Утекалко В.К., Бирзгал В.В. и др. Геоинформационные системы военного назначения

Подождите немного. Документ загружается.

2. Принципы создания, функционирования и структура

геоинформационных систем.

Что же такое ГИС? В связи с тем, что само понятие возникло не так

давно, единой, однозначной, формулировки этого понятия не выработано.

Различные научные школы трактуют само понятие ГИС несколько по-разному.

Тем не менее, у большинства серьезных разработчиков общий подход схож.

Геоинформационная система – автоматизированная информационная

система, предназначенная для обработки пространственно-временных данных,

которые позволяют расширить наши знания о каком - либо явлении или

предмете (объекте) реального мира, при этом основой их интеграции служит

географическая информация.

Другое определение ГИС, более обобщенное, не отличается, по сути.

Геоинформационная система – это программно-аппаратный комплекс,

осуществляющий сбор, хранение и обработку информации о пространственно

распределенных объектах, имеющих координатное описание.

Применительно к решаемым задачам под ГИС понимаются

автоматизированные системы, в которых изображения картографируемых

объектов и явлений связаны с атрибутивными базами данных, и

предназначенные для сбора, хранения, обновления и проведения исследований

путем анализа и моделирования пространственной информации и

соответствующих атрибутивных данных.

Все три предложенных формулировки, не противоречат друг другу по

сути, и предполагают два основных обязательных момента:

 пространственно-координатную привязку рассматриваемых объектов в

единой системе координат;

 сбор, анализ и обработку данных.

Исходя из вышеизложенного, хотелось бы внести ясность в понимание

вопроса о том, что же такое ГИС и что таковым не является. Электронные

схемы отдельных территорий (City info, BELARUS и другие схожие продукты,

активно создаваемые в последнее время) ни в коей мере не могут быть

рассматриваемы как ГИС, поскольку:

 во-первых, не имеют единой пространственно-координатной привязки,

выполнены в картографической проекции отличной от принятой для

топографических карт и планов, дают лишь схематичное представление о

взаимном расположении объектов в пределах ограниченной территории;

 во-вторых, не позволяют реализовать определяющие функции ГИС:

сбор, хранение, накопление, обновление, систематизацию, обработку, анализ и

моделирование пространственной информации.

С другой стороны графические редакторы, такие как AutoCAD,

CorelDraw, позволяющие, в какой-то степени, осуществлять сбор и обработку

данных, использовать атрибутивную информацию, не позволяют перейти к

единой картографической проекции на сколько-нибудь значительную

территорию.

Основным назначением ГИС следует считать получение (формирование)

знаний о Земле, отдельных территориях, местности, а также своевременное

доведение необходимых и достаточных пространственных данных до

многочисленных пользователей с целью достижения наибольшей

эффективности их работы.

В соответствии с назначением ГИС должна иметь разветвленную

структуру, технологические комплексы, большие объемы обрабатываемой и

передаваемой информации. Для такой системы характерно непрерывное

усложнение, развитие технологических процессов, увеличение количества

источников информации.

Учет объективных закономерностей информационного обеспечения ГИС

осуществляется на основе принципов их создания и применения.

Важнейшим из них следует полагать принцип соответствия структуры

ГИС, ее тактико-технических характеристик предъявляемым к ней

требованиями пользователей. Этот принцип определяет основные требования

как к составу системы, организации взаимодействия входящих в нее подсистем,

их функциональным возможностям, оперативности, производственной

мощности, так и к картографическим моделям, прежде всего, электронным и

цифровым картам, создаваемым для использования в ГИС. Принцип

реализуется в результате разработки вариантов структуры ГИС и ее тактико-

технических характеристик, их анализа и выбора предпочтительного варианта.

При этом система будет реализуемой, если при ее выборе рассматриваются

только варианты, ориентированные на существующие технические средства

или перспективные средства автоматизации, производство которых может быть

освоено промышленными организациями в установленные сроки.

Одним из основополагающих принципов создания и применения ГИС

следует считать системный подход. Он заключается в рассмотрении объекта

исследования как целостной сложной системы, состоящей из ряда подсистем и

имеющей функциональные зависимости и связи внутри системы, между ее

компонентами. Системный подход обеспечивает единство создания

технического, математического, информационного и лингвистического

обеспечения, их совместимость, определяет методы исследования и

проектирования ГИС, ее структуру. Он представляет собой обобщенную

методологию решения проблем, основанную на концепции такой системы, под

которой понимается не только ее структура, но и функционирование.

Возможности использования системного подхода целесообразно

использовать в трех взаимосвязанных аспектах:

 системный подход как концептуальная основа создания и применения

единой системы картографических моделей;

 системный подход как научный метод разработки компьютерных

технологий и эффективной организации работы в ГИС;

 системный подход как методология исследования и проектирования

ГИС и ее структуры.

