Что такое гис-технологии. Геоинформационные системы (ГИС) Виды геоинформационных систем

ГИС (расшифровывается как «Географические Информационные Системы») - компьютерные системы, дающие возможность вывода данных на экран в электронном виде. Изображения, получаемые посредством ГИС, относятся к картам нового поколения.

География на экране

Такие карты могут быть снабжены помимо географических и другими данными из области статистики, демографии и т. п. С ними возможны разные виды аналитических операций, недоступные для старых бумажных носителей.

Техническая поддержка электронных карт существует в виде огромного количества аналитики, инструментов редактирования, обширных баз данных. При их создании и использовании задействовано множество современных средств - от сканеров до космических спутников, делающих снимки земной поверхности.

Полученная с помощью новых технологий информация находит применение не только у географов, но и в среде бизнеса, строительства, маркетинга, государственного управления. Даже домохозяйкам известно, что такое геоинформационные системы. И они вполне успешно пользуются электронными картами!

ГИС - определение и основные понятия

Что же конкретно обозначает этот термин? Геоинформационные системы (ГИС) - название систем, назначением которых является сбор, хранение и анализ данных пространственного характера, а также их графическая визуализация. ГИС относится к компьютерным технологиям нового поколения. Наука, изучающая прикладные и технические аспекты работы с ГИС, - геоинформатика.

ГИС - это удачное сочетание возможности работы с базами данных (запросы, аналитика) и пространственной визуализации, характерной для карт. Хранение данных в такой системе ведется по тематическим слоям, привязанным к географическому местоположению. ГИС работают и с растровыми, и с векторными данными, благодаря чему любая задача, связанная с пространственной информацией, может быть с их помощью эффективно решена.

Что их отличает

К характерным особенностям, которыми обладает геоинформационная система, можно отнести развитую аналитику, работу с огромными массивами сведений, наличие специальных инструментов для обработки данных пространственного характера.

Их основные преимущества - удобство для пользователя (данные в трехмерном измерении наиболее легки для восприятия), возможность интегрировать информацию, накопленную различными источниками, создавать единый массив для коллективного использования.

Затем - автоматический анализ геопространственных данных и отчет, использование расшифровки аэро- и космической съемки, ранее созданных схем и планов местности, что на порядок повышает эффективность применения. Значительная экономия временных ресурсов и возможность создания трехмерных моделей географических объектов.

Главные задачи

Функции ГИС - это ряд операций по:

• вводу данных (цифровые карты создаются в автоматическом режиме),
• управлению данными (все они сохраняются с возможностью последующей обработки и использования),
• их запросу и анализу путем сопоставления множества параметров,
• визуализации полученных и обработанных данных в форме интерактивных карт.

Отчеты о каждом объекте могут принимать вид графика, диаграммы или трехмерного изображения.

Возможности ГИС

С помощью системы ГИС становится возможным определение на заданной территории наличия, количества и взаимного расположения всех имеющихся объектов. Кроме того, с ее помощью проводят, например, анализ геопространственных данных, характеризующих плотность расселения и т. п. и определяют различные изменения во времени.

С помощью систем ГИС стало возможным смоделировать предполагаемую ситуацию, касающуюся, например, добавления нового объекта - дороги, жилого массива и т. п.

ГИС - классификация

Классификаций этих систем существует несколько. Если делить их по принципу охвата территории, то каждую ГИС можно будет отнести к глобальным, субконтинентальным, национальным, региональным, субрегиональным, а также местным или локальным системам.

Если отталкиваться от уровня управления, то данные системы состоят из федеральных, региональных, муниципальных и корпоративных.

Различают их и по функционалу. ГИС (расшифровка аббревиатуры понятна большому числу пользователей) могут быть как полнофункциональными, так и специализированными, предназначенными для решения определенных задач - например, просмотра данных, их ввода и обработки.

В зависимости от предметной области ГИС можно отнести к картографическим, геологическим, природоохранным, а также муниципальным или городским.

Интегрированные географические информационные системы - те, в которых, помимо стандартного функционала, имеется возможность подвергать изображения цифровой обработке. Полномасштабные ГИС воспроизводят данные в любом выбранном масштабе. Пространственно-временные системы дают возможность оперировать информацией в прошлом или будущем времени.

Где применяются ГИС

ГИС - это универсальный инструмент с обширной сферой применения. Какой же именно?

• Типичная область их использования - управление земельными ресурсами, составление кадастров, вычисление площадей и установка границ земельных участков. Как раз для решения таких проблем и создавались первые подобные системы.
• Другая сфера - управление объектами инфраструктуры производственного характера, их учет, планирование, инвентаризация. Создание и размещение сети объектов определенного назначения - магазинов, заправочных станций и т. п.
• Инженерные изыскания и планирование в сфере архитектуры и строительства, решение задач по развитию территории и оптимизации ее инфраструктуры.
• Создание тематических карт.
• Управление всеми видами транспорта - от наземного до водного и воздушного.

Иные сферы

Деятельность по охране природы, экологические мероприятия, планирование и управление природными ресурсами, экологический мониторинг, моделирование процессов окружающей среды.

Сфера геологии и горнодобывающей промышленности. С помощью ГИС стало возможным подсчитать запас полезных ископаемых на основе проб разведочного бурения и моделирования структуры месторождения.

Дальнейшее развитие

С 70-х гг. благодаря государственной поддержке появились экспериментальные проекты по применению ГИС в системах навигации и вывоза мусора, транспортном движении и пр.

С 80-х гг. начался период развития на коммерческой основе. Рынок наполнился массой программных средств, появились всевозможные приложения, количество пользователей, узнавших, что такое ГИС-технологии, превысило число специалистов-профессионалов.

В настоящий период, который можно назвать пользовательским, благодаря высокой конкуренции в среде производителей стало возможным создание тематических групп потребителей, проведение телеконференций, формирование единой мировой геоструктуры.

