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

Подождите немного. Документ загружается.

развития геоинформатики, который готовит ее к новым достиже-

ниям в начавшемся столетии. Это, прежде всего, создание мобиль-

ных ГИС, интеллектуализация систем, включение новых моду-

лей, например имитационных моделей, разработки сценариев раз-

вития в ГИС, а также интеграция самих информационных систем

с новыми технологиями, использующими пространственные дан-

ные.

Усиливается интерес к адаптации достижений психологии в

геоинформатике.

Контрольные вопросы

1. Когда появились первые геоинформационные системы?

2. Укажите основные причины и предпосылки, способствовавшие по-

явлению геоинформатики.

3. На какие периоды можно разделить историю становления геоинфор-

матики?

4. В какие годы применение ГИС-технологий стало рентабельным?

5. В какой период появились элементы интеллектуализации ГИС?

6. Сформулируйте, что нового появилось в геоинформатике с момента

выхода в свет данного учебника.

Глава 2

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ГИС

2.1. Ввод, предобработка и хранение данных

2.1.1.

Источники данных

Источники пространственных данных для ГИС — основа их ин-

формационного обеспечения. Затраты на информационное обеспече-

ние геоинформационных проектов достигают 90 % от их общей

стоимости. В литературе постоянно упоминается еще одна достой-

ная внимания цифра — до 70 % всех данных, составляющих ин-

формационные ресурсы наций, регионов и ведомств, имеют про-

странственную привязку или могут быть более или менее легко

координированы, получив статус пространственных. Тем не ме-

нее информационное обеспечение ГИС остается крайне трудоем-

ким делом. Это связано с тем, что цифровая среда существования

ГИС предполагает цифровую форму обрабатываемых ею данных, а

основную массу источников составляют аналоговые данные («бу-

мажные» карты, статистические табличные отчеты, тексты). При

анализе и оценке различных типов источников как основы инфор-

мационного обеспечения ГИС следует иметь в виду их общие свой-

ства, а именно пространственный охват, масштабы, разрешение,

качество, форму существования (аналоговая — цифровая), перио-

дичность поступления, актуальность и обновляемость, условия и

стоимость получения, приобретения и перевода в цифровую фор-

му (цифрования), доступность, форматы представления, соответ-

ствие стандартам и иные характеристики, которые объединяются

обобщающим термином «метаданные» («данные о данных»).

ГИС,

как правило, оперируют различными упорядоченными

наборами данных. Среди них традиционно различают картографи-

ческие, статистические, аэрокосмические материалы, которые

преобразуются и вводятся в среду ГИС и/или заимствуются из дру-

гих геоинформационных систем — поэтому именно они будут пред-

метом рассмотрения в данном подразделе. Помимо указанных ма-

териалов реже используются данные специально проводимых по-

левых исследований и съемок, а также литературные (текстовые)

источники, что дает нам право охарактеризовать их лишь в самом

общем виде. «Тип источника» объединяет генетически однородное

множество исходных материалов, каждое

из

которых сильно раз-

личается

по

комплексу характеристик,

что и

будет проанализиро-

вано ниже.

К ним

принадлежит, например, такой важный при-

знак —

какой: цифровой (векторной, растровой)

или

нецифро-

вой (аналоговой) форме получается, хранится

используется

тот

или иной набор данных,

от

чего зависят легкость, стоимость

точность ввода этих данных

цифровую среду ГИС.

Использование географических карт

как

источников исходных

данных для формирования баз данных удобно

эффективно по ряду

причин. Во-первых, атрибутивные характеристики, полученные

картографических источников, имеют территориальную привязку,

во-вторых,

них

нет

пропусков, «белых пятен»

пределах изобра-

жаемого пространства (территории, акватории

и др.) и,

в-третьих,

уже имеется множество технологий перевода этих материалов

циф-

ровую форму. Картографические источники отличаются большим

разнообразием

—

кроме общегеографических

топографических карт

насчитываются десятки

даже сотни типов различных тематиче-

ских карт, один только перечень которых занял

бы не

одну стра-

ницу текста. Детальная характеристика обеспеченности карто-

графическими материалами достаточно стабильна

содержится,

например,

учебниках

по

картографии,

обновление фондов

те-

матических карт до 1990 г. регулярно характеризовалось

выпусках

ВИНИТИ РАН «Итоги науки

техники. Картография».

