Понятие геоинформатики. Возникновение ГИС. Понятие геоинформационных систем. Области применения. Виды геопространственных данных. Виды вихуализации геопространственных данных. Составные части ГИС. Сравнение традиционной картографии и ГИС. В лекции использованы материалы И.Ю. Черновой.

Понятие геоинформатики.

В современном обществе, чем большее количество информации имеется в Вашем распоряжении, тем проще будет принять обоснованные решения и эффективные действия

Методы получения информации приобретают все более индустриальный характер. Объемы требуемой и собираемой информации колоссально возрастают, и, естественно, требуют для обеспечения своего рационального использования привлечения современных, базирующихся на компьютерных технологиях средств как для ее обработки и анализа, так и для организованного хранения, поиска нужной информации и другого манипулирования ею. В противном случае было бы неизбежно наступление информационного кризиса, связанного с утерей способности эффективно использовать имеющуюся информацию.

Совокупность этих средств и методов обращения с информацией, называется информационными технологиями и является предметом рассмотрения информатики (общей информатики).

Программные и технические средства, реализующие информационные технологии на практике, очень многообразны. Те из них, которые предназначены для обеспечения доступа к информационным ресурсам - ввода информации, хранения ее, модификации, осуществления поиска необходимой информации и ее представления в нужном виде, называются информационными системами (информационно-поисковыми системами, ИПС).

Современные информационные системы, как правило, являются цифровыми, то есть, основаны на использовании компьютерной техники, и информация в них находится в цифровом виде. Информационные системы, как правило, создаются с использованием специального программного обеспечения, называемого системами управления базами данных (СУБД), а сами упорядоченные массивы данных, организованные с помощью СУБД, называются базами данных.  

Существуют специализированные пространственные информационные системы для работы с информацией об объектах и явлениях, которые имеют привязку к определенной позиции в пространстве, с информацией о тех объектах и явлениях, для которых важную роль играет их положение, форма, размеры, взаиморасположение по отношению к другим объектам и явлениям. Такие системы относятся  к классу геоинформационных систем. Термин "пространственный", который мы употребили выше, имеет в данном контексте, достаточно, общий смысл. Важно, что объекты привязаны к некоторой координатной системе, возможно, местной и условной, и этот факт признается существенным и используется системой при организации данных и их использовании.

Специфический отдел информатики, имеющий дело с такой пространственно привязанной информацией, называется геоинформатикой. Соответственно выделяются и геоинформационные технологии, как совокупность методов и приемов для манипулирования пространственными данными, их представления и анализа. Как общая информатика имеет дело с общими свойствами информации и универсальными ее свойствами, а не со специфическими  для конкретной предметной области, так и общая геоинформатика имеет дело с общими свойствами пространственной информации, независимо от конкретного ее содержания. И как для общей информатики существуют развивающиеся на ее пересечениях с конкретными предметными областями и научными дисциплинами ее специфические ветви, так и для геоинформатики также можно говорить о существовании или возможном появлении таких специфических ветвей - геологическая геоинформатика, геоинформатика в археологии, геоинформатика на железнодорожном транспорте.

В настоящее время геоинформационные системы используют:

Естественные науки и производство для учета минеральных, лесных, водных ресурсов, потребностей представителей флоры и фауны;

Медицина для анализа здоровья населения;

Бизнес – для маркетинга товаров, анализа различных потребностей населения;

Полиция и службы экстренного реагирования для анализа криминальных ситуаций и вычисления оптимальных маршрутов с целью скорейшей реакции на вызов;

Местные власти – создание планов роста и развития территорий, зонирование территорий, и многое другое.

Возникновение и бурное развитие ГИС было предопределено богатейшим опытом топографического и, особенно, тематического картографирования, успешными попытками автоматизировать картосоставительский процесс, а также революционным достижениями в области компьютерных технологий, информатики и компьютерной графики.

Первый безусловный крупный успех становления геоинформатики и ГИС - это разработка и создание Географической Информационной Системы Канады (Canada Geographic Information System, CGIS). Начав свою историю в 60-х годах, эта крупномасштабная ГИС поддерживается и развивается по сей день.

