Зацерковний В.І. та ін. ГІС та бази даних. І бази даних
 Скачать 31.1 Mb.
|
|
Synagraphic 10 Mapping System) – системи багатоцільового картографування, яка реалізувала функції побудови картограм, карт ізоліній і трендових поверхонь у 1964 р. Рис. 2.14. Петер Роджерс (ліворуч) і Карл Штейнц за роботою в Гарвардській лабораторії комп’ютерної графіки Фрагменти перших карт, створених програмним пакетом SYMAP, представлені на рис. 2.15. Рис. 2.15. Галерея перших карт, створених програмним пакетом SYMAP Хоча функціональні можливості SYMAP були доволі обмеженими (ви- ведення результатів на рядково-друкуючий пристрій), це була перша наочна 10 Synagraphic (від грец. Synagein) – спільне об’єднання. 79 демонстрація можливості машинного картографування. Розробка SYMAP викликала величезний інтерес фахівців до раніше невідомих технологій. SYMAP використовувалась у США понад 10 років у масштабних дослідженнях в галузі охорони здоров’я та демографічних проблем, а також при розв’язку завдань міського планування. Другий напрям дослідження був пов’язаний із регіональним плану- ванням, ландшафтною архітектурою та використанням комп’ютерів у програмуванні, дизайні та моделюванні. Як наслідок, Френк Ренс і його команда розробляють програмний комплекс SYMVU, який дозволяв будувати 3D – зображення (рис. 2.16). Рис. 2.16. Розробка підходів щодо побудови 3D-зображення Очевидною перевагою комп’ютерної картографії була можливість вибору ділянки на карті та її швидкого перемальовування (рис. 2.17). На внесення змін до карти, що раніше займало тижні, з впровадженням комп’ютерного картографування тепер затрачувалися хвилини. Рис. 2.17. Оцінка існуючої привабливості районів для житла з її прогнозуванням та змінами на 5, 10 та 15 років 80 Інше програмне забезпечення Гарвардської лабораторії: GRID – для роботи з растровими комірками; CALFORM – програми виведення карто- графічного зображення на плотер; ODYSSEY – попередник відомого ARC / INFO, – досить широко застосовувалось у світі та допомогло ство- рити базу для розвитку багатьох геоінформаційних додатків. Крім Фішера, в лабораторії працювала ще одна ключова фігура геоінформатики – програміст Чарльз Дана Томлін (рис. 2.18), який заклав основи картографічної алгебри, створивши знамениту родину растрових програмних засобів Map Analysis Package – MAP, PMAP, aMAP. Рис. 2.18. Чарльз Дана Томлін (Charles Dana Tomlin) На сучасному етапі ці дослідження продовжуються, але в менших масштабах. Завдяки досягненням Гарвардської лабораторії в галузі комп’ютер- ного картографування було визначено картографічні моделі даних, карто- графічний метод досліджень, картографічні способи подання інформації в сучасних ГІС. CALFORM представляв, по суті, SYMAP на основі графопобудов- ника. Великим кроком вперед стала можливість для користувача уникну- ти подвійного кодування внутрішніх границь шляхом уведення таблиці положень точок, а також набору полігонів, що визначались послідов- ністю ідентифікаторів точок. У GRID з’явилася можливість множинного введення різних тема- тичних шарів растрових комірок. Це був перший досвід растрових ГІС. Заслуговує також на увагу реалізація в GRID ідей накладення тематичних шарів, запозичених у ландшафтній архітектурі. Починаючи з 1971 р., Вільям Уарнц (рис. 2.19), який замінив Г. Фі- шера на посаді директора Гарвардської лабораторії, продовжив розвиток теорії і методів просторового аналізу на основі комп’ютерної обробки просторових даних. 81 Рис. 2.19. Вільям Уарнц, 1967 р. Під його керівництвом у 70-х рр. ХХ ст. був створений пакет приклад- них програм POLYVRT, що об’єднав різні способи формування ареалів, які використовувались у попередніх розробках: SYMAP (кожний полігон окремо, внутрішні границі двічі), CALFORM (таблиця положень точок) і списки ідентифікаторів DIME. Пакет POLYVRT був пакетом програм для машинного картографування, який забезпечував гнучке введення і міжсис- темний обмін файлами границь, а також збільшення кількості цифрових даних, наприклад, із Бюро переписів. Вершиною творчого пошуку розробників із Гарвардської лабораторії став пакет ODYSSEY (середина 70-х рр. ХХ ст.), у якому ідея POLYVRT була розширена від перетворення форматів до створення комплексного аналітичного пакета, що ґрунтувався на векторних даних. Необхідно від- значити, що багато розробників майбутніх ГІС "виросли" саме в Гарвард- ській лабораторії. Лабораторія стала колискою багатьох ідей і дала світу багато відомих