Информационное обеспечение гис

Введение.[1],[3]

Термин "географическая информационная" система является до­словным переводом с английского "Geographic(al) information system". Различные определения ГИС, отражают историю эволюции ГИС как синтеза методов и средств, первоначально развивавшихся в системах автоматизированного проектирования, автоматизированного картографирования, цифровой обработки данных дистанционного зондирования и управления базами данных. Одно из первых определений ГИС в русской литературе гласит: "ГИС - это аппаратно-программный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных, интеграцию данных и знаний о территории для их эффективного использования при решении научных и прикладных задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением природной средой и территориальной организацией общества".

Следует подчеркнуть два определяющих момента:

- географические информационные системы, прежде всего, имеют дело с географической информацией, тематически разнообразной, сопоставимой, координированной, масштабированной и генерализованной в пространстве и времени;

- используют законы информатики, которая в свою очередь есть "система знаний, относящихся к производству, переработке, хранению и распространению всех видов информации в обществе, природе и технических устройствах".

Изучение конкретного пространства - привилегия не только ГИС. Из­начально изучение пространственных форм объектов реального мира относится к основным задачам математики. Космическое и земное про­странство исследуется также физическими науками. Изучение прост­ранственных представлений действительности входит в задачи математико-картографического моделирования. Специфика геоинформационного изучения пространства состоит в использовании геоинформационных моделей действительности и в их разработке в комплексе с методами других наук. Но изучение только пространственного расположения - сильное сужение задачи, важен учет существа явлений, их пространственного состояния, структуры, взаимосвязей и функционирования.

Географические данные принадлежат к различным типам: изображения (снимки, карты, рисунки), тексты, координаты, сложные объекты. Набор необходимой географической информации, представление данных в ГИС и их отображение определяются тематикой решаемых задач, составляемых карт, источниками пространственно определенной информации, используемыми техническими и программными средствами перевода данных в цифровую форму, их хранения и картографической визуализации. Рассмотрим принципы построения информационного обеспечения ГИС.

Источники пространственных данных.[4],[5],[12]

Совокупность цифровых данных о пространственных объектах образует множество пространственных данных и составляет содержание баз географических данных. Данные, необходимые для создания информационного обеспечения ГИС и входящие в БД, можно подразделить на две группы - первичные и вторичные.

Первичные данные - это данные, которые измерены непосредственно, например, путем выборочного обследования в полевых условиях или путем дистанционного зондирования. При этом "плотность" обследования определяет так называемое разрешение данных. Например, если пространственная выборка осуществляется через 1 км, останутся незафиксированными изменения, размер которых меньше 1 км, хотя выборка должна отражать характеристики, свойственные всем точкам территории. Разрешение данных, получаемых путем дистанционного зондирования, определяется автоматически и зависит от технических характеристик съемки.

К стандартным методам выборочного обследования относятся случайные, систематические (ключевые) и расслоенные (районированные) выборки.

При случайной выборке могут быть с одинаковой вероятностью выб­раны любые точки или любые моменты времени, а при систематической выборке придерживаются определенных правил (например, через 1 км), которые, однако, не должны оказывать влияния на результат анализа. При расслоенной выборке эксперт заранее исходит из того, что имеющаяся совокупность состоит из различных подмножеств, проводя выборку по каждому из них, чтобы добиться адекватного отражения всех их параметров. Например, если известно, что на части территории рельеф более расчлененный, она обследуется с большей плотностью, что позволяет дать более точное представление о характере рельефа. Если необходима репрезентативная выборка всей совокупности, то выборки по каждому подмножеству включаются в нее с соответствующими весами.

Вторичные данные получают из уже имеющихся карт, таблиц или других баз данных.

Как и карты, различают данные:

- о природных ресурсах и окружающей среде;

- экономические и социально-экономические;

- географической привязки.

Данные о природных ресурсах и окружающей среде можно подразделить на тематические и топографические.

Большую часть тематических данных получают по тематическим кар­там, а также аэро- и космическим снимкам. Дешифрирование снимков позволяет создать множество типов тематических карт (а также слоев БД ГИС), например, карт растительности, почвенного покрова, сельско­хозяйственных культур, использования земель. Другими источниками таких данных служат, например, метео и экологические наблюдения, мониторинг, лабораторные исследования и т.п.

Источником топографических данных служат топографические съем­ки и карты. Данные этого типа имеются и в цифровой форме, например, Роскартографией созданы цифровые карты 1:1 000 000 и 1:200 000 масштабов для всей территории России и выборочно - более крупных масштабов.

Данные о природных ресурсах относительно стабильны и не нужда­ются в частом обновлении в БД; пространственное разрешение может быть не очень большим.

Экономические и социально-экономические данные. К ним относятся данные о взаимодействии природы и общества, населении, деятельности населения, а также о пространстве и/или структурах, используемых для осуществления этой деятельности.

Данные могут быть обобщены по временным интервалам или по социально-экономическим показателям.

Источниками социально-экономических данных служат в основном государственная статистика и административная отчетность (надежные данные, но, как правило, они конфиденциальны, доступ к ним ограничен) и тематические карты. Ведомственная информация может поставляться в цифровой форме на коммерческой основе, однако она часто имеет особый географический охват или специфическое обобщение.

