План: Лекция №1. Геоинформатика: общие вопросы 1 Информатизация общества 1 Понятие о геоинформатике и ее связь с другими науками, технологиями и производством 3 Геоматика 4

Вид материала

Лекция

Содержание 1.1. Информатизация общества 1.2.Понятие о геоинформатике и ее связь с другими науками, технологиями и производством 1.4.Что такое ГИС? 1.5.Структура ГИС 1.6.Составные части ГИС 1.7.Задачи и назначения ГИС 1.8.История развития ГИС 1.9.Резюме. Основы создания и применения ГИС 1.9.2.Что такое ГИС? Пространственные операции. Непространственный запрос. Пространственные запрос. 1.9.3.Вопросы, на которые отвечает ГИС 1.9.4.Примеры применения ГИС 1.9.5.Составные части ГИС Чем не является ГИС 1.10.ГИС и телекоммуникационные сети 1.11.Принципы создания и применения ГИС

Подобный материал:

• Экзаменационные вопросы по курсу «Макроэкономика», 37.14kb.
• Вопросы к экзамену, 66.66kb.
• Вопросы к экзамену, 15.72kb.
• Вопросы к экзамену по методике преподавания интегрированного курса «Окружающий мир»., 42.1kb.
• План 20 Понятие педагогической деятельности. Концепции педагогического процесса, 761.06kb.
• Контрольные вопросы к 1 итоговому занятию по разделам «цитология», 34.74kb.
• 23. 04. 07 (протокол №11) вопросы по гигиене питания к гос экзаменам, 44.18kb.
• Вопросы к курсовому экзамену по биотехнологии для студентов очной и заочной формы обучения, 112.17kb.
• Примерные вопросы к экзамену, 185.66kb.
• Программа для поступающих в аспирантуру 13. 00. 03 Коррекционная педагогика, 115.76kb.

1.Лекция №1. Геоинформатика: общие вопросы

План:

1.1. Информатизация общества

В наши дни информатизация коснулась всех сторон жизни общества и трудно назвать какую-нибудь сферу деятельности, где не ощущалось бы влияния информатизации. Информатика развивается благодаря другим наукам и сама способствует их постоянному развитию.

В науках о Земле информационные технологии породили геоинформатику и географические информационные системы (ГИС), причем слово «географические» обозначает не столько «пространственность» или «территориальность», а скорее комплексность и системность, заложенные в ГИС. Развитие ГИС дает современной географии шанс стать основой передовых технологий в науках о Земле, концептуальной базой, на которую сможет опереться геоинформационная индустрия, одним из стержневых направлений информатизации общества на всех уровнях, начиная с малых научных лабораторий и кончая органами государственного управления.

Первые ГИС были созданы в Канаде и США в середине 60-х годов., а сейчас в промышленно развитых странах существуют тысячи ГИС, используемых в экономике, политике, экологии, управлении ресурсами и охране природы, кадастре, науке и образовании и т.д. ГИС охватывает все пространственные уровни - глобальный, региональный, национальный, локальный, муниципальный - интегрируя самую разнообразную информацию о нашей планете: картографическую, данные дистанционного зондирования, статистику и переписи, кадастровые сведения, гидрометеорологические данные, материалы полевых экспедиционных наблюдений, результаты бурения и подводного зондирования и т.п. В создании ГИС участвуют междун7ародные ассоциации (ООН, ЮНЕП, ФАО и др.), крупнейшие государственные учреждения, министерства и ведомства, картографические, геологические и земельные службы, статистические управления, частные фирмы, научно-исследовательские институты и университеты. На разработку ГИС ассигнуются значительные финансовые средства, в деле участвуют целые отрасли промышленности, создается разветвленная геоинформационная инфраструктура, сопряженная с телекоммуникационными сетями.

Во многих странах созданы национальные и региональные органы, в задачи которых входит развитие ГИС и автоматизированного картографирования, формирование государственной политики в области геоинформатики, национального планирования, сбора и распространения информации, включая исследования правовых проблем, связанных с владением и передачей географической информации, с ее защитой и др. Федеральная программа России предусматривает создание цифровых и электронных карт масштабов 1:10 000 - 1:1 000 000 и банков данных для этих карт, разработку геоинформационных систем различного ранга и назначения (для органов государственного управления, для демаркации государственных границ, ряду региональных ГИС по Северу, Байкалу и др., муниципальных, территориальных и отраслевых ГИС и др.). В Москве сформирован первый Российский научно-производственный центр геоинформации (Росгеоинформ). Одновременно развернуты региональные и производственные центры еще в пяти городах страны: Санкт-Петербург, Екатеринбург, Новосибирск, Иркутск, Хабаровск.

При создании разветвленной ГИС-инфраструктуры к этим центрам предполагается привязать местные и отраслевые ГИС разной проблемной ориентации, а также центры сбора и обработки аэрокосмической информации. В сеть ГИС обязательно должны быть включены научные и научно-производственные банки и базы тематических данных, существующих в институтах Академии наук, вузах, отраслевых учреждениях и ведомствах.

Тематическое многообразие геоинформационных ресурсов разного пространственного охвата, масштаба, точности и разрешения, а кроме того - еще и разных форм графического представления, делают актуальной задачу обмена всей этой информацией посредством телекоммуникационных сетей. Лишь с их помощью может быть обеспечен доступ к научно-практическим и учебно-методическим информационным ресурсам, т.е. формирование единого информационного (в том числе и геоинформационного) пространства.

