форма отображения данных не должна вызывать чрезмерных напряжения человека при восприятии ин¬формации и раздражения его органов чувств в целях обеспечения требуемой продолжительности сохранения его работоспособности).
ФЗ требует для своего решения различные данные о местности. По мнению авторов, все множество этих задач по характеру использования ЦКМ можно разделить на четыре основных класса:
задачи, требующие выдачу изображения карты на устройства ввода- вывода средств автоматизации и использующие ее в качестве фона для вывода оперативной обстановки (ОКФ);
задачи, использующие информацию о характере и профилях местности (ОХПМ);
задачи, использующие информацию о дорожной сети (РДС);
задачи, использующие информацию о местоположении объекта в пределах территории государства, зоны ответственности или нейтральной территории (ОМП).
Задачами ОКФ являются все задачи, отображающие оперативную обстановку на местности в процессе диалога с пользователем. Данные задачи могут отображать "поверх карты" информацию о группировках своих войск и войск противника, зонах радиоактивного, химического, биологического заражения, сплошных разрушений, пожаров, затоплений, о направлениях и рубежах действий, районах сосредоточения и др. Общая для задач ОКФ особенность использования ЦКМ заключается в необходимости быстрого вывода изображения карты на экран АРМ в различных масштабах.
К задачам ОХПМ относятся задачи выбора места развертывания радиорелейных станций (РРС), тропосферных станций (ТРС), радиолокационных станций (PJIC), средств радиотехнической разведки, радиоэлектронной борьбы и т.д. Задачи оценки защитных свойств местности в районах развертывания пунк¬тов управления (ПУ) и узлов связи (УС), планирования огневого воздействия и т.п. также относятся к классу ОХПМ. Особенностью задач ОХПМ является необходимость определения с высокой скоростью характеристик местности в окрестностях точки с произвольными координатами.
К задачам РДС относятся, в частности, задачи определения маршрута и планирования порядка перемещения воинских формирований, оптимального пла-нирования перевозок средств снабжения или почты и некоторые другие. Данные задачи используют данные ЦКМ о дорожной сети, которые должны быть представлены в специальной форме - в виде графа, в котором все пересекающиеся дороги имеют общую вершину в перекрестках.
Задачи ОМП используют в ЦКМ данные о государственных (сухопутных и морских) и иных границах, заданные в специальной форме - в виде замкнутых контуров.
По типу информационных потребностей многие ФЗ можно отнести сразу к нескольким различным классам. В частности, задача определения оптимального района развертывания РРС может обладать свойствами классов ОХПМ и РДС, а в процессе решения для организации диалога с пользователем - свойствами класса ОКФ.

В связи с глубоким взаимопроникновением ГИС и других информационных технологий целесообразно рассмотреть взаимосвязь ГИТ с другими техноло­гиями.

Прежде всего, это графические технологии систем автоматизированного проектирования (САПР), векторных графических редакторов, и с другой сторо­ны - технологии реляционных СУБД. Большинство реализаций современных ГИТ в своей основе и представляет собой интеграцию этих двух типов инфор­мационных технологий. Следующий тип родственных информационных техно­логий - технологии обработки изображений растровых графических редакто­ров. Некоторые реализации ГИТ базируются на растровом представлении гра­фических данных. Поэтому очень многие современные ГИС общего назначения интегрируют возможности как векторного, так и растрового представления. В свою очередь, ряд технологий обработки изображений, предназначенных для работы с данными аэро- и космических съемок, очень близко примыкают к ГИТ, а иногда частично выполняют и их функции. Но обычно они к ГИТ ком­плементарны и имеют специальные средства для взаимодействия с ними (ERDAS LiveLink to ARC/INFO)

Близкородственны к ГИТ картографические (геодезические) технологии, применяющиеся при обработке данных полевых геодезических съемок и по­строении по ним карт (при построении карт по аэроснимкам с использованием фотограмметрических методик и при работах с цифровой моделью рельефа ме­стности). Здесь также наблюдается тенденция к интеграции, т.к. подавляющее число современных ГИС включают в себя средства координатной геометрии (COGO), которые позволяют непосредственно использовать данные полевых геодезических наблюдений, в том числе прямо с приборов с цифровой регист­рацией или с приемников спутниковой глобальной системы позиционирования (GPS). Фотограмметрические пакеты обычно ориентируются на совместную работу с ГИС и в ряде случаев включаются в ГИС как модули.

