Зацерковний В.І. та ін. ГІС та бази даних. І бази даних
 Скачать 31.1 Mb.
|
|
Рис. 1.19. Лінійна модель співвідношення картографії (К), дистанційного зондування (ДЗ) і геоінформаційних систем (ГІС) Інша схема називається моделлю домінування картографії (рис. 1.20). Відповідно до цієї схеми, ДЗЗ і ГІС виглядають як підсистеми, що входять до системи картографії. Рис. 1.20. Домінування картографії Модель домінування ГІС (рис. 1.21), навпаки, репрезентує картогра- фію і ДЗЗ як підсистеми, що входять до геоінформатики та ГІС. 67 Рис. 1.21. Домінування ГІС Найбільш реалістичною визнається модель потрійної взаємодії (рис. 1.22), у якій жодна зі сфер не є домінуючою. Вони перекриваються і тісно взаємодіють між собою в процесі отримання, обробки й аналізу просторової інформації. Рис. 1.22. Модель потрійної взаємодії 68 ІІ. ІСТОРІЯ РОЗВИТКУ ГІС Історія підтвердить мою правоту, особливо якщо я напишу її сам. Уїнстон Черчіль Довжелезний ланцюг подій призвів до створення сучасних ГІС. Описати історію ГІС – доволі складне завдання, хоча б тому, що факти, очевидці та результати досліджень часто суперечать один одному. Крім того, перші роки створення ГІС або мало документовані, або не до- кументовані взагалі, та потрібні істотні зусилля, щоб зрозуміти, як все відбувалося насправді. Однак історію деяких відкриттів прослідкувати можна. 2.1. Передумови розвитку ГІС Історія людства завжди розгортається не тільки у часі, а й у просто- рі. Всі помітні події, явища й об’єкти історичного процесу людина завжди прагнула закарбувати не тільки спочатку в усних, а потім у письмових джерелах, а й на схематичних картографічних зображеннях. Усі цікаві відомості про природу, характер тієї чи іншої місцевості, її флору та фауну людини прагнули відобразити, залишаючи про них письмові та картографічні свідоцтва. Достеменний час народження ГІС навряд чи буде колись достовірно відомим. Але перше, найстародавніше і найпростіше використання ГІТ було знане ще первісній людині. Доказом цього слугують малюнки, знайдені на стінах кроманьйонців у печері Ласко 6 (Франція) (рис. 2.1), вік яких перевищує 15000 років. Рис. 2.1. Малюнки кроманьйонців – найстародавніше використання ГІТ 6 Печера Ласко, або Ляско (фр. Grotte de Lascaux) – одна з найважливіших палеолітичних пам’яток за кількістю, якістю й схоронністю наскальних зображень. Іноді Ласко називають "Сікстинською капелою первісної живопису". Мальовничі і гравіровані малюнки, які перебува- ють там, не мають точного датування: вони з’явилися приблизно в XVIII–XV тисячолітті до н. е. 69 На малюнках цієї печери зображені тварини, на яких полювали кро- маньйонці, площі мисливських угідь, сліди тварин та шляхи їх міграції. Наведений приклад використання ГІТ, безумовно, є доволі простим – малюнок свідчить тільки про пов’язування зображення з атрибутом інформації, але враховуючи вік зображення, це вражає. Другий відомий факт вдалого прикладу застосування ГІТ належить Луї-Олександру Бертьє 7 (Louis-Alexandre Berthier) (рис. 2.2), який засто- сував технологію комплексування (суміщення та накладання) просторо- вих даних за допомогою узгодженого набору карт. Штабний офіцер Луї- Олександр Бертьє використав прозорі пласти (шари), які накладались на базову карту для наочної демонстрації переміщення військ у битві під Йорктауном 8 (Yorktown) у 1781 р. (рис. 2.3). Рис. 2.2. Луї-Олександр Бертьє Рис. 2.3. Демонстрація переміщення військ у битві під Йорктауном Відомо ще декілька спроб вдалого використання просторового аналі- зу. Так, в "Атласі до другої доповіді представників ірландських залізничних доріг" на одну базову карту були накладені карти населення, транспортних потоків, геологічної будови та рельєфу (рис. 2.4). 7 Син ученого-географа, який з дитинства любив і працював із картою. Бертьє до зближення з Бонапартом (1796 р.) служив штабним офіцером у війнах двох революцій – американській і французькій. Коли американські колоністи підняли повстання проти британського короля Георга ІІІ, Франція стала на бік американських колоністів, а Бертьє добровольцем відправився до Америки їм на допомогу. Вже там він зарекомендував себе досить перспективним штабним офіцером. 8 Йорктаун – місто в США, біля якого в жовтні 1781 р. американські та французькі війська під командуванням Дж. Вашингтона і Рошамбо змусили капітулювати семитисячну британську армію Ч. Корнуолліса. Ця подія фактично стала закінченням війни за незалежність. 