Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии

Подождите немного. Документ загружается.

Трудности в освоении этих систем заключаются в необходимости

усвоения сведений из тех областей знаний, которые применяются в

технологиях ГИС.

Последние годы ускорившимися темпами растет

производительность персональных компьютеров. В это же время этап

взрывного развития переживают системы, основанные на применении

открытой глобальной компьютерной сети Internet и крупных

корпоративных компьютерных сетей (технология их создания на

основе стандартов получила название intranet). Под влиянием этих

факторов рынок ГИС претерпевает радикальные изменения. Как

любой из секторов рынка в сфере высоких технологий, он описывается

моделью «качелей»: попеременно формируются фазы, в которых до-

минируют то предложение (technology-driven market), то спрос (user-

driven market). Есть все основания считать, что с появлением сетевых

информационных технологий глобального охвата рынок ГИС

перемешается в ту долгожданную фазу, когда начинают доминировать

требования массовых пользователей.

Автор этой книги поставил перед собой непростую задачу — дать

минимальные знания о ГИС и технологиях их применения широкому

кругу читателей Это прежде всего школьники старших классов, выпус-

кники лицеев технического, экономического и управленческого

профилей. Кроме того, книга рассчитана на специалистов с

техническим или экономическим образованием, желающих

ознакомиться с особенностями ГИС. Наконец, среди читателей—

потенциальные пользователи ГИС: специалисты в области управления,

бизнесмены, руководители малых и больших предприятий с

территориально распределенным характером деятельности.

Сложность управленческих моделей в крупных корпорациях,

моделей коммунальных служб и транспорта растет; все более широкое

распространение получают методы рационализации управленческих

процессов (business process reengineering, BPR). Практика применения

этих методов доказывает: чем больше «измерений» в модели, тем

более управляемой эта модель становится, тем более сложные решения

можно принимать на ее основе. Удобные методы визуализации данных

с пространственной привязкой все больше привлекают пользователей,

освоивших возможности офисных операционных сред для

персональных компьютеров.

В настоящее время основой для решения задач обработки

информации стал системный подход к анализу и построению так

называемых "открытых систем". Именно этот подход использован

автором предлагаемой читателю книги для обобщенного анализа ГИС

как класса автоматизированных систем. Применение этого подхода

позволяет проводить анализ безотноси-

тельно к предметной области использования ГИС и применять

объективные критерии оценки. Реализация системного подхода при

изучении общих черт и возможностей ГИС предложена автором книги

в разделе 1.

Анализ места ГИС среди других автоматизированных систем

позволяет сделать вывод о том, что комплексная автоматизированная

обработка информации в ГИС не имеет прямых аналогов с

технологией обработки в других автоматизированных системах. В то

же время ГИС сочетают в себе на разных этапах преобразования

информации обкатанные элементы технологий других систем (систем

автоматизации проектирования, экспертных систем, а также

автоматизированных систем для научных исследований или

управления производством). В силу этого в ГИС проявляются

свойства, присущие другим автоматизированным системам, чем

обусловлена необходимость обобщения опыта и проведения анализа

этих систем для понимания и оптимизации технологических

особенностей ГИС как автоматизированной системы. Этот круг воп-

росов рассмотрен автором в разделе 2.

С середины 90-х годов геоинформационные системы приобрели

статус серьезного стратегического резерва в экономике тех стран,

которые вступили в период становления информационного общества.

«В конечном счете именно географическая информация становится

критичным компонентом в задачах содействия экономическому

развитию, умелого природопользования и защиты среды обитания.

Современные технологии позволяют эффективно решать задачи сбора,

распространения, анализа и визуализации данных с пространственной

привязкой, создания картографических материалов» говорится в указе

президента США Б. Клинтона «О создании национальной

инфраструктуры данных с пространственной привязкой»,

опубликованном в апреле 1994 г.