"Отцом" ГИС Канады считается Роджер Томлинсон (Roger Tomlinson), под руководством которого были разработаны и реализованы многие концептуальные и технологические решения.

Геоинформационные системы Канады обязаны своему возникновению Министерству лесного и сельского хозяйства Канады. В начале 60х годов 20 века перед Министерством встала задача учета земельных ресурсов и составления прогноза использование последних на ближайшие 10-20 лет. Эти задачи должны быть выполнены так, чтобы можно было разработать стратегию управления земельными ресурсами, для эксплуатации без ущерба для окружающей среды и будущих поколений. Правительственные топографы подсчитали, что составление карт ресурсов  на столь большую площадь потребовало бы больше опытных картографов, чем имелось на тот момент.

Таким образом, новоиспеченному Отделению информационных систем регионального планирования, финансируемому федеральным правительством  Канады было поручено создание того, что стало первой в мире геоинформационной системой (CanGIS – Канадская географическая информационная система.). Ее первоначальной задачей были классификация и нанесение на карту земельных ресурсов Канады. Интересно, что выходными данными первой ГИС были не картографические материалы, а обобщенные результаты исследований, представленные в виде таблиц.

Большое воздействие на развитие ГИС оказала Гарвардская лаборатория компьютерной графики и пространственного анализа ( Harvard Laboratory for Computer Graphics & Spatial Analysis) Массачусетского технологического института. Ее основал в середине 60-х годов Говард Фишер (Howard Fisher) с целью разработки программных средств многофункционального компьютерного картографирования, которые стали существенным шагом в алгоритмическом совершенствовании ГИС

В результате этих работ появился и стал быстро развиваться новый класс графического программного обеспечения для отображения и анализа картографической информации- геоинформационные системы. Со временем  сфера применения ГИС вышла  далеко за пределы компьютерной графики.

Понятие геоинформационных систем.

Географические информационные системы (ГИС) позволяют проводить сбор, хранение, анализ и картирование любых данных об объектах и явлениях на основе их пространственного положения.

В наиболее общем смысле, геоинформационные системы это инструменты для обработки пространственной информации, обычно явно привязанной к некоторой части земной поверхности и используемые для управления ею. Это рабочее определение не является ни полным, ни точным. Как и в случае с географией, термин трудноопределим и представляет собой объединение многих предметных областей. В результате, нет общепринятого определения ГИС.

Отсутствие общепринятого определения привело к значительному недопониманию того, что такое ГИС, каковы их возможности и для чего такие системы могут применяться. Это привело к тому, что некоторые пользователи полагают, например, что нет разницы между компьютерной картографией, компьютерным черчением и собственно ГИС. Поскольку графические интерфейсы всех трех систем могут выглядеть одинаково как для случайного, так и для опытного наблюдателя, легко предположить, что эти системы, при небольших различиях, в принципе, - одно и то же. Но любой, кто попытается анализировать карты, скоро поймет, что системы компьютерной картографии, придуманные для создания карт из графических примитивов (геометрических фигур) в сочетании с описательными атрибутами, прекрасно подходят для отображения карт, но обычно не содержат аналитических возможностей ГИС.

Аналогично, для чисто картографических целей желательно использовать именно систему компьютерной картографии, разработанную специально для ввода, организации и вывода картографических данных, нежели продираться через мириады аналитических функций мощной профессиональной ГИС всего лишь для создания простой карты. Системы компьютерного черчения, специально разработанные для создания графических изображений, не привязанных к внешним описательным данным - прекрасный инструмент для архитектора, ускоряющий производство архитектурных чертежей и упрощающий их редактирование. Эти системы никаких картографических задач не решают.

Определение ГИС, сформулированное разработчиками ведущего программного обеспечения в области ГИС, а именно компанией ESRI (Институт исследования систем окружающей среды, г. Редланс, Калифорния, США) звучит так:

Эта современная компьютерная технология обеспечивает интеграцию баз данных и операций над ними, таких как их запрос и статистический анализ, с мощными средствами представления данных, результатов запросов, выборок и аналитических расчетов в наглядной легко читаемой картографической форме.


Виды геовизуализации.

Географическая информация представляется в виде серий наборов географических данных, которые моделируют географическую среду посредством простых обобщенных структур данных.