фігур геоінформаційної індустрії, які суттєво вплинули на розвиток геоінформатики. Як приклад, можна згадати Скотта Морхауса (рис. 2.20), перехід якого в ESRI став сполучною ланкою між ODYSSEY і розробкою ARC / INFO. Рис. 2.20. Скотт Мархаус 82 Третім великим успіхом становлення геоінформатики та ГІС стало Бюро перепису США (U.S. Census Bureau) – одна з організацій, яка віді- грала ключову роль у розвитку ГІС. Наприкінці 60-х рр. ХХ ст. у державних структурах США сформу- валося переконання необхідності використання ГІТ для обробки й подан- ня даних національних переписів населення (US Census Data). Для цього потрібна була методика, яка б забезпечувала коректну географічну "при- в’язку" даних перепису. Основною проблемою стала необхідність кон- вертування адрес проживання населення, в анкетах перепису в геогра- фічні координати таким чином, щоб результати перепису можна було б оформлювати у вигляді карт територіальних ділянок і зон національного перепису. Бюро розробило формат GBF-DIME (Geographic Base File, Dual Independent Map Encoding). Історія GBF-DIME почалася у лютому 1967 р., коли Бюро перепису США зайнялось експериментами з комп’ютерного картографування. Програмісти Бюро боролися з неефективністю і надлиш- ковістю інформації при конвертуванні паперових карт у цифрові. Проблема полягала в тому, що кожне перетинання вулиць (а в містах США часто зустрічається решітчаста система, коли вулиці утворюють сітку з вулиць (street) та авеню (avenue)), вводилось рівно вісім разів. За словами Дональда Кука (рис. 2.21), який на той час був програміс- том Бюро, проблема була подолана завдяки принципам картографічної топології, запропонованої математиком Бюро – Джеймсом Корбеттом (James Corbett). Рис. 2.21. Дональд Кук (Donald Cooke) У цьому форматі GBF-DIME (рис. 2.22) вперше була реалізована схема визначення просторових відношень між об’єктами, що називається топологією й описує: як лінійні об’єкти на карті з’єднуються між собою, 83 які площинні об’єкти межують один з одним, а які об’єкти складаються із суміжних елементів. Рис. 2.22. Формат GBF-DIME Саме тут вперше були пронумеровані вузлові точки, присвоєні ідентифікатори площам за різними боками ліній. Це стало революційним нововведенням у ГІС. Таким чином, була створена схема кодування DIME, для якої були визначені прямокутні координати перехресть, що поділяли вулиці всіх населених пунктів США на окремі сегменти. Основна ідея полягала в тому, щоб перенумерувати вузли (в даному випадку – перетинання вулиць і площ (кварталів)). Влітку 1967 р. ново- введення довели свою ефективність на практиці – різко підвищилася ефективність цифрування й виявлення похибок і з’явилася основа для картографування результатів перепису. Події розвивались стрімко. Через три місяці після початку перших спроб з топології, Д. Кук і Максфілд (Maxfield) виступили на конференції з доповіддю, а Національне бюро переписів США розробило комплексний підхід до "географії переписів". 1970 рік – рік чергового Національного перепису США, який проводиться раз на десять років, – уперше став роком "географічно локалізованого перепису". Алгоритми обробки й подання картографічних даних були запозичені в розробників ГІС Канади і Гарвард- ської лабораторії та оформлені у вигляді програми POLYVRT (рис. 2.23), яка здійснювала конвертування адрес проживання у відповідні коорди- нати, що описували графічні сегменти вулиць. 84 Рис. 2.23. Модель POLYVRT По сутті, файли DIME дублювали дугову структуру ГІС Канади та внутрішню структуру POLYVRT (формат загального знаменника). Файли DIME широко використовувалися і стали основою для розв’язку різних прикладних задач. Топологічні ідеї DIME згодом були удосконалені при створенні нової моделі файлів – TIGER (рис. 2.24), у якій використовувалася планарна організація даних 11 із комірками 0-го, 1-го і 2-го порядків. Рис. 2.24. Модель TIGER 11 Планарний граф – граф, який може бути зображений на площині без перетину ребер. 