Капралов Е.Г., Кошкарев А.В., Тикунов В.С. и др. Геоинформатика

Подождите немного. Документ загружается.

ГИС различаются предметной областью информационного мо-

делирования; среди предметно-ориентированных, как правило,

ведомственных ГИС бывают природоохранные ГИС, земельные

информационные системы (ЗИС), городские, или муниципаль-

ные,

ГИС (МГИС), ГИС для целей предотвращения и локализации

последствий чрезвычайных ситуаций (ГИС для целей ЧС) и др.

Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней

научными и прикладными задачами. Они могут быть выстроены в

ряд по мере усложнения и наращивания возможностей управле-

ния моделируемыми объектами и процессами: инвентаризация

(кадастр, паспортизация) объектов и ресурсов, анализ, оценка,

мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия

решений.

Классификация ГИС по их функциональности связана с про-

граммным обеспечением ГИС и будет подробно рассмотрена далее.

Пока же уместно выделить самые общие функции ГИС, вынесен-

ные в ее определение выше: это получение данных, их ввод в ком-

пьютерную (точнее цифровую среду), хранение (в том числе об-

новление, или актуализация), обработка, вывод (например, в фор-

ме карт), распространение и использование данных, включая при-

нятие решений на их основе. Классическая схема функций ГИС,

предложенная «патриархом» канадской и мировой геоинформати-

ки Р.Томлинсоном и неоднократно воспроизведенная в отечествен-

ных и зарубежных монографиях и учебниках, приведена на рис. 2.

Соответственно этим обобщенным функциям выделяются струк-

турные единицы ГИС: ее подсистемы (блоки, модули), включая

подсистему ввода и т.д.

Известна также классификация ГИС по уровню управления. На-

пример, в зависимости от уровня органов государственного уп-

равления, использующих ресурсы геоинформационной системы,

различают ГИС федерального, регионального и специального на-

значения, причем под последними понимаются системы, исполь-

зуемые для обслуживания информационных потребностей конк-

ретных отраслей народного хозяйства.

ГИС как системы проектируются, создаются и эксплуатируют-

ся в комплексе составляющих их компонентов (блоков, подсис-

• •

• 1

* .1

Наблюдение

Измерение Описание

Объяснение

Предсказание

Решение

! 1 !

1 1 1

СБОР ОБРАБОТКА КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ПРОЦЕСС

ДАННЫХ ДАННЫХ И ФОРМАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ ПРИНЯТИЯ

АНАЛИЗА ДАННЫХ РЕШЕНИЯ

Рис.

2. Функции географической информационной системы

тем, функциональных модулей), обеспечивающих функциональ-

ную полноту, адекватную решаемым задачам, возможность рас-

ширения функций и модификации системы.

Реализация ГИС — многоэтапный процесс, включающий ис-

следование предметной области и требований пользователя к сис-

теме, ее технико-экономическое обоснование (анализ соотноше-

ния «затраты —прибыль»), системное проектирование, детальное

проектирование на уровне научно-исследовательских и опытно-

конструкторских работ, тестирование и прототипирование, опыт-

ную и штатную эксплуатацию.

При рассмотрении объектов информационного (геоинформа-

ционного) моделирования в ГИС предполагалась достаточность их

описания в терминах пространственных координат. Решение мно-

гих задач предусматривает необходимость координирования про-

странственных объектов во времени. Задание четвертой координа-

ты объекта — времени — позволяет ввести понятие пространствен-

но-временных данных. Ими оперируют пространственно-времен-

ные ГИС.

Резюмируя вышеизложенное, под географической информаци-

онной системой будем понимать аппаратно-программный человеко-

машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображе-

ние и распространение пространственно-координированных данных,

интеграцию данных, информации и знаний о территории для их эф-

фективного использования при решении научных и прикладных за-

дач,

связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, про-

гнозированием и управлением окружающей средой и территориаль-

ной организацией общества. Иногда этап сбора данных, осуществ-

ляемый методами дистанционного зондирования, глобального

позиционирования и другими, сводят к технологии их ввода в ГИС.

Наконец, необходимо отметить второе значение термина «ГИС»

как синонима программных средств, программного продукта, про-

граммного обеспечения ГИС, реализующего функциональные воз-

можности ГИС в первом (основном) его значении.