Географическая информационная система поддерживает несколько видов современных инструментальных средств для работы с географической информацией:

1. Вид Базы Геоданных: ГИС - это пространственная база данных, содержащая наборы данных, которые представляют географическую информацию в контексте общей модели данных ГИС (векторные объекты, растры, топология, сети и т.д.).

2. Вид Геовизуализации: ГИС - это набор интеллектуальных карт и других видов, которые показывают пространственные объекты и отношения между объектами на земной поверхности. Могут быть построены разные виды карт, и они могут использоваться как “окна в базу данных” для поддержки запросов, анализа и редактирования информации.

3. Вид Геообработки: ГИС - это набор инструментов для получения новых наборов географических данных из существующих наборов данных. Функции обработки пространственных данных (геообработки) извлекают информацию из существующих наборов данных, применяют к ним аналитические функции и записывают полученные результаты в новые производные наборы данных.

ArcGIS®: ArcMap, ArcCatalog, ArcTool

В программном обеспечении ESRI® ArcGIS® эти три вида ГИС представлены каталогом (ГИС как коллекция наборов геоданных), картой (ГИС как интеллектуальный картографический вид) и набором инструментов (ГИС как набор инструментов для обработки пространственных данных). Все они являются неотъемлемыми составляющими полноценной ГИС и в большей или меньшей степени используются во всех ГИС-приложениях.


Пространственные данные: модели данных.

Реальные географические объекты могут быть представлены в базе данных разными способами, или моделями.

Наборы данных могут представлять собой:


Пространственные данные: атрибуты и символы.

Помимо географических представлений, наборы данных ГИС включают традиционные табличные данные, описывающие географические объекты. Эта описательная  информация называется атрибутами объектов. Атрибуты  часто не имеют прямых  указаний на пространственное размещение,  поэтому  атрибуты  называют непространственной информацией.

Например, реальный объект на поверхности земли – отдельно стоящее дерево - представляется в базе данных как точечный пространственный элемент и имеет некоторые характеристики (свойства). Эти характеристики, иначе атрибуты, сообщают нам принадлежность дерева к определенному классу, семейству, поду, виду, высоту и возраст дерева. Все эти описательные характеристики хранятся в одном месте - в атрибутивной таблице.

На интерактивной карте пространственный объект «дерево» отображается с помощью символа. Вид символа (его форма или цвет) может определяться значением атрибута.

Любая ГИС обеспечивает динамическую связь между пространственным элементом, его атрибутами и символом. Это означает, что изменение свойств картографируемого объекта приводит к изменением в атрибутивной таблице и к замене символа. Если пространственный элемент удаляется из базы данных, то удаляется соответствующая ему запись в таблице атрибутов и символ с карты.


Пространственные данные: взаимосвязь графических объектов и их атрибутов.

Связь объектов на карте с их атрибутами является одним из основных принципов работы ГИС и главным фактором ее эффективности. Благодаря связи объектов карты и атрибутов вы можете иметь доступ к атрибутам для любого объекта или определять местоположение любого объекта по его атрибутам.

Например, мы хотим узнать, какие станции метро располагаются на территории Восточного округа г.Москвы. Для этого  обращаемся к системе с запросом (проще говоря, задаем ей вопрос), в ответ на который система показывает (в данном случае подсвечивает желтым цветом) строки, удовлетворяющие данному запросу. Одновременно на интерактивной карте подсвечиваются объекты, соответствующие выбранным записям атрибутивной таблицы.

Любая система работает и в обратном направлении. Простым щелчком мыши на интересующем нас объекте (или при выборе нескольких объектов) мы может получить полную информацию о нем (о них).


Пространственные данные: тематические слои и наборы данных.

ГИС организует пространственные данные в серии тематических слоев и таблиц. Тема- совокупность однородных географических объектов, например, дорог, рек, участков или природных достопримечательностей. Наборы данных обычно связаны единым географическим положением, им приписываются реальные координаты, и их можно накладывать друг на друга в произвольной комбинации, составляя интерактивные карты различного содержания.

Пространственные данные: принцип послойной организации данных.