Поскольку современные ГИС относятся к классу интегрированных

автоматизированных систем, необходим комплексный подход к иссле-

дованию и выбору информационной основы и типов обрабатываемых

данных. Анализ рассмотренных в разделах 3 и 4 систем показывает

важность выбора общих свойств, типов и структур моделей данных.

Помимо выбора моделей важно определить оптимальные методы

моделирования для обработки пространственной информации. Эти

вопросы освещены в разделе 5.

Цифровое моделирование является основой ГИС и требует отдель-

ного рассмотрения (раздел 6).

Более детальное описание некоторых инструментальных средств

ГИС приведено в разделе 7.

Примерам применения ГИС посвящен раздел 8.

К ЧИТАТЕЛЮ

В разные периоды времени развитие науки и техники характеризо-

валось повышенным вниманием либо к интеграции, либо к

специализации. Следует отметить, что оба этих направления развития

на практике "переплетаются", однако на каждом этапе развития

прикладных наук и технологий одно из них, как правило, получает

преимущество.

Наиболее очевидным перевес интеграции стал в период

античности и в средние века. Следует упомянуть школу Пифагора, в

которой изучались предметы от музыки до астрономии. В средние

века ярким представителем интеграционного подхода можно назвать

Рене Декарта. Являясь по образованию архитектором, он больше

известен как математик и философ. Великим интегратором был и

легендарный Леонардо да Винчи.

При интегрированной (широкой, или универсальной) подготовке

специальность, по которой получено образование, не играет

существенной роли при выборе сферы деятельности. Имея

универсальную подготовку и широкий запас знаний по сравнению с

узкоподготовленным специалистом, выпускник университета — этой

"школы интеграции" — может без особого труда менять род занятий,

добиваясь при этом неплохих результатов в различных областях.

Объективной трудностью получения интегрированной подготовки

является необходимость освоения большого объема информации, что

доступно не каждому.

Тем не менее при накоплении достаточно большого материала в

смежных областях знания и необходимости решения новых задач на

этой основе всегда возникает интеграция знаний.

Интеграция означает, что помимо большего набора типов данных

и технологий имеется некая концепция и методология, оптимально

объединяющая это разнообразие данных и технологий. Поэтому не

следует путать применение суммы различных методов или технологий

с их интеграцией. Зачастую при решении прикладных задач возникает

ситуация, когда между различными методами нет внутренней связи,

отсутствует и единая концепция системы обработки данных.

В конце XX в. возник новый тип интегрированных информацион-

ных систем — геоинформационные системы, ГИС.

И в заключение несколько слов о перспективах развития рынка

ГИС. Сегодня контингент пользователей ГИС, по мнению некоторых

обозревателей, делится на три группы в пропорциях 1000:100:10.

Наиболее массовую из этих групп - группу «ГИС-зрителей» - со-

ставляют те, кто работает в обычных офисных средах и спорадически

обращается к услугам просмотровых программ. Языки запросов для

таких программ сближаются по свойствам с языками запросов,

доступными клиентам World Wide Web в Internet.

Средний класс «пользователей-аналитиков» составляют те, кто

работает с базами данных и владеет навыками статистического

анализа. Для них интерфейс ГИС - только удобное обрамление

сеансов проектной или аналитической работы, в ходе которой

приходится формировать составные электронные документы и

работать с разнотипными системами управления базами данных.

Наконец, «жрецы», конструкторы ГИС, составляют группу, к

услугам которой корпоративные заказчики прибегают редко, лишь

когда требуется визуализация особо сложных сценариев.

По данным авторитетной аналитической службы Dataquest, к 2000

г. показатели годового оборота в двух основных секторах рынка ГИС -

для операционных сред Windows NT и Unix - станут сравнимыми. При

этом фирмы-поставщики, предлагающие заказчику комплексные

решения на основе технологии открытых систем (будь то хоть

Windows NT, хоть Unix), оказываются в стратегически выгодном

положении.