О перспективах ГИС

Новым этапом эволюции в развитии ГИС можно считать появление геодизайна, который требуется сейчас везде - от сферы землепользования и природной охраны до планирования новой инфраструктуры и объектов строительства, а также при обслуживании коммунальных сетей и т. д.

Будущее принадлежит ГИС-технологиям, содержащим начала искусственного интеллекта. Современные ГИС - это новейшие компьютерные разработки, основанные на применении космической и аэрофотосъемки, служащие для реализации глобальных государственных программ.

Сейчас ГИС-системы развиваются невиданными темпами и относятся к числу наиболее интересных в коммерческом плане решений. В России в наши дни их разработкой и внедрением заняты около 200 различных организаций, что позволяет говорить о конкуренции с западными производителями. Уже ни для кого не секрет, что за новыми технологиями - огромные перспективы, основанные на дальнейшем развитии компьютерных средств обработки информации.

ГИС-технологии сегодня используются практически везде - в лесообработке, строительстве, картографии, экологии, сейсмологии и так далее. Их изучают в университетах и научных институтах. ГИС-технологии это целая индустрия, которая влияет на практически все аспекты человеческой жизни. Но при этом дать четкое определение этому виду технологий очень сложно. Ведь это не просто набор систематизированных знаний. Это особый взгляд на окружающий мир. О том, как работают ГИС-технологии и для чего они предназначены, расскажет вам наша статья.
Что такое ГИС?
ГИС – это географическая информационная система. Она позволяет картировать объекты окружающего мира, а затем анализировать их по огромному количеству параметров, визуализировать их и на основе этих данных прогнозировать самые различные события и явления. Столь мощная технология позволяет решать при помощи ГИС огромное количество задач, как глобальных, так и частных. ГИС-технологии могут стоять на службе у всего человечества, предотвращая экологически катастрофы или помогая решать проблемы перенаселения отдельных регионов.
ГИС можно использовать и для нужд отдельных компаний, налаживать с его помощью эффективно работающий бизнес. Например, перевозочная компания при помощи специальных баз данных может подбирать оптимальные маршруты для своих транспортных средств, коммунальные службы – прокладывать коммуникации к новым домам и так далее.
Как работает ГИС?
Информационная система – это огромная база цифровых данных, преобразованных в цифровой формат. Они представляют собой детализованные слои, объединенные по географическому признаку и привязанных к определенной системе координат. Любые происходящие события могут с успехом отслеживаться по такой базе данных. Кроме того, с ее помощью можно найти практически любую точку земного шара, отследить движение практически любого объекта.
Базы данных ГИС способны выполнять пять различных задач. Вы можете осуществлять ввод актуальных данных в базу, причем в большинстве случаев это происходит автоматически при помощи сканера. Вы можете манипулировать данными, масштабировать их по своему усмотрению, собирать необходимые для решения определенной задачи сведения. Как и обычными базами данных, системой ГИС можно управлять. Это делается по средствам целого набора интегрированных приложений.
Большое количество данных, содержащихся в базе, дает широкие возможности для анализа по самым различным параметрам. Вы можете найти свободные участки для строительства дома, оптимальным образом сформировать транспортные потоки, проанализировать близость различных объектов (например, определить количество человек, живущих в шаговой доступности от вашего магазина), наложить друг на друга различные показатели и проанализировать получившуюся картину.
Последняя задача, которую позволяет выполнять ГИС, это визуализация данных. Вы можете получить карты, графики, таблицы и даже фотографии интересующей вас местности. Эти данные имеют огромное значение как для научных исследований, так и для работы отдельных компаний и организаций.

Где применяются ГИС-технологии?
Из предложенных выше описаний становится понятно, что ГИС-технологии находят широкое применение в самых различных областях деятельности. Но что конкретно они могут делать? Приведем несколько примеров, которые показывают в чем реальная польза ГИС-технологий.
· Выявив взаимосвязь между различными показателями, вы можете разрабатывать более эффективные технологии работы, экономить достаточно большие средства. Проанализируйте, как соотносится между собой тип почвы, климат и урожайность определенных сельскохозяйственных культур, и вы поймете, где лучше всего заниматься их выращиванием.
· Задав определенные критерии поиска, вы легко можете найти необходимый вам объект, и, не тратя лишнего времени, заниматься его освоением. Найти квартиру, которая будет иметь определенное количество комнат, метраж кухни и при этом будет расположена недалеко от работы и школы ваших детей теперь очень просто.
· ГИС могут быть оказывать положительное влияние на бизнес-процессы, происходящие внутри организаций. Огромная база данных может быть полезна в любой сфере, ведь дает возможности для четкого планирования работы. Коммунальные службы могут не только оперативно отслеживать износ оборудования и планировать профилактические работы, но и оповещать об этом тех жителей, которых это коснется.
· Сегодня карты городов и местностей быстро устаревают – ведется новое строительство, проектируются дороги. ГИС позволяют отслеживать эти изменения и вносить их в базу данных практически молниеносно. Запущенная в виртуальную сеть, такая карта позволит всегда иметь под рукой актуальные данные.

ГИС-технологии – это не просто компьютерная база данных. Это огромные возможности для анализа, планирования и регулярного обновления информации. ГИС-технологии сегодня находят применение практически во всех сферах жизни, и это помогает действительно эффективно решать многие задачи.

ГИС среди информационных технологий

Первым вопросом человека, не знакомого с географическими информационными системами (ГИС), будет, конечно: «А зачем мне это нужно?» Действительно, атласами и картами мы пользуемся в нашей жизни нечасто. И вообще, географию, как известно из произведений классиков, тоже изучать не обязательно - для этого извозчики есть. К тому же информации, причем не всегда приятной, из разных источников мы и так получаем больше, чем иногда хотелось бы. И нужно ли ее еще и систематизировать? Тут есть о чем задуматься. Но, если разобраться, ГИС - это нечто большее, чем карта, перенесенная на компьютер. Так что же это такое и с чем его «едят»?