1.2.Понятие о геоинформатике и ее связь с другими науками, технологиями и производством

Термин «геоинформатика» состоит из трех корней: география, информатика и автоматика. В англоязычной литературе есть термины informatics, Computer Science,обозначающих группу дисциплин, исследующих различные аспекты применения и разработки ЭВМ, включая программирование, прикладную математику, операционные системы, проблемы искусственного интеллекта и др. (Geographic(al) information system - GIS (geoinformation system) широко употребляется в англоязычной литературе. В конце 80-х годов появился термин Geoinformatics.

Под геоинформатикой принято понимать научно-технический комплекс, объединяющий геоинформатику, технологию и прикладную деятельность, которые связаны с разработкой и реализацией ГИС. Данный комплекс формируется на стыке географии, информатики, теории информационных систем, картографии и других дисциплин с привлечением системного подхода и новейших достижений в области вычислительной техники.

Геоинформатика изучает принципы, технику и технологию получения, накопления, передачи, обработки и представления данных и как средство получения на их основе новой информации и знаний о пространственно-временных явлениях.

Сегодня геоинформатика предстает в виде системы, охватывающей науку, технику и производство. Геоинформатика - научная дисциплина, изучающая природные и социально-экономические геосистемы (их структуру, связи, динамику, функционирование в пространстве и времени) посредством компьютерного моделирования на основе баз данных, и географических знаний. С другой стороны, геоинформатика - это технология (ГИС-технология) сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения пространственно -координированной информации, имеющая целью решения задач инвентаризации, оптимизации, управления геосистемами. Наконец, геоинформатика, как производство - это изготовление программных и аппаратных средств, включая создания баз данных, систем управления, стандартных, коммерческих ГИС различного целевого назначения и проблемной ориентации.

Немного терминологии. Геоинформатика в англоязычном мире не имеет большого распространения. Значительно чаще используется «GIS technology» (ГИС-технологии). ГИС - географические информационные системы, или просто геоинформационные системы.

Сфера деятельности геоинформатики связана с каратографией и дистанционным зондированием, а также затрагивает фотограмметрию, топографию. Геоинформатика располагается в одном ряду с методами (математическими, картографическими, дистанционного зондирования и др.) и связывается с науками о земле геологией, почвоведением, лесоведением, географией, экономикой, биологией и т.д.

Взаимосвязи картографии и геоинформатики проявляются в следующих аспектах:

1. тематические и картографические карты - главный источник пространственно-временной информации.
   
2. системы географических и прямоугольных координат и картографическая разграфка служат основой для координатной привязки (географической локализации) всей информации, поступающей и хранящейся в ГИС.
   
3. карты - основное средство географической интерпретации и организации данных дистанционного зондирования и другой используемой в ГИС информации (статистической, аналитической и т.п.)
   
4. картографический анализ - один из наиболее эффективных способов выявления географических закономерностей, связей, зависимостей при формировании баз знаний, входящих в ГИС.
   
5. математико-картографической и компьютерное - картографическое моделирование - главное средство преобразования информации в процессе принятия решений, управления проведения экспертиз, составление прогнозов развития геосистем и .т.п.
   
6. картографическое изображение - целесообразная форма представления информации потребителям.
   

1.3.Геоматика

Стремление к интеграции знаний столь велико, что привело к появлению новых направлений, одно из которых «геоматика». Термин этот объединяет геонауки, математику и информатику. Геоматику французский глоссраий трактует как «совокупность применений информатики для обработки географических данных, в частотности, картографии».

Часто ставится знак равенстве между геоматикой и геоинформатикой. Геоматика по определению - это научно-техническая дисциплина, имеющая целью решение задач реальной действительности на основе геоинформации, т.е. информации, связанной с геоматической (геоинформационной) системой. Геоматика включает такие дисциплины как математика, физика, информатика, картография, геодезия, фотограмметрия и дистанционное зондирование. Геоматика - это область научно-технической деятельности, которая на основе системного подхода интегрирует все средства сбора и управления пространственно-координированными данными, используемыми для производства и управления пространственно-координированной информацией. Геоматика - это сфера деятельности в науке и технике, имеющая дело с использованием информационных технологий и средств коммуникаций для сбора, хранения, анализа, представления, распространения и управления пространственно-координированной информацией, обеспечивающей принятие решений. Геоматика - это наука и технология, изучающая характер и структуру пространственной информации, методы ее сбора, организации, классифицирования, оценки, анализа, управления, отображения и распространения, а также - инфраструктуру, необходимую для оптимального использования этой информации.

Учебная программа по геоматике включает 4 основных раздела:

1. Сбор данных - полевые съемки, фотограмметрия, составление производных карт, координатная привязка данных, дистанционное зондирование, глобальные позиционные системы.
   
2. Обработка - вычисления, оценка, интерпретация, анализ, контроль качества, хранение данных
   
3. Управление - объединение данных, редактирование, моделирование, планирование, принятие решений, маркетинг, анализ качества, правовые основы, взаимодействие с клиентом (пользователем), стандарты передачи данных, авторские права
   
4. Распространение - создание карт, планов, диаграмм, отчетов, цифровых моделей, получение координированной социально-экономической информации, экранное отображение, дизайн, распределение данных и др.
   

