геоинформационные системы. Рабочая программа по дисциплине Цели и задачи освоения дисциплины
 Скачать 0.93 Mb.
|
|
Тема N2. «Понятие и назначение геоинформационных систем» Общие сведения о геоинформационных системах Информационные системы в настоящее время используются в различных сферах деятельности человека. Однако довольно часто у пользователей возникает необходимость определения пространственного положения изучаемых объектов. Любая пространственная информационная система формируется на принципах, которые присущи всем информационным системам. Такие системы представляются как автоматизированные информационные системы, предназначенные для отображения и анализа естественных, а также искусственных объектов, расположенных в пределах земной поверхности. Пространственная привязка изучаемых объектов послужила основанием для введения термина «географические информационные системы» (ГИС). Со временем этот термин получил более широкую трактовку и трансформировался в понятие «геоинформационная система», поскольку в сферу исследования ГИС включались объекты и явления, имеющие не только конкретное местоположение на земной поверхности, но и различные описательные характеристики. В широком смысле слова ГИС воспринимается как модель реального мира, а в узком смысле является системой накопления и хранения данных, привязанных к земной поверхности. При этом наиболее перспективным направлением развития ГИС признана возможность поддержки процессов принятия решений. Составная часть сложных слов «гео» в переводе с греческого языка означает «земля». Область применения ГИС, естественно, не ограничивается географией, геодезией или другими «геонауками». Геоинформационные системы в бизнесе 12 Применение ГИС, как показывает практика, весьма эффективно в любой предметной области, в которой важное значение имеет информация о взаимном расположении и формах описываемых или изучаемых объектов в пространстве (экология, сельское и лесное хозяйство, управление природными ресурсами, бизнес, кадастр объектов недвижимости, коммунальное хозяйство и т. д.). Таким образом, наиболее существенное отличие ГИС от других информационных систем заключается в том, что они содержат пространственно-временные и географически координированные данные, характеризующие конкретный объект. Эти данные могут включать географические координаты (широту и долготу), прямоугольные координаты (X и Y) или почтовые адреса, идентифицирующие местоположение объектов. Термин «географическая информационная система» введен в 1963 году Р.Ф. Томлинсоном при внедрении электронной пространственной информационной системы в Канаде. Это понятие соответствовало новой технологии применения ЭВМ для хранения и обработки данных. Значительно позднее на базе таких систем были созданы указанные выше земельные информационные системы, характеризующие правовое, хозяйственное и пространственное положение незначительных по площади территорий. Американский архитектор Ф. Харт предложил информацию различного рода помещать на кальке. При помощи подсветки представлялась возможность совмещать информацию, имеющуюся на нескольких листах кальки. Данную идею развили другие американские ученые – Говард и Фишер, предложившие для совмещения изображений использовать компьютер. С 1977 года эта идея применяется в различных сферах производственной и научной деятельности специалистов. В настоящее время автоматизация в области ГИС достигла такого уровня, который позволяет решать задачи пространственного анализа, осуществлять ведение графических и атрибутивных баз данных, корректировать информацию и выводить ее на печать. Таким образом, главное отличие ГИС от систем компьютерной графики заключается в том, что геоинформационные системы, кроме графического отображения, содержат разностороннюю информацию об объектах и их элементах. Кроме этого, они обеспечивают также определение площади и периметра замкнутых фигур, местоположение любых указанных объектов, их взаимное пересечение, наложение или примыкание, принадлежность, вид хозяйственного использования и т. д. Здесь следует сказать несколько слов о точности выполнения некоторых картометрических операций. Информация о каждом объекте, внесенном в ГИС, хранится в цифровом формате. Для формирования такой информации могут быть использованы, например, материалы автоматизированной съемки, сканирования, дистанционного зондирования. Если оператор выделит нужный объект и дважды щелкнет по нему «мышью», то на экране компьютера отобразится информация, присущая этому объекту. Таким образом, результат работы оператора существенным образом зависит от точности ранее внесенных в ГИС сведений. Поэтому площади и другие производные параметры будут вычисляться по содержащейся в базах данных информации. Чем точнее эта информация, тем надежнее результат будет получен оператором. Что касается количества значащих цифр после запятой или единиц измерения, то пользователь