Социально-экономические данные малопригодны для баз данных ГИС, если отсутствует достоверная информация об их пространственном размещении. Пространственная привязка информации позволяет обобщать данные по географическому принципу, например, переходить от данных по отдельным городам к данным о регионе. Социально-экономические данные быстро меняются и устаревают.

Еще один тип данных, появившийся вследствие развития ГИС - это данные географической привязки - географические материалы, пред­ставленные в виде базовых карт территориальных единиц и атласов, а также цифровые материалы - файлы границ, данные многоцелевого кадастра, координатные данные, получаемые системами спутникового по­зиционирования.

Вместе с данными нужно получать и так называемые метаданные. Метаданные должны содержать информацию о проекции, географической основе и базовой карте, уровне генерализации, цензе и норме отбора объектов картографирования, дизайне, данные о времени создания или переиздания карты и давать дополнительную информацию о процедурах сбора и компиляции данных, системах кодирования и точности приборов. В метаданных необходимо указывать все примененные способы преобразования данных и их точности. Наличие метаданных позволяет пользователю получить представление о достоверности информации, а их отсутствие часто ведет к неправильной трактовке и ложным представлениям отечности самих данных.

Широкие возможности для получения данных открывают компью­терные сети. В сети Internet: в настоящее время распространяются элек­тронные карты и атласы (туристические, тематические карты и атласы, созданные для презентаций), отсканированные печатные карты и снимки, мультимедийные изображения, динамические карты, например, си­ноптические.

Снимки и карты могут довводиться в ГИС по мере надобности. В силу ограниченности технических ресурсов данные могут храниться как в цифровом, так и не цифровом виде (традиционные карты, снимки).

Общее представление об информационной обеспеченности территории должна давать информационно-поисковая система, которую целесообразно включить в структуру ГИС.

Анализ общего состава данных - геокодированной информации, необходимого для создания функционирующей ГИС, показывает, что для его определения необходимо ответить на ряд вопросов:

- имеется ли возможность сбора, хранения и обновления географической информации?;

- каковы ожидаемые объемы данных и каковы их форматы?;

- какой объем данных необходимо преобразовать в цифровую форму, сколько времени это замет и сколько будет стоить?;

- каковы качество данных, надежность информации?;

- какого рода затруднения могут возникнуть при обработке информации?

Проектирование географических баз и банков данных.[9]

Выявление географических объектов и явлений и последующий выбор адекватного представления данных о них являются составной частью процесса, именуемого проектированием базы данных.

В ГИС пользователь рассматривает реальный мир через призму те­матической базы данных. Измерения и выборки, содержащиеся в базе данных, должны как можно полнее и точнее соответствовать предмету исследования и его основным характеристикам. Представление данных должно учитывать типы их возможных преобразований. К созданию БД ГИС предъявляются высокие требования, связанные с пространственной формой организации и представления данных.

Требования к базе данных. База данных должна быть:

- согласованной по времени - хранящиеся в ней количественные данные должны соответствовать определенному времени, быть актуальными;

- полной, достаточно подробной для предполагаемого создания ГИС или картографического произведения; категории данных и их подразделения должны включать все необходимые сведения для осуществления анализа или математико-картографического моделирования исследуемого объекта или явления;

- позиционно точной, абсолютно совместимой с другими данными, ко­торые могут добавляться в нее;

- достоверной, правильно отражающей характер явлений, для этого необходимо четко определить включенные в нее атрибуты явлений;

- легко обновляемой;

- доступной для любых пользователей.

Проектирование базы данных. В процессе проектирования БД обычно выделяют три основных уровня: концептуальный, логический и физический.

Концептуальный уровень не зависит от имеющихся аппаратных и программных средств. Для БД ГИС он связан с концептуальной моделью географических данных и включает: описание и определение рассматриваемых объектов; установление способа представления географических объектов в базе данных; выбор базовых типов пространственных объектов - точки, линии, ареалы, ячейки растра; решение вопроса о способе представления размерности и взаимосвязей реального мира в БД.

Логический уровень определяется имеющимися программными средствами и практически не зависит от технического обеспечения. Он включает разработку логической структуры элементов базы данных в соответствии с системой управления базами данных (СУБД), используемой в программном обеспечении. СУБД представляет собой три взаимосвязанные компоненты: командный язык для выполнения требуемых операций с данными, интерпретирующую систему для обработки команд и перевода их на язык машины, интерфейс пользователя для формирования запросов к БД.

Позиционная и семантическая составляющие данных.[8]

Пространственные данные традиционно подразделяются на две взаимосвязанные составляющие - позиционные и непозиционные данные.

Позиционная информация описывает положение географических объектов (или пространственную форму) в координатах двух- и трехмерного пространства - декартовых (x,y,z) или географических.

К непозиционной информации относятся качественная характеристика пространственных объектов (семантика) и статистика; эта информация называется атрибутивной и представляется в виде текстовых или числовых параметров. Она соответствует тематической форме данных или кодированному представлению взаимосвязей объектов (топологии). Почти всегда тип объекта маркируется и опознается по его атрибутивным параметрам (дорога имеет название и идентифицируется по ее классу - грунтовая, шоссе). Обычно атрибутивная информация не имеет пространственного характера, хотя некоторая ее часть может иметь связь с пространственной природой изучаемого объекта; например, площадь, периметр.

В качестве атрибутивной информации часто выступает время (вре­менная форма), которая может отражаться несколькими способами: указанием временного периода существования объектов, соотнесением информации с определенными моментами времени, указанием скорости движения объектов.