1.4.Что такое ГИС?

Обязательным элементом определения ГИС следует считать указание на пространственность, операционно-функциональные возможности и прикладную ориентацию системы.

Современные геионформационные системы (ГИС) представляют собой новый тип интегрированных информационных систем. Современная ГИС – это автоматизированная система, имеющая большое количество графических и тематических баз данных, соединенная с модельными и расчетными функциями для манипулирования ими и преобразование их в пространственную картографическую информацию для принятия на ее основе разнообразных решений и осуществления контроля.

География является связующим звеном информации, получаемой из многочисленных источников. Прежде всего это различные типы карт: планы застроек, топографические и аналитические карты, карты растительности и экологии. Кроме того, данные могут поставляться с аэрофото – и космических снимков.

ГИС может использоваться для научных исследований, управления природными ресурсами и планирования развития. ГИС, например, позволяет вычислить время отклика на аварию, катастрофу или природном бедствии. В строгом смысле ГИС это компьютерная система, позволяющая компоновать, сохранять, манипулировать и отображать справочную географическую информацию, т.е. данные идентифицируются в соответствии со своим положением. Практики также рассматривают общий ГИС как включающий персонал и данные, которые вводятся в систему.

ГИС - это информационная система, которая построена, чтобы работать с данными соотнесенными с пространственными и географическими координатами. Другими словами, ГИС - это и система базы данных со специфичными возможностями для пространственно соотнесенных данных, и множество операций для анализа этих данных. (Star and Estes, 1990)

Система для захвата, запоминания, проверки, объединения, манипуляции, анализа и отображения данных, которые пространственно соотнесены к Земле. (Chorley, 1987)

Автоматизированная система для захвата, исправления, анализа и отображения пространственных данных (Clarke, 1990) . ГИС - это аппаратно-программная система и процедуры построенные для обеспечения сбора, управления, манипуляции, анализа, моделирования и отображения пространственно соотнесенных данных для решения сложных задач планирования и управления. (NCGIA lecture by David Cowen, 1989)

Интегрированный пакет для ввода, хранения, анализа и вывода пространственной информации .... анализ самое важное. (Gaile and Willmott, 1989)

ГИС - это одновременно телескоп, микроскоп, компьютер и ксерокс регионального анализа и синтеза пространственных данных. (Abler, 1988). ГИС может преобразовать цифровую информацию. Например, цифровые изображения со спутника, перепись или гидрологические табличные данные могут быть проанализированы и преобразованы в карту.

Карты могут быть оцифрованы, или вручную отслежены с компьютерной мышкой, чтобы собрать признаки координат. Электронные сканирующие устройства будут преобразовывать линии карты и точки в цифры. ГИС можно использовать, чтобы подчеркнуть пространственные отношения между объектами нанесенными на карту. В то время как картографические системы компьютерной помощи могут представлять дорогу просто как линию, ГИС может распознавать, что дорога - это граница между wetland и городским развитием, или связь между Главной улицей и тропинкой.

ГИС может быстро генерировать карту с линиями, которые показывают количество дождевых осадков. Карта может быть продумана как контурная ливневая карта. Многие сложные методы могут оценивать характеристики поверхностей из ограниченного числа точек измерений. 2-х мерная контурная карта, созданная из моделирования поверхности точек измерений количества осадков, может быть положена на и проанализирована с любой другой картой в ГИС покрытии той же области.

ГИС может распознать и проанализировать пространственные отношения между нанесенными на карту феноменами. Условия соседства (что находится рядом с чем), содержание (что окружено чем), и близость (как близко что-то находится к чему-то иному) может быть определено ГИС.

Еще некоторые определения ГИС:

ГИС - это такая система, в состав которой входят компоненты для сбора, передачи, хранения, обработки и выдачи информации о территории.

ГИС - это динамически организованное множество данных (динамическая база данных или банк данных), соединенное с множеством моделей, реализованных на ЭВМ для расчетных, графических и картографических преобразований этих данных в пространственную информацию в целях удовлетворения специфических потребностей определенных пользователей в пределах структуры точно определенных концепций и технологий.

ГИС - это пространственно определенная система для сбора, хранения, поиска и манипулирования данными, средство анализа и управления пространственно определенными данными.

ГИС - информационная система, которая может обеспечить ввод, манипулирование и анализ географически определенных данных для поддержки принятия решений. ГИС это особый случай информационных систем, где база данных состоит из наблюдений за пространственно определенными явлениями, процессами или событиями, которые могут быть определены как точки, линии и контуры.

ГИС - система, проектируемая для сбора, хранения, манипулирования, поиска и отображения географически определенных данных, система которая манипулирует и управляет данными, хранящимися в виде тематических слоев, географически определенных относительно карты - основы. ГИС - это комплекс аппаратно-программных средств и деятельности человека по хранению, манипулированию и отображению географических (пространственно соотнесенных) данных. ГИС включает базу данных, аппаратуру, специализированное мат обеспечение и пакеты программ, предназначенных для расширения базы данных, для манипулирования данными, их визуализации в виде карт или таблиц и, в конечном итоге, для принятия решений о том или ином варианте хозяйственной деятельности.

