Исследование геоинформационных систем на примере ГИС «ИНГЕО»

     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) Шаблон:Nobr; 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. 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.  

4. Основные  характеристики ГИС

     Существует  два основных метода представления  географических данных. Первый - растровый  заключается в разделении исследуемого пространства на элементы/ячейки, как  правило, равные по величине. В результате получается регулярная сетка (растр, матрица, грид), каждый из элементов которой можно описать двумя координатами (x,y или колонка, ряд) и дополнительным значением для каждой ячейки (Z). Самым простым примером растровых данных является - отсканированная карта, также к растровой модели данных относятся космические снимки, цифровые модели рельефа и многие другие данные. Тематически, каждая ячейка растра (элемент изображения, пиксел) может описывать определенное свойство или признак соответствующей ей географической области, например, крутизну склона или высоту над уровнем моря, тип растительности или почвы и т.д. Растровый метод представления данных представлен на рисунке 1. 

 Рисунок 1 – Растровый метод представления данных 

     Второй  метод описания пространственных объектов - векторный, разделяет все объекты  на элементы - узлы, имеющие свои координаты, и соединяющие их дуги (арки). Атрибутивная информация может соотноситься как  с самими элементами (узлами, линиями) так и с целыми объектами, составленными  из этих элементов. Важной характеристикой  векторных данных является приведенный  масштаб - то есть масштаб детальности, которому соответствуют векторные  объекты. Однако эта характеристика не является универсальной и относится  скорее к векторным топографическим  данным, создаваемым по бумажной картографической продукции определенного масштаба. Так как в одном слое могут  находиться объекты созданные с разной детализацией, то часто говорить о масштабе векторных данных - не корректно.

     Точность  соответствия границ векторного объекта (как в прочем и растрового) границам объекта в реальном мире зависит  от количества узлов, которыми этот объект представлен. Круг может быть представлен 10 узлами, а может быть 1000, ни в  том не в другом случае реальным кругом он не станет, но во втором, формально будет обладать большим с ним сходством на более крупных масштабах. Однако при определенных масштабах отображения фигуры будут неразличимы, поэтому при создании картографической продукции важно соотносить масштаб планируемой выходной продукции и масштаб (реальную детальность) используемых векторных и растровых данных. Векторный метод представления данных показан на рисунке 2. 

Рисунок 2 – Векторный метод представления  данных 

5. Задачи, решаемые 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.

     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.

     Связанные технологии. 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), 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 способны чертежи проектов и  планы зданий и инфра-структуры. 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 зонди-рования - 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 (пространст-венные) 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.

     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. 
 

6. ГИС среди информационных технологий

     На  первый взгляд достаточно очевидным  является только применение ГИС в  подготовке и распечатке карт и, может  быть, в обработке аэро и космических снимков. Реальный же спектр применений ГИС гораздо шире, и чтобы оценить его, нам стоит взглянуть на применение компьютеров вообще, тогда место ГИС будет представляться гораздо яснее.

     Компьютеры  дают не только большее удобство выполнения известных операций с документами, они являются носителем нового направления  человеческой деятельности - информационных технологий, и современное общество основано в значительной степени  на них.

     Информацией в нашем понимании следует  называть все, что может быть представлено в виде букв, цифр и изображений. Так вот, все методы, техники, приемы, средства, системы, теории, направления и т.д. и т.п., которые нацелены на сбор, переработку и использование информации, вместе называются информационными технологиями. И ГИС – одна из них.

     Эта технология объединяет традиционные операции при работе 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 - экскурсионный и экстремальный туризм, подбор оптимального расположения нового офиса, поиск дома по его адресу, прокладка трубопровода на местности, различные муниципальные задачи.