Но, к сожалению, с кратким, понятным каждому и, как говорил профессор Преображенский из «Собачьего сердца», «фактическим» определением все не так просто. Дело, видимо, в том, что эта технология, во-первых, в значительной степени универсальная, а во-вторых, она так быстро развивается и захватывает новые сферы жизни и деятельности, что, как в анекдоте времен развитого социализма, продукты (то есть определения) подвозить не успевают. Авторы каждой новой основополагающей книги по ГИС (а такие книги постоянно издаются) и тем более многочисленных монографий, касающихся какой-то одной из бесчисленного множества областей их применения, стараются внести свой посильный вклад в создание такого определения. К этим книгам мы вас и отсылаем, если вы хотите найти наиболее приемлемое для вас определение. Каждый, окунувшийся в этот мир, волен дать свое. Мы же, ни в коей мере не претендуя на оригинальность, возьмем уже имеющиеся.

Вот, например, два определения: одно «лирическое», другое «практическое». Первое: «Это возможность нового взгляда на окружающий нас мир». Второе: «ГИС - это современная компьютерная технология для картографирования и анализа объектов реального мира, а также событий, происходящих на нашей планете, в нашей жизни и деятельности».

Если обойтись без определений, а ограничиться описанием, то эта технология объединяет традиционные операции при работе с базами данных, такими как запрос и статистический анализ, с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эти возможности отличают ГИС от других информационных систем и обеспечивают уникальные перспективы для ее применения в широком спектре задач, связанных с анализом и прогнозом явлений и событий окружающего мира, с осмыслением и выделением главных факторов и причин, а также их возможных последствий, с планированием стратегических решений и текущих последствий предпринимаемых действий.

Один из лучших способов узнать, что такое ГИС, - посмотреть, как другие люди используют эту технологию. Ну а затем, не откладывая в долгий ящик, начать работу с ГИС и продемонстрировать свои достижения окружающим. У любого человека с творческим отношением к делу при виде возможностей ГИС сразу начинают чесаться руки… Ведь ГИС - это также и инструментарий, с помощью которого вы сможете решить задачи, для который порой не существует готовых законченных решений.

Но вернемся к началу. На первый взгляд, достаточно очевидным является только применение ГИС в подготовке и распечатке карт и, может быть, в обработке аэро- и космических снимков. Реальный же спектр применений ГИС гораздо шире, и чтобы оценить его, нам стоит взглянуть на применение компьютеров вообще: тогда место ГИС будет представляться гораздо яснее.

Компьютеры не только обеспечивают большое удобство выполнения известных операций с документами - они являются носителям нового направления человеческой деятельности. Это направление - информационные технологии, и именно на них в значительной степени основано современное общество. Что же это такое - информационные технологии?

Термин «информация» зачастую понимается слишком узко (вроде тех «информаций», что сообщают журналисты). Реально же информацией следует называть все, что может быть представлено в виде букв, цифр и изображений. Так вот, все методы, техники, приемы, средства, системы, теории, направления и т.д. и т.п., которые нацелены на сбор, переработку и использование информации, вместе называются информационными технологиями. И ГИС - одна из них.

В настоящее время ГИС - это многомиллионная индустрия, в которую вовлечены миллионы людей во всем мире. Так, по данным компании Dataquest, в 1997 году общие продажи программного обеспечения ГИС превысили 1 млрд. долл., а с учетом сопутствующих программных и аппаратных средств рынок ГИС приближается к 10 млрд. ГИС изучают в школах, колледжах и университетах. Эту технологию применяют практически во всех сферах человеческой деятельности - будь то анализ таких глобальных проблем, как перенаселение, загрязнение территории, голод и перепроизводство сельскохозяйственной продукции, сокращение лесных угодий, природные катастрофы, либо решение частных задач, таких как поиск наилучшего маршрута движения между пунктами, подбор оптимального расположения нового офиса, поиск дома по его адресу, прокладка трубопровода или линии электропередачи на местности, различные муниципальные задачи типа регистрации земельной собственности. Как же удается с помощью одной технологии решать столь разные задачи? Чтобы понять это, рассмотрим последовательно устройство, работу и примеры применения ГИС.

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 и функциям.

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 иной 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 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 устанавливаются в соответствии со спецификой задач и работы каждой организации.

Как работает ГИС?

ГИС хранит информацию о реальном мире в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе географического положения. Этот простой, но очень гибкий подход доказал свою ценность при решении разнообразных реальных задач: для отслеживания передвижения транспортных средств и материалов, детального отображения реальной обстановки и планируемых мероприятий, моделирования глобальной циркуляции атмосферы.

Любая географическая информация содержит сведения о пространственном положении, будь то привязка к географическим или другим координатам либо ссылки на адрес, почтовый индекс, избирательный округ или округ переписи населения, идентификатор земельного или лесного участка, название дороги или километровый столб на магистрали и т.п. При использовании подобных ссылок для автоматического определения местоположения или местоположений объекта (объектов) применяется процедура, называемая геокодированием. С ее помощью можно быстро определить и посмотреть на карте, где находится интересующий вас объект или явление (дом, в котором проживает ваш знакомый или находится нужная вам организация; место, где произошло землетрясение или наводнение; маршрут, по которому проще и быстрее добраться до нужного вам пункта или дома).

Векторная и растровая модели. ГИС может работать с двумя существенно различающимися типами данных - векторными и растровыми. В векторной модели информация о точках, линиях и полигонах кодируется и хранится в виде набора координат X,Y (в современных ГИС часто добавляется третья пространственная и четвертая, например, временная координата). Местоположение точки (точечного объекта), например буровой скважины, описывается парой координат (X,Y). Линейные объекты, такие как дороги, реки или трубопроводы, сохраняются как наборы координат X,Y. Полигональные объекты типа речных водосборов, земельных участков или областей обслуживания хранятся в виде замкнутого набора координат. Векторная модель особенно удобна для описания дискретных объектов и меньше подходит для описания непрерывно меняющихся свойств, таких как плотность населения или доступность объектов. Растровая модель оптимальна для работы с непрерывными свойствами. Растровое изображение представляет собой набор значений для отдельных элементарных составляющих (ячеек); оно подобно отсканированной карте или картинке. Обе модели имеют свои преимущества и недостатки. Современные ГИС могут работать как с векторными, так и с растровыми моделями данных.