ГИС - это интерактивные системы, способные реализовать сбор, систематизацию, управление, анализ, отображение и распространение данных и как средство получения на их основе новой информации и знаний о пространственно-временных явлениях.

1.5.Структура ГИС

На нынешнем уровне развития роль геоинформатики не исчерпывается сбором, обработкой и хранением информации. ГИС стала основным инструментом моделирования природных и, хозяйственных, социальных процессов и ситуаций, прослеживания их связей, взаимодействий, прогнозирование дальнейшего развития в пространстве и во времени, а главное - средство обеспечения (поддержки) принятия решений управленческого характера.

ГИС-моделирование опирается на базы данных и базы знаний. Первые интегрируют цифровые картографические, аэрокосмические, статистические и другие данные, отражающие пространственные положения, состояния и отношения объектов, а вторые - содержат совокупности логических правил, сведений и концепций, необходимых для выполнения моделирования и принятия решений. Таким образом, геоинформатика охватывает науку, технику и производство.

С точки зрения научно- познавательного подхода геоинформатика - это научная дисциплина, изучающая природные и социально экономические геосистемы (их структуру, связи, динамику, функционирование, в пространстве и времени) посредством компьютерного моделирования на основе баз данных и географических знаний. ГИС - средство моделирования и познания геосистем.

С точки зрения технологического подхода геоинформатика - это технология (ГИС-технология) сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения пространственно-координированной информации, имеющая целью обеспечить решения задач инвентаризации, оптимизации, управления геосистемами. ГИС - техническое средство накопления и анализа информации в процессе принятия решений.

С точки зрения производственного подхода геоинформатика - это производство, имеющее целью изготовление аппаратных средств и программных продуктов, включая создания баз данных, систем управления.

Геоинформатика, как наука исследует те же объекты, что география и другие науки о Земле, картография, дистанционное зондирование, используя для этого свои особые методы и средства. Главным из них являются компьютерное моделирование и геоинформационное картографирование.

В структуре ГИС выделяются территориальный (позиционный) и отраслевой (тематический) блоки, называемые также соответственно метрическими и тематическими составляющими или идентификационной и классификационной, позиционной (геометрической или тополого - геометрической) и содержательной (таблично- атрибутивной), которые аналогичны метрическим характеристикам географической основы карт и их специальной или тематической нагрузке. Системе управления базами данных можно поставить в соответствие систему условных знаков на карте и т.д.

Карта - это один из наиболее важных источников массовых данных для формирования позиционной и содержательной части баз данных ГИС в виде цифровых карт-основ, образующих единую основу для позиционирования объектов, и набора тематических слоев данных., совокупность которых образует общую информационную основу ГИС. Послойное представление пространственных объектов прямые аналоги с поэлементным разделением тематического и обще географического содержания карт.

Многие процедуры обработки и анализа данных в ГИС основаны на методическом аппарате, ране разработанном в картографии. К ним принадлежат трансформации картографических проекций и другие операции на эллипсоиде, опирающиеся на математическую картографию, вычислительную математику (расчет площадей, периметров и т.д.)

В большинстве ГИС в качестве одного из основных элементов выступает блок визуализации данных, где важную роль играют графические и картографические построения. Высококачественная картографическая графика, имеющая мультипликационные и анимационные возможности, а также традиционные средства картографического изображения, стало неотъемлемой частью программного обеспечения ГИС.

Методический аппарат геоинформационных технологий прямо связан с различными областями прикладной математики (вычислительной геометрии, аналитической и дифференциальной геометрии), с машинной графикой, распознаванием образов, анализом сцен, цифровой фильтрацией и автоматической классификацией в блоке обработки цифровых изображений растровых ГИС, геодезии и топографии.

Минимальные набор критериев, позволяющих идентифицировать каждую конкретную геоинформационную систему, образует систему координат трехмерного пространства, осями которого являются: территориальный охват и связанный с ним функционально масштаб (или пространственное разрешение), проблемная область информационного моделирования и проблемная ориентация.

При всем многообразии операций, целей, областей информационного моделирования, проблемной ориентации и иных атрибутов, характерных для создаваемых и действующих ГИС, можно выделить в них несколько блоков, называемых также модулями или подсистемами, выполняющими четко определенные функции. Функции ГИС вытекают из 4-х типов решаемых ее задач:

сбор;

обработка;

моделирование и анализ;

их использование в процессе принятия решений. (рис.1.1)




Рис.1.1 Функции геоинформационной системы

Иногда приводится схема структуры ГИС, состоящей из четырех компонент (подсистем): управление, обработка, анализ и использование данных. (Рис.1.2)




Рис.1.2 Компоненты географической информационной системы


Приведенные схемы соответствуют современным крупномасштабным многофункциональным и универсальным ГИС, хотя в конкретной реализации могут отличаться отсутствием отдельных блоков. В историческом аспекте нарастание функциональных возможностей ГИС происходило по линии «от инвентаризации через анализ и моделирование к управлению».

