Геоинформационные системы в развитии современного общества

 

Первый период развивался на фоне успехов компьютерных технологий: появление  электронных вычислительных машин (ЭВМ) в 50-х годах, цифрователей, плоттеров, графических дисплеев и других периферийных устройств в 60-х при одновременном, часто независимом друг от друга, создании программных алгоритмов и процедур графического отображения информации на дисплеях и с помощью плоттеров, формальных методов пространственного анализа, программных средств управления базами данных.

Большое влияние в этот период оказывают теоретические работы в области географии и пространственных взаимосвязей, а также становление количественных методов в географии в США, Канаде, Англии, Швеции.

       Первый безусловный крупный успех становления геоинформатики и ГИС - это разработка и создание Географической Информационной Системы Канады. Начав свою историю в 60-х годах, эта крупномасштабная ГИС поддерживается, развивается и по сей день. Назначение ГИС Канады состояло в анализе многочисленных данных, накопленных Канадской службой земельного учета, и в получении статистических данных о земле, которые бы использовались при разработке планов землеустройства огромных площадей преимущественно сельскохозяйственного назначения. Для этих целей требовалось создать классификацию использования земель, используя данные по сельскохозяйственной, рекреационной, экологической, лесохозяйственной пригодности земель, отразить сложившуюся структуру использования земель, включая землепользователей и землевладельцев. Наиболее узким местом проекта являлось обеспечение эффективного ввода исходных картографических и тематических данных. Для этого разработчикам ГИС Канады, не имевшим опыта по внутренней организации больших массивов пространственных данных, потребовалось создать новую технологию, ранее нигде не применявшуюся, позволяющую оперировать отдельными слоями и делать картометрические измерения. Для ввода крупноформатных земельных планов было даже спроектировано и создано специальное сканирующее устройство [14].

 Создатели ГИС Канады внесли в становление и развитие ГИС-технологий следующее:

• использование сканирования для автоматизации процесса ввода геоданных;
• расчленение картографической информации на тематические слои и разработка концептуального решения о "таблицах атрибутивных данных", что позволило разделить файлы плановой (геометрической) геоинформации о местоположении объектов и файлы, содержащие тематическую (содержательную) информацию об этих объектах;
• функции и алгоритмы оверлейных операций с полигонами, подсчет площадей и других картометрических показателей.

  Большое воздействие на развитие ГИС оказала Гарвардская лаборатория компьютерной графики и пространственного анализа Массачусетского технологического института. Ее основал в середине 60-х годов с целью разработки программных средств многофункционального компьютерного картографирования, которые стали существенным шагом в алгоритмическом совершенствовании ГИС и оставались ими вплоть до начала 80-х годов. В настоящее время эти исследования продолжаются, но в меньших масштабах.

Программное обеспечение Гарвардской  лаборатории широко распространялось и помогло создать базу для развития многих ГИС-приложений. Именно в этой лаборатории Дана Томлин заложила основы картографической алгебры, создав знаменитое семейство растровых программных средств Map Analysis Package. Благодаря работам Гарвардской лаборатории в области компьютерного картографирования была окончательно закреплена ведущая роль, которую играют картографические модели данных, картографический метод исследований, картографические способы представления информации в современных геоинформационных системах.

В конце 60х годов в США сформировалось мнение о необходимости использования  ГИС - технологий для обработки и  представления данных Национальных Переписей Населения.

Потребовалась методика, обеспечивающая корректную географическую "привязку" данных переписи. Основной проблемой  стала необходимость конвертирования адресов проживания населения, присутствовавших в анкетах переписи, в географические координаты таким образом, чтобы результаты переписи можно было бы оформлять в виде карт по территориальным участкам и зонам Национальной переписи. Был разработан специальный формат представления картографических данных DIME, для которого были определены прямоугольные координаты перекрестков, разбивающих улицы всех населенных пунктов США на отдельные сегменты. Таким образом, в этой разработке впервые был широко использован топологический подход к организации управления географической информацией, содержащий математический способ описания пространственных взаимосвязей между объектами.

 Создание, государственная поддержка и обновление DIME-файлов стимулировали также 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..

 Одновременно на основе этой информации была создана серия атласов крупных городов, содержащих результаты переписи 1970 года, а также большое количество упрощенных компьютерных карт для маркетинга, планирования розничной торговли и т.д..

Пользовательский период поздние 1980 - настоящее время. Этот период пример нового отношения к пользователям показали разработчики и владельцы геоинформационного программного продукта GRASS для рабочих станций, созданного американскими военными специалистами для задач планирования природопользования и землеустройства. Они открыли GRASS для бесплатного пользования, включая снятие авторских прав на исходные тексты программ. В результате, пользователи и программисты могут создавать собственные приложения, интегрирую GRASS с другими программными продуктами. Насыщение рынка программных средств для ГИС, в особенности, предназначенных для персональных компьютеров  резко увеличило область применения ГИС-технологий.

Это потребовало существенных наборов  цифровых геоданных, а также необходимости  формирования системы профессиональной подготовки и обучения специалистов по ГИС [9].

