Общая характеристика геоинформационных систем

   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:

   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.