Что касается классификаций ГИС, то здесь существует несколько направлений. Например, ГИС можно классифицировать с точки зрения проблемной ориентации: 1) инженерные; 2) имущественные (ГИС для учета недвижимости), предназначенные для обработки кадастровых данных; 3) ГИС для тематического и статистического картографирования, имеющие целью управления природными ресурсами, составление карт по переписям и планирование окружающей среды; 4) библиографические, содержащие каталогизированную информацию о множествах географических документов; 5) географические файлы с данными о функциональных и административных границах; 6) системы обработки изображений спутниковых данных. Однако, часто требуются другие классификации, учитывающие структуру и архитектуру ГИС. Можно классифицировать по следующим признакам: 1) характер проблемно-процессорной модели; 2) структура модели базы данных; 3) особенность модели интерфейса.

В некоторых работах на верхнем уровне классификации все информационные системы делятся на пространственные и непространственные. ГИС относится к пространственным, делясь на тематические (например, социально-экономические) и земельные (кадастровые, лесные, инвентаризационные и др.). Можно делить по территориальному охвату (общенациональные и региональные ГИС), по целям (многоцелевые, специализированные, в том числе информационно-справочные, инвентаризационные, для нужд планирования, управления); по тематической ориентации (общегеографические, отраслевые, в том числе водных ресурсов, использования земель, лесопользования, туризма и др.)

Развитие геоинформатики привело к выделению отдельных профессий: ГИС-менеджер (общее и системное управление ГИС, ее информационным обеспечением), разработчик (системный аналитик, обеспечивающий перевод потребностей заказчика в термины информационной модели, программист и проектировщик, последние - это посредники между аналитиками и программистами) и пользователи.

1.6.Составные части ГИС

Базы данных являются обязательными компонентами ГИС, всегда имеющими два их типа – графические и тематические. В графических базах данных хранится то, что принято называть топографической основой, тематические содержат нагрузку карт и дополнительные данные, которые относятся к пространственным, но не могут быть прямо нанесены на карту.

Кроме того, любая ГИС имеет систему визуализации данных, выводящую на экран имеющуюся информацию в виде карт, таблиц, схем и т.п. и систему управления данными, при помощи которой происходит их поиск, сортировка, удаление, добавление, исправление и анализ (рис.1.3).




Рис.1.3. Обязательные компоненты ГИС


Системы ввода и вывода информации также являются обязательными компонентами ГИС.

Система ввода – это программный или аппаратно-программный блок, отвечающий за получения данных. Например, дигитайзеры, на котором осуществляется оцифровка карт, сканер, считывающий изображение в виде растра, электронные геодезические приборы. Информация может быть введена с клавиатуры, получена по сети. Ее источником может быть аэрофото и космические снимки, вводимые и обрабатываемые на специализированных рабочих станциях или персональных станциях приема спутниковых данных.


Система ввода:

1. Клавиатура
   
2. Внешние компьютерные системы (включая Интернет)
   
3. Сканер
   
4. Дигитайзер
   
5. Электронные геодезические приборы
   
6. Космические и аэрофотоснимки
   

Система вывода ГИС предназначена для представления результатов информации в удобном для пользователя виде. При помощи плоттера можно получить очень качественные карты. Используются также принтеры. Результаты могут быть представлены на видеофильмах, хранится на диске.

1.7.Задачи и назначения ГИС

Начало развития ГИС относится к концу 60-х годов, но только в последние 8-10 лет эта технология получила бурное распространение. Основной причиной этого скачка является развитие вычислительной техники. Колоссальные объемы текстовой и графической информации, модельные расчеты, качественная графика, которой оперирует ГИС, требует значительных машинных ресурсов.

Восемь лет назад для приобретения небольших ГИС требовалось 500 тыс. –1 млн. долларов. Сегодня в связи со значительным снижением цен на вычислительную технику и расширением числа производителей и потребителей ГИС, системы стали доступными для огромной аудитории.

На создании ГИС специализируются как крупные фирмы Intergraph, Sysscan, Esri, (добавить современные) так и сравнительно небольшие группы разработчиков.

В настоящее время ГИС реализуются и на рабочих станциях и на персональных компьютерах.

ГИС служит для решения следующих задач:

• Принятие решений управленческого уровня
  
• Научно-объективное перспективное и оперативное планирование развития города и его отдельных территорий.
  
• Оптимальное проектирование объектов промышленного и гражданского назначения на территории города.
  
• Разработка генерального плана города м контроль за его реализацией.
  
• Изучение состояния экологических, социально-экономических, природно – ресурсных условий территорий и их экономическая оценка
  
• Совершенствование учета и рационального использования городских земель и недвижимости (зданий и сооружений).
  
• Получение достоверной информации о местоположении и эксплуатации инженерных сетей городского коммунального хозяйства.
  
• Сбор горно-геологических данных, сведений о технологических процессах и природных запасах недр.
  
• Проведение налогового обложения, взимание платежей за использование природных ресурсов, недвижимости, за загрязнение окружающей средой
  
• Охрана прав пользователя, собственников.
  

Широко применяется ГИС в узко ведомственных, потребительских сферах – транспорт, ценообразование, туризм, купля – продажа, справочные услуги.

Таким образом, ГИС по назначениям и своим функциям является многоцелевой и ориентирована на обеспечение данными о городской среде широкого круга организаций и граждан. К потенциальным потребителям геоинформации относятся:

• Городские структуры распорядительной и исполнительной власти.
  
• Планирующие органы
  
• Налоговые инспекции
  
• Юридические и правоохранительные органы
  
• Архитектурно- планировочные и земельные службы города
  
• Организации, эксплуатирующие коммуникации, транспорт, здания и сооружения.
  