Теоретически все данные можно хранить как единую совокупность объектов и их атрибутов, образно говоря, в одной куче. Но управлять таким массивом данных очень трудно. Практика информационных систем показала, что чем более специализированы наборы данных, тем легче ими управлять и получать доступ к ним.

Любая ГИС очень легко позволяет нам подгружать и выгружать различные тематические слои в произвольной комбинации. Причем целостность всей базы данных  не нарушается. 

Послойная организация данных существенно увеличивает эффективность работы всей системы и является вторым основополагающим принципом работы ГИС.


Пространственные отношения: топология и сети.

Пространственные отношения, такие как топология, также являются важными частями базы данных ГИС. Топология применяется для контроля за общими границами между пространственными объектами, для определения и исполнения правил целостности данных, а также для поддержки пространственных запросов (например, чтобы определить смежность и связность объектов). Топология также используется для расширенного редактирования и построения пространственных объектов на основе других геометрических элементов (например, для построения полигонов из линий).

Некоторые примитивные объекты существуют самостоятельно и имеют определенную атрибутивную информацию, другие, более сложные наборы данных. Например, речная сеть, содержит не только информацию о ширине реки и ей подобную, но и показывает возможное направление движения. Эта информация должна быть сообщена каждому отрезку, чтобы сообщать пользователю об изменении направления течения. Дополнительные коды, могут содержать данные об узлах, соединяющих эти отрезки. Это могут быть впадения притоков, разветвление основного русла и тп. Дополнительные атрибуты определяют по всей сети присущие реальности взаимоотношения, которые этой сетью моделируются. Такая информация о связности и пространственных отношениях объектов называется топологической.


Вид визуализации пространственных данных (геовизуализация)

Геовизуализация подразумевает работу с картами и другими видами географической информации, в том числе с интерактивными картами, 3D сценами, итоговыми диаграммами и таблицами, видами с показателями времени, схематическими видами сетевых отношений.

Для большинства ГИС-приложений интерактивные карты – это основной интерфейс в котором работают пользователи. Они доступны на многих уровнях: от карт для беспроводных мобильных клиентов до Web-карт в браузерах и карт в мощных настольных ГИС-приложениях.

Карты в ГИС во многом схожи со статичными бумажными картами, но к тому же они интерактивны, то есть вы можете взаимодействовать с ними. Интерактивную карту можно уменьшать и увеличивать, причем при определенных масштабах некоторые слои на карте могут появляться или исчезать. Вы можете применять условные знаки для отображения слоев карты на основе любого выбранного набора атрибутов. При указании географического объекта на интерактивной карте можно получить о нем дополнительную информацию, строить пространственные запросы и проводить анализ. Например, можно найти все магазины определенного типа недалеко от школ (например, в радиусе 200 м) или все заболоченные участки на расстоянии до 500 м от выбранных дорог. Кроме того, многие пользователи ГИС посредством интерактивных карт проводят редактирование данных и создают пространственные представления объектов.

Помимо карт, в базах данных ГИС используются другие интерактивные виды, такие как временные срезы, глобусы и схематические чертежи. Разработчики часто встраивают карты в пользовательские приложения, и многие пользователи публикуют в Интернете Web-карты, предназначенные для использования в ГИС.


Вид геообработки.

ГИС представлены коллекцией наборов географических данных и операторами (инструментами), применяемыми к этим наборам данных. Инструменты ГИС являются строительными блоками для выполнения многошаговых операций. Инструмент применяет операцию к некоторым имеющимся данным с целью получения новых данных. Операции, соединенные в единую цепочку, формируют модель процесса обработки данных. Создание и применение подобных процедур и называется геообработкой.

Возможность автоматизации и повторного выполнения таких рабочих процессов является сильной стороной ГИС. Она широко применяется в многочисленных ГИС-приложениях и сценариях работы с данными.

Полноценная ГИС содержит обобщенную добротную информацию и широкий набор ГИС-операторов для работы с этой информацией. Так, например, система ArcGIS обладает богатым ГИС-языком с тысячами операторов, которые работают в среде ГИС с различными типами географических данных.


Подсистемы  ГИС.