настоя-

щее время эта информация содержится

многочисленных катало-

гах хранилищ карт,

в том

числе доступных через Интернет.

Кратко охарактеризуем основные блоки картографических

ис-

точников. Организация таких блоков может основываться

на

име-

ющейся системе классификации карт.

Общегеографические карты. Топографические (масштаб

1:200000 и

крупнее), обзорно-топографические

(от 1:200000 до

1:1

000 000 включительно)

обзорные (мельче

1:1

000 000) кар-

ты содержат разнообразные сведения

рельефе, гидрографии,

по-

чвенно-растительном покрове, населенных пунктах, хозяйствен-

ных объектах, путях сообщения, линиях коммуникаций, границах.

В геоинформатике

эти

карты служат для двух целей — получения

информации

перечисленных объектах местности

пространствен-

ной привязки тематических сведений.

этой

же

группе источни-

ков можно отнести фотокарты

космофотокарты, полученные

использованием фотопланов, составленных

по

результатам аэро-

или космической съемки,

нанесенными

на

них горизонталями

другой картографической нагрузкой, обычной для общегеографи-

ческих карт. Среди тематических карт выделяют карты природы,

населения, экономики

и др.

Карты природы. Это наиболее разнообразная по тематике группа

карт, включающая карты геологического строения

ресурсов недр,

геофизические, рельефа земной поверхности

и дна

океанов,

ме-

теорологические и климатические, гидрологические и океаногра-

фические, почвенные, геоботанические, зоогеографические, ме-

дико-географические, ландшафтные и общие физико-географи-

ческие, охраны природы.

Карты народонаселения. Среди карт народонаселения выделя-

ют следующие основные сюжеты: размещение населения по тер-

ритории и расселение; этнографическая и антропологическая ха-

рактеристика народонаселения; демографическая характеристика;

социально-экономическая характеристика.

Карты экономики. Данный класс карт наиболее обширен и раз-

нообразен среди карт социально-экономической тематики. Здесь,

прежде всего, выделяют карты промышленности с подразделени-

ем на добывающую и обрабатывающую или более детально по каж-

дой отрасли промышленности. Еще более многочисленны карты

сельского хозяйства. Широко используется характеристика природ-

ных ресурсов, зачастую с их хозяйственной оценкой и прежде все-

го земельных фондов, трудовых ресурсов, материально-техниче-

ской базы сельского хозяйства и др. Отраслевые карты сельскохо-

зяйственного производства подразделяют на карты земледелия и

животноводства. Карты лесного хозяйства характеризуют распрос-

транение и использование лесных ресурсов. Карты транспорта ото-

бражают разнообразные проявления деятельности всех видов транс-

порта, а также дают их общую комплексную характеристику. На

картах изображаются средства связи. Среди карт строительства при-

нято выделять карты капитального строительства, строительных и

монтажных организаций, материально-технической базы и терри-

ториальных комплексов строительства. Реже встречаются специ-

альные карты торговли и финансов. Логическим завершением бло-

ка экономики являются общеэкономические карты.

Карты науки, подготовки кадров, обслуживания населения свя-

заны как с картами народонаселения, так и экономики. Поэтому

некоторые виды карт иногда характеризуются в двух предыдущих

разделах (карты торговли, связи и т.д.), а иногда их выделяют в

качестве самостоятельных групп в пределах карт науки, подготов-

ки кадров и обслуживания населения. Однозначной классифика-

ции карт в данном случае нет.

Отдельно выделяются политические, административные и ис-

торические карты. Что касается классификации экологических карт,

то можно согласиться с тем, что они

«...не

имеют четких различий

по содержанию ни с картами природы, ни с социально-экономи-

ческими картами. В каждом из этих классов могут быть выделены

сюжеты, имеющие "экологический уклон", полезные для эколо-

гии» [Комплексное..., 1997. — С. 11]. Действительно легко отметить

некоторую условность разграничения карт, когда, например, на

комплексных и синтетических экологических картах происходит

совмещение или слияние разнородных тематических слоев, отно-

сящихся к разным типам. Тем не менее, исходя из классификаций

[А.Г.Исаченко, 1992; Л.М.Смирнов, 1994; В.И.Стурман, 1995 и

др.],

выделяют крупные блоки экологических карт — биоэкологи-

ческие, геолого-экологические, географо-экологические, антро-

поэкологические, социально-экологические, экономико-экологи-

ческие, общие экологические [Комплексное....,

1997].