Освоение рынка ГИС-решений, ориентированных на тех пользова-

телей, которые определены выше как «зрители» и «аналитики»,

требует реализации в ГИС еще одного ключевого свойства. В

операционных системах и системах управления базами данных это

свойство получило название масштабируемости (scalability).

Масштабируемое ГИС-ре-шение способно расти вместе с

расширением информационной структуры предприятия, оставаясь при

этом адаптируемым и позволяя разрабатывать специфичные

приложения для офисов, проектных отделов, эксплуатационных служб

и т.п.

Автор книги, ориентированной прежде всего на первую из трех

перечисленных выше групп пользователей ГИС, поставил перед собой

нелегкую задачу компактного изложения материала различных

предметных областей, входящих в сферу применения ГИС.

Прочитав ее, читатель сможет оценить, удалось ли ему решение

этой задачи.

ВВЕДЕНИЕ

Современные геоинформационные системы (ГИС) представляют

собой новый тип интегрированных информационных систем, которые,

с одной стороны, включают методы обработки данных многих ранее

существовавших автоматизированных систем (АС), с другой -

обладают спецификой в организации и обработке данных.

Практически это определяет ГИС как многоцелевые, многоаспектные

системы.

В частности, как системы управления ГИС являются новой

основой автоматизированных систем управления (АСУ). Это

обусловливает повышенное значение ГИС - современного средства

организации многих видов производств. Не случайно в декабре 1996 г.

было принято постановление Правительства России "ГИС как органы

государственной власти (ОГВ)".

Определение ГИС как "компьютеризованной базы данных (БД)",

"как системы управления", в которой хранятся "пространственные

данные" [10], следует считать неверным либо устаревшим по ряду

причин. Во-первых, база данных ( и не одна) может входить в состав

ГИС, а полная технология обработки информации в ГИС значительно

шире, чем работа с базой данных. Во-вторых, современная ГИС

рассчитана не просто на обработку данных, а на проведение во многих

ситуациях экспертных оценок. Другими словами, ГИС должна

включать в свой состав экспертную систему, а этого только на уровне

базы данных достичь невозможно, так как экспертная система является

более общей по отношению к БД. Наконец, данные, которые

обрабатывает и хранит ГИС, имеют не только пространственную, но и

временную характеристику, что важно в первую очередь для

географических данных.

Хотя разработка ГИС началась более 30 лет назад (тогда это были

чисто географические информационные системы), их бурное развитие

и качественно новое представление произошло за последние 7-8 лет

благодаря принятию за основу этих систем идеологии и технологии

систем автоматизированного проектирования, интеграции всех

процессов обработки данных на базе географических данных.

На основе анализа целей и задач различных ГИС, функционирую-

щих в настоящее время, более точным следует считать определение

ГИС как геоинформационных систем, а не как географических

информаци-

онных систем. Это обусловлено и тем, что процент чисто

географических данных в таких системах незначителен,

технологии обработки данных имеют мало общего с

традиционной обработкой географических данных и,

наконец, географические данные служат лишь базой решения

большого числа прикладных задач, цели которых далеки от

географии. Разумеется, это не исключает существование

чисто географических информационных систем -

аббревиатура та же - ГИС, однако в дальнейшем мы будем

понимать под ГИС геоинформационные системы.

Итак ГИС- автоматизированная информационная система,

предназначенная для обработки пространственно-временных

данных, основой интеграции которых служит географическая

информация.

В ГИС осуществляется комплексная обработка

информации - от ее сбора до хранения, обновления и

представления, в связи с этим следует рассмотреть ГИС с

различных позиций.

Как системы управления ГИС предназначены для

обеспечения принятия решений по оптимальному

управлению землями и ресурсами, городским хозяйством, по

управлению транспортом и розничной торговлей,

использованию океанов или других пространственных

объектов. При этом для принятия решений в числе других

всегда используют картографические данные.