Задачи, которые решают ГИС

ГИС общего назначения, в числе прочего, обычно выполняют пять процедур (задач) с данными: ввод, манипулирование, управление, запрос и анализ, визуализацию.

Ввод. Для использования в ГИС данные должны быть преобразованы в подходящий цифровой формат. Процесс преобразования данных с бумажных карт в компьютерные файлы называется оцифровкой. В современных ГИС этот процесс может быть автоматизирован с применением сканерной технологии, что особенно важно при выполнении крупных проектов. При сравнительно небольшом объеме работ данные можно вводить с помощью дигитайзера. Некоторые ГИС имеют встроенные векторизаторы, автоматизирующие процесс оцифровки растровых изображений. Многие данные уже переведены в форматы, напрямую воспринимаемые ГИС-пакетами.

Манипулирование. Часто для выполнения конкретного проекта имеющиеся данные нужно дополнительно видоизменить в соответствии с требованиями вашей системы. Например, географическая информация может быть представлена в разных масштабах (осевые линии улиц имеются в масштабе 1:100 000, границы округов переписи населения - в масштабе 1:50 000, а жилые объекты - в масштабе 1:10 000). Для совместной обработки и визуализации все данные удобнее представить в едином масштабе и одинаковой картографической проекции. ГИС-технология предоставляет разные способы манипулирования пространственными данными и выделения данных, нужных для конкретной задачи.

Управление. В небольших проектах географическая информация может храниться в виде обычных файлов. Но при увеличении объема информации и росте числа пользователей для хранения, структурирования и управления данными эффективнее применять системы управления базами данных (СУБД), специальные компьютерные средства для работы с интегрированными наборами данных (базами данных). В ГИС наиболее удобно использовать реляционную структуру, при которой данные хранятся в табличной форме. При этом для связывания таблиц применяются общие поля. Этот простой подход достаточно гибок и широко используется во многих ГИС- и «не ГИС»-приложениях.

Запрос и анализ. При наличии ГИС и географической информации вы сможете получать ответы как на простые вопросы (кто владелец данного земельного участка? на каком расстоянии друг от друга расположены эти объекты? где расположена данная промзона?), так и на более сложные, требующие дополнительного анализа (где есть место для строительства нового дома? каков основный тип почв под еловыми лесами? как повлияет на движение транспорта строительство новой дороги?). Вопросы можно задавать простым щелчком мыши на определенном объекте, а также посредством развитых аналитических средств. С помощью ГИС можно выявлять и задавать шаблоны для поиска, проигрывать сценарии по типу «что будет, если…». Современные ГИС имеют множество мощных инструментов для анализа. Среди них наиболее значимы два: анализ близости и анализ наложения. Для проведения анализа близости объектов относительно друг друга в ГИС применяется процесс, называемый буферизацией. Он помогает ответить на вопросы следующих типов: сколько домов находится в пределах 100 м от этого водоема? сколько покупателей живет на расстоянии не более 1 км от данного магазина? какова доля добытой нефти из скважин, находящихся в пределах 10 км от здания управления данного НГДУ? Процесс наложения включает интеграцию данных, расположенных в разных тематических слоях. В простейшем случае это операция отображения, но при ряде аналитических операций данные из разных слоев объединяются физически. Наложение, или пространственное объединение, позволяет, например, интегрировать данные о почвах, уклоне, растительности и землевладении со ставками земельного налога.

Визуализация. Для многих типов пространственных операций конечным результатом является представление данных в виде карты или графика. Карта - это очень эффективный и информативный способ хранения, представления и передачи географической (имеющей пространственную привязку) информации. Раньше карты создавались на столетия. ГИС предоставляет новые удивительные инструменты, расширяющие и развивающие искусство и научные основы картографии. С ее помощью визуализация самих карт может быть легко дополнена отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками, таблицами, диаграммами, фотографиями и другими средствами, например мультимедийными.

Связанные технологии

ГИС тесно связана с рядом других типов информационных систем. Ее основное отличие заключается в способности манипулировать и проводить анализ пространственных данных. Хотя единой общепринятой классификации информационных систем не существует, приведенное ниже описание должно помочь дистанцировать ГИС от настольных картографических систем (desktop mapping), систем САПР (CAD), дистанционного зондирования (remote sensing), систем управления базами данных (СУБД или DBMS) и технологии глобального позиционирования (GPS).

Системы настольного картографирования используют картографическое представление для организации взаимодействия пользователя с данными. В таких системах все основано на картах, карта является базой данных. Большинство систем настольного картографирования имеет ограниченные возможности управления данными, пространственного анализа и настройки. Соответствующие пакеты работают на настольных компьютерах - PC, Macintosh и младших моделях рабочих станций UNIX.

Системы САПР способны создавать чертежи проектов, планы зданий и инфраструктуры. Для объединения в единую структуру они используют набор компонентов с фиксированными параметрами. Они основываются на небольшом числе правил объединения компонентов и имеют весьма ограниченные аналитические функции. Некоторые системы САПР расширены до поддержки картографического представления данных, но, как правило, имеющиеся в них утилиты не позволяют эффективно управлять большими базами пространственных данных и анализировать их.

Дистанционное зондирование и GPS. Методы дистанционного зондирования - это и искусство, и научное направление для проведения измерений земной поверхности с использованием сенсоров, таких как различные камеры на борту летательных аппаратов, приемники системы глобального позиционирования и другие устройства. Эти датчики собирают данные в виде наборов координат или изображений (в настоящее время преимущественно цифровых) и обеспечивают специализированные возможности обработки, анализа и визуализации полученных данных. Ввиду отсутствия достаточно мощных средств управления данными и их анализа, соответствующие системы в чистом виде, то есть без дополнительных функций, вряд ли можно отнести к настоящим ГИС.

