Зацерковний В.І. та ін. ГІС та бази даних. І бази даних
 Скачать 31.1 Mb.
|
|
1.9. Компоненти ГІС Компоненти 4 ГІС – частини системи, виділені за певною ознакою або сукупністю ознак, що розглядаються як єдине цілісне утворення. Роботу ГІС демонструє такий приклад: уявімо, що існує певна кіль- кість прозорих плівок, на кожній із яких позначені конкретні тематичні об’єкти (наприклад, корисні копалини, мережі: річкова, транспортна то- що). Компонуючи ці прозорі плівки, згідно з певними вимогами, можна відобразити об’єкти та їх тематичні комбінації, які можуть зацікавити ко- ристувача або замовника. В цьому випадку комп’ютер і ГІС не потрібні, оскільки користувач переглядає об’єкти, тематичні шари та іншу інформа- цію, що його цікавить. Однак, у реальному житті доволі часто виникає необхідність збільшувати або зменшувати зображення, точно вимірювати геометричні характеристики об’єктів (довжину вулиць, відстань між на- селеними пунктами, площу лісового масиву тощо), отримувати вичерпну інформацію про певні об’єкти (наприклад, визначивши промислове під- приємство, отримувати інформацію про його профіль, характер забруд- нень, вплив на навколишнє середовище, дані моніторингу за декілька років по цьому підприємству тощо. Крім того, ГІС можна використову- вати як пошукову систему. У цьому випадку формується запит, у якому перераховуються всі характеристики, що цікавлять або можуть зацікавити користувача чи замовника, наприклад, заводи харчової промисловості, що збудовані після 2013 р., які б знаходилися на відстані, що не перевищує 10 км від окружної дороги тощо. ГІС дозволяє проводити за допомогою вбудованого потужного ма- тематичного апарату аналітичну обробку інформації, причому як внут- рішньої (та що знаходиться в базах даних ГІС), так і зовнішньої (аналіз супутникових знімків, їх дешифрування, виділення інформації та тих об’єктів, які цікавлять користувача), а в більш складних ситуаціях навіть здійснювати моделювання реальних подій. Наприклад, ГІС дає можливість 4 Компонента – складова частина певного цілісного утворення. 48 оперативно прогнозувати ймовірні місця розривів на трасі трубопроводу, відслідковувати шляхи поширення забруднень, оцінювати можливу шкоду природному середовищу, обчислювати необхідний обсяг коштів, потрібних для ліквідації аварії, і навіть готувати платіжні доручення: одне – для ліквідації наслідків аварії; інше – для ремонту трубопроводу (якщо, наприклад, ГІС інтегрована з пакетом бухгалтерської програми "1С:Підприємство"). Основні компоненти ГІС представлені на рис. 1.11. Рис. 1.11. Компоненти ГІС Інформаційне забезпечення ГІС є відповідним чином закодованою просторовою інформацією, тобто інформацією, пов’язаною з місцем її розташування. Просторові дані складаються з цифрових представлень реально існуючих дискретних просторових об’єктів (процесів, явищ, подій). У багатьох випадках найбільш складною частиною постачання даних у ГІС є їх співвіднесення з місцем розташування об’єкта – цей процес називається геокодуванням 5 або геоприв’язкою. Маючи справу в ГІС з розміщеними в географічному просторі об’єктами, їх положення може бути описано за допомогою: – географічної прив’язки (територіальний принцип: материк, країна, місто). В цьому випадку геоприв’язкою виступає певна територія; 5 Геокодування – процес, що перетворює опис місця розташування (наприклад, координати, адресу або назву місця) в місце розташування на поверхні Землі. 49 – адресної прив’язки (країна, індекс, вулиця, дім, поверх, корпус, квартира або кадастровий номер об’єкта); – координатної прив’язки (градуси, мінути, секунди) іноді з позначенням висоти; – атрибутивної прив’язки (ліворуч від вокзалу, напроти виходу, біля церкви в Кукуєво, південніше східної околиці села Гадюкино, збоку від заправки, на рівнині, на 30 кілометрі траси Е-95, в горах) тощо. Отже, в певному наборі даних ГІС повинен існувати елемент, який визначає його положення. Елемент, що визначає місце об’єкта, назива- ється геокодом. Однорідні дані в ГІС формують тематичний шар даних, або оверлей (overlay – покриття, тема). Саме з цього терміна й походить форма по- дання даних у ГІС – шарове або пошарове. Комбінуючи тематичні шари та їх послідовність, можна отримувати тематичні