70 Рис. 2.4. Накладання карт населення, транспортних потоків, геологічної будови та рельєфу на мережу ірландських залізничних доріг У 1826 р. П’єр Шарль Франсуа Дюпен (рис. 2.5) опублікував першу тематичну карту (рис. 2.6), яка показувала розподіл неписьменності у Франції. Дюпен використав відтінки (від чорного до білого) для штрихування статистичної змінної, перший відомий приклад того, що називається сьогодні картограмою. Рис. 2.5. Дюпен П’єр Шарль Франсуа Рис. 2.6. Перші тематичні карти Дюпена 71 У вересні 1854 р. англійський лікар Джон Сноу (рис. 2.7 а) використав карту місць летальних наслідків холери, накладену на карту центральної частини Лондона (рис. 2.7 б) для пошуку джерела епідемії, яким виявилася заражена водна колонка (рис. 2.7 в) [Goodchild M., Kemp K., 1991]. а б в Рис. 2.7. Застосування просторового аналізу Джоном Сноу (John Snow): а – лікар Джон Сноу; б – карта центральної частини Лондона з позначеннями місць летальних наслідків холери; в – водна колонка – джерело виникнення епідемії Однак це були лише окремі інтуїтивні застосування ГІТ. Дійсний розвиток та використання ГІС і ГІТ почалися в 60-х рр. ХХ ст., що було зумовлене накопиченням великого топографічного досвіду й тематичного картографування, успішними спробами автоматизування картоскладаль- ного процесу, а також революційними досягненнями в галузі комп’ютер- них технологій, інформатики і комп’ютерної графіки. Особливо потрібно відзначити ідеї і досвід комплексного тематич- ного картографування, який переконливо продемонстрував ефект систем- ного використання різнохарактерних даних для отримання нових знань про географічні об’єкти. Саме комплексність та інтегративність ГІС і на сучасному етапі залишаються найважливішою властивістю, яка приваб- лює користувачів. 2.2. Етапи розвитку ГІС В історії розвитку ГІС виділяють, з деякою умовністю, чотири етапи [22]. І етап (кінець 50-х – кінець 70-х років ХХ ст., піонерський період) пов’язаний, у основному, з відкриттям на Заході доступу до ЕОМне тільки математикам і системним програмістам, а й фахівцям з інших га- лузей. У цей час з’являються нові більш продуктивні ЕОМ, плотери, графічні дисплеї та різне периферійне обладнання. 72 Теоретичні дослідження в галузі географії і просторових даних, упро- вадження кількісних методів аналізу інформації сприяли появі нового підкласу інформаційних систем, які отримали назву геоінформаційних. На цьому етапі відбувалися дослідження принципових можливостей ГІС та можливостей суміжних галузей знань і технологій, напрацювання емпіричного досвіду, перші великі проекти та теоретичні роботи. Проте, доволі часто грандіозні ідеї терпіли фіаско через нестачу комп’ютерних потужностей. У 50–60-х рр. ХХ ст. в картографічному аналізі відбуваються зміни, зумовлені, передусім, появою й удосконаленням графічних апаратних засобів, а також розвитком теорії просторових процесів у економічній і соціальній географії, антропології і краєзнавстві. Треба також відзначити зростаючий інтерес учених до екологічних проблем, характерний для цього періоду, який також стимулював розвиток просторового аналізу. Як приклад нового підходу до картографічного аналізу, можна навес- ти розроблені в США комплексні транспортні плани Детройта та Чикаго (50–60-ті рр. ХХ ст.), у яких була узагальнена інформація про рух транспор- ту, маршрути, кінцеві та вихідні станції, тривалість перебування в дорозі. Як наслідок, було створено карти транспортних потоків і обсягів перевезень. Велике значення для цього періоду мали теоретичні праці в галузі географії і просторових взаємозв’язків, а також становлення комп’ютер- них методів просторового аналізу растрових зображень й автоматизо- ваного картографування з використанням плотерів у географії в США, Канаді, Англії, Швеції (праці В. Гаррісона (William Garrison), Т. Хагерст- ранда (Torsten Hagerstrand), Г. Маккарті (Harold McCarty), Я. МакХарга (Ian McHarg) (рис. 2.8). Вільям Гаррісон Торстен Хегерстранд Ян МакХарг Рис. 2.8. Піонери ГІС Роботи Лундської школи. Засновником і визнаним лідером Лунд- ської школи є шведський географ Торстен Хегерстранд (Hagerstrand T. 73 Innovation diffusion as a spatial process / T. Hagerstrand. – Chicago: University of Chicago Press, 1968). Школа розвивається на основі конкретизації та розробки його ідей. Основні положення, що стали базою формування