Тикунов В.С. (ред.) Основы геоинформатики. В 2 книгах. Книга 1

Подождите немного. Документ загружается.

Существо операций приведенной технологической схемы, ал-

горитмы, лежащие в их основе, способы и особенности их про-

граммной реализации будут подробно рассмотрены в разделе

«функциональные возможности ГИС».

Выделенные базовые функциональные группы не исчерпывают

всего разнообразия операций, образующих технологическую осно-

ву ГИС. Конкретные универсальные и тем более специализирован-

ные программные средства ГИС могут содержать и поддерживать

многие другие операции, в том числе выходящие далеко за преде-

лы чисто геоинформационного функционалитета. К примеру, из-

вестны растровые ГИС, позволяющие выполнять операции «алгеб-

ры карт» (map algebra), сходные с матричными операциями, и

даже достаточно развитые функции цифровой обработки данных

дистанционного зондирования. С учетом активных интеграционных

процессов базовый набор функций может быть значительно рас-

ширен; к таким функциональным расширениям можно отнести

аппарат экспертных систем и баз знаний, нейросети, интеллекту-

альный анализ данных (data mining), методы искусственного интел-

лекта в целом, методы виртуальной реальности.

Для обозначения геоинформатики как производственной дея-

тельности используют термин геоинформационная индустрия (ГИС-

индустрия). Ядро отрасли составляет разработка, продажа и со-

провождение программных средств ГИС и выполнение геоинфор-

мационных проектов (ГИС-проектов) на их основе. Сюда же отно-

сят разнообразный сервис, или геоинформационные услуги, по

внедрению (приложениям) геоинформационных технологий в

целом или отдельных ее операций и этапов: цифрование и векто-

ризация бумажных картографических источников, конвертирова-

ние данных из одного формата в другой, системная интеграция с

иными информационными системами и технологиями (дистан-

ционного зондирования, глобального позиционирования и т.п.).

К отдельной подотрасли условно можно отнести геоинформа-

ционное образование (ГИС-образование), профессиональную под-

готовку специалистов в области геоинформатики и ГИС. В про-

блематику ГИС-образования входят образовательные стандарты,

программы геоинформационных курсов для средних специальных

учебных заведений и вузов, внедрение начал геоинформатики в

школьное обучение, создание учебных (обучающих) ГИС.

С развитием и диверсификацией ГИС-индустрии как отрасли

намечается четкая специализация в профессиональной сфере и в

обучении ГИС-специальностям; формируются профессии «ГИС-

аналитик», «ГИС-менеджер», «ГИС-специалист», «ГИС-техник»,

« ГИ С- п рограм мист».

Геоинформационная индустрия порождает рынок, связанный

с производством и потреблением (использованием) геоинфор-

мационных продуктов и услуг. К геоинформационному рынку (ГИС-

рынку) относят геоинформационные технологии, программные

продукты ГИС, пространственные данные, персонал, занятый

выполнением геоинформационных проектов, компьютерную тех-

нику и специализированное оборудование, включая периферий-

ные устройства, геодезические приборы, съемочную и иную ап-

паратуру. Глобальный геоинформационный рынок естественным

образом распадается на национальные сегменты, или на нацио-

нальные рынки, которые, в свою очередь, образованы регио-

нальными и местными сегментами, следуя территориальному

принципу его организации. Более или менее сформировавшийся

геоинформационный рынок разделяется на сегменты, соответ-

ствующие крупным группам потребителей продуктов и услуг (на-

пример, отраслям хозяйства или науки), предметным областям

и технологиям.

Мировой геоинформационный рынок относительно невелик,

но очень динамичен.

В 1993 г., поданным компании Frost and Sivillan, мировой объем

продаж программного обеспечения вместе с доходами от геоин-

формационных услуг составил 1,2 млрд долл. США; к 1999 г. эта

цифра при среднем ежегодном приросте около 20 % должна была

увеличиться втрое. По другим данным, в 1998 г. объем продаж

только программного обеспечения, составляющего в структуре

затрат на реализацию геоинформационных проектов около 15 %,

превысил

млрд долл. Поданным компании Daratech, Inc. (США),

продажи программного обеспечения ГИС в 2000 г. составили 939

млн долл. Очевидно, что полученные оценки различаются между

собой, существенно завися от методик оценивания. Кроме того,

чтобы избежать «двойного счета», оценки рынка нужно строить

по данным о затратах на реализацию геоинформационных проек-

тов, интегрирующих стоимость затрат на аппаратно-программное,

информационное и иное обеспечение процесса их проектирова-

ния, реализации и эксплуатации. Точных данных о них нет ни в

России, ни за рубежом, и все оценки могут быть получены только

косвенным путем.