карти та здобувати нові знання. Дані – це найважливіша компонента ГІС. Дані про просторові розташування об’єктів та їх атрибути можуть збиратися як самим користу- вачем, так і отримуватись у постачальників на комерційній або іншій основі. Велика кількість просторових даних є безкоштовною або умовно- безкоштовною. ГІС одночасно є засобом управління та створення даних. Створення ГІС часто починається саме з накопичення даних, тобто з інформаційного забезпечення. Апаратне забезпечення – це комп’ютер, на якому інстальована ГІС, а також набір периферійних пристроїв, що забезпечують уведення і виведення інформації. ГІС можуть працювати на різних типах апаратних комп’ютерних платформ від централізованих серверів до окремих персональних або пов’язаних мережею настільних комп’ютерів. Найбільш часто використовуються такі зовнішні пристрої: дігітай- зери, сканери, принтери, плотери. Ефективна робота сучасних ГІС можлива тільки на підставі потужної технічної комп’ютерної підтримки. Апаратні засоби ГІС спільно з техніч- ними засобами позиціонування (електронними геодезичними станціями, приймачами супутникових систем позиціонування), засобами дистанцій- ного зондування Землі інтегруються в технічні комплекси, які дозволяють ефективно отримувати й обробляти геопросторову інформацію. Програмне забезпечення – це сукупність взаємопов’язаних програм- них модулів, які забезпечують виконання основних функцій ГІС (можли- вість уведення, збереження, обробки та аналізу даних, їх візуалізації, надання підтримки прийняття рішень), а також безпосереднє керування ГІС у цілому (рис. 1.12). 50 Ключовими компонентами програмного забезпечення є: – система введення й обробки просторової інформації; – система керування базами даних; – системи підтримки просторових запитів, аналізу та візуалізації (відображення); – графічний інтерфейс користувача для легкого доступу до інструментів і функцій ГІС; – вбудоване середовище для створення додаткового програмного забезпечення. Рис. 1.12. Функції ГІС Програмною оболонкою ГІС називають частину прикладного про- грамного забезпечення, яка реалізує функції ГІС. Графічні редактори і СКБД з позицій програмного конструювання є оболонками над даними. Оболонка графічного редактора надає користувачу інструменти графічного редагування та візуалізації об’єктів растрової, век- торної або гібридної графіки. Оболонка СКБД дозволяє прикладним про- грамам звертатися до даних за допомогою SQL-запитів, створюючи ілюзію їх упорядкування у вигляді таблиць. Файлова структура для збереження даних повністю прихована для користувача. Концепція оболонки дає можливість "боротись" зі зростаючою складністю програмних систем [95]. У складні об’єктно-орієнтовані програмні комплекси ГІС, наприклад, ArcInfo, InterGraph, AutoCad Map входять засоби розробки прикладних програмних оболонок, призначенням яких є приховування деталей реалізації процедур відбору картографічних даних і їх візуалізації. За оцінками фахівців у галузі інформатики [15], тривалість життя (зміни поколінь) основних компонент інформаційної системи варіюється в межах: • апаратного забезпечення – до 5 років; • програмного забезпечення – до 15 років; • даних – до 70 (і більше) років; • користувачів (людей) – до 50 років. 51 Отже, при вивченні ГІС не має гострої необхідності детально зупиня- тися на апаратному забезпеченні або на підсистемі виведення інформації, хоча саме для підсистеми важливим елементом є подання картографічних даних як вихідного або проміжного продукту ГІС. Кадрове забезпечення ГІС складають як кваліфіковані технічні фа- хівці, які розробляють і підтримують системи, створюють і керують дани- ми, так і безпосередньо користувачі, які використовують їх у повсякденній роботі. Від кадрового забезпечення залежить ефективність ГІС. Обов’язковою умовою реалізації ГІС є наявність креативних користувачів, які мають відповідну фахову підготовку для дослідження земного простору, роботи з геоданими, вміють працювати в середовищі геоінформаційних додатків, створювати та підтримувати їх у робочому стані, мають певні знання з предметної сфери застосувань ГІС. Для створення ГІС потрібні розробники, а для функціонування – користувачі, причому кількість останніх складає більшість. Важливою