85 Моделі DIME і TIGER сприяли розробці цілого ряду програмних продуктів, заснованих на базах даних про вуличну мережу, а саме: • системи автомобільного руху; • посібників для водіїв (наприклад, в агентствах з прокату автомобілів); • прокладці маршрутів руху сміттєвозів; • диспетчеризації машин аварійних служб. Після перепису 1970 р. стали створюватися атласи міст, засновані на застосуванні цифрових файлів границь, розроблених у Бюро переписів США. Особливу популярність набули атласи машинних карт за окремими позиціями перепису для деяких міст. Це послужило наочною ілюстрацією значення нескладних машинних карт для цілей маркетингу, роздрібної торгівлі та стимулювало розробку всього набору сучасних програм статистичного картографування для комп’ютерів. Одночасно на основі цієї інформації була створена серія атласів великих міст, а також велика кількість спрощених комп’ютерних карт для автомобілістів. Як приклад, на рис. 2.25 наведені фрагменти комп’ютерних карт і атласів. Рис. 2.25. Комп’ютерні карти й атласи Протягом 70-х рр. ХХ ст. карти у форматі GBF-DIME були створені для всіх міст США. Цю технологію і сьогодні використовує більшість сучасних ГІС. На думку фахівців, відкриття з топології було визнано так швидко ще й тому, що автори зробили доповідь у потрібний час і в потріб- ному місці. 86 У цей же період у багатьох штатах почалися розробки земельних ГІС, що було пов’язано зі споконвічним прагненням американців збирати податки. Взагалі, саме податки, а точніше, небажання одних їх сплачува- ти і мрія інших збирати їх якомога більше, відіграли (і відіграють) важли- ву роль в історії США. ГІС не залишились осторонь від цієї проблеми. Більшість з них були схожими одна на одну, тільки ГІС штату Мінне- сота відрізнялася певними особливостями. Однак головне полягало в тому, що вперше справу створення системи було доведено до логічного кінця і система засвідчила свою ефективність. Система була растровою (рис. 2.26), з крупним зерном растру (трохи більше 0,16 км 2 ), однак виявилася дуже ефективною. Земельна інформаційна система (ЗІС) вищезгаданого штату почала розроблятись у середині 60-х рр. ХХ ст. як спільний проект Центру міських і регіональних проблем штату Міннесота, Університету штату Міннесота та Агентства планування цього ж штату. Рис. 2.26. ЗІС штату Міннесота Четвертим суттєвим успіхом геоінформатики і ГІС стали застосу- вання нерегулярної тріангуляційної мережі у військових дослідженнях. Нерегулярна тріангуляційна мережа відображає рельєф певної терито- рії у вигляді набору прилеглих один до одного трикутників. Ця технологія була одночасно запропонована декількома дослідниками у різних частинах світу. Один з них – Томас Пюкер (рис. 2.27) – доволі відома фігура в географічних колах СНД. 87 Рис. 2.27. Томас Пюкер (Thomas Poiker) Його статтю "Вплив різних математичних підходів на зображення рельєфу дна океанів" можна прочитати в третьому томі книги "Картогра- фія", що була опублікована у 1988 р. видавництвом "Прогрес" (Москва). Цифрові моделі рельєфу у вигляді нерегулярної тріангуляційної мережі будувалися в Simon Fraser University, який виконував замовлення відділу військово-морських досліджень US Defense Department. Основне завдання проекту – розв’язок проблеми збігу реального гіпсометричного профілю визначеної території (профілю висот) з моделлю, закладеною в комп’ютер, тобто це була задача точного наведення ракет на ціль. Крім названих, відомі ще такі винахідники нерегулярної тріангуля- ційної мережі: консультаційна фірма з Огайо W. E. Gates and Associates, геолог Крістофер Голд і Університет провінції Альберта (Канада). Ще один винахідник знаходився в Європі, однак історія не зберегла для нас його ім’я. При цьому, палкі дискусії про те, чи незалежно всі вони проводили свої дослідження, чи займались плагіатом один одного, не втихають і нині. Але це вже інша історія... У цей же період також удосконалювалися методи аналізу просторо- вих даних і технологій їх кодування і візуалізації. Зокрема були розроблені теоретичні основи геостатистики (Ж. Матерон, рис. 2.28), технології графічного зображення тривимірних поверхонь [83]. Одночасно аналогічні роботи проводились і в інших наукових цент- рах Північної Америки та Західної Європи. Як уже згадувалось, у лабора- торії Дана Томліна заклали основи картографічної алгебри (1983 р.), ство- ривши відому родину растрових програмних засобів MAP (Map Analysis Package) – MAP, PMAP, aMAP. Характерно, що ці пакети розповсюджував Йєльський університет за символічною ціною (приблизно за 20 дол. США). Одним із похідних програмних продуктів, що вільно поширювались у 88 мережі Інтернет, був OSU-MAP, створений в Університеті штату Огайо вихідцями з Гарвардської лабораторії. Рис. 2.28. Засновник геостатистики, професор Жорж Матерон, Франція В Європі перша автоматизована картографічна система була ство- рена у Великій Британії під керівництвом Д. Бікмора в 1964 р. [22]. У