Майкл ДеМерс, автор книги «Географические информационные системы. Основы» дает следующее определение ГИС через подсистемы, которые ее образуют:

1. ГИС представляет собой набор подсистем, ее образующих. В соответствии Подсистема сбора данных, которая собирает и проводит предварительную обработку данных из различных источников. Эта подсистема также отвечает за преобразование различных типов пространственных данных (например, от изолиний топографической карты к модели рельефа ГИС).

2. Подсистема хранения и выборки данных, организующая пространственные данные с целью их выборки, обновления и редактирования.

3. Подсистема манипуляции данными и анализа, которая выполняет различные задачи на основе этих данных, группирует и разделяет их, устанавливает параметры и ограничения и выполняет моделирующие функции.

4. Подсистема вывода, которая отображает всю базу данных или часть ее в табличной, диаграммной или картографической форме.

Это разделение легко сравнить с традиционными бумажными картами, особенно если рассмотреть этапы картографического процесса.


Традиционная картография и ГИС: сравнение функций

При традиционной технологии картограф собирает карту из точек, линий и областей на физическом носителе, таком, как бумага или пластик. Информация берется из таких источников, как аэрофотосъемка, цифровое дистанционное зондирование, геодезические работы, словесные описания и зарисовки, данные статистики и т.д. Компьютерный аналог использует электронные устройства для записи, или кодирования точек, линий и областей в компьютерную систему. Источники данных часто те же, что и в традиционной технологии, но сейчас включают и широкий спектр цифровых источников: готовые цифровые карты, цифровые модели рельефа, цифровые ортофотоснимки и многие другие. Хотя  механизмы этих технологий различаются, используемые в реальности методы удивительно похожи.

В традиционном  картографическом методе сама карта является средством хранения и выборки информации. Точки, линии и области, которые нанесены на карту,  хранятся там для  выборки их читателем карты. Говорят, что карта — наиболее компактный носитель для хранения пространственно привязанной информации и возможно, является наиболее сложным графическим изобретением. Нередко даже, насыщенность и сложность карты мешают пользователю извлекать из нее информацию. В ГИС подсистема хранения и выборки имеет значительные преимущества перед картой в том, что можно делать запросы, возвращающие только нужную информацию. В общих словах, эта подсистема хранит либо явно, либо неявно, геометрические координаты точечных, линейных и площадных геометрических объектов и связанные с ними характеристики (атрибуты). Компьютерные методы поиска естественным образом присущи самому программному обеспечению ГИС.

В картографическом методе нет прямого аналога и для подсистемы анализа, за исключением того, что карта является фундаментальным инструментом анализа пространственно-связанных данных. Традиционная карта требует применения линейки для измерения расстояния, транспортира для определения направления, и сетки или планиметра для измерения площади. Более того, человек, анализирующий карту, ограничен графическими методами, использованными для представления данных на листе бумаги или пластика.

Подсистема анализа является «сердцем» ГИС. Анализ карт дает импульс для поиска новых, более удобных, быстрых и мощных методов, способствует рождению новых гипотез, поскольку на уже привычные и знакомые данные мы может взглянуть с другой стороны.

ГИС – анализ использует потенциал современных компьютеров для измерения, сравнения и описания информации, хранящейся в базах данных. В случае традиционной картографии входные данные используются один раз и представляются на карте в уже обработанном, проинтерпретирован и классифицированном виде. При этом читатель карты ничего не знает о методах и  способах получения и обработки данных.

ГИС имеют  быстрый доступ к исходным данным и позволяют агрегировать и классифицировать данные много раз, обрабатывать одни и те же данные многими способами в зависимости от поставленной задачи. Как правило, обработанные данные становиться исходными  для дальнейшего анализа. ГИС не только не ограничены в видах используемой информации, но и способны комбинировать выбранные наборы данных уникальными и ценными способами, далеко выходящими за рамки простого листа с изображенной картой.

Значительным различием между ГИС и картографией, помимо акцента при анализе в ГИС, являются способы представления результатов. Хотя многие пользователи, возможно большинство, все же используют картографическое представление, в современных ГИС есть много иных возможностей. Типичным примером некартографического представления являются распечатки таблиц, гистограмм или графиков. Дополнительно, на поля карты или в таблицы и графики можно поместить хранимые в цифровой форме фотографии выбранных мест.