Системы управления базами данных предназначены для хранения и управления всеми типами данных, включая географические (пространственные) данные. СУБД оптимизированы для подобных задач, поэтому во многие ГИС встроена поддержка СУБД. Эти системы в массе своей не имеют сходных с ГИС инструментов для анализа и визуализации.

Что ГИС могут сделать для вас?

Пожалуй, главным «козырем« ГИС является наиболее естественное (для человека) представление как собственно пространственной информации, так и любой другой информации, имеющей отношение к объектам, расположенным в пространстве (так называемой атрибутивной информации). Способы представления атрибутивной информации различны: это может быть числовое значение с датчика, таблица из базы данных (как локальной, так и удаленной) о характеристиках объекта, его фотография или реальное видеоизображение. Таким образом, ГИС могут помочь везде, где используется пространственная информация и/или информация об объектах, находящихся в определенных местах пространства. С точки зрения областей своего применения и экономического эффекта, ГИС могут следующее:

1. Делать пространственные запросы и проводить анализ. Способность ГИС проводить поиск в базах данных и осуществлять пространственные запросы позволила многим компаниям заработать миллионы долларов. ГИС помогают сократить время получения ответов на запросы клиентов; выявлять территории, подходящие для требуемых мероприятий; выявлять взаимосвязи между различными параметрами (например, почвами, климатом и урожайностью сельскохозяйственных культур); выявлять места разрывов электросетей. Риэлтеры используют ГИС для поиска, к примеру, всех домов на определенной территории, имеющих шиферные крыши, три комнаты и 10-метровые кухни, а затем для выдачи более подробного описания этих строений. Запрос может быть уточнен введением дополнительных параметров, например стоимостных. Можно получить список всех домов, находящихся на заданном расстоянии от определенной магистрали, лесопаркового массива или места работы.
2. Улучшить интеграцию внутри организации. Многие организации, применяющие ГИС, обнаружили, что одно из основных их преимуществ заключается в новых возможностях улучшения управления собственной организацией и ее ресурсами на основе географического объединения имеющихся данных, в возможности их совместного использования и согласованной модификации разными подразделениями. Возможность коллективного использования и постоянно наращиваемая и исправляемая разными структурными подразделениями база данных позволяют повысить эффективность работы как каждого подразделения, так и организации в целом. Так, компания, занимающаяся инженерными коммуникациями, может четко спланировать ремонтные или профилактические работы, начиная с получения полной информации и отображения на экране компьютера (или на бумажных копиях) соответствующих участков, например водопровода, и заканчивая автоматическим выявлением жителей, на которых эти работы повлияют, и уведомлением их о сроках предполагаемого отключения отопления или перебоев с водоснабжением.
3. Помогать принятию более обоснованных решений. ГИС, как и другие информационные технологии, подтверждают известную поговорку о том, что лучшая информированность помогает принять лучшее решение. Но ГИС - это не инструмент для выдачи решений, а средство, помогающее ускорить и повысить эффективность процедуры их принятия. Оно обеспечивает ответы на запросы и функции анализа пространственных данных, представление результатов анализа в наглядном и удобном для восприятия виде. ГИС помогают, например, в решении таких задач, как предоставление разнообразной информации по запросам органов планирования, разрешение территориальных конфликтов, выбор оптимальных (с разных точек зрения и по разным критериям) мест для размещения объектов и т.д. Требуемая для принятия решений информация может быть представлена в лаконичной картографической форме с дополнительными текстовыми пояснениями, графиками и диаграммами. Наличие доступной для восприятия и обобщения информации позволяет ответственным работникам сосредоточить свои усилия на поиске решения, не тратя значительного времени на сбор и осмысление доступных разнородных данных. Можно достаточно быстро рассмотреть несколько вариантов решения и выбрать из них наиболее эффективный и экономически целесообразный.
4. Создавать карты. Картам в ГИС отведено особое место. Процесс создания карт в ГИС более прост и гибок, чем в традиционных методах ручного или автоматического картографирования. Он начинается с создания базы данных. В качестве источника получения исходных данных можно пользоваться и оцифровкой обычных бумажных карт. Основанные на ГИС картографические базы данных могут быть непрерывными (без деления на отдельные листы и регионы) и не связанными с конкретным масштабом или картографической проекцией. На основе таких баз данных можно создавать карты (в электронном виде или как твердые копии) любой территории, любого масштаба, с нужной нагрузкой, с ее выделением и отображением требуемыми символами. В любое время база данных может пополняться новыми данными (например, из других баз данных), а имеющиеся в ней данные можно корректировать и тут же отображать на экране по мере необходимости. В крупных организациях созданная топографическая база данных может использоваться в качестве основы другими отделами и подразделениями; при этом возможны быстрое копирование данных и их пересылка по локальным и глобальным сетям.

«САПР и графика» 5"2000

Базовый составляющий геоинформатики являются геоинформационные систе­мы. Геоинформационная система (ГИС) - специализированная информационная система, предназначенная для работы на интегрированной основе с геопространс­твенными и различными по содержанию семантическими данными.

Поскольку ГИС является сложной интегрированной системой, она подчиняет­ся всем принципам системного анализа. Системный анализ - это совокупность методов и средств исследования сложных, многоуровневых и многокомпонентных систем, объектов, процессов, опирающихся на комплексный подход, учет взаимо­связей и взаимодействий между элементами системы. В системном анализе под системой понимается множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определенную целостность, единство. Элементами системы являются ее части, представление о которых нецелесообразно подвергать дальнейшему членению. Сложная система - это система, характеризуемая боль­шим числом элементов и большим числом взаимосвязей.