самостоятельно решает эту задачу с помощью элементарных системных настроек. Если не требуется высокая точность результатов (например, в процессе оценки кадастровой стоимости недорогих земельных участков), то пользователь может использовать «мышь» для приближенных построений и дальнейших вычислений. Завершая тему точности, следует добавить еще несколько слов. В процессе эксплуатации ГИС различают не только точность измерений и точность вычислений. Здесь также приобретает важное значение точность представления данных, которая является производной от масштаба изображения и размера ячеек растра, а также точности введения координат, вида проекции и используемых аппроксимирующих моделей. Спектр решаемых с помощью ГИС задач постоянно расширяется за счет имеющих место актуальных проблем муниципального управления, экологических проблем и т. д. Это обусловливает возрастание интереса к ГИС Геоинформационные системы в бизнесе 13 широкого круга юридических и физических лиц. Поэтому общее представление о геоинформационных системах должен получить практически каждый житель планеты Земля как потенциальный пользователь ГИС-технологий. Основанные на ГИС геоинформационные технологии завоевывают все большую популярность и официальное признание в нашей стране. При этом цифровой геопространственной информации отводится важная роль в процессе решения задач развития регионов России. Однако не все производственные организации имеют современные аппаратно-программные средства обработки цифровых геопространственных данных. Вместе с тем, руководители отдельных организаций также вынуждены признать факт недостаточной укомплектованности квалифицированными кадрами, владеющими навыками использования геоинформационных систем для проведения исследований или решения конкретных производственных задач. В условиях формирующегося цивилизованного рынка темпы освоения ГИС-технологий зависят в основном от наличия и доступности образовательных программ в области геоинформатики и ГИС. Единое определение ГИС сформулировать достаточно сложно, поскольку их возможности могут рассматриваться с различных точек зрения. Это существенным образом видоизменяет сложившееся понятие о функциональных возможностях геоинформационных систем. В настоящее время имеют место несколько десятков определений ГИС. Объясняется это не только популярностью систем, но и областью их применения. Известно, что изначальная цель создания ГИС заключалась в формировании информации о территориях. В ходе существенных функциональных преобразований название сохранялось, хотя каждый разработчик вкладывал в него новое содержание. Таким образом, географические информационные системы совершенствовались с учетом динамики предъявляемых к ним требований, изменяя или углубляя свои изначальные свойства и функции. В свою очередь, это обусловливало также формирование ряда новых определений ГИС, учитывающих их специфические особенности, используемые для конкретных целей. В частности, под ГИС понимается: •• комплекс аппаратно-программных средств, используемых человеком для хранения, отображения географических (пространственно-разнесенных) данных и манипулирования ими; •• внутренне позиционированная автоматизированная пространственная информационная система, создаваемая для управления данными, их картографического отображения и анализа; •• аппаратно-программный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно координированных данных, интеграцию знаний о территории для их эффективного использования в процессе решения научных и прикладных географических задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением окружающей средой, а также территориальной организацией общества; •• система, в состав которой входят компоненты для сбора, передачи, хранения, обработки и выдачи информации о территории; •• система, включающая базу данных, техническое оснащение, специализированное математическое обеспечение и пакеты программ, предназначенные для расширения базы данных, манипулирования данными, их визуализации, а также принятия решений о том или ином варианте хозяйственной деятельности; •• информационная система, которая обеспечивает ввод, манипулирование, анализ, преобразование и вывод пространственно-ориентированных данных. Отсутствие единого подхода к определению ГИС обусловливается не только множеством решаемых с их помощью задач. Здесь также важную роль играет различие между компьютерной картографией и ГИС. Известно, что системы компьютерной картографии, использующие для создания карт графические примитивы в сочетании с описательными атрибутами, не содержат аналитических возможностей ГИС. Для Геоинформационные системы в бизнесе 14 картографических целей целесообразно использовать систему компьютерной картографии, разработанную непосредственно для ввода, преобразования и вывода графических данных. В этом смысле профессиональные многофункциональные ГИС, как показывает практика, оказываются