Контрольные вопросы

В чем заключается основное отличие ГИС от иных информационных

систем?

2. Является ли слово «географический» в наименовании ГИС признаком

их принадлежности к предметной области профессиональной географии?

3. Не нарушает ли слово «географический» в составе термина «геогра-

фические информационные системы» принцип системности терминоло-

гии геоинформатики, поскольку объекты и данные в ГИС носят наиме-

нование «пространственных», а «географические объекты» и «географи-

ческие данные» чаще всего считаются допустимыми синонимами норма-

лизованных терминов? Не следует ли ввести термин «пространственные

информационные системы»?

4. Определите понятия «данные», «информация» и «знания». В чем их

различие?

5. Дайте собственное определение ГИС.

6. Какие критерии используются при классификации ГИС?

7. Сформулируйте одну из задач, в решении которой целесообразно

использование ГИС.

8. Пользуясь самыми общими представлениями о функциях ГИС, пред-

ложите пути решения следующих задач, основанных на использовании

пространственных данных:

а) оценка возможной зоны затопления в случае наводнения и его прямых

последствий (затопление строений жилого и хозяйственного назначения);

б) подтверждение или опровержение гипотезы о негативном влиянии

на здоровье жителей жилого массива выбросов в атмосферу отходов круп-

ного химического предприятия;

в) проектирование оптимальной (с точки зрения затрат на строитель-

ство) трассы подводного нефтепровода, соединяющего два заранее не

заданных пункта на побережье крупного внутреннего водоема, с учетом

рельефа и фунтов дна, природно-охранных (распределение нерестилищ,

памятников природы и заказников) и других ограничений;

г) оценка числа жителей, обеспеченных устойчивым приемом теле-

программ, транслируемых вновь построенной телевышкой, в условиях

горной залесенной местности;

д) создание электронного атласа в Интернет, отражающего оперативные

результаты обработки данных Всероссийской переписи населения

2002

г.;

е) выбор места строительства нового супермаркета с учетом конку-

рентного торгового окружения.

1.2. Геоинформатика: наука, технология, индустрия

Русский термин «геоинформатика» произволен от термина «ин-

форматика» — иностранного заимствования, обозначающего на-

учное направление, которое изучает теорию, методы и способы

накопления, обработки и передачи данных, информации и зна-

ний с помощью ЭВМ и других технических средств, или группу

дисциплин, занимающихся различными аспектами применения и

разработки вычислительных машин, куда обычно относят приклад-

ную математику, программирование, программное обеспечение,

искусственный интеллект, архитектуры ЭВМ и вычислительные

сети. Специфические аспекты информатизации различных облас-

тей научной и производственной деятельности породили ряд час-

тных «информатик». К примеру, по тому же типу образован тер-

мин «экоинформатика» для обозначения дисциплины, связанной

с обработкой данных, информации и знаний об окружающей сре-

де;

аналогично этому информационные аспекты геоэкологии изу-

чаются «геоэкоинформатикой».

Некоторое время наряду с термином «геоинформатика» исполь-

зовался термин «географическая информатика». Не исключено, что

этимологически термин «геоинформатика» образовался под влия-

нием двух параллельных процессов: редукции «географической

информатики» до краткой формы «геоинформатика» и прямой

деривации от родового понятия «информатика», что корреспон-

дировало с краткой формой термина «географические информа-

ционные системы», а именно «геоинформационные системы», о

чем упоминалось ранее.

В геоинформатике принято различать три разные «ипостаси». Это

наука, технология и производственная деятельность по научному

обоснованию, проектированию, созданию, эксплуатации и исполь-

зованию географических информационных систем, по разработке

геоинформационных технологий, по приложению ГИС для практи-

ческих или научных целей [Геоинформатика...,

1999].

Предмет геоинформатики как науки обычно определяют как

«природные, общественные и природно-общественные земные

пространственные системы», ее метод — «компьютерное модели-

рование и тесно сопряженное с ним геоинформационное карто-

графирование»

[А.

М• Берлянт,

1996].