вимогою є вміння приймати правильні рішення за результатами аналізу даних. Результат застосування ГІС багато в чому залежить від вміння і досвіду персоналу, задіяного в даному проекті. Функціональне забезпечення – методологічний апарат, закладений у ГІС. Сучасні ГІС включають засоби розробки, які дозволяють нарощу- вати функціональність і перетворювати універсальні ГІС у спеціалізовані системи для конкретних галузей, сфер знання, робочих колективів. Функціональне забезпечення ГІС потребує використання низки стандартів. Стандарти встановлюють, як дані визначаються, зберігаються й переміщуються між системами та додатками. 1.10. Відмінність ГІС від інших інформаційних систем Характерною особливістю ГІС є наявність картографічної основи – цифрових карт, планів і схем, графічні об’єкти яких пов’язані посилан- нями з елементами даних зовнішніх інформаційних джерел (просторові дані інших ГІС, атрибутивні дані серверів баз даних, бази знань, тексти і гіпертексти, звукові та відеофайли, анімація, фотореалістичні зображення і будь-які структуровані документи. Раніше було визначено, що ГІС виконує функції введення, інтегру- вання, збереження, обробки, аналізу, моделювання та візуалізації геогра- фічної (просторової) інформації, поєднує традиційні операції при роботі з базами даних – запит і статистичний аналіз – з перевагами повноцінної візуалізації та просторового аналізу, які надає карта. Ця особливість дає унікальні можливості для застосування ГІС у розв’язку широкого спектра задач, пов’язаних з аналізом явищ і подій, прогнозуванням їх ймовірних наслідків, плануванні стратегічних рішень. 52 Відмінність ГІС від інших інформаційних систем представлена на рис. 1.13. Рис. 1.13. Відмінності ГІС від інших інформаційних систем Базові принципи побудови ГІС подані на рис. 1.14. Рис. 1.14. Базові принципи побудови ГІС Специфічні функції ГІС представлені на рис. 1.15. Рис. 1.15. Базові принципи побудови ГІС Базові принципи побудови ГІС Комплексність (системність) Просторовість Зв’язаність Специфічні функції ГІС Інтеграція просторової та атрибутивної інформації Швидкий аналіз просторової й атрибутивної інформації, виявлення неочевидної інформації Візуалізація просторової інформації Відмінність ГІС від інших інформаційних систем Інформація має просторову прив’язку Можливість керування величезними об’ємами даних Розвинений інструментарій для введення, збереження, аналізу і моделювання просторових даних ГІС є інструментом підтримки прийняття рішень 53 Комплексність (системність) ГІС – це комплекс програмного, апаратного, інформаційного забезпечення, який керується підготовленим певним чином фаховим персоналом. Просторовість. ГІС у своєму арсеналі мають інструментарій, який працює з будь-якими даними, розподіленими в просторі, що мають свою систему координат, починаючи від колоній мікроорганізмів і закінчуючи планетою Земля. ГІС також дозволяють здійснювати операції з даними, які не мають просторової прив’язки, але основна функціональність ГІС орієнтована саме на роботу з просторовими даними. Зв’язаність – наявність тісного взаємозв’язку між просторовою й атрибутивною інформаціями. У рамках ГІС вперше ці два типи інформації були тісно поєднані, а це, у свою чергу, багато в чому визначило появу ГІС у вигляді окремої галузі програмного забезпечення. Саме тому ГІС називають системою управління базами даних (СКБД) і з можливістю створення карт або системою цифрової картографії з розширеною підтримкою баз даних. Інтеграція. ГІС відрізняються від інших ІС саме тим, що вони воло- діють ефективними можливостями інтегрування різнопланової просторової інформації, що пов’язана з реальним земним простором. Це означає, що будь-які дані можуть бути інтегровані до однієї системи, якщо ці дані мають або можуть мати просторову прив’язку в реальному земному просторі. Наприклад, муніципальна ГІС інтегрує інформацію про містобуду- вання, населення, землекористування, житловий і нежитловий фонди, міські інженерні системи водопостачання, водовідведення, теплопоста- чання, газопостачання, електропостачання, транспортну інфраструктуру, про екологічну обстановку, правопорушення тощо. Це дає можливість керувати, наприклад, підсистемами міста комплексно (системно), визна- чати вплив одних факторів на інші. Загалом інтегровані просторові дані надають можливість: – реалізувати комплексний (системний) підхід при аналізі сутностей реального світу; – визначати вплив, залежності, зв’язки одних об’єктів і явищ реального світу на інші; – виробляти пропозиції для прийняття ефективних управлінських рішень; – забезпечувати цілісність і несуперечність усієї інформації в системі; – уникати дублювання введення даних; – вдосконалювати інформаційну взаємодію; – підвищувати якість і оперативність роботи підсистем. 