В отличие от АСУ в ГИС появляется множество новых

технологий пространственного анализа данных. В силу этого

ГИС служат мощным средством преобразования и синтеза

разнообразных данных для задач управления.

Как автоматизированные информационные системы

ГИС объединяют ряд технологий или технологических

процессов известных информационных систем типа

автоматизированных систем научных исследований (АСНИ),

систем автоматизированного проектирования (САПР),

автоматизированных справочно-инфор-мационных систем

(АСИС) и др. Основу интеграции технологий ГИС

составляют технологии САПР. Поскольку технологии САПР

достаточно апробированы, это, с одной стороны, обеспечило

качественно более высокий уровень развития ГИС, с другой -

существенно упростило решение проблемы обмена данными

и выбора систем технического обеспечения. Этим самым

ГИС стали в один ряд с автоматизированными системами

общего назначения типа САПР, АСНИ, АСИС.

Как геосистемы ГИС включают технологии (прежде

всего технологии сбора информации) таких систем, как

географические информационные системы (ГИС), системы

картографической информации (СКИ), автоматизированные

системы картографирования (АСК), автоматизирован-

ные фотограмметрические системы (АФС), земельные

информационные системы (ЗИС), автоматизированные

кадастровые системы (АКС) и т.п.

Как системы, использующие базы данных, ГИС

характеризуются широким набором данных, собираемых с

помощью разных методов и технологий. При этом следует

подчеркнуть, что они объединяют в себе как базы данных

обычной (цифровой) информации, так и графические базы

данных. В связи с большим значением экспертных задач,

решаемых при помощи ГИС, возрастает роль экспертных

систем, входящих в состав ГИС.

Как системы моделирования ГИС используют

максимальное количество методов и процессов

моделирования, применяемых в других автоматизированных

системах.

Как системы получения проектных решений ГИС во

многом применяют методы автоматизированного

проектирования и решают ряд специальных проектных

задач, которые в типовом автоматизированном

проектировании не встречаются.

Как системы представления информации ГИС являются

развитием автоматизированных систем документационного

обеспечения (АСДО) с использованием современных

технологий мультимедиа. Это определяет большую

наглядность выходных данных ГИС по сравнению с

обычными географическими картами. Технологии вывода

данных позволяют оперативно получать визуальное

представление картографической информации с различными

нагрузками, переходить от одного масштаба к другому,

получать атрибутивные данные в табличной или графовой

форме.

Как интегрированные системы ГИС являют собой

пример объединения различных методов и технологий в

единый комплекс, созданный при интеграции технологий на

базе технологий САПР и интеграции данных на основе

географической информации.

Как прикладные системы ГИС не имеют себе равных по

широте применения, так как используются на транспорте, в

навигации, геологии, географии, военном деле, топографии,

экономике, экологии и т.д. Благодаря широким

возможностям ГИС на их основе интенсивно развивается

тематическое картографирование.

Как системы массового пользования ГИС позволяют

применять картографическую информацию на уровне

деловой графики, что делает их доступными любому

школьнику или бизнесмену, не только специалисту географу.

Именно поэтому при принятии решений на основе ГИС -

технологий не всегда создают карты, но всегда используют

картографические данные.

В последнее время более 100 организаций и фирм распространяют

в России зарубежные системы для создания ГИС-технологий. При

этом базой создания ГИС служат так называемые инструментальные

пакеты, представляющие программно-технологические комплексы.

Основу процессов обработки составляет цифровое моделирование.

Оно позволяет осуществлять векторно-топологическое моделирование,

буферизацию объектов, анализ сетей, построение цифровых моделей

местности и т.д.

В инструментальных системах поддерживается набор моделей

(цифровых представлений) пространственных данных (векторная,

топологическая и нетопологическая модели, квадродерево, растровая

модель, линейные сети) для ввода данных, их анализа, моделирования

и представления.

