Общая характеристика геоинформационных систем

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:

В 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. [3]

Составные части  ГИС

Работающая ГИС включает 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.

Данные. Это вероятно наиболее важный компонент ГИС. Данные о пространственном положении (географические 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 пространственными данными 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

Исполнители. Широкое  применение технологии ГИС 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.

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. [4]

Классификация ГИС

ГИС системы разрабатываются  с целью решения научных и  прикладных задач по мониторингу  экологических ситуаций, рациональному  использованию природных ресурсов, а также для инфраструктурного проектирования, городского и регионального планирования, для принятия оперативных мер в условиях чрезвычайных ситуаций др.

Множество задач, возникающих  в жизни, привело к созданию различных  ГИС, которые могут классифицироваться по следующим признакам:

По функциональным возможностям:

- полнофункциональные  ГИС общего назначения;

- специализированные  ГИС ориентированы на решение   конкретной задачи в какой  либо предметной области;

- информационно-справочные  системы для домашнего и информационно-справочного пользования.

Функциональные возможности  ГИС определяются также архитектурным принципом их построения:

- закрытые системы  - не имеют возможностей  расширения, они способны выполнять только тот набор функций, который однозначно определен на момент покупки.

- открытые системы  отличаются легкостью приспособления, возможностями расширения, так как  могут быть достроены самим  пользователем при помощи специального  аппарата (встроенных языков программирования).

По пространственному (территориальному) охвату:

- глобальные (планетарные);

- общенациональные;

- региональные;

- локальные (в том  числе муниципальные).

По проблемно-тематической ориентации:

- общегеографические;

- экологические и природопользовательские;

- отраслевые (водных ресурсов, лесопользования, геологические, туризма и т.д.). [4]

Кроме того ГИС  можно классифицировать по типам  представления географической информации. Выделяют два типа ГИС, в которых используются разные модели представления данных (рис.1):

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

- ГИС на основе  векторной модели представления  данных. В этом случае цифровое представление точечных, линейных и полигональных пространственных объектов осуществляется в виде набора координатных чисел.

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

Рассмотрим  преимущества растровой и векторной  моделей.

          Растровая модель:

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

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

3.    Поддерживает  большое разнообразие комплексных  пространственных исследований.

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

Векторная модель:

1. Хорошее визуальное  представление географических ландшафтов.

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

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

4. Отсутствие  растеризации (зернистости) графических  объектов при масштабировании зоны просмотра. [5]

 

Рис.1 Растровая и векторная модели пространственных данных (http://k502.xai.edu.ua/gis/index.php?p=aboutgis)

Функциональные подсистемы ГИС и их характеристика

Подсистемы ГИС:

1. Подсистема ввода и преобразования данных. Основная функциональная задача этой подсистемы – создание целостного информационного цифрового образа исследуемого объекта или явления на основе преобразования графической информации в цифровой вид и ввода ее в компьютер.

Источниками данных могут  быть бумажные и цифровые карты, различные геодезические приборы, аэрофото- и космические снимки. Такая информация может быть введена с клавиатуры, с помощью сканера или получена из другой компьютерной системы.

Наиболее распространены три способа преобразования графической  информации в цифровую форму: точечный, линейный и сканирование.

2. Подсистемы обработки  и анализа ГИС. В их задачи входит выполнение процедур обработки данных, манипулирования пространственными и семантическими данными, осуществляемых при отработке пользовательских запросов. К наиболее важным относят операции, обеспечивающие выбор и внесение данных в память машины, а также все аналитические операции, которые происходят при решении задачи: поиск данных в памяти; установление размерности отдельных исследуемых областей; проведение размерности отдельных исследуемых областей; проведение логических операций над данными территориальных единиц исследуемого региона; статистические расчеты; специальные математические расчеты в соответствии с требованиями пользователя.

3. Подсистема вывода (визуализации) данных. Она служит для вывода изображений на экран монитора или печатающие устройства, что позволяет выполнять следующие действия: создание диаграмм; вывод статистических данных; создание картографической продукции; совмещение этих результатов в отчетах и т.д.