• Научно-исследовательские и проектные институты
  
• Строительные организации
  
• Торговые организации, биржи
  
• Инспекции и контрольные органы социально-экономического и технического надзоров
  
• Частные предприниматели и лица
  

Широко используется ГИС в области кадастра. Кадастр – это упорядоченная совокупность сведений о правовом, природном, хозяйственном и экономическом положениях физических объектов и явлений среды во времени в структурном, функциональном и информационном аспектах.

1.8.История развития ГИС

Точное время рождения геоинформатики не известно. Ее истоки следует искать в работах коллективов, сформулировавших первые задачи и подходы к построению информационных систем, ориентированных на обработку пространственных данных в Канаде и Швеции - двух стан приоритет, которых в этой области абсолютно бесспорен. Канадские работы были связаны с созданием в 1963-1971 гг. Канадской ГИС (CGIS) под руководством Р. Томплинсона. Ставшая одним из примеров крупной универсальной региональной ГИС национального уровня, CGIS может считаться классикой.

Работы шведской школы геоинформатики концентрировались вокруг ГИС земельно-учетной специализации, в частности Шведского земельного банка данных, предназначенного для автоматизации учета земельных участков (землевладении) и недвижимости.

Ранние ГИС (ГИС «первого поколения» ) значительно отличались от того, что понимается под ГИС сегодня. Их отличала ориентация на задачи инвентаризации земельных ресурсов, земельного кадастра и учета в интересах совершенствования системы налогообложения, решаемые путем автоматизации земельно-учетного документооборота. Основная функция ГИС состояла в воде в машинную среду первичных учетных документов для хранения и регулярного обновления данных, включая агрегацию данных и составление итоговых отчетов статистических табличных документов.

Инвентаризационные задачи, но путем массового цифрования карт, решались первоначально и в Канадской ГИС. В ее основу были заложены фундаментальные принципы, которые позволили выйти в сферы не только узко профильных задач, но и более универсальных интересов. Первый шаг, который вывел ГИС из области баз данных общего назначения, заключался во введении в число атрибутов операционных объектов (земельных участков, строений, физических и юридических лиц, ареалов использования земель) признака пространства, в какой бы форме местоуказания (в координатах, в иерархии административной принадлежности, в терминах принадлежности к ячейкам регулярных сетей членения территории) он ни выражался. Достаточно революционным являлось уже указание координат центроидов объектов.

В этот период сформировалось понятие пространственных объектов, описываемых позиционными и непозиционными атрибутами. Оформились две альтернативные линии представления - растровые и векторные, включая топологические линейно-узловые представления. Чуть позже создана технология массового цифрования карт - основного источника данных в Канадской ГИС. Поставлены и решены задачи, образующие ядро геоинформационных технологий: наложения (оверлей) разноименных слоев, генерация буферных зон, полигонов Тиссена и иные операции манипулирования пространственными данными, включая определения принадлежности точки полигону, операции вычислительной геометрии вообще.

Функциональная ограниченность ГИС первого поколения (например отсутствие или примитивность средств графической поддержки) имела чисто технические причины. Неразвитость периферийных устройств, пакетный режим обработки данных (без дисплея), критичность вычислительных ресурсов и времени вычисления задач. Ядро ГИС было сформировано в конце 60-х, определив облик ГИС первого поколения.

Для 70-х годов характерно тесное взаимодействие методов и средств геинформатики с цифровыми методами картографирования и автоматизированной картографией. В Гарвардском университете была создана компьютерная программа построения карт. ГИС в современном их понимании развивались на базе информационно-поисковых систем, позднее приобретая функции картографических банков данных с возможностью моделирования и анализа данных. Большинство ГИС этого периода включает в свои задачи создания карт и используют картографический материал как источник данных. К этому периоду относится быстрый прогресс геоинфомационных технологий в США.

80-е годы отличает чрезвычайный динамизм развития ГИС. К середине 80-х их число приближается к 500. Расширяется география ГИС, устраняется баланс между Старым и Новым светом. Разработка коммерческих ГИС связана в большей степени с возможностями микро и мини ЭВМ, а также с ПК. Создание ГИС стало основываться не на уникальных программных и аппаратных средствах, доступных только хорошо финансируемым организациям (типа министерства обороны), но и для небольших компаний, образовательных и муниципальных учреждений, и даже для частных лиц.

Существенно раздвигается круг решаемых задач, геоинформационные технологии проникают во все новые сферы науки, производства и образования. Осваиваются принципиально новые источники данных для ГИС: данные дистанционного зондирования, включая материалы спутников серии Landsat, Spot. В 80-х годах начинаются развиваться отечественные ГИС.

1.9.Резюме. Основы создания и применения ГИС

1.9.1.Сущность и назначение ГИС

Сущность ГИС заключается в деятельности коллективов специалистов (картографов, математиков, программистов, системотехников) по сбору, системной обработке, моделированию и анализу пространственных данных, их отображению и использованию при решении расчетных задач, подготовке и принятия решений.

Основным назначением ГИС следует считать 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.

1.9.2.Что такое ГИС?

Использование ГИС резко возросло в 80-е годы от полной неизвестности до повседневной работы в сфере бизнеса, университетах и правительственных органах, где они теперь нашли самое разнообразное применение.