неэффективными. Системы компьютерного черчения, специально разработанные для создания графических изображений, не привязанных к внешним описательным данным, являются прекрасным инструментом для проектирования, значительно упрощающим процессы создания чертежей и редактирования информации. Вместе с тем, они практически не пригодны для создания карт и не содержат функций пространственного анализа. Известный математик Р. Декарт в свое время говорил, что необходимо определять значение используемых слов для того, чтобы избавить человечество от возможных заблуждений. Поэтому целесообразно было бы принять единое определение, обеспечивающее однозначное толкование данного термина: это аппаратно-программный комплекс или сама информация, хранимая в системе. Авторы поддерживают следующее определение ГИС, которое, по их мнению, является наиболее точным: геоинформационная система – это совокупность аппаратно-программных средств и алгоритмических процедур, предназначенных для сбора, ввода, хранения, математико-картографического моделирования и образного представления геопространственной информации. Таким образом, геоинформационная система представляет собой информационную систему, обеспечивающую сбор, хранение, обработку, отображение и представление пространственно-координированных данных. ГИС содержат данные об объектах в цифровой форме (векторной или растровой). Они включают соответствующий определенным задачам набор функциональных возможностей, реализуемых в различных геоинформационных технологиях. Так же, как и любые информационные системы, они базируются на программных, аппаратных, информационных, нормативно-правовых, кадровых и организационных компонентах. Решаемые актуальные научные и прикладные задачи в сфере инвентаризации, мониторинга, оценки земель, кадастра объектов недвижимости, планирования, управления, поддержки процесса принятия решений и другие задачи определяют проблемную ориентацию ГИС. В частности, в интегрированных ГИС (ИГИС) совмещаются функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений в единой информационной среде. Полимасштабные или масштабно-независимые ГИС основаны на множественных представлениях пространственных объектов. Они обеспечивают графическое воспроизведение данных на любом уровне предусмотренного для них масштабного ряда. Функциональные возможности ГИС Создание и функционирование ГИС сопряжено с рядом специфических задач организационно-правового, научно-технического и финансово-экономического характера. Например, в Польше функционируют такие системы, как «Земля», «Здания и сооружения», «Инженерные коммуникации». В ГИС используются колоссальные по размерам базы данных и качественная графика. Это требует значительных объемов машинной памяти и быстродействующих процессоров. Для этого необходимы более мощные компьютеры или так называемые рабочие станции профессионального уровня, стоимость которых значительно превышает стоимость персонального компьютера. Однако на базе персональных компьютеров также может быть создана полноценная ГИС, только с меньшим набором функциональных возможностей. Под функциональными возможностями ГИС понимается комплекс функций геоинформационных систем и соответствующего программного обеспечения, позволяющих пользователям решать свои научные, производственные и бытовые задачи. ГИС не являются серийным продуктом, поскольку заказчик не в состоянии с самого начала точно представить себе все задачи, которые ему предстоит решать. Фирмы – разработчики ГИС, как правило, имеют для них готовые модули, обеспечивающие выполнение одной из задач, например: поддержка устройств ввода и вывода, работа с базами данных, визуализация и анализ данных. В процессе оформления заказа на Геоинформационные системы в бизнесе 15 геоинформационную систему согласовывается перечень модулей, необходимых конкретному заказчику. Некоторые модули могут быть созданы разработчиками в индивидуальном порядке. Ввод данных в ГИС представляет собой операцию чтения информации с различных носителей. Данные перед вводом в ГИС должны быть преобразованы в цифровой формат. Этот процесс называется оцифровкой и в современных ГИС может быть автоматизирован за счет применения сканерной технологии, что особенно важно для реализации крупных проектов. Если объемы работ незначительны, то целесообразно использовать дигитайзеры, которые также позволяют преобразовывать изображения в цифровую форму. Некоторые ГИС имеют встроенные векторизаторы, автоматизирующие процесс оцифровки растровых изображений. Ввод цифровой информации в ГИС может осуществляться с клавиатуры, из GPS-приемников, систем дистанционного зондирования, фотограмметрических приборов, электронных тахеометров, лазерных и магнитных носителей информации, а также путем импортирования из других систем и посредством речевого ввода. Устройство речевого ввода данных, как правило, включает микрофон, анализатор речевых звуков и блок их