Заменив в сочетании «компь-

ютерное моделирование» слово «компьютерное» на «цифровое»,

получим более точное определение метода, основанное на цифро-

вых моделях (представлениях, описаниях) пространственных объек-

тов.

За недолгий период своего существования геоинформатика не

успела приобрести необходимую любой науке атрибутику и струк-

турную завершенность. Можно отметить недостроенность «верти-

кали» научного знания, включая теорию, методологию и методи-

ку: при несомненной разработанности методического аппарата,

на котором строятся геоинформационные технологии, методоло-

гии, основу которой составляют модели пространственных дан-

ных и методики проектирования и создания ГИС, теория ГИС

пока остается фрагментарной.

В основе теории геоинформатики как учения о ГИС лежит не-

сколько базовых понятий. К ним относятся пространственные объек-

ты,

пространственные данные, модели пространственных данных,

функции их обработки, включая базовые функции пространствен-

ного анализа и геомоделирования как ядра ГИС. Некоторое пред-

ставление о них дано в подразд. 1.1, а более подробно речь пойдет

ниже при обсуждении моделей пространственных данных и функ-

циональных возможностей ГИС.

Структурно в геоинформатике предлагается выделять общую

геоинформатику, разделяя ее на теоретическую геоинформатику и

прикладную геоинформатику. «Горизонталь» в структуре геоинфор-

матики соответствует ее делению по предметным областям ин-

формационного моделирования и специализации создаваемых ГИС;

говорят об экогеоинформатике, методологии создания и исполь-

зования геоинформационных систем экологической, природоох-

ранной, радиоэкологической, земельно-кадастровой и другой спе-

циализации.

Технологически, исторически и «генетически» геоинформати-

ка формировалась и продолжает развиваться в окружении смеж-

ных наук и технологий, предметно и методически родственных ей.

Среди ее ближайших партнеров выделяют дистанционное зонди-

рование и картографию. Алгоритмы и методы геоинформатики близ-

ки вычислительной геометрии и компьютерной (машинной) графи-

ке,

системам автоматизированного проектирования (САПР). Непо-

зиционная (атрибутивная) часть пространственных данных тради-

ционно хранилась и управлялась средствами систем управления

базами данных (СУБД), методология создания баз данных ГИС

продолжает оставаться в числе важных задач при их проектирова-

нии. Единая цифровая среда существования объединяет ГИС с гло-

бальными системами позиционирования и автоматизированными

(цифровыми) технологиями съемок местности (например, с ис-

пользованием электронных тахеометров или лазерных сканирую-

щих устройств) и системами их обработки (например, методами

цифровой фотограмметрии). Наконец, аппаратная среда реализа-

ции геоинформационных технологий

—

так называемая вычисли-

тельная техника, а именно компьютеры с периферийными устрой-

ствами ввода, хранения и вывода данных — вовлекает в орбиту

интересов и условий существования геоинформатики новейшие

информационные, в том числе телекоммуникационные, техноло-

гии, изучаемые общей информатикой.

По тесноте связи, уровню взаимодействия, методической и тех-

нологической близости и возможностям интеграции ближайшее

окружение геоинформатики образует картография и дистанцион-

ное (аэрокосмическое) зондирование. Характер связи трех наук и

технологий [А. М. Берлянт, 2001] можно представить в виде четы-

рех моделей, не только теоретически возможных, но и реально

предлагавшихся в разные «эпохи» их совместного параллельного

развития и осознания ими своей роли и места в условиях экспан-

сии новых информационных технологий (рис. 3).

Последняя из моделей может рассматриваться как канониче-

ская, и дискуссии прошлых лет об истинном характере взаимо-

действия триады равноправных, самодостаточных и открытых к

интеграции наук и технологий следует считать закрытыми.

Добавим однако, что при анализе их взаимоотношений обычно

опираются на несомненные черты их близости, сходства и, в не-

котором смысле, подобия как предпосылок к взаимодействию и

интеграции. В особенности это касается отношений геоинформа-

тики и картографии, карт и ГИС. Нельзя не заметить, что тесное

взаимодействие и интеграция наук и технологий сопровождается

углублением их основ, расширением и обновлением инструмента-

рия и прикладных возможностей, структурными перестроениями,

что способствует их самоидентифика- f

ции и более точному позиционирова- Г ДЗ Q ГИС Q К J

нию в системе наук на фоне сложно- ^ ^ '

го переплетения и взаимопроникно-

вения новых информационных техно-

логий.