Пространственные операции.

Многие компьютерные программы широкого применения типа электронных таблиц (Excel, Lotus 1-2-3), статистических пакетов (SAS, Statistic) или чертежных пакетов (AutoCAD) могут обрабатывать простые географические или пространственные данные. Почему их обычно не считают ГИС? Существенной чертой ГИС является наличие пространственных операций с данными. В качестве примера рассмотрим таблицу

Название	Широта	Долгота	Число пользователей
Лондон	51 с.ш.	0	80
Санта-Барбара	34 с.ш.	119 з.д	50
Цюрих	47 с.ш.	8 в.д.	25

Непространственный запрос.

Вопрос «Каково среднее количество специалистов, рабоатющих с ГИС в каждом месте?» не является пространственным запросом - ответ на него не использует координаты центров и не описывает их относительное расположение.

Пространственные запрос.

«Сколько специалистов работают с ГИС в главных городах Западной Европы», «Какаие центры расположены в пределах 1000 миль друг от друга», «Каков кратчайший маршрут, связывающий все эти центры». Это пространственные вопросы. , ответить на которые можно только воспользовавшись данными о координатах и другой информацией, в частности - радиусом Земли. ГИС легко отвечает на такие вопросы.

1.9.3.Вопросы, на которые отвечает ГИС

Существует пять общих вопросов, на которые может дать ответ развитая ГИС:

1. Место. Что находится в …?
   

Первый вопрос состоит в выяснении, что находится в данном месте. Место может быть определено разными способами., например, по названию местности., по почнтовому коду, по географическим координатам - широте и долготе.

2. Условие. Где это находится?
   

Второй вопрос является обратный первому. и для ответа на него требуется пространственный анализ. Вместо выяснения, что существует в данном месте, вы хотите определить место, в котором удовлетворяются некоторые условия (например, площадку по крайне мере 2000 м2 в пределах 100м от дороги с почвой, подходящей для строительства)

3. Тенденции. Что изменилось, начиная с …?
   

Третий вопрос включает оба первых и представляет собой попытку определить временные изменения на определенной площади.

4. Структуры. Какие пространственные структуры (распределения) существуют?
   

Этот вопрос более сложен. Вы можете задавать его, чтобы определить, например, является ли рак главной причиной смертности среди населения близ АЭС. Не менее важно знать, сколько имеется аномалий, не соответствующих распределению, и где они находятся.

5. Моделирование. Что, если …?
   

Это вопрос ставят, если хотят, например, выяснить, что произойдет, если к существующей сети добавить новую дорогу, или если токсичное вещество просочится в местный источник грунтовых вод. Ответ на вопросы такого типа требует привлечения географической или иной информации.

1.9.4.Примеры применения ГИС

Первые применения ГИС различались в разных регионах мира. В материковой Европе основной упор сделан был на системы регистрации участков под застройку и базы данных по окружающей среде. В Великобритании в 80-е годы наибольшее применение ГИС нашли в системах для коммунального хозяйства и для создания полной топографической базы данных на всю страну.

В Канаде ГИС применялось в лесном хозяйстве для определения объема рубок, определения маршрута к вырубаемым массивам и доведения результатов до сведения правительства. В Китае и Японии основное внимание уделялось мониторингу и моделированию возможных изменений окружающей среды.

В США все эти приложения были важны. Кроме того, ГИС применялся в проекте TIGER (топологическое совмещение географического кодирования и адресациия).

Самым большим набором географических данных, собранным к настоящему времени, являются тома спутниковых снимков, сделанных из около земного пространства. Они представлены в форме растра. Малые квадратные участки земли на них представлены в виде одним или несколькими числами, описывающими свойства земной поверхности. Такие данные анализируются с помощью специального программного обеспечения, называемого системами обработки изображений, и часто на специальном оборудовании.

Важно отметить, что все эти приложения - регистрация участков земли, коммунальные сооружения, лесное хозяйство и планирование окружающей среды, - использовали похожее программное обеспечение и методики.

1.9.5.Составные части ГИС

ГИС состоит из нескольких составных частей


Пользователь ГИС (Программный инструмент + базы данных)) реальный мир

результат


Пользователь становится частью ГИС всякий раз при выполнении сложного анализа, например, пространственного анализа или моделирования. Такие работы обычно требуют опыта в выборе и использовании инструментария из набора ГИС и хорошего знания, используемых данных.

Чем не является ГИС

ГИС не является просто компьютерной системой для составления карт, хотя они могут создавать карты в разных масштабах, в проекциях и с разнообразной раскраской. Главное преимущество ГИС состоит в способности определять пространственные связи между объектами карты.

ГИС не хранит карты в обще принятом смысле. они не хранят также какие-нибудь изображения и представления пространства. Вместо этого ГИС хранят данные, с помощью которых можно создать нужное представление, наиболее подходящее для конкретных целей.

ГИС связывают пространственные с географической информацией о каждом отдельном объекте карты. Эта информация хранится в виде атрибутов или характеристик объекта, представляемого графически. Например, дорожная сеть может быть представлена схемой осевых линий дорог, но получаемое изображение дает не слишком много информации о дорогах. Чтобы получить информацию о дорогах, например, о их ширине или типе покрытия, нужно запросить базу данных. Тогда можно было бы создавать изображения дорог в условных знаках в соответствии с той информацией, которая должна быть показана.