Сущность ГИТ проявляется в ее способности связывать с картографически­ми (графическими) объектами некоторую описательную (атрибутивную) ин­формацию (в первую очередь алфавитно-цифровую и иную графическую, зву­ковую и видеоинформацию). Как правило, алфавитно-цифровая информация организуется в виде таблиц реляционной БД. В простейшем случае каждому графическому объекту (точечному, линейному или площадному) ставится в со­ответствие строка таблицы - запись в БД. Использование такой связи и обеспе­чивает богатые функциональные возможности ГИТ. Эти возможности, естест­венно, различаются у разных систем, но есть базовый набор функций, обычно имеющийся в любой реализации ГИТ, например, возможность ответа на вопро­сы "что это?" указанием объекта на карте и "где это находится?" выделением на карте объектов, отобранных по некоторому условию в БД. К базовым можно также отнести ответ на вопрос "что рядом?" и его различные модификации. Ис­торически первое и наиболее универсальное использование ГИТ - это инфор­мационно-поисковые, справочные системы.

Таким образом, ГИТ можно рассматривать как некое расширение техноло­гии БД для координатно привязанной информации. Но даже в этом смысле она представляет собой новый способ интеграции и структурирования информации. Это обусловлено тем, что в реальном мире большая часть информации относит­ся к объектам, для которых важную роль играет их пространственное положе­ние, форма и взаиморасположение. Следовательно, ГИТ во многих приложени­ях значительно расширяют возможности обычных СУБД.

ГИТ, так же как и любая другая технология, ориентирована на решение оп­ределенного круга задач. Поскольку области применения ГИС достаточно ши­роки (военное дело, картография, география, градостроительство, организация транспортных диспетчерских служб, и т.д.), то ввиду специфики проблем, ре­шаемых в каждой из них, и особенностей, связанных с конкретным классом ре­шаемых задач и с требованиями, предъявляемыми к исходным и выходным данным, точности, техническим средствам и прочее, говорить о какой-то еди­ной ГИС-технологии достаточно проблематично.

Вместе с тем любая ГИТ включает в себя ряд операций, которые можно рас­сматривать как базовые. Они различаются в конкретных реализациях только де­талями, например, программным сервисом сканирования и постсканерной обра­ботки, возможностями геометрического преобразования исходного изображе­ния в зависимости от исходных требований и качества материала и т.д.

Поскольку приведенная модель является обобщенной, то естественно, что она либо не содержит отдельных блоков, свойственных какой-либо конкретной технологии, либо наоборот имеет в своем составе те блоки, которые в ряде слу­чаев могут отсутствовать.

По результатам анализа обобщенной модели ГИС-технологии можно выде­лить следующие базовые операции ГИТ:

• редакционно-подготовительные работы, т. е. сбор, анализ и подготовка исходной информации (картографические данные, аэрофотоснимки, дан­ные дистанционного зондирования, результаты наземных наблюдений, статистическая информация и т.д.) для автоматизированной обработки;
• проектирование геодезической и математической основ карт;
• проектирование карт;
• построение проекта цифровой тематической карты;
• преобразование исходных данных в цифровую форму;
• разработка макета тематического содержания карты;
• определение методов автоматизированного построения тематического содержания;
• формирование цифровой общегеографической основы создаваемой кар­ты;
• создание цифровой тематической карты в соответствии с разработанным проектом;
• получение выходной картографической продукции.

Для ввода исходной информации используются растровые сканирующие устройства, дигитайзеры, полутоновые сканеры аэрофотонегативов. Получен­ные цифровые массивы данных поступают в комплекс технических средств об­работки растровых и векторных данных, построенный на базе рабочих станций и персональных профессиональных ЭВМ. На этой же инструментальной базе осуществляются все этапы проектирования, преобразования исходной инфор­мации и создания цифровой тематической карты.

Сформированная цифровая картографическая модель поступает в комплекс технических средств формирования выходной картографической продукции, включающей в себя плоттеры, принтеры, специализированные устройства вы­вода на фотоноситель и т.д.

Исходные и обработанные цифровые данные хранятся в подсистеме архив­ного хранения данных, базирующейся в настоящее время на стримерах или на оптических дисках.

Области применения ГИТ в настоящее время чрезвычайно многообразны.

Прежде всего, это различные кадастры, системы управления распределен­ным хозяйством и инфраструктурой. Здесь развиты специализированные при­ложения, например, для систем: электрических сетей энергетической компании, кабельной сети телефонной или телевизионной компании, сложного трубопро­водного хозяйства большого химического завода, земельного кадастра, опери­рующие недвижимостью, а также такие приложения, как комплексные системы, обслуживающие многие составляющие инфраструктуры города или территории

и способные решать сложные задачи управления и планирования. Конкретные цели и задачи в таких системах очень разнообразны: от задач инвентаризации и учета, справочных систем общего пользования до налогообложения, градо- строительно-планировочных задач, планирования новых транспортных мар­шрутов и оптимизации перевозок, распределения сети ресурсов и услуг (скла­дов, магазинов, станций скорой помощи, пунктов проката автомобилей).