С этой точки зрения следует иметь

в виду, что появление геоинформа-

ционных систем ознаменовало собой

пока еще недостаточно осмысленный

и оцененный переворот в инструмен-

тарии моделирования географического

пространства вообще, реализовав

принципиально новый способ его

описания и представления в форме

цифровых моделей и нарушив дотоле

существовавшую здесь монополию

карт и других геоизображений как

единственного средства моделирова-

ния пространства и, что еще более

важно, решения пространственных

задач, позволив заменить графические

(образно-знаковые) модели объектов

земной поверхности цифровыми, а в

ряде приложений вытеснить традици-

онные картографические модели из

тех областей, где их использование

невозможно или нецелесообразно. Раз-

витие цифровой картографии ничего

не меняет по существу: оставаясь в

сфере забот и интересов картографии,

цифровые карты картами не являют-

Рис.

3. Модели соотношения

картографии (К), дистанци-

онного зондирования (ДЗ) и

геоинформационных систем

(ГИС):

—

линейная модель;

б—

доми-

нирование картографии; в —

доминирование геоинформаци-

онных систем; г— модель трой-

ного взаимодействия

ся:

как и любые цифровые простран-

ственные данные (в том числе данные ГИС) они не могут воспри-

ниматься человеком визуально, тактильно или с помощью иных

чувств.

Другое дело, что при всей своей самостоятельности и коренных

различиях картография и геоинформатика «обречены» на прочное

и долгое взаимодействие. В этом взаимодействии традиционно вы-

деляют две стороны: карты и другие картографические изображе-

ния принадлежат к числу основных источников массовых исход-

ных данных для ГИС и являются наиболее эффективной (или, по

крайней мере, наиболее распространенной) формой представле-

ния результатов ее функционирования с использованием методов

картографической визуализации данных в форме компьютерных и

электронных (вцдеоэкранных) карт.

Тем

не

менее характер

их

взаимодействия, сложившийся

к на-

стоящему моменту,

не

вечен

сохранится

до тех пор,

пока:

1) исключительно

все

массовые источники данных для

ГИС не

станут цифровыми (имея

виду наиболее массовый

из них

— кар-

ты);

не

будет найден прямой интерфейс человеческого мозга

памяти компьютера

(до той

поры карте придется выполнять роль

незаменимого интерфейса между человеком

машиной);

не

будут найдены

реализованы алгоритмы решения всех

пространственных задач исключительно

цифровой среде, минуя

необходимость привлечения

для

этого карт;

4) единая, единственная

достаточная цифровая среда

не

обес-

печит весь процесс принятия решений

от

получения исходных

данных

до

исполнения пространственных решений

контроля

за

ними.

Важнейшая черта взаимодействия геоинформатики

с ее

окру-

жением

—

интеграция. Одно

из ее

следствий

—

возникновение

развитие пограничных дисциплин. Интеграционные процессы зат-

рагивают

не

только отношения классической триады «дистанци-

онное зондирование

—

геоинформатика

—

картография»

или их

попарных отношений. Современная практика дает немало приме-

ров интегрированных решений, основанных

на

существовании

единой технологической цифровой среды.

Ранее вполне независимая отрасль управления сетями инже-

нерных коммуникаций

(так

примерно можно передать

на

русском

языке труднопереводимый английский термин

AM/FM

—

Auto-

mated

Mapping

Facility

Management) в

90-х годах XX в. ассоцииро-

валась

ГИС-технологиями,

аббревиатура AM/FM/GIS

не

схо-

дит

со

страниц изданий, посвященных

их

тотальному внедрению

в управление национальными

региональными сетями водо-,

энерго-, газоснабжения, телефонной связи.

Интерактивная картографическая графика

Интернет, появ-

ление

развитие «Интернет-ГИС» могут служить примерами

ин-

теграции информационных

телекоммуникационных средств.