Интеграцией называют восстановление и повышение качественного уровня взаимосвязей между элементами системы, а также процесс создания из несколь­ких разнородных систем единой системы с целью исключения функциональной и структурной избыточности и повышения общей эффективности функциони­рования.

Назначением ГИС является ввод, хранение, обработка и вывод геопростран­ственной информации по запросам пользователей.

Таким образом, ГИС интегрируется, с одной стороны, с системами сбора ин­формации (дистанционное зондирование, геодезическая съемка, мониторинг окружающей среды), с другой - с системами хранения информации (информа- ционно-поисковые системы, базы данных, базы знаний, экспертные системы), с третьей стороны, с системами обработки информации (обработка изображений, моделирование, генерализация), с четвертой стороны, с системами отображения информации (компьютерная графика, электронные карты, создание трехмерных видеомоделей и сцен).

Поскольку геопространственные данные менее подвержены изменениям, чем семантические данные, они часто являются основой для интеграции данных в дру­гих автоматизированных системах (автоматизированного управления, проектиро­вания и научных исследований).

При интеграции ГИС с другими системами создаются новые технологии. Техно­логия включает в себя методы, приемы,режим работы, последовательность операций и процедур, она тесно связана с применяемыми средствами, оборудованием, инс­трументами, используемыми материалами. Геоинформационная технология - это совокупность приемов, способов и методов применения аппаратно-программных средств обработки и передачи информации на основе реализации функциональных возможностей ГИС.

Рассмотрим теперь различные методы классификации ГИС (рис. 1). По про­блемной ориентации можно выделить следующие виды ГИС.

Универсальные географические (комплексные или многоцелевые) для реше­ния общих проблем. Обычно это интегрированные ГИС, которые совмещают си­стемы цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) с функциональными возможностями ГИС по моделированию и многофакторному анализу данных в единой интегрированной среде. Такие ГИС используются в сферах управления федерального и регионального управления и планирования.

Отраслевые (тематические) - по проблеме одной отрасли. Основные проблемы, решаемые современными ГИС, сводятся к проблемам оптимального взаимораспо­ложения и определения местонахождения, размещения и распределения объектов и ресурсов, к классификации и районированию территории, выбору оптимального маршрута. Круг проблем, решаемых ГИС, может меняться в зависимости от требо­ваний времени и функциональных возможностей, определяющихся уровнем раз­работки структуры базы данных и ее программно-аппаратной реализацией. Про­блемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными и прикладными), среди них инвентаризация ресурсов (в том числе кадастр), анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений.

Специализированные. Предметом рассмотрения таких ГИС могут быть: не­дра, природопользование, экология, транспорт, связь, социально-экономические показатели, политология, городское хозяйство.

По целевому назначению ГИС могут быть:

Информационно-справочные. Такие ГИС либо используются в сети Интернет, либо тиражируются на компакт-дисках. Они широко используются для справоч­ных, туристических и образовательных целей.

Инвентаризационные, кадастровые. Такие ГИС создаются для учета и ведения земельного, лесного, водного, экологического, градостроительного и других видов кадастра, а также систем муниципального управления.

ГИС для принятия управленческих решений. Обычно такие ГИС создаются либо на федеральном уровне, либо на уровне различного рода министерств и ведомств и служат для получения оперативных данных в процессе принятия решений.

ГИС для управления процессами и системами. Такие ГИС помогают оператив­но управлять энергоресурсами, планировать работу транспорта, связи и т. д.

Как правило математическую основу ГИС составляют топоданные (топокарты). По территориальному охвату ГИС разбивают на несколько уровней.

1. Глобальные. Масштаб базовых карт, по которым создается ГИС, 1:4000 000 и мельче, система координат - географическая. Цифровые карты хранятся на оптических или компакт-дисках. Примером глобальных ГИС является цифро­вая карта мира.

2. Межгосударственные (субконтинентальные). В этих ГИС по территориально­му признаку объединяются несколько государств. Масштаб базовых карт для них - от 4000 000 до 1:200 000. В основном они имеют информационно-спра­вочное назначение.

3. Федеральные (общенациональные, государственные). Исходным картографи­ческим материалом для этих ГИС могут служить карты масштаба 1:4 000 000 до 1:1 000 000.

4. Региональные и субрегиональные. К этому уровню относят ГИС на основе то­пографических и картографических данных масштабов 1:100 000 и 1:200 000. Система координат - геодезическая (в США, Канаде и Западной Европе - 17ГМ, в РФ - Гаусса-Крюгера).

5. Муниципальные. Создаются для управления городским хозяйством. Напри­мер, для создания муниципальных кадастровых карт. Масштабы картографи­ческих и топографических данных состовляют 1:10 000 и 1: 25 000.

6. Локальные (районные). ГИС этого уровня создаются по геопространственным данным масштабов 1:10 000 и крупнее и служат для управления городским хо­зяйством, создания кадастровых карт и других целей местного значения.

Целями разработки ГИС являются: анализ, моделирование, управление, про­гноз, планирование, инвентаризация земель, мониторинг, геомаркетинг, картогра­фирование, обслуживание пользователей.

Сфера применения ГИС весьма широка. Это и управление территориальными образованиями, и исследование природных ресурсов, и экология, и рациональное землепользование, транспорт и строительство.

Реализация геоинформационных проектов, создание ГИС в широ­ком смысле слова, включает этапы: предпроектных исследований, в том числе изучение требований пользователя и функцио­нальных возможностей используемых программных средств ГИС, технико-эконо­мическое обоснование, оценку соотношения «затраты/прибыль»; системное проектирование ГИС, включая стадию пилот-проекта, разработку ГИС; ее тестирование на небольшом территориальном фрагменте, или тестовом участке, прототипирование, или создание опытного образца, или прототипа; внедрение ГИС; эксплуатацию и использование.

Особенности различных источников данных создаваемых ГИС позволяют ввести еще один принцип классификации - тип исходных данных, что дает воз­можность выделять системы, ориентированные на использование определенных материалов (карт, аэро- и космических снимков, таблиц, текстов, диаграмм, муль­тимедиа), либо их комплексов в интегрированной ГИС.