ГИС нового поколения отличает ориентация на пользовательские

модели данных с учетом предметной области и особенностей

приложений. Их модели данных определяются классами объектов,

наборами атрибутов, расширенными возможностями реализации

запросов и операций над объектами по сравнению с предыдущим

поколением. Они позволяют обрабатывать геоинформационные

данные по распределенной технологии, что повышает гибкость и

производительность систем.

Как правило, модули и приложения образуют единую

пользовательскую среду инструментальных ГИС. К ядру

подключаются тематически ориентированные модули, дополняемые

приложениями для управления моделями данных, построения

цифровых моделей, обработки растровых изображений, выполнения

расчетов, анализа и проектирования, организации интерфейсов. При

этом имеется возможность подключения модулей, разработанных

конкретным пользователем. Это повышает универсальность систем и

эффективность при решении нетиповых задач.

Возрастает значение модулей для трехмерного (3D) проектирова-

ния, генерации планов, автоматического документирования проектов и

выбора оптимальных вариантов.

Инструментальные ГИС-системы могут включать набор модулей

для формирования и ведения банков земельных данных о состоянии

жилого и нежилого фондов, информационного обеспечения

администрации города, ведения кадастра недвижимости, анализа,

оценки и планирования городских территорий, управления

коммунальным хозяйством и т.д.

Разнообразие ГИС порождает необходимость их анализа и выбора

для решения практических задач в конкретной области. В данной

книге освещена эта проблема. В ней дается анализ ГИС как

современной информационной системы и приводятся варианты

решения практических задач в управлении, экологии, контроле и учете

и т.д.

Системный

анализ

ГИС

Многие разработчики автоматизированных систем (фактически

ГИС) не совсем уверенно могут дать ответ на вопрос, относятся эти

системы к классу ГИС или нет. Это обусловлено разнообразием

технологий и даже терминологией многочисленных существовавших

ранее (и существующих теперь) систем сбора и обработки

пространственно-временных данных.

Сами ГИС также могут значительно отличаться друг от друга по

возможностям, основным технологиям обработки данных ( и их

числу), по требуемой технической конфигурации, вычислительным

ресурсам и т.д. Например, в одних инструментальных пакетах ГИС

термин "дуга" заимствован из теории графов и служит для

обозначения полилинии, в других пакетах - полилинию называют

"полилинией", а дугу -"дугой".

В силу этого особую актуальность приобретает осуществляемая

на основе методов системного анализа обобщенная оценка типичных

признаков принадлежности информационной системы к классу ГИС и

ее отличительных свойств.

Необходимо подчеркнуть, что ГИС относится к классу интегриро-

ванных систем. Современные тенденции создания интегрированных

автоматизированных систем (в том числе ГИС) включают разные

аспекты интеграции - интеграцию данных, технологий и технических

средств.

Интеграция данных заключается в применении системного подхо-

да проектирования моделей данных, создании некоей универсальной

информационной модели и соответствующих протоколов обмена дан-

ными.

Интеграция технических средств в настоящее время выражается в

создании распределенных систем обработки, применении концепций

"открытых систем" и современных методов проектирования систем на

основе CASE-технологий (Computer Aided System Engineering).

Интеграция технологий в информационных системах

подразумевает не простое суммирование известных

технологических процессов и решений, а получение оптимальных

технологических решений обработки информации на основе

известных методов и разработки новых, ранее не встречавшихся

технологий. Разработка автоматизированной информационной

технологии на базе существовавшей неавтоматизированной

технологии в подавляющем большинстве случаев оказывается

нерентабельной и неэффективной. Элемент новизны, как правило,

определяет и эффективность новой автоматизированной

технологии.

Для анализа обобщенной ГИС дадим основные понятия

иерархии информационной интегрированной системы (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Структура интегрированной системы

Верхним уровнем понятий является интегрированная

система -независимый комплекс, в котором выполняются все

процессы обработки, обмена и представления информации. Схема

системы включает в себя системные уровни, подсистемы,

процессы, задачи.