Нельзя не признать несомненную динамичность отрасли и во-

влечение в орбиту реализации геоинформационных проектов смеж-

ных информационных технологий и пространственных данных

различного происхождения и типа. Известно, например, что еже-

годный оборот индустрии, связанной со сбором и обработкой

данных системы глобального позиционирования GPS, в 2000 г.

должен был составить 8470 млн долл. (для сравнения: в 1993 г. —

«всего» 510 млн долл.), из них на долю приложений, связанных с

картографией и ГИС, приходится соответственно 630 и 650 млн

долл. В конце 90-х годов прошлого века общий ежегодный бюджет

отраслей, занятых получением и использованием пространствен-

ной информации, в странах Европейского Союза в целом состав-

лял 100 млн экю, а число занятых на европейском геоинформа-

ционном рынке (по всему спектру собственно ГИС и смежных с

нею технологий) превышало 200 тыс. человек.

Структура, особенности и современное состояние российско-

го геоинформационного рынка будут рассмотрены подробно в

заключительных разделах книги.

Контрольные вопросы

1. Что составляет предмет и метод геоинформатики?

2. Какие научные дисциплины и технологии образуют окружение гео-

информатики?

3. В чем отличие геоинформатики от геоматики?

4. Какие основные функциональные группы выделяются в технологи-

ческой схеме обработки данных в ГИС?

5. Какие функции составляют ядро геоинформационных технологий

и почему?

6. Почему геоинформационные технологии могут служить средой ин-

теграции всех иных технологий, связанных с обработкой пространственно-

координированных данных?

7. Какие интеграционные процессы сопровождают современное раз-

витие геоинформатики?

8. Что входит в понятие геоинформационной индустрии?

9. Какие сегменты образуют геоинформационный рынок?

10. Какие тенденции характерны для современного мирового геоин-

формационного рынка?

ГЛАВА 3

ПЕРИОДИЗАЦИЯ В РАЗВИТИИ ГЕОИНФОРМАТИКИ

Что же привело к рождению геоинформатики? Круг причин

огромен, но главными были:

— широкое распространение компьютеров и совершенствова-

ние средств периферии;

— накопление обширных аэрокосмических, статистических и

других материалов;

—

потребность упорядочения сведений в базах данных для раз-

нообразных целей;

—

обеспечение сохранности и доступности этих материалов для

широкого круга пользователей;

— необходимость оперативных принятий решений и др.

Произошло не просто суммирование знаний, технических воз-

можностей и опыта из сфер вычислительной техники, информа-

тики, географии и картографии, а их умножение, что и привело к

«взрывообразному» развитию данного направления. Хотя следует

заметить, что в течение всей истории геоинформатики, уклады-

вающейся в ничтожно малый отрезок времени

—

40—45 лет, были

и периоды ускорения, и относительного замедления, и даже не-

которого застоя. Сам взгляд на историю существенно зависит от

точки зрения (места в клубке идей и технологий, из которого

тянется сегодняшняя нить геоинформатики в ее современном и

вполне устоявшемся понимании). Если, например, обратиться к

большинству американских работ, то у читателя может создаться

впечатление, что кроме Северной Америки в мире геоинформа-

тики больше ничего достойного не существует.

Геоинформатика молода, но и она имеет свою историю, кото-

рая может быть разделена на четыре нечетко выраженных периода.

Первый период начинался под лозунгом «с бору по сосенке»', но

что же будет в результате — стройный дворец или груда дров?

В 60-е годы XX в. накапливались техника и опыт под единой,

пока не оформившейся «крышей». Наиболее ярким примером этого

периода было создание в 1963— 1971 гг. Канадской ГИС (КГИС)

под руководством Р.Томлинсона. Ее методические основания обоб-

щены в его докторской диссертации [R. F.Tomlinson, 1974], а тех-

нологические и прикладные аспекты освещены в десятках, если

не сотнях статей, в том числе серии избранных публикаций и

другой периодике. Назовем лишь несколько из них [Canada..., 1975,

1984; G.Nagy, Sh.Wagle, 1979; Computer..., 1981; I.K.Crain, 1982].

Ставшая одним из примеров крупной универсальной региональ-

ной ГИС национального уровня, КГИС может считаться класси-

кой, и «ни одна из систем не может сравниться с Канадской ГИС

по числу статей, ссылающихся на нее» [G.Nagy, Sh.Wagle, 1979].