школи, викладені Хегерстрандом на початку 1950-х і в 1960-ті роки. Учений досліджував процес дифузії нововведень. Проблема займала західних географів і раніше, але Хегерстранд застосував для цієї мети математичні методи, що дозволило отримати чіткі й оригінальні результати. Він вивчив процес дифузії нововведень як хвильове явище. Подібний підхід виявився плід- ним і для багатьох інших проблем, які стали досліджуватися з позицій їх просторово-часової динаміки. Заслугою Т. Хегерстранда є і те, що він уперше, ґрунтуючись на ем- піричних даних, описав вплив сусідства на просторову дифузію нововве- день. Сприйняття нововведень розглядалося з урахуванням психологічних особливостей людей; показано опір прийняттю нововведень; дано мате- матичну модель дифузії; Показані можливості визначення надмірності й недостатності контактів людей з просторово-часової точки зору. Важливим етапом еволюції наукової школи стало створення в Лунді дослідницької групи з проекту "Використання часу та екологічна організа- ція". В її рамках Хегерстранд зі своїми колегами Б. Ленторпом, С. Мартенс- соном, П. Карлстейном та іншими фахівцями провів низку систематичних досліджень (Carlstein T. Time, resources, society and ecology. – Lund: Department of Geography, University of Lund, 1980; Carlstein T., Parkes DN, Thrift NJ (eds.). Timing space and spacing time (three volumes). – London : Edward Arnold, 1980). Результати більшості цих досліджень найбільш систематично ви- кладені А. Предом (Pred A. Behaviour and location: foundations for a geographic and dynamic location theory. Part I / A. Pred. – Lund : CWK Gleerup, 1967 ; Pred A. Behaviour and location: foundations for a geographic and dynamic location theory. Part II / A. Pred. – Lund : CWK Gleerup, 1969 ; Pred A. Industrialization, initial advantage, and American metropolitan growth / A. Pred // Geographical Review. – 1965. – № 55. – P. 158–185 ; Pred A. The choreography of existence: comments on Hagerstrand’s time-geography and its usefulness / A. Pred // Economic Geography. – 1972. – № 53. – P. 207–221). Важливе значення для формування школи мало те, що Хегерстранд і його послідовники створили англомовний журнал "Lund Studies in Geography. Human Geography", в якому могли оперативно і доступною для більшості вчених світу мовою публікувати свої наукові результати. Принциповими положеннями Лундської школи можна вважати прагнення її прихильників розглядати простір і час у нерозривному зв’язку при дослідженні буденної поведінки людини. Важлива і сама орієнтація на дослідження людини в її повсякденній, буденній діяльності. 74 ГІС Канади. Проте, першим і, безумовно, великим успіхом станов- лення геоінформатики і ГІС стали розробки та створення у 60-х рр. ХХ ст. Географічної інформаційної системи Канади (Canada Geographic Information System, CGIS). Ця ГІС була побудована на базі перших великих ЕОМ і пакетної системи обробки даних. "Батьком" ГІС Канади вважається британський географ Роджер Томлінсон (рис. 2.9), під керівництвом якого було розроблено та реалізо- вано багато концептуальних і технологічних рішень, який спромігся переконати уряд Канади в необхідності створення CGIS. Саме він запровадив термін "географічні інформаційні системи". Рис. 2.9. Роджер Томлінсон (Roger Tomlinson) Призначення ГІС Канади (CGIS) полягало в аналізі чисельних да- них, накопичених канадською службою земельного обліку (Canada Land Inventory) і в отриманні статистичних даних про земельні ділянки, які використовувалися при розробці планів землевпорядкування величезних площ переважно сільськогосподарського призначення. З цією метою необхідно було створити класифікацію використання земель, використовуючи дані про сільськогосподарську, рекреаційну, еко- логічну, лісогосподарську придатність земель, відобразити сформовану структуру використання земель, включаючи землекористувачів і землевлас- ників. Найбільш складно було забезпечити ефективне введення початкових картографічних і тематичних даних. Для цього Р. Томлінсону (рис. 2.10) зі своїми помічниками, які не мали досвіду внутрішньої організації великих масивів просторових даних, потрібно було створити нову інформаційну технологію, яка раніше ніде не застосовувалася, дозволяла б оперувати окремими тематичними шарами інформації і виконувати картометричні виміри. Для введення великоформатних земельних планів був навіть спроектований і створений спеціальний скануючий пристрій. Саме в ГІС Канади була опрацьована технологія розмежування картографічної інформації за шарами (темами) та розроблена концепція 75 таблиць атрибутивних даних, що дозволило відділити файли просторової (геометричної) інформації від файлів тематичної інформації про ці об’єкти. Рис. 2.10. Роджер Томлінсон, 2005–2010 рр. Функціональна схема CGIS представлена на рис. 2.11. Рис. 2.11. Функціональна схема CGIS Крім цього, був розроблений математичний апарат для обчислення картометричних показників. 