распознавания, блок эталонов звуков и блок их кодирования для ввода в компьютер. Функция хранения, манипулирования и управления графической и атрибутивной (неграфической) информацией дает возможность пользователям осуществлять отбор, обновление, преобразование и хранение данных. Эта функция включает также статистические вычисления, поддержание информационной безопасности, формирование стандартных форм пользовательских запросов и представление полученных результатов. В небольших проектах географическая информация может храниться в виде обычных файлов. При увеличении объема информации для ее структуризации и хранения целесообразно применять системы управления базами данных и специальные компьютерные средства для работы с интегрированными наборами данных. Как правило, в современных ГИС используются реляционные модели данных, которые обеспечивают хранение информации в табличной форме. Манипулирование данными осуществляется в целях упорядочения информации по какому-либо полю (полям), а также ее поиска, редактирования и предоставления пользователям по их запросам. Управление информацией, имеющейся в различных таблицах, осуществляется Геоинформационные системы в бизнесе 16 по общим полям (например, поле «Владелец объекта недвижимости») при помощи языка структурированных запросов. Этот простой прием достаточно гибок и широко используется во многих приложениях для организации связи между данными и их преобразования. Вывод данных является одним из важнейших этапов, в результате которого реализуется возможность изучения информации, ее корректировки и предоставления потребителю в удобном для него виде. Информация может быть представлена в графической, текстовой или табличной форме. К основным устройствам вывода данных относятся: монитор, принтер, графопостроитель, магнитные и лазерные носители информации, а также другие информационные системы (операция экспорта). Картометрические операции представляют собой процесс выполнения различных измерений по карте для определения геометрических параметров пространственных объектов (например, длины линий, периметры и площади замкнутых объектов), а также оценки полученных результатов. Генерация пользовательских запросов и документирование. Если в ГИС имеется необходимая информация, то предоставляется возможность получать ответы как на простые вопросы (кто владелец данного земельного участка), так и на более сложные запросы, требующие дополнительного анализа (например, где выбрать площадку для строительства нового дома с учетом сложившейся застройки). Решение таких задач осуществляется посредством использования Structured Query Language (SQL), что в переводе означает «язык структурированных запросов». Запрос – это поиск на электронной карте (плане) нужной информации и выделение каким-либо условным знаком объектов, соответствующих теме запроса. Информация, предоставляемая пользователям по их запросам, должна не только удовлетворять поставленным условиям, но также быть формализована, то есть представлена в виде единых унифицированных форм документов, отчетов, графиков, таблиц, схем и т. д. Реализация вышеуказанных действий может быть осуществлена посредством встроенных языков программирования и макросов. Оверлейные операции обеспечивают реализацию одной из основных функций геоинформационных систем, которые предназначены для наложения друг на друга различных слоев, представленных в цифровой форме, в целях комплексного изучения содержания электронной карты. Моделирование данных представляет собой процедуру преобразования пространственных данных, включающую совокупность правил формирования структуры таблиц и взаимосвязей информации в базах данных. Геоинформационное моделирование – это процесс преобразования моделей пространственных объектов, обеспечивающий корректировку их форм по изменившимся значениям таблиц баз данных. Настройка геоинформационной системы на требования пользователя предназначена для ее адаптации под конкретные требования пользователей, которыми могут являться физические или юридические лица, использующие ГИС для решения своих научных, производственных или бытовых задач. Визуализация данных обеспечивает отображение информации на экране монитора, ее масштабирование, перемещение, редактирование, а также создание и использование библиотеки условных обозначений в растровом или векторном форматах. Функция визуализации цифровой информации позволяет решать задачи по выявлению пространственно-логических отношений. Преобразование пространственных данных. В процессе работы с данными возникает задача их преобразования для последующего картографического отображения и представления в удобном для пользователя виде. Сюда включаются операции по реструктуризации данных, которые обеспечивают, например, изменение размера ячеек растрового изображения, перевод данных из одного формата в другой. Процедура преобразования данных реализует задачу трансформации координат