Данная система создавалась для анализа данных инвентаризации

земель Канады в области рационализации землепользования. Од-

ним из важнейших результатов было создание карт масштаба

1:50 000, причем применялось самое современное оборудова-

ние — специальный экспериментальный сканер. Выполнялось на-

ложение и измерение площадей, ранее не использовавшиеся в

геоинформатике. Применялась абсолютная система координат.

Позднее была создана база данных на основе тематических слоев,

налажен дистанционный доступ к ней, а еще позднее была по-

пытка приспособить КГИС к сетевым технологиям, однако, ко-

нечно, стало тяжело конкурировать с более современными систе-

мами. Как и всякая пионерная разработка, проект оказался весь-

ма дорогостоящим.

Работы шведской школы геоинформатики концентрировались

вокруг ГИС земельно-учетной специализации, в частности Швед-

ского земельного банка данных, предназначенного для автомати-

зации учета земельных участков (землевладений) и недвижимос-

ти. Методические основы этих работ изложены в фундаменталь-

ных статьях О.Саломонссона (1976) и Т. Германсена (1976) во вто-

ром выпуске сборника «Новые идеи в географии» (отв. ред. В. М. Гох-

ман и Ю.В. Медведков) — публикации по проблематике ГИС,

приуроченной к 23-му конгрессу Международного географиче-

ского союза (МГС) в Москве и оказавшей значительное влияние

на адаптацию идей геоинформатики в бывшем СССР. Основная

цель проведенных работ — упорядочить собранный материал и

облегчить к нему доступ, в частности для автоматизированного

картографирования. Карты в основном строились в виде грубых

алфавитно-цифровых распечаток-изображений, состоящих из букв

и цифр, которые благодаря разной плотности создавали прими-

тивный эффект полутоновых изображений (рис. 4).

Вторая половина 60-х годов XX в. знаменательна также работа-

ми Гарвардской лаборатории машинной графики и пространствен-

ного анализа. Созданное здесь программное обеспечение стало клас-

сическим в сфере автоматизированного картографирования. Так,

первый и наиболее известный пакет SYMAP позволял создавать

общегеографические карты на алфавитно-цифровых печатающих

устройствах (см. рис. 4). Позднее, к концу 60-х годов, с переходом

к работам на графопостроителях, SYMAP трансформировалась в

CALFORM. К этому же времени были разработаны программы

SYMVU (для трехмерных изображений) и GRID (для работ с ра-

стровыми ячейками). Этот набор программ в 70-е годы трансфор-

мировался в POLYVRT и далее в ODYSSEY — комплексный па-

Тикунон, K1I.

$$$$s

шп

.%%%%%%%/V-$$S$$$$

Ч%%%%%($$$$$$$$$$V

%%%%%%)$$$$$$$$$$$

;%%%%%%%

>$$$$$/

•%%%%%%%%\ $$$$$

;%%%%%%%% J

$$$$4

\$$$$$$$

;s$$s$$^

;$$$$$$$ \

,$$$$$$$$,»

Рис. 4. Карта оценки природных условий для виноградарства Молдавии,

созданная на алфавитно-цифровом печатающем устройстве ЭВМ

кет, базирующийся на векторных данных. Нельзя сказать, что в

60-е годы состоялось становление геоинформатики в России, но

положительный результат, несмотря на существенные материаль-

ные затраты, был получен.

В начале 70-х годов XX в. ситуация стала меняться. Уже стало

очевидно, что у геоинформатики большое будущее, появились

примеры эффективного применения ГИС, но стоимость техни-

ки, программного обеспечения и обслуживания столь высока, что

для многих просто заоблачна. Поэтому первая половина 70-х годов

Рис. 5. Стадии развития ГИС в Канаде [Computer..., 1981, р. 4]:

I — Gee Whiz! (Вперед и с песней!); 2 — My Good! (Боже мой!); 3 — Let's Try

Again! (Снова да ладом!); 4 — Oh, oh! (Ой-ой!); 5 — We've made it! (И все-

таки мы ее сделали!)

XX в. — это период шлифовки и доводки методики в крупных

организациях и энтузиазм отчаянных одиночек. Зазвучали также

голоса пессимистов: геоинформатика, мол, это «овчинка», кото-

рая не стоит выделки, так как ее продукция получается просто

«золотой». Это был период некоторого застоя. Однако, справедли-

вости ради, отметим появление в это время нескольких крупных

теоретических обобщений, и прежде всего по методике структу-

рирования пространственных данных.