Франції наприкінці 60-х рр. ХХ ст. була створена кадастрова інфор- маційна система "Majic". У Європі перші ГІС були створені в Швеції. Методичні основи цих розробок були закладені в працях О. Саломонссона і Т. Германсена у 1976 р. Основним напрямом шведської школи геоінформатики було ство- рення ГІС земельно-облікової спеціалізації, зокрема Шведського земель- ного банку даних, автоматизація обліку земельних ділянок і нерухомості. До середини 1970-х рр. у Швеції на стадіях розробки й експлуатації перебували 12 інформаційних систем різного рівня [Computer cartography…, 1977]. Перевагою цих робіт стала участь у них науково-дослідних колективів, у тому числі професійних географів (Університет Лунда), що дозволило закласти в розробки фундаментальні принципи ГІС, зокрема ознаку простору (атрибути місця розташування об’єктів). У цих розроб- ках вперше був широко використаний топологічний підхід до організації управління географічною інформацією, яка містить математичний спосіб опису просторових взаємозв’язків між об’єктами. У 70-х рр. ХХ ст. в колишньому СРСР географи І. П. Герасимов, Ю. Г. Саушкін, С. Б. Лавров, В. С. Преображенський підняли питання про необхідність використання географічного підходу для розв’язку задач територіального планування, раціонального використання природних ресурсів, природоохоронної діяльності. 89 У зв’язку з колосальними обсягами текстової та графічної інформації, модельних розрахунків, якісної графіки, які вимагали ГІС, гострою проб- лемою став дефіцит машинних ресурсів. Це стримувало широке поширення ГІС, зумовлене високою вартістю виконання, впровадження і супро- водження проектів. Функціональна обмеженість ГІС "першого покоління" (відсутність чи примітивність графічної і картографічної інформації) мала й суто технічні причини: нерозвиненість периферійного обладнання (дисплей ще не став звичним атрибутом ЕОМ) на великих і потужних, але дуже коштовних ЕОМ, неможливість перенесення програмного забезпечення, критичність обчислювальних ресурсів щодо обсягу даних і часу виконання завдань. Проте, ядро ГІТ вже було сформоване на рубежі 60-х і 70-х рр. ХХ ст., визначивши структуру ГІС першого покоління. Таким чином, характерною рисою ГІС першого покоління була тенде- нція до посилення міждисциплінарних зв’язків у середовищі розробників. Однак ці первісні ініціативні проекти та дослідження, географічно розподі- лені по багатьох наукових центрах, виконувалися на базі потужних, але дуже коштовних ЕОМ, внаслідок чого, вони були найчастіше системами унікальними, з обмеженим колом користувачів. Роботи в цих центрах здійс- нювалися, як правило, незалежно, часто без згадування і навіть з ігноруван- ням подібних досліджень. Можливості ГІС "першого покоління" мали дуже обмежені можливості через нерозвиненість технічних засобів (апаратного забезпечення). Дисплей як засіб візуалізації інформації для оператора комп’ютера, став активно застосовуватися лише у середині 1970-х рр. Надзвичайно слабко були розвинені необхідні периферійні пристрої (сканери, принтери, плотери тощо). ІІ етап (80-ті рр. ХХ ст., комерційний період). У другій половині 70-х років – на початку 80-х рр. ХХ ст. уряди багатьох країн, приватні фірми, зокрема США і Західної Європи, побачили перспективу викорис- тання ГІС і почали інвестувати в розробку цих технологій значні кошти. Крім того, розробка та широке поширення відносно недорогих персо- нальних комп’ютерів із графічним дисплеєм дозволили відмовитись від "пакетного" режиму обробки даних. На цьому етапі спостерігається бурхливий розвиток великих геоін- формаційних проектів, створюються сотні комп’ютерних програм і систем. Це сприяло децентралізації досліджень у галузі ГІТ та інтеграції міждисци- плінарних досліджень. Характерним є зростання наукової, політичної та комерційної зацікавленості до ГІС, що було зумовлено усвідомленням необхідності створення державних інтегрованих ГІС для вирішення задач управління територіями, природними ресурсами, моніторингом навколиш- нього середовища. Як приклад на рис. 2.29 а представленні атлас населення Франції, а на рис. 2.29 б – атлас населення та помешкань Австралії. 90 Рис. 2.29. Атласи: а – населення Франції (Population francaise, 1980); б – населення і помешкань Австралії (Atlas population and housing, 1981 census) На рис. 2.30 представлений комплексний соціально-економічний атлас Швейцарії, а на рис. 2.31 – атлас природного середовища о. Лорд- Хау, Ісландія. |