Интеграция

ГИС и

иных информационных геотехнологий

—

характерная черта

условие дальнейшего развития геоинформа-

тики. Функциональность геоинформационных технологий,

кото-

рой будет сказано чуть ниже, приобрела полноту

логическую

завершенность (инвариантность),

внутренние возможности

их

функционального развития

части базовых функций,

во

всяком

случае

на

сегодняшний день, представляются почти исчерпан-

ными.

Геоинформатика

настоящее время рассматривается

как ин-

тегратор многих наук

технологий, оперирующих пространствен-

но-координированными данными.

На

эту роль претендует еще одна

дисциплина

—

геоматика (англ.

geomatics от

GEO+InforMATICS,

франко-канадский оригинал —

geomatique).

Под геоматикой обычно

понимают область деятельности, связанную

использованием сис-

темного подхода

выбору средств сбора, интеграции, обработки

распространения пространственных данных

континууме потоков

цифровой информации. Иногда геоматика рассматривается

как си-

ноним геоинформатики;

по

другой, более распространенной точ-

ке зрения, геоинформатика входит составной частью

геоматику.

При разграничении двух понятий следует иметь

виду

три

осо-

бенности геоматики

приведенном выше толковании:

• геоматика оперирует пространственными данными

самом

широком смысле этого слова;

•

предмет

ее

забот входит сбор данных, который,

по

одной

из

точек зрения, лежит

за

пределами геоинформационных техноло-

гий;

• геоматика является средой технологической интеграции всех

дисциплин, связанных

пространственными данными, которые

недавно начали обозначать термином «геотехнологии».

На

наш

взгляд,

за

геоматикой разумно закрепить смысл техно-

логии, интегрирующей частные (гео)технологии получения

и об-

работки пространственных данных, включая геоинформатику

как

инструмент такой интеграции.

Особенности практического взаимодействия геоинформатики,

геоинформационных технологий

и ГИС со

«смежниками» будут

рассмотрены

гл.

Одновременно геоинформатика

—

технология, отличная

от

иных

информационных технологий, технологическая основа создания

эксплуатации

ГИС. В

самом общем виде суть геоинформационных

технологий составляют ввод, обработка

вывод пространственных

данных.

более развернутом виде

они

определены выше,

при

рас-

смотрении основных функций

ГИС

(см. рис.

2). В

технологическую

схему

ГИС не

всегда включается сбор первичных (измерительных)

данных, поскольку получение,

или

сбор данных, — дело смежных

индустрии

технологий (например, дистанционного зондирова-

ния),

однако

определения

ГИС до

настоящего времени

он

чаще

всего входит (см.

1.1).

Общая технологическая схема ввода, обработки

вывода дан-

ных

в ГИС,

поддерживаемая соответствующими программными

средствами, может быть представлена

виде набора обобщенных

функций (функциональных групп), среди которых принято выде-

лять следующие:

Ввод и редактирование данных. Сюда входит аналого-цифро-

вое преобразование данных,

том числе методы

технологии циф-

рования картографических источников

помощью цифрователей

(дигитайзеров)

ручным обводом

или

путем сканирования анало-

говых оригиналов

последующей векторизацией,

также импорт

готовых цифровых данных, контроль ошибок цифрования, топо-

логической и геометрической корректности и общая оценка каче-

ства получаемой цифровой модели.

2. Поддержка моделей пространственных данных. Полученная

цифровая модель может существовать, храниться и обрабатывать-

ся в рамках определенных моделей (представлений); к ним отно-

сят растровую, векторную, квадротоминескую и иные двух- и трех-

мерные модели данных, которым соответствуют некоторые форма-

ты данных.

3. Хранение данных. Проектирование и ведение баз данных (БД)

атрибутивной информации ГИС, поддержка функций систем уп-

равления базами данных (СУБД), включая ввод, хранение, манипу-

лирование, обработку запросов (в том числе пространственных),

поиск, выборку, сортировку, обновление, сохранение целостнос-

ти,

защиту данных и создание базы метаданных в рамках основных

моделей организации данных БД: иерархической, сетевой и реля-

ционной, реализация геореляционного и объектно-ориентирован-

ного подходов к БД ГИС.