Состояние и история разработок ГИС в Швеции, отражающая

положение дел в середине 70-х годов, представлена специальным

монографическим изданием журнала «Картографика» [Comput.

cartogr. in Sweden, 1977]. По данным, сообщаемым в вводной ста-

тье этого издания О.Вастессоном, к середине 70-х годов в стране

шла разработка и эксплуатация 12 информационных систем (ГИС

или информационных систем, расширяемых до их уровня). В пре-

дисловии к книге Д.Тейлор анализирует также процесс их разви-

тия в Канаде, разделенный на пять стадий (рис. 5), иллюстриру-

ющих «в неакадемических терминах и мерах» степень энтузиазма

и надежд разработчиков ГИС: сверхэнтузиазм первых экспери-

ментов, не подкрепленный реальными возможностями; разоча-

рование от первых неудач; возросшая активность и новые надеж-

ды; второй кризис, связанный с трудностями решения некоторых

проблем; движение к завершению после их решения.

Нужно отметить существенное взаимовлияние двух геоинфор-

мационных школ. Анализ ранней канадской и шведской литерату-

ры по ГИС показывает, что ГИС «первого поколения» (60-е —

начало 70-х годов XX в.) значительно отличались от того, что по-

нимается под ними сегодня. Их зачастую отличала ориентация на

чисто утилитарные задачи: инвентаризации земельных ресурсов,

земельного кадастра и учета в интересах совершенствования систе-

мы налогообложения, решаемые путем автоматизации земельно-

учетного документооборота в виде банков данных соответству-

ющей специализации. Основная функция ГИС состояла во вводе в

машинную среду первичных учетных документов для хранения и

регулярного обновления данных, достаточно незамысловатой (на

наш сегодняшний взгляд) обработки, включающей агрегацию дан-

ных и генерацию итоговых отчетных статистических табличных до-

кументов, вполне аналогичных «Земельным балансам».

Инвентаризационные задачи, но на иной исходной основе —

путем массового цифрования карт — решались первоначально и в

Канадской ГИС. Однако участие в их разработках научно-исследо-

вательских коллективов, в том числе профессиональных географов

(в Швеции — это коллектив Университета Лунда), позволило за-

ложить в их основу некоторые фундаментальные принципы, кото-

рые обеспечили их выход в сферы не только узкопрагматических,

но и более универсальных интересов и областей применения. Пер-

вый и главный шаг, который вывел ГИС из круга баз данных обще-

го назначения, заключался во введении в число атрибутов опера-

ционных объектов (земельных участков, строений, физических и

юридических лиц, ареалов использования земель, бонитировки почв

или лесотаксации) признака пространства, в какой бы форме ме-

стоуказания (в координатах, в иерархии административной при-

надлежности, в терминах принадлежности к ячейкам регулярных

сетей членения территории) он ни выражался. Достаточно револю-

ционным являлось уже указание координат центроидов объек-

тов — прием, активно использовавшийся в Швеции. Напомним,

что в начале 60-х годов XX в. массовое цифрование карт и их пред-

ставление в векторном формате было уделом отдельных экспери-

ментов картографических служб оборонных ведомств.

В этот период сформировалось понятие пространственных объек-

тов, описываемых их позиционными и непозиционными атрибу-

тами. Оформились две альтернативные линии представления —

растровые и векторные структуры, включая топологические ли-

нейно-узловые представления. Чуть позже создана технология мас-

сового цифрования карт

—

основного источника данных в Канад-

ской ГИС. Поставлены и решены задачи, образующие ядро гео-

информационных технологий: наложение (оверлей) разноимен-

ных слоев, генерация буферных зон, полигонов Тиссена и иные

операции манипулирования пространственными данными, вклю-

чая определение принадлежности точки полигону, операции вы-

числительной геометрии вообще. Найдены эффективные решения

других геометрических проблем, алгоритмы аналитических опе-

раций и графоаналитических построений.

Функциональная ограниченность ГИС «первого поколения»

(например, отсутствие или примитивность средств графической

й картографической документации) имела и чисто технические

причины: неразвитость периферийных устройств, давно забы-

тый пакетный режим обработки данных (дисплей, применение

которого позволило реализовать интерактивное взаимодействие

оператора и машины, становится обычным устройством отобра-

жения лишь в середине 70-х) на крупных и мощных, но безумно

(по сегодняшним меркам) дорогих ЭВМ, непереносимость про-

граммного обеспечения, критичность вычислительных ресурсов

по отношению к объемам данных и времени исполнения задач.

Так или иначе ядро ^информационных технологий было сфор-

мировано до начала 70-х годов XX в., определив облик ГИС пер-

вого поколения.

