Виды информационных систем, связанные с ГИС-технологиями

Лекция 1

Основные понятия геоинформационных систем

В настоящее время единого четкого определения ГИС не существует. Более двух десятков ученых занимающихся геоинформацией сформулировали собственные определения. Чаще всего под ГИС понимается система сбора, хранения, анализа и представления координатно привязанной информации. Если разобрать термин подробно, то более полное определение выглядит следующим образом:

Система – это группа взаимосвязанных элементов и процессов.

Информационная система – это хранилище информации, снабженное процедурами ввода, поиска, размещения и выдачи информации.

Геоинформационная система (ГИС) – это возможность нового взгляда на окружающий нас мир.

Геоинформационная система – это система аппаратно-программных средств и алгоритмических процедур, созданная для цифровой поддержки, пополнения, управления, манипулирования, анализа, математико-картографического моделирования и образного отображения географически координированных данных (рис. 1).

ГИС отличается от других информационных систем тем, что:

- обеспечивает взаимосвязь между любыми количественными и качественными характеристиками географических объектов и явлений, представленных в базе данных в виде точек, линий, площадей и равномерных сеток;

- содержит алгоритмы анализа пространственно координированных данных, и поэтому она – пространственно организованная и пространственно "мыслящая".

Рис. 1. Дерево геоинформатики

Краткая история ГИС

Первые географические информационные системы разработаны в 1950-1960-х гг., первоначально в гражданском секторе. В 1970-1980-х гг. развилась сильная и активная ГИС-индустрия с явным лидерством США. А в 1990 г. были опубликованы первые работы по истории ГИС.

Принято выделять 4 основных этапа развития ГИС-технологий:

- пионерский этап (в конце 1950-х и начале 1970-х гг.);

- период государственных инициатив (в начале 1970-х и 1980-х гг.);

- период коммерческого развития (в начале 1980-х гг. и до настоящего времени);

- пользовательский период (в конце 1980-х гг. и до настоящего времени).

1.1.1 Пионерский этап (конец 1950-х – начало 1970-х гг.). Появление ГИС стало возможным благодаря развитию техники. В 1950-х гг. появились ЭВМ, в 1960-х гг. – многочисленные периферийные устройства – цифрователи, плоттеры, графические дисплеи и пр. С их появлением началась разработка различных программных продуктов для полноценного использования изобретенной техники – создание программных алгоритмов и процедур графического отображения информации на дисплеях и с помощью плоттеров, создание формальных методов пространственного анализа, создание программных средств управления базами данных.

Практически одновременно началась работа над первыми глобальными ГИС проектами: бюро переписи США составляло цифровую карту и земельная служба Канады создавала географическую информационную систему Канады.

Земельная служба Канады внесла следующие новшества: использование сканирования для автоматизации процесса ввода геоданных; расчленение картографической информации на тематические слои и разработка концептуального решения о "таблицах атрибутивных данных", что позволило разделить файлы плановой (геометрической) геоинформации о местоположении объектов и файлы, содержащие тематическую (содержательную) информацию об этих объектах: функции и алгоритмы оверлейных операций с полигонами, подсчет площадей и других картометрических показателей.

1.1.2 Период государственных инициатив (в начале 1970-х и 1980-е гг.). Результаты, представленные первыми экспериментами в области компьютерной картографии, подтолкнули правительство США на финансирование этой новой отрасли исследований. Следующим шагом стало создание земельных систем для каждого штата.

Одним из результатов правительственной заинтересованности в ГИС стало появление экспериментальных проектов – автоматизированных систем навигации, движений транспортных средств в чрезвычайных ситуациях и т.д.

Первой и самой известной на сегодняшний день была фирма ESRI, созданная в 1969 г.

В том же 1969 г. был создан второй гигант ГИС индустрии – компания Intergraph.

В 1974 г. был выпущен их первый коммерческий программный продукт.

В это же время началось развитие и признание ГИС в Европе. Но европейские компании большей частью ушли с рынка к середине 1980-х гг. и в истории не оставили значимых следов. Siemens, Laser-Scan и Smallworld.

1.1.3 Период коммерческого развития (в начале 1980-x гг. и до настоящего времени). Появляется широкий рынок разнообразных программных средств. Активно идет развитие настольных ГИС, расширение области их применения за счет объединения с базами непространственных данных. Появляются сетевые приложения – ГИС выходят на новый корпоративный уровень. Происходит нарастание числа непрофессиональных пользователей.

В 1980 г. увидела свет первая версия ARC/INFO. Недавно увидела свет уже десятая.

1.1.4 Пользовательский период (с конца 1980-х гг. и до настоящего времени). Появившаяся повышенная конкуренция среди коммерческих производителей геоинформационных технологий дает преимущества пользователям ГИС, доступность и "открытость" программных средств позволяют использовать и даже модифицировать программы.

Появляются пользовательские "форумы", телеконференции, территориально разобщенные, но связанные единой тематикой пользовательские группы. Возрастает потребность в геоданных, начинается формирование мировой геоинформационной инфраструктуры.

В этот период в область распространения ГИС включается Россия. ГИС-технологии получают все большее распространение в начале в организациях, а позже и в частном секторе.

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. Базы данных имеют два типа – графические и тематические. В графических базах данных хранится то, что принято называть топографической основой, тематические содержат в себе так называемую нагрузку карты и дополнительные данные, которые относятся к пространственным, но не могут быть прямо нанесены на карту – это описания территорий или информация, содержащаяся в отчетах. Оба вида баз представляют из себя файлы (наборы) данных. Кроме них любая ГИС имеет систему визуализации данных, выводящую на экран имеющуюся информацию в виде карт, таблиц, схем и т.п., и систему управления данными, при помощи которой происходит их поиск, сортировка, удаление, добавление, исправление и анализ (рис 1.1).