В 90-е годы XX в. в России была проделана значительная работа

по преобразованию аналоговой информации общегеографических,

топографических и геологических карт в цифровой (векторный)

вид. Для выполнения этих работ в Роскартографии были созданы

центры геоинформатики (Росгеоинформ, ГосГИСЦентр, СевЗап-

геоинформ, Сибгеоинформ, Уралгеоинформ и Дальгеолинформ),

которые, используя технологии, разработанные в НИИ ПМК (Ниж-

ний Новгород), выполнили работы по цифрованию карт масшта-

ба 1:1

ООО ООО

и 1:200

ООО.

В последующем Росгеоинформ был слит

с ГосГИСЦентром, а Дальгеоинформ вошел в состав Хабаровско-

го АГП. Результаты работы центров хранятся и поддерживаются в

актуальном состоянии в Фонде цифровой пространственной ин-

формации в ГосГИСЦентре.

Созданием цифровых карт практически всех перечисленных

выше типов занимаются также соответствующие профильные орга-

низации и ведомства. Так, например, геологические карты в циф-

ровом виде создают региональные информационно-компьютерные

центры Министерства природных ресурсов РФ. Вся работа по соз-

данию цифровых геологических карт выполняется с использова-

нием нескольких ГИС

—

Arclnfo, ArcView

(ESRI,

Inc.), ГИС «ПАРК»

(Ланэко),

GeoGraph/GeoDraw

(ЦГИ ИГ РАН). Созданные на на-

стоящий момент карты хранятся в ГлавНИВЦе МПР РФ. Инфор-

мация о состоянии работ по созданию цифровых геологических

карт доступна в Интернете на сайте государственного банка циф-

ровой геологической информации Министерства природных ре-

сурсов РФ.

Значительные объемы работ по созданию цифровых карт про-

водятся во многих городах России. Среди лидеров этого процесса

такие города, как Москва, Санкт-Петербург, Новосибирск, Рос-

тов-на-Дону, Краснодар, Казань, Уфа, Нижний Новгород, Сур-

гут, Таганрог, Находка и многие другие. В ряде случаев для этих

целей используется гибридная растрово-векторная технология.

Спектр применяемых для этих целей программных продуктов очень

широк: Arclnfo, ArcView

(ESRI,

Inc.),

Maplnfo

Professional

(Maplnfo

Corp.),

MicroStation

(Bentley

Systems,

Inc.) и др.

Следует отметить особую роль серий карт и комплексных атла-

сов,

где сведения приводятся в единообразной, систематизиро-

ванной, взаимно согласованной форме: по проекции, масштабу,

степени генерализации, современности, достоверности и другим

параметрам. Такие наборы карт особенно удобны для создания те-

матических баз данных.

последние годы более часто стали созда-

ваться

не

серии карт,

атласы самой различной тематики. Причем

заметим,

что

упорядочение тематических слоев

в них

может быть

самым разнообразным

определяется целевой установкой атласа.

Так, например, следуя логике упорядочения материала

для

обо-

снования моделей устойчивого развития территорий предлагается

следующая последовательность: духовно-нравственные

истори-

ческие основы, социально-демографическая, политическая

эко-

номическая компоненты, природно-ресурсный потенциал

и со-

хранение природы [В.С.Тикунов,

2002].

Важным источником цифровой пространственной информации

становится Интернет. Следует выделить

два

направления обеспе-

чения цифровой информацией через Интернет — продажа данных

(в основном

для

навигационных систем)

предоставление дан-

ных

как

ресурса

для

размещения собственной (обычно реклам-

ной) информации.

первом сегменте

качестве примера можно

назвать сайты фирм Ингит, С-Мар,

а во

втором

— e-atlas.ru и

nakarte.ru.

Одним

из

основных источников данных для ГИС являются

ма-

териалы дистанционного зондирования.