Система может быть полной и неполной.

Полной будем называть систему, которая в процессе работы

осуществляет технологический цикл, включающий следующие

процессы:

• ввод (или возможность ввода) всех видов информации данной

пред

метной области для решения задач, поставленных перед системой;

• обработку информации с привлечением набора существующих

средств, применяемых для решения данного класса задач;

• вывод или представление данных в формах вывода согласно

зада

нию без использования других систем.

Неполной будем называть систему, которая осуществляет час-

тичную обработку данных, частичный ввод данных или использует

другие системы в процессе обработки.

Более низким уровнем по отношению к системе является

системный уровень. Этим термином определим часть системы,

объединяющую подсистемы и процессы обработки по

функциональным и технологическим признакам. Системный

уровень может включать от одной до нескольких подсистем.

Подсистему определим как часть системы, объединенную по

функциональным методам обработки данных, включающим разные

алгоритмы и способы моделирования. Подсистема может быть

локальной или распределенной.

Распределенной будем считать подсистему, состоящую из

фрагментов, которые располагаются на различных узлах сети

компьютеров, возможно, управляются различными системами и

допускают участие в работе нескольких пользователей из разных

узлов сети.

В отличие от распределенной локальная подсистема

сгруппирована в одной точке сети и, как правило, обслуживается

одним пользователем.

В подсистему входит процесс обработки данных -

совокупность методов, обеспечивающих реализацию алгоритма

обработки или одного метода моделирования, решающего одну или

несколько задач обработки данных. Он подразделяется на

локальный, системный, распределенный.

Значение терминов локальный и распределенный аналогично

значению их для подсистем. Системный процесс предназначен

для обслуживания системы; как правило, он является

"прозрачным" (т.е. незаметным) для пользователя.

Задача как элемент системы определяется простейшим циклом

обработки типизированных данных. В этом контексте задача может

быть связана с алгоритмами обработки (с вычислениями) или

технологическими процессами, не связанными с вычислениями

типа ввода данных, формирования данных, визуального контроля

данных, функционирования автоматизированных датчиков или

устройств и т.п.

Рассмотренные понятия относятся к элементам системы

(ГИС).

Системный подход позволяет в равной степени

анализировать как системы, так и процессы. Поэтому для

интегрированных процессов обработки данных (в ГИС)

иерархия понятий аналогично рассмотренной выше для

систем будет выглядеть так:

• интегрированный процесс;

• системный уровень обработки;

• блок процессов;

• процесс;

• класс задач;

• задача.

Следует подчеркнуть разницу между системным уровнем

и подсистемой. Подсистема имеет всегда технологическое

назначение, логическое описание и физическую реализацию.

Так, подсистема семантического моделирования может быть

реализована как составная часть технологии сбора

информации или как самостоятельная технология, например,

при формировании графических моделей.

Системный уровень является описательным понятием,

т.е. имеет технологическое назначение и может иметь (а

может и не иметь) логическое описание.

Физическая реализация осуществляется обычно на уровне

подсистемы. Определение основополагающих принципов

функционирования любой автоматизированной системы (в

том числе ГИС), достижение ее целостности, оптимизация

структуры осуществляются на основе методов системного

анализа.

Анализ, выполненный с использованием методов

формализации общей теории систем, будет отвечать

требованиям целостности и единства рассматриваемых

проблем и задач, позволит определить структуру обобщенной

ГИС и минимальные требования, которым должна удов-

летворять такая система.

1.1. Общие сведения о системном

построении информационной

системы

Для системного анализа обобщенной ГИС необходимо

выбрать метод описаний разнородных процессов.

Целесообразно использовать положения общей теории

систем (ОТС), обоснованные в работах М.Дж. Месаровича и

Ю. А. Урманцева, и методы структурного анализа, широко

применяемые при разработке программных проектов и

систем.