54 Таким чином, інтегрування багатьох факторів є ключовим методом ГІС. Чим більше інформації зберігається в системі, тим ефективніше ця система працює. Причому ці можливості зростають не пропорційно, а за експоненціальним законом. ГІС інтегрують не тільки дані але й передові інформаційні технології: технології автоматизованої картографії; технології баз даних; технології цифрової обробки результатів позиціонування та дистанційного зондування Землі (ДЗЗ); технології геоінформаційних web-сервісів у відкритих се- редовищах Інтернет та багато інших технологій, які не тільки розширюють можливості ГІС, але й визначають майбутню стратегію розвитку ГІС у зв’язку з інтеграцією та розвитком передових інформаційних технологій. Ключові переваги ГІС представлені на рис. 1.16. ГІС – це система, яка інтегрує знання. Проблеми розробки, функціо- нування і використання ГІС перебувають на стику трьох галузей науко- вих знань: комп’ютерні науки, науки про Землю і земний простір, галузі геоінформаційних додатків (рис. 1.17). Рис. 1.16. Ключові переваги ГІС Ключові переваги ГІС Зручне для користувача відображення просторових даних Картографування просторових даних, у тому числі в тривимірному форматі, є надзвичайно зручним длясприйняття,що спрощує побудову запитів і їх наступний аналіз. Прийняття обґрунтованих рішень Автоматизація процесу аналізу та побудови звітів про будь-які явища, пов’язані з просторовими даними, допомагає підвищити ефективність процедури прийняття рішень Інтеграція даних усередині організації ГІС поєднують дані, накопичені в різних підрозділах компанії або навіть у різних сферах діяльності організацій цілого регіону Зручний засіб для створення картографічних зображень ГІС оптимізують процес дешифрування даних космічних і аеро- знімань і використовують попередньо створені плани місцевості, схеми, креслення, суттєво заощаджують часові ресурси, автома- тизуючи процес роботи з картами, дозволяють створювати тривимірні моделі місцевості. 55 Рис. 1.17. Взаємозв’язок ГІС з науками про Землю та комп’ютерними науками [55] Виходячи з такої концепції розуміння ГІС, можна стверджувати, що: • відсутність у цій сукупності будь-якої галузі наукових знань не дозволяє створити сучасну ГІС у загальноприйнятому значенні; • креативні користувачі ГІС повинні володіти знаннями із зазна- чених галузей. Базові галузі наукових знань наведені в табл. 1.2. Таблиця 1.2 Базові галузі наукових знань Комп’ютерні науки Науки про Землю, навколишній і підземний простіри Геоінформаційні додатки Інформатика та програмування Геодезія Управління територією Математичне моделювання Географія Містобудівництво і архітектура Операційні системи Картографія Інженерна інфраструктура Текстові та графічні редактори Аерокосмічна зйомка Управління нерухомістю Електронні таблиці Фотограмметрія Транспорт і логістика СКБД ДЗЗ Екологія Інформаційні мережі Глобальні системи позиціонування Природні ресурси Обробка зображень Демографічні дослідження САПР Функціонування силових відомств Інше (усього близько 80 дисциплін) 56 Аналіз. ГІС відрізняються від інших ІС тим, що володіють ефектив- ними можливостями аналізу просторових даних і на його основі можуть виконувати просторове моделювання об’єктів, процесів та явищ. Сучасні ГІС володіють потужним інструментарієм для просторового аналізу. Саме тому просторовий аналіз називають "серцем" ГІС [15]. ГІС дозволяють зберігати величезні об’єми різноманітних даних у розподілених базах даних, узагальнювати й аналізувати інформацію наба- гато швидше, ніж будь-які інші традиційні методи досліджень. Аналітичні можливості ГІС дозволяють отримувати відповіді на безліч просторових запитів, вирішувати величезну