Наиболее распространенным методом нетрадиционного картографического  вывода является анимация. Популярность анимации, особенно 3-х мерной, заключается в ее высокой наглядности. Кроме того, зрение человека гораздо лучше замечает движущиеся объекты, чем неподвижные, что, безусловно, помогает выявлению взаимодействия объекта и его окружения.

Кроме картографического или графического вывода, современные системы обладают и альтернативными формами вывода. Типичным примером альтернативного вывода является использование ГИС  в службах спасения. Если вызов требует тушения пожара, то ГИС позволяет вместе с принятием вызова оператором определить ближайшую к указанному адресу пожарную часть и направить в нее электронный сигнал тревоги. Т.е. в данном случае выводом ГИС будет не карта, а звуковой сигнал и световой сигнал. Кроме того, та же ГИС может определить кратчайший маршрут для пожарной машины, а саму карту дополнить маршрутным листом, в котором перечислены улицы, перекрестки и иные отметки, позволяющие пройти маршрут без помощи карты.


Традиционная картография и ГИС: сравнение функций

Карта

ГИС

подсистемы вывода

Ввод: запись (компиляция) на бумаге

- точки

- линии

- области.

Ввод: запись (кодирование) в память компьютера

- точки

- линии

- области.

Источники

- Аэрофотосъемка

- Дистанционное зондирование

- Геодезические работы

- Словесные описания и зарисовки

- Статистические данные и др.

Источники – то же, что и для карт, а также

- Готовые цифровые карты

- Цифровые модели местности и рельефа

- Цифровые аэро- и космоснимки

- Данные лазерного сканирования

- Цифровые базы данных

- Данные, полученные через Internet

подсистема хранения и выборки

Точки, линии и области рисуются на бумаге с помощью символов.

Точки, линии и области хранятся как ячейки растра или координаты и идентификаторы в компьютере.

Таблицы атрибутов связаны с геометрией.

Выборка- это просто чтение карты.

Выборка требует эффективных методов компьютерного поиска.

подсистема анализа

Требуется линейка, планиметр, транспортир и другие инструменты, используемые человеком – аналитиком.

Используются возможности компьютера для измерения, сравнения и описания информации в базе данных.

Возможности ограничены данными, сгруппированными и представленными на бумажной карте.

Обеспечивает быстрый доступ к исходным данным, позволяет группировать и переклассифицировать данные для дальнейшего анализа.

Одни и те же данные могут быть использованы многократно.

подсистемы вывода

Только графическое представление.

Карта – лишь один из видов вывода.

Многие формы карт.

ГИС предоставляет практически неограниченные возможности в создании карт.

Модификации могут включать картограммы и др.

Включает также таблицы, графики, диаграммы, изображения и др.

Нетрадиционные формы вывода: интерактивный вывод, передача баз данных, видео и др.

Нетрадиционная формы вывода: публикация картографических данных  в Internet.

В настоящее время, мы наши карты можем не только распечатать  или передать пользователю на диске или другом носителе информации, но и опубликовать в Интернете. Это совершенно новый способ передачи географической информации, поскольку речь идет не только о передаче карт в виде картинок (например, в формате JPG или TIFF), а о полноценных электронных интерактивных картах, которые можно не только просматривать и масштабировать, но и анализировать посредством запросов и других операций, использовать в своей повседневной работе.

Географическое знание изначально является распределенным и слабо интегрированным. Вся необходимая информация редко содержится в отдельном экземпляре базы данных.

Пользователи ГИС вынуждены взаимодействовать друг с другом с целью получить недостающие части имеющихся у них ГИС-данных.

Таким образом, помимо публикации и обмена данными ГИС, пользователи все шире используют Интернет для сбора, структурирования, применения и управления географическим знанием. Это явление - одна из наиболее ярко выраженных тенденций развития современных ГИС.

В состав ГИС-сети входят три основных строительных блока:

С одной стороны, развитие  ГИС-сетей приобретает важное значение в распространении  накопленных географических знаний. С другой стороны оказывает огромное влияние на развитие ГИС и других информационных технологий во всем мире.