Еще одной развитой областью применения ГИТ является учет, изучение и использование природных ресурсов, включая сюда и охрану окружающей сре­ды. Здесь также встречаются как комплексные системы, так и специализиро­ванные: для лесного хозяйства, водного хозяйства, изучения и охраны дикой фауны и флоры и т.д. К этой области применения непосредственно примыкает использование ГИТ в геологии, как в научных, так и в практических ее задачах. Это не только задачи информационного обеспечения, но и, например, задача прогнозирования месторождений полезных ископаемых, контроль экологиче­ских последствий разработок и т.п. В геологических применениях, как и в эко­логических, велика роль приложений, требующих сложного программирования или комплексирования ГИТ со специфическими системами обработки и моде­лирования. Особенно в этом плане выделяются приложения в области нефти и газа. Здесь на стадии поисков и разведки широко используются данные сейсмо­разведки и весьма специфическое и развитое ПО по их обработке и анализу. Ве­лика потребность в комплексных решениях, увязывающих собственно геологи­ческие и иные проблемы, что невозможно решить без привлечения универсаль­ных ГИС.

Отдельно следует выделить сугубо транспортные задачи. Среди них: плани­рование новых маршрутов транспорта и оптимизация процесса перевозок с воз­можностью учета распределения ресурсов и меняющейся транспортной обста­новки (ремонты, пробки, таможенные барьеры). Особенно перспективными в стратегическом плане предполагаются навигационные системы, особенно бази­рующиеся на спутниковых системах навигации с использованием цифровой картографии.

Характерной чертой внедрения ГИТ в настоящее время является интеграция систем и баз данных в национальные, международные и глобальные информа­ционные структуры. К глобальным проектам относится, например, GDPP - "Проект глобальной базы данных", разрабатываемый в рамках Международной геосферно-биосферной программы. На национальном уровне существуют ГИС в США, Канаде, Франции, Швеции, Финляндии и других странах. В России в настоящее время разрабатываются региональные ГИС, в частности, для ведения земельного кадастра и муниципального управления, а также ведомственные ГИС, например, в Министерстве внутренних дел.

Анализ существующего на сегодняшний день опыта применения ГИТ пока­зывает, что основной формой применения ГИТ является различные по целям, сложности, составу и возможностям ГИС.

Современные ГИС представляют собой новый тип интегрированных систем, которые, с одной стороны, включают методы обработки данных существующих автоматизированных систем, а с другой - обладают спецификой в организации и обработке данных

Так как в ГИС осуществляется комплексная обработка информации (от ее сбора до хранения, обновления и предоставления), их можно рассматривать со следующих различных точек зрения:

• ГИС как система управления - предназначена для обеспечения поддерж­ки принятия решений на основе использования картографических дан­ных;
• ГИС как автоматизированная информационная система - объединяет ряд технологий известных информационных систем (САПР и других);
• ГИС как геосистема - включает технологии фотометрии, картографии;
• ГИС как система, использующая БД, - характеризуется широким набо­ром данных, собираемых с помощью разных методов и технологий;
• ГИС как система моделирования, система предоставления информации - является развитием систем документального оборота, систем мультиме­диа и т.д.

ГИС с развитыми аналитическими возможностями близки к системам стати­стического анализа и обработки данных, причем в ряде случаев они интегриро­ваны в единые системы, например:

имплантация в современную ГИС ARC/INFO мощного статистического пакета S-PLUS;

добавление некоторых возможностей пространственной статистики и картографической визуализации в массовые статистические пакеты (SYSTATfor Windows);

развитие собственной ГИС в рамках пакета SAS - лидера среди систем обработки числовой информации.

Наиболее развитые ГИС (обычно с сильной поддержкой и растровой моде­ли), имеющие хорошие средства программирования, широко используются для моделирования природных и техногенных процессов, в том числе распростра­нения загрязнений, лесных пожаров и др. Некоторые обычные СУБД, рабо­тающие в графических средах типа MS Windows, также включают в себя про­стейшие средства картографической визуализации.