Они

объединяют

все

типы

данных, получаемых

носителей космического (пилотируемые

орбитальные станции, корабли многоразового использования типа

«Шаттл», автономные спутниковые съемочные системы

и т.п.) и

авиационного (самолеты, вертолеты

микроавиационные радио-

управляемые аппараты) базирования

составляют значительную

часть дистанционных данных

(remotely

sensed

data) как

антонима

контактных (прежде всего наземных) видов съемок, способов

по-

лучения данных измерительными системами

условиях физиче-

ского контакта

объектом съемки.

неконтактным (дистанцион-

ным) методам съемки помимо аэрокосмических относятся разно-

образные методы морского (наводного)

наземного базирования,

включая, например, фототеодолитную съемку, сейсмо-, электро-,

магниторазведку

иные методы геофизического зондирования

недр,

гидроакустические съемки рельефа морского

дна с

помо-

щью гидролокаторов бокового обзора, иные способы, основан-

ные

на

регистрации собственного

или

отраженного сигнала вол-

новой природы.

Аэрофотосъемку

нашей стране начали осуществлять

с 30-х

годов XX

в. и к

настоящему времени накоплен фонд снимков, пол-

ностью покрывающих страну,

для многих районов

многократ-

ным перекрытием,

что

особенно важно

при

изучении динамики

объектов. Материалы аэрофотосъемки используются

основном

для топографического картографирования страны, также широко

применяются

геологии,

лесном

сельском хозяйстве.

Космические снимки начали поступать

с 60-х

годов

XX в. и к

настоящему времени

их

фонд исчисляется десятками миллионов.

Виды космических материалов очень разнообразны. Существуют две

технологии космических съемок: съемки с использованием фото-

графических и сканерных систем. Их обзор можно найти во многих

учебниках, книгах, статьях [Б.В.Виноградов, 1976; Ю.Ф.Книж-

ников, В.И.Кравцова, 1991; С.В.Гарбук, В. Е. Гершензон, 1997 и

др.].

Остановимся лишь на самых общих характеристиках.

Дистанционное зондирование осуществляется специальными

приборами

—

датчиками. Датчики могут быть пассивными и актив-

ными, причем пассивные датчики улавливают отраженное или ис-

пускаемое естественное излучение, а активные способны сами из-

лучать необходимый сигнал и фиксировать его отражение от объекта.

К пассивным датчикам относятся оптические и сканирующие уст-

ройства, действующие в диапазоне отраженного солнечного излуче-

ния, включая ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрас-

ный диапазоны. К активным датчикам относятся радарные устройст-

ва, сканирующие лазеры, микроволновые радиометры и др. В на-

стоящее время в области разработки оперативных космических элек-

тронных систем дистанционного зондирования наметилась тенден-

ция к комбинированному использованию различных многоканаль-

ных, многоцелевых датчиков с высоким разрешением, включая

всепогодное оборудование. Наряду с этим по-прежнему использу-

ются неоперативные космические системы с панхроматическим

фотооборудованием и многоспектральными фотокамерами, обес-

печивающими высокое разрешение и геометрическую точность.

Результаты дистанционных измерений, осуществляемых с по-

мощью бортовой информационно-измерительной аппаратуры аэро-

космической системы, представляют собой регистрацию в анало-

говой или цифровой форме характеристик электромагнитного из-

лучения, отраженного от участков земной (водной) поверхности

или собственного излучения этих участков.

Для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) используются

ультрафиолетовый, видимый или световой диапазон, ближний или

фотографический, инфракрасный, тепловой инфракрасный и мик-

роволновый диапазоны волн электромагнитного излучения.

В условиях облачности, покрывающей

70—80%

поверхности

Земли, зондирование в микроволновом диапазоне позволяет ре-

гистрировать излучение сквозь облака, при этом в миллиметровом

и сантиметровом диапазонах еще необходимо учитывать влияние

атмосферы, а в дециметровом диапазоне в этом нет необходимости.

При высоком качестве изображения фотографические съемки

выполняются не систематически; лишь в отдельных случаях воз-

можно получение повторных снимков на одну и ту же территорию.