Особенностью ГИС является принцип иерархического построения

математического обеспечения. Математическое обеспечение системы – это

совокупность математических методов, моделей и алгоритмов обработки

пространственных данных. Математическое обеспечение системы

подразделяется на внутреннее и внешнее. Внутреннее математическое

обеспечение включает операционную систему и алгоритмы ввода, обработки и

вывода картографической информации, а также ее накопления, систематизации

и хранения. Основу внешнего математического обеспечения составляют

программные средства дальнейшей обработки пространственных данных для

решения задач отображения, документирования, выполнения информационных

и расчетных задач на основе использования алгоритмических языков,

трансляторов различных уровней и соответствующих интерпретирующих

систем, пакетов прикладных программ.

Работающая ГИС включает в себя пять ключевых составляющих:

аппаратные средства, программное обеспечение, данные, исполнители и

методы (рис.1).

Аппаратные средства. Это компьютер, на котором запущена ГИС. В

настоящее время ГИС работают на различных типах компьютерных платформ,

от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных

компьютеров.

Программное обеспечение.ГИС содержит функции и инструменты,

необходимые для хранения, анализа и визуализации географической

(пространственной) информации. Ключевыми компонентами программных

продуктов являются:

 инструменты для ввода и оперирования географической информацией;

 система управления базой данных (DBMS или СУБД);

 инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и

визуализации (отображения);

 графический пользовательский интерфейс (GUI или ГИП) для легкого

доступа к инструментам и функциям.

Данные. Это вероятно наиболее важный компонент ГИС. Данные о

пространственном положении (географические данные) и связанные с ними

табличные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем,

либо приобретаться у поставщиков. В процессе управления пространственными

данными ГИС интегрирует пространственные данные с другими типами и

источниками данных, а также может использовать СУБД, применяемые

многими организациями для упорядочивания и поддержки имеющихся в их

распоряжении данных.

Исполнители. Широкое применение технологии ГИС невозможно без

людей, которые работают с программными продуктами и разрабатывают планы

их использования при решении реальных задач. Пользователями ГИС могут

быть как технические специалисты, разрабатывающие и поддерживающие

систему, так и обычные исполнители (пользователи), которым ГИС помогает

решать текущие каждодневные задачи.

Рис. 1. Составные части ГИС

Методы. Успешность и эффективность применения ГИС во многом

зависит от правильно составленного плана и выработки правил использования,

которые составляются в соответствии со спецификой задач и работы.

Общая структура ГИС включает: подсистему ввода информации;

подсистему моделирования; подсистему вывода и база данных.

Подсистема ввода – одна из важнейших подсистем ГИС, предназначена

для своевременного получения и обновления данных, используемых для

решения задач. Данные могут вводиться при помощи клавиатуры, дисководов,

сканеров, сетевых устройств, могут поступать от организаций.

Подсистема моделирования – это совокупность программ:

 преобразования графической информации в цифровой вид и обратно;

 сортировки;

 выборки по заданным характеристикам или требованиям и ряда других

программ для автоматизированной обработки картографической информации.

Отдельным модулем в подсистему моделирования может быть включен

модуль для решения специальных задач сформулированным заказчиком.

Подсистема вывода – устройства с соответствующим программным

обеспечением для вывода информации: экраны, устройства записи на CD,

сетевые устройства, плоттеры, принтеры, цифровые печатные машины.

База данных – совокупность массивов пространственных данных,

объединенных программными средствами, которые обеспечивают построение

адекватных реальному миру моделей. Базы данных бывают интегрированные,

распределенные, реляционные, технологические.

Массивы пространственных данных представляют собой совокупность

поступающей в систему, хранимой и выдаваемой потребителю информации об

элементах и объектах местности, их географических названиях,

организационно-технической и вспомогательной (сервисной) информации.

Массивы пространственных данных понятие динамическое. Их динамику

определяют такие параметры, как частота обращения к массивам, период

обновления и пополнения информации.

ГИС хранит информацию о реальном мире в виде набора тематических

слоев, которые объединены на основе географического положения. Этот

простой, но очень гибкий подход доказал свою ценность при решении

разнообразных реальных задач: для отслеживания передвижения транспортных

средств, детального отображения реальной обстановки и планируемых

мероприятий, моделирования действий войск. (рис.2).

Для использования в ГИС данные должны быть преобразованы в

подходящий цифровой формат. Процесс преобразования данных с бумажных

карт в компьютерные файлы называется оцифровкой. В современных ГИС этот

процесс может быть частично автоматизирован.

Рис. 2.Тематические слои

3. Современные геоинформационные системы, области применения,

общий подход к решению задач на основе ГИС-технологий.

Любая геоинформационная система основана на реализованной в ней

модели описания и поддержки пространственных данных (далее по тексту -

модели пространственных данных ГИС).