Проблемы, стоящие перед проектированием ГИС, реализуются посредством решения комплексов отдельных задач. Задача, определяемая как простейший цикл обработки типизированных данных, может быть отнесена к одной из групп:

1) учетно-инвентаризационных задач,

2) задач управления и принятия решений,

3) задач для моделирования и сложного анализа данных.

Комплексность решения задач в ГИС есть следствие ее эффективности, выте­кающей из ее интегрированности, картографической визуализации и наглядности информации. Несмотря на обилие задач, ГИС оперирует немногими категориями - природными и антропогенными объектами, а также изменяющимися в пространс­тве явлениями. Структура БД в первую очередь должна быть разработана с учетом возможности обеспечения манипулирования этими категориями при работе с ГИС.

В большинстве практически функционирующих ГИС все многообразие задач ГИС сводится к выполнению в основном запросов из БД двух типов: 1) запрос ин­формации «через карту» посредством «картографического интерфейса», с одной стороны, и 2) создание/выдача картографического отчета (т. е. в виде карты) по запросу из БД. При этом оба типа запросов могут иметь дополнительные ограни­чения, основанные на пространственных и непространственных характеристиках с использованием понятий расстояния, включения, пространственных взаимоот­ношений объектов (например, соседства или пересечения).

Выполнение каждой задачи можно рассматривать как с позиции функциональ­ности отдельных подсистем ГИС, так и в аспекте их программно-аппаратного обес­печения.

Функции ГИС закладываются в процессе создания ГИС. Акцент на функции оп­ределяет конфигурацию ГИС. Различные аспекты применения ГИС могут быть све­дены к следующим группам функций ГИС:

· сбор, кодирование и ввод информации - обеспечение формирования циф­рового представления пространственных объектов и явлений;

· редактирование, обновление, эффективное хранение данных, реорганиза­ция в разные формы, контроль правильности и качества данных, поддержа­ние системы на актуальном уровне;

· получение информации - в первичном и обобщенном виде (в том числе ге­нерализированном, суммарном, усредненном) и в виде результатов анализа, моделирования и интегрирования разнородной информации;

· сложные запросы, в том числе осуществляемые в ходе сложного анализа;

· вывод результатов в виде документов - таблиц, карт, диаграмм.

При всем многообразии операций, целей, областей моделирования, проблем­ной ориентации тех или иных атрибутов, логически организованных в них, в лю­бой ГИС выделяются блоки (подсистемы), выполняющие определенные группы функций.

Если рассматривать ГИС как системотехническое устройство, то она включает в себя: аппаратные средства, программное обеспечение, данные и ре­сурсы, технологии и информационный менеджмент.

Аппаратные средства. Это компьютер или сеть компьютеров, входящих в ГИС, а также состав специализированных информационно-технических средств, обес­печивающих функционирование ГИС.

Программное обеспечение ГИС содержит системные и прикладные фун­кции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации гео­пространственной информации. Ключевыми компонентами программных продуктов являются: инструменты для ввода и оперирования геоданными; сис­тема управления базой данных (БВМ8 или СУБД); инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения); графи­ческий пользовательский интерфейс (С1Л или ГИП) для легкого доступа к инст­рументам.

Данные, один из наиболее важных компонентов ГИС. Данные о пространс­твенном положении (геопространственные 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 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.

Геоинформационный менеджмент . Широкое применение ГИС-технологии 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. 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.

Геоинформационные системы (ГИС) - это автоматизированные системы, функциями которых являются сбор, хранение, интеграция, анализ и графическая интерпретация пространственно-временных данных, а также связанной с ними атрибутивной информации о представленных в ГИС объектах.

ГИС появились в 1960 гг при появлении технологий обработки информации в СУБД и визуализации графических данных в САПР, автоматизированного производства карт, управления сетями.

Назначение ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными и прикладными), такими как инвентаризация ресурсов, управление и планирование, поддержка принятия решений.

Этапы создания ГИС:

Предпроектные исследования, в тч изучение требований пользователя и функциональные возможности используемого ПО,

Технико-экономическое обоснование (ТЭО)

Оценка рентабельности,

Системное проектирование ГИС, включая стадию пилот-проекта, разработку ГИС;

Тестирование ГИС на небольшом территориальном фрагменте или тестовом участке или создание опытного образца,

Внедрение ГИС;

Эксплуатация и обслуживание ГИС.

Источники данных для создания ГИС:

Базовый слой - картографические материалы (топографические и общегеографические карты, карты административно-территориального деления, кадастровые планы и тд), используемые в виде геодезической системы координат и плоских прямоугольных координат картографических проекций исходных материалов, геодезических координат и проекций создаваемых базовых карт, на основе которых осуществляется построение цифровых моделей в ГИС и практически реализуются все их задачи.

Данные дистанционного зондирования (ДДЗ): в тч, получаемые с космических аппаратов и спутников материалы, Изображения получают и передают на Землю с носителей съемочной аппаратуры, размещенных на разных орбитах. Полученные снимки отличаются разным уровнем обзорности и детальности отображения объектов природной среды в нескольких диапазонах спектра (видимый и ближний инфракрасный, тепловой инфракрасный и радиодиапазон), что позволяет решать широкий спектр экологических задач. К методам дистанционного зондирования относятся также аэро- и наземные съемки, и другие неконтактные методы, например гидроакустические съемки рельефа морского дна. Материалы таких съемок обеспечивают получение как количественной, так и качественной информации о различных объектах природной среды;

Результаты геодезических измерений на местности, выполняемые нивелирами, теодолитами, электронными тахеометрами, GPS приемниками и др;

Данные государственных статистических служб по самым разным отраслям народного хозяйства, а также данные стационарных измерительных постов наблюдений (гидрологические и метеорологические данные, сведения о загрязнении окружающей среды и пр).