Из-за эпизодичности съемок и трудностей, связанных с облачно-

стью,

регулярное покрытие территории таким видом съемки пока

не обеспечивается. Поэтому приходится обращаться к снимкам

других типов — телевизионным и сканерным снимкам со спутни-

ков двойного назначения

ресурсных спутников.

Эти

снимки

бы-

вают сверхвысокого разрешения

от 0,5 до 5 м

(QuickBird-2,

США;

TES, Индия;

Ikonos, США и др.),

высокого разрешения:

от 5

(SPOT)

до 30—40 м (Landsat ТМ,

Ресурс-0

др.); среднего разре-

шения:

150—200 м

(Ресурс-0, Метеор-Природа)

малого разре-

шения:

1 км

(NOAA,

США) и

более.

На сканерных снимках хорошего качества, особенно

на

цвет-

ных синтезированных,

целом выделяются

те же

объекты,

что и

на фотографических снимках,

но при

этом обеспечивается регу-

лярная повторяемость съемки

удобство автоматизированного ввода

в базы данных, поскольку

они

поступают

цифровом виде.

К обзорным телевизионным

сканерным снимкам

метеоро-

логических

ресурсных спутников относятся снимки, получае-

мые сканерами среднего

малого разрешения, например

Рос-

сийских метеорологических спутников «Метеор»

американских

спутников NOAA, Тайрос-N

др.

Они

характеризуются разреше-

нием

на

местности,

как уже

было указано выше, порядка

1 км.

Снимки

невидимом диапазоне спектра электромагнитных волн

распространены менее широко, среди

них

тепловые инфракрас-

ные

снимки

радиодиапазоне (микроволновом

ультракорот-

коволновом).

последние годы

все

большее значение придается

гиперспектральной съемке.

Характеризуя различные стороны дистанционного зондирова-

ния, следовало

бы

сказать

и о

масштабах, проекциях, периодич-

ности, орбитах, покрытии

других параметрах космических сис-

тем,

что

излишне

для

учебника

по

геоинформатике.

В последние годы стали широко использоваться уже упоминав-

шиеся глобальные системы позиционирования, дающие возмож-

ность получать координаты

точностью

от

нескольких метров

до

нескольких миллиметров,

что в

сочетании

портативными персо-

нальными

ЭВМ и

карманными персональными компьютерами

со

специализированным программным обеспечением обработки дан-

ных позволяет использовать их для полевых съемок

условиях

не-

обходимости

их

сверхоперативного выполнения (например,

при

ликвидации последствий стихийных бедствий

техногенных ката-

строф). Интеграции

ГИС и

глобальных систем позиционирования

посвящен подраздел

4.2.

Теперь обратимся

статистическим материалам, имеющим

цифровую форму

удобным

для

непосредственного использова-

ния

ГИС, среди которых особо выделим государственную стати-

стику. Основное

ее

предназначение — дать представление

об

изме-

нениях

хозяйстве, составе населения, уровне

его

жизни, разви-

тии культуры, наличии материальных резервов

и их

использова-

нии, соотношении

развитии различных отраслей хозяйства

и др.

Для получения государственной статистики на территории стра-

ны обычно используется единая методика

ее

сбора.

России кроме

Госкомстата страны эту работу проводят также некоторые отрас-

левые министерства, например Министерство путей сообщения

РФ — о железнодорожном транспорте и т.д. Статистическая отчет-

ность различается по периодичности, она может быть суточной,

недельной, полумесячной, квартальной, полугодовой и годовой.

Кроме того, отчетность может быть и единовременной.

Для упорядочения всей совокупности данных государственной

службой определены группы показателей по отраслям статистики.

В качестве таких групп в нашей стране использовались отрасли ста-

тистики: промышленности; природных ресурсов и окружающей

среды; технического прогресса; сельского хозяйства и заготовок;

капитального строительства; транспорта и связи; торговли; труда

и заработной платы; населения, здравоохранения и социального

обеспечения; народного образования, науки и культуры; бюдже-

тов населения; жилищно-коммунального хозяйства и бытового

обслуживания населения; материально-технического снабжения и

переписей; финансов.