Современному обществу без ГИС-технологий не обойтись. Без них невозможно построение экономики и ведение современного хозяйства. Тенденции в мире таковы, что необходима возможность во времени управлять огромной базой пространственных данных, а для этого необходимы ГИС. До недавнего времени эту задачу было сложно решить, т.к. был малый банк данных, ограничивался доступ получения пространственных данных о земле (космоснимки). Но в последние несколько лет ситуация изменилась в лучшую сторону и с появлением новых технологий, ГИС поднимаются на ступень выше. Это позволяет внедрять ГИС в новые сферы жизнедеятельности общества.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                           Глава 2. Обзор базовых концепций ГИС

   2.1. Основные направления и использование ГИС в современном 

           обществе. Базовые концепции ГИС

       Пространственный объект может быть определен как цифровое представление объекта реальности, иначе цифровая модель объекта местности, содержащая его координаты и набор свойств, характеристик, атрибутов, или сам этот объект. Термин «картографический объект» встречается и в англоязычной литературе по цифровой картографии и ГИС: картографируемый объект местам (Cartographic entity (real world)), его цифровое представление (Cartographic object (digital storage)) и обобщающего понятия картографических объектов (Cartographic feature), которое применимо и к объектам реальности, и к их цифровым представлениям, описаниям, моделям.

Объект - представление в цифровом виде всей и части сущности ее

характеристиками (атрибутами), геометрией и (возможно) связями с другими

предметами (например, описание в цифровом виде участка  дороги, включая категорию дороги, ширину проезжей части…, его геометрическое положение также связь с мостом, если такая существует).

Картографический  объект - графический объект, необходимый для

обеспечения определенных требований представления информации. Атрибуты картографического объекта (если они необходимы) обеспечивают дополнительные указания по воспроизведению. Примеры картографических объектов: стрелка направления течения [10].

       Пространственный объект - как цифровая модель объекта так и сам объект «реальности», или «местности». Распространен синоним термина «пространственный объект» - географический объект, или «геообъект».

 Представление пространственных объектов реальной действительности основано на следующих допущениях:

• пространственные данные состоят из цифровых представлений реально существующих дискретных пространственных объектов;
• свойства, показанные на карте, например, озера, здания, контуры должны пониматься как дискретные объекты;
• содержание карты может быть зафиксировано в базе данных  путем превращения свойств карты в пространственные объекты;
• многие свойства, которые показаны на карте, на самом деле виртуальны. Например,  контуры или границы реально не существуют, но здания и озера – реальные объекты.

      Множество цифровых данных о пространственных объектах образует пространственные данные. Пространственные данные состоят из двух взаимосвязанных частей: позиционной и непозиционной составляющей данных, иначе говоря, описания пространственного положения и тематического содержания данных. При этом выделяются соответственно   тополого-геометрические и атрибутивные данные. В самом общем виде в пространственных данных следует различать и выделять три составные части: топологическую, геометрическую и атрибутивную.  В настоящее время сформировалось два различных подхода к определению понятия «пространственные данные» [2]. В первом случае под пространственными данными понимаются цифровые данные об объектах реальности (местности, территории, акватории и т.п.), которыми оперируют при создании геоинформационной системы. Во втором случае термин «пространственные данные» понимается в более широком смысле слова, включая в себя не только данные в первом значении, но все «пространственно-координированные данные» (цифровые изображения, цифровые карты, каталоги  координат пунктов опорной геодезической сети и т.п.).  Термин «пространственные данные» имеет несколько синонимов, употребляемых в обоих значениях. Первый из них (по частоте употребления)- «географические данные» - может претендовать на роль стандартизованного, наряду с «пространственными данными». К менее распространенным относятся «геоданные», «геоинформационные данные» и «геопространственные данные», имеющие свою концептуальную схему в организации [рис. 2].

 

 

 

 

 

 

 

               

             Рис. 2. Концептуальная схема организации данных в ГИС [15]

Перечень элементарных пространственных объектов (основные метрические и тополого-геометрические примитивы), которыми оперируют современные ГИС, выглядит следующим образом:

• Точка син. точечный объект;
• Линия син. линейный объект;

• Полигон син. полигональный объект, многоугольник, контурный объект, область;

• Поверхность син. Рельеф;
• Тело;
• Пиксел син. пиксель, пэл;
• Ячейка (регулярной сети).

Выбор способа  организации данных в ГИС, и, в  первую очередь, модели

данных, т.е. способы  цифрового описания пространственных объектов, значительно важнее, чем  выбор программного продукта, поскольку  напрямую определяет функциональные возможности создаваемой ГИС и применимость или иных технологий ввода информации.

От типа модели данных зависит как пространственная точность представления графической  части информации, так и возможность  получения качественного картографического материала и организации контроля карт. Для облегчения работы и получения наиболее удачного варианта проекта карты, применяется выборка, определяющаяся  темой [рис. 3].

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Пространственная выборка (уточнение территории) [2]

Содержание базы пространственных данных включает:

1) цифровые версии реально существующих  объектов (например, зданий);

2) цифровые версии искусственно  выделенных свойств карты (например, контуры);

3) искусственные объекты, созданные  специально для целей построения базы данных (например, пиксели).

Разновидность непрерывных  свойств:

1) некоторые свойства пространственных  объектов существуют повсеместно,  изменяются непрерывно над земной  поверхностью  (высота, температура, атмосферное давление) и не имеют реально представленных границ.

Компоненты пространственных данных:

- расположение: пространственные данные вообще часто называются данными о размещении;

- пространственные отношения: взаимосвязи между пространственными объектами описываются как пространственные отношения между ними;

- атрибуты: атрибуты фиксируют тематические описания, определяя различные характеристики объектов;