Геоинформационная система

создание формальных методов пространственного  анализа 

создание программных средств  управления базами данных.

 

Первый крупный успех ГИС - разработка и создание Географической Информационной Системы Канады.

 

Ее назначение 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.

 

Создатели ГИС Канады внесли следующие  новшества:

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.

 

Программное обеспечение Гарвардской  лаборатории широко распространялось и помогло создать базу для  развития многих ГИС-приложений. В этой лаборатории были заложены основы картографической алгебры, создано семейство растровых  программных средств Map Analysis Package - MAP, PMAP, aMAP.

 

Наиболее известными программными продуктами Гарвардской лаборатории  являются:

SYMAP (система многоцелевого картографирования) 

CALFORM (программа вывода картографического  изображения на плоттер) 

SYMVU (просмотр перспективных (трехмерных) изображений) 

ODYSSEY (предшественник знаменитого ARC/INFO)

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

 

Развитие крупных геоинформационных  проектов поддерживаемых государством, формирование государственных институтов в области ГИС, снижение роли и  влияния отдельных исследователей и небольших групп.

 

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

 

Потребовалась методика, обеспечивающая корректную географическую "привязку" данных переписи. Основной проблемой  стала необходимость конвертирования  адресов проживания населения, в  географические координаты так, чтобы  результаты переписи можно было бы оформлять в виде карт по территориальным  участкам и зонам Национальной переписи.

 

Был разработан специальный формат представления картографических данных, для которого были определены прямоугольные  координаты перекрестков, разбивающих  улицы всех населенных пунктов США  на отдельные сегменты.

 

Алгоритмы обработки и представления  картографических данных были заимствованы у разработчиков ГИС Канады и  Гарвардской лаборатории и оформлены  в виде программы POLYVRT, осуществляющей конвертирование адресов проживания в соответствующие координаты, описывающие  графические сегменты улиц.

 

Таким образом, в этой разработке ВПЕРВЫЕ  был широко использован ТОПОЛОГИЧЕСКИЙ подход к организации управления географической информацией, содержащий математический способ описания пространственных взаимосвязей между объектами 

 

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

 

В НАЧАЛЕ 1980-Х ГОДОВ БЫЛ РЕАЛИЗОВАН ЗНАМЕНИТЫЙ ARC/INFO

 

ARC/INFO был и остается наиболее  успешным воплощением идей о  раздельном внутреннем представлении  геометрической (графической) и атрибутивной  информации.

 

Для хранения и работы с атрибутивной информацией в виде таблиц (INFO) был  успешно применен формат стандартной  реляционной системы управления базами данных, а для хранения и  работы с графическими объектами  в виде дуг (ARC) было разработано специальное  программное обеспечение.

 

ARC/INFO стал первым программным  пакетом ГИС, который эффективно  использовал пользовательские качества  персональных компьютеров, в то  же время он доступен для  разных технических платформ  и операционных сред.

 

В настоящее время является одним  самым популярным в мире пакетов.

 

Другим успешным коммерческим предприятием в области производства аппаратно-программных  средств для ГИС стал и и до сих пор является Intergraph,Corp.

 

Эта фирма была организована в 1969 году бывшим сотрудником IBM Джимом Мидлоком. Первые успехи были связаны с разработкой для ВПК США систем управления ракетами в реальном времени. В 1973 фирма впервые создала мощную удаленную рабочую станцию. И сейчас фирма является лидером по разработке и выпуску рабочих станций для ГИС, программного обеспечения.

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

 

Этот период характеризуется новым  отношением к пользователям.

 

Так разработчики геоинформационного программного продукта GRASS для рабочих  станций, созданного американскими  военными специалистами (Army Corps of Engineers) для задач планирования природопользования и землеустройства открыли его для бесплатного пользования, включая снятие авторских прав на исходные тексты программ. В результате, пользователи и программисты могут создавать собственные приложения, интегрируя GRASS с другими программными продуктами.

 

В 1994 году для неограниченного бесплатного  пользования был открыт ArcView 1 for Windows.

 

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 наличия специалистов по ГИС.

Структура геоинформационных систем

 

 

 

Геоинформационные системы  включают в себя пять ключевых составляющих: аппаратные средства, программное обеспечение, данные, исполнители и методы.

 

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

 

Программное обеспечение ГИС содержит функции и инструменты, необходимые  для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации. Ключевыми компонентами программных  продуктов являются:

 

- инструменты для ввода и  оперирования географической информацией  система управления базой данных (DBMS или СУБД);

 

- инструменты поддержки пространственных  запросов, анализа и визуализации (отображения);

 

- графический пользовательский  интерфейс (GUI или ГИП) для легкого  доступа к инструментам и функциям.