Для 70-х годов XX в. характерно достаточно тесное взаимодей-

ствие методов и средств геоинформатики с параллельной и ранее

независимой линией развития цифровых методов картографиро-

вания и автоматизированной картографией. Начало было положе-

но работами Ж. Бертена по печати компьютерных статистических

карт на примитивных печатающих устройствах, ранее упоминав-

шимися экспериментами Лаборатории машинной графики и про-

странственного анализа Гарвардского университета, успехами в

области автоматизированного картографирования государствен-

ных топографо-геодезических служб. Считается, что первая авто-

матизированная картографическая система была создана в Вели-

кобритании в Экспериментальной картографической части Коро-

левского колледжа искусств Д. Бикмором в 1964 г. В России сфор-

мировалось новое направление — математико-картографическое

моделирование [В.Т.Жуков, С.Н.Сербенюк, В.С.Тикунов, 1973,

1980].

Общность технической базы, структурно-функциональное

единство или подобие автоматизированных картографических

систем и ГИС создали в 70-х годах предпосылки к их будущей

интеграции, породив, однако, «картоцентрический» взгляд на

геоинформатику, ее сущность и историю [P.

Burro ugh, 1986].

Хотя действительно исторически ГИС в современном их пони-

мании развивались в значительной степени на базе информаци-

онно-поисковых систем, позднее приобретя функции картогра-

фических банков данных с параллельным расширением возмож-

ностей математико-картографического моделирования и анали-

за данных. Рассматривая карту как инструмент для географиче-

ского анализа и выделяя подсистему пользователя [М.Копеспу,

К. Rais, 1985], ГИС стали охватывать и область использования

карт. Большинство ГИС этого периода включают в свои задачи

создание карт или используют картографические материалы как

источник исходных данных.

К этому периоду относится быстрый прогресс геоинформаци-

онных и автоматизированных картографических технологий в США.

Здесь следует сказать о Геологической службе США и Бюро пере-

писей, в частности в связи с созданием системы, ориентирован-

ной на детальную характеристику уличной сети городов и органи-

зацию транспортного движения. Создано также несколько ком-

пьютерных атласов по материалам переписей.

Большая организационная роль в становлении геоинформати-

ки принадлежит Международному географическому союзу, в том

числе ее комиссии по сбору и обработке географических данных

под руководством Р. Томлинсона. Среди ее основных инициатив

следует назвать инвентаризацию ГИС и программных средств, от-

носящихся к манипулированию пространственными данными,

машинной и картографической графике. Эта работа была выпол-

нена в конце 70-х годов и по ее итогам в 1981 г. опубликован

трехтомник «Программное обеспечение обработки пространствен-

ных данных» под ред. Д. Марбла [Computer software, 1981], не име-

ющий аналогов в мировой литературе по сей день, исключая,

может быть, Справочники по ГИС [The 1990 GIS Sourcebook, 1990;

1991 —

1992 International GIS..., 1991; 1993 International GIS..., 1992].

Первый том инвентория содержал стандартизованные описа-

ния 85 полномасштабных ГИС; несколько сот описаний иных

программ обработки географических данных помещены во 2-м и

3-м томах. Проблематика ГИС постоянно входила в программы

конгрессов МГС, включая 23-й московский (1976), оказавший

значительное влияние на развитие советской географии, обратив

внимание на важность развертывания исследований в области ГИС.

В программах Международных картографических конференций

Международной картографической ассоциации (МКА) тематика

ГИС стала выноситься в отдельные рубрики значительно позже,

уже после 11-й конференции МКА в Варшаве в 1982 г.

Новый взлет наметился к концу 70-х

—

началу 80-х годов XX в.,

когда широко распространились дешевые персональные компью-

теры. Открылись принципиально новые возможности и не для оди-

ночек, а для массового потребителя.

Эйфория во всем: например, в попытках обосновать целесооб-

разность замены и поглощения традиционных наук, имеющих дело

с пространственно распределенными данными одним всеобъем-

лющим направлением. Картографическая продукция этого време-

ни уже почти не отличается от карт, издаваемых по традицион-

ным технологиям.

«Эпоха зрелости», эпоха первых комплексных решений, на-

ступает в 80-е годы XX в., когда отдельные компьютерные про-

граммные пакеты по обработке данных, по подготовке текстов

или карт трансформируются в единую увязанную систему, спо-

собную помочь человеку в принятии ответственных решений. В это

же время создаются компьютерные локальные и глобальные сети,

революционно изменившие доступ к базам данных. Персональ-