4. Подсистема предоставления информации. Она предназначена для оперативного предоставления данных по запросам пользователей ГИС. В данной подсистеме также определяются условия и режимы предоставления информации по запросам пользователей, осуществляется защита от несанкционированного доступа.

5. Пользовательский интерфейс.  Он должен отвечать требованиям  физического и психологического комфорта пользователя, быть эффективным, быстродействующим, обладать возможностями адаптации для конкретного пользователя, сочетать возможности интерактивного ввода, текстовых и графических меню. Пользовательский интерфейс должен обеспечить многооконное отображение графических данных с возможностью открытия неограниченного числа окон, связывать с окнами как различные изображения, так и фрагменты одного и того же изображения, представленные в разных масштабах.

6. Подсистема хранения  данных. Она служит для организации  хранения и обновления баз  данных с помощью систем управления  ими. [1]

Области применения геоинформационных систем

ГИС позволяют точнейшим образом учитывать координаты объектов и площади участков. В области транспорта ГИС давно уже показали свою эффективность благодаря возможности построения оптимальных маршрутов, как для отдельных перевозок, так и для целых транспортных систем, в масштабе отдельного города или целой страны. При этом возможность использования наиболее актуальной информации о состоянии дорожной сети и пропускной способности позволяет строить действительно оптимальные маршруты.

ГИС позволяют вести  учет численности, структуры и распределения населения и одновременно использовать эту информацию для планирования развития социальной инфраструктуры, транспортной сети, оптимального размещения объектов здравоохранения, противопожарных отрядов и сил правопорядка.

Риэлторы используют ГИС для поиска, к примеру, всех домов на определенной территории, имеющих шиферные крыши, три комнаты и 10-метровые кухни, а затем выдачи более подробного описания этих строений. Запрос может быть уточнен введением дополнительных параметров, например, стоимостных. Можно получить список всех домов, находящих на определенном расстоянии от конкретной магистрали, лесопаркового массива или места работы.

 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, скажем водопровода, и заканчивая автоматическим определением жителей, на которых эти работы повлияют, с уведомлением их о сроках предполагаемого отключения или перебоев с водоснабжением (на рис. изображены тепловые сети, канализация, водопровод, электрические сети, телефонная канализация и др.). Для космических и аэрофотоснимков важно то, что ГИС могут выявлять участки поверхности с заданным набором свойств, отраженных на снимках в разных участках спектра. Но на самом деле эта технология может с успехом применяться и в других областях. Например, в реставрации: снимки картины в разных областях спектра.

 В связи с развитием  мобильных компьютеров, ГИС все в большей мере перемещаются из офиса прямо на место выполнения полевых работ. Беспроводные мобильные устройства с поддержкой системы глобального позиционирования (GPS) широко используются для доступа к наборам данных полевых измерений и другой ГИС-информации. Мобильные ГИС как один из важных рабочих инструментов используется пожарными службами, туристическими фирмами для прокладки маршрутов, инженерно-техническими бригадами, геодезистами, землемерами, коммунальными службами, военными и другими.

ГИС предоставляет новые  удивительные инструменты, расширяющие  научные горизонты. Возможность визуализации карт может быть легко дополнена отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками, таблицами, диаграммами, фотографиями и другими средствами, которые позволяют проводить научные наблюдения и их анализ.

Разработчиками создан доступ к развитой ГИС-логике с целью  выполнения аналитических и пространственных запросов к центральной корпоративной базе геоданных. Например, необходим доступ к функциям, реализующим развитую ГИС- логику для:

- определения местоположения событий вдоль линейных объектов с помощью системы линейных координат.

- геокодирования и определения местоположения адресов.

- выполнения трассировки по инженерным и коммунальным сетям.

- буферизации, наложения и извлечения пространственных объектов.

Специалисты по данным конвертируют и извлекают геоданные из общих  хранилищ, отсекая лишнее для каждой конкретной решаемой задачи, а также  принимают участие в процессе поиска решений оптимальной по времени компрессии, поиска и отображения данных, также они принимают участие в разработке инструментов обработки и конвертации данных.