4. Преобразование систем координат и трансформация карто-

графических проекций. Наиболее распространенные задачи — пере-

ход от условных декартовых прямоугольных координат источника

к географическим координатам, пересчет координат пространствен-

ных объектов из одной картографической проекции в другую, элас-

тичные преобразования растровых изображений по сети опорных

точек. Сюда же разумно включить все иные операции с простран-

ственными объектами, выполняемые на эллипсоиде или шаре.

5. Растрово-векторные операции. Обслуживают возможности со-

вместного использования двух наиболее употребительных моделей

пространственных данных — растровой и векторной, экспорт и им-

порт в среду других программных продуктов, ввод или вывод данных.

Автоматическое или полуавтоматическое преобразование (конвер-

тирование) растрового представления пространственных объектов в

векторное (векторизация), векторного — в растровое (растеризация)

и графическое совмещение растровых и векторных слоев данных.

6. Измерительные операции и операции аналитической (коорди-

натной) геометрии. Вычисление длин отрезков прямых и кривых

линий, площадей, периметров, объемов, характеристик форм

объектов и т.п., автоматизация обработки данных геодезических

измерений.

7. Полигональные операции. Включают определение принадлеж-

ности точки полигону, линии полигону, наложение полигонов

(топологический оверлей), уничтожение границ и слияние поли-

гонов, индикацию и удаление паразитных полигонов, генерацию

полигонов Тиссена (диаграмм Вороного).

8. Пространственно-аналитические операции (операции про-

странственного анализа). Одна из базовых функциональных групп

ГИС,

включающая анализ близости (окрестности), расчет и анализ

зон видимости/невидимости, анализ сетей (сетевой анализ), рас-

чет

построение буферных

зон

(буферизация).

Пространственное моделирование (геомоделирование). Пост-

роение

использование моделей пространственных объектов,

их

взаимосвязей

динамики процессов (математико-статистический

анализ пространственных размещений

временных рядов,

меж-

слойный корреляционный анализ взаимосвязей разнотипных объек-

тов

и т.п.)

средствами встроенных функций пространственного

моделирования

или

путем создания интерфейса

моделями

вне

среды

ГИС.

10. Цифровое моделирование рельефа

анализ поверхностей.

Со-

здание

обработка цифровых моделей рельефа, расчет производных

морфометрических характеристик (углов наклона, экспозиции

формы склонов), построение трехмерных изображений местнос-

ти,

профилей поперечного сечения, вычисление объемов, генера-

ция линий сети тальвегов

водоразделов

иных особых точек

линий рельефа, интерполяция высот, построение изолиний

по

множеству значений высот, автоматизация аналитической отмыв-

ки рельефа, цифровое ортотрансформирование изображений. Сюда

же можно отнести моделирование трехмерных объектов

(тел) в

рамках моделей данных «истинных» трехмерных

ГИС.

11.

Вывод данных. Генерация отчетов, документирование резуль-

татов

текстовой, графической

(в том

числе картографической),

табличной формах

использованием различных графических

пе-

риферийных устройств (принтеров, графопостроителей

т.п.),

экспорт данных.

Существо операций приведенной технологической схемы,

ал-

горитмы, лежащие

в их

основе, способы

особенности

их

про-

граммной реализации будут подробно рассмотрены

в гл. 2

«Функ-

циональные возможности ГИС».

Выделенные базовые функциональные группы

не

исчерпывают

всего разнообразия операций, образующих технологическую

ос-

нову ГИС. Конкретные универсальные

и тем

более специализиро-

ванные программные средства

ГИС

могут содержать

поддержи-

вать многие другие операции,

в том

числе выходящие далеко

за

пределы чисто геоинформационного функционалитета.

приме-

ру, известны растровые

ГИС,

позволяющие выполнять операции

«алгебры карт»

(map algebra),

сходные

матричными операция-

ми,

даже достаточно развитые функции цифровой обработки

данных дистанционного зондирования.

учетом активных интег-

рационных процессов базовый набор функций может быть значи-

тельно расширен;

таким функциональным расширениям можно

отнести аппарат экспертных систем

и баз

знаний, нейросети,

ин-

теллектуальный (содержательный) анализ данных

(data

mining),

ме-

тоды искусственного интеллекта

целом, методы виртуальной

ре-

альности.