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.

Рис. 1. Обязательные компоненты ГИС

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 текущие 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 составляются в соответствии со спецификой задач и работы каждой организации.

1.3 Содержание ГИС.ГИС хранит информацию о реальном мире в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе географического положения.

Любая географическая информация содержит сведения о пространственном положении, будь то привязка к географическим или другим координатам, или 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.

Векторная и растровая модели. ГИС может работать с двумя существенно отличающимися типами данных – векторными и растровыми. В векторной модели информация о точках (парой координат (X,Y)), линиях (набор координат) и полигонах (замкнутый набор координат) кодируется и хранится в виде набора координат X,Y 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.

В общем случае растровые данные хорошо сжимаются и занимают в системе места меньше, чем векторные с сопутствующей информацией. Часто для сжатия растровой информации используется метод "кодирования цвета". Поскольку при хранении последовательности пикселов (pixel – Picture Element) одного цвета достаточно знать только его номер и количество пикселов, то таким образом можно закодировать все изображение. При больших одноцветных площадях размер файла может быть уменьшен в 5 раз.

Другим методом является "сжатие по столбцам". Выбирается базовый столбец пикселов, в соседнем столбце кодируются точки, отличающие его от базового, при значительных отличиях, он принимается за новую базу и т.д. Оба эти способа хороши для черно-белых изображений, но малоэффективны для серых и цветных.

Таблица. Сравнение растровой и векторной моделей

Показатели	Растровая модель	Векторная модель
Сбор данных	Быстрый	Медленный
Объем данных	Большой	Маленький
Манипулирование графическими элементами	Среднее	Хорошее
Структура данных	Простая	Сложная
Геометрическая точность	Низкая	Высокая
Возможности анализа на сетях	Слабые	Хорошие
Возможности анализа перекрытия областей	Хорошие	Средние
Геометрическая генерализация	Простая	Сложная

Как в группе растровых, так и в группе векторных изображений форма записи в файл в каждой конкретной системе неодинакова.

Форматом файла называется шаблон, по которому он создается. Шаблон описывает, какие именно данные (строки, одиночные символы, целые, дробные числа, символы-разделители) и в каком порядке должны быть занесены в файл. Если ГИС "знакома" с форматом, она может прочитать данные из файла этого формата и правильно их интерпретировать, и наоборот, записать свои данные в этом формате и быть понятой другой системой.

Стандартные форматы существуют как для растровой, так и для векторной информации. К растровым форматам относятся, например, PCX, TIFF, GIF, RLE, RLC, BMP, JPG.

К векторным форматам относятся форматы DXF, DX90, PIC, DWG, ICES, DGN, HPGL и многие другие. Векторные форматы, в отличие от растровых, содержат по существу команды управления положением "пера" и задания его атрибутов. Распространенный формат DXF появился из пакета AutoCAD и стал стандартом в связи с его популярностью. В настоящее время он используется как обменный для переброски данных между CAD приложениями. DXF хорошо документирован.

Лекция 2

1.4 Задачи, которые решает ГИС: ввод, манипулирование, управление, запрос и анализ, визуализация.

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, либо, 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 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, как ГИС, так и не ГИС приложениях.

Запрос и анализ. Запросы можно задавать как простым щелчком мышью на определенном объекте, так и 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. 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.

Виды информационных систем, связанные с ГИС-технологиями

ГИС тесно связана с рядом других типов информационных систем. Ее основное отличие заключается в способности манипулировать и проводить анализ пространственных данных. Хотя и не существует единой общепринятой классификации информационных систем, но следует отличать 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. В таких системах все основано на картах, карта является базой данных.

Mapping-системы – программные продукты, специально предназначенные для профессионального производства карт. Эти системы базируются в основном на рабочих станциях, хотя встречаются и настольные системы для ПК, с помощью которых можно создавать карты простого содержания. Профессиональные Mapping-системы позволяют в конечном итоге получить продукт, качество которого не уступает типографическому, однако они не нацелены на управлений данными в течение длительного периода времени, практически лишены средств анализа. Mapping хорошо справляются с производством стандартных карт типа морских или топографических, где все элементы содержания известны заранее, хранятся в специальных библиотеках, содержащих сам символ и его код. В Mapping регламентируется все, вплоть до заливок, штриховок, видов и размеров шрифтов. Изображение на карту наносится в строгом соответствии с принятыми условными знаками. Такой подход позволяет быстро создавать стандартные карты при очень хорошем качестве получаемого продукта, однако, поскольку Mapping-системы лишены возможностей моделирования и анализа, они не могут справиться, например, с тематическим картографированием, управленческими задачами, мониторингом.

Соответствующие пакеты работают на настольных компьютерах – PC, Macintosh и младших моделях UNIX рабочих станций.

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 и анализировать большие базы пространственных данных.

Наибольшее распространение среди систем САПР получили CAD-системы. CAD – это системы для автоматизированного проектирования с использованием средств машинной графики. Такого рода системы работают только с техническими чертежами. В процессе традиционного проектирования передача информации происходит, как правило, с помощью чертежей, графиков и диаграмм. CAD системы могут быть ориентированы на рабочие станции и на ПК, доступные большому кругу пользователей.

Дистанционное зондирование и GPS. Методы дистанционного зондирования – это искусство и научное направление для проведения измерений земной поверхности с использованием сенсоров, таких как различные камеры на борту летательных аппаратов, приемники системы глобального позиционирования или других устройств. 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 (ERDAS). 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 геоданные (пространственные). 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.

Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 1254; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!