76 Незважаючи на технічні обмеження, притаманні цьому етапові роз- витку, розробники CGIS уже тоді ясно розуміли, що певні види аналізу карт та інвентаризації, в тому числі накладання контурів і визначення площ, на ЕОМ можуть виконуватися значно швидше, ніж вручну. Що ж принципово нового внесли творці ГІС Канади в становлення і розвиток ГІТ? • використання барабанного сканера для цифрування даних високої щільності (просторові об’єкти); • подання сканерного зображення у векторній формі; • географічний поділ даних у вигляді "аркушів" або "мозаїки" з перекриттям уздовж границь; • поділ даних за темами або шарами; • використання абсолютної системи координат для всієї території країни з точністю, яка відповідала просторовій розрізненності даних; • можливість встановлення оператором системи кількості значу- щих цифр для різних шарів інформації; • внутрішнє подання лінійних об’єктів у вигляді ланцюжків покро- кових переміщень у 8 напрямках (ланцюговий код Фрімена); • кодування границь ареалів за допомогою дуги із зазначенням лі- вого й правого ареалів; • наявність "топології" з планарною організацією даних кожного шару і кодуванням взаємозв’язків між дугами й ареалами в базі даних; • поділ даних на файли ознак і позиційні файли (місця розташування); • дескрипторний набір даних і набір даних зображень; • вказівку координат центроїдів об’єктів; • концепцію таблиці ознак. • Варто підкреслити, що в ГІС Канади були реалізовані функції просторового аналізу, які згодом стали стандартними для ГІС: накла- дення полігонів, вимір площ й організація просторових запитів щодо кіл і полігонів, заданих користувачем. У 1968 р. в США в інтересах військово-медичної служби був розроблений проект системи автоматизованого картографування інфекці- йних хвороб MOD (Mapping of disease project). Ця система була розрахо- вана на глобальний масштаб і, крім даних про захворюваність, врахову- вала різноманітні чинники навколишнього середовища (етнічний склад і щільність населення, температуру та вологість повітря, характер ґрунтів, резервуари і переносники збудників хвороб тощо). Функціонування системи забезпечували 15 чоловік, бюджет роботи яких на 90 % складав добування даних із джерел інформації. Істотний вплив на розвиток ГІС зробила Гарвардська лабораторія комп’ютерної графіки (рис. 2.12), яка в 1968 р. була перейменована у ла- бораторію комп’ютерної графіки та просторового аналізу (Harvard 77 Laboratory for Computer Graphics & Spatial Analysis) Массачусетського технологічного інституту, що була створена за підтримки гранту Форда (294 000 дол. США) та різних невеликих внесків з вищої школи дизайну 12 жовтня 1965 р. Рис. 2.12. Гарвардська лабораторія комп’ютерної графіки Заснував лабораторію 62-річний Говард Фішер 9 (рис. 2.13) з метою розробки програмних засобів багатофункціонального комп’ютерного картографування, які стали значним кроком у алгоритмічному вдоскона- ленні ГІС і використовувалися до початку 80-х рр. ХХ ст. Рис. 2.13. Говард Тейлор Фішер (Howard Fisher) Крім Фішера в лабораторії працювала група яскравих, енергійних і експериментально мислячих людей, зокрема міський планувальник Аллан Шмідт (Allan Schmidt), інженер і економіст Петер Роджерс (Peter 9 Говард Фішер – американський архітектор, винахідник картографічної системи SYMAP (1963 р.), що стала першою автоматизованою системою просторово-аналітичного моделювання та комп’ютерного відображення, яка була заснована на технології прямого друку. 78 Rogers), Карл Штейнц (Carl Steinitz) (рис. 2.14), архітектор Ален Берхгольц (Allen Bernholtz) та інші. Дослідження в лабораторії проводилось у двох напрямах. Першим було дослідження можливості аналізу та комп’ютерного графічного по- дання в просторі і часі розподілених даних. Результатом цих досліджень стало створення першого та найвідомішого в світі програмного пакету SYMAP ( |