Литературные данные (справочные издания, книги, монографии и статьи, содержащие разнообразные сведения по отдельным типам географических объектов). В ГИС редко используется только один вид данных, чаще всего это сочетание разнообразных данных на какую-либо территорию.

Эффективное использование ГИС для решения разнообразных пространственно-локализованных задач требует от пользователя достаточного объема знаний о геодезических системах координат, картографических проекциях и других элементах математической основы карт ГИС, знаний о методах получения по карте различной информации, математических и других методов использования этой информации для решения пространственно-локализованных задач ГИС.

Научные, технические, технологические и прикладные аспекты проектирования, создания и использования ГИС изучаются геоинформатикой.

Данные, собираемые в геоинформатике, выделяют в особый класс данных, называемых геоданными.

Геоданные - данные о предметах, формах территории и инфраструктурах на поверхности Земли, причем как существенный элемент в них должны присутствовать пространственные отношения.

Геоданные описывают объекты через их положение в пространстве непосредственно (например, координатами) или косвенно (например, связями).

В целом следует выделить следующие технологии сбора данных в геоинформатике:

Воздушная съемка, которая включает аэросъемку, съемку с мининосителей;

Глобальная система позиционирования (GPS);

Космическая съемка, которая является одним из важнейших источников данных для ГИС при проведении природоресурсных исследований, экологического мониторинга, оценки сельскохозяйственных и лесных угодий и т. д.;

Карты или картографическая информация, которая является основой построения цифровых моделей ГИС;

Данные, поступающие через всемирную сеть Internet;

Наземная фотограмметрическая съемка служит источником информации для ГИС при анализе городских ситуаций, экологического мониторинга за деформацией и осадками;

Цифровая фотограмметрическая съемка основана на использовании цифровых фотограмметрических камер, которые позволяют выводить информацию в цифровом виде непосредственно на компьютер;

Видеосъемка, как источник данных для ГИС, используется в основном для целей мониторинга;

Документы, включая архивные таблицы и каталоги координат, служат основным источником данных для ввода в ГИС так называемой предметной или тематической информации, к которой относятся экономические, статистические, социологические и другие виды данных;

Геодезические методы (автоматизированные и не автоматизированные) используются для уточнения координатных данных,

Источником данных для ГИС являются также результаты обработки в других ГИС;

Фотографии, рисунки, чертежи, схемы, видеоизображения и звуки;

Статистические таблицы и текстовые описания, технические данные;

Почтовые адреса, телефонные книги и справочники;

Геодезические, экологические и любые другие сведения.

ГИС используют для решения научных и прикладных задач инфраструктурного проектирования, городского и регионального планирования, рационального использования природных ресурсов, мониторинга экологических ситуаций, принятия оперативных мер в условиях ЧС и тд.

ГИС классифицируются по следующим признакам:

1. По функциональным возможностям:

Полнофункциональные ГИС общего назначения;

Специализированные ГИС, ориентированные 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).

2.По пространственному (территориальному) охвату ГИС подразделяются на глобальные (планетарные), общенациональные, региональные, локальные (в том числе муниципальные).

3.По проблемно-тематической ориентации - общегеографические, экологические и природопользовательские, отраслевые (водных ресурсов, лесопользования, геологические, туризма и т. д.).

4.По способу организации географических данных - векторные, растровые, векторно-растровые ГИС.

Структура ГИС включает комплекс технических средств (КТС) и программное обеспечение (ПО), информационное обеспечение (ИО).

КТС - это комплекс аппаратных средств, в тч, рабочая станция (персональный компьютер), устройства ввода-вывода информации, устройства обработки и хранения данных, средства телекоммуникации.

Рабочая станция используется для управления работой ГИС и выполнения процессов обработки данных, основанных на вычислительных и логических операциях.

Ввод данных реализуется с помощью разных технических средств и методов: непосредственно с клавиатуры, с помощью дигитайзера или сканера, через внешние компьютерные системы. Пространственные данные могут быть получены с электронных геодезических приборов, с помощью дигитайзера или сканера, либо с использованием фотограмметрических приборов.

Устройства для обработки и хранения данных интегрированы в системном блоке компьютера, включающем в себя центральный процессор, оперативную память, запоминающие устройства (жесткие диски, переносные магнитные и оптические носители информации, карты памяти, флеш-накопители и др.). Устройства вывода данных - монитор, графопостроитель, плоттер, принтер, с помощью которых обеспечивается наглядное представление результатов обработки пространственно-временных данных.

ПО - обеспечивает реализацию функциональных возможностей ГИС. Оно подразделяется на базовое и прикладное ПО.

Базовое ПО включает операционные системы (ОС), программные среды, сетевое программное обеспечение, системы управления базами данных, и модули управления средствами ввода и вывода данных, систему визуализации данных и модули для выполнения пространственного анализа.

Прикладное ПО -программные средства, предназначенные для решения специализированных задач в конкретной предметной области. Они реализуются в виде отдельных модулей (приложений) и утилит (вспомогательных средств).

ИО - совокупность массивов информации, систем кодирования и классификации информации.

Особенность хранения пространственных данных в ГИС - их разделение на слои.

Многослойная организация электронной карты, при наличии гибкого механизма управления слоями, позволяет объединить и отобразить гораздо большее количество информации, чем на обычной карте.

Информация, представленная в виде отдельных слоев, и их совместный анализ в разных комбинациях позволяет получать дополнительную информацию в виде производных слоев с их картографическим отображением (в виде изолинейных карт, совмещенных карт различных показателей и тд).

ГИС-технология объединяет разрозненные данные в единый вид, что упрощает принятие управленческих решений информационного обеспечения на различных уровнях планирования и получать, анализировать и принимать решения в науке, управлении хозяйствовании.

Рынок ГИС, отличающихся по функциональным возможностям, требованиям к КТС, ПО и ИО, довольно развит.

ПО - это одна из немногих отраслей, где РФ на равных конкурирует с Западом.