Наличие широкого спектра тенденций развития в разных областях информа­ционных технологий, интересы которых сходятся в области ГИТ, а также появ­ление универсальных пакетов широкого применения привело к тому, что гра­ницы определения ГИТ становятся менее четкими. Поэтому в настоящее время сложилось понятие полнофункциональная ГИС (full GIS).

Современная полнофункциональная ГИС - это многофункциональная ин­формационная система, предназначенная для сбора, обработки, моделирования и анализа пространственных данных, их отображения и использования при ре­шении расчетных задач, подготовке и принятии решений. Основное назначение полнофункциональной ГИС заключается в формировании знаний о Земле, от­дельных территориях, местности, а также своевременном доведении необходимых и достаточных пространственных данных до пользователей с целью дос­тижения наибольшей эффективности их работы.

Полнофункциональная ГИС должна обеспечивать:

• двустороннюю связь между картографическими объектами и записями табличной базы данных;
• управление визуализацией объектов, обеспечивающее выбор состава и формы отображения;
• работу с точечными, линейными и площадными объектами;
• ввод карт с дигитайзера или сканера и их редактирование;
• поддержку топологических взаимоотношений между объектами и про­верку с их помощью геометрической корректности карты, в т.ч. замкну­тости площадных объектов, связности, прилегания и др.;
• поддержку различных картографических проекций;
• геометрические измерения на карте длины, периметра, площади и др.;построение буферных зон вокруг объектов и реализацию других овер­лейных операций;
• создание собственных обозначений, в том числе новых типов маркерных знаков, типов линий, типов штриховок и др.;создание дополнительных элементов оформления карты, в частности подписей, рамок, легенд;
• вывод высококачественных твердых копий карт;решение транспортных и других задач на графах, например, определение кратчайшего пути и т.п.;
• работу с топографической поверхностью.

Помимо полнофункциональных ГИС общего назначения, выделяют специа­лизированные, которые часто имеют нечеткие границы со специализированны­ми пакетами, не являющимися в этом смысле ГИС. Например, ГИС, ориентиро­ванные на задачи планирования связи, транспортные и навигационные задачи, задачи инженерных изысканий и проектирования сооружений.

Неспециализированные ГИС более низкого уровня, чем полнофункциональ­ные системы общего назначения, обычно называют "персональными системами картографической визуализации" {desktop mapping systems, desktop GIS), иногда даже отделяя этот класс систем от собственно ГИС. Отличительной их чертой являются, прежде всего, ограниченные аналитические возможности (например, отсутствуют оверлейные операции для площадных объектов) и слабые возмож­ности ввода и редактирования картографической основы. Типичным примером такой системы является ГИС Maplnfo, в которой за счет своей меньшей сложно­сти более проста в обучении и использовании и более доступна массовому пользователю.

К настоящему времени число ГИС-пакетов, предлагаемых на рынке, исчис­ляется несколькими тысячами. Однако в большинстве это специализированные системы. Реальных полнофункциональных ГИС-пакетов общего назначения на рынке несколько десятков. В основном программное обеспечение для ГИС раз­рабатывают специализированные фирмы, только в некоторых случаях это про­дукты крупных фирм, для которых ГИС - не основной продукт (IBM, Intergraph, Computervision, Westinghouse Electric Corp., McDonnel Douglas, Siemens Nixdorf). По числу известных пакетов и по числу инсталляций преобладают ПК (MS DOS, MS Windows) и UNIX- рабочие станции.

Следует отметить, что в настоящее время полнофункциональные ГИС обще­го назначения в основном ориентированы на рабочие станции с операционной системой UNIX. На ПК, как правило, функционируют системы с редуцирован­ными возможностями. Отчасти это определяется спецификой пользователей ПК, для многих из которых простая ГИС нужна только как дополнение к обыч­ному офисному ПО. Но главная причина - в требованиях, которые мощная ГИС предъявляет к аппаратным средствам компьютера.

Топологические векторные структуры данных по своей природе сложны, а процессы их использования требуют интенсивных расчетов, существенно боль­ших, чем работа с обычной векторной графикой, в том числе и в части операций с плавающей точкой. Серьезные приложения часто требуют работы с длинными целыми и действительными числами двойной точности. Для работы с ГИС ну­жны дисплеи высокого разрешения и быстрый графический адаптер или акселе­ратор, причем требования к палитре жестче, чем в САПР. Они скорее аналогич­ны требованиям к издательским системам профессиональной полиграфии. Осо­бенно высокие требования к скорости отрисовки предъявляет типичная для ГИС (и менее типичная для САПР) задача заливки штриховками большого чис­ла замкнутых многоугольников (полигонов) сложной формы.