объектов при переходе из одной проекции в другую, а также перевычисление прямоугольных координат точек в географические (или географических координат в прямоугольные). Кроме перечисленного, данная функция позволяет Геоинформационные системы в бизнесе 17 осуществлять конвертирование данных в различные форматы в процессе реализации функций экспорта и импорта, а также растрово-векторное и векторно-растровое преобразование данных для последующего использования в различных ГИС. Пространственный анализ является наиболее важной функцией, которая базируется главным образом на процессах визуализации объектов электронной карты (плана). Пространственный анализ включает следующие основные операции: •• анализ наличия видимости (невидимости) между объектами; •• установление геометрических характеристик объектов, включая вычисление длин сторон полигонов, их периметров, площадей, расстояний между различными объектами и т. д.; •• определение топологических отношений между объектами (например, пересечение, примыкание, включение, соседство). Задание топологии возможно автоматически или вручную; построение буферных зон вокруг точечных, линейных и полигональных объектов. Такие зоны формируются эквидистантными линиями (то есть равноудаленными друг от друга), отражающими область действия каких-либо факторов. Под буферной зоной понимается территория, отделяющая две или несколько зон различного функционального назначения. Такие зоны создаются например, для выделения опасных территорий вокруг аварийных объектов. Они могут быть рассчитаны по нормативам предельно-допустимых концентраций вредных веществ с учетом мощности концентрации, направления ветров, рельефа местности, а также сферы распространения вредных веществ, вибрации, шума и т. д.; поиск кратчайшего пути или оптимального расстояния по какому-либо критерию, а также ближайшего соседа. На основании пространственного анализа решаются задачи по выявлению наличия пересечений и примыканий объектов, а также многие другие операции. Современные ГИС имеют множество мощных инструментов для пространственного анализа, среди которых наиболее значимы анализ видимости, близости и наложения. Анализ видимости обеспечивает определение прямой видимости (или невидимости) между изучаемыми объектами с учетом рельефа местности и окружающих строений. Для проведения анализа близости объектов относительно друг друга в ГИС применяется ранее указанный процесс, называемый буферизацией. При этом можно решать ряд практических задач, например, определить количество домов, расположенных в радиусе пятисот метров от указанного учреждения, подсчитать численность населения в конкретной зоне и т. д. Использование процесса буферизации предоставляет возможность решать проблемы водопользования, размещения объектов культурно-бытового назначения и т. д. Процесс наложения информации обеспечивает интеграцию данных, расположенных в различных тематических слоях. Кроме обычного отображения объектов, здесь могут быть применены операции их физического объединения. Таким образом, могут быть решены различные задачи, связанные с определением рельефа местности, величины уклона и т. д. Характеристика задач, решаемых с помощью геоинформационных систем Геоинформационные системы содержат информацию о реальном мире в виде набора тематических слоев, которые объединены по принципу типизации объектов. Для представления, например, застроенной территории в ГИС можно выделить несколько слоев: «Здания», «Улицы», «Подземные коммуникации», «Зеленые насаждения», «Водные объекты». Этот простой и вместе с тем очень гибкий подход доказал свою актуальность в процессе решения разнообразных задач, к основным из которых можно отнести отслеживание передвижения транспортных средств, определение кратчайшего расстояния между двумя пунктами с учетом наличия транспортных коммуникаций и т. д. При этом предоставляется возможность детально изучать любые объекты, не перегружая изображение второстепенными элементами. Обычная топографическая карта этого достичь не позволяет. Таким образом, подключая нужные для изучения слои и накладывая их друг на друга, пользователь Геоинформационные системы в бизнесе 18 может решить любую задачу (вычисление площадей и расстояний, определение координат объектов и т. д.). Для автоматического решения подобных задач применяется процедура, называемая геокодированием. Под геокодированием понимается процесс присвоения различным точкам местности координат (X и Y), который обеспечивает поиск на электронной карте или плане любого реально существующего объекта для последующего изучения, например, местоположения землетрясения или наводнения, пути к нужному населенному пункту или объекту и т. д. Таким образом, зная название объекта, представляется возможность определить его местоположение на электронной карте, и наоборот, задавая его координаты, можно вывести этот объект на экран компьютера для детального изучения. |