кількість просторових задач у різних предметних галузях. Усе розмаїття задач просторового аналізу можна умовно поділити на 5 узагальнених категорій: 1) Аналіз місця розташування. Цій категорії відповідає просторовий запит: що існує в конкретному місці на поверхні Землі? Щоб побачити, де розташований і як виглядає об’єкт, що цікавить ко- ристувача ГІС, для цього використовуються карти. На карті наочно пред- ставлений характер просторового розподілу об’єктів, а це дозволяє виявити зв’язки між ними та краще зрозуміти область дослідження. Тільки побачив- ши місця розташування об’єктів, можна зрозуміти причини просторових взаємозв’язків. Для того, щоб проаналізувати закономірності розподілу даних, по- трібно певним чином відобразити досліджувані об’єкти, ґрунтуючись на значеннях їх характеристик. Наприклад, еколог може оцінити вплив особливостей рельєфу або інших чинників на просторовий розподіл рослинних співтовариств, використовуючи картографічні дані, архітектор може спланувати розміщення певного об’єкта у відповідності з генераль- ним планом населеного пункту (планом існуючої забудови і планом інженерної інфраструктури) аналітик райвідділу міліції, створивши карту розподілу злочинів різного типу, спроможний виявити рецидиви в окремих районах. 2) Задоволення просторових умов. Цій категорії просторового ана- лізу відповідає запит: Де задовольняються конкретні просторові умови? Найпростіший запит про місце розташування об’єкта складається за однією умовою. Для отримання відповіді достатньо виконати одну штат- ну операцію. Більш складний запит про місце розташування об’єкта може включа- ти певний набір умов. Для отримання відповіді вже потребується викорис- тання низки операцій просторового аналізу. Наприклад, де знаходиться майданчик для будівництва площею 2 га в межах до 200 м від міста Києва з ґрунтами несучої здатності до 1 кг/см 2 ; обґрунтувати місце розташування торгового, навчального закладу або бізнес-центру з урахуванням багатьох, 57 у тому числі просторових чинників, або знайти оптимальну трасу трубопро- воду або шляхопроводу, що планується побудувати поруч із населеним пунктом. 3) Часовий аналіз. Цій категорії відповідає запит: які зміни відбулися на певній території за зазначений період? Відповідь на це питання пред- ставляє собою спробу визначити зміни, що відбулись у просторі й у часі, тенденції цих змін на певній території. Наприклад, яка тенденція поши- рення грипу в регіоні, які нові об’єкти побудовані за останній рік, наскільки і яке збільшення урбанізованих територій відбулося? Зберігаючи і порівню- ючи карти, отримані в різні періоди, ГІС дозволяє виявити динаміку змін, тобто провести часовий аналіз. 4) Виявлення структури. Цій категорії відповідає просторовий запит: які просторові структури або розподіли існують? Наприклад, скільки є аномалій, які не відповідають нормальному розподілові, та де вони знахо- дяться; який розподіл населення в населеному пункті; які ділянки дороги є найбільш небезпечними; який розподіл вартості нерухомості на території міста; який розподіл вартості землі в регіоні? Виділення просторових структур – це складне питання, що потребує застосування арсеналу потужних засобів просторового аналізу. 5) Оцінка різноманітних сценаріїв. Сценарій є результатом питань типу: "Що відбудеться, якщо...?" Наприклад, що відбудеться, якщо інтен- сивність танення сніжного покриву стане критичною; які витрати необ- хідно понести для розширення автомагістралі на 3 м; як зміниться якість транспортного обслуговування віддаленого мікрорайону, якщо скоротити кількість автобусних маршрутів з ринку "Троєщина" і додати таку ж кіль- кість тролейбусів? У таких і аналогічних випадках користувач використо- вує модель для прогнозування та карти потенційного впливу. Застосування такої моделі дозволяє побудувати гіпотетичну ситуацію та прогнозувати розвиток і наслідки соціологічних та економічних ситуацій, стихійних лих і аварій природно-техногенного характеру в просторі та часі. Останнім часом спостерігається помітне зростання ролі аналітичних і моделюючих функцій ГІС. Наприклад, система ArcGIS 10.1 (ЕSRI) вклю- чає доступні для освоєння модулі Spatial Analyst, 3D Analyst, Network Analyst, Geostatistical Analyst. |