Серьезные проекты с использованием ГИС требуют работы с большими объемами данных, от сотен мегабайт до нескольких десятков гигабайт. Особен­но высокие требования к объемам дисковой и основной памяти, а также к быст­родействию компьютера, предъявляют ГИС с обработкой изображения в виде растровых структур, например, в задачах геометрической коррекции аэросним­ков, моделирования природных процессов и при работе с рельефом земной по­верхности. Один цветной аэроснимок высокого разрешения стандартного фор­мата, если перевести его в цифровую форму без потери "точности" (24 bit, 1200 dpi) занимает около 200 Мб. Во многих задачах регионального характера требу­ется использовать совмещенную и геометрически откорректированную мозаику из мйогих таких снимков, тем более, что признано целесообразным использо­вать растровую подложку из такой мозаики аэро- или космических снимков (digital orthophoto) в качестве базового слоя для векторных карт, т.е. фотосним­ки "впечатываются" в изображение карты. То же замечание справедливо и для работы с аэрокосмическими снимками, которые, как правило, должны обраба­тываться различными способами, чтобы избирательно выделить на них различ­ную информацию (операции различного рода фильтрации, преобразования кон­траста, операции с использованием быстрого преобразования Фурье, классифи­кационные алгоритмы, дискриминантный, кластерный и факторный анализ, а также метод главных компонент). Поэтому вместо того, чтобы хранить десятки версий обработки, что потребовало бы до сотен Гбайт на 1 кадр, рациональнее

выполнять их по требованию. Современные специализированные рабочие стан­ции справляются с такой задачей, для ПК же она еще трудна. Иногда операция с одним кадром на ПК длится несколько минут. Когда необходимо моделировать сложные природные процессы, в частности распространение загрязнения, лес­ных пожаров, либо применять данные аэрокосмических съемок, использование специализированной рабочей станции неизбежно.

Следует отметить, что скорость накопления объемов аэрокосмических (осо­бенно космических) данных пока идет в том же темпе или даже опережает тем­пы роста вычислительных мощностей ПК и рабочих станций. Действительно, ежемесячно над каждым участком Земли размером с большой город собирается не менее 800-1000 Мбайт спутниковых изображений. И если даже учесть, что половина их по условиям облачности непригодна для использования в ГИТ- приложениях, все равно это составляет огромный поток. И еще одно замечание: разрешение систем сбора дистанционной информации постоянно растет, а уве­личение геометрического разрешения на местности с 20 до 10 м увеличивает объем данных в 4 раза. Так что каждые 2-4 года компьютерная система должна в несколько раз увеличивать свою производительность, чтобы не отстать от темпов развития устройств сбора информации. Отсюда ясно, что еще длитель­ное время технической основой мощных полнофункциональных ГИС с анали­тическими функциями будут оставаться специализированные рабочие станции.

Еще одним моментом, который обуславливает необходимость обращения существенного внимания к рабочим WVZY-станциям является тот факт, что се­годня основные пакеты наиболее "серьезных" ГИС еще не переведены на ПК.

Основными направлениями использования ПК при работе с ГИС в настоя­щее время являются:

• использование ПК в качестве терминалов совместно с рабочими стан­циями для работы с большими ГИС (ARC/INFO);
• использование ПК в качестве станций ввода и модификации цифровых карт местности с дигитайзера или сканера (PC ARC!INFO, ArcCAD);
• использование ПК для ГИТ-проектов с небольшим объемом единовре­менно активной информации (PC ARC/INFO, ArcCAD, ArcView);
• использование ПК в учебных целях, для знакомства с методологией ГИТ;
• использование ПК на начальных стадиях больших проектов, когда объем базы данных еще не вырос, не требуется полная функциональность на больших объемах и требуется еще доказывать полезность использования ГИТ и необходимость вложения серьезных средств.

Так как современные ГИС представляют собой, как правило, сложные про­граммно-информационные комплексы, разработанные специально для приме­нения в конкретных областях информационной деятельности или для решения специализированных задач, то в их состав входят:

• операционная система;
• ядро прикладного программного обеспечения;
• модули тематической обработки данных;
• интерактивный интерфейс пользователя.

К модулям тематической обработки данных относятся:

• программное обеспечение ввода-вывода данных;
• прикладное программное обеспечение анализа векторной и растровой информации;
• СУБД;
• программное обеспечение распознавания образов;
• программное обеспечение выбора картографической проекции;
• программное обеспечение для преобразования изображений;
• программное обеспечение картографической генерализации;
• программное обеспечение генерации условных знаков и т.д..