 

Данные – это, вероятно, наиболее важный компонент. Данные о пространственном положении (географические данные) и  связанные с ними табличные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем либо приобретаться  у поставщиков. В процессе управления пространственными данными географическая информационная система объединяет (а лучше сказать – совмещает) географическую информацию с данными  других типов. Например, с конкретным кусочком электронной карты могут  быть связаны уже накопленные  данные о населении, характере почв, близости опасных объектов и т. д. (в зависимости от задачи, которую  придется решать при помощи ГИС). Причем в сложных, распределенных системах сбора и обработки информации часто с объектом на карте связывают  не существующие данные, а их источник, что позволяет в реальном времени  отслеживать состояние этих объектов. Такой подход применяется, например, для борьбы с чрезвычайными ситуациями вроде лесных пожаров или эпидемий.

 

Исполнителями именуют людей, которые  работают с программными продуктами и разрабатывают планы их использования  при решении реальных задач. Может  показаться странным, что люди, работающие с программным обеспечением, рассматриваются  как составная часть ГИС, однако в этом есть свой смысл. Дело в том, что для эффективной работы географической информационной системы необходимо соблюдение методов, предусмотренных  разработчиками, поэтому без подготовленных исполнителей даже самая удачная  разработка может утратить всякий смысл.

 

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.

 

Методы. 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.

 

Структура ГИС, как правило, включает четыре обязательные подсистемы:

 

1) Ввода данных, обеспечивающую  ввод и/или обработку пространственных  данных, полученных с карт, материалов  дистанционного зондирования и  т.д.;

 

2) Хранения и поиска, позволяющую оперативно получать данные для соответствующего анализа, актуализировать и корректировать их;

 

3) Обработки и анализа, которая  дает возможность оценивать параметры,  решать расчетно-аналитические задачи;

 

4) Представления (выдачи) данных  в различном виде (карты, таблицы,  изображения, блок-диаграммы, цифровые  модели местности и т.д.)

 

Таким образом, создание карт в круге «обязанностей» ГИС занимает далеко не первое место, ведь чтобы получить твердую копию карты совершенно не нужна большая часть функций ГИС, или они применяются опосредованно. Тем не менее, как в мировой, так и в отечественной практике, ГИС широко используются именно для подготовки карт к изданию и, в меньшей степени, для аналитической обработки пространственных данных или управления потоками товаров и услуг.

Представление пространственных объектов в ГИС

Представление пространственных объектов реальной действительности

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.

Содержание базы пространственных данных включает:

Цифровые версии реально существующих объектов (например, зданий)

Цифровые версии искусственно выделенных свойств карты (например, контуры)

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

Разновидность непрерывных свойств

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

Непрерывная изменчивость может быть представлена в базе данных несколькими  способами:

посредством величин измерений  в некоторых характерных пунктах (точках), например, метеостанции и посты

посредством описаний трансектов (профилей – вертикальных разрезов участков земной поверхности)

посредством разделения площади на контуры, зоны, принимая при этом, что  некоторое значение свойства внутри контура (зоны) есть величина постоянная

посредством построения изолиний, например горизонталей для отображения рельефа

 

Каждый из этих способов создает  дискретные объекты, которые могут  быть зафиксированы в виде точек, линий, площадей.

Компоненты пространственных данных

Расположение: пространственные данные вообще часто называются данными  о размещении

Пространственные отношения: взаимосвязи  между пространственными объектами  описываются как пространственные отношения между ними (например, А содержит B; смежен с С, находится к северу от D)

Атрибуты: Атрибуты фиксируют тематические описания, определяя различные характеристики объектов

Время: временная изменчивость фиксируется  разными способами:

- интервалом времени, в течение  которого существует объект

- скоростью изменчивости объектов

- временем получения значений  свойств

Источники пространственных данных

 

Совокупности первичных данных (измерений и съемок) по выборкам:

произвольная выборка, каждое место  или время одинаково вероятно, чтобы быть выбранным

систематическая выборка проводится согласно правилу, например через каждый 1 км

упорядоченная выборка, когда известно, что генеральная совокупность содержит существенно различные подсовокупности

 

Совокупности вторичных данных, полученные из существующих карт, таблиц, или других баз данных.

Ввод данных в ГИС.

 

Ввод данных - процедура кодирования  данных в компьютерно-читаемую форму  и их запись в базу данных GIS.

 

Ввод данных включает три главных  шага:

Сбор данных

Их редактирование и очистка

Геокодирование данных