Кроме того, ГИС могут пользоваться хранимыми в ней атрибутами для получения новой информации об объектах карты, например, для вычисления длины определенной дороги или для определения общей площади какого-либо типа почв.

ГИС не хранит карты и изображения, а хранит базу данных. Понятие базы данных является центральным для ГИС и главным отличием ГИС от простой чертежной или компьютерной картографической системы, которая может выдавать качественные картографический материал и все. Все современные геоинформационные системы имеют также систему управления базой данных.

Если вы хотите пойти дальше рисования картинок, вам нужно знать три фрагмента информации о каждом объекте: что это такое, где это находится и как это связано с другими объектами (например, какие дороги образуют сеть). Системы базы данных обеспечивают возможность хранения большого количества такого рода информации. По существу ГИС позволяет связать описательную информацию с объектами карты создать новые связи, благодаря которым можно, например, оценить пригодность каких-либо участков для строительства, оценить воздействия на окружающую среду, оценить урожай т.д.

1.10.ГИС и телекоммуникационные сети

Телекоммуникационные сети принадлежат к классу сетей передачи информации и состоят из звеньев и цепей передачи данных, оконечных устройств (терминалов), обеспечивающих ввод и вывод информации, станций, узлов связи и коммутирующих устройств. Основное назначение телекоммуникационных сетей - обеспечение доступа к информационным ресурсам, налаживание свободного и оперативного обмена данными.

Взаимодействие между ГИС и телекоммуникационными сетями идет во встречном направлении: с одной стороны, сети обеспечивают питание ГИС пространственной информацией, а с другой - ГИС способствует решению задач оптимального размещения и функционирования сетей.

Получили развитие информационные сети, связанные с передачей геоинформации , с формированием баз данных по экологии и окружающей среде, например, (Global Resource Information Database GRID), (Environmental Research Information Network ERIN). Задача обмена цифровой картографической, аэрокосмической, статистической информацией через посредство коммуникационных сетей становится все более актуальным. Сети передачи данных призваны обеспечить эффективное взаимодействие ГИС-центров с отраслевыми центрами цифрового общегеографического, тематического и кадастрового картографирования, с центром сбора и обработки данных дистанционного зондирования, пунктами экологического мониторинга, биосферными станциями, гидрометеорологической сетью и с другими сетями наблюдений, формирующими геоинформационные ресурсы.

Распространение телекоммуникационных сетей обеспечивает интеграцию телефонной связи, опто-волоконных сетей, спутниковых систем и геоинформационных технологий. Значительную часть существующего ныне информационного гиперпространства составляет геоинформационное пространство, в котором функционируют цифровая геоинформация, карты, космические снимки и другие изображения.

Одно из направлений развития ГИС-технологий как раз и состоит во внедрении различного рода изображений в компьютерные сети. Картографы и другие пользователи пространственной геоинформации часто не имеют дело с печатными картами и снимками. Они пользуются интерактивными изображениями, воспринимаемы и анализируемыми в диалоговом режиме по сетям.

С помощью электронных карт, передаваемых по телекоммуникационным сетям, решаются задачи мониторинга, оперативного прогноза, предупреждения об опасных явлениях и факторах риска, принятия быстрых решений. Например, станы восточной Африки разработали систему раннего оповещения о засухах. По данным ДЗ со спутников METEOSAT, NOAA, поступающим в региональный центр в Найроби, в оперативном режиме создаются карты состояния и температуры и облачного покрова, ожидаемого распределения дождей и состояния растительного покрова, которые затем распространяются среди заинтересованных пользователей Internet. По желанию пользователей карты могут характеризовать подекадные и помесячные ситуации, либо содержать интегральную информацию на заданные критические периоды. По ним, также в оперативном режиме составляются прогнозные карты и распространяются предупреждения о грядущих засухах.

Хорошо известным примером является передача по сетям электоральных карт в период подведения итогов выборов.

1.11.Принципы создания и применения ГИС

ГИС должна иметь разветвленную структуру, технологические комплексы, большие объемы обрабатываемой и передаваемой информации. На начальной стадии создания такой системы главной проблемой является выбор ее рациональной структуры и обоснование принципов проектирования.

Важнейшим из них следует полагать принцип соответствия структуры ГИС, ее тактико-технических характеристик предъявляемым к ней требованиям пользователей. Согласно этому принципу, в ГИС должны обеспечиваться основные требования, предъявляемые не только к составу системы и принципам взаимодействия входящих в нее подсистем, их функциональным возможностям, оперативности, производственной мощности, но 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.

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 подсистемами. Системный подход обеспечивает единство создания технического математического, информационного и лингвистического обеспечения, их совместимость, определяет методы исследования и проектирования ГИС, ее структуру.

Конечным результатом функционирования ГИС должно быть повышение эффективности работы пользователей системы путем своевременного доведения до них необходимой информации о местности и происходящих на ней процессах посредством создаваемых как единое целей электронных и цифровых карт.

Инструментом системного подхода является моделирование. Под моделированием понимается такой способ отображение реальной действительности, при котором для изучения оригинала применяется специально построенная модель, воспроизводящая существенные свойства и характеристики исследуемого реального объекта и процесса.