Каждая из отраслей характеризуется набором показателей. В ка-

честве примера обратимся к статистике сельского хозяйства и

заготовок. Так, статистика земледелия включает показатели, свя-

занные с рациональным использованием и охраной земельных

угодий, их мелиорацией и химизацией, подготовкой и проведе-

нием сельскохозяйственных работ, производством и распределе-

нием продукции земледелия, выявлением неиспользованных ре-

сурсов производства, эффективностью и качеством работ в этой

области сельского хозяйства. Широко используются показатели

валового сбора сельскохозяйственных культур и их урожайности.

Обширна статистика животноводства, кормов и заготовок сельс-

кохозяйственных продуктов. Важна группа показателей основных

фондов и производственных мощностей в сельском хозяйстве, а

также в механизации и электрификации сельскохозяйственного

производства.

Статистика труда в сельском хозяйстве включает данные о чис-

ленности, составе и движении рабочей силы; об использовании

фонда рабочего времени, организации труда; об определении уровня

и изучении динамики производительности труда, выявлении ре-

зервов повышения производительности труда; об анализе уровня

и динамике заработной платы работников сельского хозяйства. Ста-

тистика себестоимости производства сельскохозяйственной про-

дукции характеризует деятельность предприятий. Элементы про-

изводственных затрат составляют: оплата труда с начислениями,

амортизация основных средств производства, затраты на текущий

ремонт машин и зданий, расход семян, кормов, удобрений, ядо-

химикатов и др. В пределах других сфер (вне государственной ста-

тистики) сбор статистических данных в широком масштабе и ре-

гулярно не осуществляется.

Значительный объем статистических материалов может быть

получен

Госкомстате России

или

взят

из

официальных статисти-

ческих изданий, выпускаемых

настоящее время

традиционном

и электронном видах.

Очень важны материалы переписей, последняя

из

которых про-

ведена

России

октябре

2002 г.

Широки возможности использования стационарных измеритель-

но-наблюдательных сетей

для

получения, прежде всего, гидроло-

гических и метеорологических данных, регулярный сбор

обработ-

ка которых имеет определенную историю. Так, метеорологические

наблюдения включают синоптические характеристики

поверх-

ности земли, показатели термобарического поля

свободной

ат-

мосфере (средние месячные значения давления, геопотенциала

температуры воздуха

для

уровня моря

основных изобарических

поверхностей); данные актинометрических наблюдений (суммар-

ная

отраженная радиация, радиационный баланс

т.д.); харак-

теристики ветра

свободной атмосфере; нормы

аномалии сред-

ней месячной температуры воздуха; нормы месячных сумм осад-

ков;

месячные суммы осадков

процентах

от

нормы

и еще

многие

другие показатели, исчисляемые несколькими десятками.

Гидрологические материалы содержат сведения

прошлом,

настоящем

и для

некоторых элементов будущем состоянии

рек,

озер

водохранилищ. Данные собираются сетью

из

около

2000

опорных гидрометеорологических станций. Распространены

и те-

леметрические станции, способные вести наблюдения

переда-

вать данные

специальные центры

без

участия человека. Налажен

автоматический сбор

хранение всего спектра данных —

от

сроч-

ных наблюдений

до

сводок

за

многолетние периоды

— во

Всесо-

юзном научно-исследовательском институте гидрометеорологиче-

ской информации — Мирового центра данных (ВНИИГМИ-МЦД)

в Обнинске (Калужская обл.),

Государственном гидрологиче-

ском институте

(ГГИ) в

Санкт-Петербурге.

Для

этих целей соби-

раются сведения

по

всем водомерным

гидрометеорологическим

постам, которые

до 90-х

годов публиковались

виде отдельных

изданий.

В массив гидрологических наблюдений входят данные:

сред-

них, высших

низших уровнях воды;

средних месячных расходах

воды;

максимальных расходах воды

слоях стока

за

половодье

паводки;

ледовых явлениях

на

реках

устойчивым

неустойчи-

вым ледоставом;

гранулометрическом составе взвешенных, вле-

комых

донных наносов;

средних месячных

декадных темпе-

ратурах воды

по

бассейнам;

дождевом паводковом стоке;

рас-

ходах взвешенных наносов

мутности воды,

также

ряд

других

данных.

Многообразны работы, проводимые для нужд океанологии. Сбор

осуществляется

глобальном масштабе

использованием судов