Эта модель включает следующие составляющие:

 описание импортируемых ГИС видов цифровой информации о

местности (ЦИМ) и форм их представления;

 правила кодирования и цифрового описания объектов местности для

каждого вида ЦИМ;

 средства поиска и доступа к пространственным данным, их

визуализации и вывода на печать, преобразований между различными

системами координат и проекциями.

Первые две составляющие представляют собой нормативно-технические

документы, остальные – программные компоненты, образующие ГИС-ядро

геоинформационной системы.

ГИС-ядро относится к общесистемному программному обеспечению

наряду с программным интерфейсом операционной системы (API), системой

SQL-запросов СУБД, средствами телекоммуникаций.

ГИС-ядро оформлено в виде библиотеки или набора библиотек

программных модулей, реализующих, как сказано выше, объектно-

ориентированный подход при организации работы с электронной картой.

Функциональные возможности ГИС-ядра различных геоинформационных

систем могут сильно различаться. Это может выражаться, например, в

количестве поддерживаемых проекций, во времени и качестве визуализации

электронной карты на экране монитора и т.д.

Компьютерная программа, реализующая выполнение какой-либо

функции на основе использования компонент ГИС-ядра конкретной ГИС,

является ГИС-приложением этой геоинформационной системы.

При создании ГИС-приложений используются традиционные средства

программирования (языки и среды программирования, библиотеки

стандартных объектов (классов)), а также специальные классы (компоненты,

визуальные компоненты), реализующие модель пространственных данных

ГИС. Эти средства обычно называются инструментальными средствами

разработки ГИС-приложений. Такие дополнительные компоненты,

позволяющие включать и обрабатывать объекты доступа к ЦИМ, созданы и

включены в состав таких известных сред программирования как С, С++ и С++

Builder, Borland Delphi, Microsoft Visual Basic, а также средств различных

СУБД (FoxPro, Paradox и др.).

Совокупность ГИС-приложений, объединенных управляющей

программой (единое “окно”, панель управления и т.п.), предназначенных для

решения определенного круга задач, могут быть названы функционально-

ориентированной геоинформационной системой. Поскольку

стандартизированной терминологии в этой области еще не принято, то она

также может быть названа программным комплексом для решения этих задач

или автоматизированной информационной системой и др.

Совокупность средств управления (меню команд, панели инструментов,

пиктограммы, кнопки, диалоговые окна и др.), используемых для

взаимодействия пользователя с геоинформационной системой, образуют

пользовательский интерфейс ГИС. С помощью этих средств управления

пользователь выполняет определенные функции, запускает приложения,

устанавливает необходимый ему режим работы (например, выбирает единицу

измерения) и т.д.

Функционально-ориентированные ГИС, как правило, имеют жестко

настроенный пользовательский интерфейс.

Наиболее предпочтительным и перспективным является разработка

универсальных ГИС, предоставляющих пользователю возможность

самостоятельной настройки пользовательского интерфейса. Пользователь

имеет возможность в режиме настройки выбрать из большого количества

команд и инструментов необходимые ему и разместить их в порядке, наиболее

удобном для его работы с ГИС.

ГИС-приложения относятся к специальному программному обеспечению

автоматизированной системы и предназначены для решения специальных задач

по предназначению этой системы (штурманские расчеты, проектирование

линий связи, транспортные задачи и т.д.). От других приложений они

отличаются только тем, что для их функционирования необходимо

использование электронной карты или другой цифровой информации о

местности и при их создании используются модули (компоненты, библиотеки)

ГИС-ядра.

Совокупность ГИС-ядра, инструментальных средств разработки ГИС-

приложений и непосредственно самих ГИС-приложений носит название ГИС-

платформы.

Очень небольшое количество геоинформационных систем имеют

развитую ГИС-платформу. Например, к наиболее развитым зарубежным ГИС-

платформам можно отнести системы ARC/INFO, INTERGRAF. Они

функционируют на различных аппаратных платформах (микрокомпьютеры,

ПЭВМ, рабочие станции RISC-архитектуры), в различных операционных

системах (UNIX, WINDOWS). Имеют широкий набор инструментальных

средств разработки ГИС-приложений для различных сред программирования.

Наиболее известные ГИС

ArcInfo - разработка американского Института исследований систем

окружающей среды (ESRI);

Arc View GIS - специализированный программный комплекс разработки

ESRI;

Inter Graph - разработка фирмы InterGraph (США);

Mapinfo - разработка одноименной фирмы;

Arc CAD - разработка ESRI, представляющая собой слияние САПР и

ГИС в едином программном продукте;

Geo Draw - разработка центра геоинформационных исследований

Института Географии (Российская Федерация);

Win GIS - многофункциональный комплекс, разработанный австрийской

фирмой PRO CIS;

ТАЛКА — Нева - разработка Военно-топографического управления

Генерального штаба Вооруженных Сил Российской Федерации;

KIKS - программный комплекс интерактивной структуризации данных,

разработанный НАН Беларуси;